大型發變組微機繼電保護算法及其實用方案的分析

謝澤雄

（中國能源建設集團華南電力試驗研究院有限公司，廣東 廣州510663）

我國電力工業的不斷發展對電力系統的運行和保護也提出了更高的要求。電力系統主要包括電氣主設備、發電機、母線、變壓器等主要元件,其運行狀況對整個電力系統的安全都會產生重要的影響。因此加強主設備的故障診斷與保護十分具有必要性。現階段,部分電力企業依舊采用傳統的電力系統保護方式,也缺乏相應的科學故障分析工具,對促進我國電力系統安全穩定運行產生了不利的影響。

1 相關原理在發變組保護中的應用

1.1 故障分量原理

推動繼電保護技術的發展組最重要的是加強故障信息的識別、處理和利用,不斷應用新的故障信息對于提升繼電保護技術起到了重要的作用。故障分量繼電保護原理的內涵是將通過正常網絡結構和參數決定的正常分量從故障后電量中取出,進而僅通過由故障分量電勢單獨作用產生的電量來實現繼電保護。故障信息的特征可以通過迭加原理加以探究,即以線性電路為假設前提,將網絡故障看作故障附加狀態與非故障狀態的迭加。在故障狀態下出現故障分量,含有穩態成分和暫態成分,其中穩態成分受到系統運行方式的影響,而暫態成分受到故障前的狀態有關。故障點的電壓故障量最大,且電壓故障分量和電流故障分量之間的相位關系不會受到系統電勢及負荷的影響,而是由系統中性點間的阻抗決定。

1.2 自適應原理

自適應繼電保護原理可以被定義為通過識別電力系統運行方式以及故障狀態的變化而對保護性能、特性進行實時更改。電力系統運行狀態的變化十分頻繁, 而且各種類型故障的發生概率較高,包括瞬時性故障、永久性故障、金屬性短路等情況,因此適應電力系統的變化比較困難。傳統的繼電保護方式適應系統變化與故障狀態的效果不佳,以電流速斷保護的整定值為例,在最小運行或短路條件下,有發生失效或性能嚴重變差的危險[1]。因此要進一步加強計算機電力系統保護領域的探索,為自適應繼電保護模式發展提供更大的空間。同時加強對電力系統運行狀態和故障變化的考慮,收集對應的信息,為變電站綜合自動化以及微機的智能化提供便利條件。就地獲取信息較為容易,但若能有效提升通信遠端信息獲取技術水平也可以促進自適應保護的實現。

2 微機繼電保護算法的實用方案設計

2.1 基于正弦函數模型的算法

第一步先對輸入信號進行假定,為純正弦分量:

數字電氣量的計算通常都是以假定電力系統頻率恒定在工頻的條件下為基礎,但是在發電機起動或停機的狀態下,系統的轉速會低于假定值,因此看作恒定在工頻的條件下無法對故障參數進行準確計算,因此需要相關算法不受到信號頻率的影響。由采樣值算法可知,ω△T項沒有在計算中去掉,ω 被固定值ω0代替, 進而引發ω/ω0在轉移函數|H|中出現的。因此要想對與ω 無關的Um值進行計算必須要先消除ω0T。用恒定頻率的等幅正弦波形來表示單相交流電的電流和電壓:

在低頻時采用這種算法會產生兩方面的誤差,可以利用環境的諧波成分組合迭加諧波濾波器完善過零點的處理方式,適時改變m,以克服過零點的問題。

2.2 零點濾波器

通常情況下的發電機100%定子繞組一點接地保護由三次諧波電壓原理以及基波零序電壓原理組成,發送到發電機端的零序電壓以及發電機自身的三次諧波電勢會對基波零序電壓保護產生影響。為了有效降低這些影響,在基波零序電壓引入變壓器高壓側的零序電壓可以消除前者的影響,而高性能的三次諧波濾波器可以消除后者的影響。一般三次諧波電壓會小于基波電壓的2%,如何對其進行提取成為關鍵因素。另外有很多的三次諧波成分存在于發電機單元件橫差匝間保護中的不平衡電流中,因此必須選用性能優良的三次諧波濾過器以及三次諧波濾波器來提升保護的靈敏度與可靠性。

3 發變組保護模塊設計

3.1 模塊的設計原則

科學的模塊劃分有助于改進軟件設計、提高軟件質量,在進行模塊劃分的過程中需要注意以下原則。以獨立性原則為基礎,促進模塊劃分的低耦合、高內聚。模塊劃分規模需要適中,規模過大會降低可理解程度,而規模過小會使系統接口復雜化。軟件結構的特性參數要適宜,合理的深度、寬度、扇入、扇出參數有助于提升模塊劃分的獨立性[2]。模塊的作用域應該調整在控制域之內,并要最大限度地降低模塊接口的復雜程度,促進信息傳遞的簡單化,并和模塊的功能保持一致。模塊盡量設計為單入口單出口,降低接口成本的同時,避免出現模塊內容耦合的現象。最后需要將模塊功能合理預測,但也要防止過度局限。

3.2 系統分解與模塊系列構成

在系統分解與模塊組合的過程中,需要以功能為核心進行分解,促進系統功能的層次化。通用功能要素的提取是一個典型化的過程。其意義在于消除不必要的多樣性與重復性,以促進不同層次、規模模塊的形成。單元是電路功能模塊的載體,只有將機械結構模塊同電路模塊組合才能裝出整機,進而形成具有完全互換性的單元模塊。模塊分解點應選擇接口最少、最弱的部位,且產品功能要進行適當地擴展延伸,促進規模生產效益的提升。模型只有經過定型化處理以后才能具有通用性, 且需要不斷面對市場需求進行完善與革新。

3.3 數字式發變組保護層次構成

發電機、主變壓器、高壓廠用變壓器等設備共同組成了發電機變壓器組保護,其保護對象的品種以及運行方式種類繁多,因此也需要很多的繼電器。面對不同容量等級、不同機組類型以及不同單元接線方式的要求,如何實現合理的配置成為首要難題[3]。軟件的分層設計方法和模塊化的程序設計方法可以對其進行靈活、多樣地解決。數字式發變組保護軟件分為由CPU和外圍智能芯片功能軟件組成的基本功能層;由數據采集、通信鏈路層管理、鍵盤管理等功能軟件組成的系統功能層以及應用軟件層構成,有利于編程人員發揮各自的優點,增強軟件功能的測試和驗證。

3.4 主設備保護的雙重化問題

在超高壓電網的運行過程中,保護雙重化的配置已逐步得到了落實,隨著硬件成本不斷降低,采用兩套獨立的保護越發受到關注。保護雙重化有完全雙重化和部分雙重化兩種方案,完全雙重化中兩套保護使用獨立的直流電源還和不同的CT 二次回路,雖然有很明顯的優勢,但也具備停柜維修困難、跳閘接點太多等工程困難。部分雙重化只進行關鍵設備的保護雙重化,具有保護配置、接線簡單的特點,適合模塊化技術的應用。在使用雙重化技術之前必須了解每種保護的靈敏反應特性,否則會增加誤動的概率,因此雙重化概念在主設備保護中的應用爭議較大。

4 結論

綜上所述,加強對大型發變組微機保護算法的研究對促進電力系統的平穩發展產生了重要的作用。本文通過對相關原理以及程序算法的研究,得出要想全面推進模塊化,必須促進全局的統籌規劃、加強管理,通過集中地部署與周密計劃地實施,進而促進模塊化的發展。加強方案的改進與完善,推進多品種、小批量生產方式與效益有機統一的加速提升,從而實現我國工業化水平的長遠進步。