具有提升性能的模塊的自供保護繼電器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電力分配的領(lǐng)域。本發(fā)明具體涉及生成跳閘信號以在故障條件情況下操作斷路器的保護繼電器。
【背景技術(shù)】
[0002]保護繼電器(也稱為智能電子裝置(IED))是基于微控制器的智能電子裝置，其具有通過在異常情形下使斷路器跳閘并且中斷功率線來保護電氣設(shè)備的基本功能。對于斷路器的跳閘線圈或其他致動器的跳閘信號典型地由保護繼電器在特定參數(shù)(例如，線路或相電流)持續(xù)預(yù)定義時段地超過標(biāo)稱或預(yù)設(shè)值時生成。
[0003]自供(自供電)保護繼電器利用來自電流感測互感器的能量以供應(yīng)給繼電器電子電路以及操作跳閘線圈所需要的能量。自供繼電器的設(shè)計具有與之關(guān)聯(lián)的若干約束來確保測量是準(zhǔn)確且靈敏的，以避免任何誤操作。還需要特殊規(guī)定以使得它的電路高效且對于功耗優(yōu)化。通過受控充電生成功率供應(yīng)來操作自供電繼電器的這些約束和方法中的一些在WIPO 發(fā)布 W02009101463 和 W02012056277 中公開。
[0004]自供電繼電器需要最小時間和相電流來通電。因此，測量和保護功能性可以僅在自供電繼電器從牽涉受保護電氣設(shè)備的電路中的能量通電后進行。在需要繼電器在故障條件(即，因為故障而可能存在高電流)下接通的條件下，自供電繼電器盡可能快地接通并且還最早進行故障條件的檢測以使由于故障引起的任何損壞可能性最小化，這是可取的。繼電器的接通和檢測故障或正常條件來決定跳閘所貢獻的延遲反映為接通到故障(SOTF)時間，其是評估保護系統(tǒng)速度的重要參數(shù)。
[0005]在作為示例具有75 MHZ操作頻率的微控制器上工作的現(xiàn)有技術(shù)的保護繼電器對于主要牽涉功率穩(wěn)定(使用線路電流加電)、通電復(fù)位延遲(初始化)和非易失性存儲器讀操作的活動可能消耗約50毫秒。控制器電子器件(基本模塊)僅在從即時裝置通電約50毫秒后開始執(zhí)行保護算法。該持續(xù)時間是SOTF時間的關(guān)鍵期。
[0006]預(yù)期具有較低SOTF時間的保護系統(tǒng)更快且更安全地操作。在自供電繼電器中使用的處理裝置(例如，微控制器)的起動時間是對SOTF時間的主要貢獻因子。起動包括初始化(引導(dǎo))的時間和執(zhí)行為了計算正常/異常條件而使用的保護算法的時間?？煽壳也惶珡?fù)雜的算法當(dāng)然優(yōu)先具有在可接受極限內(nèi)的SOTF時間和可靠性。
[0007]此外，來自自供電繼電器的跳閘信號借助于跳閘電容器(其提供驅(qū)動線圈所需要的功率)而提供。因此，在自供電繼電器中，需要快速跳閘電容器充電電路具有較快SOTF并且考慮到自供電裝置中的挑戰(zhàn)而需要發(fā)展充電方法。
[0008]從而，在自供電繼電器中，使SOTF時間最小化需要進一步考慮并且這是本發(fā)明的重要目標(biāo)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目標(biāo)是使接通到故障(S0TF)的時間最小化。在本發(fā)明的一個方面中，提供保護繼電器。該保護繼電器具有:基本模塊(也稱為第一模塊)，其由用于操作繼電器所需要的所有功能性組成；和額外的一個或多個專門模塊(稱為額外模塊)，用于提升性能。為了自供電保護繼電器中的SOTF提高(S卩，為了使特別自供電保護繼電器中的SOTF的時間減少)，額外模塊(稱為SOTF核或第二模塊)包括功率且時間高效的電路，用于高效執(zhí)行測量和保護相關(guān)任務(wù)。
[0010]在一個實施例中，對于斷路器的跳閘信號基于來自第一模塊的跳閘信號和來自額外模塊的跳閘信號而生成。在實施例中來自第一模塊的跳閘信號和來自額外模塊的跳閘信號可與“或”邏輯邏輯地組合以從保護繼電器產(chǎn)生對于斷路器的跳閘信號。從減少SOTF的角度看，來自額外模塊的跳閘信號使用現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)模塊作為示例以高效處理而產(chǎn)生以具有功率且時間高效手段來實施處理。額外模塊(第二模塊)執(zhí)行與用于比第一模塊快得多地生成跳閘信號的決定有關(guān)的任務(wù)。用于生成跳閘信號的決定在將測量電流的幅度和至少一個特定頻率中諧波含量的幅度與繼電器中基于它的設(shè)置的預(yù)先配置值比較的基礎(chǔ)上做出。跳閘信號也可以由用于確定跳閘條件的其他算法產(chǎn)生。
[0011 ] 在再另一個實施例中，額外模塊可以由例如微控制器或基于微處理器的電路或?qū)Ｓ眉呻娐?ASIC)或可編程邏輯裝置(PLD)等可編程裝置組成。
[0012]在再另一個實施例中，額外模塊可以由模擬電路組成，該模擬電路由模擬濾波器和比較器組成。
[0013]在再另一個實施例中，額外模塊可以由數(shù)字電路組成。
[0014]在再另一個實施例中，為了具有更快SOTF值而配置的額外模塊僅在保護繼電器的通電期間使用。額外模塊可以在保護繼電器通電后在第一模塊完全功能性和操作后被電隔離。
[0015]在再另一個實施例中，使用一個或多個額外模塊連同第一模塊并且該一個或多個額外模塊以編程方式隔離或連接以與第一模塊一起工作來實施與功率參數(shù)(電流、電壓、頻率等)的測量和分析有關(guān)的任何功能或?qū)嵤┡c配置、診斷或人機接口(HMI)功能有關(guān)的功會K。
[0016]在本發(fā)明的另一個方面中，保護繼電器包括功率管理單元，其配置成通過從保護繼電器正測量的電流對總線電容器的受控充電而向保護繼電器的各種模塊提供功率，這些模塊包括第一模塊和第二模塊。功率管理單元在電流測量期間還進行總線電容器的電隔離使得測量是準(zhǔn)確的。
[0017]在另一個實施例中，保護繼電器包括功率管理單元，其進行從總線電容器對跳閘電容器的受控充電。跳閘電容器的受控充電還包括在跳閘信號生成以操作在線路中連接的斷路器期間跳閘電容器與總線電容器的電隔離。
[0018]在再另一個實施例中，進行跳閘電容器的受控充電使得通過快速充電可獲得足夠能量以在生成跳閘信號來操作斷路器之前操作斷路器。從而確保SOTF時間不只是通過具有高效計算手段而且還通過使對負責(zé)在跳閘操作期間提供能量的跳閘電容器充電的時間最小化而最小化。
【附圖說明】
[0019]其他特征和優(yōu)勢在結(jié)合附圖閱讀優(yōu)選示范性實施例的描述時將對于本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員變得明顯，其中:
圖1是具有保護繼電器的保護系統(tǒng)的框圖；
圖2是具有帶SOTF核的保護繼電器的保護系統(tǒng)的框圖；
圖3是具有帶基于FPGA的SOTF核的保護繼電器的保護系統(tǒng)的框圖；
圖4圖示對于具有SOTF核的自供電繼電器的加電和任務(wù)執(zhí)行中的各種階段；
圖5是具有FPGA SOTF核的自供電繼電器的框圖；
圖6圖示隨自供電繼電器的操作而序列化的總線電容器和跳閘電容器的受控充電；
圖7圖示自供電繼電器中的功率提取和管理；以及圖8是用于對自供電繼電器中的跳閘電容器充電和放電的示范性方案。
【具體實施方式】
[0020]圖1示出具有連接以用于保護的保護繼電器的保護系統(tǒng)的基本框圖。自供電繼電器使用控制器電子器件110來執(zhí)行測量和保護算法?？刂破麟娮悠骷?10 (也稱為基本模塊)使用電流傳感器(電流互感器)120感測電流、對電流信號125采樣并且使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 130使其數(shù)字化并且利用測量和保護部件140對采樣的數(shù)字數(shù)據(jù)進行計算來決定是否為斷路器160供應(yīng)跳閘命令150。電流信號125還用于在自供電保護繼電器的情況下對繼電器(未在圖1中示出)生成功率。此外，圖使用電流作為測量的電參數(shù)的示例來描述，但可以注意繼電器(IED)可以用于牽涉多個電參數(shù)(電流、電壓、頻率等)的測量和分析的測量或/和保護目的。
[0021 ] 由自供電繼電器中的基本模塊的SOTF時間貢獻可關(guān)于自供電繼電器內(nèi)為自身達到穩(wěn)定功率的自供電活動而可視化。測量的電流信號發(fā)生電壓上升并且在從使繼電器通電達到特定電壓水平(觸發(fā)電壓水平)時，執(zhí)行功率管理和系統(tǒng)關(guān)鍵任務(wù)，其包括自供電繼電器中電子器件的初始化。在電壓進一步上升并且達到加電階段(其中對系統(tǒng)裝置可獲得足夠穩(wěn)定的電壓)時，通電復(fù)位信號提供給基本模塊。隨后，基本模塊被初始化并且執(zhí)行讀取循環(huán)，其牽涉外部非易失性存儲器。在成功初始化時，