CN117096823A - 变速抽蓄机组转子短路故障保护方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种变速抽蓄机组转子短路故障保护方法及装置。所述方法包括：获取变速抽蓄机组的定子三相电流和转子三相电流；对定子三相电流进行派克变换，得到定子侧矢量电流；对转子三相电流进行派克变换，得到转子侧矢量电流；根据定子侧矢量电流和转子侧矢量电流确定矢量电流差；基于梯形法则计算矢量电流差的轨迹与横纵坐标轴围成的面积大小，得到故障表征值；根据故障表征值与保护整定值的大小关系，控制变速抽蓄机组的工作状态。通过上述步骤，可以快速准确的检测出变速抽蓄机组转子的短路故障，避免机组设备出现损毁。
Description
技术领域
本申请涉及抽水蓄能机组故障检测技术领域，特别是涉及一种变速抽蓄机组转子短路故障保护方法、保护装置、计算机设备和计算机可读存储介质。
背景技术
变速抽蓄机组在功率调节能力和水力性能等方面较传统抽蓄机组具有显著的优势，能够适应新型电力系统对大容量灵活储能装备的需求。不同于定速同步机组采用单相直流励磁，变速抽蓄机组采用三相交流励磁形式，其转子绕组为三相对称的绕线式结构，与定子绕组结构类同，因此，变速抽蓄机组也存在内部匝间短路故障和相间短路故障。
对于定子绕组的内部短路故障，通常通过配置零序横差保护、裂相横差保护和纵差保护实现高可靠、高灵敏的定子侧保护。但对于变速抽蓄机组来说，其转子内部空间紧凑，内部测量信号引出困难，不具备在转子绕组中性点侧安装多个电流互感器的条件，无法获取中性点侧的各相电流大小。尽管能够利用霍尔式电流互感器测量滑环引出的机端三相电流，但仅利用转子机侧电流无法构成差动保护判据，无法照搬定子侧的保护配置经验。因此，变速抽蓄机组转子绕组的短路故障检测是个亟待解决的问题。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够灵敏的检测出变速抽蓄机组转子短路故障的变速抽蓄机组转子短路故障保护方法、保护装置、计算机设备和计算机可读存储介质。
第一方面，本申请提供了一种变速抽蓄机组转子短路故障保护方法。所述方法包括：获取变速抽蓄机组的定子三相电流和转子三相电流；对所述定子三相电流进行派克变换，得到定子侧矢量电流；对所述转子三相电流进行派克变换，得到转子侧矢量电流；根据所述定子侧矢量电流和所述转子侧矢量电流确定矢量电流差；基于梯形法则计算所述矢量电流差的轨迹与横纵坐标轴围成的面积大小，得到故障表征值；根据所述故障表征值与保护整定值的大小关系，控制所述变速抽蓄机组的工作状态。
在其中一个实施例中，所述对所述定子三相电流进行派克变换，得到定子侧矢量电流的步骤，包括：通过派克变换矩阵对所述定子三相电流进行变换，得到定子第一轴电流和定子第二轴电流；根据所述定子第一轴电流和所述定子第二轴电流确定所述定子侧矢量电流。
在其中一个实施例中，所述根据所述定子第一轴电流和所述定子第二轴电流确定所述定子侧矢量电流的步骤，包括：计算所述定子第一轴电流的平方与所述定子第二轴电流的平方之和，得到电流平方和；计算所述电流平方和的算数平方根，得到所述定子侧矢量电流。
在其中一个实施例中，所述根据所述定子侧矢量电流和所述转子侧矢量电流确定矢量电流差的步骤，包括：获取电流变比关系；其中，所述电流变比关系为定子电流和转子电流之间的变比关系；根据所述电流变比关系、所述定子侧矢量电流和所述转子侧矢量电流计算所述矢量电流差。
在其中一个实施例中，所述根据所述电流变比关系、所述定子侧矢量电流和所述转子侧矢量电流计算所述矢量电流差的步骤，包括：计算所述转子侧矢量电流与所述电流变比关系的乘积，得到乘积值；将所述定子侧矢量电流减去所述乘积值，得到所述矢量电流差。
在其中一个实施例中，所述基于梯形法则计算所述矢量电流差的轨迹与横纵坐标轴围成的面积大小，得到故障表征值的步骤，包括：在一个工频周期内计算所述矢量电流差的轨迹与横纵坐标轴围成的面积大小，得到所述故障表征值。
在其中一个实施例中，所述根据所述故障表征值与保护整定值的大小关系，控制所述变速抽蓄机组的工作状态的步骤，包括：在所述故障表征值大于所述保护整定值的情况下，切断所述变速抽蓄机组的电源。
第二方面，本申请还提供了一种变速抽蓄机组转子短路故障保护装置。所述装置包括：电流检测模块，用于获取变速抽蓄机组的定子三相电流和转子三相电流；电流变换模块，用于对所述定子三相电流进行派克变换，得到定子侧矢量电流；对所述转子三相电流进行派克变换，得到转子侧矢量电流；差值计算模块，用于根据所述定子侧矢量电流和所述转子侧矢量电流确定矢量电流差；表征值计算模块，用于基于梯形法则计算所述矢量电流差的轨迹与横纵坐标轴围成的面积大小，得到故障表征值；机组控制模块，用于根据所述故障表征值与保护整定值的大小关系，控制所述变速抽蓄机组的工作状态。
第三方面，本申请还提供了一种计算机设备。所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。
第四方面，本申请还提供了一种计算机可读存储介质。所述计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。
上述变速抽蓄机组转子短路故障保护方法、保护装置、计算机设备和计算机可读存储介质，通过获取检测到的变速抽蓄机组的定子三相电流和转子三相电流，然后分别对其进行派克变换以得到定子侧矢量电流和转子侧矢量电流，根据得到的矢量电流确定好矢量电流差后，计算矢量电流差的轨迹与横纵坐标轴围成的面积大小，并将其作为故障表征值，最后与保护整定值进行比较，以此确定变速抽蓄机组是否存在转子短路故障。通过上述步骤，可以快速准确的检测出变速抽蓄机组转子的短路故障，避免机组设备出现损毁。
附图说明
图1为一个实施例中故障保护方法的流程示意图；
图2为一个实施例中确定定子侧矢量电流的流程示意图；
图3为一个实施例中计算矢量电流差的流程示意图；
图4为一个实施例中故障表征值随时间变化的曲线图；
图5为另一个实施例中故障表征值随时间变化的曲线图；
图6为又一个实施例中故障表征值随时间变化的曲线图；
图7为一个实施例中故障保护装置的模块示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本申请实施例提供的变速抽蓄机组转子短路故障保护方法，可以应用于微机保护装置中。微机保护装置连接变速抽蓄机组，微机保护装置可以通过电流互感器采集变速抽蓄机组运行时的定子侧和转子侧的电流大小，并对变速抽蓄机组的运行状态进行自动控制。
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种变速抽蓄机组转子短路故障保护方法，以该方法应用于微机保护装置为例进行说明，包括以下步骤：
步骤S110，获取变速抽蓄机组的定子三相电流和转子三相电流。具体的，微机保护装置可以通过电流互感器实时采集并获取变速抽蓄机组的定子三相电流和转子三相电流，定子三相电流为定子侧输入的三相电流，其可以记为i a1、i b1和i c1。转子三相电流为转子侧输入的三相电流，其可以记为i a2、i b2和i c2。
步骤S120，对定子三相电流进行派克变换，得到定子侧矢量电流。具体的，微机保护装置获取到定子三相电流后，会将定子三相电流进行派克变换（Park'sTransformation），从而得到定子侧矢量电流。派克变换可以将定子的a，b，c三相电流投影到随着转子旋转的直轴（d轴）、交轴（q轴）与垂直于dq平面的零轴（0轴）上去，从而实现对定子电感矩阵的对角化，以简化变速抽蓄机组的运行分析过程。
步骤S130，对转子三相电流进行派克变换，得到转子侧矢量电流。具体的，微机保护装置获取到转子三相电流后，通过同样的方式对转子三相电流进行派克变换，从而得到转子侧矢量电流。
步骤S140，根据定子侧矢量电流和转子侧矢量电流确定矢量电流差。具体的，微机保护装置变化得到定子侧矢量电流和转子侧矢量电流后，通过结合变速抽蓄机组中定子电流和转子电流的变比关系，即可计算出矢量电流差。
步骤S150，基于梯形法则计算矢量电流差的轨迹与横纵坐标轴围成的面积大小，得到故障表征值。具体的，本申请实施例将矢量电流差的轨迹与横纵坐标轴围成的面积大小作为故障表征值，用于表征变速抽蓄机组转子出现短路故障的程度。
步骤S160，根据故障表征值与保护整定值的大小关系，控制变速抽蓄机组的工作状态。具体的，保护整定值为在变速抽蓄机组转子未出现短路故障时，通过检测的多个故障表征值归纳得到的整定值。在当前情况下，检测得到的故障表征值大于保护整定值时，即可确定变速抽蓄机组存在转子短路故障，需要执行机组保护动作。在检测得到的故障表征值不大于保护整定值时，说明变速抽蓄机组不存在转子短路故障，变速抽蓄机组继续运行。通过本申请实施例的变速抽蓄机组转子短路故障保护方法，可以快速准确的检测出变速抽蓄机组转子的短路故障，避免长时间短路造成机组设备损毁。
在一个实施例中，如图2所示，步骤S120中，对定子三相电流进行派克变换，得到定子侧矢量电流的步骤，包括：
步骤S121，通过派克变换矩阵对定子三相电流进行变换，得到定子第一轴电流和定子第二轴电流。具体的，将派克变换矩阵与定子三相电流相乘，即可分别得到定子第一轴电流和定子第二轴电流。其中，定子第一轴电流为直轴（d轴）的电流分量，记为i d.s ；定子第二轴电流为交轴（q轴）的电流分量，记为i q.s 。在一个实施例中，派克变换矩阵如下所示：
步骤S122，根据定子第一轴电流和定子第二轴电流确定定子侧矢量电流。具体的，计算得到定子第一轴电流和定子第二轴电流后，通过矢量求和，即可得到定子侧矢量电流。
在一个实施例中，步骤S122中，根据定子第一轴电流和定子第二轴电流确定定子侧矢量电流的步骤，包括：计算定子第一轴电流的平方与定子第二轴电流的平方之和，得到电流平方和；计算电流平方和的算数平方根，得到定子侧矢量电流。具体的，本申请实施例计算定子侧矢量电流的公式为：
其中，I s 为定子侧矢量电流，i d.s 为定子第一轴电流，i q.s 为定子第二轴电流。
在一个实施例中，步骤S130中，计算转子侧矢量电流的步骤与计算定子侧矢量电流的步骤相同。例如，计算转子侧矢量电流的公式为：
其中，I r 为转子侧矢量电流，i d.r 为转子第一轴电流，i q.r 为转子第二轴电流。
在一个实施例中，如图3所示，步骤S140中，根据定子侧矢量电流和转子侧矢量电流确定矢量电流差的步骤，包括：
步骤S141，获取电流变比关系。具体的，电流变比关系为定子电流和转子电流之间的变比关系。例如，电流变比关系为：N r k wr /N s k ws ，其中，N s 和N r 分别为定子侧、转子侧每相单分支绕组串联匝数，k ws 和k wr 分别为定子侧、转子侧的基波绕组系数。
步骤S142，根据电流变比关系、定子侧矢量电流和转子侧矢量电流计算矢量电流差。具体的，电流变比关系由变速抽蓄机组的绕组结构确定，其可以直接存储在微机保护装置中，通过获取电流变比关系、定子侧矢量电流和转子侧矢量电流，即可计算出矢量电流差。
在一个实施例中，步骤S142中，根据电流变比关系、定子侧矢量电流和转子侧矢量电流计算矢量电流差的步骤，包括：计算转子侧矢量电流与电流变比关系的乘积，得到乘积值；将定子侧矢量电流减去乘积值，得到矢量电流差。具体的，本实施例中计算矢量电流差的公式如下：
其中，ΔI为矢量电流差，I s 为定子侧矢量电流，I r 为转子侧矢量电流。
在一个实施例中，步骤S150中，基于梯形法则计算矢量电流差的轨迹与横纵坐标轴围成的面积大小，得到故障表征值的步骤，包括：在一个工频周期内计算矢量电流差的轨迹与横纵坐标轴围成的面积大小，得到故障表征值。具体的，本申请实施例的面积大小在一个工频周期（0.02s）内进行计算。电流互感器一个工频周期采样N+1次，则一个工频周期内的矢量电流差可记为ΔI[1]、ΔI[2]、……、ΔI[N+1]，此时，基于梯形法则计算所围面积的公式为：
其中，S op 即为所围的面积大小，也即故障表征值。在一些其他实施例中，也可以将两个或多个工频周期内的面积大小计算出来，作为故障表征值。
在一个实施例中，步骤S160中，根据故障表征值与保护整定值的大小关系，控制变速抽蓄机组的工作状态的步骤，包括：在故障表征值大于保护整定值的情况下，切断变速抽蓄机组的电源。具体的，当故障表征值大于保护整定值时，说明变速抽蓄机组存在转子短路故障，此时立即切断变速抽蓄机组的电源，防止变速抽蓄机组在短路下造成设备损毁。当故障表征值不大于保护整定值时，说明变速抽蓄机组不存在转子短路故障，此时控制变速抽蓄机组继续正常运行。
下面通过具体实施例详细描述本申请的变速抽蓄机组转子短路故障保护方法的作用。将变速抽蓄机组的转子A相第一分支第4匝线圈，与A相第二分支第9匝线圈设置为短路故障，故障时刻为35s，计算矢量电流差所围面积大小，也即故障表征值S op 的变化情况，其中N=48，当转差率s=0.1时，故障表征值S op 的计算结果如图4所示，在短路故障经过47.5ms后，即会对变速抽蓄机组进行短路保护。当转差率s=0.05和0.01时，S op 的计算结果如图5和图6所示，分别在短路故障经过91.7ms和365ms后，对变速抽蓄机组进行短路保护。可以理解的是，当转子转速越接近同步转速时，转子电流的频率越低，越接近于直流分量，即会使进入保护动作的时间逐渐延长，但通过本申请的变速抽蓄机组转子短路故障保护方法，可以及时准确的对变速抽蓄机组进行短路保护。
应该理解的是，虽然如上所述的各实施例所涉及的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，如上所述的各实施例所涉及的流程图中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
基于同样的发明构思，本申请实施例还提供了一种用于实现上述所涉及的变速抽蓄机组转子短路故障保护方法的保护装置。该装置所提供的解决问题的实现方案与上述方法中所记载的实现方案相似，故下面所提供的一个或多个保护装置实施例中的具体限定可以参见上文中对于保护方法的限定，在此不再赘述。
在一个实施例中，如图7所示，提供了一种变速抽蓄机组转子短路故障保护装置，包括：电流检测模块210、电流变换模块220、差值计算模块230、表征值计算模块240和机组控制模块250，其中：电流检测模块210，用于获取变速抽蓄机组的定子三相电流和转子三相电流；电流变换模块220，用于对定子三相电流进行派克变换，得到定子侧矢量电流；对转子三相电流进行派克变换，得到转子侧矢量电流；差值计算模块230，用于根据定子侧矢量电流和转子侧矢量电流确定矢量电流差；表征值计算模块240，用于基于梯形法则计算矢量电流差的轨迹与横纵坐标轴围成的面积大小，得到故障表征值；机组控制模块250，用于根据故障表征值与保护整定值的大小关系，控制变速抽蓄机组的工作状态。
上述变速抽蓄机组转子短路故障保护装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现上述各方法实施例中的步骤。
在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现上述各方法实施例中的步骤。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和易失性存储器中的至少一种。非易失性存储器可包括只读存储器（Read-OnlyMemory，ROM）、磁带、软盘、闪存、光存储器、高密度嵌入式非易失性存储器、阻变存储器（ReRAM）、磁变存储器（Magnetoresistive Random Access Memory，MRAM）、铁电存储器（Ferroelectric Random Access Memory，FRAM）、相变存储器（Phase Change Memory，PCM）、石墨烯存储器等。易失性存储器可包括随机存取存储器（Random Access Memory，RAM）或外部高速缓冲存储器等。作为说明而非局限，RAM可以是多种形式，比如静态随机存取存储器（Static Random Access Memory，SRAM）或动态随机存取存储器（Dynamic RandomAccess Memory，DRAM）等。本申请所提供的各实施例中所涉及的数据库可包括关系型数据库和非关系型数据库中至少一种。非关系型数据库可包括基于区块链的分布式数据库等，不限于此。本申请所提供的各实施例中所涉及的处理器可为通用处理器、中央处理器、图形处理器、数字信号处理器、可编程逻辑器、基于量子计算的数据处理逻辑器等，不限于此。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种变速抽蓄机组转子短路故障保护方法，其特征在于，所述方法包括：
获取变速抽蓄机组的定子三相电流和转子三相电流；
对所述定子三相电流进行派克变换，得到定子侧矢量电流；
对所述转子三相电流进行派克变换，得到转子侧矢量电流；
根据所述定子侧矢量电流和所述转子侧矢量电流确定矢量电流差；
基于梯形法则计算所述矢量电流差的轨迹与横纵坐标轴围成的面积大小，得到故障表征值；
根据所述故障表征值与保护整定值的大小关系，控制所述变速抽蓄机组的工作状态。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述定子三相电流进行派克变换，得到定子侧矢量电流的步骤，包括：
通过派克变换矩阵对所述定子三相电流进行变换，得到定子第一轴电流和定子第二轴电流；
根据所述定子第一轴电流和所述定子第二轴电流确定所述定子侧矢量电流。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述定子第一轴电流和所述定子第二轴电流确定所述定子侧矢量电流的步骤，包括：
计算所述定子第一轴电流的平方与所述定子第二轴电流的平方之和，得到电流平方和；
计算所述电流平方和的算数平方根，得到所述定子侧矢量电流。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述定子侧矢量电流和所述转子侧矢量电流确定矢量电流差的步骤，包括：
获取电流变比关系；其中，所述电流变比关系为定子电流和转子电流之间的变比关系；
根据所述电流变比关系、所述定子侧矢量电流和所述转子侧矢量电流计算所述矢量电流差。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据所述电流变比关系、所述定子侧矢量电流和所述转子侧矢量电流计算所述矢量电流差的步骤，包括：
计算所述转子侧矢量电流与所述电流变比关系的乘积，得到乘积值；
将所述定子侧矢量电流减去所述乘积值，得到所述矢量电流差。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于梯形法则计算所述矢量电流差的轨迹与横纵坐标轴围成的面积大小，得到故障表征值的步骤，包括：
在一个工频周期内计算所述矢量电流差的轨迹与横纵坐标轴围成的面积大小，得到所述故障表征值。
7.根据权利要求1至6任一项所述的方法，其特征在于，所述根据所述故障表征值与保护整定值的大小关系，控制所述变速抽蓄机组的工作状态的步骤，包括：
在所述故障表征值大于所述保护整定值的情况下，切断所述变速抽蓄机组的电源。
8.一种变速抽蓄机组转子短路故障保护装置，其特征在于，所述装置包括：
电流检测模块，用于获取变速抽蓄机组的定子三相电流和转子三相电流；
电流变换模块，用于对所述定子三相电流进行派克变换，得到定子侧矢量电流；对所述转子三相电流进行派克变换，得到转子侧矢量电流；
差值计算模块，用于根据所述定子侧矢量电流和所述转子侧矢量电流确定矢量电流差；
表征值计算模块，用于基于梯形法则计算所述矢量电流差的轨迹与横纵坐标轴围成的面积大小，得到故障表征值；
机组控制模块，用于根据所述故障表征值与保护整定值的大小关系，控制所述变速抽蓄机组的工作状态。
9.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至7中任一项所述的方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至7中任一项所述的方法的步骤。
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