微机型发电机失步保护的研究
详细内容
微机型发电机失步保护的研究
陈 娟 湖南电力建设监理咨询有限责任公司(湖南长沙410007)
摘 要 介绍了瞬时功率和机端视在阻抗的一点算法，并由微机软件实现了反映机端阻抗变化轨迹的失步保护。
关键词 微机保护 失步保护 视在阻抗
0 引言
大型发电机与变压器组成单元接线而等值电抗较大，振荡中心往往落在发电机机端附近或升压变压器范围内，这对大型发电机的安全运行极为不利。因此，发电机的失步保护问题受到越来越多的关注。
目前，关于失步保护的方案有：多阻抗元件的失步保护；测量振荡中心电压及其变化率；测量视在电阻及其变化率；采用李雅普诺夫直接法；暂态失稳；以系统2点间相位差为依据的失步预测保护等多种方案〔1〕。其中被广泛应用的是基于定子视在阻抗变化轨迹的保护方案(以下简称“本方案”)。本文根据原瑞士BBC公司生产的ZPT408—10型滑极继电器的基本原理，通过采用实时测量机端瞬时功率以确定视在阻抗的变化轨迹〔3〕的方法，然后由软件来实现滑极判据。
1 基本原理
本方案采用3个阻抗元件，动作特性如图1所示。
a.透镜特性的阻抗元件①：其内角为α，代表动态稳定极限角，可整定。若机端视在阻抗Z的终端进入透镜区域内，则表明发电机电势与系统等效电势间的功角δ已大于动稳极限角。
b.阻挡器直线阻抗元件②：即透镜的主轴。机端视在阻抗Z的终端落在此直线上，代表功角δ为180°。若出现无法保持动态稳定的不稳定振荡，Z的终端将进入透镜并越过该直线，功角δ逐渐大于180°，意味着发电机失步。
c.电抗线阻抗元件③：垂直于透镜的主轴，其位置由系数β决定，可整定。该元件将保护分为Ⅰ段（电抗线以下）和Ⅱ段（电抗线以上）跳闸区。机端测量阻抗Z的轨迹，每穿过一次透镜，表示失步发电机的转子磁极相对系统同步旋转磁场的磁极运动了360°电角度，称为一次滑极。
上述3个阻抗元件将阻抗平面分为4个区(图1)：Ⅰ，Ⅳ为透镜外区域；Ⅱ，Ⅲ为透镜内区域。发生失步时，机端视在阻抗的轨迹会顺时针(或逆时针)穿过Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ区并返回Ⅰ区，此为滑极判据的构成之一。
发生失步时，阻抗轨迹的变化比发生短路时慢得多。根据此特征，通过整定透镜内角α的大小(即透镜的宽度)，记及阻抗轨迹穿过透镜所需的时间，若大于或等于整定的时限，则判断为失步，此为滑极判据的构成之二。
因此，只有当机端视在阻抗的终端沿一圆形轨迹穿过图中所示的Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ区并返回Ⅰ区，且穿越Ⅱ，Ⅲ区所需的时间大于或等于整定时限的条件下，才判定为一次滑极。
2 微机保护的软件结构
微机保护装置〔4〕的软件主要包括管理层软件和保护层软件。
管理层软件完成对各子系统的调试和管理。即定值管理，故障、定值、采样值及自检等报告的管理，时钟校对，报告打印或存盘，I/O口测试，A/D采样零漂校正，频率测试。
保护层软件的核心是保护功能模块，根据保护功能的重要性，可将其编制成不同的任务模块，与不同优先级的硬件中断相互关联，用中断的优先级保证各类保护功能的优先级。具体而言，就是使用2级定时中断：优先级较高的采样中断（时间间隔为1.667ms）；优先级较低的定时中断（时间间隔为62.5ms）。对于带启动量的快速主保护，由于需要较快的动作速度，一般将其安排在采样中断中完成；而对于后备保护和异常运行保护，因其带有较长的延时，则安排在定时中断中实现。失步保护属异常运行保护，故将其置于定时中断中执行，但为了实时地确定机端视在阻抗在阻抗平面上的位置，以便准确及时地反映发电机失步，则将机端视在阻抗的计算以及确定滑极次数的部分安排在采样中断中。
2.1 失步保护在采样中断中的流程图(图1)
2.2 在定时中断中的失步判别(图2)
3 瞬时电量一点算法由微机实现上述3个阻抗元件失步保护的关键在于机端视在阻抗的实时测量（ms级），而基于富氏算法的阻抗计算方法，因数据窗较长而无法满足要求，由此提出瞬时电量采样值一点算法〔3〕。
a.定子电流瞬时值：
b.有功功率瞬时值：
式中k为采样时刻。X(k)=Q(k)/I2m(k)
该算法中输入量和计算结果均为瞬时值且数据窗为1，算法的动态特性和实时性好且不受信号频率和采样率的影响。尤其要指出的是，该算法可实时确定每个采样时刻的机端视在阻抗在阻抗平面上的位置（采样间隔为1.667ms），因而能较为准确地反映其变化轨迹、变化率，以及在透镜、阻挡器不同区域中停留的时间，进而准确地反映滑极情况。
4 瞬时电量一点算法的静模试验(表1)
输入三相电压均为30V；输入三相电流均为5A。
结论：该算法能够准确反映视在阻抗在阻抗平面上的位置。
5 结束语
本文中的微机型发电机失步保护方案，根据机端视在阻抗的变化轨迹来检测失步，原理清晰，结构简单，容易实现。并用软件实现滑极判据，为失步保护的微机化进行了探索。
参考文献
1 王维检.电气主设备继电保护原理与应用.北京：中国电力出版社，1996
2 陈德树.计算机继电保护原理与技术.北京：水利电力出版社，1992
3 林涛，尹项根，陈德树.瞬时电量采样值一点算法及其在微机保护中的应用.华中理工大学学报，1997，25(2)