CN110120655A - 一种用于变频器后端电流通道的频率跟踪系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于变频器后端电流通道的频率跟踪系统及方法，包括变频器(1)、被保护电动机(2)、机端一次保护CT(3)、中性线一次保护CT(4)、机端二次保护CT(5)、中性线二次保护CT(6)、测频专用CT(7)以及变频电动机差动保护单元(8)，通过变频器后端的电流信号进行测频，无需额外添加电压互感器；利用过零点测频和傅里叶测频算法相结合，解决谐波占比大时过零点测频不准，而频率变化范围广时傅里叶无法测频的问题；本发明可以满足变频器电动机在任何负载和工作频率下的精确测频以及进行自动频率跟踪采样，为变频电动机差动保护提供可靠数据的要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于变频器后端电流通道的采样频率跟踪系统及方法，属于电力技术领域。
背景技术
在电厂及工业企业中，变频电动机是必不可少的一次设备，特别是在国家节能减排政策的引导下，变频电动机的使用越来越多。按照《DL/T 5153火力发电厂厂用电设计技术规程》的要求，对于2000kW以上及2000kW以下电流速断保护灵敏性不满足要求的电动机必须装设差动保护，但是变频器装置一般并不提供差动保护功能，因此需要另设保护装置给变频器后端的电动机提供差动保护。该差动保护使用的电动机机端和中性点的差流进行差动保护计算，差动保护是基于电流和采样频率基础之上的，由于变频器输出的电流频率范围较广(10～60Hz)，因此只有正确进行频率跟踪才能正确计算出差流，并进行差动保护逻辑处理。如果频率计算不准，则采用该频率跟踪采样出来的差流也是不准确的，从而影响保护的动作可靠性。
常规测频方法一般都采用过零点测频，可以是硬件过零点或软件过零点测频，通过计算两次交流信号过零点的时间宽度计算其频率。但是该方法受谐波影响较大，在高次谐波占比较大情况下，过零点的时间宽度无法精确测量，从而计算出的频率偏差将会较大。并且过零点测频一般要用于幅值变化不大的交流信号，如电压量。对于电流量，由于其变化范围较大，电机轻载、重载以及故障情况下，电流幅值均会有很大不同，如果仍然使用过零点测频，则无法满足采样精度要求。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种用于变频器后端电流通道的频率跟踪系统及方法，满足变频器电动机在任何负载和工作频率下的精确测频以及进行自动频率跟踪采样。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种用于变频器后端电流通道的频率跟踪系统，包括变频器(1)、被保护电动机(2)、机端一次保护CT(3)、中性线一次保护CT(4)、机端二次保护CT(5)、中性线二次保护CT(6)、测频专用CT(7)以及变频电动机差动保护单元(8)，被保护电动机(2)由变频器(1)负责供电。机端一次保护CT(3)接在被保护电动机(2)与变频器(1)之间，将被保护电动机(2)的机端三相电流转换为二次电流信号一，中性线一次保护CT(4)接在被保护电动机(2)中性线上，将被保护电动机(2)中性线三相电流转换为二次电流信号二，其变比与机端一次保护CT(3)一致。机端二次保护CT(5)接入机端一次保护CT(3)的二次电流信号一，中性线二次保护CT(6)接入中性线一次保护CT(4)的二次电流信号二，测频专用CT(7)接入机端一次保护CT(3)的二次电流信号一，机端二次保护CT(5)、中性线二次保护CT(6)、测频专用CT(7)测得的信号输入到变频电动机差动保护单元(8)的AD电路中，AD电路对这些信号进行采样。变频电动机差动保护单元(8)根据测频专用CT(7)采样的电流信号进行频率计算，并动态调整采样频率。同时根据机端二次保护CT(5)、中性线二次保护CT(6)各自的ABC三相电流信号进行差流计算以便实现分相差动保护。
优选的：机端一次保护CT(3)、中性线一次保护CT(4)均为互感器。
优选的：二次电流信号一的额定为5A或1A。
优选的：机端二次保护CT(5)和中性线二次保护CT(6)需要满足20倍In下测量精度的要求。
优选的：测频专用CT(7)满足1.2In下测量精度的要求。
一种用于变频器后端电流通道的频率跟踪方法，包括以下步骤：
步骤S1：变频电动机差动保护单元(8)的AD电路首先采样三相测频专用CT(7)输出的信号，采样点的值分别标记为ia、ib、ic，计算if＝ia+ib-ic，以if作为测频数据输入，这样任一路或两路CT断线情况下也能够保证测频算法工作正常。
步骤S2：使用过零点测频算法，计算出测频数据输入if大概的频率值，假设计算出的频率值为f1。
步骤S3：切换变频电动机差动保护单元(8)的AD电路采样频率为36×f1，并以该采样频率采样至少2个周波的数据，从而得到测频数据if1。
步骤S4、采用傅里叶测频算法对if1数据进行测频计算，得出初步的频率值f2。
步骤S5、切换变频电动机差动保护单元(8)的AD电路采样频率为36×f2，并以该采样频率采样至少2个周波的数据，从而得到测频数据if2。
步骤S6、重复步骤S4和步骤S5，逐次逼近，并得到最终的频率值f。
步骤S7、采用该频率值f进行跟踪采样机端二次保护CT(5)和中性线二次保护CT(6)的电流值，并完成差动保护计算。
优选的：所述步骤S1中变频电动机差动保护单元(8)的AD电路首先按每周波36点采样三相测频专用CT(7)输出的信号。
本发明相比现有技术，具有以下有益效果：
本发明直接通过变频器后端的电流信号进行测频，无需额外添加电压互感器。采用高精度的测频专用CT解决电动机正常运行时由于普通二次保护CT变比较大，转换后的数字信号量较小，而影响常规软件测频精度的问题。利用过零点测频和傅里叶测频算法相结合，解决谐波占比大时过零点测频不准，而频率变化范围广时傅里叶无法测频的问题。本发明可以满足变频器电动机在任何负载和工作频率下的精确测频以及进行自动频率跟踪采样，为变频电动机差动保护提供可靠数据的要求。
附图说明
图1为本发明的电气原理图和接线示意图。
图中：1–变频器。2–被保护电动机。3–机端一次保护CT。4–中性线一次保护CT。5–机端二次保护CT。6–中性线二次保护CT。7–测频专用CT(三相)。8–变频电动机差动保护单元。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
一种用于变频器后端电流通道的频率跟踪系统，如图1所示，包括变频器1、被保护电动机2、机端一次保护CT3、中性线一次保护CT4、机端二次保护CT5、中性线二次保护CT6、测频专用CT7以及变频电动机差动保护单元8，机端一次保护CT3用于采集变频器后端电动机机端的电流信号，中性线一次保护CT4用于采集变频器后端电动机中性线电流信号。
被保护电动机2由变频器1负责供电。机端一次保护CT3(电流互感器)接在被保护电动机2与变频器1之间，将被保护电动机2的机端三相电流转换为二次电流信号一，二次电流信号一的额定为5A或1A。中性线一次保护CT4(电流互感器)接在被保护电动机2中性线上，将被保护电动机2中性线三相电流转换为二次电流信号二，其变比与机端一次保护CT3一致。机端二次保护CT5接入机端一次保护CT3的二次电流信号一，将二次电流信号一转换为变频电动机差动保护单元8可通过AD进行采样的电压信号，中性线二次保护CT6接入中性线一次保护CT4的二次电流信号二，将二次电流信号二转换为变频电动机差动保护单元8可通过AD进行采样的电压信号，测频专用CT7接入机端一次保护CT3的二次电流信号一，机端二次保护CT5、中性线二次保护CT6、测频专用CT7测得的信号输入到变频电动机差动保护单元8的AD电路中，AD电路对这些信号进行采样。变频电动机差动保护单元8根据测频专用CT7采样的电流信号进行频率计算，并动态调整采样频率。同时根据机端二次保护CT5、中性线二次保护CT6各自的ABC三相电流信号进行差流计算以便实现分相差动保护。
机端二次保护CT 5和中性线二次保护CT 6一般变比均较大，需要满足20倍In下测量精度的要求。测频专用CT 7接入机端一次保护CT 3的二次电流信号，测频专用CT使用高精度的测量二次CT，变比较小，一般满足1.2In即可。
本发明的重点是正确测量变频器输出端的电流频率，由于该电流的频率范围变化较大，一般为10～60Hz。并且由于变频器的特性，该输出电流上均叠加了一定的高次谐波，使用普通的测频算法无法精确测量该频率。本发明结合使用软件过零点和傅里叶测频算法，对测频专用二次CT 7输出的信号进行频率测量和跟踪，具体测频处理逻辑如下：
步骤S1：变频电动机差动保护单元8的AD电路首先按每周波36点采样三相测频专用CT 7输出的信号，采样点的值分别标记为ia、ib、ic，计算if＝ia+ib-ic，以if作为测频数据输入，这样任一路或两路CT断线情况下也能够保证测频算法工作正常。
步骤S2：由于当前变频器1的输出频率并不一定是50Hz，因此如果直接采用傅里叶测频是无法计算出正确频率的，此时，需要首先使用过零点测频算法，计算出测频数据输入if大概的频率值，假设计算出的频率值为f1。
步骤S3：切换变频电动机差动保护单元8的AD电路采样频率为36×f1，并以该采样频率采样至少2个周波的数据，从而得到测频数据if1。
步骤S4、采用傅里叶测频算法对if1数据进行测频计算，得出初步的频率值f2。
步骤S5、切换变频电动机差动保护单元8的AD电路采样频率为36×f2，并以该采样频率采样至少2个周波的数据，从而得到测频数据if2。
步骤S6、重复步骤S4和步骤S5，逐次逼近，并得到最终的频率值f。
步骤S7、采用该频率值f进行跟踪采样机端二次保护CT5和中性线二次保护CT6的电流值，并完成差动保护计算。
本发明简单有效，响应速度快，可靠性高，适用频率范围广(10～60Hz)，二次电流在0.05In～1.2In范围内均能精确测频，即使电流上叠加了较高的谐波分量也能够正确算出频率值，有较好的适应性，完全满足变频器差动保护对于频率跟踪的要求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种用于变频器后端电流通道的频率跟踪系统，其特征在于：包括变频器(1)、被保护电动机(2)、机端一次保护CT(3)、中性线一次保护CT(4)、机端二次保护CT(5)、中性线二次保护CT(6)、测频专用CT(7)以及变频电动机差动保护单元(8)，被保护电动机(2)由变频器(1)负责供电；机端一次保护CT(3)接在被保护电动机(2)与变频器(1)之间，将被保护电动机(2)的机端三相电流转换为二次电流信号一，中性线一次保护CT(4)接在被保护电动机(2)中性线上，将被保护电动机(2)中性线三相电流转换为二次电流信号二，其变比与机端一次保护CT(3)一致；机端二次保护CT(5)接入机端一次保护CT(3)的二次电流信号一，中性线二次保护CT(6)接入中性线一次保护CT(4)的二次电流信号二，测频专用CT(7)接入机端一次保护CT(3)的二次电流信号一，机端二次保护CT(5)、中性线二次保护CT(6)、测频专用CT(7)测得的信号输入到变频电动机差动保护单元(8)的AD电路中，AD电路对这些信号进行采样；变频电动机差动保护单元(8)根据测频专用CT(7)采样的电流信号进行频率计算，并动态调整采样频率；同时根据机端二次保护CT(5)、中性线二次保护CT(6)各自的ABC三相电流信号进行差流计算以便实现分相差动保护。
2.根据权利要求1所述用于变频器后端电流通道的频率跟踪系统，其特征在于：机端一次保护CT(3)、中性线一次保护CT(4)均为互感器。
3.根据权利要求1所述用于变频器后端电流通道的频率跟踪系统，其特征在于：二次电流信号一的额定为5A或1A。
4.根据权利要求1所述用于变频器后端电流通道的频率跟踪系统，其特征在于：机端二次保护CT(5)和中性线二次保护CT(6)需要满足20倍In下测量精度的要求。
5.根据权利要求1所述用于变频器后端电流通道的频率跟踪系统，其特征在于：测频专用CT(7)满足1.2In下测量精度的要求。
6.一种基于权利要求1所述的用于变频器后端电流通道的频率跟踪系统的频率跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：变频电动机差动保护单元(8)的AD电路首先采样三相测频专用CT(7)输出的信号，采样点的值分别标记为ia、ib、ic，计算if＝ia+ib-ic，以if作为测频数据输入，这样任一路或两路CT断线情况下也能够保证测频算法工作正常；
步骤S2：使用过零点测频算法，计算出测频数据输入if大概的频率值，假设计算出的频率值为f1；
步骤S3：切换变频电动机差动保护单元(8)的AD电路采样频率为36×f1，并以该采样频率采样至少2个周波的数据，从而得到测频数据if1；
步骤S4、采用傅里叶测频算法对if1数据进行测频计算，得出初步的频率值f2；
步骤S5、切换变频电动机差动保护单元(8)的AD电路采样频率为36×f2，并以该采样频率采样至少2个周波的数据，从而得到测频数据if2；
步骤S6、重复步骤S4和步骤S5，逐次逼近，并得到最终的频率值f；
步骤S7、采用该频率值f进行跟踪采样机端二次保护CT(5)和中性线二次保护CT(6)的电流值，并完成差动保护计算。
7.根据权利要求6所述频率跟踪方法，其特征在于：所述步骤S1中变频电动机差动保护单元(8)的AD电路首先按每周波36点采样三相测频专用CT(7)输出的信号。
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