用于保護電力網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)和方法
【專利摘要】提供一種用于電力傳輸系統(tǒng)的差動保護系統(tǒng)、裝置和方法，其中電力傳輸系統(tǒng)包括多個輸入電力電纜（4），其用于從諸如風(fēng)力發(fā)電機（2）的電力發(fā)電機（2）傳輸電力到輸出電纜（40）。每個輸入和輸出電力電纜（4、40）都設(shè)置有相應(yīng)的電路斷路器（6、60）。所述保護系統(tǒng)包括多個保護裝置單元（5、50），每個保護裝置單元被適配為被設(shè)置在所述輸入電纜（4）的相應(yīng)一個輸入電纜處或者在所述輸出電纜（40）處，每個保護裝置單元（5、50）都包括用于測量所述電纜（4、40）的所述電流和電壓的測量單元（51），并且包括控制單元（53），該控制單元（53）被可操作連接到所述相應(yīng)的電力電纜（4、40）的所述電路斷路器（6、60）用于當(dāng)所述保護系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)差動故障時有選擇地使所述電路斷路器（6、60）跳閘。所述保護系統(tǒng)包括至少一個充電電流補償器（54）用于針對所述傳輸系統(tǒng)的所述電纜（4、9、11、40）的充電電流補償所述差動保護。所述傳輸系統(tǒng)被布置為從變化數(shù)目的所述電力發(fā)電機（2）傳輸電力，其中使用中的所述電力電纜（4、9、11、40）變化，并且該保護系統(tǒng)被適配為調(diào)整用于該傳輸系統(tǒng)的這些變化使用的補償。
【專利說明】用于保護電力網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于電力網(wǎng)保護的方法及設(shè)置，尤其是用于風(fēng)電場的電纜網(wǎng)絡(luò)。
【背景技術(shù)】
[0002]風(fēng)電場
[0003]風(fēng)電場或風(fēng)力發(fā)電廠通常被設(shè)計為在低壓或中壓下發(fā)電。當(dāng)該發(fā)電機在低壓(一般〈1000V)下發(fā)電時，風(fēng)車上的升壓變壓器被用于將發(fā)電電壓一般增加到12-36kV，從而減少電纜尺寸(和成本)。一般12kV的中壓發(fā)電機是消除對風(fēng)車上的升壓變壓器的需要的替換。
[0004]來自風(fēng)電場的電力通常被收集在水下或在水平面上(或陸地上)的支撐結(jié)構(gòu)上的風(fēng)車變壓器變電站中。該風(fēng)車變電站能夠從一組風(fēng)車收集電力，并進一步使電壓升高，從而減少電纜成本并允許更多電力的傳輸。
[0005]來自一組風(fēng)力發(fā)電機的高壓電纜通常被收集在中心平臺上，該平臺從許多風(fēng)力發(fā)電機組收集電力。這個平臺能夠經(jīng)由高壓DC或AC電纜將電力運輸?shù)疥懙?。這種多端電網(wǎng)是復(fù)雜結(jié)構(gòu)并且需要許多保護器件。
[0006]EP2282054 (D5)描述了風(fēng)力發(fā)電廠，其中多個風(fēng)力發(fā)電機被分組并連接到公共饋電電纜(D5中的44)中，每個風(fēng)力發(fā)電機都包括變壓器(D5中40)，該饋電電纜進一步與到變電站變壓器(D5中12)的另一個類似的饋電電纜相互連接。該變電站(D5中48)依次提供網(wǎng)絡(luò)接線(D5中34)。為了保護不受饋電電纜的系統(tǒng)中發(fā)生的故障，在電纜系統(tǒng)的每個末端都設(shè)置電路斷路器，即一個電路斷路器在兩個公共饋電電纜(44)的每個末端中，并且一個電路斷路器(62)在電纜系統(tǒng)和變電站變壓器(12)之間的連接處(D5中§45)。如果這種保護系統(tǒng)被設(shè)置在具有許多發(fā)電機的風(fēng)力發(fā)電廠處，那么以這種方式設(shè)置保護裝置并且在每個電纜的兩端都有電路斷路器需要大量裝置。當(dāng)增加電力發(fā)電機和來自電力發(fā)電機的電纜的數(shù)目以致使風(fēng)力發(fā)電廠按比例增大時，這種保護增加了成本。
[0007]差動保護
[0008]本發(fā)明提供了使用與用于保護電網(wǎng)中的傳輸線路的技術(shù)類似的保護裝置的風(fēng)力發(fā)電廠的差動保護。在文獻D5中沒有詳細討論這種裝置。因此，在下面將提供來自不同于風(fēng)力發(fā)電廠保護的其他領(lǐng)域所使用的差動保護方法和系統(tǒng)的簡短調(diào)查。
[0009]差動保護是眾所周知的用于保護傳輸線路的方法。例如，UK專利申請GB 523603描述了用于AC系統(tǒng)的差動保護，該系統(tǒng)使用用于保護電線、電力變壓器、AC發(fā)電機和站總線系統(tǒng)的差動繼電器，其中進入該系統(tǒng)的電流的每個相位都可與離開該系統(tǒng)的電流相比(參看Dl第I頁，第10-14行、32-46行)。通過選定測量電流互感器以獲得相應(yīng)比值來補償該系統(tǒng)的電力變壓器的比值，使得來自電流互感器的電流應(yīng)該總共是零，即當(dāng)保護區(qū)中不存在故障時，該系統(tǒng)的保護區(qū)的進入電流等于外出電流。當(dāng)在保護區(qū)(圖1中I)中存在故障時，造成差動電流，該電流使保護繼電器工作并且使電路斷路器跳閘并且斷開該故障裝置的連接(參看D1，第I頁，第46-77行)。此外，Dl的保護電路(例如參看Dl的圖1)包括操作繞組13以及制動線圈12，操作繞組13通過差動電流跳閘，并且制動線圈12通過涌入電流跳閘，其中該制動線圈12補償該保護區(qū)中的變壓器的涌入磁化電流(參看Dl的第2頁，第73-93行)。以這種方式，Dl的保護電路通過抑制效應(yīng)防止該差動保護設(shè)置的錯誤操作，該效應(yīng)適合于對測量電流互感器的次級電流的諧波起反應(yīng)，使得僅當(dāng)保護區(qū)(I)中存在故障時該繼電器操作(參看Dl的第3頁，第28-47行)。例如，該保護區(qū)(Dl的I)包括兩個或多個電力變壓器、機器、站總線和電源線的組合，并且在Dl的圖1中所圖示的實例中，三個電路斷路器5將三個電力電路2、3、4連接到該區(qū)I (第3頁，第106-130行)。去往或來自這些電路的電流由該保護電路的電流互感器8監(jiān)控。勵磁涌入電流影響影響該差動電流，這在Dl中的圖4中說明，并且該差動電流示出了高的二次諧波(第4頁，第43-54行)。該保護的繼電器電路被設(shè)計為抑制該二次諧波(第頁4，第67-79行)，并且例如借助于制動線圈(restraining coil )12抑制來自飽和的測量電流互感器的電流(第頁4,第114-120行)。因此，Dl描述了用于差動保護的系統(tǒng)，其中該保護電路補償變壓器的涌入電流，以便當(dāng)閉合開關(guān)以將電壓應(yīng)用到變壓器繞組時，抑制該保護繼電器不使電路斷路器跳閘。 [0010]Dl的圖10圖示了電力傳輸線的保護，其中監(jiān)視線芯(對于每個相位48、49、50—個監(jiān)視線芯)被用于傳輸來自該電流互感器8的測量電流，該電流互感器8測量進入以及離開該傳輸線路的電流(45-47 )。
[0011]在美國專利US 3223889 (D2)中描述了使用監(jiān)視線芯的替換，其中用于保護電力電路的保護電力使用例如無線電(參看D2，圖2和第2欄，第30-32行)用于發(fā)射到跳閘控制裝置。D2的圖6圖示了采用無線電鏈路用于傳輸控制信號，該信號包括電力電路的二次諧波(參看D2第2欄，第45-54行)。
[0012]差動保護已經(jīng)發(fā)展進一步變得越來越完善且智能。
[0013]W02007/051322 (D3)描述了用于保護電力系統(tǒng)的設(shè)置，該電力系統(tǒng)包括多個設(shè)置有各自的相量測量機構(gòu)的保護繼電器，該相量測量機構(gòu)用于測量在不同位置的同步的電流值并且包括各自的用于經(jīng)由通信鏈路互相傳輸該電流值的數(shù)據(jù)通信模塊(參看D3的摘要)。這些系統(tǒng)使用相量測量單元，該相量測量單元提供借助于全球定位衛(wèi)星(例如GPS)被同步并被加上時間戳的電流、電壓和負載的帶有時間戳的測量，通常所說的相量。該通信鏈路可以包括光纖鏈路。D3也描述了多終端系統(tǒng)的線路差動保護，該系統(tǒng)通過保護區(qū)(由圖2中虛線圖示)中五個終端圖示，其中該保護區(qū)由五個相應(yīng)的繼電器(2)限定并保護，對于每個終端一個繼電器(第8頁，第23-29行)。
[0014]US2011/0063767 (D4)描述了線路或多終端線路系統(tǒng)的線路電流差動保護，其中該保護包括充電電流的補償。在傳送電流值之前(參看D4的摘要、圖18和§67)，該系統(tǒng)的每個末端或節(jié)點都測量該電流并且補償它的電纜的充電電流。因此，每個節(jié)點都發(fā)送從所測量電流計算的補償電流值和到另一個節(jié)點的減去的充電電流。每個節(jié)點也計算(§68)來自它自己傳送的電流值和另一個節(jié)點的全部接收的電流值的總的差動電流。在該節(jié)點中所使用的該充電電流的總和應(yīng)該等于該電纜系統(tǒng)的總的充電電流(§ 69)。
[0015]來自會議現(xiàn)代電力系統(tǒng)繼電保護和變電站自動化(Relay protection andSubstation Automation of Modern Power Systems, 2007 年 9 月 9-13 日，切伯克薩瑞)的Z.Gajic 等人的文章 “Practical experience from multiterminal line differentialprotection installations”描述了來自保護試驗的經(jīng)驗。該文獻D6描述了兩個裝備,第一裝備保護五個終端線，并且第二裝備保護三個末端線。在線路的每個末端，布置電路斷路器以及電流和電壓測量器件。該裝備使用了用于測量電流和電壓并使電路斷路器跳閘的線路差動保護單元，該保護裝置單元為由ABB提供的RED 670型。該保護區(qū)不包括任何變壓器。然而，像RED 670的這種裝置能夠操作變壓器和保護區(qū)內(nèi)的充電電流。例如，能夠通過在電纜充電期間的短暫時期減少其靈敏度由RED 670操作充電電流，使得該充電電流不被解釋為故障電流。本發(fā)明提出了用于使用類似的保護裝置保護的系統(tǒng)，該保護裝置被更改用于控制更加復(fù)雜的系統(tǒng)，像用于從幾個發(fā)電機傳輸電力的多終端系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016]本發(fā)明的目標是解決諸如風(fēng)力發(fā)電網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜電力系統(tǒng)的問題，并且便于故障檢測。本公開描述了用于多端電力網(wǎng)絡(luò)中電纜故障的檢測的方法和設(shè)備，尤其是用于風(fēng)電場的電纜網(wǎng)絡(luò)。
[0017]原則上，如果該網(wǎng)絡(luò)起作用，那么全部電纜電流的和應(yīng)該是零，即進入系統(tǒng)的全部電流應(yīng)該離開系統(tǒng)，如果電流在中間某處泄漏，那么按照基爾霍夫(Kirchoffs)定律，該電力系統(tǒng)的每個末端中測量該泄漏。如果使該升高電壓的變壓器被包括在進入和離開節(jié)點之間的電力傳輸系統(tǒng)中，那么應(yīng)該實行該變壓比的補償。此外，針對影響元件和情況的其他電流也應(yīng)當(dāng)優(yōu)選地實施電流補償，該電流諸如例如該系統(tǒng)的變壓器的涌入電流。
[0018]為了這個目的，本發(fā)明提供了用于電力傳輸系統(tǒng)的保護的系統(tǒng)，尤其是具有多端電力網(wǎng)絡(luò)的差動電流保護的保護系統(tǒng)。本發(fā)明通過測量進入并離開該電力系統(tǒng)的保護區(qū)的電纜的電流，來使用電流差動保護檢測故障。
[0019]本發(fā)明提供了用于電力傳輸系統(tǒng)的差動保護系統(tǒng)，其中電力傳輸系統(tǒng)包括多個電力電纜，其包括用于從諸如風(fēng)力發(fā)電機的電力發(fā)電機傳輸電力的輸入電力電纜、輸出電纜，其中多個輸入電力電纜被連接到輸出電纜，使得該輸出電纜提供了用于輸入電力電纜的公共輸出。優(yōu)選地，電力傳輸系統(tǒng)的多個電力電纜也包括至少一個或者優(yōu)選地多個將該輸入電纜連接到該輸出電纜的傳輸電纜，其中該輸入電纜被設(shè)置在電纜分支中并且經(jīng)由傳輸電纜接合輸出電纜。每個輸入和輸出電力電纜具有各自的電路斷路器，其中該輸入電力電纜的每個電路斷路器將電力輸入提供到傳輸系統(tǒng)，并且該輸出電纜的電路斷路器為傳輸系統(tǒng)提供電力輸出。也是優(yōu)選地，該傳輸系統(tǒng)包括至少一個被連接在輸入電纜和輸出電纜之間的變壓器，其中該變壓器被設(shè)置為將電力從輸入電纜轉(zhuǎn)換到輸出電纜。根據(jù)本發(fā)明的保護系統(tǒng)包括多個保護裝置單元，其每個保護裝置單元都被適配于將被布置在輸入電纜中的相應(yīng)的一個電纜處或在用于測量電纜的電流和電壓的輸出電纜處，并且可操作連接到各自的電力電纜的電路斷路器，用于當(dāng)該保護系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)差動故障時有選擇地使該電路斷路器跳閘。該保護系統(tǒng)進一步包括至少一個充電電流補償器，其用于為傳輸系統(tǒng)的電纜的充電電流補償差動保護，該傳輸系統(tǒng)被設(shè)置為從變化數(shù)目的電力發(fā)電機傳輸電力，其中該電力電纜被變化使用，并且其中該保護系統(tǒng)被適配于調(diào)整用于該傳輸系統(tǒng)的變化使用的補償。
[0020]注意，該保護適合于該傳輸系統(tǒng)的變化電拓撲。尤其，在不使用該電力電纜并且該不使用的電力電纜可能需要充電的基礎(chǔ)上，變化該補償。
[0021 ] 在實施例中，該差動保護系統(tǒng)包括這樣的數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫包括充電電流，其中該充電電流補償?shù)倪m配包括使用在數(shù)據(jù)庫中存儲的充電電流。[0022]優(yōu)選地，該差動保護系統(tǒng)包括用于確定該傳輸系統(tǒng)的電拓撲的拓撲確定器，并且該數(shù)據(jù)庫包括用于每個拓撲的充電電流。
[0023]在實施例中，該差動保護系統(tǒng)包括用于控制保護裝置單元的主保護單元。
[0024]優(yōu)選地是，該主保護單元包括通信單元，并且每個保護裝置單元都包括用于將主控制單元操作連接到該保護裝置單元的每個的相應(yīng)通信單元。
[0025]優(yōu)選地，該主保護單元包括該拓撲確定器。
[0026]優(yōu)選地是，該主保護單元包括差動故障確定器，該保護系統(tǒng)借助于該差動故障確定器使用由保護裝置單元的測量單元從測量提供的電流來發(fā)現(xiàn)差動故障。
[0027]在一個實施例中，該輸入電纜的保護裝置單元的每一個保護裝置單元包括充電電流補償器，其用于在連接該相應(yīng)的輸入電纜時提供充電電流補償。
[0028]在一個實施例中，該差動保護系統(tǒng)進一步包括用于檢測該保護的電力傳輸系統(tǒng)的變壓器的涌入電流的變壓器涌入電流確定器，并且其中該保護系統(tǒng)被適配于在變壓器涌入電流期間阻斷該差動保護。
[0029]優(yōu)選地，該電力輸入電纜的每個保護裝置單元都包括涌入電流確定器，并且被適配為當(dāng)檢測該傳輸系統(tǒng)的變壓器的涌入電流時阻斷該保護裝置單元和該主保護單元之間的通信。
[0030]在一個優(yōu)選的實施例中，該傳輸系統(tǒng)包括將該輸入電纜連接到該輸出電纜的多終端傳輸電纜，該保護系統(tǒng)被適配為補償該多終端電纜的不同部分的充電。該輸入電纜構(gòu)成該傳輸電纜系統(tǒng)的分支，每個分支用于將電力從相應(yīng)的發(fā)電機引入該傳輸系統(tǒng)中。在未充電電纜、未充電電纜分支和可以被連接用于電力傳輸?shù)脑搨鬏旊娎|的未充電部分的基礎(chǔ)上變化該充電補償，以便當(dāng)這些電纜、分支和部分連接時，補償所需要的充電電流。
[0031]本發(fā)明也提供了用于電力傳輸系統(tǒng)的差動保護的方法，其中電力傳輸系統(tǒng)包括多個電力電纜，該電纜包括用于從諸如風(fēng)力發(fā)電機的電力發(fā)電機傳輸電力的多個輸入電力電纜、輸出電纜，其中多個輸入電力電纜被連接到該輸出電纜。該電力傳輸系統(tǒng)的每個輸入和輸出電力電纜具有各自的電路斷路器，其中該輸入電力電纜的每個電路斷路器都提供到傳輸系統(tǒng)的電力輸入，并且該輸出電纜的電路斷路器提供針對該傳輸系統(tǒng)的電力輸出，該傳輸系統(tǒng)被設(shè)置為從變化數(shù)目的電力發(fā)電機傳輸電力，其中在當(dāng)前時間點使用的該電力電纜變化。該差動保護方法包括從該電力電纜的當(dāng)前使用確定該電拓撲、測量該輸入輸出電纜的電流和電壓、使用相應(yīng)于所確定的電拓撲的充電電流補償該傳輸系統(tǒng)的電纜的充電電流、在發(fā)現(xiàn)差動故障時有選擇地將電路斷路器跳閘。
[0032]在一個實施例中，該補償包括取回對應(yīng)于該電拓的存儲的充電電流。
[0033]在一個實施例中，該方法包括針對變壓器監(jiān)控該電力電纜并且在涌入電流期間使差動保護不活動。
[0034]在一個實施例中，該方法包括從本地保護裝置單元傳送所補償?shù)某潆婋娏鞯街鞅Ｗo控制單元，執(zhí)行差動保護計算，用于發(fā)現(xiàn)主保護中的故障并且在發(fā)現(xiàn)故障時將跳閘命令傳輸?shù)奖Ｗo裝置單元。
[0035]本發(fā)明也提供了用于電力系統(tǒng)的差動保護的保護裝置單元，其中電力傳輸系統(tǒng)包括多個電力電纜，該電纜包括多個用于從諸如風(fēng)力發(fā)電機的電力發(fā)電機傳輸電力的輸入電力電纜、輸出電纜，其中多個輸入電力電纜被連接到輸出電纜，每個輸入和輸出電力電纜都具有各自的電路斷路器，其中該輸入電力電纜的每個電路斷路器都提供到該傳輸系統(tǒng)的電力輸入，并且該輸出電纜的電路斷路器提供針對該傳輸系統(tǒng)的電力輸出，該傳輸系統(tǒng)被設(shè)置為從變化數(shù)目的電力發(fā)電機傳輸電力，其中使用中的電力電纜變化。該保護裝置單元被適配于設(shè)置在輸入電纜的相應(yīng)一個輸入電纜處或者在輸出電纜處，并且該保護裝置單元包括測量單元、控制單元、充電電流補償器、通信單元，該測量單元用于測量該電纜的電流和電壓，控制單元可操作連接到該電力電纜的電路斷路器用于有選擇地使該電路斷路器跳閘，該充電電流補償器用于為該傳輸系統(tǒng)的電纜的充電電流補償差動保護。該保護裝置單元適合于借助該通信單元傳送補償電流，并且該充電電流補償器被適配于調(diào)整用于該傳輸系統(tǒng)變化使用的補償。
[0036]在一個實施例中，該保護裝置單元被適配為借助于通信單元接收該電力傳輸系統(tǒng)的電拓撲識別，并且該充電電流補償器被適配為使用相應(yīng)于電拓撲的充電電流用于補償該測量的電流。
[0037]在一個實施例中，該保護裝置單元包括用于存儲多個存儲的充電電流的數(shù)據(jù)庫，每個數(shù)據(jù)庫相應(yīng)于電拓撲的標識符，并且其中該充電電流補償器適合于取回相應(yīng)于所接收的電拓撲信息的數(shù)據(jù)庫中存儲的充電電流。
[0038]在一個實施例中，該保護裝置單元包括變壓器涌入電流確定器，其被操作連接到通信單元并且被適配為在檢測到變壓器涌入電流時阻斷通信單元傳送。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0039]將參考附圖進一步描述本發(fā)明。為了說明性的目的并且為了便于使用本發(fā)明來提供附圖，并且這些附圖被簡化而不是按比例繪制。
[0040]圖1圖示了電力傳輸系統(tǒng)以及用于保護電力傳輸系統(tǒng)的根據(jù)本發(fā)明的保護系統(tǒng)，
[0041]圖2圖示了該保護系統(tǒng)中使用的主控制單元，
[0042]圖3圖示了根據(jù)本發(fā)明的保護裝置，
[0043]圖4是描述根據(jù)本發(fā)明的差動保護方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0044]本發(fā)明提供了以類似于母線保護的方式來保護多端電纜網(wǎng)絡(luò)的可能性，即基于基爾霍夫定律的算法被用于檢測該電纜網(wǎng)絡(luò)內(nèi)是否存在故障。
[0045]該保護功能可以基于在全部端中的時間標志電流矢量的相量比較。如果全部矢量的和是零，電纜網(wǎng)絡(luò)中不存在故障。
[0046]例如，該多端保護能夠基于相量測量單元，其中在通信鏈路上發(fā)送時間標志的采樣或相量。該可應(yīng)用功能的靈敏度和選擇性取決于精確的時間標記，其能夠由所謂的回波計時或通過在每個單獨端的GPS時間標志實現(xiàn)。
[0047]如果該總和偏離零(測量數(shù)據(jù)的+_不準確性)，那么檢測到故障。本發(fā)明被適配用于保護在系統(tǒng)的保護區(qū)內(nèi)具有電纜和變壓器并且用于充電電流補償以及處理變壓器涌入電流的額外特征也包括在內(nèi)的系統(tǒng)。
[0048]與分別保護每個電纜和變壓器相比，在保護區(qū)中包括多個電纜和至少一個變壓器的好處是，該保護區(qū)減少了所需要的電流互感器、通信信道和保護器件的數(shù)目。[0049]所測量的電流數(shù)據(jù)可以經(jīng)由例如光纖電纜或微波無線電從在每個風(fēng)力發(fā)電機單元處的保護裝置發(fā)送到中心平臺。每個輸入電流被適當(dāng)?shù)厥占谥醒雴卧?，其中該差動保護評估該系統(tǒng)是否是錯誤的。
[0050]該系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)被適配為類似母線差動保護的工作，并且同時優(yōu)選地包括用于充電電流補償和針對系統(tǒng)中的變壓器的涌入電流檢測/阻斷的延伸功能。
[0051]本發(fā)明可以利用相量測量單元用于從不同位置采樣電流矢量，諸如在風(fēng)電場風(fēng)車的電纜末端，其借助于公共時間同步，例如使用GPS時間。在實時比較中比較該同步相量，并且使用用于電流的基爾霍夫定律以檢測故障。
[0052]圖1圖示了包括一組將風(fēng)力轉(zhuǎn)換為電力的風(fēng)車的風(fēng)電場。這個風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)包括兩個風(fēng)力發(fā)電機的組1、10，每個組都包括多個風(fēng)力發(fā)電單元，風(fēng)力發(fā)電單元包括被連接到變壓器3的風(fēng)車或風(fēng)力發(fā)電機2。該風(fēng)力發(fā)電機借助于其葉輪從風(fēng)能發(fā)電，并且每個變壓器3都將來自相應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機2的電力的電壓升壓。替換例是使用風(fēng)力發(fā)電單元2，而不需要變壓器，并且在發(fā)電電壓處通過系統(tǒng)傳輸電力，以便每個風(fēng)力發(fā)電機被直接連接到該傳輸系統(tǒng)。該傳輸系統(tǒng)包括到母線(bus bar) 17的電纜網(wǎng)絡(luò)，用于進一步傳輸?shù)诫娏W(wǎng)20?？梢栽谥醒胱冸娬?9處為被布置在海里的風(fēng)電場處的幾個多端傳輸電纜系統(tǒng)提供該母線17，每個多端傳輸電纜系統(tǒng)都從一個或多個組的風(fēng)力發(fā)電單元引出，并且針對發(fā)出的電力提供到諸如國家電網(wǎng)的岸上的電力網(wǎng)絡(luò)20的例如水下高壓直流或交流鏈接的公共鏈接。
[0053]每個風(fēng)力發(fā)電單元2經(jīng)由電路斷路器6被連接到該傳輸系統(tǒng)。該傳輸系統(tǒng)包括具有分支4的多端電纜9，每個電纜分支末端具有電路斷路器6并且被配置在風(fēng)力發(fā)電單元
2、3處，用于將電力輸入到該傳輸系統(tǒng)中。在該多端電纜的另一端處提供單個變壓器30，該末端包括全部電纜分支引入的公共電纜11。該公共電纜11構(gòu)成用于該變壓器30的輸入電纜。公共輸出電纜40從變壓器30引出，并且輸出電纜40在電路斷路器60結(jié)束，用于將該傳輸系統(tǒng)連接到傳輸電纜90并進一步連接到變電站19。因此，所圖示的電力系統(tǒng)包括經(jīng)由多端傳輸系統(tǒng)4、9、11、40的在風(fēng)力發(fā)電單元的組1、10中的風(fēng)力發(fā)電單元2、3，并且傳輸電纜90收集所生成的電力并將該電力引到變電站19，用于進一步傳送到電力消耗網(wǎng)20。這個傳輸系統(tǒng)包括在相應(yīng)的電路斷路器6處的幾個電力輸入，并且將電力引入到在單個電路斷路器60處的電力輸出。該輸入電路斷路器6和該輸出電路斷路器60標記由本發(fā)明提供的傳輸系統(tǒng)和保護區(qū)的邊緣點。保護裝置5、50被布置在每個邊緣點處(在6、60)。每個保護裝置5、50被操作與相應(yīng)的電路斷路器6、60相連接，并且被布置為當(dāng)在該保護區(qū)內(nèi)發(fā)生故障時，使該電路斷路器6、60跳閘。因此，該保護區(qū)包括多端輸入(在每個電路斷路器6處)，該多端輸入借助于接合單個電纜11的許多電纜分支4、9經(jīng)由變壓器30被連接到單個輸出終端(在電路斷路器60處)。在每個輸入4、6處提供每個風(fēng)力發(fā)電機2，，并且為來自全部風(fēng)力發(fā)電機(2，2a-d)提供單個輸出40、60。
[0054]在每個輸入4處和每個輸出40處提供相應(yīng)的保護裝置5、50。提供該保護裝置5、50從而測量在相應(yīng)的電纜4、40處的電流，并且將對應(yīng)于所測量電流的電流值傳送到中央保護控制單元16。所傳送的電流值使該保護系統(tǒng)能夠借助于控制單元16確定輸入電流和輸出電流之間的偏差是否指示該輸入和該輸出之間的電路故障。該保護裝置5、50同時被提供為，如果該中央控制器16確定該保護區(qū)內(nèi)存在差動故障，那么使相應(yīng)的電路斷路器6、60跳閘。[0055]該保護系統(tǒng)是差動故障保護系統(tǒng)，其基本上對進入該保護區(qū)的電流進行加和并且將該總和與引出該區(qū)的電流相比較。該保護系統(tǒng)被適配為考慮由系統(tǒng)的變壓器30進行的電力步驟。例如，如果變壓器的比值是1:11，那么將電壓從12kV升高到132kV，所測量的輸出電流乘以十一，從而便于與該輸入電流的總和直接比較。此外，該保護系統(tǒng)被適配為補償該系統(tǒng)的電纜中的充電電流，并且也檢測變壓器涌入電流，使得分別在電纜充電或變壓器磁化期間輸入和輸出電流之間的電流差上升而保護區(qū)內(nèi)不存在任何電纜分支的故障或其他故障時保護電路斷路器6、60不跳閘。
[0056]為了差動保護系統(tǒng)正常工作，重要的是測量在相同時刻的全部電流。同樣重要的是，快速可靠地傳輸電流值，以便當(dāng)將電流值求和時全部電流值有效。為了這個目的，圖1的保護系統(tǒng)使用光纖通信系統(tǒng)，其包括被結(jié)合并且跟隨電纜4、9、40、90的光學(xué)纖維8。這種通信系統(tǒng)有下列好處，在每個相應(yīng)的保護裝置5、50和中央控制單元16之間，傳輸長度以及因此的時間相同。這有助于電流測量同步的規(guī)定。所謂的回波計時可以用于同步，或者可替換地，可以將GPS接收器用于每個保護裝置中(GPS=全球定位系統(tǒng))。
[0057]圖3圖示了保護裝置單元5、50。該保護裝置單元的功能和單元51-56將在下面進行描述，并且可以被執(zhí)行為硬件和軟件的組合，例如包括用于接收測量信號和控制電路斷路器的輸入和輸出單元、用于通信的光纖連接器、和采用存儲器的微處理器，該存儲器存儲適用于控制該保護裝置實行它的不同功能的計算機程序。這種單元51-56和功能可以共享公共的處理器和公共存儲器，或者包括任務(wù)指定和/或?qū)Ｓ锰幚砥骱痛鎯ζ鳌?br> [0058]該保護裝置5、50包括用于測量電纜(4、40)的電流和電壓的測量單元51、尤其用于與中央主保護單元16通信的通信單元52、以及用于使電路斷路器6跳閘的控制單元53。每個保護裝置單元被適配為測量電纜(其被布置處)的電流，并且將該電纜電流的信息傳送到該中央控制單元，并且從中央控制單元接收諸如跳閘命令的響應(yīng)，并且被適配為在接收這種跳閘命令時使該電路斷路器6跳閘。
[0059]該保護裝置單元5、50也設(shè)有充電電流補償器54和變壓器涌入電流確定器55。該充電電流補償器54被適配為確定該電纜的電流是否包括電纜充電電流并且通過減去所估算的充電電流補償該測量的電流值。該保護裝置5、50進一步被適配為將該補償電流值傳送到該中央控制單元16 (主保護單元)，以便該差動保護能夠使用該補償電流作為該差動故障確定的基礎(chǔ)，并且沒有通過將電纜的充電電流解釋為電纜故障而錯誤地斷開電流。
[0060]該保護裝置5、50也被適配為從該主保護單元16接收拓撲信息，該保護裝置5、50使用該拓撲信息針對該充電電流確定適當(dāng)?shù)难a償值。為了這個目的，該保護裝置包括數(shù)據(jù)庫56，數(shù)據(jù)庫56包括針對該電力系統(tǒng)的不同拓撲估算充電電流。因此，該保護裝置被適配為接收該拓撲信息，諸如拓撲標識符，用于從該數(shù)據(jù)庫取回充電電流補償值，該數(shù)據(jù)庫可以包括具有用于每個拓撲標識符的充電電流的估算值的表格。在使用期間，該保護裝置接收測量單元51中的測量信號，該測量單元51將信號采樣到測量值，該充電電流補償器54分析該測量值從而發(fā)現(xiàn)電容充電電流。在檢測到充電電流時，該補償器54取回對應(yīng)于所存儲的拓撲的電流補償值，補償該充電電流，即從所測量的電流減去該補償，并且該通信單元52將該補償電流傳送到該中央控制單元16。該通信單元52接收拓撲標識符,其指示存儲在數(shù)據(jù)庫中的當(dāng)前電拓撲。該通信單元52也可以從主控制單元16接收跳閘命令。如果跳閘命令由保護裝置接收，那么該電路斷路器控制單元53使該保護裝置操作連接到的電路斷路器跳閘。
[0061]每個保護裝置5、50也設(shè)有變壓器涌入電流確定器55，其適合于例如通過分析所測量的電流來檢測變壓器涌入電流，并且推斷該電流是否包括指示變壓器被激勵的二次諧波。提供該涌入電流確定器55，從而防止在變壓器磁化期間該電路斷路器的不必要的斷開。該涌入電流確定器55可以適合于被適配為阻斷通信，例如通過設(shè)定信號或數(shù)據(jù)指示器有選擇地允許或禁用通信、至少使得允許或禁止電流到中央控制器16的傳送。
[0062]第二諧波穩(wěn)定是被良好證明的方法，其中在涌入處的典型的二次諧波被用于阻斷該差動電流保護功能。也可以使用涌入阻斷的附加特點。
[0063]圖2圖示了起主保護單元16的作用的中央控制單元16，其通過將跳閘命令傳送到每個保護裝置來控制該保護裝置的電路斷開功能，并且提供從該保護裝置單元接收的電流值的差動故障保護，即該主保護單元對該補償?shù)妮斎腚娏骱脱a償?shù)妮敵鲭娏鬟M行加和從而確定電路故障。該主保護單元16包括用于接收電流值的通信單元41和用于分析該電流值的差動故障確定器42。該主保護單元16也包括拓撲確定器43，拓撲確定器43識別該傳輸系統(tǒng)目前限定哪個電拓撲。拓撲標識符隨后從該主保護單元16被傳送到該或每個保護裝置單元5、50。該拓撲確定器43可以通過識別目前傳輸電力的是多端電纜的哪個部分，從所接收電流確定該傳輸系統(tǒng)的拓撲狀態(tài)?？商鎿Q地，該主保護單元16可以從該電力系統(tǒng)的控制單元18接收拓撲的信息，例如從該變電站19的控制單元。
[0064]該主保護單元16接收該補償電流值，并且該差動故障確定器42從該補償?shù)妮敵鲭娏鳒p去該補償?shù)妮斎腚娏鳌?br> [0065]替換例是使該中央主保護單元16中心地補償該充電電流，即傳輸所測量的電流。在這種替換例中，拓撲標識符不需要被傳輸?shù)皆摫Ｗo裝置單元5，而是該主保護單元16應(yīng)該被適配針對該系統(tǒng)的充電電流補償該電流或求和的輸入電流和減去的輸出電流，諸如使用總的充電電流補償與在任何給定時間點處于本拓撲有聯(lián)系的系統(tǒng)。因此，在這個情況下，該主保護單元16應(yīng)該包括不同拓撲的數(shù)據(jù)庫和相應(yīng)的充電電流。在從至今未充電的電纜接收電流值時，該主保護單元16應(yīng)該補償這個電纜的充電電流和這個電纜會充電的電纜的充電電流，該信息應(yīng)該從系統(tǒng)拓撲推斷并且被適當(dāng)存儲，用于在使用期間快速存取。
[0066]當(dāng)電纜充電開始時，所測量的電流由在充電情況期間的該電纜的充電電流補償。當(dāng)設(shè)計該電力系統(tǒng)時，能夠確定電纜中充電電流的變化。該變化的充電電流不同于所討論的電纜并且取決于該電纜，諸如電纜的長度和類型。同樣已知被用于計算針對線路差動保護充電的電纜的充電電流確定和/或測量，并且當(dāng)設(shè)計該系統(tǒng)時能夠使用這些確定和測量，其中充電電流可以從大的開始值演化成較低的穩(wěn)態(tài)值的隨時間變化的。存儲用于該網(wǎng)絡(luò)的每個指定電拓撲的充電電流用以針對在所測量的電流的補償期間快速存取容易被取回。
[0067]基于該電纜和電纜部分的預(yù)期充電來確定該充電電流，諸如電纜9的所圖示的部分a-d。例如，當(dāng)只連接最接近該輸出的發(fā)電機2時,全部部分a-d未充電。這意味著,第二發(fā)電機2a的連接會將該發(fā)電機2a的相應(yīng)電纜4和電纜9最接近輸出的一個部分9a充電。如果第五發(fā)電機次于第一發(fā)電機2a連接,那么該第五發(fā)電機2d必須將其輸入電纜4d和電纜9的四個部分9a_d充電。
[0068]圖4總結(jié)了差動保護方法并且在步驟101以確定該電力傳輸系統(tǒng)的電拓撲開始。這個確定基于該電力電纜4、9、11的當(dāng)前使用，因此描述電力電纜4、9、11和電力電纜的部分a、b、c、d的電拓撲當(dāng)前被使用，即被充電，并且電力電纜4、9、11和電力電纜使用的部分
a、b、C、d不用于電力傳輸，并且其中借助于相應(yīng)電路斷路器在發(fā)電機2、2a_d連接時，其將被充電。該方法借助于每個相應(yīng)的保護裝置單元(5、50)來繼續(xù)測量輸入和輸出電纜4、40的電流和電壓的步驟102。在下面步驟103中，使用相應(yīng)于所確定的電拓撲的充電電流，來進行對該傳輸系統(tǒng)的電纜和電纜(4、9、11、40)的部分的充電電流的補償。在步驟104中發(fā)現(xiàn)差動故障，其中該輸入電纜4的所補償?shù)倪M入電流與輸出電纜40的外出電流相比較。該補償可以包括該傳輸系統(tǒng)4、9、11、40的全部電纜的充電電流。如果該計算即當(dāng)從進入電流減去外出電流時的差值導(dǎo)致如下值，該值比比較小的閾值大，檢測到故障。如果檢測到故障，該方法以使該保護區(qū)的電路斷路器6、60跳閘結(jié)束。如果沒有檢測到故障，那么該方法返回到確定該電拓撲101的步驟。
[0069]該保護系統(tǒng)也可以具有其他補償功能，諸如在穩(wěn)定狀態(tài)期間的電容性電流補償，該穩(wěn)定狀態(tài)應(yīng)該依賴于該傳輸系統(tǒng)的當(dāng)前電拓撲(即在所討論的時間點傳輸電流的部分)識別并補償，。
[0070]此外，當(dāng)使用本發(fā)明的保護系統(tǒng)、方法和裝置時可以執(zhí)行并采用許多其他已知的差動保護方法和相應(yīng)裝置，諸如在無故障條件下的差動電流的連續(xù)估算；在連續(xù)操作期間的充電電流計算；在故障期間保持的預(yù)故障充電電流；該錯誤的預(yù)故障差動電流的扣除。
【權(quán)利要求】
1.一種用于電力傳輸系統(tǒng)的差動保護系統(tǒng)，其中所述電力傳輸系統(tǒng)包括 多個電力電纜(4、9、11、40)，包括 多個輸入電力電纜(4),用于從諸如風(fēng)力發(fā)電機(2)的電力發(fā)電機(2)傳輸電力， 輸出電纜(40)，其中所述多個輸入電力電纜(4)連接到所述輸出電纜(40)， 每個輸入和輸出電力電纜(4、40)設(shè)有相應(yīng)的電路斷路器(6、60)，其中所述輸入電力電纜(4)的每個電路斷路器(6)向所述傳輸系統(tǒng)提供電力輸入，并且所述輸出電纜(60)的所述電路斷路器(60)針對所述傳輸系統(tǒng)提供電力輸出， 所述保護系統(tǒng)包括多個保護裝置單元(5、50)，每個保護裝置單元被適配為布置在所述輸入電纜(4)的相應(yīng)一個輸入電纜處或者在所述輸出電纜(40)處，每個保護裝置單元(5、50)包括用于測量所述電纜(4、40)的所述電流和電壓的測量單元(51)，并且包括控制單元(53)，所述控制單元 (53)被可操作連接到所述相應(yīng)的電力電纜(4、40)的所述電路斷路器(6、60)用于當(dāng)所述保護系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)差動故障時有選擇地使所述電路斷路器(6、60)跳閘， 所述保護系統(tǒng)包括至少一個充電電流補償器(54)用于針對所述傳輸系統(tǒng)的所述電纜(4、9、11、40)的充電電流補償所述差動保護， 所述傳輸系統(tǒng)被布置為從變化數(shù)目的所述電力發(fā)電機(2)傳輸電力，其中使用中的所述電力電纜(4、9、11、40)變化， 并且其中所述保護系統(tǒng)被適配為調(diào)整用于所述傳輸系統(tǒng)的這些變化使用的所述補償。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的差動保護系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)庫(56)，所述數(shù)據(jù)庫(56)包括充電電流，其中所述充電電流補償?shù)倪m配包括使用在所述數(shù)據(jù)庫中存儲的充電電流。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的差動保護系統(tǒng)，包括拓撲確定器(43)，用于確定所述傳輸系統(tǒng)的電拓撲，并且所述數(shù)據(jù)庫(56 )包括用于每個拓撲的充電電流。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的差動保護系統(tǒng)，包括用于控制所述保護裝置單元(5、50)中的每個保護裝置單元的主保護單元(16)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的差動保護系統(tǒng)，所述主保護單元(16)包括通信單元(41)，每個保護裝置單元(5、50 )都包括通信單元(52 )用于將所述主控制單元(16 )可操作地連接到所述保護裝置單元(5、50)中的每個保護裝置單元。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5中的任一項所述的差動保護系統(tǒng)，其中所述主保護單元(16)包括所述拓撲確定器(43)。
7.根據(jù)權(quán)利要求4到6中的任一項所述的差動保護系統(tǒng)，其中所述主保護單元(16)包括差動故障確定器，所述保護系統(tǒng)借助于所述差動故障確定器使用通過保護裝置單元(5、50)的所述測量單元的測量提供的電流來發(fā)現(xiàn)差動故障。
8.根據(jù)權(quán)利要求1到7中的任一項所述的差動保護系統(tǒng)，其中所述輸入電纜的所述保護裝置單元(5 )中的每個保護裝置單元都包括充電電流補償器。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的差動保護系統(tǒng)，進一步包括變壓器涌入電流確定器(55)用于檢測所保護的電力傳輸系統(tǒng)的變壓器的涌入電流，并且其中所述保護系統(tǒng)被適配為在變壓器涌入電流期間阻斷所述差動保護。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的差動保護系統(tǒng)，其中所述電力輸入電纜(4)的每個保護裝置單元(5、50)都包括涌入電流確定器(55)，所述涌入電流確定器(55)被適配為當(dāng)檢測到所述傳輸系統(tǒng)的變壓器的涌入電流時，阻斷所述保護裝置單元(5、50)和所述主保護單元(16)之間的通信。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的差動保護系統(tǒng)，其中所述傳輸系統(tǒng)包括多端傳輸電纜(9)，所述多端傳輸電纜(9)將所述輸入電纜(4)連接到所述輸出電纜(40)，所述保護系統(tǒng)被適配為補償所述多端電纜(9)的不同部分(9、9a-d)的充電。
12.一種用于電力傳輸系統(tǒng)的差動保護的方法，其中電力傳輸系統(tǒng)包括多個電力電纜(4、9、11、40)，所述多個電力電纜(4、9、11、40)包括用于從諸如風(fēng)力發(fā)電機(2)的電力發(fā)電機(2)傳輸電力的多個輸入電力電纜(4)、輸出電纜(40), 其中所述多個輸入電力電纜(4)被連接到所述輸出電纜(40)，每個輸入和輸出電力電纜(4、40)設(shè)有相應(yīng)的電路斷路器(6、60)，其中所述輸入電力電纜(4)的每個電路斷路器(6)向所述傳輸系統(tǒng)提供電力輸入，并且所述輸出電纜(60)的所述電路斷路器(60)為所述傳輸系統(tǒng)提供電力輸出，所述傳輸系統(tǒng)被布置為從變化數(shù)目的所述電力發(fā)電機(2)傳輸電力，其中使用中的所述電力電纜(4、9、11、40)變化，所述方法包括: 從所述電力電纜的當(dāng)前使用確定電拓撲， 測量所述輸入和輸出電纜(4、40 )的所述電流和電壓， 使用對應(yīng)于所述確定的電拓撲的充電電流來補償所述傳輸系統(tǒng)的所述電纜(4、9、11、40)的充電電流， 在發(fā)現(xiàn)差動故障時，有選擇地使所述電路斷路器(6、60)跳閘。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所 述的方法，其中所述補償包括取回對應(yīng)于所述電拓撲的存儲的充電電流。
14.根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的方法，包括針對變壓器涌入電流監(jiān)視所述電力電纜并且在涌入電流期間使所述差動保護不活動。
15.根據(jù)權(quán)利要求12到14中的任一項所述的方法，包括將所述補償?shù)某潆婋娏鲝谋镜乇Ｗo裝置單元傳送到主保護控制單元，執(zhí)行差動保護計算用于發(fā)現(xiàn)所述主保護中的故障并且在發(fā)現(xiàn)故障時向所述保護裝置單元傳送跳閘命令。
16.一種用于電力系統(tǒng)的差動保護的保護裝置單元，其中所述電力傳輸系統(tǒng)包括多個電力電纜(4、9、11、40)，所述多個電力電纜(4、9、11、40)包括 用于從諸如風(fēng)力發(fā)電機(2 )的電力發(fā)電機(2 )傳輸電力的多個輸入電力電纜(4)、輸出電纜(40)，其中所述多個輸入電力電纜(4)連接到所述輸出電纜(40)，每個輸入和輸出電力電纜(4、40)都設(shè)有相應(yīng)的電路斷路器(6、60)，其中所述輸入電力電纜(4)的每個電路斷路器(6 )向所述傳輸系統(tǒng)提供電力輸入，并且所述輸出電纜(60 )的所述電路斷路器(60 )向所述傳輸系統(tǒng)提供電力輸出，所述傳輸系統(tǒng)被布置為從變化數(shù)目的所述電力發(fā)電機(2)傳輸電力，其中使用中的所述電力電纜(4、9、11、40)變化， 所述保護裝置單元(5、50)被適配為布置在所述輸入電纜(4)的相應(yīng)的一個輸入電纜處或在所述輸出電纜(40)處， 所述保護裝置單元(5、50)包括 測量單元(51)，用于測量所述電纜(4、40)的所述電流和電壓， 控制單元(53)，可操作連接到所述電力電纜(4、40)的所述電路斷路器(6、60)用于有選擇地使所述電路斷路器(6、60)跳閘， 充電電流補償器(54)，用于針對所述傳輸系統(tǒng)的所述電纜(4、9、11、40)的充電電流補償所述差動保護， 通信單元(52)，所述保護裝置單元被適配為借助于所述通信單元傳送補償?shù)碾娏鳎? 并且其中所述充電電流補償器(54)被適配為調(diào)整用于所述傳輸系統(tǒng)的變化使用的所述補償。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的保護裝置單元，被適配為接收所述電力傳輸系統(tǒng)的電拓撲識別，并且所述充電電流補償器被適配為使用對應(yīng)于所述電拓撲的充電電流用于補償所述測量的電流。
18.根據(jù)權(quán)利要求16到18中的任一項所述的保護裝置單元，包括用于存儲多個存儲的充電電流的數(shù)據(jù)庫，每個存儲的充電電流都對應(yīng)于電拓撲的標識符，并且其中所述充電電流補償器(54)被適配為取回存儲在所述數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)于所接收的電拓撲信息的充電電流。
19.根據(jù)權(quán)利要求16到18中的任一項所述的保護裝置單元，包括變壓器涌入電流確定器(55)，所述變壓器涌入電流確定器(55)被可操作地連接到所述通信單元(52)并且被適配為在檢測到變壓器涌入電流時阻斷所述通信單元(52)傳送。
【文檔編號】H02H3/28GK103548228SQ201180070956
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2011年5月19日 優(yōu)先權(quán)日:2011年5月19日
【發(fā)明者】B·倫德克維斯特 申請人:Abb技術(shù)有限公司