CN101540495B - 基于发电机运动轨迹几何特征的失步保护系统及方法 - Google Patents

Abstract

基于发电机运动轨迹几何特征的失步保护系统及方法，包括一信息母线2，全球定位系统1、失步保护装置6、发电机组功角及角速度同步测量单元5、相角测量单元3通过远方通信单元4均连接在信息母线2上，将发电机组功角及角速度同步测量单元5与相角测量单元3测得的数据之差作为横坐标，以发电机组功角及角速度同步测量单元5测得的数据作为纵坐标，构成相平面，利用实测机组的运动轨迹，并根据相轨迹的几何凹凸特征变化快速判别机组失步，本发明能够为发电厂中任意机组失步时提供保护，发电机失步检测准确度和灵敏性与发电厂的具体结构无关，适应发电厂和电力系统的各种运行方式和故障类型，失步检出速度快，构成简单，易于实现。

Description

基于发电机运动轨迹几何特征的失步保护系统及方法

技术领域

本发明涉及一种电力系统发电机失步保护方案，特别涉及一种基于发电机运动轨迹几何特征的失步保护系统及方法。

背景技术

早期发电机的失步保护较广泛的是利用间接反映机组稳定性的状态变量启动切机命令，如视在阻抗、振荡中心电压及其变化率。这种控制方式简单可靠；然而，由于启动门槛值的整定与电网的接线方式、潮流状况、故障方式及保护动作情况等多种因素有着非常复杂的非线性关系，简单的定值设置已不能适应电网结构和运行方式的变化。

上世纪90年代初，随着计算机技术和通信技术的发展，Phadke等人提出了基于全球同步时钟(GPS)和相量量测技术的数字式微机式发电机失步保护系统。遗憾的是，限制于判别发电机组失步的理论和判据缺失，这一想法并没有能应用于实际。

近年来，微处理器，通信及传感器等现代技术都有更进一步的发展，这些又都为发电机失步保护赋予新的意义，在保护原理方面，产生了基于实测轨迹信息的保护原理。该方法利用等面积定则，在故障切除时刻按单机无穷大模式下的不平衡功率的解析表达式快速计算不平衡功率相对于转子角度的曲线，并根据功率-功角相平面上轨迹围成的加速面积和减速面积的差值来分析机组首次摆动的稳定性。该方法最快能在故障临界切除时刻预测出系统是否失步，具有清晰的物理概念；然而，实际系统情况要复杂得多，其存在非哈密顿因素及非自治因素，发电机组不平衡功率不能写成解析的表达式，采用此方法困难很大。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于发电机运动轨迹几何特征的失步保护系统及方法，其检测原理和判据指标不需要整定，避免了以往失步保护由于其动作门槛值与系统运行方式相关、整定困难的问题，而且能够快速检出失步，及早采取抑制措施，以避免发生振荡失步。

为了达到上述目的，本发明的技术解决方案是这样实现的：

基于发电机运动轨迹几何特征的失步保护系统，包括一信息母线2，全球定位系统1的信息输出接口连接在信息母线2上，相角测量单元3通过远方通信单元4的信息输出端连接在信息母线2上，失步保护装置6通过通信接口连接到信息母线2上，发电机组功角及角速度同步测量单元5的数据输出端与信息母线2相连接。

基于发电机运动轨迹几何特征的失步保护方法，包括以下步骤：

第一步：全球定位系统1将时间信号通过信息输出接口发送到信息母线2上，相角测量单元3通过远方通信单元4将信息发送到信息母线2上，发电机组功角及角速度同步测量单元5将信息发送到信息母线2上；

第二步：失步保护装置6利用通信接口从信息母线2上同步获得全球定位系统1的时间信号、发电机组功角及角速度同步测量单元5和相角测量单元3的信号；

第三步：将发电机组功角及角速度同步测量单元5测得功角数据与相角测量单元3测得相角数据之差作为横坐标，以发电机组功角及角速度同步测量单元5测得角速度数据作为纵坐标，构成一个相平面，所有的采集数据点构成一个机组轨迹曲线，根据实际中机组轨迹曲线正向摇摆(Δω＞0)和反向摇摆(Δω＜0)失稳的情况，结合实测轨迹是逐个时间点进行的，计算功角-角速度相平面内轨迹斜率增量指标(τ)的负、正性变化作为机组失步的判别依据，计算公式如下：

$\mathrm{\τ}\left(j\right)=\frac{{\mathrm{\Δ\ω}}_i\left(j\right)-{\mathrm{\Δ\ω}}_i(j-1)}{{\mathrm{\δ}}_i\left(j\right)-{\mathrm{\δ}}_i(j-1)}-\frac{{\mathrm{\Δ\ω}}_i(j-1)-{\mathrm{\Δ\ω}}_i(j-2)}{{\mathrm{\δ}}_i(j-1)-{\mathrm{\δ}}_i(j-2)}$

式中：δ_i(j)＝θ_i(j)-θ₀(j)

Δω_i(i)为发电厂第i台机组在j时刻的转子角速度；

θ_i(j)为发电厂第i台机组在j时刻的转子角度；

θ₀(i)为选定的参考母线在i时刻的相角；

第四步：判断机组失步，即理论上，当某台机组对应的相轨迹判据指标τ由负变成正时，即τ(j)＞0时，该机组失步；在实际操作中，如果检测到某台机组轨迹呈现出凸的特征，并连续保持三个计算点，都有τ(j)＞0，则表明该机组将会失步。

本发明能够为发电厂中任意机组失步时提供保护，发电机失步检测准确度和灵敏性与发电厂的具体结构无关，适应发电厂和电力系统的各种运行方式和故障类型，失步检出速度快，构成简单，易于实现。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是具体实施方式中计阻尼因素(D＝0.02)影响时，点F1处三相短路故障后发电机功角和转子角速度的相平面响应曲线：NRB为不返回边界，A为初始状态点为(2.2，-0.022)的相轨迹，B为初始状态点(2.735，-0.015)的相轨迹；

图3是相轨迹A在正向摇摆过程中穿越不返回边界时判据指标τ的变化曲线，其中，横坐标表示时间/秒，纵坐标表示功角-角速度相平面内轨迹斜率增量指标τ。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

参见图1，基于发电机运动轨迹几何特征的失步保护系统，包括一信息母线2，全球定位系统1的信息输出接口连接在信息母线2上，相角测量单元3通过远方通信单元4的信息输出端连接在信息母线2上，失步保护装置6通过通信接口连接到信息母线2上，发电机组功角及角速度同步测量单元5的数据输出端与信息母线2相连接。

基于发电机运动轨迹几何特征的失步保护方法，包括以下步骤：

第一步：将全球定位系统1将时间信号通过信息输出接口发送到信息母线2上，相角测量单元3通过远方通信单元4将信息发送到信息母线2上，发电机组功角及角速度同步测量单元5将信息发送到信息母线2上；

第二步：失步保护装置6利用通信接口从信息母线2上同步获得全球定位系统1的时间信号、发电机组功角及角速度同步测量单元5和相角测量单元3的信号；

第三步：将发电机组功角及角速度同步测量单元5测得功角数据与相角测量单元3测得相角数据之差作为横坐标，以发电机组功角及角速度同步测量单元5测得角速度数据作为纵坐标，构成一个相平面，所有的采集数据点构成一个机组轨迹曲线，图2给出了系统Δω-δ相平面内的初始状态相点为A(2.2，-0.022)和B(2.735，-0.015)的相轨迹。初始状态相点A(2.2，-0.022)和B(2.735，-0.015)位于第四象限。计算功角-角速度相平面内轨迹斜率增量指标(τ)的负、正性变化作为机组失步的判别依据，计算公式如下：

$\mathrm{\τ}\left(j\right)=\frac{{\mathrm{\Δ\ω}}_i\left(j\right)-{\mathrm{\Δ\ω}}_i(j-1)}{{\mathrm{\δ}}_i\left(j\right)-{\mathrm{\δ}}_i(j-1)}-\frac{{\mathrm{\Δ\ω}}_i(j-1)-{\mathrm{\Δ\ω}}_i(j-2)}{{\mathrm{\δ}}_i(j-1)-{\mathrm{\δ}}_i(j-2)}$

式中：δ_i(j)＝θ_i(j)-θ₀(j)

Δω_i(j)为发电厂第i台机组在j时刻的转子角速度；

θ_i(j)为发电厂第i台机组在j时刻的转子角度；

θ₀(j)选定的参考母线在j时刻的相角；

第四步：图3给出了相轨迹A在正向摇摆过程中穿越不返回边界时判据指标τ的变化曲线，判据做出系统失稳判断时刻的功角为1.74rad，即100度，相对于故障轨迹翻越功率-功角相平面内的不稳定平衡点，能够提前220ms预测出机组失步。

Claims (1)

1.基于发电机运动轨迹几何特征的失步保护方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：全球定位系统(1)将时间信号通过信息输出接口发送到信息母线(2)上，相角测量单元(3)通过远方通信单元(4)将信息发送到信息母线(2)上，发电机组功角及角速度同步测量单元(5)将信息发送到信息母线(2)上；

第二步：失步保护装置(6)利用通信接口从信息母线(2)上同步获得全球定位系统(1)的时间信号、发电机组功角及角速度同步测量单元(5)和相角测量单元(3)的信号；

第三步：将发电机组功角及角速度同步测量单元(5)测得功角数据与相角测量单元(3)测得相角数据之差作为横坐标，以发电机组功角及角速度同步测量单元(5)测得角速度数据作为纵坐标，构成一个相平面，所有的采集数据点构成一个机组轨迹曲线，根据实际中机组轨迹曲线正向摇摆和反向摇摆失稳的情况，结合实测轨迹是逐个时间点进行的，计算功角-角速度相平面内相轨迹判据指标(τ)的负、正性变化作为机组失步的判别依据，计算公式如下：

式中：δ_i(j)＝θ_i(j)-θ₀(j) 

Δω_i(j)为发电厂第i台机组在j时刻的转子角速度；

θ_i(j)为发电厂第i台机组在j时刻的转子角度；

θ₀(i)为选定的参考母线在i时刻的相角；

第四步：判断机组失步，即理论上，当某台机组对应的相轨迹判据指标τ由负变成正时，即τ(j)＞0时，该机组失步；在实际操作中，如果检测到某台机组轨迹呈现出凸的特征，并连续保持三个计算点，都有τ(j)＞0，则表明该机组将会失步。 

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