CN103414150A - 反时限保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了反时限保护方法，包括：微处理器对设定的反时限特性曲线采样n个点，将其转换为由n个加权系数组成的加权系数表，加权系数Cx=设定采样点的故障保护时间tx2/该采样点的故障保护时间tx；微处理器将设定采样点的故障保护时间设为故障保护阈值Smax；检测装置实时检测故障参数Gf，微处理器每隔一单位时间Δt采集检测装置检测到的故障参数Gf，计算故障程度Dx；微处理器计算出单位时间Δt的故障影响因子ΔS，ΔS=Δt*Cx，对该故障影响因子进行累加，判断S是否达到Smax；当S达到Smax时，微处理器控制保护动作执行装置执行保护动作。本发明易于在微处理器上实现，并能灵活地调整故障保护时间。

Description

反时限保护方法

技术领域

本发明涉及装置的反时限保护方法。

背景技术

在很多场合里，故障保护动作的反应时间与故障程度有关，一般而言是一种反时限的关系，即故障程度越大，故障保护动作要越快。以电力系统中过流保护为例，目前，反时限安一秒特性曲线标准有IEC255-3国际标准和ANSI美国标准两种。IEC255-3国际标准包含三个安-秒特性曲线，ANSI美国标准则包含四个安-秒特性曲线。以IEC255-3极端反时限曲线举例，其标准公式如下：

$t=\frac{80.0\×\mathrm{TMS}}{D^{2.0}-1}---\left(1\right)$

其中，t是动作时间，D=I_f/I_e，I_f是故障电流，I_e是额定电流，D称为过流程度，TMS（Time Multiplier Setting）为时间倍数设置，由用户选择输入。

这些标准中的公式由于涉及到复杂的指数运算以及浮点数运算，不适合在微处理器上实现。现行的方法是将以上公式进行近似变形，以便在微处理器上实现；或是直接简化成I2t曲线，或通过数据表进行插值拟合。

以上这些方法因为对公式进行简化，不可避免地造成误差，影响了控制精度；同时，这类方法通常只提供给用户一个保护参数设置，用户很难对反时限作出调整；另外，这些方法的通用性均不强，一旦换一条反时限曲线，就不再适用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种易于在微处理器上实现、并能灵活地调整故障保护时间的反时限保护方法。

本发明所采用的技术方案是：一种反时限保护方法，包括：

微处理器对设定的反时限特性曲线采样n个点，将该反时限特性曲线转换为由n个加权系数组成的加权系数表，每一加权系数Cx对应一故障程度为Dx的采样点，其中，x=1、2…...n，n为大于等于3的整数，Dx=Gf/Ge，Gf为该采样点的故障参数，Ge为额定值，每一采样点的加权系数Cx=设定采样点的故障保护时间tx2/该采样点的故障保护时间tx，该设定采样点为Dx大于1时的任意一个采样点；

微处理器将该设定采样点的故障保护时间设为故障保护阈值Smax；

检测装置实时检测故障参数Gf，微处理器每隔一单位时间Δt采集检测装置检测到的故障参数Gf，并计算出故障程度Dx；

微处理器判断计算出的故障程度Dx是否大于1，如果Dx＞1则在加权系数表中查询到与Dx相对应的加权系数Cx，计算出该单位时间Δt的故障影响因子ΔS，其中，ΔS=Δt*Cx;同时，微处理器对该故障影响因子进行累加计算，并判断累加值S是否达到故障保护阈值Smax；

当累加值S达到故障保护阈值Smax时，微处理器控制保护动作执行装置执行保护动作。

本发明的优点是：

1.本发明通过将反时限曲线转换成由多个加权系数组成的表格，可方便地在微处理器上实现各类复杂曲线，并且便于灵活地调整故障保护时间；如果采用标幺处理，可更加有效地避免指数、浮点等复杂运算；

2.本发明具有非常强的通用性，可以用作各类故障，如过热、过压等保护；

3.可根据用户设置进行多段区间的设定。

附图说明

图1是本发明反时限保护方法的一个实施例的流程示意图。

图2示出了根据本发明一应用实施例的反时限特性曲线。

图3示出了与图2相对应的反时限加权系数曲线。

图4示出了积分面积相等原理的示意图。

图5是本发明的反时限保护方法的实现装置的一个实施例的原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作出进一步说明。

根据本发明一实施例的反时限保护方法，包括以下步骤：

步骤1：微处理器对设定的反时限特性曲线采样n个点，将该反时限特性曲线转换为由n个加权系数组成的加权系数表，每一加权系数Cx对应一故障程度为Dx的采样点，其中，x=1、2......n，n为大于等于3的整数，Dx=Gf/Ge，Gf为该采样点的故障参数，Ge为额定值，每一采样点的加权系数Cx=设定采样点的故障保护时间tx2/该采样点的故障保护时间tx，该设定采样点可以是任意一个采样点。每个采样点的故障保护时间均可以根据该反时限曲线的标准公式中算出。此处的故障参数Gf、额定值Ge、故障程度Dx均与故障种类有关，例如，当故障种类为过流时，故障参数Gf为过流电流，额定值Ge即额定电流，故障程度Dx为过流倍数；当故障种类为过压时，故障参数Gf为过压电压，额定值Ge即额定电压，故障程度Dx为过压倍数。

步骤2：微处理器将该设定采样点的故障保护时间设为故障保护阈值Smax。

步骤3：检测装置实时检测故障参数Gf，微处理器每隔一单位时间Δt采集检测装置检测到的故障参数Gf，并计算出故障程度Dx。Dx的大小代表故障的严重程度，Dx≤1时，保护动作执行装置不动作。

步骤4：微处理器判断计算出的故障程度Dx是否大于1，如果Dx＞1则在加权系数表中查询到Dx与相对应的加权系数Cx，计算出该单位时间Δt的故障影响因子ΔS，其中，ΔS=Δt*Cx;同时，微处理器对该故障影响因子进行累加计算，并判断累加值S是否达到故障保护阈值Smax。在微处理器对故障影响因子进行累加计算的过程中（尚未达到故障保护阈值Smax），如果Dx持续地大于Ds，则累加计算不会中断，如果出现计算出的故障程度Dx≤Ds的情况，并且Dx≤Ds的持续时间大于设定的时间T_S，则对累加值S执行清零，其中Ds为设定的故障程度值，0≤Ds≤1。该设定的时间T_S可以是常量，或者，该设定的时间T_S的大小与计算出的故障程度Dx的大小相关，Dx越大，Ts越大。Ts的大小根据故障的种类以及实际工况而定，其可以为零，即一旦出现Dx≤Ds的情况，立即将S清零。

更具体地说，可采用以下三种方式退出故障累积：方式一、如果出现计算出的故障程度Dx≤1的情况，并且Dx≤1的持续时间大于设定的时间T_S，则直接清零故障累加值S；方法二、采用滞环清零，将Ds设为小于1的某个值，比如Dx≤0.8的持续时间大于设定的时间T_S才清零故障累加值S；方法三、采用反时限的思想，Dx越大，Ts越大。比如将与故障程度Dx为0.8相对应的Ts设为2秒，而将与故障程度Dx为0.9相对应的Ts设为5秒。

步骤5：当累加值S达到故障保护阈值Smax时，微处理器控制保护动作执行装置执行保护动作。例如，S=ΔS1+ΔS2+ΔS3=Δt*C5+Δt*C7+Δt*C12，如果此时S已经超过了Smax，则微处理器控制保护动作执行装置执行保护动作。在一具体的实施例中，保护动作执行装置例如是继电器，其所述执行的保护动作为跳闸。

步骤6：微处理器控制保护动作执行装置执行保护动作后，对累加值S清零的步骤。

为有效避免指数、浮点等复杂运算，在一种优选实施方式中，步骤1中微处理器在将该反时限特性曲线转换为n个加权系数组成的加权系数表后，对加权系数表中的各加权系数进行标幺化处理；且步骤5中微处理器在计算出该单位时间Δt的故障影响因子ΔS后，对该ΔS进行标幺化处理。

图1示出了上述步骤的流程示意图。

当要修改反时限保护曲线时，该反时限保护方法还包括以下步骤；

步骤7：向微处理器输入修改指令，该修改指令对反时限特性曲线上的至少两个采样点的故障保护时间进行修改，其中一个采样点对应的故障程度为Dx2，修改后的故障保护时间为t’x2，另一个采样点对应的故障程度为Dx1，修改后的故障保护时间为t’x1，其中，1＜Dx1＜Dx2。

步骤8：微处理器计算t’x2/t’x1的值，然后再在加权系数表中找出与该t’x2/t’x1的值最为接近的加权系数Cx3，每一加权系数Cx在加权系数表中的位置序数用tp表示，tp=0、1、…...n－1，确定该加权系数Cx3在加权系数表中的位置序数tp等于tp1。

步骤9：微处理器计算拉伸系数hCoff；hCoff=（tp3-tp1)/(tp3-tp2);其中，tp3为所述的其中一个采样点对应的位置序数，tp2为所述的为另一个采样点对应的位置序数。

步骤10：微处理器重新设定故障保护阈值，将该其中一个采样点的故障保护时间t’x2作为新设定的故障保护阈值S’max。

步骤11：检测装置实时检测故障参数Gf，微处理器每隔一单位时间Δt采集检测装置检测到的故障参数Gf，并计算出故障程度Dx。

步骤12：微处理器根据以下公式实时计算与计算出的故障程度Dx相对应的位置序数tp：

当计算出的故障程度Dx小于与该其中一个采样点相对应的故障程度Dx2时，tp=tp’=〔（Dn－Dx2）－(Dx2－Dx)*hCoff〕*n；其中，Dn为反时限特性曲线上第n个采样点对应的故障程度，其相对应的加权系数为Cn；

当计算出的故障程度Dx大于等于与该其中一个采点点相对应的故障程度Dx2时，，tp=tp’=〔（Dn－Dx2）＋(Dx－Dx2)*hCoff〕*n。

步骤13：微处理器对计算出的tp’进行取整处理，在加权系数表张查找到与取整后的tp’相对应的加权系数Cx。

步骤14：微处理器计算出该单位时间Δt的故障影响因子ΔS’，其中，ΔS’=Δt*Cx;同时，微处理器对该故障影响因子进行累加计算，并判断累加值S’是否达到故障保护阈值S’max。

步骤15：当累加值S’达到故障保护阈值S’max时，微处理器控制保护动作执行装置执行保护动作。

步骤16：在微处理器控制保护动作执行装置执行保护动作后，对累加值S’清零的步骤。

上述对tp’进行取整处理可采用以下几种方法：

方法一、令tp=round(tp’)，则S=∑ΔS≈∑(tbl[round(tp')]×Δt)

方法二、利用插值tp由ceil(tp’)及floor(tp’)共同作用，

则S=∑ΔS≈∑(tbl[ceil(tp')]*(ceil(tp')-tp')+tbl[floor(tp')*(tp'-floor(tp'))])×Δt

其中tbl[]为反时限加权表，round()是四舍五入取整函数，ceil()是上取整函数,floor()是下取整函数。

另外也可使用牛顿插值等方法。

为更加有效地避免指数、浮点等复杂运算，在一种优选实施方式中，在步骤9中，微处理器计算出拉伸系数hCoff后，对该拉伸系数hCoff进行标幺化处理；且在步骤14中，微处理器在计算出该单位时间Δt的故障影响因子ΔS’后，对该ΔS’进行标幺化处理。例如，可对加权系数表、拉升系数hCoff、故障保护阈值S、故障保护阈值S’同时放大相同倍数，如512倍或者工程上常用的IQ15。

以下以两点式反时限过流保护为例来举例说明本发明的反时限保护方法，该方法也可以应用其他反时限保护的应用场合（如过压、过热等）。该方法包括以下步骤：

步骤1：微处理器对设定的反时限特性曲线采样100个点，将反时限特性曲线转化成由100个加权系数组成的加权系数表tbl[]，该设定的反时限特性曲线如图2所示，其标准公式为背景技术中的公式（1），图3示出了与图2相对应的反时限加权系数曲线。加权系数表tbl[]在C语言实现中表现为一个数组，使用该表中元素时，通过数组下标tp（即前述的位置序数tp）进行索引，如tbl[tp]。另外，按C语言语法下标tp从0开始，即tp=0、1、2……99。加权系数反映出过流的程度，与该100个采样点相对应的加权系数分别为C1至C100。C1、C2、C3……C100分别对应D1、D2、D3……D100，D1、D2、D3……D100分别对应1.01、1.02、1.03……2.00过流程度（由于此处的故障是过流，所以故障程度为过流程度）。该加权系数表如下所示：

tbl[100]={

0.0161,0.0323,0.0487,0.0653,0.0820,0.0989,0.1159,0.1331,0.1505,0.1680,//1.01～1.100.1857,0.2035,0.2215,0.2397,0.2580,0.2765,0.2951,0.3139,0.3329,0.3520,//1.11～1.200.3713,0.3907,0.4103,0.4301,0.4500,0.4701,0.4903,0.5107,0.5313,0.5520,//1.21～1.300.5729,0.5939,0.6151,0.6365,0.6580,0.6797,0.7015,0.7235,0.7457,0.7680,//1.31～1.400.7905,0.8131,0.8359,0.8589,0.8820,0.9053,0.9287,0.9523,0.9761,1.0000,//1.41～1.501.0241,1.0483,1.0727,1.0973,1.1220,1.1469,1.1719,1.1971,1.2225,1.2480,//1.51～1.601.2737,1.2995,1.3255,1.3517,1.3780,1.4045,1.4311,1.4579,1.4849,1.5120,//1.61～1.701.5393,1.5667,1.5943,1.6221,1.6500,1.6781,1.7063,1.7347,1.7633,1.7920,//1.71～1.801.8209,1.8499,1.8791,1.9085,1.9380,1.9677,1.9975,2.0275,2.0577,2.0880,//1.81～1.902.1185,2.1491,2.1799,2.2109,2.2420,2.2733,2.3047,2.3363,2.3681,2.4000;}//1.91～2.00

在这里，将与1.5倍过流程度相对应的采样点作为设定采样点，其对应的故障保护时间tx2根据公式（1）可算出来：tx2=64s。于是，每一采样点的加权系数Cx=64/每个采样点的故障保护时间。例如，与1.2倍过流程度相对应的采样点的故障保护时间为181.8s，其加权系数C20=0.3520，下标tp=19。

步骤2：微处理器计算故障保护阈值Smax，该故障保护阈值Smax=64s。

步骤3：通过电流检测装置实时检测过流电流Gf，微处理器每隔一单位时间Δt采集电流检测装置检测到的过流电流Gf，并通过公式Dx=过流电流Gf/额定电流Ge来计算出过流倍数Dx。

步骤4：微处理器判断计算出的过流倍数Dx是否大于1，如果Dx＞1则在加权系数表中查询到与Dx相对应的加权系数Cx，计算出该单位时间Δt的故障影响因子ΔS，其中，ΔS=Δt*Cx;同时，微处理器对该故障影响因子进行累加计算，并判断累加值S是否达到64s。

步骤5：当累加值S达到64s时，微处理器控制继电器执行跳闸动作。

上述故障保护的原理依据了积分面积相等原理。即将与过流程度Dx相对应的加权系数Cx与动作时间t的乘积视为面积，作为衡量是否进行故障保护的准则，将每个单位时间与该段时间过流程度对应的加权系数之乘积称为故障影响因子；然后实时对故障影响因子进行累加（即积分），只要该累加值超出设定的累加保护最大值，就开始故障保护。很显然如果过流程度D1对应的加权系数为C1且经过t1时间进行故障保护，如果过流程度D2对应的加权系数为C2且经过t2时间进行故障保护，那么可以认为C1×t1=C2×t2，即积分面积相等原理进行故障保护。图4示出了积分面积相等原理的示意图。图5是本发明的反时限保护方法的实现装置的一个实施例的原理框图。图5中示出了微处理器1、检测装置2和保护动作执行装置3。

步骤6，微处理器控制继电器执行跳闸动作后，对累加值S清零。

步骤7，向微处理器输入修改指令，该修改指令对反时限曲线与1.5倍（即上述的Dx2）、1.2倍过流（即上述的Dx1）相对应的两个采样点的故障保护时间进行修改，其中1.5倍过流的故障保护时间修改为50s，1.2倍过流保护时间修改为60s，在该示例中，x2=50，x1=20。如果需要设置多点式过流保护时间，例如在1.2倍、1.5倍之外，还需要设置1.8倍过流保护时间，则可以将[1.0,1.5]倍区间作为一个两点式反时限段，[1.5,∞)倍区间作为另一个两点式反时限段，以此类推，实现多点式反时限扩展。

步骤8：微处理器计算50/60=0.8333，然后再在加权系数表中找出与0.83最为接近的加权系数Cx3=0.8359，确定其在加权系数表中的下标tp=tp1=42。

步骤9：微处理器计算拉伸系数hCoff；hCoff=（49-42)/(49-19)=7/30;其中，49为1.5倍过流采样点对应的下标，19为1.2倍过流采样点对应的下标。

步骤10：微处理器将1.5倍过流对应的采样点的故障保护时间50s作为故障保护阈值S’max。

步骤11：通过电流检测装置实时检测过流电流Gf，微处理器每隔一单位时间Δt采集电流检测装置检测到的过流电流Gf，并计算出过流倍数Dx。

步骤12：微处理器根据以下公式实时计算与计算出的过流倍数Dx相对应的位置序数tp：

当计算出的过流倍数Dx小于1.5倍时，tp=tp’=〔（2－1.5）－(1.5－Dx)*hCoff〕*100;该示例中，采样点时100个，即n=100，最大的过流倍数Dn为2倍；

当计算出的故障程度Dx大于等于1.5倍时，tp=tp’=〔（2－1.5）＋(Dx－1.5)*hCoff〕*100。

步骤13：微处理器计算出的tp’进行取整处理，在加权系数表张查找到与取整后的tp’相对应的加权系数Cx；

步骤14：微处理器计算出该单位时间Δt的故障影响因子ΔS’，其中，ΔS’=Δt*Cx;同时，微处理器对该故障影响因子进行累加计算，并判断累加值S’是否达到50s。

步骤15：当累加值S’达到50s时，微处理器控制继电器执行跳闸动作。

步骤16：在微处理器控制继电器执行跳闸动作后，对累加值S’清零。

Claims (7)

1.一种反时限保护方法，其特征在于，包括：

微处理器对设定的反时限特性曲线采样n个点，将该反时限特性曲线转换为由n个加权系数组成的加权系数表，每一加权系数Cx对应一故障程度为Dx的采样点，其中，x=1、2…...n，n为大于等于3的整数，Dx=Gf/Ge，Gf为该采样点的故障参数，Ge为额定值，每一采样点的加权系数Cx=设定采样点的故障保护时间tx2/该采样点的故障保护时间tx，该设定采样点为任意一个采样点；

微处理器将该设定采样点的故障保护时间设为故障保护阈值Smax；

检测装置实时检测故障参数Gf，微处理器每隔一单位时间Δt采集检测装置检测到的故障参数Gf，并计算出故障程度Dx；

微处理器判断计算出的故障程度Dx是否大于1，如果Dx＞1则在加权系数表中查询到与Dx相对应的加权系数Cx，计算出该单位时间Δt的故障影响因子ΔS，其中，ΔS=Δt*Cx;同时，微处理器对该故障影响因子进行累加计算，并判断累加值S是否达到故障保护阈值Smax；

当累加值S达到故障保护阈值Smax时，微处理器控制保护动作执行装置执行保护动作。

2.如权利要求1所述的反时限保护方法，其特征在于，在微处理器对故障影响因子进行累加计算的过程中，如果出现计算出的故障程度Dx≤Ds的情况，并且Dx≤Ds的持续时间大于设定的时间T_S，则对累加值S执行清零，其中Ds为设定的故障程度值，0≤Ds≤1。

3.如权利要求2所述的反时限保护方法，其特征在于，该设定的时间T_S为常量。

4.如权利要求2所述的反时限保护方法，其特征在于，该设定的时间T_S的大小与计算出的故障程度Dx的大小相关，Dx越大，Ts越大。

5.如权利要求1至4中任何一项所述的反时限保护方法，其特征在于，所述的微处理器在将该反时限特性曲线转换为n个加权系数组成的加权系数表后，对加权系数表中的各加权系数进行标幺化处理；

且微处理器在计算出该单位时间Δt的故障影响因子ΔS后，对该ΔS进行标幺化处理。

6.如权利要求1至4中任何一项所述的反时限保护方法，其特征在于，还包括以下步骤；

向微处理器输入修改指令，该修改指令对反时限特性曲线上的至少两个采样点的故障保护时间进行修改，其中一个采样点对应的故障程度为Dx2，修改后的故障保护时间为t’x2，另一个采样点对应的故障程度为Dx1，修改后的故障保护时间为t’x1，其中，1＜Dx1＜Dx2；

微处理器计算t’x2/t’x1的值，然后再在加权系数表中找出与该t’x2/t’x1的值最为接近的加权系数Cx3，每一加权系数Cx在加权系数表中的位置序数用tp表示，tp=0、1、…...n－1，确定该加权系数Cx3在加权系数表中的位置序数tp等于tp1；

微处理器计算拉伸系数hCoff；hCoff=（tp3-tp1)/(tp3-tp2);其中，tp3为所述的其中一个采样点对应的位置序数，tp2为所述的为另一个采样点对应的位置序数；

微处理器重新设定故障保护阈值，将该其中一个采样点的故障保护时间t’x2作为新设定的故障保护阈值S’max；

检测装置实时检测故障参数Gf，微处理器每隔一单位时间Δt采集检测装置检测到的故障参数Gf，并计算出故障程度Dx；

微处理器根据以下公式实时计算与计算出的故障程度Dx相对应的位置序数tp：

当计算出的故障程度Dx小于与该其中一个采样点相对应的故障程度Dx2时，tp=tp’=〔（Dn－Dx2）－(Dx2－Dx)*hCoff〕*n;

当计算出的故障程度Dx大于等于与该其中一个采样点相对应的故障程度Dx2时，tp=tp’=〔（Dn－Dx2）＋(Dx－Dx2)*hCoff〕*n;

微处理器对计算出的tp’进行取整处理，在加权系数表中查找到与取整后的tp’相对应的加权系数Cx；

微处理器计算出该单位时间Δt的故障影响因子ΔS’，其中，ΔS’=Δt*Cx;同时，微处理器对该故障影响因子进行累加计算，并判断累加值S’是否达到故障保护阈值S’max；

当累加值S’达到故障保护阈值S’max时，微处理器控制保护动作执行装置执行保护动作。

7.如权利要求6所述的反时限保护方法，其特征在于，所述的微处理器在将该反时限特性曲线转换为n个加权系数组成的加权系数表后，对加权系数表中的各加权系数进行标幺化处理；

微处理器在计算出该单位时间Δt的故障影响因子ΔS后，对该ΔS进行标幺化处理；

微处理器计算出拉伸系数hCoff后，对该拉伸系数hCoff进行标幺化处理；

且微处理器在计算出该单位时间Δt的故障影响因子ΔS’后，对该ΔS’进行标幺化处理。

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