（电力系统及其自动化专业论文）微机发电机失磁保护技术的研究.pdf

华北电 力大学( 北京) 硕士学位论文 摘要 随着电 力工业的发展，大型发电 机组在电力系统中的地位越来越重要，大机组 的故障或突然切除， 会给电力系统带来很大影响。 在发电 机的各种保护中，发电机失磁保护是一个急待研究和完善的课题。 本文 在详细分析失磁保护机理的基础上， 对现有的各种保护方案进行了深入的探讨， 提 出了四 种典型的失磁保护新方案， 能够满足用户的各种需要， 并方便了用户的使用。 该新方案对于由励磁绕组内部开路而引起的转子判据拒动问 题，提出 增加逆无功闭 锁的阻抗判据， 避免了失磁保护的拒动， 并且由于增加了逆无功元件，加长了延时， 提高了可靠性。 关键词:发 电机 ，失磁保护 ，微机保护 abstract wi t h t h e d e v e l o p m e n t o f p o w e r i n d u s t r y , t h e l a r g e g e n e r a t o r - t r a n s f o r m e r u n i t s p l a y m o r e i m p o r t a n t r o l e s i n p o w e r s y s t e m. t h e r e a r e s i g n i f i c a n t e f f e c t s t o p o we r s y s t e m w h e n l a r g e g e n e r a t o r - t r a n s f o r m e r u n i t s a r e f a u l t i n g o r s u d d e n l y c u t o f f . a m o n g a l l t y p e s o f p r o t e c t i o n f o r g e n e r a t o r , l o s s o f e x c i t a t i o n p r o t e c t i o n i s a s u b j e c t c a l l i n g f o r i m m e d i a t e s t u d y . t h i s p a p e r p u t f o r w a r d f o u r t y p i c a l s c h e m e s i n l o s s o f e x c it a t i o n p r o t e c t i o n , w h i c h c a n me e t t h e v a r io u s n e e d s o f u s e r s a n d f a c i l i t a t e t h e u s i n g . t h e a u t h o r a r g u e s t h a t b y i n c r e a s i n g r e v e r s e r e a c t i v e p o w e r c l o s e d o w n i m p e d a n c e c r i t e r i o n . t h e s c h e m e s c a n e f f e c t i v e l y a v o i d m i s s t r i p o f t h e l o s s o f e x c i t a t i o n p r o t e c t i o n c a u s e d b y e x c it i n g w i n d i n g i n s i d e o p e n c i r c u i t . o n t h e s a m e t i m e , b y a d d i n g a n t i - p a s s i v e p o w e r c o m p o n e n t , t h e t i m e d e l a y i s p r o l o n g e d a n d r e l i a b i l i ty i s e n f o r c e d . wa n g d o n g y i ( e l e c t r i c p o we r s y s t e m a n d i t s a u t o m a t i o n ) d i r e c t e d b y p r o # l i u j i a n f e i k e y wor d s . g e n e r a t o r , l o s s o f e x c i t a t i o n p r o t e c t i o n , mi c r o p r o c e s s o r - b a s e d p r o t e c t i o n 声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作 所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外 ，本学位论文的研究成果 不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个 人和集体，均 已在文中以明确方式标明。 特此 申明。 签名 : 王 栋一日期 : st, g, s . l o 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即: 学校有权保管、并向 有关部门送交学位论文的原件与复印件; 学校可以采用影印、 缩印或其它复制手段复制并保 存学位论文;学校可允许学位论文被查阅或借阅;学校可以学术交流为目 的， 复制赠送和 交换学位论文;同意学校可 以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内 容 。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作 者 签 名 : 王 4 日期:护 ， 竹件词 导师签名 : 期 华北电力大学( 北京) 硕士学位 论文 第一章绪论 引言 众所周知，我们国家在现今大力加快经济建设的过程 中，电力系统的电力容量 空缺是急待解决的大问 题，广大电力同仁对此正齐心协力做着不懈的努力。伴随着 新电 厂大机组建设、老机组改造、系统电 力容量的日 益发展，对电力系统保护动作 的及时性和可靠性也有了更高的 要求。显而易见，发电 机是电力系统的源泉，没有 发电机就等于 “ 无米之炊” 。励磁系统是发电机的重要组成部分，对 电力系统及发 电机的稳定运行具有十分重要的影响。 现代电力系统通过联网己经发展成供电区域辽阔和容量巨大的系统， 我国的电 力系统也在以空前的规模和速度扩大。由于系统的日 趋庞大和复杂，系统出现故障 的几率将会增多，继电保护技术作为电力系统安全措施中最为重要的一种，面对新 的系统形势，应该探索性能更加完善，可靠性更高的保护原理。发电机、变压器在 电 力系统中地位很重要，与线路保护相比， 主设备保护处于相对滞后的状况，正确 动作率普遍偏低 7 8 。一方面原因来自设计、制造、运行维护;另一方面主设备保 护的故障分析工作仍处于探索阶段，不象线路保护对各种线路结构的一切故障形式 都可做稳、暂态分析，物理或数字仿真，这在一定程度上限制了保护原理的 研究和 校验。 在发电 机的各种保护中，发电机失磁保护是一个急待研究和完善的课题。发电 机低励或失磁是常见的一种电气故障形式，特别是对在电厂的大容量机组而言，由 于励磁系统复杂，环节较多，失磁概率相对大一些，一旦当发 电机失磁后造成极大 的危害。比如系统扰动、电压崩溃、定子过载、转子及铁心发热、厂用辅机损坏等。 因此 继电 保护和安全自 动装置技术规程明确规定， 对于 l 0 0 m w 及以上的大型发 电机应装设专门的失磁保护，以保证系统和发电机的安全。装设性能 良好的发电机 失磁保护是完全必须的，但首先有必要对失磁保护的判据和动作出口方案进行合理 性分析 ，使保护动作行为更为可靠 。 现在新的方法和工具不断涌现，硬软件水平也突飞猛进，这给我们研究新保护 原理提供了很好的条件。我们可以尝试一些新的方法 ，从一个新的视角探索发电机 失磁保护。 到 2 0 1 0 年全国需装机容量 6 9 0 g w ，年均新装机容量 3 0 g w ，在九十年代初中期 投入使用的发电机保护装置，也到了改造升级的时候 ，预计今后几年中，每年对发 电机组保护装置的需求为 4 -5亿元左右 ，市场潜力非常大。随着小型发电机组的 陆续淘汰和新建大型电厂的增多，新开发的机组保护装置必须具备起点高、技术含 量足、配置灵活、功能强大等特点。 华北电力大学( 北京) 硕士学位 论文 第一章绪论 引言 众所周知，我们国家在现今大力加快经济建设的过程 中，电力系统的电力容量 空缺是急待解决的大问 题，广大电力同仁对此正齐心协力做着不懈的努力。伴随着 新电 厂大机组建设、老机组改造、系统电 力容量的日 益发展，对电力系统保护动作 的及时性和可靠性也有了更高的 要求。显而易见，发电 机是电力系统的源泉，没有 发电机就等于 “ 无米之炊” 。励磁系统是发电机的重要组成部分，对 电力系统及发 电机的稳定运行具有十分重要的影响。 现代电力系统通过联网己经发展成供电区域辽阔和容量巨大的系统， 我国的电 力系统也在以空前的规模和速度扩大。由于系统的日 趋庞大和复杂，系统出现故障 的几率将会增多，继电保护技术作为电力系统安全措施中最为重要的一种，面对新 的系统形势，应该探索性能更加完善，可靠性更高的保护原理。发电机、变压器在 电 力系统中地位很重要，与线路保护相比， 主设备保护处于相对滞后的状况，正确 动作率普遍偏低 7 8 。一方面原因来自设计、制造、运行维护;另一方面主设备保 护的故障分析工作仍处于探索阶段，不象线路保护对各种线路结构的一切故障形式 都可做稳、暂态分析，物理或数字仿真，这在一定程度上限制了保护原理的 研究和 校验。 在发电 机的各种保护中，发电机失磁保护是一个急待研究和完善的课题。发电 机低励或失磁是常见的一种电气故障形式，特别是对在电厂的大容量机组而言，由 于励磁系统复杂，环节较多，失磁概率相对大一些，一旦当发 电机失磁后造成极大 的危害。比如系统扰动、电压崩溃、定子过载、转子及铁心发热、厂用辅机损坏等。 因此 继电 保护和安全自 动装置技术规程明确规定， 对于 l 0 0 m w 及以上的大型发 电机应装设专门的失磁保护，以保证系统和发电机的安全。装设性能 良好的发电机 失磁保护是完全必须的，但首先有必要对失磁保护的判据和动作出口方案进行合理 性分析 ，使保护动作行为更为可靠 。 现在新的方法和工具不断涌现，硬软件水平也突飞猛进，这给我们研究新保护 原理提供了很好的条件。我们可以尝试一些新的方法 ，从一个新的视角探索发电机 失磁保护。 到 2 0 1 0 年全国需装机容量 6 9 0 g w ，年均新装机容量 3 0 g w ，在九十年代初中期 投入使用的发电机保护装置，也到了改造升级的时候 ，预计今后几年中，每年对发 电机组保护装置的需求为 4 -5亿元左右 ，市场潜力非常大。随着小型发电机组的 陆续淘汰和新建大型电厂的增多，新开发的机组保护装置必须具备起点高、技术含 量足、配置灵活、功能强大等特点。 华北电 力大学( 北京) 硕士学位论文 电力系统的发展对整个系统稳定运行提出了更高的要求，而发电机励磁系统对 于维持机端 电压、提高电力系统动态稳定性具有重要的意义，发电机保护 中需要配 备完善的失磁保护 。 z 发展现状 2 . 1发电机保护的现状 我国电 力系统元件保护已 逐步进入微机保护时代，微机保护装置凭借其超强的 数学运算、记忆、逻辑处理、自适应性、综合决策功能，以及配置灵活等特点成为 大型和超大型发电机组的主要保护设备 2 1 。但是从整体水平看，主设备保护发展长 期落后于线路保护。具体到发电 机保护，其原因在于发电机保护配置品种繁多、参 数复杂， 且缺少准确合理的故障分析工具， 难以像线路保护一样清楚分析故障成因。 不同 类型、容量的发电机对保护的要求差异很大，即使同 种类型保护对不同发电机 灵敏度也相差较大 。 据统计资料，1 9 9 1 -1 9 9 4年发电机保护动作总次数 2 0 0 3次。 其中正确动作次 数1 8 4 6 次， 不 正确 动作次 数1 5 7 次， 正 确动作 率9 2 . 1 6 % . 17 1 1 9 9 5 -1 9 9 8 年发电 机保护动作总次数 2 0 9 9 次。 其中正确动作次数 1 9 4 3 次， 不 正确 动 作次 数1 5 6 次， 正 确动 作率9 2 .5 7 %. 1 71 1 9 9 8 - 2 0 0 2年统计资料如表 1 - 1 . 表1 - 1 1 9 9 8 - 2 0 0 2 年 发 电 机保 护 正 确 动 作 率 统 计 表2 11 年份1 9 9 8 年1 9 9 9 年2 0 0 0年2 0 0 1年2 0 0 2年五年总计 动作总次数 5 0 261 66 488 7 87 7 23 41 6 正确动作次数 4 6 75 9 66 298 6 275 93 31 3 不正确动作次数3 5201 91 61 31 0 3 正确动作率 9 3. 0 3 %96 . 7 5 % 97 . 0 7 % 98 . 1 8 % 98 . 32 %9 6. 9 8 % 从以上资料可以看到 l 0 0 m w 及以 上发电机保护的不正确动作次数逐年减少， 这与微机保护技术的不断成熟，以及大量的推广运用起了主要的作用。但是，相对 于线路保护仍然是有较大差距的。采用微机保护技术提高发电机保护的正确动作率 仍是我们今后的主要任务 。 华北电 力大学( 北京) 硕士学位论文 电力系统的发展对整个系统稳定运行提出了更高的要求，而发电机励磁系统对 于维持机端 电压、提高电力系统动态稳定性具有重要的意义，发电机保护 中需要配 备完善的失磁保护 。 z 发展现状 2 . 1发电机保护的现状 我国电 力系统元件保护已 逐步进入微机保护时代，微机保护装置凭借其超强的 数学运算、记忆、逻辑处理、自适应性、综合决策功能，以及配置灵活等特点成为 大型和超大型发电机组的主要保护设备 2 1 。但是从整体水平看，主设备保护发展长 期落后于线路保护。具体到发电 机保护，其原因在于发电机保护配置品种繁多、参 数复杂， 且缺少准确合理的故障分析工具， 难以像线路保护一样清楚分析故障成因。 不同 类型、容量的发电机对保护的要求差异很大，即使同 种类型保护对不同发电机 灵敏度也相差较大 。 据统计资料，1 9 9 1 -1 9 9 4年发电机保护动作总次数 2 0 0 3次。 其中正确动作次 数1 8 4 6 次， 不 正确 动作次 数1 5 7 次， 正 确动作 率9 2 . 1 6 % . 17 1 1 9 9 5 -1 9 9 8 年发电 机保护动作总次数 2 0 9 9 次。 其中正确动作次数 1 9 4 3 次， 不 正确 动 作次 数1 5 6 次， 正 确动 作率9 2 .5 7 %. 1 71 1 9 9 8 - 2 0 0 2年统计资料如表 1 - 1 . 表1 - 1 1 9 9 8 - 2 0 0 2 年 发 电 机保 护 正 确 动 作 率 统 计 表2 11 年份1 9 9 8 年1 9 9 9 年2 0 0 0年2 0 0 1年2 0 0 2年五年总计 动作总次数 5 0 261 66 488 7 87 7 23 41 6 正确动作次数 4 6 75 9 66 298 6 275 93 31 3 不正确动作次数3 5201 91 61 31 0 3 正确动作率 9 3. 0 3 %96 . 7 5 % 97 . 0 7 % 98 . 1 8 % 98 . 32 %9 6. 9 8 % 从以上资料可以看到 l 0 0 m w 及以 上发电机保护的不正确动作次数逐年减少， 这与微机保护技术的不断成熟，以及大量的推广运用起了主要的作用。但是，相对 于线路保护仍然是有较大差距的。采用微机保护技术提高发电机保护的正确动作率 仍是我们今后的主要任务 。 华北电 力大学( 北 京) 硕士学位论文 2 . 2 失磁保 护 的现状 据 统计 资 料il l ， 我国1 9 9 5 年l o o m w及以 上容 量的 发电 机 共发生 电 气故 障1 2 0 次， 其中失磁故障占2 6 . 7 %( 3 2 次) . 1 9 8 2 -1 9 8 5 年对 l 0 0 m w及以 上机组 8 7 6 台 年 的 故障统计， 失磁的故障率为7 . 5 3 次/( 百台 年) ， 在发电机各类故障中， 占6 9 . 5 %, 居于首位。1 9 8 6 -1 9 8 9年的统计资料表明:共发生失磁故障 8 9次，占发电机全部 故障 ( 1 5 9 次)的6 0 ，由此可见发电机失磁故障严重影响大型机组的安全运行， 失磁保护是发电机保护中很重要的一种。 2 . 3失磁保护的研究发展情况 对于同步发电机的低励、 失磁故障及该故障下的继电保护研究，国外开展较早， 但是理论和实践并不成熟 5 。我国在上世纪六十年代发生一次重大失磁事故后才开 始了 对失磁故障的广泛研究，并取得了一定成果。文献 6 1 7 对同步发电机失磁后 的行为进行了分析，提出几种失磁保护方案:八十年代初 国外有人利用电子计算机 对水轮机失磁行为进行了分析，但是在当时条件下很难用数字计算机来对系统的动 态过程作全面的仿真，所用数据大多都是实验结果或简化模型基础上的【8 。 上世纪 八十年代以来，随着计算机的应用，在失磁仿真方面有人做了不少工作，但大多只 是分析完全失 磁的情况，分析结果带有一定片面性。深入研究低励、失 磁故障下的 动态过程，寻找各种失磁方式的共有特征作为保护判据，是本文的出发点。 3研 究微机发 电机失磁保护的意义 励磁系统是同步发电机的重要组成部分，对电力系统和发 电机的稳定运行有十 分重要的影响 日 ， 。励磁系统的重要作用体现在: ( 1 ) 正常运行时为同步发电机提供励磁电 流，并根据负荷情况进行相应的调整， 维持机端电压恒定; ( 2 ) 合理分配并列运行发电机之间的无功功率; ( 3 ) 提高电力系统动态稳定性和输电线路的传输能力; ( 4 ) 发电机 内部出现故障时进行灭磁，减小故障程度; ( 5 ) 根据运行要求对发电机实行最大励磁限制及最小励磁限制。 失磁故障对发电机和电力系统能够造成的潜在危害有: ( 1 ) 发生故障的发电机从系统吸收无功功率，通常失磁前带的有功越多，失磁 后吸收的无功越多，造成系统无功缺额，引起 电压下降。 ( 2 ) 由于电压下降，系统中其他发电机在 自动调节励磁装置的作用下 ，将增加 华北电 力大学( 北 京) 硕士学位论文 2 . 2 失磁保 护 的现状 据 统计 资 料il l ， 我国1 9 9 5 年l o o m w及以 上容 量的 发电 机 共发生 电 气故 障1 2 0 次， 其中失磁故障占2 6 . 7 %( 3 2 次) . 1 9 8 2 -1 9 8 5 年对 l 0 0 m w及以 上机组 8 7 6 台 年 的 故障统计， 失磁的故障率为7 . 5 3 次/( 百台 年) ， 在发电机各类故障中， 占6 9 . 5 %, 居于首位。1 9 8 6 -1 9 8 9年的统计资料表明:共发生失磁故障 8 9次，占发电机全部 故障 ( 1 5 9 次)的6 0 ，由此可见发电机失磁故障严重影响大型机组的安全运行， 失磁保护是发电机保护中很重要的一种。 2 . 3失磁保护的研究发展情况 对于同步发电机的低励、 失磁故障及该故障下的继电保护研究，国外开展较早， 但是理论和实践并不成熟 5 。我国在上世纪六十年代发生一次重大失磁事故后才开 始了 对失磁故障的广泛研究，并取得了一定成果。文献 6 1 7 对同步发电机失磁后 的行为进行了分析，提出几种失磁保护方案:八十年代初 国外有人利用电子计算机 对水轮机失磁行为进行了分析，但是在当时条件下很难用数字计算机来对系统的动 态过程作全面的仿真，所用数据大多都是实验结果或简化模型基础上的【8 。 上世纪 八十年代以来，随着计算机的应用，在失磁仿真方面有人做了不少工作，但大多只 是分析完全失 磁的情况，分析结果带有一定片面性。深入研究低励、失 磁故障下的 动态过程，寻找各种失磁方式的共有特征作为保护判据，是本文的出发点。 3研 究微机发 电机失磁保护的意义 励磁系统是同步发电机的重要组成部分，对电力系统和发 电机的稳定运行有十 分重要的影响 日 ， 。励磁系统的重要作用体现在: ( 1 ) 正常运行时为同步发电机提供励磁电 流，并根据负荷情况进行相应的调整， 维持机端电压恒定; ( 2 ) 合理分配并列运行发电机之间的无功功率; ( 3 ) 提高电力系统动态稳定性和输电线路的传输能力; ( 4 ) 发电机 内部出现故障时进行灭磁，减小故障程度; ( 5 ) 根据运行要求对发电机实行最大励磁限制及最小励磁限制。 失磁故障对发电机和电力系统能够造成的潜在危害有: ( 1 ) 发生故障的发电机从系统吸收无功功率，通常失磁前带的有功越多，失磁 后吸收的无功越多，造成系统无功缺额，引起 电压下降。 ( 2 ) 由于电压下降，系统中其他发电机在 自动调节励磁装置的作用下 ，将增加 华北电 力大学( 北京) 硕士学位论文 无功输出，引 起某些发电 机、 变压器或线路过流，其后备保护可能会误动。 ( 3 ) 失磁后，由于有功功率的摆动、系统电压的下降，可能导致相邻的正常运 行发电 机和系统间、或电力系统各部分间失步，使系统发生振荡，甩掉负荷。 失磁故障对发电机本身的危害: ( 1 ) 由于滑差的出现，转子表面和励磁回路中感应出差频电流，产生附加损耗 和转子表层过热。 ( 2 ) 进入异步运行后，发电机等效电抗降低，从系统中吸收的无功功率增加， 失 磁前有功越大，转差越大，等效电抗越小，吸收的无功越多，由 于过电流将使发 电机定子过热。 ( 3 ) 定子端部漏磁增加，引起定子端部构件发热。 微机发电 机失磁保护的判据较多， 闭锁方式和出口方式也很多， 保护配置复杂， 现在还没有完善的失磁保护主判据。大型发电机尤其难 以做到准确动作。发电机单 机容量的 增大使得电 机参数如x d , x d , x d ”等电 抗值普遍增大， 引起发电 机静稳储 备系数减小，在系统发生失磁故障时极易失去静态稳定。 由 于励磁系统相对复杂， 包括励磁功率单元和励磁控制单元，因而故障发生率 很高。并且失磁保护误动情况很多，主要因为失磁故障难以判断，其原因有: ( 1 ) 定子回路参数不会突然变化，难以识别; ( 2 ) 转子回路参数虽然会突变，但却难与某些故障或异常运行状态相区别; ( 3 ) 失磁故障的危害不会迅速表现，故障特征不是很明显; 正是由于失磁故障不像短路故障那样特征明显，且故障发生后对发电机、系统 的影响都很大，因而加强失磁保护，找到一个成熟可靠的保护配置方案是十分必要 的。 发电机装设专门的失磁保护，已经成为共识。然而，现有的失磁保护判据较多， 闭锁方式和出口方式也较多，失磁保护的配置方案也纷繁复杂。据统计， 目前国内 的失磁保护配置方案达 2 0多种。如此之多的配置方案，给失磁保护的方案选择、 整定计算、运行维护带来了诸多问题，在很大程度上制约了失磁保护应有的作用。 失磁保护误动率较高又成为大家普遍反映的问题。因此，对发电机失磁故障机理进 行深入研究，并构建一个合理、可靠的发电 机失磁保护配置方案具有重大的理论价 值和现实指导意义。 4 论文的主要工作 本文首先对微机发电 机失磁保护的发展背景进行了解，阐述了微机继电保护的 历史、现状和发展 。详细分析了发电机低励、失磁的动态过程 、造成的危害和采取 华北电 力大学( 北京) 硕士学位论文 无功输出，引 起某些发电 机、 变压器或线路过流，其后备保护可能会误动。 ( 3 ) 失磁后，由于有功功率的摆动、系统电压的下降，可能导致相邻的正常运 行发电 机和系统间、或电力系统各部分间失步，使系统发生振荡，甩掉负荷。 失磁故障对发电机本身的危害: ( 1 ) 由于滑差的出现，转子表面和励磁回路中感应出差频电流，产生附加损耗 和转子表层过热。 ( 2 ) 进入异步运行后，发电机等效电抗降低，从系统中吸收的无功功率增加， 失 磁前有功越大，转差越大，等效电抗越小，吸收的无功越多，由 于过电流将使发 电机定子过热。 ( 3 ) 定子端部漏磁增加，引起定子端部构件发热。 微机发电 机失磁保护的判据较多， 闭锁方式和出口方式也很多， 保护配置复杂， 现在还没有完善的失磁保护主判据。大型发电机尤其难 以做到准确动作。发电机单 机容量的 增大使得电 机参数如x d , x d , x d ”等电 抗值普遍增大， 引起发电 机静稳储 备系数减小，在系统发生失磁故障时极易失去静态稳定。 由 于励磁系统相对复杂， 包括励磁功率单元和励磁控制单元，因而故障发生率 很高。并且失磁保护误动情况很多，主要因为失磁故障难以判断，其原因有: ( 1 ) 定子回路参数不会突然变化，难以识别; ( 2 ) 转子回路参数虽然会突变，但却难与某些故障或异常运行状态相区别; ( 3 ) 失磁故障的危害不会迅速表现，故障特征不是很明显; 正是由于失磁故障不像短路故障那样特征明显，且故障发生后对发电机、系统 的影响都很大，因而加强失磁保护，找到一个成熟可靠的保护配置方案是十分必要 的。 发电机装设专门的失磁保护，已经成为共识。然而，现有的失磁保护判据较多， 闭锁方式和出口方式也较多，失磁保护的配置方案也纷繁复杂。据统计， 目前国内 的失磁保护配置方案达 2 0多种。如此之多的配置方案，给失磁保护的方案选择、 整定计算、运行维护带来了诸多问题，在很大程度上制约了失磁保护应有的作用。 失磁保护误动率较高又成为大家普遍反映的问题。因此，对发电机失磁故障机理进 行深入研究，并构建一个合理、可靠的发电 机失磁保护配置方案具有重大的理论价 值和现实指导意义。 4 论文的主要工作 本文首先对微机发电 机失磁保护的发展背景进行了解，阐述了微机继电保护的 历史、现状和发展 。详细分析了发电机低励、失磁的动态过程 、造成的危害和采取 华北电 力大学( 北京) 硕士学位 论文 的措施。 分析研究了发电机失磁保护的的常用典型判据并对目 前国内外主要的生产厂 家的配置方案进行详细的比较分析。 针对机组的类型和运行特点，提出四种典型的失磁保护新方案供选用，大大方 便了现场用户的使用。为了解决由于励磁绕组内 部开路而引起的转子判据拒动问 题，本文提出增加逆无功闭锁的阻抗判据， 避免了失磁保护的拒动，并且由 于增加 了 逆无功元件，加长了延时， 提高了可靠性。 对发电机失磁保护硬件平台进行研究， 提出 采用新型的网络化通用硬件平台， 为发电机失磁保护的实现提供 良好的条件。 最后，在实际装置中实现了新方案 ，并通过试验验证是可靠的。 华北电 力大学 ( 北京 ) 硕士学位论文 第二章 微机发电机失磁保护的发展背景 2 . 1引言 微机发电机失磁保护是微机继电保护的一种，它的发展取决于微机继电 保护的 发展情况。 在这样的背景下， 我们有必要首先来了解一下微机继电保护技术的历史、 现状和未来的发展趋势。 2 . 2国外微机继电保护技术的研究现状及发展趋势 近年来， 与微机保护领域密切相关的其它领域的飞速发展给微机保护亦带来了 全新的革命。 如高速数据采集能快速地将模拟输入量准确地转换为所需的高精度数 字量，完全满足了微机保护对数据采集系统的性能指标;如快速数字信号处理器 ( d s p )的出现，其集成了高速乘加器，采用了多总线的哈佛结构，并以 流水线式 的 指令处理机构使自己具有强大的计算能力，充分满足微机保护实时处理系统的 要 求: 又如工业级现场总线的蓬勃发展，改变了传统保护单一化的独立设计思想， 可 使电力系统的运行、监控、保护、测量逐步实现网络化、一体化。 国外微机保护发展至今 ， 经历了三代保护设计上的更新换代，并以微处理器技 术与多种己 被提出并被可靠证明 和广泛应用的算法相结合为基础，不断为新型微机 保护的开发和完善创造着 良好的实现条件。从 9 0年代至今，基于相关技术的紧密 结合，国外各大公司纷纷推出结构新颖、功能强大的新一代微机保护的平台方案， 这其中以a b b , s i e m e n s公司为代表。 国外新一代微机保护设计思想的基本立足点是: 为全球 电力系统用户提供最为 先进可靠的集电力监控、微机保护、综合自 动化于一体的平台式整体解决方案。其 采用面向 对象或称为面向间隔的设计思想，开发出具有微机保护、 就地监控、 通讯 及人机接口 操作等多功能的软硬件系统。 可根据用户的特殊要求在一个通用的 硬件 平台上充分发掘软硬件的使用资源，灵活组态 ，以实现一个集保护、监控、通讯三 位一体的实时运行系统 。具有安全、可靠、灵活、多功能、一定程度的冗余、抗干 扰能力强、数字化程度高等特点。这种高层次的设计思想标志了微机继电保护的发 展趋势。 图2 - 1 是以a b b 公司的第三代微机继电 保护为代表的硬件平台结构图: 华北电 力大学 ( 北京 ) 硕士学位论文 第二章 微机发电机失磁保护的发展背景 2 . 1引言 微机发电机失磁保护是微机继电保护的一种，它的发展取决于微机继电 保护的 发展情况。 在这样的背景下， 我们有必要首先来了解一下微机继电保护技术的历史、 现状和未来的发展趋势。 2 . 2国外微机继电保护技术的研究现状及发展趋势 近年来， 与微机保护领域密切相关的其它领域的飞速发展给微机保护亦带来了 全新的革命。 如高速数据采集能快速地将模拟输入量准确地转换为所需的高精度数 字量，完全满足了微机保护对数据采集系统的性能指标;如快速数字信号处理器 ( d s p )的出现，其集成了高速乘加器，采用了多总线的哈佛结构，并以 流水线式 的 指令处理机构使自己具有强大的计算能力，充分满足微机保护实时处理系统的 要 求: 又如工业级现场总线的蓬勃发展，改变了传统保护单一化的独立设计思想， 可 使电力系统的运行、监控、保护、测量逐步实现网络化、一体化。 国外微机保护发展至今 ， 经历了三代保护设计上的更新换代，并以微处理器技 术与多种己 被提出并被可靠证明 和广泛应用的算法相结合为基础，不断为新型微机 保护的开发和完善创造着 良好的实现条件。从 9 0年代至今，基于相关技术的紧密 结合，国外各大公司纷纷推出结构新颖、功能强大的新一代微机保护的平台方案， 这其中以a b b , s i e m e n s公司为代表。 国外新一代微机保护设计思想的基本立足点是: 为全球 电力系统用户提供最为 先进可靠的集电力监控、微机保护、综合自 动化于一体的平台式整体解决方案。其 采用面向 对象或称为面向间隔的设计思想，开发出具有微机保护、 就地监控、 通讯 及人机接口 操作等多功能的软硬件系统。 可根据用户的特殊要求在一个通用的 硬件 平台上充分发掘软硬件的使用资源，灵活组态 ，以实现一个集保护、监控、通讯三 位一体的实时运行系统 。具有安全、可靠、灵活、多功能、一定程度的冗余、抗干 扰能力强、数字化程度高等特点。这种高层次的设计思想标志了微机继电保护的发 展趋势。 图2 - 1 是以a b b 公司的第三代微机继电 保护为代表的硬件平台结构图: 些 韭 电 力 大 学 ( 北 京 ) 硕士 学 位 论 文 刁11! 图 2 - l . a b b公司的第三代微机保护硬件平台结 构 - 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 j 由图可见，硬件上其主要 由4 类插件构成:模入插件、c p u插件 、开入开出插 件、电 源插件。将多种功能结合在同一硬件中，产生更为精致的单元类型， 紧凑的 设计， 亦大大减少了所需的 插件类型。体现其 “ 用户可配置的多功能数字式保护” 即用户可根据 自身对不同保护的要求尽可能地 以配置相同的硬件结构为主体，实现 各种保护功能;软件上采用基于 i e c 1 1 3 1 的 c a p 3 1 6 的可编程语言，便于把不同的 功能块进行功能组态，强调保护功能的独立性， 但同时保护软件开发应用的开放性 及软件模块间的相关性。将各种保护算法和判据编制成 “ 标准元件”，并根据保护 方案中各判据的逻辑关系将其 “ 组态”( 如s e l 公司的s e l - 3 2 1 - 5 , a b b 公司的r e g 2 1 6 中己 采用这种技术)， 将极大地提高微机保护装置的开发效率和质量。 换言之， 其平台系统的 真正思想体现在保护系统构成的最终决策权在用户。 在未来， 微机保护的发展趋势集中体现在硬件上高度的集成化、 独立化、 标准 化、性能上高度的开放化，软件上的多功能化。其目 的是使微机保护系统在实现功 能日 益完善的软硬件基础上实现保护系统运行及性能价格比的最优化结构。 2 . 3我国电力系统继电 保护的研究现状及发展趋势 我国电力系统的飞速发展对继电保护不断提出新的要求，电子技术、计算机技 些 韭 电 力 大 学 ( 北 京 ) 硕士 学 位 论 文 刁11! 图 2 - l . a b b公司的第三代微机保护硬件平台结 构 - 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 j 由图可见，硬件上其主要 由4 类插件构成:模入插件、c p u插件 、开入开出插 件、电 源插件。将多种功能结合在同一硬件中，产生更为精致的单元类型， 紧凑的 设计， 亦大大减少了所需的 插件类型。体现其 “ 用户可配置的多功能数字式保护” 即用户可根据 自身对不同保护的要求尽可能地 以配置相同的硬件结构为主体，实现 各种保护功能;软件上采用基于 i e c 1 1 3 1 的 c a p 3 1 6 的可编程语言，便于把不同的 功能块进行功能组态，强调保护功能的独立性， 但同时保护软件开发应用的开放性 及软件模块间的相关性。将各种保护算法和判据编制成 “ 标准元件”，并根据保护 方案中各判据的逻辑关系将其 “ 组态”( 如s e l 公司的s e l - 3 2 1 - 5 , a b b 公司的r e g 2 1 6 中己 采用这种技术)， 将极大地提高微机保护装置的开发效率和质量。 换言之， 其平台系统的 真正思想体现在保护系统构成的最终决策权在用户。 在未来， 微机保护的发展趋势集中体现在硬件上高度的集成化、 独立化、 标准 化、性能上高度的开放化，软件上的多功能化。其目 的是使微机保护系统在实现功 能日 益完善的软硬件基础上实现保护系统运行及性能价格比的最优化结构。 2 . 3我国电力系统继电 保护的研究现状及发展趋势 我国电力系统的飞速发展对继电保护不断提出新的要求，电子技术、计算机技 华北电力大 学( 北京) 硕士学位论文 术与通信技术的飞速发展又为继电 保护技术的发展不断地注入新的活力，因此，继 电保护技术得天独厚，在 4 0 余年的时间里完成了发展的 4 个历史阶段。 5 0 6 0 年代，机电式继电保护开始研制和繁荣; 6 0 年代中到8 0 年代，晶体管继电 保护蓬勃发展和广泛采用; 8 0年代末到 9 0 年代初，集成电路保护时代; 9 0 年代开始，进入了 微机保护的时代。 可以看到，在短短的 4 0 年时间里，我国的继 电保护从无到有 ，从落后到先进， 经历了一个快速产生、发展、成熟、壮大的过程，已经达到或接近 国际领先水平。 可以说，目前我国的继电保护无论在硬件装置上，还是在保护原理和算法上，都日 趋成熟和完善，同时为其进一步发展奠定了良好的理论和实践基础 。 1 .故障分量及其在继电保护中的应用 继电保护的任务就是检测故障信息、识别故障信号，进而作 出保护是否出口跳 闸的决定。因此故障信息的识别、处理和利用是继电保护技术发展的基础。 在使用 故障信息方面，提 出了故障分量的概念。故障分量具有以下特征: a .非故障状态下不存在故障分量的电压、电流，故障分量只有在故障状态 下才 出现; b .故障分量独立于非故障状态，即故障分量电流独立于负荷电流，但仍与 系统运行方式有关; c ，故障点处故障分量 电压最大，系统中性点处为零; d .保护安装处故障分量电压和电流之间的相位关系 由保护安装处到系统 中性点之间的系统阻抗决定 ，不受系统电势和短路点过渡电阻的影响。 故障分量的上述特点使之适合用来检测故障， 可用来构成不同的继电保护原理。 故障分量在继电保护中的应用包括 : 基于故障分量的选相元件; 基于故障分量的电流保护; 基于故障分量的方 向元件; 基于故障分量的距离元件。 近 2 0年来，陆续提出了基于故障分量的差动保护、方向 保护、距离保护、故 障选相等许多新原理，并在元件保护、 线路保护各个领域得到了成功的应用。故障 分量的应用将有利于改进现有保护的性能如提高了允许过渡电阻能力及动作灵敏 度等，并能克服现有保护中普遍存在的易受负荷电 流影响的困 难;同时也为开发新 兴保护提供了一条可行的途径。 2 计算机技术与继电保护 自 六十年代末计算机保护概念提出后， 继电 保护技术得到了迅速发展。 传输线、 电力设备等的微机继电保护技术被很快地开发出来。特别是微处理机技术的飞速发 n 华北电 力大学( 北京 ) 硕士学位论文 展使得设计新的和复杂的保护方法有了可能。它不仅使传统的保护原理得以 数字化 实现，并且为实现新的保护原理提供了手段。计算机在继电保护 中的应用可分为最 基本的两类: ( 1 )计算机的出现，使许多原有的理论得以实现。例如很早就有人提出神经网 络在电流系统中的应用问题，但由于训练神经网络所需的计算量过大 ，传统的计算 方法无法满足继电 保护的快速性要求，导致该理论无法得到实际应用， 计算机的高 速运算能力解决了 这个问题。又如对故障分量的判定，需将故障后的信息与正常状 态下的信息相比较， 在计算机未出 现以 前是很难实现的， 但由于计算机有记忆能力， 该理论很容易在实际工程中应用。 ( 2 ) 借助计算机开发的新理论及新技术。 “ 通过检测故障暂态产生的高频信号 来实现传输线及 电力设备等的保护”是新一代的电力系统继电保护思想，简称 “ 暂 态保护” 。“ 暂态保护 ”首先通过特殊设计的高频检测装置及算法来从故障暂态中提 取所需的高频信号，利用专门设计的快速信号处理算法来判断故障。暂态保护技术 利用故障产生的高频信号从数千到上兆赫兹。微处理机技术的发展使得暂态保护的 实现成为可能。 3 .神经网络在继电 保护中的应用 人工神经网络用于继电保护领域的研究开始于 8 0 年代， 由于受计算条件的限 制， 当时的研究未能取得很大的突破。进入 9 0年代后，计算机技术的提高，使神经网 络用于继电保护领域成为可能，相继出现了用人工神经网络来实现故障类型的判 别、故障距离的测定、方向保护、主设备保护等。通过新的数学手段，故障产生的 信号的整个频带的信息可以同时被用来检测故障。这一点不仅为提高故障判别的精 确度提供了手段，而且能够使一些基于单一工频信号的传统算法难以识别的问 题得 到解决。 使用人工神经网络是继电 保护装置智能化的一种方法，在解决了计算速度的问 题后，神经网络在 电力系统 中的应用可谓是得心应手。 4 .自适应继电 保护 自 适应继电保护是在本世纪 8 0 年代提出的一个较新的 研究课题。自 适应继电保 护可以定义为能根据电 力系统运行方式和故障状态的变化而实时改变保护性能、特 性或定值的保护。自 适应保护的基本思想是使保护尽可能地适应电力系统的各种变 化，进一步改善保护的性能。 微机保护技术的进步是自 适应继电保护发展的基础，自 适应控制理论、神经网 络和模糊控制以及小波变换理论和全球定位系统 ( g p s )的应用 ，都将促进自适应 继电保护进一步发展。电力专用通信网和电网调度自动化系统，特别是电网 调度自 动化技术的发展，为 自适应继电保护提供所需的信息创造了条件。 从信息和硬件系统共享的观点来看，变电 站保护、测量和控制一体化的自动化 一i 2 - 华北电 力大学( 北京 ) 硕士学位论文 系统将有力地促进 自适应继电保护原理和技术地进一步发展。 总的来说，继电保护未来的发展趋势是计算机化、网络化、智能化、一体化。 对故障信息的研究和充分利用是发掘继电保护新原理的基础，计算机在继电 保护中 的应用为充分利用故障信息提供了技术手段，新型继电保护装置充分利用了计算机 的特性来为之服务 。新算法在继电保护中的应用为继电保护的进一步发展提供了不 断拓展的空间。 自适应保护则是继电保护发展的趋势，即实现保护的智能化 。 2 . 4微机继电保护的网络化发展趋势 微机继电保护经过了 2 0 多年的研究和发展，无论在装置硬件，还是保护原理和 算法上，都已经日趋成熟和完善，微机继电保护设备在全国大多数厂站已经得到普 遍的应用，在保护性能上、可靠性和方便性上都远远超过了传统保护，受到了用户 的欢迎和信赖。 电力系统对微机继电保护的要求不断提高，除了保护的基本功能外，还应具有 大容量故障信息和数据的长期存放空间，快速的数据处理能力，强大的通信能力， 与其它保护、控制装置和调度联网以共享全系统数据、 信息和网络资源的能力，高 级语言编程等。这就要求微机继电保护装置具有相当于一台 p c 机的功能。 计算机网络作为信息和数据通信工具已成为信息时代 的技术支柱 ，使人类生产 和社会生活的面貌发生了根本变化。它深刻影响着各个工业领域，也为各个工业领 域提供了强有力的通信手段。到目前为止，除了差动保护和纵联保护外，所有继电 保护装置都只能反应保护安装处的电气量。继电保护的作用也只限于切除故障元 件，缩小事故影响范围。这主要是由于缺乏强有力的数据通信手段。因继电保护的 作用不只限于切除故障元件和限制事故影响范围 ( 这是首要任务) ，还要保证全系 统的安全稳定运行，这就要求每个保护单元都能共享全系统的运行和故障信息的数 据，每个