（电力系统及其自动化专业论文）自适应发电机差动保护的研究.pdf

s u b j e c t ：r e s e a r c ho nt h ea d a p t i v eg e n e r a t o rd i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n s p e c i a l t y ：p o w e rs y s t e m & a u t o m a t i o n n a m e ：z h a n gw e n z h e i n s t r u c t o r ：f uz h o u x i n g a b s t r a c t ( s i g n a t ur e ) ( s i g n a t ur e ) g e n e r a t o r sa n dt r a n s f o i r m e r sa r eo n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r t so fe l e c t r i cp o w e rs y s t e m t h e r e f o r e ，t h e i ro p e r a t i o n sw i l li n f l u e n c em a n ya s p e c t so ft h ee l e c t r i cp o w e rs y s t e m ，s u c ha s n o r m a lo p e r a t i o no fe l e c t r i cp o w e rs y s t e m ，i m p r o v e m e n to fe l e c t r i c a le n e r g yq u a l i t y ，a n de t c 呲t h ed e v e l o p m e n to fp o w e ri n d u s t r y ，t h en u m b e ro fg e n e r a t o ri sm o r e , a n dt h ec a p a c i t yo f s i n g l eg e n e r a t o ri sg r o w i n gf a s t ，w h i c hd e m a n d sh i g h e rp e r f o r m a n c ef o rl a r g eg e n e r a t o r p r o t e c t i v er e l a y i n t e m a ls h o r t - c i r c u i tf a u l t s ，w h i c hm a ys e v e r e l yd a m a g eg e n e r a t o r , i ft h e r e 1 s s h o r to f e f f e c t i v ep r o t e c t i o n ，i tw i uc e r t a i n l yc a u s es i g n i f i c a n td a m a g ef o rg e n e r a t o r ，a n de v e n m a ya f f e c tt h es t e a d yo p e r a t i o no fp o w e rs t a t i o na n dt h ee n t i r ee l e c t r i cp o w e rs y s t e mi nt h e e v e n to ft a k i n gp l a c ef a u l t s t h e r e f o r ei ti sv e r yi m p o r t a n tt oi m p l e m e n tt h ee f f e c t i v e d i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o nf o rl a r g eg e n e r a t o r s h o w e v e r ，w h e nt h el a r g eg e n e r a t o ra r i s e si n t e r n a l f a u l t s ，t h et r a n s i e n tr e l a t i o no fe l e c t r o m a g n e t i s mw i l lb e c o m ev e r yc o m p l e x t h e n i t sv e r y d i m c u l tt os e tu p 血et r a n s i e n ts i m u l a t i o nm o d e lf o rf i t t i n gt oo p t i m i z eg e n e r a t o rd i f f e r e n t i a l p r o t e c t i o n a tp r e s e n t ，t h et e c h n o l o g yo fs e t t i n gu p s i m u l a t i o nm o d e lf o ri n t e r n a ls h o r t 。c i r c u i t f a u l ti nl a r g eg e n e r a t o r sa n dt h er e s e a r c ho ng e n e r a t o rd i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o np r o j e c ta l s o b e c o m et h ei m p o r t a n tr e s e a r c ht o p i ch o m ea n da b r o a d t h e r e f o r e ，i ti ss i g n i f i c a n tt od e v e l o p a s e to fi n t e l l i g e n td i g i t a lr e l a yp r o t e c t i o ni n s t a l l a t i o n sw h i c hi ss u i t a b l ef o rg e n e r a t o r s i nt h i sp a p e r ， b ya n a l y z i n gt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h ed o m e s t i ca n d a l i e n c u r r e n td i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o nc r i t e r i o n s ，a ni n t e g r a t i v ec r i t e r i o nb a s e do nt h ef a u l tc u r r e n t c h a r a c t e r i s t i ca f t e rt h eb r e a k d o w nh a sb e e nd e s i g n e d t h i sc r i t e r i o n sc o m b i n e se x i s t i n g d i 虢r e n t i a lp r o t e c t i o nc r i t e r i o n sa n dm a k e sd i f f e r e n tc r i t e r i o n sp a r tw o r ki nd i f f e r e n tt i m e a f t e rf a u l t a m o n gt h e m ，t h ew a yu s i n gt h ed i r e c t i o no ff a u l tc o m p o n e n tt oa u t o m a t i c a l l y a d j u s tb r e a k i n gc o e f j f i c i e n t i sa ni n n o v a t i o ni nt h i sp a p e r b ys e t t i n gu pas y n c h r o n o u s g e n e ：r a t o r s i m u l a t i o nm o d e li na r p ，s i m u l a t i n gi n t e r n a lf a u l ta n de x t e r n a lf a u l to ft h e g e n e r a t o r ，t h ed a t ao ft h eg e n e r a t o rf a u l t sh a v eb e e na c q u i r e d i na d d i t i o n ，t h ep r o g r a m o ft h e a d a p t i v eg e n e r a t o rd i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o ni sc o m p i l e di nm a t l a bt ov e r i f yt h ec o r r e c t n e s so f a d a p t i v ec r i t e r i o n f i n a l l y ，t h eg e n e r a t o rd i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o nm o d u l ei sd e s i g n e da st h ec o r e o ft m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ，w h i c hd e t a i l e d l yd e s c r i b et h ed e s i g np r o c e s so ft h eh a r d w a r es y s t e m a n dt h es o f t w a r es y s t e m k e y w o r d s ：t h ea d a p t i v ep r o t e c t i o np r i n c i p l e g e n e r a t o rd i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n t h ef a u l tc o m p o n e n tp r o t e c t i o np r i n c i p l ei n t e r n a lf a u l ts i m u l a t i o n s y n c h r o n i z e ds a m p l e p r o t e c t i o np f i n c i p l e t h e s i s ：a p p l i c a t i o na n dr e s e a r c h 姿料技丈学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：苏麦撂日期： 习，- 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期问 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：害长麦移 指导教师签名：i 寸球 2 叼年j 日 i 绪论 1 绪论 1 1 引言 发电机和变压器是电力系统重要的组成部分之一。电力工业的发展，发电机组的台 数不断增多，其单机容量也迅速增大。从电力系统安全稳定的客观要求出发，对大型发 电机组的继电保护提出了更高的要求。同时微处理器及微电子技术的发展，为大机组保 护技术的不断创新提供了物质条件，也为新保护原理的应用，新方案的实现提供了可能。 1 2 我国发电机组的发展状况及其保护现状 目前，在我国的电源建设项目中，6 0 0 m w 等大型机组的数量不断增加，到2 0 1 0 年 有望超过1 5 0 台，我国电力系统正在走向以6 0 0 m w 机组为主力机组的时代。大机组单 机容量大，价格昂贵，设备损害和因故停机造成的直接和间接损失巨大，因此电力系统 对现代机组保护的性能提出了更高的要求。 相关文献【l 2 】统计了全国近年来大中型发电机本体故障( 内部短路故障、接地故障和 铁芯故障等) 的情况，摘录部分数据如表1 1 所示。由表可知，发电机发生本体故障的事 故并不罕见，而大型发电机是电站的关键设备，它的安全性对整个电站乃至系统的安全 稳定起着重要作用。因此，研究其优化的主保护方案，对发电机安全和电力系统稳定运 行有着非常重要的意义。 表1 11 9 9 8 - - 2 0 0 4 年全国i o o m w 及以上发电机故障情况统计 近年来主设备保护的分析计算方法取得了很大进展，保护的正确动作率也逐年提 高。根据国家电力调度通信中心和中国电力科学研究院的全国统计，我国1 9 9 6 - 2 0 0 2 年 i o o m w 及以上发电机保护正确动作率如表1 2 所示【3 1 。 表1 21 9 9 6 - 2 0 0 2 年i o o m w 及以上发电机保护正确动作率统计表 西安科技大学硕士学位论文 从上表不难看出，发电机保护的正确动作率呈上升趋势，成绩显著，这是全国主设 备保护运行、设计、制造人员共同努力的结果。但是电力系统大型主设备( 包括发电机、 变压器、母线、高压并联电抗器等) 继电保护与超高压线路继电保护相比，处于一种相 对滞后的状态，主设备保护正确动作率仍然较低，与线路保护相比有较大差距。 此外，大型发电机内部发生不对称短路故障后，气隙中存在很强的谐波磁场，暂态 电磁关系复杂，而且，大型发电机定子绕组的多分支并联结构也进一步加大了内部故障 特性分析和保护优化配置研究的复杂程度。研究表明，不同结构发电机优化主保护所选 择的方案间并无明显的通用性，即使是两台容量相当的发电机，当结构参数不相同时， 它们所对应的最佳主保护配置方案( 包括中性点侧分支引出方式和主保护原理的选择) 也 并不一致。另外，大型发电机昂贵的造价也不允许通过大量的真机实验来进行故障分析 和保护论证，故其主保护配置方案的优化设计都需要经过独立的仿真计算来确定。 因此，建立发电机内部故障暂态仿真模型，研究发电机内部短路故障特性及主保护 方案，是更好地进行发电机保护和确保电站稳定运行的基础，目前，国内一大批大容量 电站的立项建设，给这项复杂的研究工作提供了极为广阔的应用前景。 1 3 发电机组微机保护装置的发展 因为发电机组微机保护技术含量较高，国外只有少数几家著名的电气设备公司有相 应产品，如a b b 公司的r e g z l 6 型发电机一变压器组( 发变组) 保护装置，g e 公司的 g e s d g p 型发电机保护，g e c 一阿尔斯通的l g p g 型发电机保护装置，还有西门子公 司的7 u m 7 u t 等系列产品。与国内的机组保护产品相比，这些保护装置结构紧凑，工 艺水平较高，调试软件的功能较完备，人机接口良好，调试方便，运行可靠【7 叫j 。 国内微机发电机组保护装置的研制经过2 0 多年的发展历史，形成了比较成熟的技 术理论体系。早期微机保护的研究工作主要是集中在高压输电线路的距离保护方面，上 世纪9 0 年代以来，开始进入到元件保护方面。国内几家主要的电气设备公司与东南大 学、清华大学、华中科技大学、华北电力大学等高校合作研制，引用新原理和新的计算 机技术发展成果，进一步改善发变组保护装置性能【9 j 。 随着微计算机技术的飞速发展，微控制芯片的速度和精度不断提升。同时，由于数 字信号处理器、嵌入式微处理器以及各种功能强大的单片机的推出，开发手段也不断丰 富起来，编程语言由原来单一的汇编语言发展到c ，p l m 等高级语言。在保护理论方 面，人们也提出了许多新的保护原理，如将模糊数学、小波分析、人工神经网络以及计 算机网络技术和现场控制技术等应用于继电保护中。在这种背景下，微机发电机一变压 器组保护装置开始升级换代。新一代的微机发电机一变压器组保护装置在硬件上都普遍 采用了功能更为强大单片机或者嵌入式微处理器以及高性能的数字信号处理器。同时由 于a s i c ，f p g a ，f p l a 等技术的引入，电路设计变得更加简化合理和灵活科学。在软 2 1 绪论 件开发上，普遍采用了高级语言，相应的开发平台和软件支持界面也更加友好方便。保 护配置更加合理灵活，后备保护更加完善合理。 经过多年的运行实践，国内的发变组微机继电保护装置积累了许多宝贵的经验，同 时也暴露出一些不足，例如：保护应该以简单的设计结构来提高其可靠性，在我国由于 电力系统比较薄弱，很多需要由系统解决的问题交由保护来解决，使得继电保护复杂而 且脆弱；此外，由于机组容量级别多，电压等级多，主接线类型多更使主设备元件保护 复杂化，而且对于同样的一次设备和一次系统，由于保护人员和设计人员对保护理解的 差异，保护配置的内容相差也较大i l 叫引。 1 4 自适应在发电机保护中的应用 自适应控制技术在继电保护中的应用自适应继电保护的概念始于2 0 世纪8 0 年代， 它可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 值的新型继电保护【l5 1 。自适应继电保护的基本思想是使保护能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。这种新型保护原理的出现引起了人们的极大关注和 兴趣，是微机保护具有生命力和不断发展的重要内容。自适应继电保护具有改善系统的 响应、增强可靠性和提高经济效益等优点，在输电线路的距离保护、变压器保护、发电 机保护、自动重合闸等领域内有着广泛的应用前景。针对电力系统频率变化的影响、单 相接地短路时过渡电阻的影响、电力系统振荡的影响以及故障发展问题，采用自适应控 制技术，从而提高保护的性能。对自适应保护原理的研究已经过很长的时间，也取得了 一定的成果，但要真正实现保护对系统运行方式和故障状态的自适应，必须获得更多的 系统运行和故障信息，只有实现保护的计算机网络化，才能做到这一点。 1 5 本课题所做的主要工作 第一章简单介绍了我国发电机组的发展状况和保护现状，同时阐述了同步发电机 内部故障仿真的研究对大型发电机主保护配置的发展。其后详细介绍了国内外发电机组 微机保护装置的发展现状和热点问题。 第二章简单的介绍了发电机差动保护的原理和发电机差动的多种保护判据，分析 了国内外现有电流差动保护判据的优缺点，根据故障发生后故障电流的特点，将现有的 差动保护判据相互结合，分时分段投入不同的保护子模块，形成一套有自适应特性的发 电机差动保护的综合判据。然后又在a t p 中建立了同步发电机仿真模型，通过模拟发电 机的内部故障和外部故障，得到保护判据所需要的发电机故障数据，并在m a t l a b 中 编写自适应发电机差动保护程序对发电机故障数据进行分析，从而验证自适应判据的正 确性。 第三章对发电机主保护模块的硬件系统作了详细的介绍，包括保护模块的总设计 3 西安科技大学硕士学位论文 和各部分的具体电路设计。 第四章介绍了保护模块的软件设计。 第五章总结全文，归纳了本文的研究成果及结论，在此基础上对本课题做了进一 步的展望。 4 2 自适应发电机差动保护判据的研究 2 自适应发电机差动保护判据的研究 2 1 差动保护的基本原理 差动保护是比较被保护设备各引出线上的电流，规定电流的正方向为流入保护设备 方向。当各引出线之间在电路上相连时，被保护设备可以看成是一个节点【l6 1 。在正常运 行及外部故障时，按照基尔霍夫电流定律有 j l 厶= ：i i = 0 ( 2 1 ) 。百。 式中，j ，引出线j 上流入保护设备的相电流； n 引出线个数。 上式对保护设备的每一相都成立。一般的，我们把各引出线流入保护设备的总电流 称为差动电流厶：在被保护设备发生内部故障，总短路电流可以在故障点流入地或其他 支路( 如流入其他相) 时，则有 厶= ( 2 2 ) 式中，j 。故障点的总短路电流。 通过以上分析，可以得出差动保护的基本判据：i 厶i ，其中，l 。为差动保护的 启动电流。 差动保护的基本原理说明，不考虑t a 误差，在正常及外部故障时，厶。= o ，差动保 护可靠的不动作；在内部故障时，l 。0 ，保护可靠动作。差动保护有绝对的选择性， 保护动作不需要延时。一般内部故障最小短路电流也大于差动电流的启动值，差动保护 有很高的灵敏度，所以差动保护具有选择性好、灵敏度高、动作速度快的优点。 2 2 发电机差动保护的基本原理 发电机的故障类型主要有定子绕组相间短路、定子一相绕组内的匝间短路、定子绕 组单相接地、转子绕组一点接地或两点接地、转子励磁回路励磁电流消失等。而发电机 的不正常运行状态则有：由于外部短路引起的定子绕组过电流；由于负荷超过发电机额 定容量而引起的三相对称过负荷；由于外部不对称短路或不对称负荷引起的发电机负序 过电流；由于甩负荷引起的定子绕组过电压；由于励磁回路故障或强磁时间过长而引起 的转子绕组过负荷；由于汽轮机主汽门突然关闭引起的发电机逆功率等【1 7 一引。 通过以上介绍可以看出，发电机的故障和不正常运行状态非常复杂，并且根据发电 机机组的容量和内部构造的不同，其保护的配置也是不一样的。而本文主要研究的是发 5 西安科技大学硕士学位论文 电机内部故障的主保护，即主要研究发电机差动保护。根据发电机的故障类型的不同， 一般配置发电机纵差动保护和发电机横差动保护。 2 2 1 发电机纵差动保护 发电机纵差动保护是发电机相间短路的主保护。根据接入发电机中性点电流的份额 ( 即接入全部中性点电流或只取一部分电流接入) ，可分为完全纵差保护和不完全纵差保 护。其中不完全纵差保护，适用于每相定子绕组为多分支的大型发电机。它除了能反应 发电机相间短路故障，尚能反应定子线棒开焊及分支匝间短路。另外，根据算法不同， 可以构成比率制动特性差动保护和标积制动式差动保护。 ( 1 ) 保护构成原理 发电机纵差保护，按比较发电机中性点t a 与机端t a 二次同名相电流的大小及相位 构成。以一相差动为例，并设两侧电流的正方向指向发电机内部。图2 1 ( a ) 为发电机完 全纵差保护原理图；图2 1 ( b ) 为发电机定子绕组每相二分支的不完全纵差保护原理图。 图2 1 ( a ) 发电机完全纵差保护原理图 图2 1 ( b ) 发电机不完全纵差保护原理图 6 2 自适应发电机差动保护判据的研究 ( 2 ) 动作方程 i d i q ；is k ( l 一) + ；c ( 2 3 ) u d i s；i d is 式中： l 动作电流( 即差流) 完全纵差时，l 爿0 + li 不完全纵差时，厶爿厶+ 尉0 t 筛0 动电流 比率制动特性的完全纵差时，t ：掣 比率制动特性的不完全纵差时，t ：竖掣 标积制动式完全差动时，l = 如厶c o s ( 1 8 0 0 一矽) 标积制动式不完全差动时，t = 日品c o s ( 1 8 0 0 一矽) 厶、，、j 肛发电机机端t a 、中性点t a 及中性点分支t a - - 次电流； k 分支系数，发电机中性点全电流与流经不完全纵差t a 一次电流之比。在图 2 1 ( a ) 中，如果两组t a 变比相同，则k = 2 ； 发电机机端电流与中性点反向电流之间的相位差，当9 0 0 i 矽i i q j iz 疋( 乞一厶) + ；l 乇 ( 2 5 ) l d is ；i d is 式中： 厶动作电流( 即差流) l 刊厶4 - 厶i 乞一0 动电流 ，：幽 ： 2 五、丘分别为某相1 分支和2 分支的电流； t l 裂相横差保护整定值。 1 0 2 自适应发电机差动保护判据的研究 0 i g i z 图2 8 比率制动式裂相横差保护的动作特性 逻辑框图 裂相横差保护的逻辑框图如图2 9 所示。 图2 9 裂相横差保护逻辑框图 2 3 差动保护主要判据的定性分析 文献【1 9 1 对国内电流差动保护判据的完善和改进过程作了相当详细而又全面地分析， 本文则是结合其分析结果，并在查阅大量资料之后，对国内外常用的电流差动保护判据 进行总结，其结果归纳为3 种：全电流差动保护、故障分量电流差动保护以及序分量电 流差动保护。 2 3 1 全电流差动保护 全电流差动保护中“全电流”的含义为：判据中的电流是故障分量电流及负荷电流的 向量和；从序分量的角度而言，该电流则是正序、负序、零序电流的叠加。长期以来， 对电流差动保护判据的完善与改进都是针对该保护判据而进行的。 全电流纵差动保护是利用比较被保护元件各端电流的幅值和相位的原理构成的它 不但能正确区别发电机内外故障而且还能无延时地切除内部故障其主要有两种方式：一 种是比率制动特性，还一种是标积制动特性。这个我们在前面发电机保护的基本原理中 已经加以说明了。 西安科技大学硕士学位论文 2 3 2 故障分量电流差动保护 利用故障附加状态中的故障分量所构成的电流差动保护可以不受负荷电流的影响。 而利用故障分量来实现保护的原理最早可以追溯到突变量原理的保护，其优点在以该保 护的动作速度快，而且不受负荷电流及过渡电阻的影响等，但是由于故障分量提取的问 题，并未得到长足发展。随着微机继电保护技术的发展、计算机记忆时间的进一步加长、 以及数据处理能力进一步强大，稳态故障分量的提取便可以实现，因此，故障分量的保 护原理也真正的受到了关注。 ( 1 ) 故障分量电流构成的电流差动保护判据 由故障分量电流构成的电流差动保护判据【2 呲1 1 如式( 2 6 ) 所示，系统发生故障后，利 用每相电流的故障分量构成分相电流差动保护。 ：麓：兰巨冀ki 鸸一鸱i q 石， 【i 峨+ 心l 奎i 鸸一鸱i 一 式中：弛= f 哦+ 磷j 为故障分量电流的差动量；丝= i 磷一鸱 为故障分量电流 的制动量；屯为差动保护整定值；碱和鸱为发电机中性点侧和机端侧同名相故障分 量电流向量；k 为比率制动系数。 对故障状态的分析中得知，全电流差动保护判据中的差动电流动作量本身就是故障 分量。针对电流差动保护的这一优点，故障分量电流差动保护的判据又可简化成： 雌高k 咄刮 晓7 ， 忆+ 五i i 咄一刨 。 从式( 2 7 ) 中可以看出，故障分量差动保护的特性曲线如图2 1 0 中折线所示。 图2 1 0 故障分量差动制动特性曲线 1 2 2 自适应发电机差动保护判据的研究 由于在工程应用中，k 的取值既要保证外部故障尤其是外部故障引起t a 饱和时有 足够的防卫能力，又要保证内部故障时保护有足够的灵敏度，因此通常采用曲线所示 的非恒定制动系数自适应折线式的动作特性曲线。 ( 2 ) 故障分量电流的提取 自从故障分量保护原理问世以来，故障分量的提取就成为故障分量保护原理付诸于 实践的关键问题。因此到目前为止，故障分量的提取有多种方法，而常用的提取故障分 量的数字滤波算法主要两种：加法滤波法和差分滤波法，其计算公式如( 2 8 ) 所示： 止( f ) = j o ) 一( 一1 ) 疗l ( t k ! ) ( 2 8 ) z 式中a l ( t ) 为当前时刻的故障分量电流；砸) 为当前时刻的电流值；j ( t k _ n n ) 为 z 七掣时刻的电流值。 z 当n = l 时，为加法滤波( 也叫半周滤波) ，其公式为： 7 1 a t ( t ) = ，( ，) + ，o 一后) ( 2 9 ) z 当n = 2 时，为差分滤波( 也叫全周滤波) ，公式为： a ( t ) = ，( r ) 一，o k 丁) ( 2 1 0 ) 加法滤波提取故障分量的缺点是：只能消除故障分量中的奇次谐波，对偶次谐波和 直流分量都有加大作用。而差分滤波则可以消除所有的谐波，因此差分滤波法提取故障 分量的方法己被广泛采用。本文中也将采用第二种方法，其微机实现算法为： a t ( n ) = ，( 刀) 一，0 一k 幸) ( 2 1 1 ) 其中i ( n ) 为当前采样点的电流，i ( n 一七+ ) 为k 周期前该时刻的电流值，在文中 k = 2 ，n 为每周波的采样点数，其值为4 0 。 ( 3 ) 故障分量电流差动保护判据的特点 文献【2 2 】中已对稳态故障分量电流所构成的电流差动保护判据的动作行为及其特点 做了详细的理论分析，现将有关结论概括如下： 故障分量电流差动保护不受负荷电流的影响； 理论上讲，只要故障点过渡电阻不是无穷大，设备内部故障时两侧故障分量的相 位关系就不会发生改变； 被保护设备发生外部故障时，设备两侧的故障分量电流为穿越电流，保护不会误 动。然而，由于系统故障后会出现励磁调节器的动作、负载的变化、系统发生振荡和频 率发生偏移等诸多情况，这将导致该算法存在着以下的缺陷：故障分量只能在故障后l 2 个周波内准确提取，超出这个时间所提取的故障分量将不再真实； 1 3 故障分量构成的电流差动保护判据，只能作为快速保护，而不能成为后备保护。 2 3 3 零序电流差动保护 零序电流有较好的反映接地故障的能力，因此零序电流差动保护常常被作为全电流 差动保护的辅助保护，其作用主要是切除高阻接地故障。零序电流差动保护的动作判据 为： ll厶ion,+厶jo：三j厶一厶rj c 2 2 ， i rj k 一厶州 “ 式中：i o 是发电机中性点侧的零序电流，厶丁是发电机机端侧的零序电流。 但是该保护为了躲过不同期合闸时所产生的不平衡电流的影响，则需要保护有一个 l o o m s 的固定延时，因此其速动性不好。 2 3 4 现有电流差动保护的优缺点比较 以上对现有电流差动保护中的全电流差动保护、故障分量电流差动保护以及零序电 流差动保护的判据以及动作特性作了简单的分析，下面将其优缺点列于表2 1 中，以便 各保护判据的横向比较。 表2 1 现有电流差动保护的优缺点比较 2 3 5 电流差动保护的微机实现方法 目前，在微机保护中，电流差动保护实现的惯用方法有两种：基于电流向量值的电 流差动保护和基于采样值的电流差动保护。向量差动保护的具体做法：得到设备两侧的 电流采样之后，经全周或半周傅氏等算法，求出基波分量或工频变化量，将该值传到对 侧，并与对侧所得的电流向量值进行比较，从而实现差动保护。采样值差动的具体做法： 直接把所采样到的电流采样值送到对侧，利用各侧电流采样值或电流采样值的故障分量 进行比较。 1 4 2 自适应发电机差动保护判据的研究 这两种方法各有优缺点，向量差动保护提取向量的算法需要一定的时间窗口，消除 衰减分量的影响也需要一定的时间。而电流向量差动保护各侧间交换的电流还有实部和 虚部，因此每帧的数据较长，从而降低了数据交换的频率。文献【2 3 j 中提到，这类保护的 动作时间一般在1 5 3 0 m s 之间，但是该方法在计算向量时有一定的滤波作用，因此它又 较高可靠性。 采样值差动保护由于它是直接对采样值进行比较，因而省去了计算向量的过程，减 小了计算量，每帧数据较短，故各侧交换数据的频率高。但是，由于采样值是随时间而 周期化的，因此，各采样点的制动性均不一样，有些点制动性好，有些点制动性差，这 将影响到保护的可靠性。在实践中，通常采用多点表决法来解决该问题，即连续m 次计 算中有1 1 次( 胛历) 满足条件，则判定为内部故障【m 2 5 j 。采样值所构成的保护虽然保护 速度很快，但是其在可靠性方面比比较电流向量的电流差动保护弱。 2 4 发电机自适应差动保护判据的提出 2 4 1 自适应继电保护的原理 自适应继电保护是2 0 世纪8 0 年代提出的研究课题。其基本思想是使保护装置尽可能 地适应电力系统的各种变化，改善保护性能，使其能够适应电力系统各种运行方式和复 杂故障类型，有效地处理故障信息，从而获得更可靠的保护。自适应继电保护能够克服 同类型传统保护长期以来存在的困难和问题，改善保护的动作性能。目前，自适应保护 还处在研究阶段，但现有研究成果己证明了它的优越性。 ( 1 ) 自适应继电保护原理的定义 自适应保护基本框图如图2 1 1 所示。 自适应回路 整定输入 l 改变 控制信号i 状态输出 j 继电保护装置卜一叫保护对象卜- 十一一 图2 11 自适应保护原理基本框图 其中：整定输入确定保护动作特性的整定值； 控制信号作用于保护对象的开关控制信号或告警信号； 状态输出一保护对象的状态信息，如电流、电压、开关状态等。 自适应继电保护就是根据保护对象及其相关设备的状态参数和结构的动态变化来 实现某种继电保护功能。 1 5 西安科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 自适应保护的分类 根据自适应原理的不同应用，可以将自适应继电保护大致分为一下几种类型： 实时跟踪系统运行状态、调整保护定值； 大多数的自适应保护属于这种类型，基本思路：假设用于故障判断的电量a 随着系 统运行状况变化，可能在区域i 的范围内取值，如图2 1 2 所示。 图2 1 2 自适应整定域不意图 对于常规保护而言，为了确保在系统各种运行工况下不误动，其整定的动作区间必 须避开区域i ，为区间兀。如果采用自适应技术实时跟踪系统的运行工况，保护的动作区 间只需要开一个很小的区域就可以了，区域仅跟保护跟踪的速度和计算精度有关。 根据系统状态或继电保护运行情况自动选择不同保护算法 当系统状况发生变化时，自适应继电保护还可以通过选择不同的保护算法或者改变 数据窗大小的方法，来满足保护的快速性和选择性的要求。 采用这种原理实现变数据窗算法原理的比率制动差动保护，基本思想：采用变数据 窗的傅氏算法，在故障开始发生时，由于采样数据中故障信息较少，计算数据的误差比 较大，因此自适应地提高保护的制动曲线，随着故障进一步发展，故障信息的增多，计 算精度的提高，自动降低制动曲线，最终当故障信息量完全满足计算精度要求后，制动 曲线达到用户整定的特性。采用这种算法可大大加快严重内部故障的动作速度，同时丝 毫不减低轻微故障时的灵敏度。如在发电机的自适应纵联差动保护中，先采用半周付氏 算法，同时差动保护的速断电流最小、动作电流和制动系数都自动提高一定比例。 如果半周算法得到的结果不能动作，保护自动切换成差分加全周付氏算法。 当系统运行状态改变时自适应地改变保护判据 针对同一种故障在系统不同的运行状况下，不同的保护判据会有不同的效果，对于 数字式继电保护而言，自适应地选用最佳的保护判据它只需要在软件流程上调整各种算 法和判据，就会使整体的保护方案在各种工况下都能有良好的特性。有些文献提出的自 适应过电流保护的定值和特性能够实时自动调整或改变，以适应负荷和运行方式变化的 要求。 1 6 2 自适应发电机差动保护判据的研究 2 4 2 发电机自适应差动保护判据的提出 电力系统继电保护对故障信息进行提取、综合、分析、以判断电力设备及线路是否 发生故障或计算故障点位置，它是一个信息综合利用的过程。电力系统故障过程非常复 杂，影响因素很多，会因系统故障初始状态不同而表现出不同的物理特性，从而使电力 系统的故障信息具有一定的冗余性、互补性和不确定性。传统的基于单个保护继电器或 单一判据的保护装置，能有效利用的信息很有限，不足以提供对各种故障的广泛准确检 测。由于继电保护实时性强，要求故障发生后瞬时动作，在计算机技术没有高度发展的 条件下，难于在故障瞬间对故障信息进行综合处理。传统的发电机主保护根据机组容量 的不同，小容量机组一般只配置发电机纵差动保护，而大容量机组一般配置发电机纵差 动保护和横差动保护。 d s p 处理器在继电保护中的推广为深层次的信息综合技术在继电保护领域中的应 用提供了可能，所以多判据综合的思想被提出，基于多判据综合思想的发电机差动保护， 由多个相对独立的保护判据组成。目前，大多数微机式发电机保护的差动保护配置都以 采用多判据综合的方式，所以多判据综合的差动保护是微机式发电机保护的必然趋势。 本文则是考虑到目前现有全电流速断差动保护判据、故障分量电流差动保护判据、 常规比率制动差动保护判据、零序电流差动保护判据各有其优缺点，并采用取长补短的 方法将这四种保护判据结合起来构成了本文特有的发电机自适应差动保护判据。其自适 应性主要表现在两个方面：第一，根据发生故障时，电流在不同时间段的特点，自动改 变保护的动作判据，退出一种保护判据并投入另一种保护，以达到各种保护判据之间的 最佳配合；第二，动态的改变保护判据的动作门槛以及制动系数，以提高保护的动作性 能。下面将以表格的形式将本保护的自适应方式作一简明的描述，见表2 2 。 表2 2 自适应发电机差动保护的自适应表现形式 保护判据保护功能自适应表现形式 故障发生4 0 m s 以内，故障分量可 1 0 4 0 m s ，投1 0 m s 向量数据窗构成 故障分量电流差动保护以准确提取，利用故障分量构成 的高门槛制动系数的保护判据 2 0 - - , 4 0 m s ，投2 0 m s 向量数据窗构成 快速保护 的低门槛制动系数的保护判据 利用故障后稳定的电流量，保证4 0 m s 以后全程投入 常规比率制动差动保护 保护的可靠性，灵敏性 ( 2 0 m s 数据窗向量) 提高中性点接地侧的单相接地4 0 m s 以后全程投入 零序电流差动保护 短路故障的灵敏度( 2 0 m s 数据窗向量) 由表2 2 可见，在本方案中差动保护将按“故障发生时期的不同所对应故障分量不同 1 7 西安科技大学硕士学位论文 的特点”这一事实被分为两大模块：故障发生4 0 m s 以内的差动保护模块和故障发生4 0 m s 以后的差动保护模块。 本文所述的自适应发电机差动保护还有一下几点说明： 本文所说的所有差动保护判据( 零序差动除外) 都是分相差动，所谓“分相”是指由 a 、b 、c 三相电流分别作用构成的电流差动保护判据，任意一相满足差动保护判据，则 跳开发电机出口断路器。 故障发生4 0 m s 以后的综合判据的保护性能分析。 首先，图2 1 3 给出了以本文仿真模型所仿真的1 0 m s 数据窗故障分量电流向量的实 部与虚部的波形图( 其仿真模型见图2 1 6 ) 。 图2 1 3 发电机机端发生相间短路时l o m s 数据窗故障分量的实部与虚部 从图中我们不难看出，在故障发生4 0 m s 以内，故障分量非常突出明显，故可以准 确提取；而在4 0m s 以后，即当故障进入稳态时，故障分量已趋于稳定并逐渐向零逼近。 因此将按照该特点对各种保护判据进行优化组合。 故障发生4 0 m s 以内的电流差动保护。 故障发生4 0 m s 以内，由于在这期间故障分量可以准确提取，所以本文采用了故障 分量电流差动保护判据，为了使得保护在这段时间内保护性能有所改进，又采用了变向 量窗配合高低门槛反时限出口的保护算法，所谓变向量窗在本文中是指长短数据窗相互 配合。根据继电保护的四性要求，本文则需要2 个不同长度的向量窗即可达到保护四性 统一的要求，这2 个向量窗为：1 0 m s 数据窗、2 0 m s 数据窗。 其具体做法是：故障发生l o , - 4 0 m s 以内，投由l o m s 数据窗故障分量电流向量值所 构成的高门槛高制动系数的电流差动保护判据；故障发生2 0 , - - 4 0 m s 以内，投由2 0 m s 数 据窗故障分量电流向量值所构成的低门槛低制动系数的电流差动保护判据。具体配置如 表2 3 所示。 表2 3o - - 4 0 m s 内差动保护所选取k 与i z d 的数值 1 8 2 自适应发电机差动保护判据的研究 故障发生4 0 m s 以后的电流差动保护 保护在故障发生4 0 m s 内没有及时切除故障而进入该模块，此时故障分量己不能准 确提取，因此本模块采用全电流差动保护、零序电流差动保护以及负序电流差动保护互 补的综合判据，其所用数据均采用2 0 m s 数据窗的向量值。 2 5 对本文所提判据的仿真验证 发电机是电力系统中的重要元件，同步发电机是由多个由磁耦合关系的绕组构成， 同步发电机的突然短路的暂态过程要比恒定电源电路复杂很多，所以产生的冲击电流可 能达到额定电流的十几倍，对发电机本身和整个电力系统都将造成严重的影响 2 6 2 7 1 。只 有建立合理发电机内部故障仿真模型，准确的仿真故障状况，才能验证所提出的保护判 据是否有效，本文在参考文献2 8 3 1 1 的基础上，利用a t p ( a l t e m a t i v et r a n s i e n t sp r o g r a m ) 建立发电机运行模型，并记录下各种故障