阅读说明：本技术 使用时域和频域的对电力递送系统的距离保护 (Distance protection for power delivery systems using time and frequency domains ) 是由 波格丹·Z·卡兹腾尼 曼加帕斯劳·文卡塔·迈纳姆 查德博·特洛伊·丹尼尔斯 于 2019-05-23 设计创作，主要内容包括：本文公开了电力递送系统的距离保护,其中使用由频域故障检测监督的时域故障检测来检测保护区域内的故障。当时域操作量和时域极化量的实部或虚部均为正或均为负并且频域操作量和频域极化量之间的角度在预定范围内时,可断言距离故障检测有效。可使用电平检查部、符号一致性检查部或干扰检测器来提供附加安全性。(Distance protection for power delivery systems is disclosed herein in which time domain fault detection supervised by frequency domain fault detection is used to detect faults within a protection area. Distance fault detection may be declared valid when the real or imaginary parts of the time domain manipulated variable and the time domain polarization variable are both positive or both negative and the angle between the frequency domain manipulated variable and the frequency domain polarization variable is within a predetermined range. Additional security may be provided using a level check, symbol consistency check, or interference detector.)

具体实施方式

电力递送系统广泛地促进了电力的生成、传输、分配和消费。此类系统包括专门为电力递送目的设计的各种装备。此类装备有时会承受其指定操作参数以外的状况，这可能导致装备的损坏，电力的生成、递送或消耗的中断，或类似的损坏。为了减缓或甚至避免此类状况，通常使用IED来监测电力递送装备和装备系统，该IED从装备收集信息、确定操作状况并且如果所确定的操作状况在可接受参数以外则采取动作。

例如，电力递送系统的三相电力传输线可用于在高压下并在长距离内在单独导体上承载电力。导体彼此绝缘并与地绝缘。绝缘的失效可由于多种原因而发生，从而导致一个导体与另一个导体或地进行电接触。这种失效通常称为故障。如果允许此类故障状况持续存在，则其可能会对传输线及其周围环境造成进一步的损坏，包括财产损坏以及人类和动物生命损坏。IED可用于通过从传输线获得电气信息(例如，传输线的电压和电流)来监测这种传输线。IED可从传输线的一端获得电气信息，并且可操作以检测在传输线的预定区域上的故障状况。如果在传输线上的保护区域内检测到故障状况，则IED可命令断路器打开，从而从传输线移除电力。因此，IED必须在命令断路器打开之前，使用所获得的电气信息和预定的线路参数来检测故障、通往故障的方向，并且确保故障在保护的距离或区域内。使用被称为“距离元件”的保护元件，可通过确定故障是否在保护的距离或区域内并且命令断路器打开来执行IED中的这种监测。

通常，距离元件可包括和与门(AND gate)结合的几个逻辑条件(比较器)。例如，四边形距离元件包括电抗比较器、右盲比较器(right blinder comparator)、左盲比较器(任选)、方向比较器和相位选择比较器。mho距离元件包括mho比较器、相位选择比较器和方向比较器。可通过任选地添加电抗比较器或盲比较器来进一步修改mho元件。组成距离元件的所有单独比较器的性能对于该元件的性能很重要。此外，距离元件的速度和安全性尤其受到范围敏感比较器的影响，该范围敏感比较器负责区分位于距离元件到达点内的故障以及位于到达点外的故障。这些可体现为mho元件中的mho比较器，以及四边形元件中的电抗比较器。在某种程度上，它也可体现在盲比较器(电阻范围比较器)中。

此类IED可使用操作信号S_OP和极化信号S_POL来确定故障状况并得出故障在保护区域内(在传输线上的IED和距离元件到达点之间)的结论，该操作信号S_OP和极化信号S_POL可使用所测量的电压和电流以及线阻抗来计算，如等式1和2所示：

S_OP＝I*Z_R-V 等式1

S_POL＝V_POL 等式2

其中：

I是所测量的电流；

V是所测量的电压；

Z_R是测量I和V的位置与预期到达点之间的阻抗；并且

V_POL是可选自以下值的极化信号：所测量的电压(自极化mho)；健康相电压(交叉相极化mho)；正序电压(正序极化mho)；或者存储的电压(存储器极化mho)。

可基于故障类型从三相量(V_A、V_B、V_C、I_A、I_B、I_C)中选择电压V和电流I。可从相对地(phase-to-ground)回路(AG、BG、CG)和相对相(phase-to-phase)回路(AB、BC、CA)中确定故障类型。相位选择逻辑可用于确定距离元件要使用的相位量的故障类型。例如，相位选择逻辑可允许AG回路在A相对地故障期间操作；并且可允许AB回路在A相对B相故障以及A相对B相对地故障期间操作。

在稳态下，距离比较器的操作信号和极化信号为正弦波。如果S_OP和S_POL近似同相，则比较器断言其输出有效，并且如果S_OP和S_POL信号近似异相，则它将使输出被断言无效。通常，操作阈值绘制为90度：如果S_OP和S_POL之间的角度在任一方向上均小于90度，则比较器断言有效；且如果该角度大于90度，则比较器保持被断言无效。

可使用时域原理或频域原理来确定操作信号和极化信号。根据时域原理，可使用等式3来确定操作信号s_OP：

s_OP＝v-Δv_REACH 等式3

其中：

s_OP是使用时域原理的操作信号(应当注意在适当的情况下，小写通常是指瞬时值，而大写项通常是指相量(phasor)值)；

v是瞬时电压；并且

Δv_REACH是范围阻抗(reach impedance)两端的瞬时压降，根据一些实施例，其可使用R*i+L*di/dt来计算，其中R和L分别是指线路电阻和电感。

可通过以下方式来确定操作信号和极化信号：使用频域原理，即使用复杂数学运算将电流相量I转换成范围阻抗两端的压降，从电压相量中减去它，并且获得相量操作信号S_OP。另选地，可使瞬时操作信号(使用时域原理)通过相量估计器以直接提供频域S_OP信号。

在另外的其他实施方式中，电抗比较器可使用根据等式1的操作信号S_OP和根据等式4计算的极化信号：

S_POL＝j*I_POL 等式4

其中：

j表示频域中的90度的相移，或时域中的对极化电流(I_POL)的di/dt运算。

类似于关于极化的以上表示法，可选择极化电流I_POL作为回路电流(自极化电抗)或负序电流(负序极化电抗)或零序电流(零序极化电抗)等。

如上所述，使用在各种保护性设备中实现的操作信号和极化信号来检测保护区域内的故障。例如，机电设备可使用机电部件来比较操作信号和极化信号，并在适当的情况下将跳闸信号发送到断路器。在其他实施例中，基于微处理器的IED可用于计算相量，并且遵循各种方法中的一种或更多种来确定故障状况，包括例如：a)直接计算操作信号和极化信号之间的角度并且对照90度阈值对其进行检查，b)计算扭矩Re(S_OP·conj(S_POL))并检查其是否为正Re(S_OP·conj(S_POL))>0，或c)计算m值(其中m是到故障的标幺值(per-unit)距离)并且检查其是否低于标幺值范围设置。各种方法在所需完成的操作及其计算负担方面有所不同。例如，当实现除范围设置之外具有相同设置的多个区域时，m值方法在计算上非常有效。

当使用时域时，可使用定时器来检查操作信号和极化信号s_OP和s_POL具有相同极性的时间。在低通滤波后，s_OP和s_POL信号为正弦波。如果它们完全同相，则在每半个周期中，它们在周期的一半内一致(具有相同极性)。如果它们相隔90度，则在每半个周期中，它们在周期的四分之一内一致。如果它们完全不同相，则它们根本不会一致。整流器可用于检测s_OP和s_POL信号的瞬时极性(符号)。包括与门和或门的简单逻辑可用于检测s_OP和s_POL信号是否具有相同极性，并且定时器可用于检查相同极性情况是否持续了超过周期的四分之一。如果是这样，则时域距离比较器断言有效。

通过参考附图将最好地理解本公开的实施例，其中相似的部分始终由相似的数字表示。容易理解的是，如本文的附图中总体上描述和示出的，所公开的实施例的部件可能以多种不同的配置来布置和设计。因此，本公开的系统和方法的实施例的以下详细描述并非旨在限制所要求保护的本公开的范围，而仅表示本公开的可能实施例。另外，除非另有说明，否则方法的步骤不必一定以任何特定顺序执行，甚至不必顺序执行，也不必仅将步骤执行一次。

在一些情况下，没有示出或详细描述众所周知的特征、结构或操作。此外，在一个或更多个实施例中，所描述的特征、结构或操作可能以任何合适的方式组合。还将容易理解的是，如本文的附图中总体上描述和示出的，实施例的部件可能以多种不同的配置来布置和设计。

所描述的实施例的一些方面可被实现为软件模块或部件或元件。如本文所用，软件模块或部件可包括位于存储器设备内和/或作为电子信号通过系统总线或有线或无线网络传输的任何类型的计算机指令或计算机可执行代码。软件模块或部件可例如包括计算机指令的一个或更多个物理或逻辑块，其可被组织为执行一个或更多个任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、部件、数据结构等。

在某些实施例中，特定软件模块或部件可包括存储在存储器设备的不同位置中的不同指令，它们一起实现模块的所描述的功能。实际上，模块或部件可包括单个指令或多个指令，并且可分布在几个不同代码段上、在不同程序之间以及在几个存储器设备上。一些实施例可在分布式计算环境中实践，其中任务由通过通信网络链接的远程处理设备执行。在分布式计算环境中，软件模块或部件可位于本地和/或远程存储器存储设备中。另外，在数据库记录中绑定或呈现在一起的数据可驻留在相同存储器设备中，或驻留在几个存储器设备上，并且可跨网络在数据库的记录字段中链接在一起。

实施例可被提供为计算机程序产品，包括其上存储有指令的非暂时性计算机和/或机器可读介质，该指令可用于对计算机(或其他电子设备)进行编程以执行本文所述的过程。例如，非暂时性计算机可读介质可存储指令，该指令在由计算机系统的处理器执行时致使处理器执行本文公开的某些方法。非暂时性计算机可读介质可包括但不限于硬盘驱动器、软盘、光盘、CD-ROM、DVD-ROM、ROM、RAM、EPROM、EEPROM、磁卡或光卡、固态存储器设备、或适合于存储电子和/或处理器可执行指令的其他类型的机器可读介质。

图1示出了根据本文的几个实施例的由提供距离保护的IED 110监测的电力递送系统100的单线图。如上所讨论，IED 110可包括计算设备和/或结合计算设备来实现。因此，IED 110可包括处理器111，该处理器111可包括一个或更多个通用处理器、专用处理器、专用集成电路、可编程逻辑元件(例如，FPGA)等。IED 110还可包括非暂时性机器可读存储介质112，该存储介质112可包括一个或更多个磁盘、固态存储装置(例如，闪存存储器)、光学介质等。IED 110可经由一个或更多个通信接口113通信地耦接到一个或更多个网络160。网络160可包括用于监测和/或控制电力系统100的专用网络(例如，SCADA网络等)。网络160还可包括通用通信网络，诸如TCP/IP网络等。通信接口113可包括有线和/或无线通信接口(例如，串行端口、RJ-45、IEEE 802.11无线网络收发器等)。在一些实施例中，IED 110可包括人机接口(HMI)部件(未示出)，诸如显示器、输入设备等。

IED 110可包括可体现为存储在计算机可读介质(诸如存储介质112)上的指令的多个保护元件，诸如距离元件120，该指令当在处理器111上执行时致使IED检测保护区域内的故障。距离元件可包括用于信号处理130、时域故障检测器140和频域故障检测器150的指令。当使用时域故障检测器140和频域故障检测器150检测到保护区域162内的故障时，距离元件120可包括用于致使IED向断路器102发信号以打开的指令，从而避免了将电力馈送到故障。

IED 110可通过电流变换器和电压变换器通信地耦接到电力系统100，即它可从电力系统100接收激励(stimulus)122。可经由上述测量设备直接和/或经由通信接口113(例如，从另一个IED或电力系统100中的其他监测设备(未示出))间接地接收激励122。激励122可包括但不限于：电流测量值、电压测量值等。

此外，IED 110可包括与一件受监测装备电通信的受监测装备接口132。如图所示，受监测装备接口132与断路器102通信。受监测装备接口132可包括用于响应于来自IED 110的命令而向断路器102发信号以打开和/或闭合的硬件。例如，在检测到保护区域内的故障时，距离元件120可向受监测装备接口132发信号以向断路器102提供打开信号，从而对电力递送系统实现保护性动作。在某些实施例中，保护性动作可通过附加的或单独的设备来实现。例如，在检测到故障时，距离元件120可向通信接口113发信号，该通信接口113向其他设备发信号(例如，使用网络160，或直接向另一个设备发送信号)通知故障，该其他设备可向断路器发信号以打开，这会对电力递送系统实现保护性动作。

从电力递送系统获得的信号可用于计算供距离元件使用的电压和电流信号。可能以适合于距离保护的速率(诸如以kHz量级)对线路电流和电压进行采样。在一些实施例中，样本可与时间输入(未示出)对准。模数转换器(ADC)204可创建输入线电流和电压测量值的数字表示。ADC的输出可用于各种算法。如上所述，这些电压和电流信号可用于计算如本文所述的操作量和极化量。

图2示出了根据本文的几个实施例的使用时域原理和频域原理两者的距离元件的简化框图。通常，使用频域原理来监督时域比较器。根据本公开的几个实施例，滤波器对可用于导出时域测量值和频域测量值两者。例如，直接滤波器可以是余弦滤波器，并且匹配的正交滤波器可以是正弦滤波器。尽管示出了单独的和特定的滤波器，但可使用任何的正交滤波器对。根据本文的几个实施例，可补偿滤波器的群延迟，使得在稳态下，来自直接滤波器的输出与输入信号对准。通常，直接滤波器的输出可被称为实部，并且来自正交滤波器的输出可以是虚部。

所示的距离元件200以时域操作信号s_OP 202和时域极化信号s_POL 204开始。可以根据本文描述的几个实施例来计算时域操作信号和时域极化信号s_OP 202、s_POL 204。正交滤波器可用于根据时域操作信号和时域极化信号s_OP 202、s_POL 204计算实部和虚部(频域)。也就是说，时域操作信号s_OP 202可由直接滤波器206滤波以产生频域操作信号的实部S_{OP_RE}252，并且时域操作信号s_OP 202可由正交滤波器208滤波以产生频域操作信号的虚部S_{OP_IM}254。类似地，时域极化信号s_POL 204可由直接滤波器210滤波以产生频域极化信号的实部S_{POL_RE} 256，并且时域极化信号s_POL 204可由正交滤波器212滤波以产生频域极化信号的虚部S_{POL_IM} 258。

用于实部的时域比较器218可接收操作信号和极化信号的实部S_{OP_RE}252和S_{POL_RE}256以确定操作信号和极化信号的实部S_{OP_RE} 252和S_{POL_RE} 256是否具有相同的极性。当操作信号和极化信号的实部在预定时间内具有相同的极性时，比较器218断言信号282有效。类似地，用于虚部的时域比较器220可接收操作信号和极化信号的虚部S_{OP_IM} 254和S_{POL_IM} 258以确定操作信号和极化信号的虚部S_{OP_IM} 254和S_{POL_IM} 258是否具有相同的极性。当操作信号和极化信号的虚部在预定时间内具有相同的极性时，比较器220断言信号284有效。

可通过符号一致性检查部214、电平检查部216和频域比较器222来监督时域比较器218、220。具体地，频域比较器222可接收频域操作信号和频域极化信号的实部和虚部S_{OP_RE} 252、S_{OP_IM} 254、S_{POL_RE} 256和S_{POL_IM} 258，并且输出指示操作信号S_OP和极化信号S_POL同相的频域故障检测信号262。

图3A、图3B和图3C示出了可根据本文的几个实施例使用的频域比较器的框图。通常，这些比较器将在确定极化信号和操作信号同相时输出信号262。图3A的比较器在直接角计算器302中使用操作量和极化量S_OP、S_POL，该直接角计算器302计算操作量和极化量S_OP、S_POL之间的角度。在一些实施例中，可使用诸如使用等式1、2和4来计算的那些操作量和极化量S_OP、S_POL。确定304角度的绝对值并且在比较器306中将其与预定角度阈值(例如90度)进行比较。当角度小于预定阈值时，比较器306断言信号262有效，从而指示极化信号和操作信号相隔小于90度。

[图3B的比较器在转矩计算器310中使用操作量和极化量S_OP、S_POL，该转矩计算器310确定操作量S_OP与极化量S_POL的复共轭的乘积的实部。如果计算器的输出大于零，则比较器312断言有效，从而指示极化信号和操作信号相隔小于90度。

图3C示出了频域比较器的又一种选择，但这一次仅适用于mho比较器，其使用电压V、电流I、范围阻抗Z_R以及极化信号S_POL。如上所述，可从电力系统获得电压V和电流I信号。极化量可以是如上所述的任何极化量。使用计算器314来计算标幺值故障位置量m，该计算器314例如使用等式5：

如上所述，m值表示标幺值故障位置。为一(unity)的m值将是由到达点处的故障引起的。因此，如果根据等式5的m值小于一，则在比较器318中确定故障在mho比较器保护区域内，并且信号262被断言有效。

频域比较器222(如可使用图3A、图3B、图3C中的任何比较器或其他比较器来体现的)可以任何任意的处理速率运行，包括非常慢的速率。频域比较器可以慢至每个电力系统周期执行四次。目前，频域比较器以较高速率执行。只要满足条件(例如，计算器302的角度相隔大于90度)，频域比较器的输出262就保持被断言有效，即使当那些信号随着正弦波形状不断变化时也是如此。

为了改进根据本文的几个实施例使用的频域比较器，可对输入电压和电流信号进行滤波。此外，可在输出(例如，信号262)上使用短输出定时器以提高安全性。

在本文的几个实施例中，频域原理可用于监督时域比较器。由于这种监督功能，频域比较器不需要准确的相量。相反，为了提高频域比较器的速度，可通过缩短正交滤波器(例如，滤波器206、208、210、212)的数据窗口来计算缩短的时间标度上的实部和虚部。

现在回到图2的时域比较器218、220，在下面的描述中描述了它们的几个可能实施例。总之，当操作量和极化量的实部在预定时间(一致性时间)内具有相同的符号(正或负)时；或者，当操作量和极化量的虚部在预定时间内均为正或负时，时域比较器断言有效。图4A和图4B示出了时域距离比较器的简化逻辑图。具体地，图4A示出了时域比较器218，并且其使用操作信号和极化信号的实部S_{OP_RE} 252、S_{POL_RE} 256。由于操作信号和极化信号通常以交流电波形式，因此它们会定期在正值和负值之间移位。当操作信号和极化信号的实部S_{OP_RE} 252和S_{POL_RE} 256分别为正时，正块402和406将断言有效。类似地，当操作信号和极化信号的实部S_{OP_RE} 252和S_{POL_RE} 256分别为负时，负块404和408将断言有效。当两个正块402、406都被断言有效时，与块410断言P有效，这指示操作信号和极化信号的实部S_{OP_RE} 252和S_{POL_RE} 256都为正，并且积分定时器414被启动。类似地，当两个负块404、408都被断言有效时，与块412断言N有效，这指示操作信号和极化信号的实部S_{OP_RE} 252和S_{POL_RE} 256都为负，并且积分定时器416被启动。

当在定时器的预定时间内断言信号P(来自与门410)或N(来自与门412)有效时，积分定时器414、416可断言到OR 418的输出有效。在一个实施例中，积分定时器414、416被设置有对应于四分之一的电力系统周期的预定时间。因此，信号的匹配极性必须在长于90度的等效的持续时间(四分之一的电力系统周期)内一致以断言到或门418的输入有效。在断言积分定时器414或416有效时，或门418断言时域比较器(实部)输出282有效。

图4B示出了时域比较器218的另一个可能实施例。根据该示出的实施例，与门410和412直接对或门418断言有效，然后该或门418对单个积分定时器422断言有效。积分定时器422可类似于积分定时器414、416进行操作，从而在正部分或负部分在极性上一致长于预定时间(例如，对应于四分之一的电力系统周期的时间)时断言有效。

图5A和图5B示出了用于使用操作信号和极化信号的虚部S_{OP_IM} 254、S_{POL_IM} 258来确定时域比较器输出284的简化逻辑图。类似于先前示出的实施例，当操作信号和极化信号的虚部S_{OP_IM} 254、S_{POL_IM} 258分别为正或负时，正块502、506和负块504、508断言有效。当操作信号和极化信号的虚部S_{OP_IM} 254、S_{POL_IM} 258都为正时，与门510断言有效；并且当操作信号和极化信号的虚部S_{OP_IM} 254、S_{POL_IM} 258都为负时，与门512断言有效。当正或负与门510、512在预定时间(例如，与四分之一的电力系统周期相关联的时间)内断言有效时，积分定时器514和516断言有效。任一定时器514、516被断言有效将致使或门518断言时域比较器信号284有效。

类似地，如图5B所示，与门510和512直接对或门518断言有效，然后该或门518对单个积分定时器522断言有效。积分定时器522可类似于积分定时器514、516进行操作，从而在正部分或负部分在极性上一致长于预定时间(例如，对应于四分之一的电力系统周期的时间)时断言有效。

为了速度，本文的几个实施例将一致性定时应用于操作信号和极化信号的实部和虚部两者。取决于波上的点(即当其涉及故障前电压的峰值和过零点的故障时刻)，相量的实部或相量的虚部更快地产生(即更快地跟踪故障状况)。通常，当实部较慢时，虚部较快；并且当虚部较慢时，实部较快。这种关系可能是由于实部与信号值有关而虚部与信号导数有关。可看到，正弦波在通过零时具有零值但具有最大导数，并且在通过峰时具有最大值但具有零导数。

如图2所示，来自时域比较器218、220的实部和虚部的输出282、284对或门224断言有效，该或门224继而在时域比较器218、220中的任一者断言有效时断言距离故障确定226(其可被称为距离故障检测信号)有效。

尽管时域比较器218、220(并且如图4A、图4B、图5A和图5B所示)被示为使用来自正交滤波器206、208、210、212的实部和虚部，但在各个实施例中，实部时域比较器218可使用瞬时操作信号和极化信号202、204，并且可省略虚部220。此外，实部时域比较器218可使用信号而无需滤波。即使由于例如缺少滤波而使输入信号严重失真，也可使用积分定时器(例如，定时器414、416、422)来提供安全性。

可根据各种定时架构来实现积分定时器(例如，定时器414、416、418、422、514、516、518、522)。在一个实施例中，如图6A的时序图所示，定时器可被实现为在输入甚至被暂时断言无效时瞬时重置。如图所示，定时器的输入在时间652开始，并且在时间602内保持被断言有效。在时间602期间，(积分定时器的)计数器开始计数。在输入在时间654被断言无效时，计数器重置为零，并且直到定时器的输入在时间656被重新断言有效604才开始再次计数。计数器开始再次对输入进行计数606，并且一旦达到操作阈值，定时器在时间608断言输出610有效。

图6B示出了可根据本文的几个实施例使用的积分定时器的另一种可能的实施方式。该所示的定时器使用保持逻辑，其中计数器保持其计数直到达到操作阈值。如图所示，可看出，计数器在定时器的输入602被断言有效的时间652启动。在输入602在时间654被断言无效时，计数器会在输入被断言无效的时间段612内保持。在输入在时间656被重新断言有效时，计数器继续进行计数，直到在时间614达到操作阈值，并且定时器616的输出断言有效。在某些实施例中，定时器保留计数的时间受限制。例如，定时器逻辑可包括保持时间。在输入信号在时间654被断言无效时，保持时间开始。如果输入信号保持被断言无效的时间超过保持时间，则计数器将重置为零，类似于图6A所示的。

图6C示出了可根据本文的几个实施例使用的积分定时器的又一种可能实施方式的时序图。所示定时器在输入被断言无效时使用向下积分逻辑。具体地，在输入602在时间652被断言有效时，计数器开始计数。在输入602在时间654被断言无效时，则计数器开始向下计数。在输入信号604在时间656被重新断言有效时，计数器再次开始向上计数618，直到它在时间620达到操作阈值。在达到操作阈值时，在时间620断言输出622有效。

在图6A、图6B和图6C所示的每个时序图中，计数器可能以预定速率增加。类似地，可预定计数器向下计数的速率。在一些实施例中，该速率与计数器在输入信号602被断言有效期间向上计数的速率匹配。在其他实施例中，速率可不同。此外，速率可以是动态的，并且可基于当前状况而变化，诸如但不限于响应于电平检查部216和符号一致性检查部214的输出。例如，断言符号一致性检查部214和/或电平检查部216有效以增加附加安全性可致使积分定时器的向下积分速率大于当来自电平检查部216和符号一致性检查部214的信号不指示增加安全性时的向下积分速率。

如图6A、图6B和图6C所示，定时器的实施方式在安全性和可靠性方面表现出不同的结果。例如，与图6A所示的时序图相关联的积分定时器偏向于安全性，因为输入的任何暂时的丢失会重启定时器。以此方式，不太可能做出错误的故障确定。另选地，与图6B所示的时序图相关联的瞬时重置定时器偏向于可靠性，因为暂时的丢失会导致保持积分器，并且当输入再次恢复时，积分将从其停止的位置开始。以此方式，距离元件不太可能遗漏故障。与图6C所示的时序图相关联的混合定时器表现出安全性和可靠性之间的平衡。

如上所述，为了提高速度，可在时域比较器218中使用瞬时操作信号，并且为了提高安全性，可选择积分定时器。因此，可能以更少的滤波和更快的操作来实现与基于频率方法的安全性类似的安全性。在一个实施例中，使用2kHz的采样/处理速率(0.5ms的采样周期)。在应用于60Hz系统的该实施例中，一致性定时器将表现出360*0.5/16.67＝10.8度的角粒度。这代替期望的4.17ms一致性定时(其与90度比较器角度相关联)起作用，该逻辑将执行4ms或4.5ms定时。在某些实施例中，可通过较高的采样/处理速率或检测样本之间的极性变化来减小该误差。

在其他实施例中，可通过以下方式解决诸如上述示例中引入的准确性问题：使用比确切90度更短的一致性定时器，并且用频域比较器来监督时域比较器。例如，使用以上采样和处理速率，逻辑可使用4.0ms(8倍于0.5的时间分辨率)来代替使用理想的0.25*16.67ms＝4.17ms。这进而将不希望地导致距离形状大于使用确切90度比较器预期的距离形状。

为了解决距离元件形状中的这种不准确性，本文的某些实施例使用频域比较器来监督时域比较器。图7示出了根据本文的几个实施例的可用于通过频域原理监督时域距离保护的逻辑的简化框图。具体地，除了上述信号外，与门410、412、510和512还要求来自频域比较器的信号262被断言有效以便对适当的或门418、518断言有效从而启动积分定时器422、522。来自频域比较器的信号262可来自任何合适的频域比较器，诸如本文公开的以及结合图3A、图3B和图3C示出和描述的那些。也就是说，通常每当操作信号和极化信号相隔小于90度，可提供信号262。因此，时域比较器由频域比较器监督，因为该距离元件不断言有效(积分定时器(例如，422、522)无法启动)，直到操作信号和极化信号相隔小于90度；并且极化信号和操作信号的实部和虚部均为正或均为负。在诸如所示的某些实施例中，积分定时器422、522可被配置有与0.25电力系统周期或更短时间相关联的时间。

如果仅对瞬时操作信号202进行轻微滤波以维持操作速度，则其在时域比较器218和220的输入信号252和254中可能会表现出瞬变(transient)。如图2中所示，距离元件可包括另外的安全措施，包括例如符号一致性检查部214以减缓这种瞬变。通常，符号一致性检查部214检查瞬时操作信号s_OP 202(例如，瞬时IZ-V值)和相量操作信号的实部S_{OP_RE} 252(例如，相量IZ-V操作信号)之间的符号一致性。在本文的各种描述中，瞬时操作信号可被称为“原始”信号，其中相量操作信号可被称为“经滤波的”信号。

在所示的实施例中，时域比较器218、220使用符号一致性检查部214来监督输出282和284。图8示出了根据几个实施例的符号一致性检查部214的简化逻辑图。符号一致性检查部214使用时域操作信号s_OP 202和频域操作信号的实部S_{OP_RE} 252。当频域操作信号的实部S_{OP_RE} 252和时域操作信号s_OP 202的实部分别为正时，正块802、806断言有效；并且当频域操作信号的实部S_{OP_RE} 252和时域操作信号s_OP 202的实部分别为负时，负块804、808断言有效。当正块802和负块808均断言有效时，与门810断言有效，从而指示频域操作信号的实部S_{OP_RE} 252为正，而时域操作信号s_OP 202为负(即两个信号同时具有相反的符号)。类似地，在负块804和正块806断言有效时，与门812断言有效，从而指示频域操作信号的实部S_{OP_RE} 252为负，而时域操作信号s_OP 202为正(即两个信号同时具有相反的符号)。总之，当操作信号的符号相反时，与门810或812断言有效。在与门810或812断言有效时，或门814断言有效。或门的输出被反相816，使得当操作信号的符号为相同的符号时，则符号一致性操作信号818被断言有效。否则，当符号相反时，则应用附加安全性的信号820被断言有效。因此，符号一致性检查部214在操作信号的符号不相反时允许正常操作，但是在符号相反时需要附加安全性。

就原始信号和经滤波信号而言，图8的逻辑比较原始信号和经滤波信号的符号。如果符号一致(均为正或均为负)，则操作信号可被信任，并且允许距离正常操作818，即使信号的值不一致(指示瞬变可能仍然存在于信号中)。另外，将导致符号不一致的瞬变视为对安全性的潜在威胁，并产生应用附加安全性的信号820。

正常操作的信号818可被实现为允许积分器(例如，积分定时器414、416、422、514、516、522)正常操作。用于应用附加安全性的信号820可被实现为断言积分定时器的输入无效，其效果是指示它们重置或向下积分—取决于图6中说明的定时方案—以获得附加安全性。

现在回到附加的安全性检查，电平检查部216可检查操作信号的电平以监督距离元件的输出。图9示出了可用于与本文的几个实施例一致的电平检查部的逻辑的简化框图。时域操作信号s_OP 202的电平必须高于预定电平以断言“正常操作”信号有效。原理上，对于到达点处的金属故障，距离敏感的距离比较器(mho，电抗)的操作信号理想为零，并且随着故障位置与达到点(在距离区域的内部或外部)更远而增加。因此，操作信号越小，故障越接近到达点，并且需要更高的安全性来确定故障是在保护区域之内还是之外。如果操作信号较大，则它必定位于保护区域之外的远处或位于保护区域内部的远处。然而，当操作信号较小时，信噪比变差并且需要更高的安全性。使用操作信号的电平添加以下优点：在故障靠近(操作信号大)时加速操作，并且在弱系统中或当故障在到达点附近时减慢操作以维护安全性。应该注意的是，电压或电流信号的单独电平未分别包括太多有关附加安全性需求的信息，但是相反，操作信号的电平包括有关信噪比是否可能成为问题的信息。噪声可能是例如来自电力系统的未滤波的瞬变(与A/D转换器噪声或继电器电子器件中的噪声相反)。

图9示出了可使用的电平检查部的一个实施例的逻辑。在所示的实施例中，对照预定阈值检查操作信号的电平。具体地，确定时域操作信号s_OP 202的量值(绝对值902)并将其呈现给比较器906。比较器906将量值与预定阈值V_MIN 904进行比较。在替代实施例中，可将相量量值(S_{OP_RE}+jS_{OP_IM})与预定阈值进行比较。当操作信号s_OP 202的量值(或分别为操作相量)超过预定阈值904时，则比较器断言有效。在比较器906的断言有效时，电平检查操作信号(“正常操作”)908信号由电平检查模块216提供。如上所述，正常操作908信号允许距离元件在没有附加安全性的情况下继续前进。另选地，当没有断言比较器906有效时(操作信号s_OP 202的电平不超过预定阈值904)，则来自比较器906的信号被反相910，从而断言附加安全性信号912有效。由于操作信号的电平小于预定阈值，因此距离元件可使用附加安全性信号912来提高安全性。如同信号812一样，附加安全性信号912可由积分定时器用来断言无效，这可导致在被断言无效时向下计数(或向后计数)以提高安全性。

图10示出了可用于使用频域比较器、电平检查部和符号一致性检查部来在距离元件中实现安全性的逻辑的简化框图。与门902在以下所有条件均存在时断言有效：1)频域比较器信号262，其指示频域范围敏感比较器222已经检测到保护区域内的故障；2)来自符号一致性检查部214的正常操作的信号818；以及3)来自电平检查部216的正常操作的信号908。除了上面详述的用于断言有效的条件之外，仅在来自与门902的信号被断言有效时，才断言与门410、412、510、512有效。因此，在几个实施例中，频域比较器、电平检查部和符号一致性检查部为时域比较器增加了安全性。

在替代实施例中，不同逻辑工具可用于附加或减小的安全性。例如，与门902可由或门代替，使得除了如上所述的来自正块和负块的信号之外，使与门410、412、510或512断言有效还需要频域比较器信号262、电平检查908或符号一致性检查信号818中的一者或更多者。

在又一个实施例中，符号一致性检查可用于断言两个不同且并行的积分定时器有效。正常操作信号818可在时域比较器的第一积分定时器中使用以对第一操作信号进行积分，并且应用附加安全性的信号820可在时域比较器的第二积分定时器中使用以对第二操作信号进行积分(均假设还满足启动和运行积分定时器的其他条件)。第一积分定时器和第二积分定时器的输出可用于确定是否检测到故障262。例如，第二积分定时器(与附加安全信号820相关联)可能需要较高的操作阈值(较长的断言有效时间)，从而增加了一些附加安全性。在该示例中，如果第一积分定时器或第二积分定时器断言其输出有效，则可断言指示检测到故障的输出262有效。

在各种情况下，可在故障之前断言比较器有效。例如，在使用四边形元件的情况下，电抗比较器可在故障之前被断言有效。为此，负载阻抗通常低于电抗设定点。如果是这样，负载将断言电抗比较器的输出有效。在重负载条件下的mho比较器也可断言有效(mho距离元件不操作，因为它通常被负载入侵逻辑阻止，但是mho比较器本身可永久被断言对负载有效)。如果mho比较器或电抗比较器永久被断言对负载有效，则对于距离保护区域外部的后续故障，其安全性裕度可能会较小。由于故障前的负载，积分定时器处于非零值，与从零开始积分相比，它们可向上积分并更快地操作。

为了解决这种故障前积分，可使用干扰检测器来重置积分定时器。图11示出了用于使用干扰检测器来重置积分定时器的逻辑的简化框图。具体地，如果检测到干扰1102，则在干扰的上升沿1104(并且丢失定时器(dropout timer)1110未被断言有效)时，与门1106断言信号1108有效以重置积分定时器422、522。丢失定时器1110可用于防止在正在进行的电力系统事件期间的重置，直到下一个电力系统事件。

如上所述，当操作信号较小时，可延迟或防止距离元件的针对保护区域内的故障的操作。因此，允许仅基于频域比较器进行操作，但为了安全性而使用足够长的时间延迟，可能是有益的。图12示出了可用于通过安全性定时器实现仅频率解决方案的逻辑的简化框图。类似于图10所示的实施例，当所有三个频域比较器断言有效262，符号一致性检查断言有效818并且电平检查断言有效908时，与门1002断言有效。在频域比较器262被断言有效时，安全性定时器1202也被启动。如果积分定时器422(或其他积分定时器，诸如414、416、514、516、522，未在此框图中具体示出)或安全性定时器1202，则距离故障检测信号226由或门1204断言有效。因此，即使范围敏感时域(实部或虚部)比较器218、220均未检测到保护区域内的故障，当足够长的时间延迟时，也可使用频域比较器来断言输出距离故障检测信号226有效。安全性定时器1202可包括预定的时间延迟，从而确保在足够的时间量内断言频域比较器有效以确保安全。安全性定时器1202可被实现为瞬时重置定时器、积分定时器或混合定时器，如本文所述。

为了完整性，图13示出了可用于使用频域和时域原理来检测保护区域内的故障(断言故障检测信号262有效)的逻辑简化框图。应当注意，可将与所示逻辑类似的逻辑应用于各种比较器(例如，mho和电抗距离比较器)以实现速度和安全性的益处。也就是说，频域比较器可由mho或电抗距离比较器代替。类似地，可用匹配的mho或电抗距离比较器代替时域比较器。此外，逻辑可与对范围不敏感的比较器或元件一起使用。

本文中的实施例的公开内容可将符号一致性检查应用于操作信号的实部，但在各个实施例中，不应用于虚部(例如，来自818的输出可能不流向与门510、512)。这种比较是方便的，因为瞬时操作信号s_OP与经滤波操作信号的实部S_{OP_RE}在时间上是相干的，并且因此可直接比较两者。为了比较频域操作信号的虚部S_{OP_IM}的符号一致性，将需要计算s_OP信号的时间导数。求时间导数的操作会增加噪声，并且该噪声可能导致错误的信令(即，在不必要时断言对更高安全性的需要有效)。然而，根据本文的几个实施例，符号一致性检查可被应用于实和虚时域比较器218、220中的一者或两者，或不应用于任一者。

另外，尽管图9示出了对操作信号(例如，所示的s_OP 202，甚至是S_{OP_RE} 252或S_{OP_IM}254)的电平检查，遵循与所示逻辑相同的逻辑，极化信号也可能要进行电平检查。也就是说，类似于图9所示，极化信号s_POL 204、S_{POL_RE} 256或S_{POL_IM} 258中的任一者、全部可进行电平检查或都不进行电平检查。极化信号的这种检查对于将零序或负序电流用于极化的电抗比较器特别有用。

尽管已经示出和描述了本公开的特定实施例和应用，但应当理解，本公开不限于本文公开的精确配置和部件。此外，本文描述的原理也可用于保护电力系统免受过频状况的影响，其中将减少发电而不是负载，以减少对系统的影响。因此，可在不脱离本公开的基本原理的情况下对上述实施例的细节进行许多改变。因此，本发明的范围应仅由所附权利要求确定。