自適應(yīng)原理在繼電保護中的應(yīng)用

自適應(yīng)原理在繼電保護中的應(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)的繼電保護往往采用抬高定值、增加閉鎖判據(jù)等措施。而運用自適應(yīng)原理,繼電保護可以根據(jù)電力系統(tǒng)運行方式和故障狀態(tài)的變化而實時改變保護性能、特性或定值,突破常規(guī)保護的限制,盡可能地提高保護的靈敏度和準確性,并且常?？梢詼p少整定值的數(shù)量,降低整定難度。此外,繼電保護裝置還可以根據(jù)現(xiàn)場的情況,完成在線調(diào)整判據(jù)計算方法,校對接線極性等等任務(wù),使保護裝置能夠適應(yīng)各種現(xiàn)場條件,減少因接線或整定錯誤而引起的保護誤動或拒動,降低工作人員的勞動強度。20世紀80年代以來,隨著微機繼電保護的應(yīng)用和發(fā)展,計算機的高速計算、邏輯判斷能力,強大的數(shù)據(jù)記憶功能,為自適應(yīng)原理在繼電保護中的廣泛應(yīng)用創(chuàng)造了良好的條件。如線路保護中的自適應(yīng)電流保護、自適應(yīng)距離保護、自適應(yīng)自動重合閘等等;發(fā)電機保護中的自適應(yīng)三次諧波定子接地保護、自適應(yīng)失磁保護等等。在變壓器的主保護中,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式差動保護,就是在普通的縱差保護的原理上,增加自適應(yīng)功能,自動調(diào)節(jié)保護的動作電流,因此可以保證外部故障不誤動,同時對于內(nèi)部故障又有較高的靈敏度。又如在計算機保護中,在保護啟動初期,采用短窗濾波算法以加快嚴重內(nèi)部故障時保護的反應(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;隨著時間的延長,故障后數(shù)據(jù)的增多,再采用較精確的濾波算法,同時將整定值逐步恢復(fù)到原來的值,這樣既顧及了嚴重內(nèi)部故障時保護的快速性,又不降低保護整體的準確性。廣泛應(yīng)用自適應(yīng)原理,充分發(fā)揮計算機繼電保護的智能潛力,能夠在現(xiàn)有的技術(shù)條件下,改善保護性能,提高繼電保護的現(xiàn)場運行水平。以下結(jié)合實際工作,介紹在變壓器主保護裝置設(shè)計中運用自適應(yīng)技術(shù)的經(jīng)驗和設(shè)想。2變壓器電力污水處理根據(jù)整定計算導(dǎo)則,變壓器縱差保護中最小動作電流Iop.min以及差動保護回路的最大不平衡電流Iunb.max的計算公式(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)的含義詳見整定導(dǎo)則。由此可以知道,如果能減小兩式中各分項的值,就可以降低相應(yīng)的整定值,提高縱差保護的靈敏度。計算機繼電保護可以利用其強大的計算功能,通過軟件實現(xiàn)電流的變比系數(shù)調(diào)整,因此可以取消(1)式中的Δm項。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級的有載調(diào)壓變壓器調(diào)壓范圍可達±4×2.0%,為了避免差動保護誤動,按(1)式考慮的整定值必須留有相當?shù)脑６?因此影響了保護的靈敏度。原理如下:記變壓器額定電流的表達式為: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Y/Δ變換),則微機保護裝置內(nèi)部計算的差動電流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),對于普通的微機保護裝置,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,此時在額定工況下(以及其它正常運行條件下)由式(3)計算的差動電流不等于零,為保證變壓器差動保護不誤動,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,實時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,從而提高保護的靈敏度。因此可以在正常工況下(保護未啟動)實時監(jiān)測差流大小,如果差流增大到一定的范圍并長期存在,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),使得在當前電壓下正常工況時的差流保持平衡。由于在正常工況下,變壓器的負荷有可能很小,甚至不帶負荷,此時用電流通道很難準確地判斷出電壓級差的變化。因此,更為直觀的方法是直接測量變壓器的端電壓。為使額定電流情況下計算的差流為零,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,按當前正常工作條件下求得的KiY和KiΔ進行整定,保護裝置正常運行后,計算機實時監(jiān)測額定電壓UNY或UNΔ的變化,并隨之調(diào)整KiY或者KiΔ,使之滿足(4)式,達到減小差流計算中不平衡電流的目的。差動保護中一般沒有引入或沒有完全引入電壓通道。為了提高交流通道的利用率,對電壓通道的監(jiān)測可以在其它引入了電壓量的后備保護中進行,然后將監(jiān)測結(jié)果通過通信方式通知差動保護。另外,為了避免測量誤差、計算誤差等的影響,在(4)式中UNY或UNΔ不是直接采用測量的實際電壓,而是按照變壓器的調(diào)壓級差逐級可調(diào),測量的電壓最接近哪個電壓級別,就取哪個電壓進行計算。3ct極性計算的改善變壓器縱差保護中差流與制動電流的表達式與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,則差動電流˙Ιd和制動電流˙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。該表達式對于Y/Y接線的變壓器以及二次側(cè)電流經(jīng)過Y→Δ變換的Y/Δ型變壓器均適用。當然,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,則差動電流˙Ιd和制動電流˙Ιres的計算表達式就應(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)進行計算,均可以滿足要求。但是值得指出的是,無論采用式(5)或式(6),都要求兩側(cè)三相的CT接線一致,否則在正常負荷電流情況下,錯接相所計算的差流會很大,而制動電流很小,容易導(dǎo)致保護誤動。因此,兩側(cè)三相CT接線與裝置內(nèi)部計算方法的一致性非常重要。但是在現(xiàn)場接線時,往往難以檢測CT接線的極性。對于常規(guī)保護,CT極性的錯接是造成變壓器縱差保護誤動的主要原因之一。在微機保護中,由于有了較強的人機交互能力,因此裝置在現(xiàn)場安裝完畢,進行加電調(diào)試時,通過打印機打印或屏幕顯示差動電流值,就可以判斷CT極性是否接錯,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接線錯誤造成的保護誤動。這種處理方法與常規(guī)保護裝置相比是一大進步。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,比較麻煩。更加智能化的方法是讓微機保護裝置自動識別各相的CT極性,自適應(yīng)地分別采用式(5)或式(6)計算。即在調(diào)試程序中增加CT極性判別功能,流程簡圖如下圖5所示。每一側(cè)都有一個獨立的電流和校對模塊;每一側(cè)都有一個獨立的差電流校對模塊。分別校對各側(cè)、各相的CT極性。另外需要指出,對于Y/Δ繞組的變壓器,《微機繼電保護裝置運行管理規(guī)定》推薦其電流互感器二次宜采用Y形接線,其相位補償和電流補償由軟件實現(xiàn)。以Y/Δ-11繞組變壓器的A相為例,則按照圖1或圖2接線時其差動電流公式為:˙ΙdA=(˙ΙYA-˙ΙYB)/√3-˙ΙΔA此時,上述流程里A相CT極性校對模塊中的˙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,微機保護裝置在現(xiàn)場安裝后,只需經(jīng)過一次正常的加電測試,就可以自動地調(diào)整軟件計算方法以適應(yīng)CT的二次接線極性,既避免了由于CT接反而造成的保護誤動,又省去了發(fā)現(xiàn)CT極性錯誤后的停電換線工作。對于三繞組變壓器,同樣可以采用這種方法進行三側(cè)三相CT極性的檢測和校正,只是判斷流程更加復(fù)雜,這里不再贅述。更進一步地,還可以嘗試由微機繼保裝置在加電試驗時自動判別變壓器繞組聯(lián)接方式和組別。如果能夠完成這項功能,則保護裝置在現(xiàn)場無需運行人員檢查接線或者整定聯(lián)接方式,只需經(jīng)過加電檢測即可。因此可以說在這一方面,微機保護裝置實現(xiàn)了“即插即用”(PNP)功能。4u3000變壓器防ct選用對于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。然而對于YN/Δ接線的變壓器的單相接地故障,縱差保護的靈敏度卻有可能不足,因為在縱差保護中YN側(cè)電流互感器二次接成三角形,使得差動回路不反映零序電流。如果縱差保護的靈敏度不能滿足要求,則需要增設(shè)對變壓器單相接地故障有較高靈敏度的零序差動保護。零序差動保護的接線示意圖如圖6、圖7所示。根據(jù)實際情況并考慮確保保護的靈敏度,零序差動保護各側(cè)采用變比相同的CT。零序差動保護對單相接地故障有較高的靈敏度,原理簡單,接線也不復(fù)雜,并且不反應(yīng)勵磁涌流,因此有較大的實際應(yīng)用價值。但是其在實際運行中卻存在一個難題:零序CT接線的極性難以檢查。因為正常的三相電路不含零序電流,所以在裝置加電檢測中和正常運行工況下都無法校對其接線是否正確,所以上一小節(jié)的方法在此不能適用。而如果CT極性有錯,就造成變壓器外部接地故障時保護誤動,或者內(nèi)部接地故障時保護拒動。對于變壓器出口處三相并聯(lián)的CT,可以在接地故障時保護啟動后,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)與零序差動保護和三相并聯(lián)CT產(chǎn)生的零序比相。由于比相的目的只在于校對CT的極性,因此兩組CT的變比是否相等并無影響,其靈敏度不同也沒有關(guān)系。只是有兩點需要注意:①如果在輕微故障時,普通三相CT的自產(chǎn)3I0靈敏度不夠,則這種方法無效。②要求裝置必須既引入零序差動保護的零序電流,也要引入三相普通CT的三個電流。然而對于中性點側(cè)的CT,就不這么簡單了。對于普通變壓器,為了檢測其零序CT的接線,可以借鑒文獻的方法,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CT的接線進行校對,即:零序電壓檢測如果零序方向元件指示為正,則表示是內(nèi)部故障,此時如果零序差流等于零,則表示中性點零序CT接反了,需要改變差流算法;否則意味著中性點零序CT接線正確。反之,對于外部接地故障,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。這種方案其實是利用了零序方向保護的元件進行檢測,因此它存在著靈敏度和動作時間的配合等問題。并且,根據(jù)文獻的分析,對于自耦變壓器,在高壓側(cè)發(fā)生區(qū)外故障時,其中性點的零序電流與中壓側(cè)的系統(tǒng)阻抗有相當大的關(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:零序差動保護的通知在零序差動保護完成CT極性校對之前,無論是否滿足差動條件,保護均不動作。變壓器依靠其它保護判斷是內(nèi)部故障還是外部故障,決定是否跳閘。其它保護的判斷結(jié)果通過置標志、發(fā)開出信號、傳通信命令等方式通知零序差動保護。零序差動保護根據(jù)它們的判斷結(jié)果,對照自身的零序差流計算數(shù)據(jù),決定是否需要軟件調(diào)整CT極性。一旦校對好CT極性,零序差動保護就可以投入正常工作了。由此可見保護裝置運行后,在變壓器附近發(fā)生第一次接地故障時,零序差動保護是無效的,故障切除完全依靠其它保護如縱差保護、瓦斯保護等等,因此這種解決方案也是不完善的。5u3000結(jié)語本文針對變壓器的縱差保護和零序差動保護,探討了如何利用計算機的自適應(yīng)功能,充分開發(fā)微機保護的智能潛力,在不增加系統(tǒng)和裝置的硬件開銷的基礎(chǔ)上,提高保護的性能。主要工作有:1)保護裝置實時檢測變壓器調(diào)壓側(cè)的電壓,自動跟蹤調(diào)整電流變換系數(shù),減小穿越電流引起的不平衡量,提高差動保護的靈敏度。2)保護裝置在加電檢測試驗中自動檢測差流大小,相應(yīng)地通過軟件調(diào)整CT極性,既避免了裝置誤動,又免去了現(xiàn)場校對和改線的煩瑣工作。3)提出了兩種校對零序差動保護CT接