數字式距離繼電器的製作方法

2023-05-01 15:45:26

專利名稱：數字式距離繼電器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種數字式距離繼電器，在流過負載電流的電力系統中，在故障發生地的電阻發生故障時，提高測量到故障發生地為止的阻抗的距離繼電器的測量精度。
在現有的流過負載電流的電力系統中，預先假設在故障發生地的電阻發生故障時所產生的阻抗測量誤差，來調整阻抗的方式，在距離繼電器方式中被採用。這時，在輸電端子處呈現出伴隨著前述故障發生地的電阻，阻抗的電抗分量變小的所謂延長動作時間(オ—，バ リ—チover reach)的趨勢，相反地，在用電端子處，會呈現電抗分量變大的所謂縮短動作時間(ァングリ—チunder reach)的趨勢。
但是，距離繼電器的設置端子，並不一定固定在輸電端或使用端，實際上，通常要考慮在假定的系統的條件下所能發生的前述誤差的最大值，來進行阻抗調整。
圖2表示作為本發明的對象的數字式距離繼電器的設置情況。在該圖中，將經過變流器2從輸電線1來的負載電流IL與故障電流I的疊加後的電流(I＋IL)、及經過變壓器3將電壓V變換到規定的電平，導入到數字式距離繼電器中。在該圖中的電壓V為由到故障發生地為止的輸電線阻抗(R＋jX)產生的電壓降部分以及由通過故障發生地F的故障發生地電阻RA流過的故障電流I/C(C故障電流的分流比)產生的故障發生地電壓VF構成。其關係由下面的公式(1)表示。
V＝R·(I＋IL)＋jX·(I＋IL)＋(VF＝)RA·I/C…(1)(這裡，j為複數的虛數單位)在(1)式中，故障發生地的電壓VF成為距離繼電器的阻抗測量誤差的主要原因。(1)式可置換成下面的形式。
V/(I＋IL)＝Zry＝R＋jX＋(RA/C)/(1＋IL/I)…(2)∵ZF＝(RA/C)/(1＋IL/I)＝rf＋jxf在(2)式中，下劃線部分的阻抗為阻抗測量誤差。其情況示於圖3。
在圖中，FB相當於(2)式的RA/C，FA為繼電器所觀察到的故障發生地的阻抗，相當於(2)式中的下劃線部分。
此外，FA與FB的大小的比例為|IL/I|，FA與FB的相位差δ表示負載電流相對於故障電流I的超前相位部分。同時，該相位差δ一定、大小|IL/I|變化時繼電器所觀察到的阻抗Zry的軌跡為圖中的圓。它是以線段FB＝(RA/C)為弦，圓周角(π－δ)＝∠FAB為恆定的圓。
圖中的繼電器所觀察到的阻抗測量誤差的電阻分量rf、電抗分量xf由下式表示。
Re[V·(I＋IL)*]＝R·|I＋L|^2＋Re[VF·(I＋IL)*]Re[Zry]＝R＋Re[VF·(I＋IL)*]/|I＋IL|^2…(3)Im[V·(I＋IL)*]＝X·|I＋IL|^2＋Im[VF·(I＋IL)*]Im[Zry]＝X＋Im[VF·(I＋IL)*]/|I＋IL|^2…(4)上式的下劃線部分為阻抗測量誤差(rf＋jxf)。這裡，在一般的兩個向量A，B之間，在數學上下述關係式成立[A·B*]＝|A|·|B|·exp(j(θ＝θA－θB))Im[A·B*]|A|·|B|·sin(θ)，Re[A·B*]＝|A|·|B|·cos(θ)(這裡，*號共軛複數，θ向量A相對於向量B的超前相位)。考慮(3)式、(4)式的數學意義，當相對於用於測量繼電器的阻抗的電流，故障發生地電壓VF滯後時，xf為負，繼電器測量的電抗Xry比到實際故障發生地為止的線路的電抗X小，呈延長動作的形式。反之，當故障發生地電壓VF超前時，xf為正，測量值大於線路的電抗，呈現縮短動作的形式。
從以上的說明中可以看出，在負載電流流過的狀態下發生伴隨有故障發生地的電阻的故障時，測量到故障發生地點為止的阻抗的數字式距離繼電器的測量誤差，因負載電流的方向及大小，其狀況有很大的變化。但實際情況是，從系統的運用狀態及假定故障發生地的電阻的大小計算出該測量誤差的最大值，通過數字式距離繼電器進行調整。
鑑於上述情況，本發明的目的是提供一種數字式距離繼電器，在故障發生地的電壓相位與流過故障發生地的的故障電流相位基本上相同的條件下，檢測出測量距離繼電器阻抗的電流與和前述故障發生地電流的相位具有大致相同相位關係的電流的相位差，通過與該相位差連動、逐次決定距離繼電器的動作特性，防止距離繼電器的延長動作時間和縮短動作時間。
本發明是通過以下技術方案來實現的本發明的數字式距離繼電器，在規定的周期內對電力系統的輸電線的電壓、電流進行取樣、根據由電阻，電抗等構成的輸電線的線路方程式測量到故障發生地的阻抗，檢測是否處於規定的區域內，其特徵為，該數字式距離繼電器由以下部分構成計算正相序電阻分量Rcal，正相序電抗分量Xcal的第一機構；存儲檢測出故障的規定時間之前的負載電流的第二機構；提取與流過故障發生地的故障電流的相位具有相等相位關係的電流的第三機構；檢測前述第三機構所獲得的電流的相位相對於直接計算前述正相序電阻分量、正相序電抗分量的電流的相位滯後還是超前的第四機構；使用在前述第四機構獲得的相位關係中與所述兩個電流的相位差成比例的值，判斷前述距離繼電器的動作的第五機構；第六機構，當檢測前述第二機構存儲的負載電流的流動方向為輸送電的方向時，將前述正相序阻抗以規定的電阻分量、電抗分量為基準，判斷是否處於規定的區域內的動作特性、和前述第五機構的動作特性的共同的區域作為動作區域；當檢測前述第二機構存儲的負載電流的流動方向為接受電的方向時，將前述正相序阻抗以規定的電阻分量、電抗分量為基準點，判斷是否處於規定的區域內的動作特性與前述第五機構的動作特性中的任何一個的動作區域作為動作區域。
根據本發明，在測量從繼電器設置點到故障發生地點的輸電線的阻抗，判斷其是否處於動作區域內的方法中，在流過負載電流、發生伴有故障發生地點的電阻的故障時，即使產生阻抗測量誤差，通過逐次地修正繼電器的動作特性修正該測量誤差。也能夠使繼電器正常地進行動作。
本發明的數字式距離繼電器，其特徵為，前述第三機構的結構為，在發生短路故障時，提取出從發生故障的電流中減去前述第二機構存儲的負載電流後的電流；在發生接地故障時，提取出零相序電流。
根據本發明，提取出的電流為與故障發生地點的故障電流相位基本上相同的電流。在短路時將從繼電器輸入電流中刪除負載電流的電流作為與故障電流相當的電流；在發生接地故障時，將零相序電流作為相當於故障電流的電流。
本發明的數字式距離繼電器，其特徵為，前述第三機構的結構為，在發生短路故障時，將發生故障時的電流與規定的基準電學量的內積值IVpc、外積值IVps除以前述基準電學量的大小|Vp|後所得到的值，分別對內積值、外積值減去將把前述第二機構存儲的負載電流與同一時刻M的前述基準電學量的內積值(ILVpc)M及外積值(ILVps)M除以該時刻的前述基準電學量的大小|VpM|以後所得到的值，進行提取，即將電學量{(IVpc)/|Vp|－(ILVpc)M/|VpM|}，{(IVps)/|Vp|－(ILVps)M/|VpM|)提取出來。
根據本發明，在發生短路故障時，將故障發生前的負載電流以故障電流發生前後相位未發生大的變化的正相序電壓為基準分成同相分量(內積值)與正交分量(外積值)進行存儲，對於發生故障時與負載電流疊加的電流，也以正相序電壓為基準計算同相分量與正交分量，對於各個分量從發生故障時的電流中扣除在故障發生前所存儲的負載電流分量，將故障發生地點的電流分成與正相序電壓同相序的分量和正交的分量提取出來。
本發明的數字式距離繼電器，其特徵為，前述第四機構的結構為，在發生短路故障時，根據所述的發生故障時的電流與規定的基準電學量的內積值Ivpc、外積值Ivps及電學量{(IVpc)/|Vp|－(ILVpc)M/|VpM|}、{(IVps)/|Vp|－(ILVps)M/|VpM|}，計算出Ipc＝{(IVps)/|Vp|－(ILVps)M/|VpM|}·(IVpc)/|Vp|－{(IVpc)/|Vp|－(ILVpc)M/|VpMI}·(IVps)/|Vp|Ips＝{(IVpc)/|Vp|－(ILVpc)M/|VpM|}·(IVpc)/|Vp|＋{(IVps)/|Vp|-(ILVps)M/|VpM|}·(IVps)/|Vp|通過將電學量Ipc與Ips相對比，檢測出前述發生故障時的電流的相位相對於與流過所述的第三機構的故障發生地點的故障電流的相位具有相等的相位關係的電流的相位是滯後還是超前，其中，下劃線部分表示發生故障前的負載電流相對於基準電壓的同相分量、正交分量。
根據本發明，如果檢測出發生短路故障，從測量發生故障時的阻抗的繼電器的電流中如下面的公式所示扣除故障發生前的負載電流，計算出與發生故障的地點的電流相當的電流與繼電器電流的內積值，外積值，求出如圖3所示的FA與FB之間的相位角θ的正切值(tan(θ))。
內積值與故障電流相當的電流與繼電器測量阻抗時使用的電流(與負載電流的疊加)Ipc＝IF·cos(θ＝θF－θi)＝{IVps)/|Vp|－(ILVps)M/|VpM|}·(IVpc)/|Vp|－{(IVpc)/|Vp|－(ILVpc)M/|VpM|}·(IVps)/|Vp|…(7)外積值與故障電流相當的電流與繼電器測量阻抗時使用的電流(與負載電流的疊加)Ips＝IF·sin(θ＝θF－θi)＝{(IVpc)/|Vp|－(ILVpc)M/|VpM|)·(IVpc)/|Vp|＋{(IVps)/|Vp|－(ILVps)M/|VpM|}·(IVps)/|Vp|(8)tan(θ)＝Ipc/Ips …(9)通過知道上述關係，可以檢測出在發生故障時的電流相對於與流過故障發生地點的故障電流相當的電流的相位是超前還是滯後。
本發明的數字式距離繼電器，其特徵為，前述第四機構的結構為，在發生短路故障時，通過將直接計算電阻分量、電抗分量的電流和與該電流相位相同的規定時間前的電流的差分電流的外積值與內積值相對比，檢測前述發生故障時的電流的相位相對於與流過所述的第三機構的故障發生地點的故障電流的相位具有相同相位關係的電流的相位是滯後還是超前。
根據本發明，當檢測出短路故障時，計算出直接計算電阻分量、電抗分量的電流I與規定時間前的電流(相當於負載電流IL)之間的差分電流ΔI＝I—IL(瞬時值)和電流I的內積值、外積值，求出圖3所示的FA與FB之間的相位角θ的正切值(tan(θ))。
(ΔI·I)c＝|ΔI·I|·cos(θ)(ΔI·I)s＝|ΔI·I|·sin(θ)tan(θ)＝(ΔI·I)s/(ΔI·I)c…(10)通過知道上述關係，可以檢測出發生故障時的電流和與流過故障發生地點的故障電流相當的電流的相位是超前還是滯後。
本發明的數字式距離繼電器，其特徵為，前述第四機構的結構為，在發生接地故障時，在接地相序的電流ia上加上將零相序電流iO乘以與輸電線阻抗的零相序電阻分量和正相序電阻分量之比成比例的值kr所得到的電阻分量零相序補償電流(kr－1)·iO，得到電流Ir＝(ia＋(kr－1)·iO)進而得到與零相序電流的外積值(IO·Ir)s；在接地相序電流ia上加上將零相序電流iO乘以與輸電線阻抗的零相序電抗分量和正相序電抗分量的比值成比例的值kx所得到的電抗分量零相序補償電流(kx－1)·iO，得到電流Ix＝(ia＋(kx－1)·iO)，進而得到與零相序電流的內積值(IO·Ix)c，將外積值(IO·Ir)s和內積值(IO·Ix)c進行對比，檢測前述發生故障時電流的相位相對於和流過所述的第3結構的故障發生地點的故障電流的相位具有相同相位關係的電流的相位是滯後還是超前。
根據本發明，如果檢測出接地故障，作為計算出電阻分量、電抗分量的電流，採用在接地相電流ia上加上於零相序電流iO上乘以輸電線阻抗的零相序電阻分量與正相序電阻分量之比的比例值kr所得到的電阻分量零相序補償電流(kr－1)·iO的電流值Ir＝(iO＋(kr－1)·iO)，計算出與零相序電流的外積值(IO·Ir)s，進而，計算出在接地相電流ia上加上零相序電流iO乘以與輸電線阻抗的零相序電抗分量與正相序電抗分量之比成比例的值kx所得到的電抗分量零相序補償電流(kr－1)·iO，計算電流Ix＝(ia＋(kr－1)·iO)與零相序電流的內積值(IO·Ix)c，將前述外積值(IO·Ir)s與內積值(IO·Ix)c相對比，求出圖3所示的FA與FB之間的相位角θ的正切(tan(θ))值。
(IO·Ix)c＝|IO·Ix|·cosθ(IO·Ix)s＝|IO·Ix|·sinθtan(θ)＝(IO·Ix)s/(IO·Ix)c…(11)
通過知道上述關係，可以檢測出測量到達故障發生地點為止的電阻分量與電抗分量的故障電流Ir，Ix比流過故障發生地點的故障電流iO的相位是超前還是滯後。
本發明的數字式距離繼電器，其特徵為，前述第五機構的結構為，在發生短路故障時，根據預先設定的電阻分量Rs、電抗分量Xs和所述的第1機構直接計算出的電阻分量Rcal、電抗分量Xcal及所述的電學量Ipc及Ips，判斷電抗分量(Xcal－Xs)與電阻分量(Rcal－Rs)之比和前述電學量Ips與電學量Tpc的比值(Tps/Ipc)乘以預先設定的常數所得到的值的大小，在比較的結果為小時進行動作，在比較的結果為大時不動作。
根據本發明，如果檢測出短路故障，藉助該短路相之間的電學量，分別計算出到達故障地點為止的電阻分量Rcal，電抗分量Xcal，由預先設定的電阻分量Rs，電抗分量Xs與電學量Ips，Ipc，根據下式，對繼電器動作進行判斷，當滿足下式時判斷為繼電器動作。
Xcal－Xs＜＝{Ips/Ipc}·k·(Rcal－Rs)…(12)(k預先設定的常數)此外，當然也可以用下式替代上式(12)Ipc·(Xcal－Xs)＜＝k·Ipc·(Rcal－Rs) …(13)這裡，常數k＝1.0＋ε，其中，當設定為大於圖4中所示的θ的計算值時，ε位於＋側，而當設定為小於θ的計算值時，ε位於一側。其情況式於圖4。
在圖4中，FA表示θ的計算值，k＞1.0的實線表示有測量值延長動作的傾向，k＜1.0的實線表示將其設定為有比測量值延長動作時間的傾向。
通過從上述與故障發生地點電流相當的電流及測量繼電器的阻抗的電流，計算出它們之間的電流相位角的關係，實時地修正距離繼電器的阻抗測量誤差。
本發明的數字式距離繼電器，其特徵為，前述第五機構的結構為，在發生接地故障時，根據預先設定的電阻分量Rs，電抗分量Xs和所述的第1機構直接計算的電阻分量Rcal、電抗分量Xcal以及內積值(IO·Ix)c及外積值(IO·Ir)s，判斷電抗分量(Xcal－Xs)與電阻分量(Rcal－Rs)之比和前述內積值(IO·Ix)c與外積值(IO·Ir)s之比((IO·Ir)s/(IO·Ix)c)乘以預先設定的常數所得到的值之間的大小，在比較的結果為小時進行動作，在比較的結果為大時不動作。
根據本發明，在檢測出發生接地故障時，藉助零相序補償的電流，分別計算出直到故障發生地點的電阻分量Rcal，電抗分量Xcal，由預先設定的電阻分量Rs，電抗分量Xs以及電學量(IO·Ix)c及(IO·Ir)s根據下式判斷繼電器的動作，當滿足下式時，判斷為繼電器動作。
Xcal－Xs＝{(IO·Ir)s/(IO·Ix)c}·k·(Rcal－Rs)(15)這裡，和常數K＝1.0＋ε一樣，設定為比圖4所示的θ的計算值大時，ε位於＋側，當設定為小於θ的計算值時，ε位於一側。其情況如圖4所示。
通過由上述與故障發生地點的電流相當的電流及測量阻抗的電流，計算出它們之間的電流的相位關係，可實時地修正距離繼電器的阻抗測量誤差。
本發明的數字式距離繼電器，其特徵為，前述第六機構的結構為，在檢測出第二機構存儲的負載電流的流動方向為輸送電的方向時，根據預先設定的電阻分量Rs、電抗分量Xs及第1機構直接計算出的電阻分量Rcal，電抗分量Xcal，通過電抗分量(Xcal－Xs)與電阻分量(Rcal－Rs)之比與預先設定的常數的大小的比較進行動作判斷的結果，及在第五機構進行的判斷結果，都為動作時，判定為動作；當檢測出第二機構存儲的負載電流的流動方向為接受電的方向時，根據預先設定的電阻分量Rs、電抗分量Xs及第1機構直接計算出來的電阻分量Rcal、電抗分量Xcal，通過電抗分量(Xcal－Xs)與電阻分量(Rcal－Rs)之比與預先設定的常數的大小的比較進行動作判斷的結果，及在第五機構進行的動作判斷結果，在其中的任何一個結果判斷為動作時，判斷為動作。
根據本發明，在第六機構中，其結構為，在檢測出第二機構中存儲的負載電流的流動方向為輸送電的方向時，如圖5所示，把預先設定的電阻分量Rs，電抗分量Xs與數字式距離繼電器直接計算出來的電阻分量Rcal，電抗分量Xcal，用電抗分量(Xcal－Xs)，與電阻分量(Rcal－Rs)之比用預先設定的常數α進行動作判斷的結果的動作區域，即，圖5直線NF的下部區域和第五機構的動作判斷結果的動作區，即，圖5中直線FM下部區域的共同區域，判定為動作區域，或者，當檢測出在第二機構中存儲的負載電流的流動方向為用電方向時，由圖6所示的預先設定的電阻分量Rs，電抗分量Xs與數字式距離繼電器直接計算出來的電阻分量Rcal，電抗分量Xcal，用電抗分量(Xcal－Xs)與電阻分量(Rcal－Rs)之比用預先設定的常數α的大小進行動作判斷的結果的動作區域，即，圖6中的直線NF的下部區域，以及在第五機構的動作判定結果的動作區域，即，圖6的直線FL的下部的區域的兩個區域被判定為動作區域，在故障前的負載電流的流動方向，切換動作特性。
本發明的數字式距離繼電器，其特徵為，前述第六機構的結構為，根據預先設定的電阻分量Rs、電抗分量Xs與第1機構直接計算出來的電阻分量Rcal、電抗分量Xcal，在計算出的電阻分量Rcal小於前述設定值Rs時，通過電抗分量(Xcal－Xs)與電阻分量(Rcal－Rs)的比值與預先設定的常數的大小比較進行動作判斷，在前述算出的Rcal大於或等於前述設定值Rs時，採用第五機構的動作判斷結果。
以下結合附圖詳細說明本發明的實施例。


圖1、為表示本發明的實施形式的結構圖。
圖2、表示本發明的數字式距離繼電器的設置情況。
圖3、為表示作為本發明的對象的阻抗測量的矢量關係的圖示。
圖4、為將作為本發明的對象的特性表示在R—X平面上的圖示。
圖5、為將作為本發明的對象的特性表示在R—X平面上的圖示。
圖6、為將作為本發明的對象的特性表示在R—X平面上的圖示。
圖7、為本發明的數字式距離繼電器的結構圖。
圖8、為用於說明本發明的第二機構的矢量圖。
圖9、為用於說明本發明的第三機構的矢量圖。
圖10、表示用於說明本發明的第三機構的結構圖。
圖11、為用於說明本發明的第三機構在發生短路故障上的結構的圖示。
圖12、為用於說明本發明的第四機構在發生短路故障上的結構的圖示。
圖13、為說明本發明的第四機構的相位關係的矢量圖。
圖14、為用於說明本發明的第四機構在發生短路故障上的結構的圖示。
圖15、為說明構成本發明的第三機構的其它實施例的效果的圖示。
圖16、為說明構成本發明的第三機構其它實施例的構成方法的圖示。
圖17、一條線接地時的對稱分量等效迴路。
圖18、用於說明本發明的效果的圖示。
圖19、用於說明本發明的效果的圖示。
圖20、用於說明本發明的效果的圖示。
圖21、用於說明本發明的效果的圖示。
圖22、用於說明本發明的效果的圖示。
圖23、用於說明本發明的效果的圖示。
圖7為用於說明本發明的輸電線用數字式距離繼電器的實施形式的硬體的結構圖。在圖中，1為作為保護對象的輸電線，2為變流器，3為變壓器，4為將變流器2的電流輸出與變壓器3的電壓輸出進行輸入並變換成適當電平的輸入變換器。5為分別對從輸入變換器4輸出的電流、電壓輸出分別進行取樣。並保持取樣的保持迴路，6為把從取樣保持迴路5輸出的模擬數據的電流、電壓輸出變換成數字數據的模擬—數字變換迴路，7為存儲故障前後的數據的存儲迴路，8為用前述電流、電壓數據在規定的周期內進行運算處理，並進行數字式距離繼電器動作判斷以及進行發送出斷路跳閘指令判斷的運算迴路(CPU)，9為輸出作為數字式距離繼電器的動作判斷結果的I/O接口迴路。
圖1是表示圖7中所示的由運算迴路8進行數字式距離繼電器10的動作判斷的內容的圖示。第一機構11利用輸電線的線路方程式測量到達故障發生地點的電阻分量Rcal，電抗分量Xcal，其具體的算法的詳細例子在文獻IEEE Transaction of PowerDelivery，Vol.4，No.4，October 1989 p2025-2031中進行了描述。此外，第二機構12存儲故障發生前的電流即故障發生前流過的負載電流。作為該負載電流的大小及相位的存儲方法，是將該相的負載電流與該相的基準的正相序電壓的內積值和外積值除以正相序電壓的大小，其存儲方法如下面的公式(16)，(17)所示。
內積值為{|IL|·|Vp|·cos(θL)}/|Vp|＝{(iL/dt)m·vpn－(iL/dt)n·vpm}|Vp|…(16)外積值為{|IL|·|Vp|·sin(θL)}/|Vp|＝{iLn·vpm－iLm·vpn}/|Vp|…(17)θL正相序電壓Vp基準的電流超前相位角負載電流IL的瞬時值(時刻tm)iLm，IL的差分值(iL/dt)m
正相序電壓Vp的瞬時值，以a相基準為例Vpm＝(vam－vOm)＋j(vbm－vcm)/√3vam，vbm，vcm，voma才目，b才目，c相，零相j與90度超前相位相當的處理。
其關係示於圖8。與正相序基準電壓同相的分量OA為負荷電流OC(IL)的內積值，正交分量OB為外積值。
第三機構13用於提取與故障發生地點電流相當的電流，是用於提取與圖2的故障發生地電流I/C相當的電流的機構。
進而，第四個機構14為檢測在第三機構13中提取的與故障發生地點的電流相當的電流及測量數字式距離繼電器10的阻抗的電流之間的相位關係的機構。圖9表示將測量數字式距離繼電器的阻抗的電流Iry作為OA，將與故障發生地點的電流相當的電流工F作為OF時，它們與各個負荷電流IL的關係。由該圖的Iry和IF檢測出它們之間的相位角θ。
第五機構15是以數字式距離繼電器的預先設定的Rs、Xs為基準點，實現以和前述相位θ成比例的傾斜的直線作為動作界限的動作特性的機構。
進而，第六機構為，根據第二機構計算出的內積值判定負載電流為輸送電或接受電，在輸送電時，通過預先設定的Rs、Xs，將以預先設定的傾斜的直線作為動作界限的動作特性區域和用前述第五機構決定的動作特性區的共同的動作區域作為動作區域，在接受電時，通過預先設定Rs、Xs，以預先設定的傾斜的直線作為動作界限的動作特性區域以及由前述第五機構15決定的動作特性區域的兩個區域之和的區域作為動作區域的機構。
圖10是對本發明的提取與故障發生地點的電流量相當的電流量的第三機構13的說明圖。其結構為，在發生短路故障時，從用於測量數字式距離繼電器的阻抗的電流中刪除與負載電流相當的故障發生前存儲的電流，在發生接地故障時，提取出零相序電流。
圖11為在圖10所示的短路故障時，以正相序電壓為基準，求出故障發生前後的電流的同相分量及正交分量，從發生故障時的電流中的同相分量及正交成分中，分別刪除發生故障前的電流的相同成分。這裡，以正相序電壓為基準，是由於利用了在故障發生前後，正相序電壓的相位不發生大的變化的性質。此外，對於這種正相序的性質，在特開平8—19169號公報中已有記載。
圖12是用於說明本發明的檢測和故障發生地點的電流相當的電流與測量數字式距離繼電器的阻抗的電流之間的相位關係的機構的圖示。在發生短路故障時，和發生故障的地點的電流相當的電流的正相序電壓基準同相的分量IFc、正交分量IFs用下式表示。
IFc＝|IF|·cos(θF)＝{(IVpc)/|Vp|－(ILVpc)M/|VpM|}IFs＝|IF|·sin(θF)＝{(IVps)/|Vp|－(ILVps)M/|VpM|} …(18)(θFIF比正相序電壓Vp基準超前的相位)此外，測量數字式距離繼電器的阻抗的電流與正相序電壓基準同相的分量Iryc、正交分量Irys用下式表示。
Iryc＝|Iry|·cos(θry)＝(IVpc)/|Vp|Irys＝|Iry|·sin(θry)＝(IVps)/|Vp|…(19)(θryIry比正相序電壓Vp基準超前的相位)從而，與故障電流相當的電流IF及測量數字式距離繼電器的阻抗的電流Try之間的相位差θ＝θF－θry由下面的公式(20)求出。
Ips＝|IF|·|Iry|sin(θF－θry)＝|IF|sin(θF)·|Iry|cos(θry)－|IF|cos(θF)·|Iry|sin(θry)＝{(IVps)/|Vp|－(ILVps)M/|VpM|}·(IVpc)/|Vp|－{((IVpc)/|Vp|－(ILVpc)M/|VpM|}·(IVps)/|Vp|Ipc＝|IF|·|Iry|cos(θF－θry)＝|IF|cos(θF)·|Iry|cos(θry)＋|IF|sin(θF)·|Iry|sin(θry)
＝{(IVpc)/|Vp|－(ILVpc)M/|VpM|}·(IVpc)/|Vp|＋{((IVps)/|Vp|－(ILVps)M/|VpM|}·(IVps)/|Vp|…(20)圖13表示上式中θ＝θF－θry與IF及Iry的關係。
圖14為用於說明檢測測量本發明的數字式距離繼電器的阻抗的電流I與相同相序的規定時間前的電流IL的差分電流ΔI的相位關係的機構。此外，電流I與規定時間前的電流IL的瞬時值的關係示於圖15。圖15的(a)表示，測量數字式距離繼電器阻抗的電流的瞬時值I是與故障電流相當的瞬時值iF與負載電流iL的疊加量i＝iF＋11，在故障發生前，其負載電流為iL。圖15(b)表示從電流i中扣除故障發生前的負載電流iL的電流。即，與故障發生地點的電流相當的電流。
圖16為在發生接地故障時，用於檢測作為本發明的數字式距離繼電器的阻抗的電流、電阻分量零相序補償電流Ir與電抗分量零相序補償電流Ix，及與故障發生地點的電流相當的零相序電流的相位關係的第四機構14的說明圖。發生接地故障時的電壓V經由輸電線的電阻R，電抗X及故障發生地點的電阻RF用下式表示。
V＝R·Ir＋jX·Ix＋RF·IF…(21)這裡，IF作為流過故障發生地點的電流，在發生一條線接地的故障時，如圖17所示，正相序、反相序、零相序對稱分量電流相等。進而，在正相序迴路中，負載電流疊加在設置數字式距離繼電器的端子的電流上，而零相序迴路，則不受負載電流的影響，所以從零相序迴路的故障發生地點觀察時，兩個端子的阻抗角大致相等。因此，流過故障發生地點的零相序電流與輸入到數字式距離繼電器的零相序電流的相位基本上相等。在這種假設條件下，從上式中可以導出如下的關係成立。Im[V·Ir*]＝X·Im[jIx·Ir*]＋RF·Im[IF·Ir*]Xry＝Im[V·Ir*]/Im[jIx·Ir*]＝X＋RF·Im[IF·Ir*]/Im[jIx·Ir*]Xf＝RF·Im[IF·Ir*]/Im[jIx·Ir*] …(22)Re[V·Ix*]＝R·Re[Ir·Ix*]＋RF·Re[IF·Ix*]Rry＝Re[V·Ix*]/Re[Ir·Ix*]＝R＋RF·Re[IF·Ix*]/Re[Ir·Ix*]rF＝RF·Re[IF·Ix*]/Re[Ir·Ir*] …(23)在上式中，作為相當於故障發生地點的電流IF的電流，採用輸入到數字式距離繼電器中的零相序電流IO。
推斷故障發生地點電阻的阻抗相位角，由下面的公式定義，在R，X平面表示時，其關係如圖18所示。tan(θ)＝xF/rF{Im[IF·Ix*]/Im[jIx·Ir*]}/{Re[IF·Ix*]/Re[Ir·Ix*]}＝|Ir/Ix|·sin(θF－θr)/cos(θF－θx)＝(IO/CO·Ir)s/(IO/CO·Ix)c…(24)∵|IF·Ir|·sin(θF－θr)＝Im[IF·Ir*]＝(IO/CO·Ir)s|IF·Ix|·cos(θF－θx)＝Re[IF·Ix*]＝(IO/CO·Ix)c(CO流過零相序電流的繼電器設置端子的分流比，假設基本上為實數)這裡，如果採用零相序電流IO作為相當於故障發生地點的電流IF，可檢測出上述的相位θ。
圖19表示使用本發明的電學量Ipc與電學量Ips，對第一機構算出的電阻Rcal、電抗Xcal以及由預先設定的常數Rs、Xs所確定的規定的動作特性進行修正，實現所需的特性的機構的說明圖。動作判別式如下式所示，為直線特性。
Xcal－Xs＜k·tan(θ)·(Rcal－Rs)…(25)∵tan(θ)＝Ips/Ipck為預先設定的常數，k＜1的特性為該圖中FA所示的直線，k＞1的特性為FB所示的直線特性。
圖20為表示使用本發明的電學量(IO·Ir)s及電學量(IO·Ix)c，對由數字式距離繼電器直接算出的電阻分量Rcal及電抗Xcal以及預先設定的常數Rs、Xs所確定的規定的動作特性進行修正，實現所需的特性的機構的說明。動作判別式如下式所示，為直線特性。
Xcal－Xs＜k·tan(θ)·(Rcal－Rs)…(26)∵tan(θ)＝(IO·Ir)s/(IO·Ix)ck為預先設定的常數，k＜1的特性為該圖中FA所示的直線，k＞1的特性為FB所示的直線特性。
圖21為表示本發明的故障發生前流過的負載電流為輸送電的方向時，實現動作特性的機構。此外，圖22為表示故障發生前流過的負載電流為接受電的方向時，實現動作特性的機構。
圖23表示這樣一種機構，當第一機構算出的電阻分量Rcal、電抗分量Xcal中的Rcal小於預先設定的Rs時，將所需的動作特性作為下式所表示的圖中的C區域，C區域Xcal－Xs＜α·(Rcal－Rs)如果Rcal大於Rs時，所需的動作特性作為下式表示的D區域，來實現動作特性。
D區域Xcal－Xs＜k·tan(θ)·(Rcal－Rs)如上面所說明的，根據本發明，對於把發生故障時流過的負載電流及故障發生地點的阻抗所造成的距離繼電器的阻抗電流測量誤差，通過逐次根據該誤差的大小來修正距離繼電器的動作特性，可以實現抑制延長動作時間、縮短動作時間等造成的不正確的動作的數字式距離繼電器。
權利要求
1.數字式距離繼電器，在規定的周期內對電力系統的輸電線的電壓、電流進行取樣、根據由電阻，電抗等構成的輸電線的線路方程式測量到故障發生地的阻抗，檢測是否處於規定的區域內，其特徵為，該數字式距離繼電器由以下部分構成計算正相序電阻分量Rcal，正相序電抗分量Xcal的第一機構；存儲檢測出故障的規定時間之前的負載電流的第二機構；提取與流過故障發生地的故障電流的相位具有相等相位關係的電流的第三機構；檢測前述第三機構所獲得的電流的相位相對於直接計算前述正相序電阻分量、正相序電抗分量的電流的相位滯後還是超前的第四機構；使用在前述第四機構獲得的相位關係中與所述兩個電流的相位差成比例的值，判斷前述距離繼電器的動作的第五機構；第六機構，當檢測前述第二機構存儲的負載電流的流動方向為輸送電的方向時，將前述正相序阻抗以規定的電阻分量、電抗分量為基準，判斷是否處於規定的區域內的動作特性、和前述第五機構的動作特性的共同的區域作為動作區域；當檢測前述第二機構存儲的負載電流的流動方向為接受電的方向時，將前述正相序阻抗以規定的電阻分量、電抗分量為基準點，判斷是否處於規定的區域內的動作特性與前述第五機構的動作特性中的任何一個的動作區域作為動作區域。
2.如權利要求1所述的數字式距離繼電器，其特徵為，前述第三機構的結構為，在發生短路故障時，提取出從發生故障的電流中減去前述第二機構存儲的負載電流後的電流；在發生接地故障時，提取出零相序電流。
3.如權利要求2所述的數字式距離繼電器，其特徵為，前述第三機構的結構為，在發生短路故障時，將發生故障時的電流與規定的基準電學量的內積值IVpc、外積值IVps除以前述基準電學量的大小|Vp|後所得到的值，分別對內積值、外積值減去將把前述權利要求2所述的第二機構存儲的負載電流與同一時刻M的前述基準電學量的內積值(ILVpc)M及外積值(ILVps)M除以該時刻的前述基準電學量的大小|VpM|以後所得到的值，進行提取，即將電學量{(IVpc)/|Vp|-(ILVpc)M/|VpM|}，{(IVps)/|Vp|－(ILVps)M/|VpM|}提取出來。
4.如權利要求1所述的數字式距離繼電器，其特徵為，前述第四機構的結構為，在發生短路故障時，根據從權利要求3中所述的發生故障時的電流與規定的基準電學量的內積值Ivpc、外積值Ivps及電學量{(IVpc)/|Vp|－(ILVpc)M/|VpM|}、{(IVps)/|Vp|－(ILVps)M/|VpM|}，計算出Ipc＝{(IVps)/|Vp|－(ILVps)M/|=VpM|}·(IVpc)/|Vp|－{(IVpc)/|Vp|－(ILVpc)M/|VpM|}·(IVps)/|Vp|Ips＝{(IVpc)/|Vp|－(ILVpc)M/|VpM|}·(IVpc)/|Vp|＋{(IVps)/|Vp|－(ILVps)M/|VpM|}·(IVps)/|Vp|通過將電學量Ipc與Ips相對比，檢測出前述發生故障時的電流的相位相對於與流過前述權利要求1所述的第三機構的故障發生地點的故障電流的相位具有相等的相位關係的電流的相位是滯後還是超前，其中，下劃線部分表示發生故障前的負載電流相對於基準電壓的同相分量、正交分量。
5.如權利要求1所述數字式距離繼電器，其特徵為，前述第四機構的結構為，在發生短路故障時，通過將直接計算電阻分量、電抗分量的電流和與該電流相位相同的規定時間前的電流的差分電流的外積值與內積值相對比，檢測前述發生故障時的電流的相位相對於與流過前述權利要求1所述的第三機構的故障發生地點的故障電流的相位具有相同相位關係的電流的相位是滯後還是超前。
6.如權利要求1所述的數字式距離繼電器，其特徵為，前述第四機構的結構為，在發生接地故障時，在接地相序的電流ia上加上將零相序電流iO乘以與輸電線阻抗的零相序電阻分量和正相序電阻分量之比成比例的值kr所得到的電阻分量零相序補償電流(kr－1)·iO，得到電流Ir＝(ia＋(kr－1)·iO)進而得到與零相序電流的外積值(IO·Ir)s；在接地相序電流ia上加上將零相序電流iO乘以與輸電線阻抗的零相序電抗分量和正相序電抗分量的比值成比例的值kx所得到的電抗分量零相序補償電流(kx－1)·iO，得到電流Ix＝(ia＋(kx－1)·iO)，進而得到與零相序電流的內積值(IO·Ix)c，將外積值(IO·Ir)s和內積值(IO·Ix)c進行對比，檢測前述發生故障時電流的相位相對於和流過前述權利要求1所述的第3結構的故障發生地點的故障電流的相位具有相同相位關係的電流的相位是滯後還是超前。
7.如權利要求1所述的數字式距離繼電器，其特徵為，前述第五機構的結構為，在發生短路故障時，根據預先設定的電阻分量Rs、電抗分量Xs和權利要求1所述的第1機構直接計算出的電阻分量Rcal、電抗分量Xcal及權利要求4所述的電學量Ipc及Ips，判斷電抗分量(Xcal－Xs)與電阻分量(Rcal－Rs)之比和前述電學量Ips與電學量Tpc的比值(Tps/Ipc)乘以預先設定的常數所得到的值的大小，在比較的結果為小時進行動作，在比較的結果為大時不動作。
8.根據權利要求1所述數字式距離繼電器，其特徵為，前述第五機構的結構為，在發生接地故障時，根據預先設定的電阻分量Rs，電抗分量Xs和權利要求1所述的第1機構直接計算的電阻分量Rcal、電抗分量Xcal以及權利要求6所述的內積值(IO·Ix)c及外積值(IO·Ir)s，判斷電抗分量(Xcal－Xs)與電阻分量(Rcal－Rs)之比和前述內積值(IO·Ix)c與外積值(IO·Ir)s之比((IO·Ir)s/(IO·Ix)c)乘以預先設定的常數所得到的值之間的大小，在比較的結果為小時進行動作，在比較的結果為大時不動作。
9.如權利要求1所述的數字式距離繼電器，其特徵為，前述第六機構的結構為，在檢測出權利要求1所述的第二機構存儲的負載電流的流動方向為輸送電的方向時，根據預先設定的電阻分量Rs、電抗分量Xs及權利要求1所述的第1機構直接計算出的電阻分量Rcal，電抗分量Xcal，通過電抗分量(Xcal－Xs)與電阻分量(Rcal－Rs)之比與預先設定的常數的大小的比較進行動作判斷的結果，及在權利要求7或權利要求8中所述的權利要求1所述的第五機構進行的判斷結果，都為動作時，判定為動作；當檢測出權利要求1所述的第二機構存儲的負載電流的流動方向為接受電的方向時，根據預先設定的電阻分量Rs、電抗分量Xs及權利要求1所述的第l機構直接計算出來的電阻分量Rcal、電抗分量Xcal，通過電抗分量(Xcal－Xs)與電阻分量(Rcal－Rs)之比與預先設定的常數的大小的比較進行動作判斷的結果，及在權利要求7或權利要求8中記載的權利要求1所述的第五機構進行的動作判斷結果，在其中的任何一個結果判斷為動作時，判斷為動作。
10.如權利要求1所述的數字式距離繼電器，其特徵為，前述第六機構的結構為，根據預先設定的電阻分量Rs、電抗分量Xs與權利要求1所述的第1機構直接計算出來的電阻分量Rcal、電抗分量Xcal，在計算出的電阻分量Rcal小於前述設定值Rs時，通過電抗分量(Xcai－Xs)與電阻分量(Rcal－Rs)的比值與預先設定的常數的大小比較進行動作判斷，在前述算出的Rcal大於或等於前述設定值Rs時，採用權利要求7或權利要求8中所述的權利要求1所述的第五機構的動作判斷結果。
全文摘要
為了防止距離繼電器的延長動作時間、縮短動作時間,須根據系統運轉狀態及假定的故障發生地點的動作的大小計算測量誤差的最大值,對數字式距離繼電器進行調整。在發生故障地的電壓相位與流過故障發生地的故障電流相位大體相同的條件下,檢測出測量距離繼電器的阻抗的電流和與故障發生地點的電流的相位基本相同的電流的相位差,與該相位差連動、逐次決定距離繼電器的動作特性,可防止距離繼電器的延長動作時間、縮短動作時間。
文檔編號H02H3/40GK1330439SQ01115780
公開日2002年1月9日 申請日期2001年6月28日 優先權日2000年6月28日
發明者黑澤保廣, 松島哲郎, 天羽秀也, 齋藤浩 申請人:東芝株式會社