大型发变组微机继电保护算法及其实用方案的分析

谢泽雄

（中国能源建设集团华南电力试验研究院有限公司，广东 广州510663）

我国电力工业的不断发展对电力系统的运行和保护也提出了更高的要求。电力系统主要包括电气主设备、发电机、母线、变压器等主要元件,其运行状况对整个电力系统的安全都会产生重要的影响。因此加强主设备的故障诊断与保护十分具有必要性。现阶段,部分电力企业依旧采用传统的电力系统保护方式,也缺乏相应的科学故障分析工具,对促进我国电力系统安全稳定运行产生了不利的影响。

1 相关原理在发变组保护中的应用

1.1 故障分量原理

推动继电保护技术的发展组最重要的是加强故障信息的识别、处理和利用,不断应用新的故障信息对于提升继电保护技术起到了重要的作用。故障分量继电保护原理的内涵是将通过正常网络结构和参数决定的正常分量从故障后电量中取出,进而仅通过由故障分量电势单独作用产生的电量来实现继电保护。故障信息的特征可以通过迭加原理加以探究,即以线性电路为假设前提,将网络故障看作故障附加状态与非故障状态的迭加。在故障状态下出现故障分量,含有稳态成分和暂态成分,其中稳态成分受到系统运行方式的影响,而暂态成分受到故障前的状态有关。故障点的电压故障量最大,且电压故障分量和电流故障分量之间的相位关系不会受到系统电势及负荷的影响,而是由系统中性点间的阻抗决定。

1.2 自适应原理

自适应继电保护原理可以被定义为通过识别电力系统运行方式以及故障状态的变化而对保护性能、特性进行实时更改。电力系统运行状态的变化十分频繁, 而且各种类型故障的发生概率较高,包括瞬时性故障、永久性故障、金属性短路等情况,因此适应电力系统的变化比较困难。传统的继电保护方式适应系统变化与故障状态的效果不佳,以电流速断保护的整定值为例,在最小运行或短路条件下,有发生失效或性能严重变差的危险[1]。因此要进一步加强计算机电力系统保护领域的探索,为自适应继电保护模式发展提供更大的空间。同时加强对电力系统运行状态和故障变化的考虑,收集对应的信息,为变电站综合自动化以及微机的智能化提供便利条件。就地获取信息较为容易,但若能有效提升通信远端信息获取技术水平也可以促进自适应保护的实现。

2 微机继电保护算法的实用方案设计

2.1 基于正弦函数模型的算法

第一步先对输入信号进行假定,为纯正弦分量:

数字电气量的计算通常都是以假定电力系统频率恒定在工频的条件下为基础,但是在发电机起动或停机的状态下,系统的转速会低于假定值,因此看作恒定在工频的条件下无法对故障参数进行准确计算,因此需要相关算法不受到信号频率的影响。由采样值算法可知,ω△T项没有在计算中去掉,ω 被固定值ω0代替, 进而引发ω/ω0在转移函数|H|中出现的。因此要想对与ω 无关的Um值进行计算必须要先消除ω0T。用恒定频率的等幅正弦波形来表示单相交流电的电流和电压:

在低频时采用这种算法会产生两方面的误差,可以利用环境的谐波成分组合迭加谐波滤波器完善过零点的处理方式,适时改变m,以克服过零点的问题。

2.2 零点滤波器

通常情况下的发电机100%定子绕组一点接地保护由三次谐波电压原理以及基波零序电压原理组成,发送到发电机端的零序电压以及发电机自身的三次谐波电势会对基波零序电压保护产生影响。为了有效降低这些影响,在基波零序电压引入变压器高压侧的零序电压可以消除前者的影响,而高性能的三次谐波滤波器可以消除后者的影响。一般三次谐波电压会小于基波电压的2%,如何对其进行提取成为关键因素。另外有很多的三次谐波成分存在于发电机单元件横差匝间保护中的不平衡电流中,因此必须选用性能优良的三次谐波滤过器以及三次谐波滤波器来提升保护的灵敏度与可靠性。

3 发变组保护模块设计

3.1 模块的设计原则

科学的模块划分有助于改进软件设计、提高软件质量,在进行模块划分的过程中需要注意以下原则。以独立性原则为基础,促进模块划分的低耦合、高内聚。模块划分规模需要适中,规模过大会降低可理解程度,而规模过小会使系统接口复杂化。软件结构的特性参数要适宜,合理的深度、宽度、扇入、扇出参数有助于提升模块划分的独立性[2]。模块的作用域应该调整在控制域之内,并要最大限度地降低模块接口的复杂程度,促进信息传递的简单化,并和模块的功能保持一致。模块尽量设计为单入口单出口,降低接口成本的同时,避免出现模块内容耦合的现象。最后需要将模块功能合理预测,但也要防止过度局限。

3.2 系统分解与模块系列构成

在系统分解与模块组合的过程中,需要以功能为核心进行分解,促进系统功能的层次化。通用功能要素的提取是一个典型化的过程。其意义在于消除不必要的多样性与重复性,以促进不同层次、规模模块的形成。单元是电路功能模块的载体,只有将机械结构模块同电路模块组合才能装出整机,进而形成具有完全互换性的单元模块。模块分解点应选择接口最少、最弱的部位,且产品功能要进行适当地扩展延伸,促进规模生产效益的提升。模型只有经过定型化处理以后才能具有通用性, 且需要不断面对市场需求进行完善与革新。

3.3 数字式发变组保护层次构成

发电机、主变压器、高压厂用变压器等设备共同组成了发电机变压器组保护,其保护对象的品种以及运行方式种类繁多,因此也需要很多的继电器。面对不同容量等级、不同机组类型以及不同单元接线方式的要求,如何实现合理的配置成为首要难题[3]。软件的分层设计方法和模块化的程序设计方法可以对其进行灵活、多样地解决。数字式发变组保护软件分为由CPU和外围智能芯片功能软件组成的基本功能层;由数据采集、通信链路层管理、键盘管理等功能软件组成的系统功能层以及应用软件层构成,有利于编程人员发挥各自的优点,增强软件功能的测试和验证。

3.4 主设备保护的双重化问题

在超高压电网的运行过程中,保护双重化的配置已逐步得到了落实,随着硬件成本不断降低,采用两套独立的保护越发受到关注。保护双重化有完全双重化和部分双重化两种方案,完全双重化中两套保护使用独立的直流电源还和不同的CT 二次回路,虽然有很明显的优势,但也具备停柜维修困难、跳闸接点太多等工程困难。部分双重化只进行关键设备的保护双重化,具有保护配置、接线简单的特点,适合模块化技术的应用。在使用双重化技术之前必须了解每种保护的灵敏反应特性,否则会增加误动的概率,因此双重化概念在主设备保护中的应用争议较大。

4 结论

综上所述,加强对大型发变组微机保护算法的研究对促进电力系统的平稳发展产生了重要的作用。本文通过对相关原理以及程序算法的研究,得出要想全面推进模块化,必须促进全局的统筹规划、加强管理,通过集中地部署与周密计划地实施,进而促进模块化的发展。加强方案的改进与完善,推进多品种、小批量生产方式与效益有机统一的加速提升,从而实现我国工业化水平的长远进步。