微机保护中电力系统频率测量源的探究

严红洲

摘要：对于微机保护来说系统频率是一个很重要的参数，它是微机保护准确测量其他模拟量的首要条件，也会是微机保护是否可以正确动作的前提条件。本文对微机保护的频率测量源给出了三种选择：A相电压测频、AB线电压测频、A相电流测频，并分别对这三种频率源的优缺点和使用场合做了的分析，旨在帮助研发人员在设计微机保护时根据自己的使用环境和特点快速的选择好测量频率的对象。

关键词：频率;测量;微机保护

继电保护是保证电力系统正常可靠运行的一个充分必要条件，它是供电可靠性和质量的重要保证。继电保护的作用就是当电力系统发生故障时及时、可靠、准确、有选择性的断开故障回路。所谓及时就是在故障发生时继电保护装置中各个保护逻辑根据模拟量、开关量的变化非常快的判断出故障，并按照预设的时间出口去跳开断路器，例如当变压器内部有故障时通过突变量来启动差动，可以在2-3ms判断出故障;所谓准确就是各个保护逻辑要很准确的判断出故障类型，并由对应的保护逻辑去动作，例如当系统的电压低时就由低电压保护动作去跳闸，而当三相短路故障导致电流突然变大时就应该有速断保护去动作跳闸;所谓可靠就是继电保护装置和断路器的执行机构必须要可靠的跳开故障回路，而不能存在有时可以跳闸有时跳不开故障回路的现象;所谓有选择性就是当电力系统发生故障时，应该有离故障点最近的断路器断开故障点，而不能由上一级回路的断路器跳开故障回路，不能扩大事故和停电的范围。

1探究频率源的原因

最初的继电保护逻辑是由电流继电器、电压继电器、时间继电器、中间继电器、防跳继电器等分立元件搭建而成的，而现在微机保护逻辑，则是通过将测量、保护、通信、人机接口、故障录波、事件记录、打印等多种功能融合在一起實现的。其中的测量功能是最为关键的，它是将电压、电流、DC4-20mA、PT100铂电阻、DC0-10V等模拟量信号装换为CPU可以识别的数字信号的关键。电力系统是一个很复杂的系统，这就决定了电力系统中各个参数电压电流幅值角度、频率、功率都是在不断的变化的，其中频率也是变化的，要想准确的测量系统电压和电流的信号，这个必须要有频率跟踪功能。电力系统由于用电和发电是同步，即用多少电就发多少电，虽然现在有储能电站，但这对于庞大的电力系统来说几乎是可以忽略不计的，从而这就导致电力系统的频率是在不断的变化;正常的系统频率是50Hz，但当系统的负荷突然减少时，系统的频率会升高，然后系统会根据实际负荷的大小来减少出力，最终使频率保持在50Hz左右;反之当系统的负荷增加时，系统的频率会减低，同样系统会通过调整出力的方式来

达到频率正常。所谓频率跟踪功能，就是微机保护根据系统的频率来调整

AD采样的间隔时间，但一个间隔内采样的点数不变，这样就可以准确的测量到电压和电流的值，给微机保护准确动作提供了保证。电力系统的频率是50Hz时，正常一个周波20ms，微机保护一个周波采样32个点;当系统频率为51Hz时此时为了得到准确的电压电流值，则必须一个周波还是采样32个点，一个周波的时间为19.6ms，即此时必须是在19.6ms中采样32个点;同理当系统的频率为49Hz时，此时一个周波20.4ms内还是采用32个点;通过这样的处理就可以保证系统频率在波动时，微机保护的电压电流的保护逻辑不会收到影响。如果系统的频率为49Hz时，你还是按照20ms内采用32个点的结果来计算有效值和傅里叶值，则此时算的电压电流是一个不稳定和不准确的值，这给微机保护的电压电流保护带了很大的风险，存在误动和据动的可能性，给电力系统的运行带来很大的不确定性。由此可见频率跟踪的重要性，但频率跟踪的实现最根本最基础的还是频率的测量，频率测量一定要准确;如果频率测量不准确，则频率跟踪也是一句空话，就是一个空中楼阁。

2频率源的分类

目前频率测量的方法主要是软件结合硬件测量的方法，就是微机保护在系统中取正弦波两个上升沿之间的计数器值，再用这个值除以两个上升沿之间的时间，再加上一些其他的辅助条件，就可以计算出系统的频率。这个算法现在相对来说是一个比较成熟的方案，现在主要的还是测量频率源的选择，目前有三种：第一种是测量系统的A相电压频率;第二种测量频率AB相线电压的频率;第三种测量A相电流的频率。这三种频率源的方式各有优点和缺点，需要根据不同的应用场景来选择不同的频率测量源。

3频率源的种类分析

第一种测量系统A相电压频率的方法是目前常用的方法，该方法只要将A相电压引入到测频回路，硬件设计简单，但是当系统的A相发生直接接地和A相电压互感器发生断线时就会出现频率测量不准确或无法测量的情况。当中性点不接地系统发生直接接地故障时，由于系统的中性点不接地，此时仅仅是接地相的电压变为0，其他两相电压变大，但三个线电压

Uab、Ubc、Uca的值和相位是没有变化的，这种情况下电力系统是可以运行2-3个小时的;在这2-3个小时内要求系统维护人员尽快找到接地点，并处理故障。我们国家电网中性点不接地系统的电压等级主要为35kV、10kV，而110kV和0.4kV是中性点直接接地系统，中性点直接接地系统当发生单相接地故障时，系统是立即跳闸断开故障回路，是不能持续运行的。在中性点不接地系统中如果仅仅是系统的B相或者C相接地，则对于频率的测量来说是没有影响的，但是如果是系统的A相接地，则会导致微机保护测不到频率。微机保护在测不到频率的情况，一般的处理方式就是按照默认的系统正常的频率50Hz来采样和计算当前的电压电流值。如果系统的频率发生偏移，同时系统又发生短路故障，此时由于系统的频率偏移了不在是50Hz但微机保护还是按照50Hz来采样和计算电压电流，计算的电压电流的幅值和相位肯定是不准确的，这样就会导致微机保护的电压电流保护、功率保护、方向保护不能正确的动作，甚至导致越级跳，从而有扩大事故范围的可能性。如果PT柜中正好是A相电压互感器熔丝断开，也是会导致微机保护测到频率为0，同样也会存在上述扩大停电范围的可能性。当然，当A相系统发生直接接地和A相电压互感器断线时，微机保护会发出系统接地和PT断线的告警信息，提示运行人员尽快处理相关故障，否则会有保护误动的情况存在。所谓越级跳的意思就是如果系统的最末级发生故障，应该最末级开关跳闸，但由于最末级微机保护测频不对或者其他故障导致最末级断路器未跳开，最后将最末级的上一级断路器跳开，这个是比较严重的问题。

第二种方式是通过测量系统的AB线电压的方式来获得频率的，电力系统A、B、C相电压的频率以及三个线电压的频率是一样的，测试它们其中任何一个都可以反映系统的频率。这种方式可以解决第一种测量源在中性点不接地系统中A相直接接地和A相电压互感器断线时存在的问题。当采用线电压测频时，系统A相电压由于直接接地或者电压互感器断线后，虽然A相电压没有了，但B相电压还在。只要A相电压或者B相电压有一个电压在，AB线电压就有电压，因AB线电压等于A相电压与B相电压的矢量差，此时微机保护通过其还是可以正确测试到系统的频率的。只要测量到准确的频率，加上频率跟踪，就可以准确的算出电压电流值。但这种频率源的硬件实现的过程比较复杂，需要将A相电压和B相电压在硬件上做一个减法处理和幅值变换的电路，增加了硬件设计的难度和成本;该种方法还有一个缺点就是在系统A相和B相发生间歇性接地时，还是会导致系统频率的变化，这个是由于当系统A相发生间歇性接地时，系统的A相电压波形发生了变化，虽然B相电压正常，但它们的相减后的波形肯定已经不是正弦波了，所以测试测量的频率还是不准确的。当然，单独测量A相电压的频率的方式在中性点不接地系统中发生间歇性接地时也是会导致系统的频率测量不准确的。

第三种频率源是A相电流，这种是一个特殊的用法。在各种各样的资源逐步减少的情况，节能已经被提上了日程，尤其是大型电动机的节能。故现在大型的电动机都装了变频器，使电动机变频启动变频运行，其一次

接线图如下。

变频启动可以减少电动机启动对电网的冲击，减小启动电流，因电动机如果直接启动的时，其启动电流可以到达电动机额定电流8～10倍;而变频运行，则是在运行中节能，当负荷轻时，则降低频率运行，减少电能的损耗。对于2MW以上的电动机，规范规定其必须配备差动保护。差动保护是电动机的主保护，它的作用就是当电动机内部有故障时迅速的跳开断路器，保护电动机不被烧坏。差动保护的原理就是取电动机机端侧的电流和中性点侧的电流之差来判断电动机是否内部发生了故障。但是由于电动机机端侧有两组电流互感器CT1和CT2，中性点侧有一組互感器CT3，这三组互感器的频率是不一样，CT1是系统的频率，而CT2和CT3是变频器后的频率。CT2和CT3的频率是由变频器决定，而CT1的频率是由电力系统决定，很显然此时差动保护电流的只能取CT2和CT3，因这两个电流互感器的频率是同步，因频率不同是无法进行电流差的计算，进而无法做差动保护的。但现在由于CT2和CT3是电流信号，且变频器下端是没有电压互感器的，就无法通过电压回路来测量频率，只能通过电流回路来测量频率的。此时必须测量频率的原因是由于变频器下端的频率的变化范围是在10Hz～50Hz之间变化的，测量频率后就可以做频率跟踪，否则差动保护无法实现，就不满足规范的要求了。采用此方法测量频率的缺点就是如果电动机的电流值太小，则无法准确测量到频率;还有就是当变频器的频率太低时，超过了微机保护采样的最长间隔时间，也是不能测量到频率。

4.结束语

本文作者通过对这三种频率源优缺点和使用条件的分析，给微机保护开发人员在研发不同使用场景不同保护对象的微机保护时对频率测量源的选择提出了一个指导性的意见，使开发人员能有多种选择，能快速的选择

最终的测频方案，少走弯路节省时间缩短开发周期。

参考文献：

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