CN102354952A - 半波积分累积式反时限过励磁保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半波积分累积式反时限过励磁保护方法，其特征在于，包括以下步骤：1）对电压互感器进行适时采样得到电压瞬时值；2）用简单的低通滤波，滤除大于150Hz的谐波电压信号，再通过正、负半周波积分叠加算法适时计算过励磁特征量U/f值；3）离散实际过励磁反时限曲线，并用多折线或阶梯线实现曲线拟合；4）在多折线或阶梯线条件下，采用反映过励磁动态变化过程的参数变换，使得不同U/f值下折线或阶梯线具有相同的动作边界；5）根据变化的U/f值，实时累加变换参数值，再进行边界越限判别，完成保护动作出口和发信号。本发明的半波积分累积式反时限过励磁保护方法计算量小，算法实现简单。

Description

半波积分累积式反时限过励磁保护方法

技术领域

本发明涉及一种电力系统大、中型发电机或变压器保护中的过励磁保护方法，属于电力系统自动控制技术领域。

背景技术

在电力系统大、中型发电机或变压器保护中，反时限过励磁保护是防止过励磁(U/f)时引起铁芯过热而必配的保护。常规的反时限过励磁保护采用如下方法实现：

常规测量U/f值的方法有两类：

1)硬件测量法：采用RC回路直接测量U/f值，然后经过整流滤波得到与U/f值对应的直流信号量，直接采样直流信号量得U/f值；

2)数值计算法：采样TV电压，分别数字计算电压量U值和频率量f值，再合成计算U/f值。

过励磁保护的反时限曲线是发电机或变压器制造厂家提供的实际过励磁极限曲线，不同发电机或变压器对应不同的反时限曲线，很难用一种数学表达式来精确描述ψ(U/f，t)的反时限关系。常采用多折线或阶梯线来拟合反时限曲线，根据这些折线或阶梯线计算不同U/f值下的动作时限t_s，然后与计时器t_j值比较。t_j≥t_s时，过励磁保护动作。

常规方法有如下缺点：

1.采用RC回路直接测量U/f值，须占用一路经整流滤波的专用通道，同时须有条件选择R值和C值，但U/(j2πfRC+1)≠U/(j2πfRC)总是存在，使得测量U/f值的误差与频率f大小有关。

2.合成计算U/f值，虽不用专用通道，但U值在频率变化时，计算值不稳定，计算量大，频率f计算值精度较低，不同频率f下的谐波分量影响大。使得U/f计算值误差与频率f大小有关，适时性差。

3.常规时间比较式(t_j≥t_s)反时限曲线的准确实现，是建立在进入反时限曲线的U/f值静态不变的条件下，而实际U/f值是动态变化的，变化的U/f值用时间比较式实现反时限曲线，会带来不确定的时间偏差，因为当前测量U/f值下的动作时限t_s，没有考虑历史U/f值的影响。真正的U/f反时限曲线实现应该是综合考虑历史值影响的累积过程。

常规反时限过励磁保护的RC回路专用通道测量U/f值的与合成计算U/f值的保护方法有所不同：

一.RC回路专用通道测量U/f值如图1所示，包括下面几个步骤：

由电压互感器引入电压，进RC专用通道测U/f值，经整流滤波输出直流信号；

1)采样直流信号得到U/f瞬时值，平滑计算后得U/f数字值；

2)离散实际过励磁反时限曲线，并用多折线或阶梯线实现曲线拟合；

3)在多折线或阶梯线条件下，判别U/f值是否进入反时限曲线，如果进入反时限曲线，启动计时器t_j，同时根据折线或阶梯线计算当前值下的动作时间边界t_s。

4)比较t_j、t_s，t_j≥t_s时，过励磁保护动作。

二、合成计算U/f值如图2所示，包括下面几个步骤：

1)由电压互感器引入电压；

2)采样电压信号得电压瞬时值，数字滤波后，分别计算电压量U值和频率量f值，再合成计算U/f值；

3)离散实际过励磁反时限曲线，并用多折线或阶梯线实现曲线拟合；

4)在多折线或阶梯线条件下，判别U/f值是否进入反时限曲线，如果进入反时限曲线，启动计时器t_j，同时根据折线或阶梯线计算当前值下的动作时间边界t_s。

5)比较t_j、t_s，t_j≥t_s时，过励磁保护动作。

两种方案中，测量U/f值的方法不同，反时限曲线的实现和保护动作判别，均采用时间比较式(t_j≥t_s)。

常规的反时限过励磁保护中采用RC回路直接测量U/f值的方法如图1所示，

$\mathrm{Uc}=\mathrm{Uab}*\left(\frac{1}{\mathrm{j\ωc}}\right)/(R+\frac{1}{\mathrm{j\ωc}})=\frac{U_{\mathrm{ab}}}{1+\mathrm{j\ωRc}};$

$\left|\frac{U_{\mathrm{ab}}}{f}\right|=|\frac{1}{f}+j2\mathrm{\πRC}|*\left|\mathrm{Uc}\right|...\left(1\right);$

ωRC＞＞1时， $\left|\mathrm{Uc}\right|\≈\left|\frac{U_{\mathrm{ab}}}{\mathrm{j\ωRc}}\right|=\frac{|U_{\mathrm{ab}}/f|}{2\mathrm{\πRc}};$

$\left|\frac{U_{\mathrm{ab}}}{f}\right|\≈\left(2\mathrm{\πRC}\right)*\left|\mathrm{Uc}\right|...\left(2\right)$

式(1)精确反映U/f与Uc之间的关系，为简化保护计算，常规采用式(2)实现保护的U/f值测量。为降低频率影响，须恰当选择测量回路的R、C值，使满足式(2πfRC)＞＞1，然而频率越低，式(1)和式(2)间的偏差越大，因此RC回路测量U/f值的误差随频率f变小而增大。

常规的反时限过励磁保护中有采用普通通道采样计算的方法如图2所示，先对电压互感器线电压进行适时采样得到线电压瞬时值，再分别计算U值和f值，然后合成计算U/f值。

电压信号：U_ab＝Um*sin(2π(f₀+Δf)t+θ)；

Um：电压信号幅值；

f₀：基准频率

Δf：当前频率与基准频率的差值；

θ：电压信号初相位；

U值的计算方法很多，但较稳定的计算方法还是采用付氏计算。

$R\left(U\right)={\∫}_0^{T_0}\mathrm{Um}*\sin (2\mathrm{\π}(f_0+\mathrm{\Δf})t+\mathrm{\θ})*\sin \left(2\mathrm{\π}{f}_{0}t\right)\mathrm{dt}$

$=\mathrm{Um}/2*[{\∫}_0^{T_0}\cos (2\mathrm{\π\Δft}+\mathrm{\θ})\mathrm{dt}-{\∫}_0^{T_0}\cos (2\mathrm{\π}({2f}_0+\mathrm{\Δf})t+\mathrm{\θ})\mathrm{dt}]$

$I\left(U\right)=\mathrm{Um}/2*[{\∫}_0^{T_0}\sin (2\mathrm{\π\Δft}+\mathrm{\θ})\mathrm{dt}+{\∫}_0^{T_0}\sin (2\mathrm{\π}({2f}_0+\mathrm{\Δf})t+\mathrm{\θ})\mathrm{dt}]$

$\left|U\right|=\sqrt{R{\left(U\right)}^2+I{\left(U\right)}^2}$

T₀：基准频率对应的周期

R(U)：信号矢量实部；

I(U)：信号矢量虚部；

可见在固定数据窗T₀下，付氏计算R(U)、I(U)是随Δf变化的函数，因此U值计算存在随频率(f₀+Δf)变化而变化的计算误差。

采用变数据窗方法，可以较好地抑制频率变化的影响，但跟踪频率的数据窗是动态的，计算量也随之增大。

数字测频的方法也很多，有过零计数测频法、付氏计算相位比较测频法等，无论何种测频方法，在实际应用中为得到稳定准确的频率须做平滑计算，因此计算周期长，实时性较差。同时须保证U值计算数据窗和f值计算数据窗的同步，才可以得到适时准确的U/f值。

常规过励磁保护采用折线或阶梯线来拟合反时限曲线图3所示，将发电机或变压器的实际反时限曲线分成m段，对应的坐标点分别是：

{(k₀，t₀)，(k₁，t₁)，……，(k_m，t_m)；且k_n-1＜k_n，n＝1，2，3，…}

根据实测U/f值，计算

值，Ue：额定电压；fe：额定频率；

k＜k₀时，计时器t_j＝0；

k≥k₀时，启动计时器t_j；

折线算法是：当k≥k_n-1且k＜k_n时，

计算 $t=\frac{k-k_{n-1}}{k_n-k_{n-1}}*(t_n-t_{n-1})+t_{n-1},$

(n＝1，2，3，…)…………………………………..(3)；

阶梯线算法是：当k≥k_n-1且k＜k_n时，t＝t_n，

(n＝1，2，3，…)…………………………..(4)；

t_j≥t时，过励磁保护动作。

其中t：与k值对应的反时限动作时限。

图3所示的k值变化曲线中，曲线3对应于过励磁启动后，k＝ks值静态不变，动作时限为ts，曲线1、2对应于过励磁启动后k值是动态变化的，无论是式(3)还是式(4)的算法，对于1、2、3三种曲线均有相同的动作时限ts，这显然不合理，忽略了曲线1、2动态变化过程的k值对动作时限的影响，不能真实反映发电机或变压器的过励磁能力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是解决RC回路实测或合成计算U/f值误差受频率f大小影响的问题，并且无须提供测量U/f值的专用通道，精准实现U/f反时限曲线。

本发明无须测量U/f值的专用通道，通过对发电机或变压器测量电压波形的半周波积分算法计算U/f值，采用能反映过励磁动态变化过程的累积算法，实现反时限过激磁保护。

一种半波积分累积式反时限过励磁保护方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)对电压互感器进行适时采样得到电压瞬时值；

2)用简单的低通滤波，滤除大于150Hz的谐波电压信号，再通过正、负半周波积分叠加算法适时计算过励磁特征量U/f值；

3)离散实际过励磁反时限曲线，并用多折线或阶梯线实现曲线拟合；

4)在多折线或阶梯线条件下，采用反映过励磁动态变化过程的参数变换，使得不同U/f值下折线或阶梯线具有相同的动作边界；

5)根据变化的U/f值，实时累加变换参数值，再进行边界越限判别，完成保护动作出口和发信号。

本发明的半波积分累积式反时限过励磁保护方法，取消测量U/f值的专用通道，直接计算U/f值时精度不受频率f变化影响，采用折线或阶梯线来拟合反时限曲线时能精准反映U/f值的动态变化过程。要求数学关系明确，计算量小，算法实现简单。

附图说明

图1为现有方法中专用通道直接测量U/f值示意图；

图2现有方法中普通通道采样计算U/f值示意图；

图3为现有的折线或阶梯线拟合反时限曲线图；

图4为本发明的电压瞬时采样值示意图；

图5为本发明中多折线或阶梯线拟合反时限曲线示意图；

具体实施方式

在所述步骤2)中，电压波形正、负半周波积分叠加计算U/f值的计算过程为：

电压信号表达式： $u=\sqrt{2}U\sin (2\mathrm{\πft}+\mathrm{\θ});$

(θ＝0正半波或θ＝π负半波)；

T：电压信号周期；

θ：电压信号初相位；

U/f＝(|U/f|_前半波+|U/f|_后半波)/2；

实际应用中如图2所示接线，对电压互感器线电压进行适时采样得到线电压瞬时值，如图4所示，y0，y1，…yn…ym为采样点值，过零判别正半周连续采样点值为y1，y2，y3，…yn-1，负半周连续采样点值为yn，yn+1，yn+2，…ym-1，ΔT：采样周期，S1、S2：电压波形正、负半周积分面积，

则

同理可求

实时求得U/f＝(|U/f|_前半波+|U/f|_后半波)/2。

在所述步骤3)中，采用多折线或阶梯线来拟合反时限曲线，如图5所示，将发电机或变压器的实际反时限曲线分成m段，对应的坐标点分别是：

{(k₀，t₀)，(k₁，t₁)，……，(k_m，t_m)；且k_n-1＜k_n，n＝1，2，3，…}

各段折线数学描述：第n条折线的表达式为

$t=\frac{k-k_{n-1}}{k_n-k_{n-1}}*(t_n-t_{n-1})+t_{n-1};$

各段阶梯线数学描述：第n条阶梯线的表达式为

t＝t_n；，其中

Ue：额定电压，fe：额定频率，t是与k值对应的反时限动作时限。

令第n条折线或阶梯线的通式为

在所述步骤4至5)中，采用参数变换，实现累积值越限判别算法：

令

(m＞0，k_n-1≤k≤k_n，n＝1，2.3)

$\mathrm{dS}=\frac{m*\mathrm{dt}}{a_{n}k+b_n}...\left(5\right)$

S是描述反时限曲线的变换参数，因此对于拟合曲线内的任意k值，均有

由式(5)得S增量计算表达式： $\mathrm{\&Delta;}{S}_i=\frac{m*\mathrm{\&Delta;}{t}_i}{a_n{k}_i+b_n},(m>0,k_{n-1}\&le;k_i<k_n,n=\mathrm{1,2,3},...);$

S累积值表达式： $S_i=\mathrm{\&Sigma;\&Delta;}{S}_i=\mathrm{\&Sigma;}\frac{m*\mathrm{\&Delta;}{t}_i}{a_n{k}_i+b_n};$

k＜k₀时，设初值S_i＝0＝0；ΔS_i＝0＝0；

k≥k₀时，计算累积值 $\mathrm{\&Delta;}{S}_i=\frac{m*\mathrm{\&Delta;}{t}_i}{a_n{k}_i+b_n},(m>0,k_{n-1}\&le;k_i<k_n,n=\mathrm{1,2,3}...);$

S_i＝S_i-1+ΔS_i；

保护动作方程为：S_i≥m  (m＞0)；

其中：S：描述反时限曲线的变换参数；

t：与k值对应的反时限动作时限；

i：k≥k₀后的k值计算次数，k＜k₀时i＝0；

k_i：第i次计算的k值；

Ue：额定电压，fe：额定频率；

Δt_i：第i次计算k值的时间增量；

ΔS_i：Δt_i时间内的S增量；S_i：第i次计算S值；

m：正常数，根据数值计算精度，一般取值不小于1.0；

本发明无须测量U/f值的专用通道，通过对电压波形的正、负半周波积分算法直接计算U/f值，算法精度不受频率变化影响。半周波积分算法自动滤除偶次谐波。该算法数学关系明确，精度高，谐波影响小，计算量少，实时性好。

采用参数变换后的多折线或阶梯线拟合反时限曲线的累积值越限判别算法，克服常规时间比较式(t_j≥t_s)反时限算法中无法准确反映U/f值动态变化过程的缺陷。能准确反映U/f动态变化过程中历史值的累积影响。同时也实现折线和阶梯线拟合反时限曲线的算法统一。该算法简单，使反时限曲线保护不仅是反映静态值的反时限，而且是能反映测量值动态变化过程的反时限，保护动作判别更加科学、准确。

Claims (4)

1.一种半波积分累积式反时限过励磁保护方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)对电压互感器进行适时采样得到电压瞬时值；

2)利用低通滤波，滤除大于150Hz的谐波电压信号，再通过正、负半周波积分叠加算法适时计算过励磁特征量U/f值；

3)离散实际过励磁反时限曲线，并用多折线或阶梯线实现曲线拟合；

4)在多折线或阶梯线条件下，采用反映过励磁动态变化过程的参数变换，使得不同U/f值下折线或阶梯线具有相同的动作边界；

5)根据变化的U/f值，实时累加变换参数值，再进行边界越限判别，完成保护动作出口和发信号。

2.根据权利要求1所述的半波积分累积式反时限过励磁保护方法，其特征在于，在所述步骤2)中，电压波形正、负半周波积分叠加计算U/f值的计算过程为：

电压信号表达式： $u=\sqrt{2}U\sin (2\mathrm{\&pi;ft}+\mathrm{\&theta;});$

(θ＝0正半波或θ＝π负半波)；

θ为电压信号初相位；

U/f＝(|U/f|_前半波+|U/f|_后半波)/2；

采样条件下：

同理可求

实时求得U/f＝(|U/f|_前半波+|U/f|_后半波)/2；

其中，y0，y1，…yn…ym为采样点值，过零判别正半周连续采样点值为y1，y2，y3，…yn-1，负半周连续采样点值为yn，yn+1，yn+2，…ym-1，ΔT：采样周期，S1、S2：电压波形正、负半周积分面积。

3.根据权利要求1所述的半波积分累积式反时限过励磁保护方法，其特征在于：在所述步骤3)中，采用多折线或阶梯线来拟合反时限曲线，将发电机或变压器的实际反时限曲线分成m段，对应的坐标点分别是：

{(k₀，t₀)，(k₁，t₁)，……，(k_m，t_m)；且k_n-1＜k_n，n＝1，2，3，…}各段折线数学描述：第n条折线的表达式为

$t=\frac{k-k_{n-1}}{k_n-k_{n-1}}*(t_n-t_{n-1})+t_{n-1};$

各段阶梯线数学描述：第n条阶梯线的表达式为：t＝t_n；

令第n条折线或阶梯线的通式为

其中

U_e：额定电压，f：额定频率，t：与k值对应的反时限动作时限。

4.根据权利要求3所述的半波积分累积式反时限过励磁保护方法，其特征在于：在所述步骤4至5)中，采用参数变换，实现累积值越限判别算法：

令 $S=\frac{m*t}{a_{n}k+b_n},(m>0,k_{n-1}\&le;k\&le;k_n,n=\mathrm{1,2.3})$

$\mathrm{dS}=\frac{m*\mathrm{dt}}{a_{n}k+b_n}...\left(5\right)$

因此对于拟合曲线内的任意k值，均有

(常数)；

由式(5)得s增量计算表达式：

其中；(m＞0，k_n-1≤k_i＜k_n，n＝1，2.3)

S累积值表达式： $S_i=\mathrm{\&Sigma;\&Delta;}{S}_i=\mathrm{\&Sigma;}\frac{m*\mathrm{\&Delta;}{t}_i}{a_n{k}_i+b_n};$

k＜k₀时，设初值S_i＝0＝0；ΔS_i＝0＝0；

k≥k₀时，计算累积值 $\mathrm{\&Delta;}{S}_i=\frac{m*\mathrm{\&Delta;}{t}_i}{a_n{k}_i+b_n}(m>0,k_{n-1}\&le;k_i<k_n,n=\mathrm{1,2,3},...);$

S_i＝S_i-1+ΔS_i；

保护动作方程为：S_i≥m(m＞0)；

其中：S：描述反时限曲线的变换参数；

i：k≥k₀后的k值计算次数，k＜k₀时i＝0；

k_i：第i次计算的k值；

Ue：额定电压，fe：额定频率；

Δt_i：第i次计算k值的时间增量；

ΔS_i：Δt_i时间内的S增量；S_i：第i次计算S值；

m：正常数，根据数值计算精度，取值不小于1.0。

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