CN204517421U - 一种发电系统故障解列装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种发电系统故障解列装置，属于配、变电系统故障解列技术领域。其包括处理器和数据采集装置，数据采集装置用于实时采集发电系统母线与线路的电气量，并将电气量的数据发送至处理器；处理器用于接收由数据采集装置采集到的电气量数据，并根据计算结果和逻辑判断向发电系统输出指令；当发电系统出现频率下降时，发电系统根据从处理器接收到的指令，自动切断部分电力负荷，此时，发电系统频率即可恢复到正常值，避免发电系统出现低频运行的情况。并且，由于该发电系统故障解列装置主要包括数据采集装置、处理器和与它们配套使用的通信接口，因此，可以直接嵌入到现有的发电系统中应用，安装方便。

Description

一种发电系统故障解列装置

技术领域

本实用新型涉及配、变电系统故障解列技术领域，特别是涉及发电系统故障解列装置。

背景技术

频率是电能质量的重要指标之一，在稳态条件下，电力系统的频率是一个全系统一致的运行参数。系统频率的波动的直接原因是发电机输入功率与输出功率之间的不平衡，众所周知，单一电源的系统频率是同步电机转速的函数：其中，n—电机的转速，r/min；f—电力系统的频率，Hz，p—电机的极对数。对于一般的火力发电机组，发电机的极对数为1，额定转速为3000r/min，亦即额定频率为50Hz。此时，系统频率又可以用同步发电机的角速度的函数来表示，即为了研究系统频率变换的规律，需要研究同步发电机组的运动规律。同步发电机组的运动方程为其中，T_m—输入机械转矩；T_c—输出电磁转矩(忽略空载转矩，即负荷转矩)；J—发电机组的转动惯量；—发电机组的角加速度。由于功率和力矩之间存在转换关系(P＝ωT)，上式经过规格化处理和拉氏变换后，可得传递函数P_m-P_c＝2H_s·Δω，其中，P_m—原动机功率(发电机的输入功率)；P_c—发电机电磁功率；H_s发电机组的惯性常数；Δω—角速度变化量。由此可知，当原动机功率即发电机的输入功率和发电机电磁功率之间产生不平衡的时候，必然引起发电机转速的变化，即引起系统频率的变化。在众多发电机组并联运行的电力系统中，尽管原动机功率即发电机的输入功率P_m不是恒定不变的，但它主要取决与本台发电机的原动机和调速器的特性，因而是相对容易控制的因素；而发电机电磁功率P_c的变化则不仅与本台发电机的电磁特性有关，更取决于电力系统的负荷特性，是难以控制的因素，而这正是引起电力系统频率波动的主要原因。

电力系统的频率变动对用户、发电厂和电力系统本身都会产生不良的影响，主要包括：

(1)电力系统的频率变化将引起电动机转速的变化，从而影响产品的质量。例如，纺织工业、造纸工业等都会因为电力系统的频率变化而出现次品。此外，还会造成电动机自动保护装置以及继电保护设备动作。

(2)电力系统的频率变化会影响电子设备的工作。特别是，雷达、电子计算机等重要设施在电力系统频率过低时将无法运行。

(3)电力系统的频率变化对电力系统自身和用户而言，也是非常危险的。电力系统低频运行时，会对发电设备和用户造成严重损坏，所有厂用交流电动机的转速都相应的下降，因而火电厂的给水泵、风机、磨煤机等辅助设备的处理也下降，从而影响电厂的处理，使电网有功更加缺乏，造成恶性循环。此外，还会使发电机端机内电势下降，从而导致电压降低，同时，由于电力系统的频率降低，也会使得电机转速降低，同轴励磁电流减小，导致发电机端电压进一步下降。

为了解决上述问题，就需要通过调节，使发电机的输入功率与负荷所需功率达到平衡。现有技术中，对发电系统进行调频的方向主要有两个，第一个方向是通过为发电机组原动机进行调速达到调节电力系统的频率的目的；第二个方向是通过切除部分用电负荷达到调节电力系统频率的目的。

例如，授权公告号为CN 203532064 U的中国实用新型专利公开了一种发电机组原动机的自动调速装置，其包括转速测量元件，还包括放大元件、执行机构、转速控制机构以及连接转速测量元件、放大元件、执行机构和转速控制机构的连杆机构，放大元件为配压阀，配压阀内设有与连杆机构相连的配压活塞，配压阀的侧壁上设有油孔，配压阀内腔通过油道与执行机构相连通，执行机构为接力器，接力器内设有与连杆机构相连的接力器活塞，接力器下端与调速气门相连，转速控制机构为调频器，调频器的上端与连杆机构相连。其中永磁同步直线电机及驱动控制电路配合机械传动装置，运行更平稳，控制精度更高，可独立工作，很大程度上解决了机械装置运行不稳定、长期易损坏等问题。采用这种方式对电力系统进行调频时，需要引入特定的调速装置，该调速装置结构复杂。

申请公布号为CN 103166228 A的中国发明专利公开了一种负荷快切控制系统，其基于脱离大电网的小容量的电网，孤网运行工况中如遇发电机故障解列等突发事件，为了实现小电网系统能够安全运行，需要将小电网中的部分负荷快速切除，必须采样数据精确，快切速度快，故障跳级判断，切负荷判断，低周减载，发电机故障跳机后，为避免故障进一步扩大而采取在300ms内快速切除部分负荷，从而使电网的发电和用电在短时间内达到一个合理的平衡；对用电负荷进行调节和切换，保证异常情况下工厂的基本运行，满足了孤网运行的要求。该负荷快切控制系统虽然能够迅速切除部分负荷，但是，其内设逻辑复杂，与现有发电系统的兼容性不乐观。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供一种发电系统故障解列装置，主要目的在于提供一种采用处理器对电力现场母线的各电气量进行实时计算，当发电系统出现频率下降时，由处理器发出控制指令，自动断开部分用电载荷而阻止发电系统频率降低，从而更加适于实用。

为了达到上述目的，本实用新型主要提供如下技术方案：

本实用新型提供的发电系统故障解列装置包括处理器和数据采集装置，

所述数据采集装置用于实时采集发电系统母线与线路的电气量，并将所述电气量的数据发送至所述处理器；

所述处理器用于接收由所述数据采集装置采集到的电气量数据，并根据计算结果和逻辑判断向所述发电系统输出指令；

当发电系统出现频率下降时，发电系统根据从所述处理器接收到的指令，自动切断部分电力负荷。

本实用新型的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

作为优选，所述处理器是ARM处理器，所述数据采集装置为AD7606双极性AD芯片。

作为优选，所述处理器是ARM联合FPGA处理器，所述数据采集装置为AD7606双极性AD芯片，所述FPGA选用Altera公司的Cyclone IV系列EP4CE22I7工业级别，所述FPGA与ARM之间采用数据总线读写方式。

作为优选，低频元件监测到系统低频状态后，三相均有电流，频率滑差闭锁元件未闭锁，低电压闭锁元件未闭锁，达到整定的低周保护时间之后，系统低周保护动作输出。

作为优选，所述故障解列装置包括两段零序过压解列，各段电压及时间定制可独立整定，分别设定整定控制字控制所述两段保护的投退，当零序过压经母线自产零序电压闭锁投入时，仅当折算后的自产零序大于4V，且外界零序电压大于定值时，所述零序过压保护动作。

作为优选，当电压低于设定参考数值时，发电系统根据从所述处理器接收到的指令，此时，当PT断线未闭锁的情况下，三相均有电流，频率的滑差在定值设定的允许范围内，达到相应的动作元件延时后，进入低电压保护解列输出。

作为优选，所述解列装置包括两段低压解列保护，各段电压及时间定值可独立整定，分别设定整定控制字控制所述两段保护的投退；当三相电压中任意一个小于低压定值，均使低压解列动作，经电流闭锁。

作为优选，还包括硬件自检装置，所述硬件自检装置由所述发电系统故障解列装置自身携带，当所述硬件自检装置检测到所述发电系统故障解列装置自身故障时，报告所述自身故障。

作为优选，所述硬件自检装置包括状态指示灯，报告所述自身故障的动作由所述状态指示灯执行。

作为优选，所述硬件自检装置包括蜂鸣器，报告所述自身故障的动作由所述蜂鸣器执行。

本实用新型实施例提供的发电系统故障解列装置中数据采集装置能够将采集到的发电系统母线与线路的电气量发送至处理器，处理器根据计算结果和逻辑判断能够向发电系统输出指令，当发电系统出现频率下降时，发电系统根据从处理器接收到的指令，能够自动切断部分电力负荷。从而使发电系统的原动机功率即发电机的输入功率P_m与发电机电磁功率P_c之间达到平衡，根据函数P_m-P_c＝2H_s·Δω，能够知晓，当自动切断部分电力负荷后，即能控制Δω—角速度变化量，再根据公式得知，此时，发电系统频率f即可恢复到正常值，避免发电系统出现低频运行的情况。并且，由于本实用新型提供的发电系统故障解列装置主要包括数据采集装置、处理器和与它们配套使用的通信接口，因此，可以直接嵌入到现有的发电系统中应用，安装方便。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本实用新型的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本实用新型实施例一提供的发电系统故障解列装置的信号流向关系示意图；

图2为本实用新型实施例一提供的发电系统故障解列装置的低周动作保护示意图；

图3为本实用新型实施例一提供的发电系统故障解列装置的低压保护动作示意图；

图4为本实用新型实施例二提供的发电系统故障解列装置的信号流向关系示意图；

图5为本实用新型实施例二提供的发电系统故障解列装置中应用的ARM联合FPGA处理器的信号流向示意图。

具体实施方式

本实用新型为解决现有技术存在的问题，提供了一种发电系统故障解列装置，以采用处理器对电力现场母线的各电气量进行实时计算，当发电系统出现频率下降时，由处理器发出控制指令，自动断开部分用电载荷而阻止发电系统频率降低。

本实用新型实施例的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：

本实用新型实施例提供的发电系统故障解列装置包括处理器和数据采集装置，

所述数据采集装置用于实时采集发电系统母线与线路的电气量，并将所述电气量的数据发送至所述处理器；

所述处理器用于接收由所述数据采集装置采集到的电气量数据，并根据计算结果和逻辑判断向所述发电系统输出指令；

当发电系统出现频率下降时，发电系统根据从所述处理器接收到的指令，自动切断部分电力负荷。

本实用新型实施例提供的发电系统故障解列装置中数据采集装置能够将采集到的发电系统母线与线路的电气量发送至处理器，处理器根据计算结果和逻辑判断能够向发电系统输出指令，当发电系统出现频率下降时，发电系统根据从处理器接收到的指令，能够自动切断部分电力负荷。从而使发电系统的原动机功率即发电机的输入功率P_m与发电机电磁功率P_c之间达到平衡，根据函数P_m-P_c＝2H_s·Δω，能够知晓，当自动切断部分电力负荷后，即能控制Δω—角速度变化量，再根据公式得知，此时，发电系统频率f即可恢复到正常值，避免发电系统出现低频运行的情况。并且，由于本实用新型提供的发电系统故障解列装置主要包括数据采集装置、处理器和与它们配套使用的通信接口，因此，可以直接嵌入到现有的发电系统中应用，安装方便。

为更进一步阐述本实用新型为达成预定实用新型目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本实用新型提出的发电系统故障解列装置其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。

本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，具体的理解为：可以同时包含有A与B，可以单独存在A，也可以单独存在B，能够具备上述三种任一种情况。

实施例一

参见附图1，本发明实施例一提供的发电系统故障解列装置中，处理器是ARM处理器，数据采集装置采集的电气量包括电力系统母线与线路的电流频率、电压频率、有功电量和无功电量，并将其采集到的电流频率、电压频率、有功电量数据和无功电量数据发送至ARM处理器，ARM处理器利用其内设计算芯片进行计算和逻辑判断，并根据计算结果和逻辑判断向发电系统输出指令，当发电系统出现频率下降时，发电系统根据从ARM处理器接收到的指令，自动切断部分电力负荷。本实用新型实施例一提供的发电系统故障解列装置可进行二段零序过压解列，二段低压解列保护，二段低周解列保护，二段母线过压解列保护，二段高周解列，独立的操作及故障录波。同时装置带有17路自定义遥信输入，一组断路器遥控分合，模拟量遥测，事件SOE记录。

参见附图2，低频元件监测到系统低频状态后，且三相均有电流，频率滑差闭锁元件未闭锁，低电压闭锁元件未闭锁，达到整定的低周保护时间之后，系统低周保护动作输出。

参见附图3，当PT断线未闭锁的情况下，三相均有电流，并且频率的滑差在定值设定的允许范围内，达到相应的动作元件延时后，进入低电压保护解列输出。

系统配有两段零序过压解列，各段电压及时间定值可独立整定，分别设置整定控制字控制这两段保护的投退。当零序过压经母线自产零序电压闭锁投入时，仅当折算后的自产零序大于4V，且外接零序电压大于定值时动作。同时本装置具有两段低压解列保护，用于故障引起系统低电压时解列要求，各段电压及时间定值可独立整定，分别设置整定控制字控制这两段保护的投退。低压元件动作必须经有压判别后才能再次进行动作。低压解列有PT断线闭锁功能，可经控制字投退。当三相电压中任意一个小于低压定值，均可使得低压解列动作，可经电流闭锁：即任意一线电压小于低压解列定值同时任一相电流大于电流开放定值时，低压解列动作。或为任一线电压小于低压定值同时三相电流均小于电流整定值时低压解列动作。

本装置的两段低周解列，各段整定值可独立设定，分别设置整定控制字控制这两段保护的投退。低周功能用于故障原因引起的系统低频时的解列要求，经固定低电压闭锁。系统频率必须曾经在低周定值以上，低周元件方能工作。母线过压解列与高周解列同样可独立进行设置。

本实施例中，数据采集装置与ARM处理器之间的通信方式可以是远程通信，也可以是近距离通信，可以是无线通信，也可以是有线通信。例如，通过以太网，数据采集装置能够将采集到的电气量数据传输至远程ARM处理器，此时，能够实现远距离监控。当数据采集装置与ARM处理器之间的通信方式是无线通信时，可以通过蓝牙技术实现，也可以通过Wi-Fi技术实现。

其中，ARM处理器上还可以设有RS-485接口，逻辑“1”以两线间的电压差为+(2～6)V表示；逻辑“0”以两线间的电压差为-(2～6)V表示。接口信号电平比RS-232-C降低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL电路连接。RS-485的数据最高传输速率为10Mbps。RS-485接口是采用平衡驱动器和差分，接收器的组合，抗共模干扰能力增强，即抗噪声干扰性好。RS-485最大的通信距离约为1219m，最大传输速率为10Mbps，传输速率与传输距离成反比，在100kbpS的传输速率下，才可以达到最大的通信距离，如果需传输更长的距离，需要加485中继器。RS-485总线一般最大支持32个节点，如果使用特制的485芯片，可以达到128个或者256个节点，最大的可以支持到400个节点。

本实施例提供的发电系统故障解列装置还包括LCD显示器和键盘，从而能够显示开关柜相关状态的数据信息，并可通过键盘进行本地参数设置等操作。

另外，本实用新型实施例一提供的发电系统故障解列装置支持MODBUS，101/103/104通信规约，能够很方便地接入发电系统现场主站系统中。

实施例二

参见附图4，与本实用新型实施例一提供的发电系统故障解列装置的不同之处在于，本发明实施例二提供的发电系统故障解列装置的处理器为ARM联合FPGA处理器，其中，ARM处理器与FPGA处理器能够实现双向通信，数据采集装置采集到的电气量数据直接输入到FPGA处理器，开入信号检测模块也直接将信号发送至FPGA处理器，二段高周解列逻辑、二段零序过压解列逻辑、二段低压解列逻辑和二段低周解列逻辑均由FPGA处理器进行处理。而RS-485接口、以太网接口、键盘接口和LCD显示接口则均设置在ARM处理器上。FPGA即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。因此，本实用新型实施例二提供的发电系统故障解列装置能够利用FPGA的高速信号处理功能，快速地检测外部信号的变化，避免因信号监测延时导致保护动作处理不能实时进行的问题。

参见附图5，本实施例中应用的ARM联合FPGA处理器采用飞思卡尔的M4系列ARM作为主计算CPU，ARM与AD7606之间采用数据总线的方式，进行总线数据的读写，这样可提高数据的读写速度，达到实时性的目的。另外，通过AD7606双极性AD芯片，此为专门用于电力信号量采集芯片，精度可达到14位，宽量程范围。其采集经交流电压电流互感器感应之后的模拟量。CPU将采集到的数据进行相应的的算法，计算出三相电压Ua，Ub，Uc，三相电流Ia，Ib，Ic，频率f，频率滑差df，零序电压Un，以及根据零序电压Un折算出的自产零序电压Uo。CPU将计算出的电气量结果经过内部的逻辑处理，输出至与之联合的FPGA方面，FPGA选用Altera公司的Cyclone IV系列EP4CE22I7工业级别。FPGA与主CPU之间也是采用数据总线读写方式，因其FPGA内部为纯逻辑单元，可达到高速信号处理的目的，将CPU的指令以最快的输出方式输出至外围的保护装置，从而达到实时控制的目标。

参见附图2和附图3，

当三相均有电流即：

Ia>0，Ib>0，Ic>0且

dfa<dfg(定值)，低电压元件未闭锁，频率fa小于fg(定值)时，低周解列动作输出，触发断路器等保护机构动作，从而达到低周保护系统目的。

当CPU计算出来的零序电压Un大于零序电压的定值Ung，经CPU折算后的自产零序Uo大于4V时，经过二段的保护时间Tg之后，零序过压保护动作。

当三相电压中有任意一项电压Ua，Ub，Uc小于电压定值Ug，dfa，dfb，dfc，均小于dfg定值时，Ia，Ib，Ic均大于0，此时系统可判定为低压状态，当经过整定时间Tg之后，系统进行低压保护解列动作输出。

实施例三

在本实用新型实施例一或者实施例二提供的发电系统故障解列装置的基础上进行改进，本实用新型实施例三提供的发电系统故障解列装置还包括硬件自检装置，硬件自检装置由发电系统故障解列装置自身携带，当硬件自检装置检测到发电系统故障解列装置自身故障时，报告自身故障。从而便于工作人员查看该发电系统故障解列装置自身是否出现故障。

其中，发电系统故障解列装置自身的故障主要包括：

1).装置的定制区损坏或者定值丢失；

2).装置的FPGA部分因外部原因导致其不能正常工作；

3).装置的PT掉线；

4).装置的通信模块单元不能正常工作，例如，当任一处通信出现无应答、应答延时、应答乱码时，诊断为通信模块故障；

5).装置的断路器不能正常工作；

6).装置的开出控制不能正常工作，例如，装置的开出控制自振校验功能缺失时，诊断为装置的开出控制故障；

7).装置的数据采集装置不能正常工作，此时，需要判断数据采集装置采集到的数据是否超出合法值，如果超出合法值，则诊断为数据采集装置故障。

针对上述各种故障进行自检的硬件自检装置的各自检模块可以分别装设在各待检部件上，一旦任何一个待检部件产生故障时，即通知给报警装置实现报警。由于本实用新型提供的发电系统故障解列装置的部件组成较多，采用这种方式实现报警，可以直接地获知产生故障的部件的个人信息，此时，需要在各自检模块上分别装设报警单元，从而便于排查和更换产生故障的部件。但是，由于各自检装置分别装设在由各待检部件上，结构分散。

也可以将上述各自检模块集成在一个自检装置中，该集成的自检装置能够与各待检部件之间进行通信，一旦接收到任何一个待检部件产生故障，即通知给报警装置实现报警。此时，由于各自检装置集成在一个自检装置中，为了便于获知产生故障的部件的个人信息，需要报警装置能够分别实现与各待检部件之间的通信，并能够分别指示各待检部件的故障。

其中，硬件自检装置包括状态指示灯，报告自身故障的动作由状态指示灯执行。例如，状态指示灯可以只有一盏，当故障解列装置自身出现故障时，该指示灯亮，而该解列装置自身无故障时，指示灯灭。或者，状态指示灯还可以包括红、绿两盏，当该解列装置自身无故障时，绿灯亮，当该解列装置自身出现故障时，红灯亮。其缺点在于，需要有工作人员值守在该解列装置附近并实时观察该状态指示灯。另外，硬件自检装置还可以包括蜂鸣器，报告自身故障的动作由蜂鸣器执行。此时，当该解列装置自身出现故障时，蜂鸣器发出响声，即使工作人员处于睡梦中，当蜂鸣器响起时，工作人员也能得知该解列装置自身故障的消息。另外，还可以根据工作人员距离该蜂鸣器的远近，设定蜂鸣器的音量，如果工作人员距离该蜂鸣器的距离较近，音量可以设置得比较低，此时，能够节约电能；而如果工作人员距离该蜂鸣器的距离较远，则需要提高其音量才能使其发挥提醒作用。

以上，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种发电系统故障解列装置，其特征在于，包括处理器和数据采集装置，

所述数据采集装置用于实时采集发电系统母线与线路的电气量，并将所述电气量的数据发送至所述处理器；

所述处理器用于接收由所述数据采集装置采集到的电气量数据，并根据计算结果和逻辑判断向所述发电系统输出指令；

当发电系统出现频率下降时，发电系统根据从所述处理器接收到的指令，自动切断部分电力负荷。

2.根据权利要求1所述的发电系统故障解列装置，其特征在于，所述处理器是ARM处理器，所述数据采集装置为AD7606双极性AD芯片。

3.根据权利要求1所述的发电系统故障解列装置，其特征在于，所述处理器是ARM联合FPGA处理器，所述数据采集装置为AD7606双极性AD芯片，所述FPGA选用Altera公司的Cyclone IV系列EP4CE22I7工业级别，所述FPGA与ARM之间采用数据总线读写方式。

4.根据权利要求1所述的发电系统故障解列装置，其特征在于，还包括硬件自检装置，所述硬件自检装置由所述发电系统故障解列装置自身携带，当所述硬件自检装置检测到所述发电系统故障解列装置自身故障时，报告所述自身故障。

5.根据权利要求4所述的发电系统故障解列装置，其特征在于，所述硬件自检装置包括状态指示灯，报告所述自身故障的动作由所述状态指示灯执行。

6.根据权利要求4所述的发电系统故障解列装置，其特征在于，所述硬件自检装置包括蜂鸣器，报告所述自身故障的动作由所述蜂鸣器执行。