CN1632997A - 抗ta暂态不平衡的发电机差动保护 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力系统领域中继电保护的方法。为提高发电机差动保护的安全性可靠性，公开了一种抗发电机两侧电流互感器(简称TA，以下同)暂态不平衡的发电机差动保护的方法。本方法由相量比率制动特性和多定值采样值比率制动开放判据组成，采用变数据窗算法和循环闭锁原理，为保证在系统的暂态过程中保护动作行为正确，本方法还具有发电机并网检测判据、区外故障检测判据、发电机两侧电流互感器二次回路间隙性断线判据以及TA饱和判据。

Description

抗TA暂态不平衡的发电机差动保护

技术领域

本发明涉及电力系统领域，更具体地涉及继电保护的方法。

背景技术

差动保护是发电机内部故障的快速主保护，从原理上讲具有天然的选择性，且灵敏度高、动作速度快，应用非常广泛。现场运行情况表明，发电机差动保护仍时有误动。特别是，当区外故障切除或者发电机非同期并网时，发电机差动保护发生误动。目前发电机差动保护的动作时间大体上都在20ms左右，而大机组的时间常数较大，有大的扰动时，两侧P级电流互感器(简称TA下同)在长时间的暂态电流作用下，难以保持传变特性的一致，难免会出现较大的暂态不平衡差流。此不平衡差流对发电机差动保护的可靠运行构成严重的威胁，如果发电机差动保护不采取抗TA暂态不平衡的措施，则可能会误动。

运行表明，模入回路是差动保护最薄弱的环节之一。由于元器件损坏，A/D回路出错、电源在干扰下电压瞬时跌落等原因，差动保护的采样回路可能出现问题，即使是一两点的坏数据，也有可能使快速动作的差动保护误动。发电机差动保护的安全性、可靠性亟待提高。

要提高差动保护可靠性，除选用变换精度更高的TA，匹配TA二次负载，保护装置选用可靠的硬件并用双A/D“二取二”出口等方法外，还可以在保护方案上采取措施。

采样值差动是直接利用电流采样值构成的差动保护，一般采用比较R点中有S点满足条件则保护动作的判据。它与常规的相量差动保护相比，具有计算量少，速度快等特点，常被用在对动作速度要求比较高的场合，如母线保护中。然而该方法存在一个缺点，由于采样初始时刻的随机性，使采样值差动保护存在一定的模糊区，从而给继电保护工作人员对采样值差动动作特性门槛和斜率的测量与整定工作带来了不便。由于发电机自身是一个电源系统，当发生内部故障切除时，仍有相当长的过渡过程，因此发电机差动保护没有必要片面追求超快的动作速度，更为重要的是保证保护的可靠性。本发明针对目前发电机差动保护存在的问题，综合采样值差动和相量差动的优点，提出了一种多定值采样值比率制动开放的发电机差动保护的方法。

发明内容

为提高发电机差动保护的安全性、可靠性，本发明公开了一种抗TA暂态不平衡的发电机差动保护的方法。本方法由相量比率制动特性作为主判据，依靠多定值采样值比率制动开放判据来达到防发电机两侧TA暂态特性不一致、防TA暂态饱和以及防保护装置A/D采样中坏数据的目的。本方法还具有发电机并网检测判据、区外故障检测判据、发电机两侧TA二次回路间隙性断线判据以及TA饱和判据。

本发明包括步骤：发电机差动保护装置对电流互感器和电压互感器的电流波形进行采样得到电流和电压瞬时值；通过变数据窗递归傅氏算法求出各电流和电压的复数形式；根据用户输入的TA变比自动计算平衡系数，并输出该系数供用户校验；按照式(1)计算差动电流与制动电流；按照式(2)所描述的动作方程，再加上发电机并网检测判据、区外故障检测判据、发电机两侧TA二次回路间隙性断线判据以及TA饱和判据进入相量比率制动特性；按照式(3)计算采样值差动电流与制动电流；按照式(4)进入多定值采样值比率制动开放判据；当相量比率制动特性判据，多定值采样值比率制动开放判据同时位于动作区后发电机差动保护瞬时动作。

附图说明

图1显示了电流互感器和电压互感器的安装位置和极性的定义；

图2显示了发电机差动保护动作特性；

图3显示了本发明的发电机差动保护逻辑框图。

具体实施方案

本发明根据以下公式来实现抗TA暂态不平衡的发电机差动保护。电流互感器和电压互感器的安装位置和极性的定义请参考图1，图中GS为发电机，MT为主变，TV1为机端普通电压互感器，TA1为机端TA，TA2为中性点TA。

差动电流和制动电流的计算方法见式(1)：

式中：I_dz、I_zd分别为差动电流和制动电流；I_T ^&、I_N ^&分别为发电机机端和中性点的电流相量，均以指向系统为正。

为提高严重内部故障动作速度的同时保证区外故障不误动，差动电流和制动电流的计算采用变数据窗算法。先采用半周数据窗傅氏算法计算差动电流和制动电流，此时，最小动作电流的定值自动提高18％。采用变数据窗算法后保护最快的动作时间在12ms之内。如果半周算法得到的结果不能动作，保护自动切换成全周傅氏算法，可提高保护的可靠性。

比率制动差动保护的动作方程见式(2)，实现的比率制动动作特性请参考图2：

$\left.\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{dz}}>I_{\mathrm{CD}}\\ I_{\mathrm{dz}}>K_{\mathrm{res}}{I}_{\mathrm{zd}}\end{array}\right\}---\left(2\right)$

式中：I_CD为差动电流起始值，K_res为制动系数。

当以上相量比率制动特性动作后，进入采样值比率制动判据，其中采样值差动电流和制动电流的计算如式(3)所示：

$\left.\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{dz}}=|i_T-i_N|\\ i_{\mathrm{zd}}=|i_T+i_N|/2\end{array}\right\}---\left(3\right)$

式中：i_dz、i_zd分别为采样值差动电流和制动电流；i_T、i_N分别为发电机机端和中性点的电流采样值。

采样值比率制动判据如式(4)所示：

$\left.\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{dz}}>k_{\mathrm{CD}}{I}_{\mathrm{CD}}\\ i_{\mathrm{dz}}>K_{\mathrm{res}}{i}_{\mathrm{zd}}\end{array}\right\}---\left(4\right)$

式中： $k_{\mathrm{CD}}\∈(0,\sqrt{2})$ 为常数，称为差动定值系数。

若R点中有S点满足式(4)，则采样值比率制动判据动作。对于发电机差动保护，R可选为一周波的采样点数，即对于一周24点采样的保护装置R等于24。根据事先确定的k_CD值，可通过对正弦函数采样的方法来确定S的取值。由于采样初始时刻的随机性，使采样值比率制动保护存在一定的模糊区。而本方法将采样值比率制动作为提高保护可靠性的开放判据，适当降低S的取值，可使相量比率制动特性位于临界动作点时，采样值比率制动可靠落在动作区，从而避开了采样值比率制动固有的存在模糊区的缺点。

为进一步提高发电机差动保护的可靠性，可采用多定值采样值比率制动特性。即先确定m个k_CD值：k_CD1，k_CD2，ΛΛk_CDm，则对应m个S值S₁，S₁，ΛΛS_m。如果对于每个k_CD值，在R点采样值数据中满足式(4)的点数都大于相应的S值，则多定值采样值比率制动特性满足。

例如：取m＝2，k_CD1＝0.8，k_CD2＝1.2

$\left.\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{dz}}>0.8I_{\mathrm{CD}}\\ i_{\mathrm{dz}}>K_{\mathrm{res}}{i}_{\mathrm{zd}}\end{array}\right\}---\left(5\right)$

$\left.\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{dz}}>{1.2I}_{\mathrm{CD}}\\ i_{\mathrm{dz}}>K_{\mathrm{res}}{i}_{\mathrm{zd}}\end{array}\right\}---\left(6\right)$

若R个采样点中满足式(5)的点数大于S1，而且满足式(6)的点数大于S2(S2＜S1)，则多定值采样值比率制动特性满足。其中式(5)为低定值判据，式(6)为高定值判据。采用多定值采样值比率制动特性的原因是，当采样存在坏数据时，该点采样值可能为A/D所能表示的正最大或负最大，其绝对值很大但坏数据点数可能比较少，此时由于正常数据为负荷电流，其差值非常小，这样就可以依靠动作点数多而动作定值较低的采样值比率制动特性来保证保护不误动；而当区外故障切除，发电机两侧TA暂态特性不一致时，所产生的差流可能时间较长但幅值较小，可以依靠动作定值高而动作点数少的采样值比率制动特性来保证保护不误动。另外，由于当TA饱和时，当电流过零点之后有一个TA线性传变区，使采样值比率制动的一些点位于制动区，因此采样值比率制动特性也有一定防TA饱和能力。

本差动保护具有发电机并网检测判据。当发电机机端和中性点TA长时间无流判为发电机未并网，如果机端和中性点TA突然同时出现一定大小的电流则说明发电机此时并网。判出发电机并网后，可适当增加比率制动的斜率，防止非同期合闸时保护误动。

本差动保护具有区外故障检测判据，当电流突变量启动后一段时间，如果保护处在非动作区，则说明是区外故障启动的，此时可增加判别次数以防止区外故障引起保护误动。

下面结合图3，说明一下保护的动作逻辑。由于发电机差动保护只保护相间故障，保护采用循环闭锁原理，可提高可靠性。循环闭锁原理如图3中第一部分逻辑框图所示，只有当两相及以上差动动作时保护才会出口。

如图3中第二部分逻辑框图所示，为了保护一点在区内、一点区外的两点接地故障，还设有机端负序电压元件。在差动保护仅有一相满足动作条件时，除增加计算次数和TA异常判断次数外，同时机端负序电压大时，保护才发跳闸命令。

如图3中第三部分逻辑框图所示，本方法具有发电机两侧电流互感器二次回路间隙性断线判据，当TA二次由于接线原因接触不良时保护不会误动。但最大相电流大于1.2倍额定电流时要开放差动保护。本方法另外还具有TA饱和判据当区外严重故障使发电机一侧TA饱和时保护不会误动。

如图3中第四部分逻辑框图所示，当差动保护未动作，但一相及以上差流超过差流越限定值时，保护发出差流越限信号，提示运行人员检查二次回路接线。

由于微机保护可实现资源共享，增加一种原理的保护并不会增加硬件复杂性而降低可靠性。对于中性点可引出两组TA的大型发电机，本方法考虑了通过对高性能CPU分时复用的方式，在同一台保护装置中完成一套发电机纵差保护，一套裂相横差保护，两套不完全纵差保护，从而实现发电机综合差动保护。其中裂相横差保护和不完全纵差保护，可保护定子绕组匝间故障，除不必采用循环闭锁方式外，其它实现方法与发电机纵差保护相同。

本发明大大提高了发电机差动保护防止发电机非同期并网、区外故障及区外故障切除时两侧TA暂态不平衡时误动的能力，以及防止A/D采样坏数据使保护误动的能力，在不降低发电机差动保护灵敏度和动作速度的前提下提高了保护的可靠性。

Claims (4)

1.一种抗TA暂态不平衡的发电机差动保护的方法，该方法包括步骤：

发电机差动保护装置对电流互感器和电压互感器的电流波形进行采样得到电流和电压瞬时值；

通过变数据窗递归傅氏算法求出各电流和电压的复数形式；

按照下式计算差动电流与制动电流：

式中：I_dz、I_zd分别为差动电流和制动电流；I^& _T、I^& _N分别为发电机机端和中性点侧的电流相量；

按照下式所描述的动作方程，再加上发电机并网检测判据、区外故障检测判据、发电机两侧TA二次回路间隙性断线判据以及TA饱和判据进入相量比率制动特性：

式中：I_CD为差动电流起始值，K_res为制动系数；

当以上相量比率制动特性动作后，进入采样值比率差动制动特性判别，按照下式计算采样值差动电流与采样值制动电流：

式中：i_dz、i_zd分别为采样值差动电流和制动电流；i_T、i_N分别为发电机机端和中性点

的电流采样值；

按照下式进入多定值采样值比率制动开放判据，当相量比率制动特性判据，多定值采样值比率制动开放判据同时位于动作区后发电机差动保护瞬时动作：

式中： $k_{\mathrm{CD}}\∈(0,\sqrt{2})$ 为常数，称为差动定值系数。

2.如权利要求1的方法，其中根据事先确定的m个k_CD值：k_CD1，k_CD2，ΛΛk_CDm，可通过对正弦函数采样的方法来确定对应的m个S值S₁，S₁，ΛΛS_m，如果对于每个k_CD值，在R点采样值数据中满足上式的点数都大于相应的S值，则多定值采样值比率制动特性满足。

3.如权利要求1的方法，发电机并网检测判据为：当发电机机端和中性点TA长时间无流判为发电机未并网，如果机端和中性点TA突然同时出现一定大小的电流则说明发电机此时并网。

4.如权利要求1的方法，区外故障检测判据为：当电流突变量启动后一段时间，如果保护处在非动作区，则说明是区外故障启动的。

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