用于监控保护功能的灵敏度的方法和设备

摘要

本发明涉及一种用于监控电力系统中的保护功能的灵敏度的方法和设备，该电力系统包括用于测量特征的值的计量设备，所述保护功能被配置成基于针对该特征的测试值和阈值对动作初始化，其中所述测试值为测量值或者从所述测量值来导出，该设备(9)包括计算单元(3)，该计算单元被配置成接收测试值并且在保护功能的操作期间重复地进行：计算测试值的均值和偏差，基于所计算的均值、阈值和所计算的偏差确定错误动作的概率，并且当错误动作的概率超过针对错误动作的概率的第一限制值时指示灵敏度太高。

权利要求

1.一种用于监控电力系统中的保护功能的灵敏度的方法，所述电力系统包括用于测量特征的多个值的计量设备，所述保护功能被配置成基于针对所述特征的测试值和阈值对动作初始化，其中所述测试值是由所述计量设备测量的值或者从由所述计量设备测量的多个值而导出的值，其特征在于所述方法包括在所述保护功能的操作期间重复地进行：-计算所述测试值的均值和偏差，

-基于所计算的均值、所述阈值和所计算的偏差确定错误动作的概率，

-当错误动作的概率超过针对错误动作的概率的第一限制值时指示灵敏度太高，以及在用户批准时基于错误动作的所述确定的概率自动调节所述阈值。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法还包括：当错误动作的概率低于针对所述错误动作的概率的第二限制值时指示灵敏度太低。

3.根据权利要求1所述的方法，其中对所述阈值进行调节，使得当所述错误动作的概率超过针对所述错误动作的概率的第一限制值时降低所述保护功能的灵敏度。

4.根据权利要求1所述的方法，其中对所述阈值进行调节，使得当所述错误动作的概率低于针对所述错误动作的概率的第二限制值时提高所述保护功能的灵敏度。

5.根据权利要求1所述的方法，其中将所述阈值确定为所计算的均值与多个所计算的偏差之和。

6.根据权利要求1所述的方法，其中假设所述测试值服从正态分布来计算错误动作的所述概率。

7.一种用于监控电力系统中的保护功能的灵敏度的设备，所述 电力系统包括用于测量特征的多个值的计量设备，所述保护功能被配置成基于针对所述特征的测试值和阈值对动作初始化，其中所述测试值是由所述计量设备测量的值或者从由所述计量设备测量的多个值导出的值，其特征在于，所述设备包括在所述保护功能的操作期间重复地执行操作以下装置：-用于计算所述测试值的均值和偏差的装置，

-用于基于所计算的均值、所述阈值和所计算的偏差确定错误动作的概率的装置，-用于当错误动作的概率超过针对错误动作的概率的第一限制值时指示灵敏度太高的装置，以及-用于在用户批准时基于错误动作的所述确定的概率自动调节所述阈值的装置。

8.根据权利要求7所述的设备，其中所述设备还包括：用于当错误动作的概率低于针对所述错误动作的概率的第二限制值时指示灵敏度太低的装置。

9.根据权利要求7所述的设备，其中所述阈值被调节为使得当所述错误动作的概率超过针对所述错误动作的概率的第一限制值时降低所述保护功能的灵敏度。

10.根据权利要求7所述的设备，其中对所述阈值为调节为使得当所述错误动作的概率低于针对所述错误动作的概率的第二限制值时提高所述保护功能的灵敏度。

11.根据权利要求7所述的设备，其中所述阈值被确定为所计算的均值与多个所计算的偏差之和。

12.根据权利要求7所述的设备，其中所述测试值被假设为服从正态分布来计算错误动作的所述概率。

13.一种用于监控电力系统中的保护功能的灵敏度的设备(9)，所述电力系统包括用于测量特征的多个值的计量设备，所述保护功能被配置成基于针对所述特征的测试值和阈值对动作初始化，其中所述测试值是由所述计量设备测量的值或者从由所述计量设备测量 的所述多个值导出的值，其特征在于所述设备包括计算单元(3)，所述计算单元被配置成接收所述测试值并且在所述保护功能的操作期间重复地进行：-计算所述测试值的均值和偏差，

-基于所计算的均值、所述阈值和所计算的偏差确定错误动作的概率，

-当错误动作的概率超过针对错误动作的概率的第一限制值时指示灵敏度太高，以及在用户批准时基于错误动作的所述确定的概率自动调节所述阈值。

14.根据权利要求13所述的设备，其中所述计算单元还被配置成当错误动作的概率低于针对所述错误动作的概率的第二限制值时指示灵敏度太低。

15.一种根据权利要求13或14所述的设备在数字保护继电器设备中的用途，所述数字保护继电器设备包括用于检测电力系统中的故障的保护功能，所述用途用于监控所述保护功能的灵敏度。

说明书

用于监控保护功能的灵敏度的方法和设备

技术领域

[0001] 本发明涉及一种用于监控在电力系统(比如电力生成系统(例如核电系统)或者电力传输和分配系统)中使用的保护功能的灵敏度的方法和设备。本发明适用于一种数字继电器设备，在该数字继电器设备中安装用于保护电力系统中的其它设备的保护功能。保护功能可以例如是差动保护功能、过电流保护功能、距离保护功能或者定向比较保护功能。

背景技术

[0002] 典型保护功能基于如下测试值，该测试值是诸如电流或者电压值之类的测量值或者根据对多个测量值的分析而导出的值。测试值也可以是非电力的数量，比如温度或者振动幅度。为了确定是将采取动作还是不采取动作，将测试值与阈值进行比较。如果测试值在阈值的危险侧上，则采取动作。例如向电路断路器初始化跳闸(trip)信号，该电路断路器反过来以用于防止电力系统中的其它设备受损的方式来操作。在简单情况下，阈值仅为固定值；而在更复杂保护功能中，它可以依赖于时间和其它测量值。然而原理相同。测量值的质量或者准确度可以由于各种因素而改变；例如在电力系统中，不同电压电平、电流额定值和接地方法可以提供准确度水平不同的测量值。

[0003] 基于测量值的不恰当动作可能生成意外结果。例如，在未初始化应当响应于故障而采取的动作的情况下，其结果是对电力系统中的设备将引起损坏。因此通常设计保护功能以求高可靠度。拥有高可靠度的保护功能的共同问题在于保护功能可能太敏感并且不安全，这引起采取如下不希望的动作的倾向，该动作可能例如不必要地阻碍核电系统中的电力产生从而造成系统用户的意外成本。

[0004] 保护功能的设计者、调试工程师和客户如今可以通过测试保护功能的输出来设置阈值。然而这并未保证恰当设置阈值，因而不恰当阈值可能造成大量错误动作。另外，这一方式由于所需测试值的变化而是耗费时间和成本的。此外，直至大量错误动作已经被观测到并且电力系统的操作已经受扰动，用户才具有关于错误动作将在哪种境况之下出现的指示。

[0005] 因此重要的是能够以最优方式减少错误动作数目以在电力系统中避免动机不明的扰动。

发明内容

[0006] 本发明的一个目的在于减少保护功能所产生的错误操作的数目。

[0007] 这一目的由如权利要求1限定的方法实现。

[0008] 这样的方法包括：计算测试值的均值和偏差；基于所计算的均值、阈值和所计算的偏差确定错误动作的概率；并且当错误动作的概率超过针对错误动作的概率的第一限制值时指示灵敏度太高。在保护功能的操作期间重复地执行上述步骤。

[0009] 根据本发明，在保护功能的操作期间监控保护功能的灵敏度。通过基于所计算的均值、阈值和所计算的偏差计算错误动作的概率来确定灵敏度。为了尽可能好地反映测试值的分布，用于计算均值和偏差的测试值覆盖比电力系统中的正常变化的时间段更长的时间段。

[0010] 当错误动作的概率超过用于错误动作的概率的第一限制值时，它意味着保护的灵敏度太高。在这样的情况下，可以采取从仅有指示到阻止所监控的保护功能执行的一系列补救动作。

[0011] 由于本发明能够监控保护功能在它的操作期间的灵敏度这样的事实，有可能在已经产生任何错误动作之前检测到保护功能的灵敏度是否太高。另外，本发明的方法赋予用户评估情形的机会，据此确定是否恰当设置了阈值并且最终调解阈值。因而，减少错误动作数目的目的得以实现。

[0012] 另一优点在于：通过指示错误动作的概率何时超过第一限制值，使保护功能的灵敏度可为保护功能的设计者、调试工程师和用户可见，这使保护功能的行为更加可预测并且得到更短的调试时间。

[0013] 根据本发明的一个实施例，假设测试值服从正态分布来计算错误动作的概率。因此可以例如按照测试值的正态分布的累积分布函数来计算。

[0014] 根据本发明的一个实施例，该方法还包括当错误动作的概率低于针对错误动作的概率的第二限制值时指示灵敏度太低。本发明的主要目的在于减少错误动作的数目，因为主要针对高灵敏度设计保护功能。另一方面，如果保护功能的灵敏度太低，则它不能向电力系统中的设备提供保护。因此将对这些设备引起损坏。在这一情况下，需要调节阈值。优点在于这吸引操作者对灵敏度太低这样的情形的关注，并且因此可以存在不可能相应地初始化保护动作这一风险。

[0015] 根据本发明的一个实施例，该方法还包括在用户批准时基于错误动作的所述确定的概率自动调节阈值。

[0016] 由于本发明使得有可能指示保护功能的灵敏度是太高还是太低，所以达到在安全度与可靠度之间的最佳平衡。换而言之，保护功能的灵敏度设置在恰当水平。阈值可以例如是用于跳闸信号、告警或者针对保护功能的其它类型的设置和参数的限制值。

[0017] 有利的是可以优化阈值，因为这使得有可能让保护功能准确初始化动作并且因此提高保护功能的可靠度。这意味着保护功能仅在它应当初始化动作时这样做，而另一方面在它不应当做出反应时并不反应。

[0018] 根据本发明的一个实施例，对阈值进行调节，使得当错误动作的概率超过针对错误动作的概率的第一限制值时降低保护功能的灵敏度。如果未调节阈值，则这意味着保护功能的灵敏度太高，因此错误动作将被初始化的概率被提高。这一实施例的优点在于：通过在错误动作的概率超过针对错误动作的概率的第一限制值时调节阈值，将减少错误动作的数目。

[0019] 根据本发明的另一实施例，对阈值进行调节，使得当错误动作的概率低于针对错误动作的概率的第二限制值时提高保护功能的灵敏度。否则，当错误动作的概率低于针对错误动作的概率的第二限制值时，保护功能的灵敏度太低，因此减少将初始化预计动作的概率。对阈值进行调节使得当错误动作的概率低于针对错误动作的概率的第二限制值时提高保护功能的灵敏度是有利的，因为这保证保护功能总是在它应当初始化动作时这样做。

[0020] 根据本发明的一个实施例，将阈值确定为所计算的均值与一个乘以所计算的偏差的数目之和。可以预先限定与偏差相乘的数目。

[0021] 根据本发明的一个实施例，本方法由权利要求8限定的计算机程序产品实施。

[0022] 这样的计算机程序产品直接可加载到计算机的内部存储器中并且包括用于执行根据权利要求1-7中的任一权利要求的步骤的软件。

[0023] 本发明由如权利要求10限定的设备实现。

[0024] 这样的设备包括计算单元，该计算单元被配置成接收测试值并且在保护功能的操作期间重复地进行以下操作：计算测试值的均值和偏差，基于计算的均值、阈值和偏差确定错误动作的概率，当错误动作的概率超过针对错误动作的概率的第一限制值时指示灵敏度太高或者当错误动作的概率低于针对错误动作的概率的第二限制值时指示灵敏度太低，并且在用户批准时基于错误动作的所述确定的概率自动调节所述阈值。

[0025] 根据本发明的设备可以使用于数字保护继电器中，其中继电器设备包括用于在检测到故障时保护电力系统中的其它设备的保护功能和所发明的用于监控保护功能的灵敏度的设备。它们一起向电力系统中的其它设备提供可靠保护。然而本发明可以集成到保护功能中，从而保护功能本身提供关于它有多么灵敏的信息并且提供用于除了执行它的传统工作之外还提供支持调节阈值的可能性。

附图说明

[0026] 现在将通过描述本发明的不同实施例并且参照附图来更具体地说明本发明。

[0027] 图1a是根据本发明第一实施例的用于监控保护功能的灵敏度的发明设备的框图。

[0028] 图1b是根据本发明第二实施例的用于监控保护功能的灵敏度的发明设备的框图。

[0029] 图2示出了根据本发明第三实施例的用于监控保护功能的灵敏度的设备的框图。

[0030] 图3是根据本发明一个实施例的用于监控保护功能的灵敏度的发明方法的流程图图示。

[0031] 图4a图示了错误动作的概率的计算例子。

[0032] 图4b图示了超过概率的例子。

具体实施方式

[0033] 图1a是根据本发明第一实施例的用于监控保护功能的灵敏度的发明设备9的框图。计量单元1被布置用于测量如下特征的值，该特征可以例如是电压或者电流。计量单元1可以例如是布置成测量电力系统中的电流或者电压的次级变压器。向保护功能单元6发送测量值。保护功能单元6被布置成在接收测量值时基于测量值计算测试值、比较计算的测试值与从设置单元4取回的阈值Threshold并且基于比较结果初始化动作。例如可以向输出单元8传达这样的动作，其中生成跳闸信号并将其向输出单元8发送。根据保护功能，可以如在这一实施例中所示直接使用测量值作为测试值。设备9包括计算单元3，配置成接收从测量单元1输出的测量值。在保护功能单元6根据测量值导出和计算测试值的情况下，可以从保护单元6向计算单元3传达测试值。基于测试值，计算单元3被配置成：计算均值和偏差，然后基于计算的均值、偏差和阈值Threshold计算错误动作的概率，比较错误动作的概率与用于错误值的概率的第一限制值以便确定错误动作的概率是否超过第一限制值，最后通过告警信号“告警高(Alarmhigh)”来指示灵敏度何时太高。在这一实施例中，设备9也包括显示单元2，该显示单元被布置成指示错误动作的概率何时超过第一限制值并且向操作者通知保护功能的灵敏度太高。然而这样做可以有其它方式，例如向具有显示单元的另一计算机发送告警信号Alarmhigh。计算单元3可以例如是微计算机处理器、数字信号处理器、现场可编程门阵列或者标准计算机。

[0034] 图1b是根据本发明第二实施例的用于监控保护功能的灵敏度的发明设备的框图。除了在这一实施例中计算单元3还确定保护功能的灵敏度是否太低之外，在这一例子中的每个部件具有与第一实施例相同的功能。如果灵敏度太低，则它在显示单元2上指示告警信号“告警低(Alarmlow)”。

[0035] 图2示出了根据本发明第三实施例的用于监控保护功能的灵敏度的设备的框图。在这一实施例中，计算单元3还被配置成在如果保护功能的灵敏度太高或者太低的情况下则计算新阈值Thresholdnew。向显示单元2发送这一新阈值Thresholdnew用于确认。在用户批准Ack(确认)时，将向设置单元进一步发送这一新阈值以取代阈值Threshold。在这一实施例中，考察保护功能的更高和更低灵敏度这两种情况，有可能的是计算单元可以被布置用于仅确定保护的灵敏度是否太高或者保护的灵敏度是否太低。

[0036] 在所有上述三个实施例中，保护功能单元6被配置成执行它的传统工作。这意味着它基于接收的测量值计算测试值、比较测试值与预先安排的阈值、执行保护功能并且根据执行保护功能的结果来初始化适当控制动作。然而，应当理解计算单元可以在保护功能单元使用于数字保护继电器中时集成到保护功能单元中。

[0037] 图3是根据本发明一个实施例的用于监控如下保护功能的灵敏度的发明方法的流程图，该保护功能被配置成基于针对特征的测试值和阈值初始化动作。将理解流程图中的每个块可以由计算机程序指令实施。

[0038] 该方法始于接收保护功能计算的测试值(块10)。根据保护功能的功能性，测试值是测量值或者根据多个测量值导出的值。

[0039] 下一步骤是计算测试值的均值和偏差(块11)。可以根据测试值的性质和计算能力用多种方式计算这些值。均值例如可以计算为算术均值或者中值，而偏差可以计算为相对于均值或者标准差而言的最大观测变化。

[0040] 无论用于计算测试值的均值和偏差以及起点(origin)的方法如何，一般观测是测试值的分布经常可以由正态分布很准确地描述：

[0041]

[0042] 函数 描述测试值x的均值为0而标准差为1的正态分布。均值为μ而标准差为σ的分布由 给出。

[0043] 如果测试值分布类似于正态分布，则计算的均值和偏差以限定的方式与均值μ和标准差σ有关。这意味着正态分布将有助于选择第一和第二限制值。

[0044] 准确地计算均值和偏差的原理在于尽可能接近地反映测试值的分布。用于计算均值和偏差的测试值应当覆盖比电力系统中的正常变化的时间段更长的时间段。根据电力系统类型和具体保护功能，所需时间段可以具有从几分钟到几周的范围。在持续和稳定操作中针对机器的保护功能将观测在短时间内出现的所有变化，而向社区的供电将在当日常间变化并且在周末期间不同。

[0045] 均值和偏差的计算也可以用来遵循时间段的季节模式，例如夏季或者冬季模式，因为在不同季节期间测量值可以由于不同耗电模式而变化。

[0046] 基于计算的均值和偏差以及阈值确定错误动作的概率(块12)。错误动作的概率给出是否恰当选择保护功能的灵敏度或者它是太高还是太低这样的指示。

[0047] 根据正态分布，x超过μ特定数目个标准差y的概率按照正态分布的累积分布函数估计为：

[0048]

[0049] 然后将错误动作的概率估计为 其中T为阈值，μ为均值，而σ为偏差(适当纠正成对应于标准差)。图4a示出了基于阈值、计算的均值和偏差值来计算错误动作的概率的例子。在图中，计算的概率为标记区。然后这一概率可以与按照下式可以与所接受的标准差ya数目有关的所接受限制Pa或者第一限制值做比较：

[0050] P(ya)＝Pa

[0051] 例如可以借助图4b根据Pa找到ya值。

[0052] 因此要求：

[0053]

[0054] 等效于：

[0055] T≤μ+yaσ

[0056] 因此所需的标准差ya数目用来反映所接受的错误动作概率Pa。

[0057] 如图4b中所示，超过4个标准差的概率P(y)约为0.000003或者1百万次中的30次。因此如果阈值高于均值加上4倍偏差，则针对1百万次测量将发起少于30次动作。如-9果这不是足够的安全度，则可能要求6个偏差，其中P(y)为10 ，假定每秒执行该测量则在一年期间错误动作的概率为0.1％。

[0058] 以这一方式，累积分布函数有助于选择第一和第二限制值。根据如下最低可接受安全度设置第一限制值，该最低可接受安全度是在具体时间段中的错误动作的最大数目。当安全度变得不必要地高(例如，对于每秒1次测量，在1百万年内少于1次错误动作，P(y)-12
＝10 ，y≈7.1)时设置第二限制值。

[0059] 在第一情况下，如果确定的错误动作概率超过针对错误动作的概率的第一限制值，则给出指示。例如可以发出告警以指示保护功能的灵敏度太高并且错误动作将被初始化的概率高(块13和块15)。

[0060] 在第二情况下，如果确定的错误动作概率低于针对错误动作的概率的第二限制值，则给出指示，用以指示保护功能的灵敏度太低并且可以提高灵敏度(块14和块15)。

[0061] 在任一情况下，可以基于错误动作的概率来调节阈值(块16)。为了调节阈值，可以例如向操作者自动建议新阈值，并且在批准之后，建议的新阈值可以取代先前阈值以实现保护功能的恰当灵敏度。

[0062] 考虑测量速率和可接受灵敏度，这给出最小数目的偏差。因此，最小阈值可以定义为观测均值加上为了获得所需灵敏度而需要的最小数目的偏差。例如，如果使用电流I作为用于保护功能的测试值，代表均值，σ代表标准差，n代表标准差的最小数目，则用于保护功能的最小阈值可以确定为 这意味着只要I服从相同分布，则超过 的概率由P(n)给出，图4b。正是在I转向具有更高值的另一分布时，保护功能应当起作用。

[0063] 虽然这一实施例考察两种情况，但是有可能的是，对于另一实施例，仅确定超过针对错误动作的概率的第一限制值的错误动作的概率，而对于第三实施例，仅确定低于针对错误动作的概率的第二限制值的错误动作的概率。

[0064] 如图3中所示，在保护功能的操作期间重复执行步骤10-16。

[0065] 本发明的更详细运用例子是如下接地故障保护功能，该功能使用测量的对地阻抗作为测试值来检测接地故障。在正常条件之下，接地阻抗具有将在均值中反映的特定值。将故障限定为具有一些阻抗的、接地的另一平行路径。将这一功能的灵敏度限定为可以检测到的最大故障阻抗。因此测量的灵敏度可以估计如下。

[0066] 可检测的故障阻抗是将把当前测量阻抗改变n个标准差的并联阻抗，其中n为所需的检测可靠度。因此可以使用阻抗测量的均值和标准差来计算它：

[0067] 或者

[0068] 其中 为平均计算阻抗，SZ为Z的标准差，而ZP为可检测的并联故障阻抗。

[0069] 通过用N个数据样本计算阻抗均值和标准差来获得阻抗测量的准确度。因此当阻抗用于在保护功能中检测故障时，也可以确定保护功能的可靠度。