發(fā)變電系統(tǒng)及其繼電保護技術(shù)研究

張瑋

(復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院，后勤保障部，上海 200040)

0 引言

發(fā)電廠并網(wǎng)機組的穩(wěn)定性和工況可靠性研究受到越來越多專家的關(guān)注。為解決該問題，需優(yōu)化的發(fā)電廠并網(wǎng)機組發(fā)變組繼電保護控制[1]，實現(xiàn)對發(fā)電廠并網(wǎng)機組發(fā)變組繼電保護和調(diào)試。深入研究發(fā)電廠并網(wǎng)機組發(fā)變組繼電保護調(diào)試方法，在促進發(fā)電廠并網(wǎng)機組的穩(wěn)定性設(shè)計和控制方面具有重要意義[2]。

對發(fā)電廠并網(wǎng)機組發(fā)變組繼電保護調(diào)試方法主要有基于聯(lián)合參數(shù)識別的發(fā)電廠并網(wǎng)機組發(fā)變組繼電保護調(diào)試方法[3]、基于阻抗增益調(diào)節(jié)的發(fā)電廠并網(wǎng)機組發(fā)變組繼電保護調(diào)試方法[4]以及基于模糊度控制參數(shù)融合的發(fā)電廠并網(wǎng)機組發(fā)變組繼電保護調(diào)試方法[5]等。傳統(tǒng)方法通常利用構(gòu)建發(fā)電廠并網(wǎng)機組發(fā)變組繼電保護調(diào)試參數(shù)約束模型，通過阻抗增益調(diào)節(jié)方法，進行發(fā)電廠并網(wǎng)機組發(fā)變組繼電保護和自適應(yīng)參數(shù)尋優(yōu)，但傳統(tǒng)方法具有穩(wěn)定性差的缺陷，且自適應(yīng)控制能力不強。

為解決上述問題，本文提出基于反饋均衡控制的發(fā)電廠并網(wǎng)機組發(fā)變組繼電保護調(diào)試技術(shù)。根據(jù)電流分量的頻譜分析和諧波抑制，實現(xiàn)對發(fā)電廠并網(wǎng)機組發(fā)變組繼電保護的諧波頻率參數(shù)抑制和耦合頻偏控制，抑制發(fā)電廠并網(wǎng)機組發(fā)變組繼電保護過程中的電壓畸變，結(jié)合下垂控制和基波頻率抑制方法，實現(xiàn)發(fā)電廠并網(wǎng)機組發(fā)變組的相位的滯后補償。仿真實驗結(jié)果表明，本文方法在提高發(fā)電廠并網(wǎng)機組發(fā)變組繼電保護能力方面具有優(yōu)越性能。

1 發(fā)電廠并網(wǎng)機組發(fā)變組繼電保護約束參數(shù)及負荷均衡控制

1.1 繼電保護約束參數(shù)

為實現(xiàn)發(fā)電廠并網(wǎng)機組發(fā)變組繼電保護調(diào)試，構(gòu)建發(fā)電廠并網(wǎng)機組發(fā)變組繼電參數(shù)分析模型，采用聯(lián)合特征穩(wěn)態(tài)分析方法實現(xiàn)對發(fā)電廠并網(wǎng)機組發(fā)變組繼電保護的開關(guān)耦合辨識，采用三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型，分析發(fā)電廠并網(wǎng)機組發(fā)變組繼電保護的異構(gòu)特征量，通過業(yè)務(wù)管理優(yōu)化控制，結(jié)合信息管理模型，實現(xiàn)對發(fā)電廠并網(wǎng)機組發(fā)變組繼電保護的過程控制和高次諧波分析[6]，結(jié)合比例-重復(fù)控制器，實現(xiàn)對發(fā)電廠并網(wǎng)機組發(fā)變組繼電保護控制和優(yōu)化調(diào)試。總體結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 總體結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)圖1所示的發(fā)電廠并網(wǎng)機組發(fā)變組繼電保護的調(diào)試結(jié)構(gòu)模型，通過電壓畸變率參數(shù)調(diào)節(jié)和阻抗增益控制方法，構(gòu)建發(fā)電廠并網(wǎng)機組發(fā)變組繼電保護的時滯控制和反饋增益補償模型[7]，得到發(fā)電廠并網(wǎng)機組發(fā)變組繼電保護控制的輸出模糊度調(diào)度函數(shù)為

F=[Am+n(a)]+rm

(1)

其中，Am為發(fā)電廠并網(wǎng)機組發(fā)變組繼電參數(shù)，n(a)為業(yè)務(wù)管理優(yōu)化控制參數(shù)，rm為離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性函數(shù)。

基于此，采用輸出穩(wěn)態(tài)增益控制的方法，得到發(fā)電廠并網(wǎng)機組發(fā)變組繼電保護的聯(lián)合參數(shù)分析模型：

(2)

其中，q(v)為等效諧波阻抗分析方法函數(shù)，z(j)為發(fā)電廠并網(wǎng)機組發(fā)變組繼電保護調(diào)試的輸出功率參數(shù)，sf為擾動誤差干擾的發(fā)電廠并網(wǎng)機組發(fā)變組控制系統(tǒng)的參數(shù)滿足的傳輸效率。

通過發(fā)電廠并網(wǎng)機組發(fā)變組繼電控制，采用聯(lián)合參數(shù)識別，建立發(fā)電廠并網(wǎng)機組的矢量控制模型，得到發(fā)電廠并網(wǎng)機組發(fā)變組繼電保護的目標(biāo)函數(shù)定義為

(3)

其中，ε為一個小的常數(shù)，引入相位補償和穩(wěn)態(tài)增益調(diào)節(jié)的方法，fu(χ)為并聯(lián)虛擬導(dǎo)納控制輸出的永磁聯(lián)合特征分布函數(shù)，σ為一個諧振條件下發(fā)電廠并網(wǎng)機組發(fā)變組繼電保護的融合系數(shù)。

由此構(gòu)建發(fā)電廠并網(wǎng)機組發(fā)變組繼電保護的調(diào)試參數(shù)約束模型，基于阻抗增益調(diào)節(jié)提高繼電保護和自適應(yīng)控制能力[8]。

1.2 發(fā)電廠并網(wǎng)機組發(fā)變組繼電保護的自適應(yīng)控制

采用聯(lián)合特征穩(wěn)態(tài)分析方法實現(xiàn)對發(fā)電廠并網(wǎng)機組發(fā)變組繼電保護的開關(guān)耦合辨識和聯(lián)合控制模型，根據(jù)電流分量的頻譜分析和諧波抑制，構(gòu)建發(fā)電廠并網(wǎng)機組發(fā)變組繼電保護的諧波頻率參數(shù)抑制和耦合控制模型，結(jié)合頻偏控制的方法，構(gòu)建耦合電感約束的控制增益調(diào)節(jié)模型[9]，得到發(fā)電廠并網(wǎng)機組發(fā)變組繼電保護的耦合電感組合參數(shù)分布圖如圖2所示。

圖2 繼電保護的耦合電感組合參數(shù)分布圖

采用聯(lián)合特征穩(wěn)態(tài)分析方法實現(xiàn)對發(fā)電廠并網(wǎng)機組發(fā)變組繼電保護的開關(guān)耦合辨識和聯(lián)合控制模型。根據(jù)電流分量的頻譜分析和諧波抑制[10]，電流分量的頻譜增益輸出為

u(c)=wa(e)+sg+cosZ

(4)

其中，wa(e)為在勵磁電感Lm約束下繼電保護的耦合電感組合控制的聯(lián)合特征分布模型，sg為發(fā)電廠并網(wǎng)機組發(fā)變組繼電保護調(diào)試參數(shù)[11]。

在上述發(fā)電廠并網(wǎng)機組發(fā)變組繼電保護調(diào)試參數(shù)識別的基礎(chǔ)上，進行發(fā)電廠并網(wǎng)機組發(fā)變組繼電保護的自適應(yīng)控制[11]。

2 發(fā)電廠并網(wǎng)機組發(fā)變組繼電保護調(diào)試優(yōu)化

2.1 調(diào)試參數(shù)尋優(yōu)

基于聯(lián)合參數(shù)識別，建立發(fā)電廠并網(wǎng)機組發(fā)變組繼電保護的狀態(tài)分布式檢測模型，通過模糊控制方法，得到發(fā)電廠并網(wǎng)機組發(fā)變組繼電保護的聯(lián)合調(diào)試狀態(tài)特征方程為

(5)

其中，gn為繼電保護的耦合電感分布的時滯系數(shù)，αm為最大功率發(fā)電和無功調(diào)節(jié)約束參數(shù)，gL為繼電保護的耦合慣量，h為電壓波動。

在最大功率發(fā)電和無功調(diào)節(jié)下，發(fā)電廠并網(wǎng)機組發(fā)變組繼電融合慣性特征量如：

(6)

其中，z1和z2分別為發(fā)電廠并網(wǎng)機組發(fā)變組繼電系統(tǒng)輸入y與其一階導(dǎo)數(shù)的估計，z3為有載調(diào)壓變壓器的自適應(yīng)調(diào)節(jié)參數(shù)，δ為繼電融合可調(diào)參數(shù)。

采用有功波動的頻域調(diào)制方法，得到發(fā)電廠并網(wǎng)機組發(fā)變組繼電保護控制的反饋增益模型，通過有功無功聯(lián)合尋優(yōu)，得到發(fā)電廠并網(wǎng)機組發(fā)變組繼電輸出的誤差抑制模型：

(7)

其中，δ為發(fā)電廠并網(wǎng)機組發(fā)變組繼電保護的可調(diào)參數(shù)；kp和kd分別為發(fā)電廠并網(wǎng)機組發(fā)變組自適應(yīng)調(diào)試的比例系數(shù)和微分系數(shù)。

根據(jù)上述分析，構(gòu)建發(fā)電廠并網(wǎng)機組發(fā)變組繼電保護的調(diào)試參數(shù)尋優(yōu)模型[12]。

2.2 并網(wǎng)機組發(fā)變組繼電保護調(diào)試優(yōu)化

建立輸出阻抗增益調(diào)節(jié)模型，采用基頻特征分布式解析方法，抑制發(fā)電廠并網(wǎng)機組發(fā)變組繼電保護過程中的電壓畸變，得到發(fā)電廠并網(wǎng)機組發(fā)變組繼電控制的聯(lián)合特征分布參數(shù)表示為

tΔ=yi+(fi+bij)+Xa

(8)

其中，yi為配網(wǎng)末端的有功功率參數(shù)，fi為發(fā)電廠并網(wǎng)機組的動態(tài)耦合的參數(shù)，bij為發(fā)電廠并網(wǎng)機組動態(tài)耦合控制的聯(lián)合特征分布系數(shù)。

(9)

其中，U為發(fā)電廠并網(wǎng)機組發(fā)變組繼電保護調(diào)試的虛擬參數(shù)。其與發(fā)電廠并網(wǎng)機組發(fā)變組繼電保護調(diào)試系統(tǒng)融合過程中，得到第i(i=1,2)通道檢測到的發(fā)電廠并網(wǎng)機組發(fā)變組繼電參數(shù)為vk。

經(jīng)過上述公式變換，得到發(fā)電廠并網(wǎng)機組發(fā)變組繼電保護調(diào)試的聯(lián)合狀態(tài)關(guān)聯(lián)特征分布函數(shù)為

(10)

根據(jù)聯(lián)合狀態(tài)關(guān)聯(lián)特征分布函數(shù)，構(gòu)建發(fā)電廠并網(wǎng)機組發(fā)變組繼電保護調(diào)試的線性控制模型，得到二次規(guī)劃模型表述為

(11)

其中，Lq表示發(fā)電廠并網(wǎng)機組發(fā)變組繼電保護的聯(lián)合狀態(tài)分布概率，UJ表示功率因數(shù)，UE表示微分融合參數(shù)。通過聯(lián)合狀態(tài)參數(shù)尋優(yōu)，結(jié)合穩(wěn)態(tài)功率增益補償，得到發(fā)電廠并網(wǎng)機組發(fā)變組繼電保護器輸出電壓的相位為

(12)

采用基頻特征分布式解析方法，進行發(fā)電廠并網(wǎng)機組發(fā)變組繼電保護過程中的電壓畸變抑制，結(jié)合下垂控制和基波頻率抑制方法，得到各次諧波頻率處等效輸出阻抗為

p(x)=G(t,s)+(Gz+Ψ)

(13)

其中，G(t,s)為發(fā)電廠并網(wǎng)機組發(fā)變組繼電保護控制的輸出邊值函數(shù)，Gz為在有限域GF(28)中構(gòu)建的發(fā)電廠并網(wǎng)機組發(fā)變組繼電保護聯(lián)合調(diào)試特征量。

采用非線性算子約束和負載均衡控制方法，得到發(fā)電廠并網(wǎng)機組發(fā)變組繼電保護輸出的均衡調(diào)度模型為

(14)

根據(jù)輸出諧波阻抗幅值變化量，實現(xiàn)對發(fā)電廠并網(wǎng)機組發(fā)變組繼電保護調(diào)試。

3 仿真測試分析

設(shè)定發(fā)電廠并網(wǎng)機組的高頻補償參數(shù)為0.16，諧波阻抗為12K,諧波幅值為0.29T，得到發(fā)電廠并網(wǎng)機組發(fā)變組繼電器輸出的幅值和相位如圖3所示。

圖3 發(fā)電廠并網(wǎng)機組發(fā)變組繼電器輸出的幅值和相位

根據(jù)圖3的負載特征分析，進行繼電保護調(diào)試，得到優(yōu)化輸出結(jié)果如圖4所示。

圖4 繼電保護調(diào)試輸出結(jié)果

分析圖4得知，本文方法進行發(fā)電廠并網(wǎng)機組發(fā)變組繼電器保護調(diào)試的輸出穩(wěn)定性較高，測試負載均衡性如圖5所示。

圖5 負載均衡性測試

分析圖5得知：在第一次實驗進行時，由于實驗初始參數(shù)會出現(xiàn)一些偏差，運行初始階段不夠穩(wěn)定，因此第一組數(shù)據(jù)不做考慮；從第3組實驗到第17組實驗可以看出，本文方法進行發(fā)電廠并網(wǎng)機組發(fā)變組繼電器保護調(diào)試的負載波動非常小，負載值始終保持在1%左右，說明其繼電器保護調(diào)試負載較小，優(yōu)化了該方法的應(yīng)用效果。以上實驗結(jié)果表明本文方法進行發(fā)電廠并網(wǎng)機組的繼電保護控制具有理想的負載均衡性。

4 總結(jié)

本文提出基于反饋均衡控制的發(fā)電廠并網(wǎng)機組發(fā)變組繼電保護調(diào)試技術(shù)。采用3層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型，分析發(fā)電廠并網(wǎng)機組發(fā)變組繼電保護的異構(gòu)特征量，基于阻抗增益調(diào)節(jié)，提高繼電保護和自適應(yīng)控制能力。采用有功波動的頻域調(diào)制方法，得到發(fā)電廠并網(wǎng)機組發(fā)變組繼電保護控制的反饋增益模型，根據(jù)輸出諧波阻抗幅值變化量，實現(xiàn)對發(fā)電廠并網(wǎng)機組發(fā)變組繼電保護調(diào)試。研究得知，本文方法進行發(fā)電廠并網(wǎng)機組的繼電保護控制，負載均衡性較好，繼電保護控制和調(diào)試能力較強。