微機(jī)保護(hù)中電力系統(tǒng)頻率測量源的探究

嚴(yán)紅洲

摘要：對于微機(jī)保護(hù)來說系統(tǒng)頻率是一個很重要的參數(shù)，它是微機(jī)保護(hù)準(zhǔn)確測量其他模擬量的首要條件，也會是微機(jī)保護(hù)是否可以正確動作的前提條件。本文對微機(jī)保護(hù)的頻率測量源給出了三種選擇：A相電壓測頻、AB線電壓測頻、A相電流測頻，并分別對這三種頻率源的優(yōu)缺點(diǎn)和使用場合做了的分析，旨在幫助研發(fā)人員在設(shè)計(jì)微機(jī)保護(hù)時根據(jù)自己的使用環(huán)境和特點(diǎn)快速的選擇好測量頻率的對象。

關(guān)鍵詞：頻率;測量;微機(jī)保護(hù)

繼電保護(hù)是保證電力系統(tǒng)正常可靠運(yùn)行的一個充分必要條件，它是供電可靠性和質(zhì)量的重要保證。繼電保護(hù)的作用就是當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障時及時、可靠、準(zhǔn)確、有選擇性的斷開故障回路。所謂及時就是在故障發(fā)生時繼電保護(hù)裝置中各個保護(hù)邏輯根據(jù)模擬量、開關(guān)量的變化非?？斓呐袛喑龉收希凑疹A(yù)設(shè)的時間出口去跳開斷路器，例如當(dāng)變壓器內(nèi)部有故障時通過突變量來啟動差動，可以在2-3ms判斷出故障;所謂準(zhǔn)確就是各個保護(hù)邏輯要很準(zhǔn)確的判斷出故障類型，并由對應(yīng)的保護(hù)邏輯去動作，例如當(dāng)系統(tǒng)的電壓低時就由低電壓保護(hù)動作去跳閘，而當(dāng)三相短路故障導(dǎo)致電流突然變大時就應(yīng)該有速斷保護(hù)去動作跳閘;所謂可靠就是繼電保護(hù)裝置和斷路器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)必須要可靠的跳開故障回路，而不能存在有時可以跳閘有時跳不開故障回路的現(xiàn)象;所謂有選擇性就是當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，應(yīng)該有離故障點(diǎn)最近的斷路器斷開故障點(diǎn)，而不能由上一級回路的斷路器跳開故障回路，不能擴(kuò)大事故和停電的范圍。

1探究頻率源的原因

最初的繼電保護(hù)邏輯是由電流繼電器、電壓繼電器、時間繼電器、中間繼電器、防跳繼電器等分立元件搭建而成的，而現(xiàn)在微機(jī)保護(hù)邏輯，則是通過將測量、保護(hù)、通信、人機(jī)接口、故障錄波、事件記錄、打印等多種功能融合在一起實(shí)現(xiàn)的。其中的測量功能是最為關(guān)鍵的，它是將電壓、電流、DC4-20mA、PT100鉑電阻、DC0-10V等模擬量信號裝換為CPU可以識別的數(shù)字信號的關(guān)鍵。電力系統(tǒng)是一個很復(fù)雜的系統(tǒng)，這就決定了電力系統(tǒng)中各個參數(shù)電壓電流幅值角度、頻率、功率都是在不斷的變化的，其中頻率也是變化的，要想準(zhǔn)確的測量系統(tǒng)電壓和電流的信號，這個必須要有頻率跟蹤功能。電力系統(tǒng)由于用電和發(fā)電是同步，即用多少電就發(fā)多少電，雖然現(xiàn)在有儲能電站，但這對于龐大的電力系統(tǒng)來說幾乎是可以忽略不計(jì)的，從而這就導(dǎo)致電力系統(tǒng)的頻率是在不斷的變化;正常的系統(tǒng)頻率是50Hz，但當(dāng)系統(tǒng)的負(fù)荷突然減少時，系統(tǒng)的頻率會升高，然后系統(tǒng)會根據(jù)實(shí)際負(fù)荷的大小來減少出力，最終使頻率保持在50Hz左右;反之當(dāng)系統(tǒng)的負(fù)荷增加時，系統(tǒng)的頻率會減低，同樣系統(tǒng)會通過調(diào)整出力的方式來

達(dá)到頻率正常。所謂頻率跟蹤功能，就是微機(jī)保護(hù)根據(jù)系統(tǒng)的頻率來調(diào)整

AD采樣的間隔時間，但一個間隔內(nèi)采樣的點(diǎn)數(shù)不變，這樣就可以準(zhǔn)確的測量到電壓和電流的值，給微機(jī)保護(hù)準(zhǔn)確動作提供了保證。電力系統(tǒng)的頻率是50Hz時，正常一個周波20ms，微機(jī)保護(hù)一個周波采樣32個點(diǎn);當(dāng)系統(tǒng)頻率為51Hz時此時為了得到準(zhǔn)確的電壓電流值，則必須一個周波還是采樣32個點(diǎn)，一個周波的時間為19.6ms，即此時必須是在19.6ms中采樣32個點(diǎn);同理當(dāng)系統(tǒng)的頻率為49Hz時，此時一個周波20.4ms內(nèi)還是采用32個點(diǎn);通過這樣的處理就可以保證系統(tǒng)頻率在波動時，微機(jī)保護(hù)的電壓電流的保護(hù)邏輯不會收到影響。如果系統(tǒng)的頻率為49Hz時，你還是按照20ms內(nèi)采用32個點(diǎn)的結(jié)果來計(jì)算有效值和傅里葉值，則此時算的電壓電流是一個不穩(wěn)定和不準(zhǔn)確的值，這給微機(jī)保護(hù)的電壓電流保護(hù)帶了很大的風(fēng)險(xiǎn)，存在誤動和據(jù)動的可能性，給電力系統(tǒng)的運(yùn)行帶來很大的不確定性。由此可見頻率跟蹤的重要性，但頻率跟蹤的實(shí)現(xiàn)最根本最基礎(chǔ)的還是頻率的測量，頻率測量一定要準(zhǔn)確;如果頻率測量不準(zhǔn)確，則頻率跟蹤也是一句空話，就是一個空中樓閣。

2頻率源的分類

目前頻率測量的方法主要是軟件結(jié)合硬件測量的方法，就是微機(jī)保護(hù)在系統(tǒng)中取正弦波兩個上升沿之間的計(jì)數(shù)器值，再用這個值除以兩個上升沿之間的時間，再加上一些其他的輔助條件，就可以計(jì)算出系統(tǒng)的頻率。這個算法現(xiàn)在相對來說是一個比較成熟的方案，現(xiàn)在主要的還是測量頻率源的選擇，目前有三種：第一種是測量系統(tǒng)的A相電壓頻率;第二種測量頻率AB相線電壓的頻率;第三種測量A相電流的頻率。這三種頻率源的方式各有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，需要根據(jù)不同的應(yīng)用場景來選擇不同的頻率測量源。

3頻率源的種類分析

第一種測量系統(tǒng)A相電壓頻率的方法是目前常用的方法，該方法只要將A相電壓引入到測頻回路，硬件設(shè)計(jì)簡單，但是當(dāng)系統(tǒng)的A相發(fā)生直接接地和A相電壓互感器發(fā)生斷線時就會出現(xiàn)頻率測量不準(zhǔn)確或無法測量的情況。當(dāng)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生直接接地故障時，由于系統(tǒng)的中性點(diǎn)不接地，此時僅僅是接地相的電壓變?yōu)?，其他兩相電壓變大，但三個線電壓

Uab、Ubc、Uca的值和相位是沒有變化的，這種情況下電力系統(tǒng)是可以運(yùn)行2-3個小時的;在這2-3個小時內(nèi)要求系統(tǒng)維護(hù)人員盡快找到接地點(diǎn)，并處理故障。我們國家電網(wǎng)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的電壓等級主要為35kV、10kV，而110kV和0.4kV是中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)，中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)當(dāng)發(fā)生單相接地故障時，系統(tǒng)是立即跳閘斷開故障回路，是不能持續(xù)運(yùn)行的。在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中如果僅僅是系統(tǒng)的B相或者C相接地，則對于頻率的測量來說是沒有影響的，但是如果是系統(tǒng)的A相接地，則會導(dǎo)致微機(jī)保護(hù)測不到頻率。微機(jī)保護(hù)在測不到頻率的情況，一般的處理方式就是按照默認(rèn)的系統(tǒng)正常的頻率50Hz來采樣和計(jì)算當(dāng)前的電壓電流值。如果系統(tǒng)的頻率發(fā)生偏移，同時系統(tǒng)又發(fā)生短路故障，此時由于系統(tǒng)的頻率偏移了不在是50Hz但微機(jī)保護(hù)還是按照50Hz來采樣和計(jì)算電壓電流，計(jì)算的電壓電流的幅值和相位肯定是不準(zhǔn)確的，這樣就會導(dǎo)致微機(jī)保護(hù)的電壓電流保護(hù)、功率保護(hù)、方向保護(hù)不能正確的動作，甚至導(dǎo)致越級跳，從而有擴(kuò)大事故范圍的可能性。如果PT柜中正好是A相電壓互感器熔絲斷開，也是會導(dǎo)致微機(jī)保護(hù)測到頻率為0，同樣也會存在上述擴(kuò)大停電范圍的可能性。當(dāng)然，當(dāng)A相系統(tǒng)發(fā)生直接接地和A相電壓互感器斷線時，微機(jī)保護(hù)會發(fā)出系統(tǒng)接地和PT斷線的告警信息，提示運(yùn)行人員盡快處理相關(guān)故障，否則會有保護(hù)誤動的情況存在。所謂越級跳的意思就是如果系統(tǒng)的最末級發(fā)生故障，應(yīng)該最末級開關(guān)跳閘，但由于最末級微機(jī)保護(hù)測頻不對或者其他故障導(dǎo)致最末級斷路器未跳開，最后將最末級的上一級斷路器跳開，這個是比較嚴(yán)重的問題。

第二種方式是通過測量系統(tǒng)的AB線電壓的方式來獲得頻率的，電力系統(tǒng)A、B、C相電壓的頻率以及三個線電壓的頻率是一樣的，測試它們其中任何一個都可以反映系統(tǒng)的頻率。這種方式可以解決第一種測量源在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中A相直接接地和A相電壓互感器斷線時存在的問題。當(dāng)采用線電壓測頻時，系統(tǒng)A相電壓由于直接接地或者電壓互感器斷線后，雖然A相電壓沒有了，但B相電壓還在。只要A相電壓或者B相電壓有一個電壓在，AB線電壓就有電壓，因AB線電壓等于A相電壓與B相電壓的矢量差，此時微機(jī)保護(hù)通過其還是可以正確測試到系統(tǒng)的頻率的。只要測量到準(zhǔn)確的頻率，加上頻率跟蹤，就可以準(zhǔn)確的算出電壓電流值。但這種頻率源的硬件實(shí)現(xiàn)的過程比較復(fù)雜，需要將A相電壓和B相電壓在硬件上做一個減法處理和幅值變換的電路，增加了硬件設(shè)計(jì)的難度和成本;該種方法還有一個缺點(diǎn)就是在系統(tǒng)A相和B相發(fā)生間歇性接地時，還是會導(dǎo)致系統(tǒng)頻率的變化，這個是由于當(dāng)系統(tǒng)A相發(fā)生間歇性接地時，系統(tǒng)的A相電壓波形發(fā)生了變化，雖然B相電壓正常，但它們的相減后的波形肯定已經(jīng)不是正弦波了，所以測試測量的頻率還是不準(zhǔn)確的。當(dāng)然，單獨(dú)測量A相電壓的頻率的方式在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中發(fā)生間歇性接地時也是會導(dǎo)致系統(tǒng)的頻率測量不準(zhǔn)確的。

第三種頻率源是A相電流，這種是一個特殊的用法。在各種各樣的資源逐步減少的情況，節(jié)能已經(jīng)被提上了日程，尤其是大型電動機(jī)的節(jié)能。故現(xiàn)在大型的電動機(jī)都裝了變頻器，使電動機(jī)變頻啟動變頻運(yùn)行，其一次

接線圖如下。

變頻啟動可以減少電動機(jī)啟動對電網(wǎng)的沖擊，減小啟動電流，因電動機(jī)如果直接啟動的時，其啟動電流可以到達(dá)電動機(jī)額定電流8～10倍;而變頻運(yùn)行，則是在運(yùn)行中節(jié)能，當(dāng)負(fù)荷輕時，則降低頻率運(yùn)行，減少電能的損耗。對于2MW以上的電動機(jī)，規(guī)范規(guī)定其必須配備差動保護(hù)。差動保護(hù)是電動機(jī)的主保護(hù)，它的作用就是當(dāng)電動機(jī)內(nèi)部有故障時迅速的跳開斷路器，保護(hù)電動機(jī)不被燒壞。差動保護(hù)的原理就是取電動機(jī)機(jī)端側(cè)的電流和中性點(diǎn)側(cè)的電流之差來判斷電動機(jī)是否內(nèi)部發(fā)生了故障。但是由于電動機(jī)機(jī)端側(cè)有兩組電流互感器CT1和CT2，中性點(diǎn)側(cè)有一組互感器CT3，這三組互感器的頻率是不一樣，CT1是系統(tǒng)的頻率，而CT2和CT3是變頻器后的頻率。CT2和CT3的頻率是由變頻器決定，而CT1的頻率是由電力系統(tǒng)決定，很顯然此時差動保護(hù)電流的只能取CT2和CT3，因這兩個電流互感器的頻率是同步，因頻率不同是無法進(jìn)行電流差的計(jì)算，進(jìn)而無法做差動保護(hù)的。但現(xiàn)在由于CT2和CT3是電流信號，且變頻器下端是沒有電壓互感器的，就無法通過電壓回路來測量頻率，只能通過電流回路來測量頻率的。此時必須測量頻率的原因是由于變頻器下端的頻率的變化范圍是在10Hz～50Hz之間變化的，測量頻率后就可以做頻率跟蹤，否則差動保護(hù)無法實(shí)現(xiàn)，就不滿足規(guī)范的要求了。采用此方法測量頻率的缺點(diǎn)就是如果電動機(jī)的電流值太小，則無法準(zhǔn)確測量到頻率;還有就是當(dāng)變頻器的頻率太低時，超過了微機(jī)保護(hù)采樣的最長間隔時間，也是不能測量到頻率。

4.結(jié)束語

本文作者通過對這三種頻率源優(yōu)缺點(diǎn)和使用條件的分析，給微機(jī)保護(hù)開發(fā)人員在研發(fā)不同使用場景不同保護(hù)對象的微機(jī)保護(hù)時對頻率測量源的選擇提出了一個指導(dǎo)性的意見，使開發(fā)人員能有多種選擇，能快速的選擇

最終的測頻方案，少走彎路節(jié)省時間縮短開發(fā)周期。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙覺高壓變頻電動機(jī)差動保護(hù)的應(yīng)用研究《中國設(shè)備工程》，2021年，12期第第145-147頁

[2]王帥夫基于準(zhǔn)同步采樣的電網(wǎng)頻率測量裝置設(shè)計(jì)《電子設(shè)計(jì)工程》，2019年.10期第22-26頁

[3]李吉寧一種提高電力系統(tǒng)頻率測量精度的方法《自動化技術(shù)與應(yīng)用》，2018年.11期第107-112頁