自適應(yīng)原理在繼電保護(hù)中的應(yīng)用

自適應(yīng)原理在繼電保護(hù)中的應(yīng)用

1自適應(yīng)原理在裝置中的應(yīng)用將自適應(yīng)原理應(yīng)用于能源輔助行業(yè)，可以顯著提高能源輔助行業(yè)的性能。為了適應(yīng)電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的復(fù)雜變化,應(yīng)付不同的故障類型和故障情況,傳統(tǒng)的繼電保護(hù)往往采用抬高定值、增加閉鎖判據(jù)等措施。而運(yùn)用自適應(yīng)原理,繼電保護(hù)可以根據(jù)電力系統(tǒng)運(yùn)行方式和故障狀態(tài)的變化而實(shí)時(shí)改變保護(hù)性能、特性或定值,突破常規(guī)保護(hù)的限制,盡可能地提高保護(hù)的靈敏度和準(zhǔn)確性,并且常?？梢詼p少整定值的數(shù)量,降低整定難度。此外,繼電保護(hù)裝置還可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的情況,完成在線調(diào)整判據(jù)計(jì)算方法,校對(duì)接線極性等等任務(wù),使保護(hù)裝置能夠適應(yīng)各種現(xiàn)場(chǎng)條件,減少因接線或整定錯(cuò)誤而引起的保護(hù)誤動(dòng)或拒動(dòng),降低工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。20世紀(jì)80年代以來(lái),隨著微機(jī)繼電保護(hù)的應(yīng)用和發(fā)展,計(jì)算機(jī)的高速計(jì)算、邏輯判斷能力,強(qiáng)大的數(shù)據(jù)記憶功能,為自適應(yīng)原理在繼電保護(hù)中的廣泛應(yīng)用創(chuàng)造了良好的條件。如線路保護(hù)中的自適應(yīng)電流保護(hù)、自適應(yīng)距離保護(hù)、自適應(yīng)自動(dòng)重合閘等等;發(fā)電機(jī)保護(hù)中的自適應(yīng)三次諧波定子接地保護(hù)、自適應(yīng)失磁保護(hù)等等。在變壓器的主保護(hù)中,自適應(yīng)原理也得到了良好的應(yīng)用。例如常用的比率制動(dòng)式差動(dòng)保護(hù),就是在普通的縱差保護(hù)的原理上,增加自適應(yīng)功能,自動(dòng)調(diào)節(jié)保護(hù)的動(dòng)作電流,因此可以保證外部故障不誤動(dòng),同時(shí)對(duì)于內(nèi)部故障又有較高的靈敏度。又如在計(jì)算機(jī)保護(hù)中,在保護(hù)啟動(dòng)初期,采用短窗濾波算法以加快嚴(yán)重內(nèi)部故障時(shí)保護(hù)的反應(yīng)速度,但由于短窗算法的誤差較大,因此自適應(yīng)地抬高整定值,避免誤動(dòng);隨著時(shí)間的延長(zhǎng),故障后數(shù)據(jù)的增多,再采用較精確的濾波算法,同時(shí)將整定值逐步恢復(fù)到原來(lái)的值,這樣既顧及了嚴(yán)重內(nèi)部故障時(shí)保護(hù)的快速性,又不降低保護(hù)整體的準(zhǔn)確性。廣泛應(yīng)用自適應(yīng)原理,充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)繼電保護(hù)的智能潛力,能夠在現(xiàn)有的技術(shù)條件下,改善保護(hù)性能,提高繼電保護(hù)的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行水平。以下結(jié)合實(shí)際工作,介紹在變壓器主保護(hù)裝置設(shè)計(jì)中運(yùn)用自適應(yīng)技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)和設(shè)想。2變壓器電力污水處理根據(jù)整定計(jì)算導(dǎo)則,變壓器縱差保護(hù)中最小動(dòng)作電流Iop.min以及差動(dòng)保護(hù)回路的最大不平衡電流Iunb.max的計(jì)算公式(以二繞組變壓器為例)分別為:Iop.min=Krel(Ker+ΔU+Δm)IN/naIunb.max=(KapKcc.Ker.+ΔU+Δm)Ik.max/na(1)其中,IN為額定電流值,na為電流互感器變比,而ΔU為變壓器調(diào)壓引起的誤差,取調(diào)壓范圍中偏離額定值的最大值,Δm是由于電流互感器變比未完全匹配的誤差。其余各系數(shù)的含義詳見(jiàn)整定導(dǎo)則。由此可以知道,如果能減小兩式中各分項(xiàng)的值,就可以降低相應(yīng)的整定值,提高縱差保護(hù)的靈敏度。計(jì)算機(jī)繼電保護(hù)可以利用其強(qiáng)大的計(jì)算功能,通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)電流的變比系數(shù)調(diào)整,因此可以取消(1)式中的Δm項(xiàng)。電力系統(tǒng)中為了調(diào)節(jié)電壓,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,廣泛采用了調(diào)壓變壓器,特別是在中高壓系統(tǒng)中。例如220kV級(jí)的有載調(diào)壓變壓器調(diào)壓范圍可達(dá)±4×2.0%,為了避免差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng),按(1)式考慮的整定值必須留有相當(dāng)?shù)脑６?因此影響了保護(hù)的靈敏度。原理如下:記變壓器額定電流的表達(dá)式為:ΙΝ=SΝ/√3UΝIN=SN/3√UN其中SN為本側(cè)的額定視在功率,UN為本側(cè)的額定電壓。而Y側(cè)和Δ側(cè)的二次額定電流分別為iΝY=√3ΙΝY/naY=SΝY/UΝYnaYiΝΔ=SΝΔ/√3UΝΔnaΔ(2)iNY=3√INY/naY=SNY/UNYnaYiNΔ=SNΔ/3√UNΔnaΔ(2)設(shè)二次側(cè)電流分別為iY和iΔ(已經(jīng)過(guò)Y/Δ變換),則微機(jī)保護(hù)裝置內(nèi)部計(jì)算的差動(dòng)電流id為:id=iYKiY-iΔKiΔ(3)其中KiY、KiΔ分別是Y側(cè)和Δ側(cè)的電流比例系數(shù),對(duì)于普通的微機(jī)保護(hù)裝置,這些比例系數(shù)都是固定的常數(shù),滿足或近似滿足在額定電流下id=0。但是從式(2)可以知道,當(dāng)變壓器可調(diào)電壓側(cè)的電壓調(diào)整之后,該側(cè)額定電流也將改變,此時(shí)在額定工況下(以及其它正常運(yùn)行條件下)由式(3)計(jì)算的差動(dòng)電流不等于零,為保證變壓器差動(dòng)保護(hù)不誤動(dòng),就必須抬高其整定值,這正是(1)式中ΔU的作用。如果能夠采用自適應(yīng)原理,實(shí)時(shí)跟蹤變壓器的電壓變化,在軟件中相應(yīng)調(diào)整(3)式中的KiY和KiΔ系數(shù),就可以減少甚至取消(1)式中的ΔU項(xiàng),從而提高保護(hù)的靈敏度。因此可以在正常工況下(保護(hù)未啟動(dòng))實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)差流大小,如果差流增大到一定的范圍并長(zhǎng)期存在,就判斷是調(diào)壓抽頭已變化,則相應(yīng)調(diào)整調(diào)壓側(cè)電流的變比系數(shù),使得在當(dāng)前電壓下正常工況時(shí)的差流保持平衡。由于在正常工況下,變壓器的負(fù)荷有可能很小,甚至不帶負(fù)荷,此時(shí)用電流通道很難準(zhǔn)確地判斷出電壓級(jí)差的變化。因此,更為直觀的方法是直接測(cè)量變壓器的端電壓。為使額定電流情況下計(jì)算的差流為零,由式(2)和(3)可知,電流比例系數(shù)必須滿足:ΚiYΚiΔ=UΝY?naY√3UΝΔ?naΔ(4)KiYKiΔ=UNY?naY3√UNΔ?naΔ(4)因此,按當(dāng)前正常工作條件下求得的KiY和KiΔ進(jìn)行整定,保護(hù)裝置正常運(yùn)行后,計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)額定電壓UNY或UNΔ的變化,并隨之調(diào)整KiY或者KiΔ,使之滿足(4)式,達(dá)到減小差流計(jì)算中不平衡電流的目的。差動(dòng)保護(hù)中一般沒(méi)有引入或沒(méi)有完全引入電壓通道。為了提高交流通道的利用率,對(duì)電壓通道的監(jiān)測(cè)可以在其它引入了電壓量的后備保護(hù)中進(jìn)行,然后將監(jiān)測(cè)結(jié)果通過(guò)通信方式通知差動(dòng)保護(hù)。另外,為了避免測(cè)量誤差、計(jì)算誤差等的影響,在(4)式中UNY或UNΔ不是直接采用測(cè)量的實(shí)際電壓,而是按照變壓器的調(diào)壓級(jí)差逐級(jí)可調(diào),測(cè)量的電壓最接近哪個(gè)電壓級(jí)別,就取哪個(gè)電壓進(jìn)行計(jì)算。3ct極性計(jì)算的改善變壓器縱差保護(hù)中差流與制動(dòng)電流的表達(dá)式與CT接線極性有關(guān)。一般的,假定各側(cè)CT極性均以電流從母線流向變壓器為正。以兩繞組變壓器為例,如圖1所示,則差動(dòng)電流˙Ιd和制動(dòng)電流˙Ιres分別為:˙Ιd=˙Ι1+˙Ι2˙Ιres=(˙Ι1-˙Ι2)/2(5)其中˙Ι1和˙Ι2分別是變壓器兩側(cè)的電流值。該表達(dá)式對(duì)于Y/Y接線的變壓器以及二次側(cè)電流經(jīng)過(guò)Y→Δ變換的Y/Δ型變壓器均適用。當(dāng)然,如果統(tǒng)一定義各側(cè)CT極性均以電流從變壓器流向母線為正,如圖2所示,則上式依然成立。如果CT極性正向定義如圖3或圖4所示,則差動(dòng)電流˙Ιd和制動(dòng)電流˙Ιres的計(jì)算表達(dá)式就應(yīng)該分別為:˙Ιd=˙Ι1-˙Ι2˙Ιres=(˙Ι1+˙Ι2)/2(6)因此,根據(jù)CT接線的極性,分別采用式(5)或式(6)進(jìn)行計(jì)算,均可以滿足要求。但是值得指出的是,無(wú)論采用式(5)或式(6),都要求兩側(cè)三相的CT接線一致,否則在正常負(fù)荷電流情況下,錯(cuò)接相所計(jì)算的差流會(huì)很大,而制動(dòng)電流很小,容易導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)。因此,兩側(cè)三相CT接線與裝置內(nèi)部計(jì)算方法的一致性非常重要。但是在現(xiàn)場(chǎng)接線時(shí),往往難以檢測(cè)CT接線的極性。對(duì)于常規(guī)保護(hù),CT極性的錯(cuò)接是造成變壓器縱差保護(hù)誤動(dòng)的主要原因之一。在微機(jī)保護(hù)中,由于有了較強(qiáng)的人機(jī)交互能力,因此裝置在現(xiàn)場(chǎng)安裝完畢,進(jìn)行加電調(diào)試時(shí),通過(guò)打印機(jī)打印或屏幕顯示差動(dòng)電流值,就可以判斷CT極性是否接錯(cuò),決定是否需要更改以及更改哪些相的CT接線,從而避免了CT接線錯(cuò)誤造成的保護(hù)誤動(dòng)。這種處理方法與常規(guī)保護(hù)裝置相比是一大進(jìn)步。但是一旦發(fā)現(xiàn)CT接線有誤,仍然需要停電,然后更改接線,再加電檢測(cè),比較麻煩。更加智能化的方法是讓微機(jī)保護(hù)裝置自動(dòng)識(shí)別各相的CT極性,自適應(yīng)地分別采用式(5)或式(6)計(jì)算。即在調(diào)試程序中增加CT極性判別功能,流程簡(jiǎn)圖如下圖5所示。每一側(cè)都有一個(gè)獨(dú)立的電流和校對(duì)模塊;每一側(cè)都有一個(gè)獨(dú)立的差電流校對(duì)模塊。分別校對(duì)各側(cè)、各相的CT極性。另外需要指出,對(duì)于Y/Δ繞組的變壓器,《微機(jī)繼電保護(hù)裝置運(yùn)行管理規(guī)定》推薦其電流互感器二次宜采用Y形接線,其相位補(bǔ)償和電流補(bǔ)償由軟件實(shí)現(xiàn)。以Y/Δ-11繞組變壓器的A相為例,則按照?qǐng)D1或圖2接線時(shí)其差動(dòng)電流公式為:˙ΙdA=(˙ΙYA-˙ΙYB)/√3-˙ΙΔA此時(shí),上述流程里A相CT極性校對(duì)模塊中的˙Ι1或˙Ι2應(yīng)該用(˙ΙYA-˙ΙYB)/√3代入,其它相類似。增加了CT極性判別和自校正的功能,微機(jī)保護(hù)裝置在現(xiàn)場(chǎng)安裝后,只需經(jīng)過(guò)一次正常的加電測(cè)試,就可以自動(dòng)地調(diào)整軟件計(jì)算方法以適應(yīng)CT的二次接線極性,既避免了由于CT接反而造成的保護(hù)誤動(dòng),又省去了發(fā)現(xiàn)CT極性錯(cuò)誤后的停電換線工作。對(duì)于三繞組變壓器,同樣可以采用這種方法進(jìn)行三側(cè)三相CT極性的檢測(cè)和校正,只是判斷流程更加復(fù)雜,這里不再贅述。更進(jìn)一步地,還可以嘗試由微機(jī)繼保裝置在加電試驗(yàn)時(shí)自動(dòng)判別變壓器繞組聯(lián)接方式和組別。如果能夠完成這項(xiàng)功能,則保護(hù)裝置在現(xiàn)場(chǎng)無(wú)需運(yùn)行人員檢查接線或者整定聯(lián)接方式,只需經(jīng)過(guò)加電檢測(cè)即可。因此可以說(shuō)在這一方面,微機(jī)保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)了“即插即用”(PNP)功能。4u3000變壓器防ct選用對(duì)于220～500kV變壓器,單相接地短路是主要故障形式之一。特別是單相變壓器組,變壓器油箱內(nèi)部相間短路不可能發(fā)生。然而對(duì)于YN/Δ接線的變壓器的單相接地故障,縱差保護(hù)的靈敏度卻有可能不足,因?yàn)樵诳v差保護(hù)中YN側(cè)電流互感器二次接成三角形,使得差動(dòng)回路不反映零序電流。如果縱差保護(hù)的靈敏度不能滿足要求,則需要增設(shè)對(duì)變壓器單相接地故障有較高靈敏度的零序差動(dòng)保護(hù)。零序差動(dòng)保護(hù)的接線示意圖如圖6、圖7所示。根據(jù)實(shí)際情況并考慮確保保護(hù)的靈敏度,零序差動(dòng)保護(hù)各側(cè)采用變比相同的CT。零序差動(dòng)保護(hù)對(duì)單相接地故障有較高的靈敏度,原理簡(jiǎn)單,接線也不復(fù)雜,并且不反應(yīng)勵(lì)磁涌流,因此有較大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。但是其在實(shí)際運(yùn)行中卻存在一個(gè)難題:零序CT接線的極性難以檢查。因?yàn)檎５娜嚯娐凡缓阈螂娏?所以在裝置加電檢測(cè)中和正常運(yùn)行工況下都無(wú)法校對(duì)其接線是否正確,所以上一小節(jié)的方法在此不能適用。而如果CT極性有錯(cuò),就造成變壓器外部接地故障時(shí)保護(hù)誤動(dòng),或者內(nèi)部接地故障時(shí)保護(hù)拒動(dòng)。對(duì)于變壓器出口處三相并聯(lián)的CT,可以在接地故障時(shí)保護(hù)啟動(dòng)后,由三相CT自產(chǎn)3I0(要求Y側(cè)普通三相CT的二次側(cè)接成Y形)與零序差動(dòng)保護(hù)和三相并聯(lián)CT產(chǎn)生的零序比相。由于比相的目的只在于校對(duì)CT的極性,因此兩組CT的變比是否相等并無(wú)影響,其靈敏度不同也沒(méi)有關(guān)系。只是有兩點(diǎn)需要注意:①如果在輕微故障時(shí),普通三相CT的自產(chǎn)3I0靈敏度不夠,則這種方法無(wú)效。②要求裝置必須既引入零序差動(dòng)保護(hù)的零序電流,也要引入三相普通CT的三個(gè)電流。然而對(duì)于中性點(diǎn)側(cè)的CT,就不這么簡(jiǎn)單了。對(duì)于普通變壓器,為了檢測(cè)其零序CT的接線,可以借鑒文獻(xiàn)的方法,考慮利用零序電壓構(gòu)成零序方向元件(以電流從母線流向變壓器為正),對(duì)CT的接線進(jìn)行校對(duì),即:零序電壓檢測(cè)如果零序方向元件指示為正,則表示是內(nèi)部故障,此時(shí)如果零序差流等于零,則表示中性點(diǎn)零序CT接反了,需要改變差流算法;否則意味著中性點(diǎn)零序CT接線正確。反之,對(duì)于外部接地故障,則處理邏輯相反。為了避免增加PT極性檢測(cè)等工作,零序電壓可以采用出口處三相PT的自產(chǎn)3U0。這種方案其實(shí)是利用了零序方向保護(hù)的元件進(jìn)行檢測(cè),因此它存在著靈敏度和動(dòng)作時(shí)間的配合等問(wèn)題。并且,根據(jù)文獻(xiàn)的分析,對(duì)于自耦變壓器,在高壓側(cè)發(fā)生區(qū)外故障時(shí),其中性點(diǎn)的零序電流與中壓側(cè)的系統(tǒng)阻抗有相當(dāng)大的關(guān)系,不能明確地反映故障的方向。所以,這種處理方法有較大的局限性。以下再考慮另一種處理方法:零序差動(dòng)保護(hù)的通知在零序差動(dòng)保護(hù)完成CT極性校對(duì)之前,無(wú)論是否滿足差動(dòng)條件,保護(hù)均不動(dòng)作。變壓器依靠其它保護(hù)判斷是內(nèi)部故障還是外部故障,決定是否跳閘。其它保護(hù)的判斷結(jié)果通過(guò)置標(biāo)志、發(fā)開(kāi)出信號(hào)、傳通信命令等方式通知零序差動(dòng)保護(hù)。零序差動(dòng)保護(hù)根據(jù)它們的判斷結(jié)果,對(duì)照自身的零序差流計(jì)算數(shù)據(jù),決定是否需要軟件調(diào)整CT極性。一旦校對(duì)好CT極性,零序差動(dòng)保護(hù)就可以投入正常工作了。由此可見(jiàn)保護(hù)裝置運(yùn)行后,在變壓器附近發(fā)生第一次接地故障時(shí),零序差動(dòng)保護(hù)是無(wú)效的,故障切除完全依靠其它保護(hù)如縱差保護(hù)、瓦斯保護(hù)等等,因此這種解決方案也是不完善的。5u3000結(jié)語(yǔ)本文針對(duì)變壓器的縱差保護(hù)和零序差動(dòng)保護(hù),探討了如何利用計(jì)算機(jī)的自適應(yīng)功能,充分開(kāi)發(fā)微機(jī)保護(hù)的智能潛力,在不增加系統(tǒng)和裝置的硬件開(kāi)銷的基礎(chǔ)上,提高保護(hù)的性能。主要工作有:1)保護(hù)裝置實(shí)時(shí)檢測(cè)變壓器調(diào)壓側(cè)的電壓,自動(dòng)跟蹤調(diào)整電流變換系數(shù),減小穿越電流引起的不平衡量,提高差動(dòng)保護(hù)的靈敏度。2)保護(hù)裝置在加電檢測(cè)試驗(yàn)中自動(dòng)檢測(cè)差流大小,相應(yīng)地通過(guò)軟件調(diào)整CT極性,既避免了裝置誤動(dòng),又免去了現(xiàn)場(chǎng)校對(duì)和改線的煩瑣工作。3)提出了兩種校對(duì)零序差動(dòng)保護(hù)CT接