CN108092234A - 适用于变频电动机的差动保护方法和装置 - Google Patents
适用于变频电动机的差动保护方法和装置 Download PDFInfo
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Abstract
一种适用于变频电动机的差动保护方法和装置。其中差动保护方法，将变频电动机机端侧电流和中性点侧电流分别经各侧有源CT隔离变换为保护设备可采集范围内的交流信号，或者经磁平衡CT将差流隔离变换为保护设备可采集范围内的交流信号，经AD采样得到交流两通道的离散采样值；采样值预处理单元对采样值进行消除直流分量处理，并计算间接交流量通道的采样值并取绝对值；经预处理的采样值通过继电器动作逻辑单元输出启动标志，启动标志经继电器延时逻辑单元输出动作标志，同时继电器动作逻辑单元受CT断线检测单元有条件闭锁。本发明节省了大量的硬件资源，降低了产品的最终成本。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统继电保护领域，特别涉及适用于变频电动机差动保护的采样值算法和保护继电器设计。
背景技术
当前高压变频技术在发电厂被广泛应用，高压电动机加变频器后，由于传统CT饱和以及保护算法不适用于变频运行情况，常规差动保护不得不退出运行，造成电动机主保护缺失，使得变频器驱动下的电动机保护出现了新的问题。对于容量大于2MW的电动机，原配置的差动保护用CT分别位于变频器和电动机的两侧，即一侧CT输入工频的交流量，另一侧CT则输入大范围变频交流量，基于工频付氏算法的差动保护不能满足新的应用要求，在变频启动时经常误动。
为了解决这个问题，目前针对变频电动机的差动保护方案主要涉及两种方法：一种方法是基于变数据窗口的傅氏算法的来设计差动保护继电器，此方法依赖准确的测量交流量频率以确定傅氏算法数据窗口宽度，但高压变频电动机的运行特点决定交流量中含有丰富谐波，通过变数据窗口的傅氏算法得到的交流量幅值精度并不理想。另一种方法则采用HHT变换，求得主能量波形的向量表达，通过实部、虚部计算幅值和频率，进而来设计差动保护继电器，此方法通过多次HHT变换基本可以得到光滑的接近基波的波形，而且频率和幅值也容易计算，但计算量的增大对于硬件要求较高，成本明显增加。
以上两种方法存在的主要问题是受谐波影响大和产品成本大幅增加。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种适用于变频电动机差动保护的采样方法，解决变频电动机本体保护的技术难题，降低了保护设备的制造成本，完成对变频电动机的快速、准确保护。
本发明的另一目的在于提供一种适用于变频电动机的差动保护装置，解决变频电动机本体保护的技术难题，降低了保护设备的制造成本，完成对变频电动机的快速、准确保护。
本发明的目的可以这样实现，设计一种适用于变频电动机的差动保护方法，包括以下步骤：
A、将变频电动机机端侧电流和中性点侧电流分别经各侧有源CT隔离变换为保护设备可采集范围内的交流信号，或者经磁平衡CT将差流隔离变换为保护设备可采集范围内的交流信号，经AD采样得到交流两通道的离散采样值；
B、采样值预处理单元对采样值进行消除直流分量处理，并计算间接交流量通道的采样值，并取绝对值；
C、经预处理的采样值通过继电器动作逻辑单元输出启动标志，启动标志经继电器延时逻辑单元输出动作标志，同时继电器动作逻辑单元受CT断线检测单元有条件闭锁。
进一步地，预处理包括对原始采样值做消直流和取绝对值处理以及中间量计算；
直流量基于公式计算，A(i)为原始采样值；
原始采样值经消直流处理后，通过差流值计算公式Id(i)＝I机端(i)+I中性点(i)得出差流值，制动电流值计算公式得出制动电流值，零序电流值计算公式3Io(i)＝Ia(i)+Ib(i)+Ic(i)得出零序电流值；
零序电流值作为本单元的输出Y(i)。
进一步地，瞬间动作单元输出的离散表达式为：
SSta的结果作为瞬时动作单元的输出，其离散表达式为：
式中:Iset为继电器的门槛定值(有效值)，
进一步地，延时动作单元的输出公式为：
式中，NAct为SSta连续动作点数，其大小依据延时继电器SAct动作允许的最小延时确定。tk，tj分别为第k，j个动作点的时刻，Tmax为继电器SAct允许的最大动作延时，其大小依据电流最大周期确定。
进一步地，比率差动的公式为：
其中SAct(i)表示以Id(i)和Iset作为动作单元的输入，k为差动比率系数定值。
进一步地，CT断线检测单元分别将机端侧和中性点侧零序电流3Io(i)作为瞬时动作单元的输入，门槛取0.5·Iset+max(Ia(i),Ib(i),Ic(i))来判定机端侧和中性点侧是否存在零序电流，仅一侧出现零序电流将瞬时闭锁比率差动单元。
本发明的保护方法避免了使用与频率强相关的傅氏算法计算交流量幅值；基于采样值的加权算法，节省了大量的硬件资源，降低了产品的最终成本。
本发明的另一目的可以这样实现，设计一种适用于变频电动机差动的保护装置，包括交流量归整单元、采样值预处理单元、瞬时动作单元、延时动作单元、比率差动单元、CT断线检查单元，其中，
交流量归整单元，用于将一次交流量转换为二次设备可采集识别范围内的交流量，采用有源补偿磁平衡式CT作为保护装置交流量采集单元的输入，规定机端侧和中性点侧CT极性相同，均以流入电动机为正，本单元保证了交流信号的波形完整性；
采样值预处理单元，本单元对原始采样值进行预处理，对原始采样值做消直流和取绝对值处理；
瞬时动作单元，本单元以预处理单元输出的采样值作为输入值作瞬时动作处理后输出；
延时动作单元，本单元将瞬时动作单元的输出值作为输入值，用于构建多个保护继电器；
比率差动单元，本单元包括比率制动条件和差流门槛条件，同时满足则比率差动动作；
CT断线检查单元，CT断线时闭锁比率差动单元。
本发明的保护装置具备更高的可靠性和更高的保护性能，为变频电动机本体快速差动保护提供了经济可靠的解决方案。
附图说明
图1是本发明较佳实施例的变频电动机比率差动保护原理图；
图2是本发明较佳实施例的变频电动机磁平衡差动保护原理图；
图3是本发明较佳实施例的半周波内继电器动作点数与电流频率的关系图；
图4是本发明较佳实施例的半周波内继电器动作时间与电流频率的关系图；
图5是本发明较佳实施例的半周波内继电器动作延时与电流频率的关系图；
图6是本发明较佳实施例的含5％3、5、7、9、13次谐波的电流波形图；
图7是本发明较佳实施例的含5％谐波时半周波内继电器动作延时与电流频率的关系图；
图8是本发明较佳实施例的继电器在不同电流频率下的定值精度图；
图9是本发明较佳实施例的继电器在不同电流频率下的定值精度图。
图10是本发明较佳实施例的连接关系图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步的描述。
一种适用于变频电动机的差动保护方法，将变频电动机机端侧电流和中性点侧电流分别经各侧有源CT隔离变换为保护设备可采集范围内的交流信号，或者经磁平衡CT将差流隔离变换为保护设备可采集范围内的交流信号，经AD采样得到交流两通道的离散采样值；采样值预处理单元对采样值进行消除直流分量处理，并计算间接交流量通道的采样值，例如差流，制动电流等，并取绝对值；经预处理的采样值通过继电器动作逻辑单元输出启动标志，启动标志经继电器延时逻辑单元输出动作标志，同时继电器动作逻辑单元受CT断线检测单元有条件闭锁。
电动机由工频电源驱动改为使用变频器驱动后，其稳定运行频率范围由固定的50Hz，变为[fmin,fmax]，传统CT可能不具备100％抗直流能力，频率较低时易饱和，需采用基于有源补偿磁平衡原理的CT对机端侧和中性点侧的交流电流的进行转换，采集单元采集经转换的电流信号，其原理结构如图1。
上式的离散表达为，
其中Yi为第i个经过预处理单元处理后的采样值，Iset为继电器的门槛定值(有效值)，继电器的门槛定值的确定原则为：避开稳定运行时由于测量回路测量误差导致的差流值。
预处理包括对原始采样值做消直流和取绝对值处理，以及中间量计算。直流量基于公式计算，A(i)为原始采样值，原始采样值经消直流处理后，通过公式Id(i)＝I机端(i)+I中性点(i)计算差流值，公式计算出制动电流值，公式3Io(i)＝Ia(i)+Ib(i)+Ic(i)计算出零序电流值，作为本单元的输出Y(i)。
则SSta的结果作为瞬时动作单元的输出，其离散表达如下：
为提高过量动作继电器的快速性，和定值门槛的准确性，综合考虑瞬时动作继电器SSta的特性，经延时继电器SAct如下式，其结果作为延时动作单元的输出。
式中，NAct为SSta连续动作点数，其大小依据延时继电器SAct动作允许的最小延时确定。tk，tj分别为第k，j个动作点的时刻，Tmax为继电器SAct允许的最大动作延时，其大小依据电流最大周期确定。
比率差动逻辑使用瞬时动作单元和延时动作单元构建，本单元包括比率制动条件和差流门槛条件，如下式，其中SAct(i)表示以Id(i)和Iset作为动作单元的输入，k为差动比率系数定值，差动比率系数定值取值范围为：0.1～0.9。其值越小，动作区越大，制动区越小；其值越大，动作区越小，制动区越大。为保持动作的灵敏性和防误性能，差动比率系数定值通常取0.6。
CT断线检测单元是差动保护重要的条件闭锁单元，由瞬时动作单元构建，本单元将分别将机端侧和中性点侧零序电流3Io(i)作为瞬时动作单元的输入，门槛取0.5·Iset+max(Ia(i),Ib(i),Ic(i))来判定机端侧和中性点侧是否存在零序电流，仅一侧出现零序电流将瞬时闭锁比率差动单元。
图1、图2为本发明的具体应用原理框图，图1为变频电动机比率差动保护原理图，图2为变频电动机磁平衡差动保护原理。本实施例以图1所示原理构建，并适用图2所示的应用场景，变频电动机允许运行频率范围为5～70Hz，AD采样频率为fs＝2000点/秒。如图10所示，一种适用于变频电动机差动的保护装置，包括交流量归整单元、采样值预处理单元、瞬时动作单元、延时动作单元、比率差动单元、CT断线检查单元。
交流量规整单元，用于将一次交流量转换为二次设备可采集识别范围内的交流量；本单元原理框图如图1所示，采用有源补偿磁平衡式CT作为保护装置交流量采集单元的输入，规定机端侧和中性点侧CT极性相同，均以流入电动机为正，本单元保证了交流信号的波形完整性，是后续单元的基础。
采样值预处理单元，本单元对原始采样值进行预处理，对原始采样值做消直流和取绝对值处理。该单元对Ia机端(i)，Ib机端(i)，Ic机端(i)，Ia中性点(i)，Ib中性点(i)，Ic中性点(i)六个通道原始采样值进行预处理，以中性点侧A相电路为例，预处理结果如下式，
Ya中性点(i)＝Ya中性点(i)-Izl(i)
差动电流、制动电路、零序电流分别如下式，
Yda(i)＝|Ya机端(i)+Ya中性点(i)|
Y3Io中性点(i)＝|Ya中性点(i)+Yb中性点(i)+Yc中性点(i)|
瞬时动作单元，本单元以预处理单元输出的采样值作为输入值作瞬时动作处理后输出。本单元以预处理单元输出的相关交流量与对应定值作为输入，以中性点侧A相差流为例，其瞬时动作如下式：
延时动作单元，本单元将瞬时动作单元的输出值作为输入值，用于构建多个保护继电器。以中性点侧A相差流为例，延时动作如下式：
式中，允许的最小延时确定为5ms，则NAct＝0.005/(1/2000)＝10。为最大动作延时确定为Tmax＝1/5Hz＝200ms。
比率差动单元，本单元包括比率制动条件和差流门槛条件，同时满足则比率差动动作。本单元以瞬时动作单元的输出作为输入，用于构建保护继电器，以中性点侧A相差流为例，延时动作如下式：
CT断线检查单元，CT断线时闭锁比率差动单元。本单元分别取采样值Y3Io机端，定值取I3Ioset机端＝0.5·Iset+max(Ya机端(i),Yb机端(i),Yc机端(i))和采样值Y3Io中性点，定值取I3Ioset中性点＝0.5·Iset+max(Ya中性点(i),Yb中性点(i),Yc中性点(i))作为瞬时动作单元的输出，其动作逻辑如下式，CT断线时闭锁比率差动动作单元。
CT断线＝XOR(S3IoSta机端(i),S3IoSta中性点(i))
下面对本发明进行仿真测试，包括改算法对谐波的适应性。
图3中变频电动机差流有效值为1倍Iset，可以看出在5～70Hz的频率范围内，瞬时动作单元在每半周波有4～52个动作点。对应的动作时间如图4。图5显示频率在5～70Hz间变化，SdaAct的动作延时随频率变化规律，5Hz时动作延时为58ms，70Hz时动作延时为4ms。
图6为50Hz时，基波效值为1倍Iset，含5％3、5、7、9、13次谐波的波形。图7为谐波影响下SdaAct的动作延时特性，对比图5可以看出，5％的奇次谐波对本发明所提出的差动保护采样值算法几乎无影响。
图8为继电器在不同电流频率下的定值精度图，以瞬时动作点数衡量，可以看出差流有效值为0.95倍Iset时，可靠不动作。
图9为继电器在不同电流频率下的定值精度图，以瞬时动作点数衡量，可以看出差流有效值为1.05倍Iset时，可靠动作。
比率差动保护包含比率条件和差流条件，基于瞬时动作单元和延时动作单元构建。下面是基于本算法完成的保护装置比率差动动作时间测试数据。
综上所述，通过建模仿真以及实际测试对比，验证了本发明的有效性和优越性。
本发明填补了变频电动机差动保护的技术空白。相比传统以傅氏算法为基础计算差流幅值构建差动保护元件必须依赖频率测量的准确性，使用该继电器构建的差动保护元件避免了的与频率测量的强相关性；相比基于HHT变换求得差流主能量波形的向量表达，并通过实部、虚部进行较为精确的频率测量，本发明节约了大量硬件资源，降低了成本。以本发明构建的变频电动机差动保护在工程实践中性能优越，可靠性高，具有较高的经济价值。
以上内容仅为本发明的实施例，其目的并非用于对本发明所提出的系统及方法的限制，本发明的保护范围以权利要求为准。本领域技术人员在不偏离本发明的范围和精神的情况下，对其进行的关于形式和细节的种种显而易见的修改或变化均应落在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种适用于变频电动机的差动保护方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、将变频电动机机端侧电流和中性点侧电流分别经各侧有源CT隔离变换为保护设备可采集范围内的交流信号，或者经磁平衡CT将差流隔离变换为保护设备可采集范围内的交流信号，经AD采样得到交流两通道的离散采样值；
B、采样值预处理单元对采样值进行消除直流分量处理，并计算间接交流量通道的采样值，并取绝对值；
C、经预处理的采样值通过继电器动作逻辑单元输出启动标志，启动标志经继电器延时逻辑单元输出动作标志，同时继电器动作逻辑单元受CT断线检测单元有条件闭锁。
2.根据权利要求1所述的适用于变频电动机的差动保护方法，其特征在于：预处理包括对原始采样值做消直流和取绝对值处理以及中间量计算；
直流量基于公式计算，A(i)为原始采样值；
原始采样值经消直流处理后，通过差流值计算公式Id(i)＝I机端(i)+I中性点(i)得出差流值，制动电流值计算公式得出制动电流值，零序电流值计算公式3Io(i)＝Ia(i)+Ib(i)+Ic(i)得出零序电流值；
零序电流值作为本单元的输出Y(i)。
3.根据权利要求1所述的适用于变频电动机的差动保护方法，其特征在于，瞬间动作单元以预处理单元输出的采样值作为输入值，采样值大于Iset时，Iset为继电器的门槛定值，实时计算波形采样值均值Iavg(i)为：
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SSta的结果及其变形形式的输出值作为瞬时动作单元的输出值。
4.根据权利要求1所述的适用于变频电动机的差动保护方法，其特征在于，延时动作单元的输出公式为：
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式中，NAct为SSta连续动作点数，其大小依据延时继电器SAct动作允许的最小延时确定；tk，tj分别为第k，j个动作点的时刻，Tmax为继电器SAct允许的最大动作延时，其大小依据电流最大周期确定。
5.根据权利要求1所述的适用于变频电动机的差动保护方法，其特征在于，比率差动的公式为：
其中SAct(i)表示以Id(i)和Iset作为动作单元的输入，k为差动比率系数定值，差动比率系数定值取值范围为：0.1～0.9。
6.根据权利要求1所述的适用于变频电动机的差动保护方法，其特征在于：CT断线检测单元分别将机端侧和中性点侧零序电流3Io(i)作为瞬时动作单元的交流量输入值，对应极端侧和中性点侧取门槛输入为0.5·Iset+max(Ia(i),Ib(i),Ic(i))来判定机端侧和中性点侧是否存在零序电流，仅一侧出现零序电流将瞬时闭锁比率差动单元。
7.一种适用于变频电动机差动的保护装置，其特征在于：包括交流量归整单元、采样值预处理单元、瞬时动作单元、延时动作单元、比率差动单元、CT断线检查单元，其中，
交流量归整单元，用于将一次交流量转换为二次设备可采集识别范围内的交流量，采用有源补偿磁平衡式CT作为保护装置交流量采集单元的输入，规定机端侧和中性点侧CT极性相同，均以流入电动机为正，本单元保证了交流信号的波形完整性；
采样值预处理单元，本单元对原始采样值进行预处理，对原始采样值做消直流和取绝对值处理；
瞬时动作单元，本单元以预处理单元输出的采样值作为输入值作瞬时动作处理后输出；
延时动作单元，本单元将瞬时动作单元的输出值作为输入值，用于构建多个保护继电器；
比率差动单元，本单元包括比率制动条件和差流门槛条件，同时满足则比率差动动作；
CT断线检查单元，CT断线时闭锁比率差动单元。
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|---|---|---|---|---|
| CN109066586A (zh) * | 2018-09-19 | 2018-12-21 | 南京南瑞继保电气有限公司 | 一种磁平衡的串联变压器纵联零序差动保护方法及装置 |
Citations (3)
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| CN101908753A (zh) * | 2010-07-06 | 2010-12-08 | 北方联合电力有限责任公司 | 自动适应变频电机的电流差动保护方法 |
| CN101976820A (zh) * | 2010-08-31 | 2011-02-16 | 南京南瑞继保电气有限公司 | 变频电动机保护采样信号处理方法 |
| CN106786385A (zh) * | 2016-12-13 | 2017-05-31 | 南京国电南自电网自动化有限公司 | 一种适合于变频电动机的差动保护方法 |
-
2017
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