CN110383622A - 使用转差频率计算的电气系统保护策略 - Google Patents

Abstract

一种电气系统，包括多个同步电机以及电子控制单元，该电子控制单元被构造为使诸如将电机耦合在一起的继电器的断路机构可控制地跳闸。控制单元执行控制逻辑以响应于由功率摆动引起的同步电机之间的转差频率来选择跳闸选项。

Description

使用转差频率计算的电气系统保护策略

背景技术

本申请总体上涉及电气系统的保护，并且更具体地涉及以响应于在功率摆动期间的电磁机之间的转差频率的方式而使断路机构可控制地跳闸。

诸如发电机和电动机的同步电机以及采用多个耦合在一起的同步电机的相关系统是众所周知的并且被广泛使用。虽然在耦合在一起的机器中通常允许一些对于转子角度的微小差异和波动，但是向公共电网或网络馈电或者从公共电网或网络接收电力的多个电磁机通常旨在以完全同步状态的相对小的容差内进行操作。电气系统的变化，诸如故障、由于线路跳闸导致的网络变化、以及大负载或发电厂的断开连接或连接，通常要求在线同步机调整并稳定到新的稳定状态。在一些情况下，功率摆动足够大以使得同步电机中的一个或多个可能失步并失去同步。这种系统通常配备有继电器等，其被构造为将电气系统的某些机器或部分与该电气系统的某些其它机器或部分解耦合。然后，电气系统的分离部分最终可以稳定到稳定状态而不是导致可能的整个系统的崩溃，或者可以以受控方式关闭子部分以进行维修。

与已经被观察到有时实际上促使系统崩溃的、依赖于断路器等的不受控制的跳闸相反，已经提出了用于至少暂时地闭锁跳闸功能的各种不同控制策略，并且这些控制策略被广泛使用。这些已知的策略相对于某些应用存在各种缺点。

披露内容

为了清楚、简明和准确地描述本发明的示例性实施例及其制作和使用的方式和过程，并且为了实现本发明的示例性实施例的实践、制作和使用，现在将参考包括图中所示的那些实施例的某些示例性实施例，并且将使用特定语言来描述这些示例性实施例。然而应当理解，由此不会产生对本发明范围的限制，并且本发明包括并保护本领域技术人员将想到的对该示例性实施例的这种改变、修改和进一步应用。

发明内容

一个实施例是独特的方法，该方法用于响应于耦合在一起的电机之间的转差频率而可控制地并自适应地执行电气系统中的跳闸功能。

附图说明

图1是根据一个实施例的电气系统的示意图；

图2是根据一个实施例的控制特性的图；

图3是图示根据一个实施例的示例控制逻辑的流程图；以及

图4是将根据本公开的自适应跳闸策略的特征与已知策略进行比较的概念图示。

具体实施方式

虽然已经在附图和前面的描述中详细说明并描述了本发明，但是它们同样被认为是说明性的而不是限制性的，应当理解，仅已经示出和描述了某些示例性实施例并且所有的变化和修改都落在期望被保护的本发明的精神内。应该理解的是，虽然在上面的描述中使用诸如优选、优选地、优选的或更优选等词语表示如此描述的特征可能是更期望的，但是该特征可能不是必需的，并且可以设想落在由后面权利要求所限定的本发明的范围以内的缺少该特征的实施例。在阅读权利要求时，意图是当使用诸如“一”、“一个”、“至少一个”或“至少一个部分”等词语时，并不旨在将权利要求限制为仅一个项目，除非在权利要求中特别说明相反。当使用语言“至少一部分”和/或“一部分”时，该项目可以包括一部分和/或整个项目，除非特别说明相反。

参照图1，示意性地示出了本质上为两机系统的电气系统10，该电气系统10具有与第二发电机14电耦合的第一发电机12，其中发电机12和14馈送第一母线16和第二母线18。诸如继电器20的断路机构被耦合在发电机12与14之间，并且可以被定位在母线16与18之间。机构20可以是其操作方面通常是众所周知的常规的保护继电器，并且包括计算机以便能够针对从以下描述中将显而易见的目的而编程。在所示实施例中，电气系统10可以被理解为包括多个不同的子部分或子系统，该子部分或子系统包括第一子系统22、第二电气子系统26和第三子系统24，第一子系统22包括发电机12并且具有阻抗分量Z_s，第二电气子系统26包括发电机14并且具有阻抗分量Z_R，并且在第三子系统24中设置有继电器20并且第三子系统24具有阻抗成分Z_L。电气系统10可以包括被构造用于同步操作的大于二的任何数目的同步电机，而不是两机系统。例如，系统10可以为发电厂或工业设施、或者为发电厂或工业设施的一部分。

尽管未具体示出，但是发电机12和14中的每个发电机将被理解为包括转子和定子。在操作期间，通常期望发电机12和14的转子以相同的速度同步旋转，并且使得两个发电机之间的相位角保持小于90°。如上所述，在各种情况下，发电机12和14的转子角中的一者或两者可以通过由负载变化、故障和其它计划的或计划外的干扰引起的制动力或加速力而被扰动。在一些情况下，在发电机12和14变为异步的情况下，它们最终可以恢复到稳定状态或其它稳定的操作状况。在其它情况下，发电机12和14、或任何其它作为系统10的一部分的同步电机不能恢复。如从以下描述中将进一步显而易见的，本公开提供用于使断路机构20跳闸、以及使机构20延迟或以其它方式使机构20可控制地跳闸的独特策略，以便在不需要解耦合发电机12和14的情况下为系统10提供恢复的机会，并且还提供为确保操作以尽可能平滑和可预测的方式继续的、对于继电器20跳闸或不跳闸的方式和定时进行优化的独特策略。

为此，系统10还包括控制系统29，控制系统29具有电子控制单元30以及与电子控制单元30耦合的多个感测机构，电子控制单元30包括计算机和存储程序指令的计算机可读存储器。在实际实施策略中，感测机构32可以是电压传感器并且感测机构34可以是电流传感器，每个感测机构都被构造成监测电压或电流主题属性的幅度并且向电子控制单元34提供指示该幅度的数据。因此，控制系统29被构造成监视系统10的各种电气参数的状态，其包括耦合母线16和18以及因此耦合机器12和14的电路25中的电压和电流。如本文进一步讨论的，这使得电子控制单元30能够计算阻抗或阻抗估计，该阻抗或阻抗估计可以被用于确定或估计如本文进一步讨论的阻抗轨迹，以用于确定机构20将被操作或不被操作的方式以使发电机12和14彼此电解耦合。

现在还参照图2，示出了根据本公开的用于控制和操作系统10的各种控制特性的图40。纵坐标表示电抗“X”，而横坐标表示电阻“R”。角度Φ是线路或系统阻抗角，Z1是阻抗轨迹，以及Θ是Z1的相位角。还可以看出，图40包括监督mho圆(supervisory mho circule)和左右双遮挡(double blinders)组，每组双遮挡包括外遮挡Ob和内遮挡Ib。OBr表示外遮挡电阻设置或值，IBr表示内遮挡电阻设置。R1i和X1i是在所识别的内遮挡处测量的正序电阻和电抗，而R1o和X1o是在外遮挡处测量的正序电阻和电抗。δ_o是外遮挡在两个内部机器电压之间的交叉点处的角度。从图2中，δ_o为分别由在M和N侧上的两个机器看去的阻抗Z_m与Z_n之间的角度，而δ_i是在内遮挡IB的阻抗轨迹交叉点处的类似定义的角度。本文中提及的由阻抗轨迹限定的角度或阻抗轨迹的角度通常是指以与前述描述一致的方式确定的角度，尽管可以设想在一些情况下可能利用由阻抗轨迹相对于控制特性形成、而不是相对于双遮挡形成的一个或多个角度。图40可以并且可能将包括附加的控制特性和区域，该附加的控制特性和区域如果由阻抗轨迹Z₁进入，则将被解释为要求各种控制动作、诸如继电器跳闸或失步闭锁。本领域技术人员将熟悉同心圆、偏移圆、多边形以及通常在监督mho圆内部的可能的其它特征，其可以指示发电机中的故障、变压器中的故障或其它证明在电气系统中独立于其它控制特性而使耦合电磁机的继电器跳闸的现象。例如，在指示发电机故障的情况下，给予该发电机返回同步的机会将是不必要的并且可能是不希望的，因为这通常是不可能的。可以由用户自行决定在图40中使用这种控制特性，并且这种控制特性将取决于电气系统10的组成和应用以及用户偏好。

因此，显而易见的是，阻抗轨迹Z1将采取取决于在操作电气系统10期间发生的功率摆动或故障的性质的各种形式。在正常或稳态操作状况期间，阻抗轨迹Z1将倾向于在图40的视野之外，因为阻抗将不会被扰动到行进到图40中所示的控制特性中的轨迹的点。尽管某些已知策略在一段时间内依赖于观察阻抗轨迹的特性(诸如轨迹的速度和/或加速度)，但是本公开提供了一种完全不同的策略，其采用能够被有利地用于判定什么标准将用于使继电器20跳闸的转差频率估计的计算。由系统中的功率摆动引起的转差的频率与阻抗变化的速度有关，因此在两个电磁机具有1Hz的转差频率时，它们的转子角度将相对于彼此以与两个机器具有2Hz的转差频率的情况相比更慢的速率变化，依此类推。本公开利用这种现象以及转差频率与功率摆动速度之间的大致比例关系来确定是否应当立即发生跳闸或者在延迟之后发生跳闸。理解这些原理的另一种方式是本公开使得控制器能够确定功率摆动的性质，并且基于由转差频率指示的功率摆动的速度来断言适当的跳闸模式。根据所断言的跳闸模式的函数或例程适合于功率摆动，并且因此响应于转差频率和适当的动作(例如在经过的适当时间处输出跳闸命令)而被启动或调用。尽管不是唯一的，这些原则通常被应用于所谓的失步闭锁的背景下。因此，在其它情况下可能自主地使继电器20跳闸的状况下，电子控制单元30能够以被认为不太可能损坏系统10或产生广泛后果的方式而使继电器20可控制地跳闸。

为了计算转差频率、或者更具体地计算指示转差频率的值，假设正序电压和电流容易获得，则正序阻抗Z1可以如下计算：

可以使用所测量的阻抗和反向保护范围设置(reverse reach setting)来估计外遮挡和内遮挡处的摆动角度。本领域技术人员将理解，反向保护范围设置与发电机或其它电磁机的阻抗相关，并且通常是可以根据制造商或用户指定的设置。对于摆动角而言：

其中R1₀和X1₀、R1_i和X1_i如上所规定。出于监测目的，当声明如本文进一步讨论的摆动或失步闭锁时，早在Z1交叉内遮挡时就可以获得频率转差F_slip，并且可以如下计算：

其中T_oi是Z1从外遮挡行进到内遮挡的时间。

计算转差频率时，可以使用各种跳闸选项。如下面进一步讨论的，当选择第一跳闸选项TOWO(离开时跳闸，trip on way-out)时，可以结合断路器断开时间(BOT)(如果已知的话)以在发出跳闸命令时优化断路器跳闸时间。断路器被跳闸以中断电流的理想时间通常在摆动角接近零的地方。本领域技术人员将熟悉使断路器在大约零电压下跳闸以便最小化闪络或电弧放电的可能性的期望。假设离开外遮挡的摆动角、即当阻抗轨迹Z1离开外遮挡时的摆动角为δ_o，则失步(OST)跳闸延迟(T_od)可以被设置为使得：

其中Tr是从继电器或者更具体地从与继电器耦合的电子控制单元发出跳闸命令到断路器接收到该命令的时间。BOT可以是用户指定的断路器断开时间。在上面等式中的δ_o可以是对于阻抗轨迹Z1何时从如前所述的特性外部进入外遮挡的估计，或者其可以被更准确地估计如下：

δ_o＝π-2·π·f_slip·T_co

其中T_co是轨迹Z1从中心阻抗线行进到相对侧(在图40的情况下是左侧)上的外遮挡的时间。因此：

使用常规的跳闸方法，通常预先确定是使用所谓的TOWO还是使用进入时跳闸(TOWI,trip on way-in)。本公开提供了附加的可能性并改进了常规策略，并且利用转差频率的计算来提供失步状态管理的自适应方法，该自适应方法不需要被预先确定并允许失步功能自动确定TOWO与TOWI之间的跳闸选项。

现在还参照图3，示出了根据一个实施例的流程图100，该流程图100示出示例性控制逻辑流程。在框105处开始逻辑/进入功能，并前进到框110以计算转差频率。从框110，逻辑前进到框115以查询是否断言失步闭锁。如本领域技术人员将熟悉的，通常在存在可能触发诸如继电器20的断路机构的状况的情况下断言失步闭锁，但是失步闭锁期望至少直到满足某种指定的标准为止禁止或放弃断路机构的操作。如果断言失步闭锁或OSB，则逻辑可以前进到开始进一步处理的框120。如果未断言OSB，则逻辑可以前进到框150。

在实际实施策略中，当存在失步状况时可以断言OSB，并且针对阻抗从在图2中右侧的第一外遮挡行进到内遮挡的时间可以被用于该确定。如果针对阻抗行进的时间大于针对不稳定摆动的指定失步时间并且阻抗轨迹Z1进入mho圆，则失步状况存在并断言失步闭锁。如果不满足这些条件，则可以不断言OSB。一般而言，如果断言OSB，则意味着摆动不稳定。然而，OSB的断言和基础计算并不能确定摆动的缓慢程度。由于此时阻抗已经在mho圆中，因此可以将电压降低到这样的低水平以使得能够超过系统对这种条件的容限。根据本公开，可以执行计算以确定是否超过该低电压容限条件。具体而言，用户指定的设置V_dip_time_allowed、即系统可以容许的预定义电压下垂时间，可以被用于确定允许的相等或对应的最慢转差频率。以下等式说明了最慢转差频率的计算：

如果转差频率小于或等于最慢转差频率，f_slip≤f_{slip_sag}，然后在框125处选择慢速进入时跳闸(TOWISW,trip on the way in slow)。应当理解，电子控制单元30正在执行计算出的转差频率或其指示值与所存储的转差频率或对应值的比较。如果转差频率不小于或等于最慢转差频率，则在框135处选择TOWO。从框125，逻辑可以前进到框130以通常尽可能快地使继电器20跳闸，但是也可能根据一些用户指定的预先确定的标准使继电器20跳闸。在框135处，选择TOWO，并且可以使用通常为用户所指定的多个转差或其它预定义标准而在框140处触发跳闸。因此，可以响应于按照框120的转差频率和其后的分离路径来确定跳闸的定时。从框130或140中，逻辑可以前进到在框190结束，或者可以如图3所示循环返回以再次执行。

如果OSB未被断言，如上面从框115所述，逻辑可以前进到框150以查询Z1轨迹是否在mho圆内部。在这种情况下，可以将跳闸模式理解为基于阻抗轨迹位置来选择。如果轨迹Z1在mho圆内部，并且Z1在外遮挡与内遮挡之间的行进时间T_oi小于失步时间设置T_ois但是大于预先确定的时间T_fmax，则在框155处逻辑可以前进到框160以选择快速进入时跳闸(TOWIFT,trip on the way in fast)。T_ois和T_fmax的值可以是用户指定的，并且凭经验被确定。T_fmax可以被理解为基于功率摆动的速度的时间间隔，在该速度以上确定故障。如果在框155处的回答为是，则这可以被认为表示看起来正在发生严重的摆动。从框160，逻辑可以前进到框165以进行跳闸，然后在框190处结束或再次循环返回。如果在框150处Z1不在mho圆以内，则逻辑可以前进到框170以查询T_oi是否大于T_ois。如果否，则逻辑可以前进到框190以结束或循环返回。如果是，则逻辑可以从框170前进到框175以选择输出摆动。在Z1落在mho圆之外并且行进时间T_oi大于失步时间设置T_ois的这种情况下，这可以被理解为表示远离摆动中心并且本地系统不太可能具有即时的危险。因此输出摆动被断言并且可以计数预定义的多个摆动，并且在框180处如果被启用则发出摆动区域跳闸。从框180，逻辑可以前进到框190或循环返回。

从前面的描述可以看出，利用转差频率可以提供许多使用常规技术无法获得的控制可能性。现在还参照图4，示出了沿着连续转差频率应用的、根据本公开的功能的第一图示与图示沿着相同的连续转差频率应用的、根据现有技术策略的功能的第二图示300之间的比较。在本公开的情况下，可以看出TOWISW可以被应用于定义和独有的转差频率范围，例如从大约0Hz到大约0.2Hz。例如，TOWO可以被应用于约0.2Hz的转差频率到约3.0Hz的转差频率，并且TOWIFT可以被应用于从约3.0Hz到约7.0Hz的转差频率。在现有技术方案中，仅一种形式的TOWI以及TOWO能够被应用于最多到在约3.0Hz与约7.0Hz之间某处的转差频率。如图所示，本公开提供了延长转差频率范围、以使得跳闸可以检测比能够根据所示的现有技术策略检测到的更快的快速摆动的优点。换言之，采用所示的现有技术的策略很可能发生的是，在3.5或4.0的转差频率以上，所有更快的内容都将被认为是故障并且失步闭锁和受控跳闸不可用。此外，本公开的自适应方法还能够针对非常慢的摆动实现加速跳闸以避免由延长的电压下垂造成的系统损坏，而使用常规技术则将应用TOWO，有时会引起足以导致系统损坏的延迟。

本说明书仅用于说明目的，并且不应被解释为以任何方式缩小本公开的范围。因此，本领域技术人员将理解，在不脱离本公开的完整和合理范围和精神的情况下，可以对本公开的实施例进行各种修改。通过研究附图和所附权利要求，其它方面、特征和优点将是显而易见的。

Claims (19)

1.一种保护电气系统的方法，包括：

接收指示在功率摆动期间由所述电气系统中的阻抗所定义的阻抗轨迹的角度的数据；

响应于所述数据，计算指示由所述功率摆动引起的、在所述电气系统中的第一电磁机与第二电磁机之间的转差的频率的值；

响应于所计算的值，断言跳闸模式；以及

根据所断言的跳闸模式向所述电气系统中的断路机构输出跳闸命令，以便将所述第一电磁机和所述第二电磁机解耦合。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括接收指示所述阻抗轨迹的第二角度的数据，并且其中所述计算包括响应于指示所述第二角度的所述数据计算所述值。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述第一角度和所述第二角度分别由所述阻抗轨迹在外遮挡的交叉点和内遮挡的交叉点定义。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述计算包括经由以下等式计算所述频率：

其中T_oi为所述阻抗轨迹从所述外遮挡到所述内遮挡的行进时间。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一电磁机和所述第二电磁机包括第一发电机和第二发电机，并且所述转差频率由所述第一发电机和所述第二发电机中的转子之间的转动频率的差来确定。

6.根据权利要求1所述的方法，其中跳闸模式的所述断言包括断言进入时跳闸模式和离开时跳闸模式中的一个跳闸模式，并且所述输出还包括在断言所述进入时跳闸模式的情况下在更早的时间输出所述跳闸命令，以及在断言所述离开时跳闸模式的情况下在更晚的时间输出所述跳闸命令。

7.根据权利要求6所述的方法，还包括：将所计算的频率的值与对应于允许的电压下垂时间的所存储的转差频率的值进行比较，以及在所存储的转差频率小于所存储的转差频率下垂时间的情况下断言所述进入时跳闸功能。

8.一种电气系统保护机构，包括：

断路机构，能够被定位在将第一电磁机与第二电磁机相耦合的电路内；

感测机构，被构造为监测指示阻抗的所述电气系统的参数；

电子控制单元，与所述感测机构耦合并且与所述断路机构进行控制通信，并且所述电子控制单元被构造为：确定在功率摆动期间由所述阻抗定义的阻抗轨迹的角度；以及响应于所确定的角度，计算指示由所述功率摆动引起的、在所述第一电磁机与所述第二电磁机之间的转差的频率的值；以及

所述电子控制单元还被构造为：响应于所计算的值，断言跳闸模式；以及根据所断言的跳闸模式向所述断路机构输出跳闸命令，以便将所述第一电磁机和所述第二电磁机解耦合。

9.根据权利要求8所述的机构，其中所述断路机构包括保护继电器。

10.根据权利要求8所述的机构，其中所述电子控制单元还被构造为：确定所述阻抗轨迹的第二角度，以及响应于所述第一角度和所述第二角度计算所述值。

11.根据权利要求10所述的机构，其中所述电子控制单元还被构造为响应于所述阻抗轨迹从外遮挡行进到内遮挡的行进时间计算所述值，所述外遮挡具有第一电阻设置，所述内遮挡具有第二电阻设置。

12.根据权利要求8所述的机构，其中所述电子控制单元还被构造为：将所计算的值与对应于允许的电压下垂时间的所存储的转差频率的值进行比较；以及在所计算的转差频率小于或等于所存储的转差频率下垂时间的情况下断言进入时跳闸模式。

13.根据权利要求12所述的机构，其中所述电子控制单元还被构造为在所计算的转差频率大于所存储的转差频率下垂时间的情况下断言离开时跳闸模式。

14.根据权利要求13所述的机构，所述电子控制单元还被构造为部分基于所述转差频率来确定在所述离开时跳闸模式中输出所述跳闸命令的时间延迟。

15.一种电力系统，包括：

多个电磁机；

电气电路，将所述多个电磁机耦合在一起；

断路机构，与所述电路耦合并且被构造为将所述多个电磁机中的两个电磁机解耦合；以及

电子控制单元，与所述断路机构进行控制通信，并且所述电子控制单元被构造为：确定在功率摆动期间由所述电气电路中的阻抗定义的阻抗轨迹的角度；以及响应于所确定的角度，确定由所述功率摆动引起的、在所述多个电磁机之间的转差的频率；

所述电子控制单元还被构造为在至少部分基于所确定的频率的定时处向所述断路机构输出跳闸命令。

16.根据权利要求15所述的系统，其中所述电子控制单元还被构造为响应于指示所述电气系统中电压幅度和电流幅度的数据确定所述阻抗。

17.根据权利要求15所述的系统，其中所述电子控制单元还被构造为：确定所述阻抗轨迹的第二角度，以及基于所述第一角度和所述第二角度两者以及所述阻抗轨迹的行进时间来计算指示所述转差频率的值。

18.根据权利要求17所述的系统，其中所述第一角度和所述第二角度分别由所述阻抗轨迹在外遮挡的交叉点和内遮挡的交叉点定义，其中所述外遮挡和所述内遮挡沿着所述阻抗轨迹位于电阻的水平。

19.根据权利要求18所述的系统，其中所述电子控制单元被构造为经由以下等式计算所述频率：

其中T_oi为所述阻抗轨迹从所述外遮挡到所述内遮挡的行进时间。