保护判据

保护判据（共7篇）

保护判据 篇1

在发电机各类故障中, 由于失磁引起的故障占60%以上, 居于各类故障的首位。发电机失磁故障将破坏电力系统稳定运行, 严重影响发电机组的安全。因此, 《继电保护和安全自动装置技术规程》明确规定“100MW以下但失磁对电力系统有重大影响的发电机和100MW以上的发电机, 应装设专用的失磁保护”。

失磁保护的典型判据包括转子判据、系统判据、定子判据。新型判据包括:逆无功判据、神经网络等。每一种失磁保护的动作判据都能在一定程度上对发电机的失磁故障起到保护作用, 但普遍存在容易误动的问题。因此, 比较理想的办法就是将这些判据根据一定的逻辑关系组合起来, 实现优势互补, 这样就形成了失磁保护配置方案。

1 大型机组失磁保护判据存在的问题

1.1 转子低电压判据

目前的微机保护, 多采用变励磁电压判据Ufd (P) , 如公式:Ufd

1.2 系统低电压判据

发电机失磁后, 可能引起主变高压侧 (系统) 电压降低, 引起局部电网电压崩溃, 因此, 在失磁保护配置方案中, 应有“三相同时低电压”判据, 为防止该判据误动, 该判据应与其它辅助判据组成“与”门出口。此判据主要判断失磁的发电机对系统电压 (母线电压) 的影响。

随着系统容量的不断增大及网架结构的增强, 系统无功储备也增加了很多, 且快速反应的微机自动励磁调节器也在系统中大量使用, 大型汽轮发电机失磁后, 系统电压变化较小。对采用系统电压闭锁失磁保护原理的保护来说, 失磁保护拒动的可能性越来越大。

根据大型汽轮发电机变压器整定导则, 失磁保护中系统电压定值整定在 (0.85～0.9) Umin (Umin为高压母线正常运行最低允许电压) 。因此系统母线电压只有下降10%～15%, 失磁保护才能动作。试验证明300MW汽轮发电机在正常运行方式下失磁, 系统电压最大下降3.04%, 必然会引起保护拒动。机组失磁后, 系统电压下降的幅度不但与机组负荷情况有关, 而且与系统运行方式有关, 是一个不确定数值。由此可以说明系统电压不宜作为失磁保护的动作判据。

1.3 阻抗判据

阻抗元件作为失磁保护的定子判据是同步发电机中常用的方式, 即利用定子回路的参数变化来鉴别发电机的失磁故障。当发电机正常运行时, 机端测量阻抗为负载阻抗, 当发电机失磁后, 随着无功功率输出方向的改变, 机端测量阻抗的轨迹由第一象限逐步进入第四象限。进入静稳边界, 此时发电机的机械功率与电磁功率失去平衡, 一旦进入静稳边界后, 发电机将不可避免地进入异步运行状态。因此, 构成失磁保护的阻抗圆有2种, 一是静稳边界圆Z1;另一个是异步圆Z2, 如图1所示。当发电机机端测量阻抗落入阻抗圆内时, 保护动作。发电机发生低励、失磁故障后, 机端测量阻抗Zm总是沿着等有功阻抗圆1先通过静稳边界B点, 进入静稳边界圆Z1, 然后进入异步阻抗圆Z2。因此, 静稳边界圆比异步圆灵敏。

由于发电机均具有进相运行的能力, 若机组进相运行的深度较深, 机端测量阻抗可能会落入静稳边界圆Z1内, 引起失磁保护误动作。

2 发电机失磁保护判据的应用

2.1 逆无功判据

发电机失磁及励磁降低至不允许程度的主要标志是逆无功和定子过电流同时出现。并网运行的发电机失磁之后由产生无功变为吸收无功, 无功功率由正值变为负值, 即出现了逆功率, 此时若发电机维持的有功较大则定子过电流, 该原理失磁保护直接反映发电机失磁后机组从系统吸收无功的程度和定子过电流的情况。该判据的物理概念清晰, 容易整定且不受系统运行方式影响。有一些300MW及以上的大型汽轮发电机采用无刷励磁方式, 运行效果比较好。但无刷励磁发电机转子电压不直接引出, 因此转子低电压判据不适合于无刷励磁发电机的失磁保护, 而逆无功原理构成的失磁保护特别适合这种发电机。

2.2 神经网络判据

基于保护原理的人工神经网络失磁保护配置方案中输入量为:发电机高压侧电压、发电机机端电压、发电机机端测量阻抗、发电机输出的有功功率、发电机输出的无功功率、发电机励磁电压和发电机励磁电流;输出量为:低励失磁故障、非低励失磁故障 (区外故障) 。配置方案中的决策系统采用ANN。网络的输入层使用成熟的保护原理, 并且通过网络的合理连接完成网络的第一层, 该层网络直接反应了保护原理。该方案将现有失磁保护的保护判据和人工神经网络智能化特点相结合, 充分发挥各自优势, 为实现高性能的继电保护装置提供了可能。

3 发电机组失磁保护在整定过程中应注意的问题

3.1 失磁保护中低电压判据的整定问题

低电压判据采用机端电压还是主变高压侧电压, 主要是看发电机与电网的连接方式及发电机容量在电网中的比例、厂用电安全和电网稳定的要求。整定时可以把主变高压侧低电压定值按不破坏电网稳定整定, 机端低电压定值按躲过强行励磁启动电压和不破坏厂用电安全来整定, 这样的整定方式可以有效的减少失磁故障对发电机或电网的影响。

当前对低电压判据的使用, 普遍的做法是考虑投入2段失磁保护, 第1段用机端电压闭锁判据, 失磁保护较短延时动作用于出口, 第2段不经低电压闭锁, 失磁保护经稍长延时动作用于出口。如为了防止失磁时母线低电压判据不能动作, 第1段改用机端电压闭锁判据, 这种方法有利于失磁保护一段动作, 但是为确保各种失磁故障保护均能够动作, 第2段不经低电压闭锁的失磁保护则必须投入。

发电机机端三相电压同时低电压判据, 即Ug≤Ug·set, Ug·set可取 (0.75～0.90) Ug N, 采用机端三相低电压判据有时为了保证厂用电, 有时仅为了与Ufd (P) (或静稳阻抗判据) 组成“与”门出口, 以防止由于Ufd (P) (或静稳阻抗) 单独出口时可能发生的误动作。因此Ug·set选择有较广泛的灵活性。

3.2 低励限制与失磁保护配合的整定问题

対失磁保护而言, 低励限制必须满足发电机进相运行时机端测量阻抗不进入到失磁保护所整定的阻抗圆内。将静稳极限阻抗边界图、异步边界阻抗图、转化为R-X平面的低励限制边界图都放在同一个阻抗平面上, 它们的范围由大到小依次为:低励限制边界-静稳极限阻抗边界-异步边界阻抗。可见其整定比较合理, 失磁保护在发电机进相运行时不会误动。

实际运行中发电厂在做进相试验之前。最好将进相试验方案中的有功功率与无功功率曲线的关系转化到阻抗平面上与失磁保护的阻抗圆进行比较, 确保试验能够可靠进行。另外, 合理的低励限制曲线与阻抗判据整定的配合, 也是防止失磁保护误动的一个重要方法。

4 工程应用中的发电机失磁保护方案

RCS-985发变组保护装置中的失磁保护是一种开放式的失磁保护方案, 可以根据不同机组运行的需要, 选择转子低电压判据、减出力判据、定子阻抗判据、无功反向判据、母线低电压判据进行灵活组合, 通常推荐的组合方式为:系统低电压判据+定子阻抗判据+转子电压判据, 在低电压元件低于整定值时, 经较短延时后动作跳闸。此外, 考虑到多台机组并列运行时, 单台机组失磁母线电压可能降低不到定值以下的情况, 设置一段不经母线低电压闭锁的失磁保护, 经稍长延时动作出口。为了防止自并励发电机区外故障时失磁保护误动作w不推荐只投转子低电压判据和系统低电压判据的失磁保护方案。RCS-985采用的处理异常工况的措施:主变高压侧母线TV断线时, 闭锁低电压判据;机端一组TV断线时, 自动切换至另一组正常TV, 不需要闭锁失磁保护的阻抗判据。这些措施可以有效地防止在异常情况引起的失磁保护误动, 增加保护的可靠性。

保护判据 篇2

继电保护软件设计过度耦合硬件会影响开发周期, 使得软件在没有硬件时无法调试, 因此软件设计必须采用模块化设计, 隔离硬件相关的驱动程序。合理的软件架构划分能够实现与硬件无关的软件代码完全可移植, 与硬件相关的驱动代码以虚拟驱动代替, 从而实现在PC机上验证继电保护判据。

继电保护判据的验证要求有模拟量输入数据, 本方案提出了一种基于分层软件架构的继电保护判据的装置虚拟机[3,4]来实现。经虚拟驱动批量读入录波波形数据, 批量验证继电保护判据且输出相应的判读结果, 脱离实际保护装置, 实现代码完全移植的应用层软件验证。基于进程捕捉功能, 支持包括单步跟踪、多个断点设定、条件断点设定等方式的断点调试, 为研发时的问题排查提供了一种新手段。

1 分层软件架构的必要性

受制于单片机运行速度、存储容量、性价比、软件开发语言等多种因素影响, 在过去的20年中, 软硬件过度结合的继电保护软件曾发挥过重要作用, 但是随着单片机技术的发展, 出现了很多高速度、大容量、性价比高的单片机, 软硬件过度耦合反而使得软件可扩展性低、模块单元测试难度高、后期维护工作量大, 因此当今软件开发多使用分层的软件架构。

基于继电保护装置的特点, 采用驱动层、公共应用层、专用应用层的3层软件架构设计, 并规范层间和层内数据交互接口, 以达到源码程序的最大限度移植。驱动层是与硬件强关联的驱动, 源码不可移植;公共应用层是不同继电保护 (变压器保护、母线保护、线路保护) 所共有的相同软件, 源码完全可移植;专用应用层是不同继电保护中的不同软件, 源码也完全可移植。

基于分层软件架构, 本方案以虚拟驱动替代硬件驱动, 读入仿真的波形数据和 (或) 厂站现场录波波形数据, 然后调用源码完全可移植的公共应用层和专用应用层程序生成动态链接库函数, 最后以录波方式输出保护判读结果, 实现保护判据的验证。

2 继电保护装置虚拟机

2.1 开发语言与仿真工具的选择

继电保护装置CPU多采用数字信号处理器 (DSP) 。DSP主流生产厂家均提供支持C语言开发的集成环境CCStudio和VisualDSP++, 为了代码的可移植, 选择C语言开发。电力系统仿真多采用ATP, PSCAD和MATLAB Simulink仿真软件, 综合数据交互接口和应用程序接口, 因MATLAB支持动态链接库MEX (MATLAB Executable) 函数调用C语言子程序, 故选择MATLAB Simulink仿真。

2.2 支持断点和单步调试的开发环境

在继电保护开发前期阶段需要软件调试, 软件调试多使用断点调试和单步调试。Visual C++开发环境具有条件断点调试、单步调试等完善的调试功能, 且与CCStudio和VisualDSP的编译器一样均支持美国国家标准学会C语言标准——ANSI C。

2.3 继电保护装置虚拟机组成

MATLAB支持动态链接库MEX函数文件, Visual C++具有进程调试功能, 该功能能够捕捉MEX函数, 从而实现断点调试。如图1所示, 继电保护装置虚拟机通过动态链接库和进程有效地将MATLAB强大的仿真功能和Visual C++完善的调试功能合二为一, 按时序执行读录波数据、保护判据 (可选择性进入进程调试) 、保护判读结果输出, 实现了保护判据的验证。

2.4 MEX函数与进程调试

动态链接库MEX 函数依赖于MATLAB的预处理器MATLAB_MEX_FILE和库文件libmx.lib, libmex.lib, libmat.lib。C语言的MEX函数接口如下:

其中:ouput_num为输出数据指针数组数量;mxArray *p_out为输出数据指针数组;input_num为输入数据指针数组数量;mxArray *pin为输入数据指针数组。

Visual C++通过调试进程菜单附加MATLAB进程, 如Visual C++的Microsoft Visual Studio.Net 2003版本, 点击“工具”菜单栏的“调试进程”下拉菜单, 选择“MATLAB.exe”进程, 单击“附加”按钮确定。详细界面图如附录A所示。当MATLAB调用C语言MEX函数时, Visual C++便能捕捉到进程且进入MEX函数, 从而实现MEX函数及其调用的所有子函数的断点调试和单步调试。

3 装置虚拟机的批量开环验证

开环仿真指的是保护判读结果输出不反馈于录波文件的输入, 即录波文件的输入不随保护结果输出而变, 该部分录波数据一般来源于现场故障录波COMTRADE文件或仿真工具生成的录波数据, 为实现读文件接口的兼容性, 仿真工具生成的录波数据也转换成COMTRADE格式的文件。批量开环验证主要用于录波数据海量验证保护判据逻辑。

如图2所示, 批量开环验证主要由读文件模块、装置虚拟机、保护判读结果输出模块三大模块组成。

1) 读文件模块:

负责读入COMTRADE格式的录波数据文件, 兼容COMTRADE 91版和99版, 支持模拟量和开入量的通道抽取, 支持录波时间段的抽取、支持录波采样率转换 (抽取和插值) 。为实现开环的批量验证, 该模块还支持批量读取录波文件, 批量验证异常处理, 即异常中断发生后可选择性的由第1个录波文件或异常终止的录波文件开始执行。

2) 装置虚拟机:

装置虚拟机是本文的核心, 通过虚拟驱动读入当前点数据, 调用由保护判据生成的MEX函数, 支持保护判据的单步、断点和条件调试, 保护状态以变量方式输出。

3) 保护判读结果输出模块:

读入装置虚拟机的保护输出结果变量, 根据判读规则 (判读列表) 输出保护动作状态:正确、拒动、误动, 且支持装置虚拟机的判读输出转换为COMTRADE格式。

4 装置虚拟机的闭环验证

闭环仿真指的是保护判读结果输出反馈于数据 (模拟量和开入量) 输入, 即数据输入随保护结果输出而变, 如保护动作时跳开断路器, 故障点切除, 线路电压输入恢复正常, 由于断路器的跳开, 线路电流输出几乎为0。闭环验证主要用于有保护时序配合和控制的保护逻辑, 如重合闸、备自投。

如图3所示, 闭环验证主要由仿真模型、装置虚拟机、保护判读结果输出模块三大模块组成。

仿真验证模型如图4所示, 读入保护判读结果输出模块的状态输出, 动态生成录波数据, 临时存储于workspace, 用于装置虚拟机数据交换。MATLAB Simulink仿真模型支持M函数调用, MATLAB Function是个M函数, 由M函数再调用MEX文件装置虚拟机和保护判读结果输出模块。

装置虚拟机和保护判读结果输出模块同开环验证情况。

5 试验验证

经2009年国网“六统一” (国家电网公司继电保护装置标准化设计集中) 录波数据分别验证母线保护和变压器保护动作行为, 结果是所有录波数据的保护判据完全和保护装置动作行为一致, 证明了装置虚拟机的批量开环验证的可行性, 开环验证环境相关测试指标为:采样率转换的最大误差为0.5%, 通道抽取的准确率为100%, 时间段抽取的准确率为100%, 保护误动次数为0, 保护拒动次数为0。

用国网“六统一”模型参数搭建的仿真模型, 其输出电气量转化为COMTRADE格式录波数据, 经保护试验仪录波回放输出, 模拟量接入保护装置, 装置的动作行为和闭环验证时的动作行为完全一致, 足以证明装置虚拟机的闭环验证的可行性。

6 结语

本文提出了一种基于虚拟驱动的继电保护装置虚拟机实现方案, 通过动态链接库和进程捕捉有效地结合了MATLAB强大的仿真功能和Visual C++完善的调试功能, 装置虚拟机使得继电保护软件开发不受制于硬件, 能够脱离实际保护装置实现保护判据的批量开环验证和闭环验证。

装置虚拟机支持多种方式的断点设定, 如单步调试、断点和条件断点, 为保护判据逻辑仿真提供了一种新手段, 便于继电保护前期原理开发的保护验证和后期现场工程的问题分析。

附录见本刊网络版 (http://aeps.sgepri.sgcc.com.cn/aeps/ch/index.aspx) 。

摘要：继电保护软件模块化设计使软件和硬件解耦, 可以在只有录波数据但没有装置硬件的前提下调试软件程序。提出了一种基于分层软件架构 (驱动层、公共应用层、专用应用层) 设计的继电保护装置虚拟机方案, 用虚拟驱动代替硬件驱动程序, 公共应用层、专用应用层的源码完全移植, 经MATLAB编译器生成动态链接库函数——保护计算与判据的MEX文件, 利用Visual C++的调试进程捕捉功能实现装置虚拟机的录波数据输入、继电保护逻辑判据以及继电保护判读结果输出的串行时序执行, 同时支持软件断点设定和单步调试, 并提出了保护判据的批量开环验证和闭环验证的实现方案, 经试验证明了其可行性。装置虚拟机在开发前期阶段软件调试不受制于硬件, 在开发后期阶段可通过断点设定分析现场故障录波数据, 大大提高了软件开发效率。

关键词：继电保护,虚拟驱动,装置虚拟机,批量验证,录波,COMTRADE

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保护判据 篇3

在电力系统中,大型变压器是属于一种重要和昂贵的设备。变压器损坏不仅其维修费用高昂而且对电力系统的损失也很大。如果一台变压器故障,为了减少故障的损坏程度,必须尽快把变压器切除。所以变压器保护应尽可能满足可靠性,安全性以及快速性的要求。

现在实际运行的变压器差动保护,主要是采用以二次谐波制动原理和间断角原理来判别励磁涌流。近些年来发展的有代表性的鉴别励磁涌流的方法有波形对称原理、波形叠加原理、波形相关性分析法和波形拟合法[1]。实际上,由于三相变压器励磁涌流的波形特征随系统电压和等值阻抗、合闸初相角、剩磁大小和方向、绕组接线方式和中性点接地方式、三相铁心结构、铁心材料和组装工艺、磁滞回线和局部磁滞环等不同而改变,所以任何以励磁涌流波形特征为依据的防止由励磁涌流而引起误动的措施均不能保证变压器差动保护不误动[2]。不依赖于励磁涌流波形特征的方案有磁通特性识别法[3],等值电路参数鉴别法,基于励磁阻抗或瞬时励磁电感原理[4]的变压器保护方案、功率法[5]等。但都不能从根本上解决问题,应用前景取决于理论上的进一步突破。

目前时差法[6]已经被应用于变压器故障电流和励磁涌流的鉴别中,其应用原理是认为变压器在空载合闸或电压恢复情况下,由于磁通的积累使铁芯进入饱和需要一定的时间,所以励磁涌流引起的差流的出现之后于所施加电压一个时间差,一般为3~5 ms,而对于内部故障时,电压突变时刻和差流变化出现时刻在理论上是同时出现。然而现有的时差法所基于的电压波形都是从零开始突变,但在实际的电力系统中,测量变压器电压的电压互感器是接在母线上的,所以合闸前后测得的变压器原边电压是始终存在的。这就使现有的时差法的使用价值大大折扣。针对上述问题,本文对实际电力系统中能测量到的电压电流进行了研究,提出了一种与传统时差法不同的变压器故障识别判据新方法。

1 时差法原理应用的局限性

如图1所示为实验系统接线。以图1为例,文献[6]中所使用的电压数据是取自断路器内侧,即u2处电压。但通过分析实际的电力系统发现,测量变压器原边电压的电压互感器是接在母线上的,即u1处。这两者位置的不同导致了利用u1还是u2对时差法的结果影响很大。

如图2所示,发生空投于故障时虽然u2处电压在合闸后迅速变化,且每个采样值都很大,大于20V;而观察u1可以看到,即使是变化最大处,电压变化也不明显,且若发生故障之后,由于故障支路的影响,前后电压的相位发生改变,不能简单地对电压进行突变量处理来判断电压是否增大或减小。

u1电压在合闸后由于电源阻抗产生压降,电压开始变化。一开始由于电流很小,电压变化也很小,随着电流进入饱和区,电压才进行突变。则可以看出,电压突变是滞后电流突变时刻一段时间的。而空投于故障时,由于故障支路的存在,电流会迅速增加,电压也随着迅速变化,二者变化可以说是同时的,明显区别于正常空投时,利用这两者的区别构成判据。

为了保证故障时可靠动作,而受到小扰动时或某些坏数据的影响时保护可靠不启动,突变量启动一般认为连续三个采样点的突变量大于额定值的0.2倍才认为发生故障,启动点即作为电流的突变时刻,电压突变时刻的判断利用小波算法确定突变位置,判断其间隔位置,小于门槛值时判为故障,大于门槛值时判为励磁涌流。

2 小波变换判断奇异点的基本原理

小波变换已广泛应用到变压器励磁涌流的判别中,主要是利用小波变换的模局部极大值来计算间断角的大小。本文是利用小波变换提取出第一层高频系数,利用产生奇异点时所特有的性质来判别其准确位置。由于信号中突变点为信号的急剧变化之处,则其突变点处两相邻模极值点间隔很小,且其相邻的两极大值点和极小值点的幅值差也相对正常信号点要大得多。

小波变换判断奇异性检测的准则是[7]:

1)对信号进行小波变换,求取第一层高频系数。

2)对分解后的高频系数求极值点,计算相邻极大值点与极小值点的幅度差的绝对值,以及相邻极大值点与极小值点的间隔。

3)对极值差绝对值最大及极值间隔最小处进行定位。通常奇异性都是瞬间的,因此奇异值点处的极值间隔一般情况下都只有一个采样间隔,幅值差也最大,当存在两相邻极值点同时满足这两个条件时取较靠前的极值点;若不存在同时满足两者的点,则取间隔最小且幅值差不小于最大幅值差80%的位置为奇异值点的位置。

判断流程如图3。

3 动模实验数据及分析

为验证上述方法的实用性和可行性,本文利用动模试验获得了变压器在各种运行状况下的大量真实数据对保护判据进行验证。

动模试验系统接线如图1所示。此系统中的试验变压器为三单相变压器组,采用Y,d11接线。单相变压器参数如下:额定容量为10 k VA;低压侧额定电压为380 V;低压侧额定电流为25.3 A;高压侧额定电压为1 k V;高压侧额定电流为10 A;空载电流为1.45%;空载损耗为1%;短路损耗为0.35%;短路电压为9.0%~15.0%。电压互感器变比为1000/100;电流互感器的变比为10/5;一周采样25个点。门槛值设为3个点。

3.1 算例1:变压器正常空载合闸

本算例是三相变压器的高压端对电源空载合闸,铁芯剩磁设为40%。合闸角为90°。图4的波形分别为A相电压u1和相电流ia以及u1对应的小波变换第一层高频系数,合闸后的电压和励磁涌流使得电流产生突变量,对电压做小波变换取第一层高频系数后,根据奇异点判断的原则,判断出Tu的位置,比较两突变点的位置,距离大于3个点,则判为涌流,保护制动。

图5所示为合闸角为0°时励磁涌流及电压的处理波形。虽然电流很大(最大值是额定电流的5倍),但是电压的变化较小,所以在经过小波变换时并没有出现大的波动,突变时间较晚,两者之间相差12个点,能够可靠制动。

本算例中,B相和C相的铁芯也发生不同程度的饱和,其时差都高于门槛值,此处不再附图。因此,发生饱和的ABC三相在空载合闸的过程中,保护均安全制动。

3.2 算例2:变压器空投于匝间故障

匝间故障是变压器故障中发生概率较高的一种故障,尤其是轻微匝间故障,其短路匝内电流很大,但反映到变压器端口时却变化不大。图6、图7分别给出了两者情况下的轻微匝间故障,处理结果表明能正确判断出故障,动作迅速。

图6为空投合闸时变压器Y侧发生匝间故障(短路匝数比为3.6%),经小波变换取第一层高频系数判断出电压奇异点,其时差为一个点,可判断为故障,保护应予动作。

图7为空投合闸时变压器侧△侧发生匝间故障(短路匝数比为1.8%),经小波变换取第一层高频系数判断出电压奇异点,其时差小于门槛值,保护正确动作。

综上,发生匝间故障时,虽然u1处电压变化不大,但是依据小波变换还是能将其奇异点找到,正确、迅速动作。

3.3 算例3:空投于相间故障

图8为变压器空投于相间故障,由于故障比较严重,电压在合闸后变化明显,其小波变换得到的奇异点与电流突变点的时差为0,保护迅速动作。

3.4 算例4:空投于接地故障

图9为变压器空投于接地故障,由于故障比较严重,电压在合闸后迅速变化,其小波变换得到的奇异点与电压突变点的时差为1,保护迅速动作。

经过多次动模实验,获取相电压相电流突变时刻间隔,可以看出发生故障时和正常空投时突变间隔有明显的区别,门槛值设为3个采样间隔就可以正确区分出来各种故障形式,而且可靠裕度很大。与理论分析结果相符合。

4 结论

本文结合电力系统的实际配置,分析了时差法的应用限制,利用实际电压构造出新的时差法,使用小波变换准确实时定位突变时刻,能准确判断出变压器励磁涌流,也能在含有励磁涌流分量的干扰下对内部故障迅速动作,效果明显、准确,具有很高的使用价值。

摘要：着重分析了现有时差法在实际应用中的局限性,并根据电力系统所能得到的信息再次对时差法进行了分析,得到了具有实用性的变压器时差法保护判据。利用小波变换提取奇异点的算法准确定位电压电流的突变时刻,比较两者的突变时刻得到:发生涌流时,电压的突变时刻滞后电流突变时刻一段时间,而发生故障时,电压与电流几乎同时突变。该判据具有原理简单、易于实现、计算量小、动作可靠、迅速、实用性高等特点。使用变压器各种运行状态的动模实验数据进行验证,表明该方法能够迅速、可靠地切除变压器内部故障,不受励磁涌流的影响。

关键词：变压器,差动保护,时差法,励磁涌流,小波变换

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保护判据 篇4

目前,数字式母线保护的主保护主要采用电流差动原理,而影响其动作正确性的关键就是区外故障电流互感器(TA)饱和问题[1,2,3,4,5,6],因此,需要为母线保护设置专门的TA饱和检测元件[7,8]。根据区外故障TA饱和时,差流与制动电流出现不同步,文献[9,10,11]提出了时差法来鉴别TA饱和,但是当TA饱和较严重时,时差的精确测量存在一定困难。文献[12]提出的计算差流谐波含量的抗TA饱和方法,易受系统故障电流谐波的干扰而误判TA饱和,使得母线内部故障时差动保护可能被闭锁,甚至导致保护拒动。文献[13,14]从TA饱和的物理本质出发,提出了磁制动的母线保护方案,虽然能较准确地识别饱和,但是需对母线上所联元件的每个TA都要进行计算,运算量太大,且运算时所需要的二次负载电阻R、二次负载电感L以及TA的励磁曲线饱和点(拐点)磁链值难以整定。除此之外,电流差动原理在整定时受母线运行方式的影响较大,使得保护在满足选择性和灵敏度上发生困难。在高压和超高压系统中广泛采用的3/2断路器接线甚至接有平行短线路的双母线方式中,母线发生区内故障伴有汲出电流的情况多有发生,此时电流差动式母线保护的灵敏度会下降,严重时可能拒动。为了克服母线保护存在的问题,文献[15,16,17,18,19,20]提出基于暂态行波的母线保护原理,通过比较母线内、外部故障时行波的极性关系和幅值大小来判别母线区内、外故障。文献[21]还提出了基于神经网络模型的母线保护。然而这些基于暂态量或神经网络模型的母线保护在可靠性上尚存在不足。

文献[22]提出了基于故障分量综合阻抗的母线保护新原理,通过计算故障分量综合阻抗来区分母线的内、外部故障。该原理判据简单,内、外部故障时特征明显,易整定,不受过渡电阻的影响,在3/2断路器接线的母线区内故障有汲出电流的情况下,保护的灵敏度也不受影响。但是原判据中的制动项取值固定,抗TA饱和能力十分有限,当区外故障TA饱和时,可能会造成保护的误动作。

本文在文献[22]的基础上对原有动作判据进行了改进,通过研究TA饱和对故障分量综合阻抗相角所造成的影响,定义了故障分量综合阻抗的相角偏移误差,并经过归一化处理后作为制动系数构成母线保护新判据。

1 基于故障分量综合阻抗的母线保护[22]

1.1 基本原理

对于单相单母线M,假设其上有n条支路。若母线上F点发生故障,则其故障附加状态如图1所示。$\text{Δ}\dot{U}$为该相母线上电压的变化量,$\text{Δ}\dot{{\rm I}}{}_i(i=1,2,\cdots ,n)$分别为流经各支路的该相故障分量电流,母线的差电流$\text{Δ}\dot{{\rm I}}{}_{\text{c}\text{d}}={\displaystyle \sum _{i=1}^n\text{Δ}}\dot{{\rm I}}{}_i$。

定义故障分量综合阻抗为:

${\rm Z}{}_{\text{c}\text{d}\text{ϕ}}=\frac{\text{Δ}\dot{U}{}_{\text{ϕ}}}{\text{Δ}\dot{{\rm I}}{}_{\text{c}\text{d}\text{ϕ}}}\text{ϕ}=\text{a},\text{b},\text{c}(1)$

在高压系统中,由于电源系统阻抗和线路阻抗的阻抗角都接近90°,因此母线内部故障时故障相的故障分量综合阻抗反映各支路阻抗的并联,此时${\rm Z}{}_{\text{c}\text{d}}=\text{Δ}\dot{U}/\text{Δ}\dot{{\rm I}}{}_{\text{c}\text{d}}={\rm Z}{}_1//{\rm Z}{}_2//\cdots //{\rm Z}{}_n$,易知其幅值大小满足|Zcd|<min{|Z1|,|Z2|,…,|Zn|},通常只有几十欧,且其阻抗相角arg Zcd≈-90°。

当母线外部发生故障时,其故障附加状态见图2,此时母线故障相的故障分量综合阻抗反映母线对地杂散电容的容抗,${\rm Z}{}_{\text{c}\text{d}}=\text{Δ}\dot{U}/\text{Δ}\dot{{\rm I}}{}_{\text{c}\text{d}}=\text{Δ}\dot{U}/\text{Δ}\dot{{\rm I}}{}_{\text{c}}={\rm Z}{}_{\text{c}}$,其幅值很大,一般可达上万欧,且arg Zcd≈-90°。

1.2 保护判据

基于故障分量综合阻抗的母线保护原理,其判据为:

$\{\begin{array}{l}|\text{Δ}\dot{{\rm I}}{}_{\text{c}\text{d}}|>{\rm I}{}_{\text{s}\text{e}\text{t}}\\ |{\rm Z}{}_{\text{c}\text{d}}|<{\rm Z}{}_{\text{s}\text{e}\text{t}}\end{array}(2)$

式中:Iset为电流定值,一般可取大于0.2In;In为TA二次电流额定值;Zset为阻抗定值,整定时取500 Ω,足以保证母线保护具有较高的灵敏度。

由以上分析可知,基于故障分量综合阻抗的母线保护原理虽然在母线内、外部故障时特征明显,利用故障分量综合阻抗的幅值所构成的保护判据具有较好的反差特性,但其中的制动项取值固定,制动系数恒为1。当母线外部故障发生TA饱和时,由于饱和所引起的差动不平衡电流会造成判据中的动作量|Zcd|减小,可能造成保护误动作。换言之,判据本身无法通过适时降低其门槛值来躲过TA饱和的影响,其抗TA饱和能力十分有限,因此,该判据在应用时还存在一定的安全性问题,需进一步改进。

2 采用归一化制动系数的母线保护新判据

原有判据仅仅利用了故障分量综合阻抗中的幅值信息来构成母线保护的动作判据,对于其中包含的相位信息却没有深入研究并加以利用。实际上,故障分量综合阻抗中的幅值信息和相位信息是可测量的表征母线系统故障的2种有效信息,而故障分量综合阻抗可视为这2种有效信息的“自然融合”。因此,除了利用其幅值信息外,还应该对其相位信息加以利用,以充分发挥其信息“自然融合”的优势。

2.1 TA饱和对母线差流基波分量相位的影响

当TA发生饱和时,饱和TA的二次侧电流波形会出现缺损和畸变,其波形的缺损和畸变程度与饱和的严重程度有关,此时,在二次侧电流中会存在一定的谐波分量,但基波分量依然是其中的主要成分。而电流波形缺损这一时域内的表象在利用傅里叶变换计算出的基波相量中则表现为其电流相位的偏移[8]。因此,可以通过分析研究基波电流相位的偏移程度来判断TA的工作状态,而在母线保护中通常以母线的差电流作为研究对象。

2.1.1 母线区外故障时的影响

当母线发生近区区外故障时,故障支路将流过全部的短路电流,其TA很可能进入饱和状态。此时,饱和TA的二次侧电流波形缺损并产生强烈畸变,而母线差流在波形和数值上就等于饱和TA的二次电流缺损部分,此时差流基波分量的相位会发生变化,由式(1)可知这势必会造成arg Zcd也随之发生偏移。因此,通过研究TA饱和时差流基波分量的相位变化,便可以确定arg Zcd的偏移程度。

图3为母线发生外部故障时,某一支路的TA饱和时其故障分量电流的典型时域波形,其中i1,i2,iμ分别为TA的一次侧电流(换算至二次侧)、二次侧电流以及励磁电流。易知,母线差流此时反映的便是饱和TA的励磁电流。

由图3可知,发生故障后TA并非立刻进入饱和,而是在过零点存在一个线性传变区,从而使得励磁电流(或二次电流)的波形存在一个间断角(或导通角)φx。若利用傅里叶变换求出此时母线差流(即励磁电流)基波相量的相位,可知TA饱和对差流基波相位所造成的影响。

若理想差流与TA的一次侧电流波形相同,则可假设其时域和相量表达式分别为:$i{}_1=\sqrt{2}{\rm I}{}_{\text{m}}\sin \omega t$和$\dot{{\rm I}}{}_1={\rm I}{}_{\text{m}}\angle 0°$。

利用傅里叶变换可求出母线差流基波分量的正弦项和余弦项的幅值分别为:

$\begin{array}{l}{\rm I}{}_{\text{a}}=\frac{1}{\text{π}}{\displaystyle {\int }_{\phi {}_x}^{\text{π}}i}{}_1(t)\sin \omega t\text{d}t=\\ \frac{\sqrt{2}{\rm I}{}_{\text{m}}}{4\omega \text{π}}[\sin 2\phi {}_x+2(\text{π}-\phi {}_x)](3)\end{array}$

${\rm I}{}_{\text{b}}=\frac{1}{\text{π}}{\displaystyle {\int }_{\phi {}_x}^{\text{π}}i}{}_1(t)\cos \omega t\text{d}t=\frac{\sqrt{2}{\rm I}{}_{\text{m}}}{4\omega \text{π}}(\cos 2\phi {}_x-1)(4)$

计算可得此时母线差流基波分量的相位为:

$\phi =\arctan \frac{{\rm I}{}_{\text{b}}}{{\rm I}{}_{\text{a}}}=\arctan \frac{\cos 2\phi {}_x-1}{\sin 2\phi {}_x+2(\text{π}-\phi {}_x)}(5)$

由于δ≤φx<180°(δ是由于TA在入饱和前总存在一个线性传变区而产生),分析式(5)可知,计算出的差流基波相位φ始终是一个负值,因此,母线外部故障TA饱和时会造成母线差流基波相位的减小,且φ的数值随着间断角φx的增大而增大,即饱和程度越轻,造成的相位误差越大,饱和越严重,相位误差越小。若假设严重饱和时的线性传变区仅为3 ms,则换算可知:φx=δ=54°,此时可由式(5)求得:φ≈-15°。可知,母线外部故障TA严重饱和时造成的差流基波相位误差一般不小于10°。

本文通过数字仿真研究了母线区外故障TA饱和时差流基波分量的相位误差,图4和图5分别给出了母线区外故障TA一般饱和、严重饱和时典型的原始电流波形以及差流基波分量的相位误差。

可以看出,此时差流基波分量的相位误差为正值,即与正常时的差流基波分量相位相比其相位是减小的,且轻度饱和时由于差流波形缺损严重,因此,其相位误差较严重饱和时的相位误差大。大量仿真结果也显示严重饱和时差流的相位误差一般不小于10°。

2.1.2 母线内部故障时的影响

当母线发生内部故障时,各支路仅流过其自身的短路电流,因此短路容量不会很大,TA可能由于铁芯剩磁等原因出现轻微饱和情况,严重饱和情况一般不会发生。

采用与2.1.1节中相同的方法进行分析,并假设此时的母线差流就是饱和TA的二次侧电流,则利用傅里叶变换同样可求出母线差流基波分量的正弦项和余弦项的幅值分别为:

$\begin{array}{l}{\rm I}{}_{\text{a}}=\frac{1}{\text{π}}{\displaystyle {\int }_0^{\phi {}_x}i}{}_1(t)\sin \omega t\text{d}t=\frac{\sqrt{2}{\rm I}{}_{\text{m}}}{4\omega \text{π}}(2\phi {}_x-\sin 2\phi {}_x)(6)\\ {\rm I}{}_{\text{b}}=\frac{1}{\text{π}}{\displaystyle {\int }_0^{\phi {}_x}i}{}_1(t)\cos \omega t\text{d}t=\frac{\sqrt{2}{\rm I}{}_{\text{m}}}{4\omega \text{π}}(1-\cos 2\phi {}_x)(7)\end{array}$

计算可得此时母线差流基波分量的相位φ为:

$\phi =\arctan \frac{{\rm I}{}_{\text{b}}}{{\rm I}{}_{\text{a}}}=\arctan \frac{1-\cos 2\phi {}_x}{2\phi {}_x-\sin 2\phi {}_x}(8)$

由式(8)可知,计算出的φ始终是一个正值,因此,母线内部故障TA饱和时会造成母线差流基波相位的增大,且饱和程度越严重即φx越小,造成的相位误差越大。若母线内部故障TA严重饱和时的线性传变区为5 ms,则φx=90°,计算出φ≈32°。实际上,由于此时的母线差流为所有支路的电流之和,尽管TA饱和支路的二次电流波形有一定程度的缺损,但对整个差流波形的影响并非如上面计算出的那么大,由此可知,母线内部故障TA严重饱和时造成的差流基波相位误差一般不会超过30°。

本文通过大量仿真研究了母线区内故障TA饱和时差流基波分量的相位误差,典型饱和电流波形及仿真结果如图6所示,其中差流基波分量相位误差是指母线内部故障TA正常工作时的差流基波分量相位与饱和时的差流基波分量相位的差值。可以看出,此时差流基波分量的相位误差为负值,与正常时的差流基波分量的相位相比其相位是增大的,且相位误差不超过30°。

2.2 故障分量综合阻抗的相角变化分析

通过以上分析可知,由于TA饱和,会对母线的差流相量$\text{Δ}\dot{{\rm I}}{}_{\text{c}\text{d}}$的相位造成一定的影响:母线区外故障TA饱和时,差流相量的相位减小,母线区内故障TA饱和时,差流相量的相位增大,且差流相量相位误差的大小与TA的饱和程度有关。由式(1)可知,母线差流相量的相位变化会造成arg Zcd也随之发生偏移,且二者呈反比变化。本文因此定义arg Zcd的偏移误差Eθ来衡量其偏移程度的大小:

$E{}_{\theta }=\frac{\left|\arg \frac{\text{Δ}\dot{U}}{\text{Δ}\dot{{\rm I}}{}_{\text{c}\text{d}}}\right|}{90°}=\frac{|\arg {\rm Z}{}_{\text{c}\text{d}}|}{90°}(9)$

1)当母线内部故障TA未饱和时,由于超高压系统中系统阻抗角均接近90°,因此,arg Zcd≤-90°,此时Eθ≥1。

2)当母线内部故障伴有TA饱和发生时,由2.1.2节可知,此时$\text{Δ}\dot{{\rm I}}{}_{\text{c}\text{d}}$的相位是增大的,从而导致arg Zcd减小,因此,arg Zcd<-90°,此时Eθ>1。

3)当母线外部故障伴有TA饱和发生时,由2.1.1节可知,此时$\text{Δ}\dot{{\rm I}}{}_{\text{c}\text{d}}$的相位是减小的,从而导致arg Zcd增大,因此,arg Zcd≥-90°,且相角误差随饱和程度而变化。由于区外故障TA饱和时$\text{Δ}\dot{{\rm I}}{}_{\text{c}\text{d}}$的相位误差不小于10°,因此,Eθ≤8/9,若考虑一定的裕度,Eθ<1。

2.3 母线保护新判据

根据2.2节可知,Eθ随TA工作状态的变化相应变化。因此,可以考虑将Eθ引入原动作判据中,使得判据的动作性能能够随TA工作状态的变化而作出相应调整,以提高保护动作的可靠性和安全性。由于当母线发生内部故障时,无论TA饱和与否,Eθ≥1;而母线外部故障发生TA饱和时,Eθ<1,因此可以将Eθ进行归一化处理,并将归一化后的Eθ作为制动系数Kres引入原动作判据中:

${\rm K}{}_{\text{r}\text{e}\text{s}}=\{\begin{array}{cc}\hfill E{}_{\theta }& \hfill E{}_{\theta }\ge 1\\ \hfill 0& \hfill E{}_{\theta }<1\end{array}(10)$

从而可得母线保护新判据如下:

|ΔIcd|>1.25ΔIT+ΔIdz (启动判据) (11)

|Zcd|<KresZset (动作判据) (12)

式中:ΔIdz为电流突变量启动定值,一般取大于0.2In,已能保证足够的可靠性;ΔIT为浮动门槛,随着变化量输出增大而逐步自动提高,取1.25倍可保证门槛电流始终略高于不平衡输出,提高安全性,减少不必要的频繁启动,且具有较高的灵敏度。

启动判据可用来区分正常运行与故障状态。

动作判据中,Zset为阻抗定值,由于母线对地的等效电容通常在2 000 pF～0.1 μF之间,当母线电容为0.1 μF时所对应的容抗值大约为30 kΩ,而母线内部故障时的等效阻抗值通常只有几十欧,可见,区内、外故障时判据的反差特性很大,因此取Zset为500 Ω时已足以保证判据具有很高的灵敏度。

3 新判据的性能分析

3.1 母线外部故障TA饱和时能够可靠制动

目前的TA饱和检测元件均采用一旦发现TA饱和便直接闭锁母线差动保护的策略,闭锁时间通常达到100 ms以上,从而不可避免地影响了母线保护的动作性能。

当母线外部故障发生TA饱和时,由于饱和所产生的较大差流会使保护启动,并造成|Zcd|下降,此时,基于式(1)的原保护判据可能会发生误动作。结合式(12)及2.2节可知,母线区外故障时由于TA饱和会造成差流相量的相位减小,使得Eθ<1,因此,Kres=0,此时动作判据的门槛值KresZset=0。即使此时动作量|Zcd|数值很小,保护依然能可靠制动。因此保护新判据在母线区外故障TA饱和时具有可靠的制动特性,无需将保护闭锁,从而大大提高了母线保护的动作性能及外部故障时的安全性。

3.2 母线内部故障TA饱和时具有更高的灵敏度和可靠性

由于目前的TA饱和检测元件均采用一旦发现TA饱和便直接闭锁母线差动保护的策略,因此,当母线故障点由区外转向区内或母线内部故障发生TA饱和时,保护的动作速度将大大降低,甚至可能造成保护拒动。

事实上,当母线发生内部故障时,各支路仅流过其自身线路电流,因此短路容量不会很大,TA可能出现轻微饱和情况,严重饱和情况一般不会发生。而且,此时的母线差流为所有支路的电流之和,尽管某一TA饱和支路的二次电流波形有一定程度的缺损,但是对整个差流波形的影响不大。而新判据将反映TA工作状态变化的Eθ引入判据中,当母线内部故障伴有TA饱和发生时,由于差流相量的相位发生变化,造成arg Zcd发生偏移,此时Eθ≥1,KresZset>Zset,反而会提高保护的动作灵敏度,因此,保护能够直接出口动作,动作速度不受影响,更不会出现拒动的情况,从而使得保护性能更加可靠。

除此之外,新判据依然具有基于故障分量综合阻抗母线保护所具有的天然的不受3/2断路器接线时母线内部故障有汲出电流影响的特性以及较强的抗过渡电阻能力,限于篇幅,本文不再赘述。

4 仿真验证

为验证新判据的有效性,利用文献[22]中的仿真模型及参数进行仿真验证,其中饱和TA模型采用EMTP中的Type98非线性电感元件搭建,TA变比取为1 200/5。

4.1 母线内部故障时的仿真结果

图7和图8分别给出了母线内部发生A相接地故障时TA未饱和以及TA饱和时的仿真结果。可以看出,内部故障TA未饱和时,|Zcd|很小且arg Zcd<-90°,求解出的Eθ基本在1.15左右,由式(10)和式(12)可知,此时动作量|Zcd|始终小于门槛值KresZset,满足保护的动作判据,且比式(2)中的原动作判据具有更高的灵敏度。区内故障TA发生饱和时,从图8中可以看出,母线差流虽然受到一定影响,但其变化不大,与图7中的仿真结果相比,此时arg Zcd减小,Eθ的计算数值增大,保护始终满足动作判据且具有很高的灵敏度,能够迅速动作。

4.2 母线外部故障发生TA饱和时的仿真结果

图9和图10为母线外部某条支路发生A相接地故障并伴有不同程度的TA饱和时得到的仿真结果。可以看出,外部故障TA饱和时,会出现较大的差流,使得保护启动,此时计算得到的|Zcd|较小,低于门槛值Zset,基于式(1)中的原动作判据此时会发生误动作。由于此时的母线差流是全部短路电流之和的缺损部分,电流波形存在较大畸变,因而造成arg Zcd也发生较大偏移。

比较图9和图10可知,一般饱和时偏移至少在30°以上,即使是严重饱和,由于饱和TA始终存在3 ms左右的线性传变区,因而其相角偏移也在10°以上,所以计算出的Eθ<1,结合式(10)和式(12)可知,归一化的制动系数Kres=0,保护会可靠制动,与原动作判据相比,大大提高了保护抗TA饱和的能力。

5 结语

本文基于故障分量综合阻抗母线保护原理,分析了TA饱和对母线差流基波分量相位以及故障分量综合阻抗相角所造成的影响,并据此定义了故障分量综合阻抗的相角偏移误差,在将其归一化处理后作为制动系数构成了一种母线保护新判据。与原有判据相比,新判据不仅具有故障分量综合阻抗母线保护的所有特点,而且大大提高了保护抗TA饱和的能力。当母线区外故障TA饱和时,新判据能够可靠制动,当母线区内故障TA饱和时,新判据依然具有很高的灵敏度,使保护能够迅速动作。EMTP仿真验证了新判据的可靠性和有效性。

保护判据 篇5

电流差动保护原理具有较强的提取内部故障信息的能力,在电力系统中应用广泛,大多数设备和线路都优先采用电流差动保护作为主保护[1,2,3]。电流差动保护易受不平衡电流的影响,在实际应用中需引入制动电流和制动系数,与差动电流共同构成差动保护判据,以便可靠区分区内和区外故障[4]。

根据差动电流和制动电流构成的不同,差动保护判据大致可分为全电流相量差动、各种形式的电流故障分量差动、零序电流差动、采样值差动、电流相位差动、标积制动等,不同的判据采用不同的差动电流和制动电流构成方式,表现出的特性也就不一致[5,6,7]。因此,采用何种电流量、以何种方式构成差动电流和制动电流,是研究电流差动保护判据的关键问题之一,也直接决定了电流差动保护性能的优劣。

本文提出一种基于故障分量电流幅值与相位差的电流差动保护判据。故障电流分量具有不受负荷电流影响、灵敏度较高等优点,而其相位差在发生区内、外故障时具有明显的差别,不受负荷电流和过渡电阻的影响,受分布电容影响也较小[8,9]。采用故障电流分量的幅值和相位差构成电流差动保护判据,可获得更好的性能。

1 基于故障电流分量幅值与相位差的电流差动保护判据

1.1 差动保护判据构成

图1(a)为典型的双端电源线路示意图,图1(b)、(c)分别为发生区内、区外故障时的故障附加状态图[9,10]。记左侧故障分量电流为ΔIm,右侧故障分量电流为ΔIn,二者之间的相位差为θ。由上述电气量构成的差动电流表达式为:

制动电流表达式为:

电流差动保护判据的表达式为:

其中,Iset为动作电流的门槛值;K为小于1的制动系数,典型值取0.75。

差动、制动电流也可由式(4)、式(5)构成:

1.2 差动保护判据性能分析

在图1所示的系统中,如果在F1处发生了区内故障,对应的故障附加状态如图1(b)所示,则有:

由于较大,仍能保证正确判断出区内故障。

当在F2处发生区外故障时,对应的故障附加状态如图1(c)所示,忽略分布电容电流,则有:

2 与基于故障分量电流相量和标积制动原理的差动保护判据性能比较

由故障电流分量构成的相量差动保护判据因为具有较高的灵敏度和可靠性得到了广泛的应用[14],其动作方程为:

标积制动方式下的差动保护判据动作方程为:

本文主要分析比较式(12)、(13)所示差动保护判据与式(3)所示判据的性能。

为便于比较,将制动系数统一取为0.75。发生区内故障时,理想情况下假设有ΔIm=ΔIn,而在实际系统中,两侧的系统阻抗、线路阻抗以及故障位置等因素都会影响故障分量电流的大小和相位,因此ΔIm和ΔIn一般不完全相等[15]。

a.设两侧的系统阻抗远小于线路阻抗ZL,故障点位于某侧区内的出口处,此时ΔIm和ΔIn具有一定的相位差(主要取决于线路阻抗ZL的相位),二者的幅值主要取决于ZL与系统阻抗的比值,可能相差十几倍甚至几十倍[12]。

b.对于弱馈或单侧电源系统,两侧的系统阻抗差异较大,发生区内故障时ΔIm和ΔIn具有较大相位差(主要取决于Zm和Zn之间的相位差,但不会超过90°),二者的幅值主要取决于两侧系统阻抗的幅值,也可能相差十几倍甚至几十倍[16]。

c.如果发生非金属性故障,过渡电阻会改变ΔIm和ΔIn的幅值与相位,但并不会影响二者之间的相位差,因为此时有:

上式与式(8)一致。

图2为区内故障且a=0.01~1时3种判据各组曲线的对比图。图2(a)为θ=30°时差动电流与制动电流曲线的对比,可见本文所提判据的差动电流和制动电流均有所减小,但制动电流减小得更多,且ΔIm和ΔIn的幅值差异越大,制动电流越小,所以本文所提判据的动作电流更大。θ取不同值时得到的结果如图2(b)所示,当θ变大时,若幅值比a过小或者接近1,标积制动原理的保护判据表现出稍高的灵敏度,但总体而言差别不大。图3为a=1~100时3种判据各组曲线的对比,分析结果与图2类似。可见在区内故障时,本文所提判据表现出较高的灵敏度。

区外故障时,理想情况下有ΔIm=-ΔIn,而实际中考虑各种因素的影响,θ会在180°±90°的范围内变化,幅值比可能变为理想情况下的十几倍甚至几十倍[17]。区外故障时还应考虑分布电容的影响。文献[17]通过分析表明:线路外部故障时,线路两端故障分量电流相位差受分布电容的影响很小,基本在180°附近变化,但二者的幅值比会受到影响。

取θ=210°,a=0.01~100,此时3种判据的动作特性对比如图4、5所示。

图4(a)为区外故障且a=0.01~1时3种判据各组曲线的对比。可见本文所提判据的差动电流与制动电流均比较小,但是差动电流减小得更多,且ΔIm和ΔIn的幅值差异越大,差动电流越小,所以其动作电流更小。当θ取不同值时的对比结果如图4(b)所示,经分析可得与图4(a)相同的结论。图5为a=1~100时3种判据各组曲线的对比,分析结果同图4。可见在区外故障时,本文所提判据的动作电流更小,安全性更高。需要指出的是,虽然在部分区内故障情况下,标积制动判据有稍高的灵敏度[18],但在区外故障时,标积制动判据的安全性最差,可见本文所提判据具有更优良的性能。

3 算例仿真

为了进一步分析本文所提电流差动保护元件的性能,利用EMTDC进行了大量的算例仿真分析。仿真采用的220 k V双端电源系统模型如图6所示。

线路全长200 km,其中L1=150 km,L2为50 km,F1为区内故障点,F2为区外故障点。线路参数如下:Z1=Z2=0.05+j3.08Ω/km,Z0=0.163+j 0.967 1Ω/km,XC1=XC2=-j 274 574.4 MΩ·km,XC 0=-j 403 714.17MΩ·km。故障类型为A相接地短路,设定TA变比为1 k A/5 A,制动系数K=0.75。

在不同的故障条件下,对3种判据中的差动电流与制动电流以及动作电流的大小进行对比分析。选取如下3种较为典型的故障条件:

a.F1、F2处分别发生金属性短路;

b.n侧为弱馈电源,F1处发生非金属性短路,取过渡电阻Rg=500Ω;

c.F2处发生故障,且线路的分布电容较大,取值为15.776×10-3μF/km。

故障a时3种判据对比如图7、8所示。由图7可见,区内金属性故障时,本文所提判据的动作电流较大,表现出较高的灵敏度;由图8可见,在区外故障时,本文所提判据的动作电流较小,具有较高的安全性。算例仿真的结论与数值分析的结论一致。

故障b时3种判据对比如图9所示。由图可见,在弱馈且经过渡电阻发生内部故障时,本文所提判据的动作电流仍然相对较大,灵敏度更高。

故障c时3种判据对比如图10所示。由图可见,大分布电容线路发生区外故障时,可能造成传统差动保护误动作。此时若采用本文所提判据,计算得到的动作电流比另外2种传统判据的动作电流小,故安全性更高,可在一定程度上减少差动保护误动作的可能性。

综上所述,与传统的故障分量电流相量差动保护判据和标积制动原理的差动保护判据相比,在不同的区内故障条件下,本文所提判据均具有较高的灵敏度,在不同的区外故障条件下,均具有较高的安全性。与其他类型的差动保护判据相比,得到的结论也与上述结论一致,限于篇幅,不再赘述。总而言之,本文所提差动保护判据可用在不同设备的差动保护中,在故障发生初期对区内和区外故障进行快速、可靠的区分。

4 结语

本文提出了一种基于故障分量电流幅值与相位差的差动保护判据,给出了动作表达式并对其性能进行了分析。以常用的故障电流分量相量差动保护判据和标积制动原理的差动保护判据为例,采用数值分析和EMTDC软件仿真计算等方式比较了三者在不同故障条件下的性能。结果表明:本文所提判据在区内故障条件下具有较高的灵敏度,在区外故障条件下具有较高的安全性,可用在电流差动保护中,对区内和区外故障进行快速、灵敏、可靠的区分。

摘要：提出了一种基于故障分量电流幅值与相位差的电流差动保护判据,其中差动电流为本侧电流故障分量幅值加上对侧电流故障分量幅值与二者相位差余弦值之积,制动电流为本侧电流故障分量幅值减去对侧电流故障分量幅值与二者相位差余弦值之积。分析了不同系统阻抗、过渡电阻、分布电容对该差动保护判据性能的影响,并与目前广泛应用的故障分量电流相量差动保护判据和标积制动原理的差动保护判据进行了性能上的对比分析,同时采用EMTDC软件进行了算例仿真。分析计算结果表明,所提的差动保护判据在区内故障时的灵敏度更高,区外故障时的安全性更好,在不同系统阻抗、过渡电阻、分布电容条件下均具有良好的性能。

保护判据 篇6

大型火力发电机组的安全稳定运行对保证整个电网系统安全可靠、节能经济运行至关重要。励磁系统是火力发电机组与电网系统相互连联和协调运行的核心,是发电机组与电网系统相互协调经济运行的重要保证。随着火力发电机组向高容量、大参数等方面不断发展,发电机组励磁系统功能也在不断完善,加上大量集成智能控制模块的使用,其综合集成自动化水平也在不断的提高。集成智能自动化水平较高的励磁系统,虽然在很大程度上提高了火力发电机组综合调节控制自动化水平,但其结构功能的不断复杂集成智能化,又增加了发电机组低励或失磁故障运行工况的发生率。当发电机组处于低励或失磁运行工况条件下,其各电气参数将会发生一定程度的振荡,当振荡超出发电机组允许范围时,就会威胁发电机组自身运行安全性能,甚至影响到整个电网系统的稳定经济运行[1]。因此,加强对大型发电机组的失磁保护研究,找到发电机组低励或失磁运行工况合理和可靠保护判据对保证发电机组安全和电网系统稳定性具有非常重要的意义。

现有火力发电机组失磁保护是把主辅判据按照一定逻辑转换关系实现相互间的互补,从而最大程度降低发电机组励磁系统的误动率或拒动率。但从大量研究文献资料和实际工作经验可知,励磁系统判据无论采取哪种优化组合模式,为了区分发电机组是出现失磁工况还是励磁振荡工况,均需要同时利用变励磁电压作为励磁保护系统的辅助判据,并通过延时操作实现保护自调节或跳闸。由于励磁系统中励磁电压在发电机处于非正常运行工况下,其值波动范围大,数值不稳定,难以获得准确励磁电压值,因此不利于发电机组继电保护装置的正常稳定运行。鉴于现有选励磁电压作为辅助判据的保护装置存在的不足,提出在实测功角的基础上,利用同步电动势作为励磁系统低磁和失磁工况的加速辅助判据,形成一种新型发电机组失磁保护配置方案,提高火力发电机组和电网经济运行稳定性能[2]。

1 发电机组失磁保护判据存在不足问题

现有发电机组失磁保护判据包括主判据和辅助判据,基本满足发电机组失磁保护需求。

1.1 主判据

失磁保护主判据主要由发电机机端测量阻抗构成相应的静稳极限阻抗圆和异步阻抗圆,并通过保护装置内部相关逻辑判断发电机组所处工况。由于发电机运行工况复杂,尤其在发电机组发生短路和有励磁振荡时,发电机机端阻抗就会偏离正常运行轨迹而进入静稳极限阻抗圆或异步阻抗圆轨迹中,此时就需要结合辅助判据进行闭锁逻辑判断[3]。

1.2 辅助判据

发电机失磁保护通常采用等励磁电压、变励磁电压以及负序分量等参变量作为励磁系统的主要辅助判据。当发电机组发生短路和励磁振荡时,常选用变励磁电压作为发电机组失磁保护的辅助判据。但变励磁电压判据存在以下不足。

(1)无刷励磁无法获得励磁电压。

(2)发电机极端励磁电压与有功功率间整定调节困难。

(3)不能反应发电机转子线圈断线故障,有可能导致事故进一步扩大。

(4)发电机组负荷系统出现振荡及失磁工况后的异步运行过程中,机端励磁电压值波动较大,很难获得准确的整定值。

(5)励磁系统励磁电压是一个随机组运行工况而时变的参变量,从空载到强行励磁运行时的变化幅度大、数值均较高,有可能造成励磁保护装置的误动或拒动。

此外,当励磁系统发生励磁振荡时,保护装置的变励磁电压整定值不能作为一个可靠的整定值来防止励磁保护装置误动或拒动。为了保证保护装置动作的选择性和可靠性,必须在保护装置动作判断逻辑中运用变励磁电压判据和延时相结合的闭锁判断方式,但是这样会导致发电机组失磁保护动作延时,降低了保护装置动作灵敏性,不利于电网系统稳定经济运行和发电机组自身运行安全[1]。

2 基于实测功角加速判据的失磁保护配置方案

2.1 失磁加速判据特性

当发电机组处于失磁工况时,其功角变化率δ会增加,同步电动势Eq会持续减小,因此,可以这两个特征参量的变化趋势来作为发电机组失磁工况的加速判据,具体判断逻辑如图1所示。

从图1可知,若保护装置加速判据在发电机机端测量阻抗到达机端静稳极限圆前持续成立,则逻辑判断模块输出0;机端测量阻抗到达静稳极限后,逻辑判断程序输出1。

2.2 失磁保护整定配置

引入发电机功角变化率δ和发电机同步电动势Fq两个加速判据的失磁保护整定配置如图2所示。

从图2可知,当加速判据和机端静稳极限阻抗圆均满足保护装置整定值,而各种闭锁判据不满足整定要求时,整定逻辑程序将会带延时地实现各类保护跳闸出口,以确保电网和发电机组的安全稳定运行。

常规失磁保护整定系统中,t0、t1、t2均是为了躲避发电机励磁电压在振荡条件下的短时波动和区分发电机励磁振荡工况而采用的延时。引入加速判据的失磁保护配置方案则取消了发电机励磁振荡判据,通过逻辑判断自动区分励磁振荡,从而降低了整定延时时间,可以提前报警并采取减出力控制操作,避免了失磁故障的进一步扩大,有效提高了发电机组运行的安全稳定性。

3 基于实测功角失磁保护方案有效性分析

(1)失磁运行工况。根据图2的保护配置方案,在加速判据满足,且机端阻抗轨迹又进入静稳极限圆运行条件时,保护装置会立即报警,并经过t3延时(很短)后,减小发电机综合出力或与电网系统解列,确保发电机组失磁保护可靠稳定动作。

(2)励磁失步运行工况。在励磁失步运行工况条件下,发电机组功角变化率δ将减小,同步电动势Eq会持续增大,虽满足发电机静稳极限圆判据,但是整个保护装置加速判据不满足要求,因此保护装置不动作,通过励磁系统自动调节同步,提高发电机组运行可靠性。

(3)短路运行工况。当发电机组处于失磁工况时,其同步电动势Eq会持续增大,此时失磁保护配置逻辑中加速判据不满足动作要求,保护装置将可靠不动作,避免了事故的进一步扩大。

(4)电压短时降低进入静稳极限圆运行工况。当发电机组因电压短时波动而进入静稳极限圆或系统静稳性能遭到破坏时,若发电机功率增大,功角变化率δ将减小,此时失磁保护加速判据不满足配置要求,则保护装置可靠不动作;若发电机功率减小,功角变化率δ将增加,而这是由发电机机端变励磁电压减小引起的,具体变化曲线如图3所示。

从图3可知,当发电机由于电压短时降低进入静稳极限圆运行工况时,同步电动势Eq会增大,此时失磁保护加速判据不满足动作逻辑,保护可靠不动作。

从上述分析可知,带有功角变化率δ和同步电动势Eq的加速判据的失磁保护整定配置方案,可以避免常规保护装置延时动作造成的事故扩大问题,使失磁保护装置提前进入报警、减出力或解列动作逻辑,为发电机组的整定调节控制提供了更多的时间,有利于电网和火力发电机组的安全稳定运行。

摘要：针对发电机组常规励磁装置失磁保护判据存在的励磁电压不易获取和动作延时较长等不足,提出了一种基于实测功角加速判据的新型失磁保护配置方案,并论证了其有效性。

关键词：大型火力发电机组,失磁保护,加速判据,励磁系统

参考文献

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视频火灾多判据识别技术及其应用 篇7

火灾的预警和实时检测,一直是人们在处理火灾隐患时所考虑的首要问题。目前,大多数的火灾监测系统都是针对燃烧烟雾进行探测且多用于环境稳定的场所。然而,对于公园、校园等区域面积较大且环境多变的室外场所,火灾地点具有很大的随机性,应用烟雾火灾检测方法很难识别出火灾[1] 。采用视频识别技术,通过对监控视频上图像的有效分析、判别,可以很好地检测出火灾,并及早地进行处理,减少经济损失,保障人们的生命财产安全。无论是从经济上还是技术上,视频火灾识别技术都有着明显的优势[2],它也必将是今后火灾识别的一个重要的研究方向,近些年国内外研究者在这方面也有一定的进展[3,4,5]。

目前,由于硬件设备、研究方向的不同,视频火灾识别技术分为以下几种研究思路:单一的对火灾火焰的形状、颜色、纹理等静态特征进行分析[6,7,8],或者是对相似度、蔓延趋势、边缘变化、整体移动、分层变化等动态特征进行分析[9],或是在动态分析的过程中简单加入面积特征的判据[10,11]。动态特征侧重于通过对视频中相邻两幅或多幅图片的对比来对火灾火焰进行判定,对单幅图像上火焰属性的分析则相对欠缺;静态特征则侧重于通过对单幅图片中火焰的几何属性进行精确的分析,从而得出判定结果,此法分析速度较快,但忽略了对连续几帧图片之间火焰趋势的分析,判定结果难免有误差。

本文在深入分析火灾火焰特征并总结前人研究工作的基础之上,选取了火灾火焰尖角、圆形度等静态几何特征和相似度、火焰移动等动态特征对火灾进行综合判定、识别,这既保证了对单幅图像进行精确分析,同时也兼顾了对火灾动态蔓延趋势的分析。实践表明,此方法具有判定准确率高、判定时间短、误报率低等优点。

1 问题分析

火灾在形成过程中,遵循着一定的特点和规律。熟悉火灾形成规律、选取并利用一些独特的火灾火焰特征对于尽快识别火情有着至关重要的作用。一般来说,视频中的火灾火焰具有如下特征:

① 相似性特征 对于连续获取的两帧图像,后一帧图像必定有一些区域和前一帧相似,但这种相似又不至于使相似区域完全重合。在火灾发生初期这种特征尤为明显[2]。

② 火焰中心移动特征 与其他发光的干扰源相比,火灾火焰的中心存在一定的移动速率。通过计算求得火焰中心坐标之后,根据上下两帧图像的中心坐标对比,得出火焰移动速率。此特征在火灾初期也较为明显。

③ 火焰尖角特征 火焰燃烧的过程中其边缘会有很多尖角产生,而对于蜡烛和灯泡等易引起火灾误报的发光体,无论是否在晃动,其尖角数都呈现出基本不变的特性。此外,火焰图像在经过边缘提取后,尖角数特征会愈发明显。因此,火焰尖角的判别亦可作为火灾识别的重要特征加以考量[7]。

④ 圆形度特征 圆形度是描述物体形状复杂程度的度量单位,物体形状越不规则,其圆形度越大。火焰的圆形度与其他干扰源相差较大,考虑到某些情况下火灾火焰较小时,在运用尖角特性的同时,结合圆形度特征,可较好地完成对火灾图像的识别。

2 系统的算法设计与分析

2.1 可疑区域识别

对可疑区域进行识别是后续火灾判定的必要条件,故其重要性不言而喻。本文首先对图像进行图像分割[4]处理,对分割后得到的二值图像,运用本文给出的像元分组法对可疑区域进行标记。

与普通物体的漫反射相比,火焰最显著特征是发出持续的光亮。此特征可以作为可疑区域识别算法的最基本条件。一旦发现了亮度异常的可疑区域,即将当前图片与参考图片进行比较,两者做差生成二值图像。方法如下:

Δ fi(x,y) = fi(x,y)-f0 (x,y)

=0 Δ fi(x,y) < T

1 Δ fi(x,y)≥T (1)

其中, Δfi(x,y)为两帧图像的差值,fi(x,y)为从视频中截取的图像当前帧,f0(x,y)为参考图像,T为二维最大熵阈值法算出的值[4]。随后,将得到的二值图像作为样本进行如下处理:对于分割后图像上的较小区域运用腐蚀和膨胀算法[12]进行剔除,进一步地排除干扰源。

对于剩下的样本,为了便于统计二值图像中的目标个数,有必要给每一个连通区域加一个惟一的标号。标号算法有局部邻域和分而治之两种算法[4]。由于上述两种算法空间开销相对较大,不可避免地延长了区域识别时间,本文在上述2种算法基础之上,探索出一种快速且高效的方法:像元分组法对区域进行标定, 本方法输出结果为多个可疑区域的面积和对应的灰度均值,其中灰度均值是指灰度图像与二值图像经过“逻辑与”运算后,所得图像中连通区域内所有像素点灰度的均值。又灰度图像中火焰的灰度值一般都大于200,算法结束后,可将区域灰度均值小于200的区域剔除掉,剩下的区域集合即可作为最终的火灾识别的可疑区域样本,进入下一阶段进行识别。

下面介绍一下文中采用的像元分组区域标定法。算法的主要思想如下:

1) 声明一个队列Q,用二维数组A存入二值图像的数据。

2) 从图像文件的起始处,对该数组A进行逐行扫描,如若该像元值非0,则将该坐标加入Q,记录该点灰度图像的值,区域面积S加1。

3) 将该像元值赋0并对其相邻坐标逐个检查,如果值也非零且未进Q,则加入Q,记录该点灰度图像的值,区域面积S加1。

4) 当队列为空时,记录此区域标号、灰度均值以及面积,S赋0。

5) 循环步骤2)、步骤3),直至数组A扫描结束。结果如图1所示,执行像元分组后,每个连通区域加上了唯一的标号。

2.2 视频火灾的智能识别

视频火灾判定流程如图2所示。

对处理得到的可疑区域依次进行判定,下文中所说的图像都是指经过可疑区域识别后的图像。只有满足以下判定条件,才会最终判定为火灾火焰图像,判定算法如下:

1) 0.1<δ<0.8 且 S1<S2

此判断依据火焰特征中的相似性特征。其中S1、S2分别为连续截取的前后两幅图像,δ为S1、S2的重叠率。对于重叠率小于0.1的区域,则认为是小的干扰源,对于重叠率大于0.8的区域,则认为是其他照明设备光照效果所致,故都应当加以排除。

2) 判定V1<Vx<V2 且V1<Vy<V2 是否成立

此判断依据火焰特征中的火焰中心移动特征,其中V1、V2分别为自行设定的火焰中心移动速率上、下阀值,经过计算,分别求得两帧图像的火焰中心坐标[9](X1,Y1)、(X2,Y2)后,根据下列公式求得X、Y方向的移动速率 Vx、Vy 。对于一幅M×N大小的图像来说:

Vx =|X2-X1|/M

Vy =|Y2-Y1|/N

3) 尖角数目>1且尖角坐标各不相同

主要通过判定火焰边缘的尖角角度、尖角高度、尖角宽度等燃烧过程中较为明显的特征来统计尖角数目[6]。

4) 圆形度判定

$R=\left[\frac{C{}^2}{(4S\times \text{π})}\right]>5$

其中R为圆形度,C为可疑区域周长,S为可疑区域面积。根据在实际系统中的多次实验,将本系统火焰圆形度阈值设置为5。

3 在校园预警系统中的应用

3.1 校园预警系统介绍

本文实验采用的校园预警系统基于GIS平台开发,具有精度要求高、规则复杂、随机性动态化强、实时性等特点。本系统能够建立校园预警空间数据模型,具有大量多批次动态目标检测的高实性,能对特定事物发展的预测和紧急处理提供高可靠性操作。系统Web前端采用FLEX富客户端技术开发,后台则采用C++进行开发,Web前端与后台之间采用BlanzDS实现服务器Java 远程控制 (remoting) 和 Web 消息传递 (messaging) 。后台中的火焰识别模块使用C++编写,封装成DLL通过JNI嵌入到程序中。

该系统最重要的部分是视频监控模块,而火灾识别是视频监控模块的主要功能,用于对火灾事件进行预警。

3.2 实验结果与分析

系统各组件的调用关系如图3所示,由视频监控的后台多线程程序不断地对各个摄像头上显示视频进行火灾判别(调用本文所述的算法实现的动态库),直到后台检测到灾情并报警。具体过程如下:识别到灾情后,将监控到火灾的摄像头ID传送给GIS平台,在地图上显示出火灾具体坐标地点,如图4所示,地图上出现了高亮的火灾标志;进一步调用显示火灾现场的实时视频监控,如图5所示,有3个摄像头窗口的界面上(主窗口显示的是其中一个子摄像头窗口),不同的窗口播放不同IP的摄像头实时监控视频(为了演示的方便,ID为1的窗口用火灾视频来代替实时的监控画面,其余ID的摄像头画面为实时视频);进行必要的火灾险情分析后,进行决策和调度,或进入后台火灾识别模块查看火灾识别具体过程。

后台火灾识别模块用C++开发,使用该程序轮换对各个摄像头进行火灾判别,对每个摄像头显示的视频进行图像截取,获得两帧连续的图像。对图像进行判定并将结果以参数形式反馈到对话框上。目前判断的是ID为1的摄像头,识别判断的结果是着火了,如图6所示。对照组为ID为2的摄像头,画面显示的是蜡烛,识别判定的结果是没着火,如图7所示。

除此之外,摄录了3段分别为纸张火焰和其他光源光照(蜡烛火焰和白炽灯)的视频,分别获取其10s、20s、30s三个时间点的截图来进行对比测试,如图8所示,测试数据表明:此火灾识别算法技术具有判定准确率高、识别时间短、误报率低等优点。

4 结 语

本文采用视频图像处理技术,利用火灾中火焰的静、动态特征,给出了一种综合判别火灾的方法。通过其在校园预警系统的实际应用,证实了该方法能够准确有效地检测出火灾,具有判定准确率高、识别时间短、误报率低等优点。该方法不仅适用于稳定的室内环境,也适用于一般的户外场所。在后期的研究工作中,我们将不断改进该识别算法,进一步提高算法的执行效率,并将其推广到更多的预警系统中。

摘要：尽早地发现和预警火灾能够保障人们的生命财产安全,并有效降低经济损失。基于视频图像处理技术,给出一种快速提取目标区域的方法,进而得到火灾疑似区域样本。结合火焰的相似度、移动性、尖角、圆形度等特征,给出一种综合判别火灾图像的新思路,采用C++将其逐一用算法编程实现,并将其集成到校园预警系统中。实践证明,该视频火灾识别法具有判定准确率高、识别时间短、误报率低等优点。

关键词：火焰相似度,火灾识别,校园预警,动态特征,图像分割

参考文献

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