微機保護中電力系統(tǒng)頻率測量源的探究

嚴(yán)紅洲

摘要：對于微機保護來說系統(tǒng)頻率是一個很重要的參數(shù)，它是微機保護準(zhǔn)確測量其他模擬量的首要條件，也會是微機保護是否可以正確動作的前提條件。本文對微機保護的頻率測量源給出了三種選擇：A相電壓測頻、AB線電壓測頻、A相電流測頻，并分別對這三種頻率源的優(yōu)缺點和使用場合做了的分析，旨在幫助研發(fā)人員在設(shè)計微機保護時根據(jù)自己的使用環(huán)境和特點快速的選擇好測量頻率的對象。

關(guān)鍵詞：頻率;測量;微機保護

繼電保護是保證電力系統(tǒng)正常可靠運行的一個充分必要條件，它是供電可靠性和質(zhì)量的重要保證。繼電保護的作用就是當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障時及時、可靠、準(zhǔn)確、有選擇性的斷開故障回路。所謂及時就是在故障發(fā)生時繼電保護裝置中各個保護邏輯根據(jù)模擬量、開關(guān)量的變化非?？斓呐袛喑龉收希凑疹A(yù)設(shè)的時間出口去跳開斷路器，例如當(dāng)變壓器內(nèi)部有故障時通過突變量來啟動差動，可以在2-3ms判斷出故障;所謂準(zhǔn)確就是各個保護邏輯要很準(zhǔn)確的判斷出故障類型，并由對應(yīng)的保護邏輯去動作，例如當(dāng)系統(tǒng)的電壓低時就由低電壓保護動作去跳閘，而當(dāng)三相短路故障導(dǎo)致電流突然變大時就應(yīng)該有速斷保護去動作跳閘;所謂可靠就是繼電保護裝置和斷路器的執(zhí)行機構(gòu)必須要可靠的跳開故障回路，而不能存在有時可以跳閘有時跳不開故障回路的現(xiàn)象;所謂有選擇性就是當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，應(yīng)該有離故障點最近的斷路器斷開故障點，而不能由上一級回路的斷路器跳開故障回路，不能擴大事故和停電的范圍。

1探究頻率源的原因

最初的繼電保護邏輯是由電流繼電器、電壓繼電器、時間繼電器、中間繼電器、防跳繼電器等分立元件搭建而成的，而現(xiàn)在微機保護邏輯，則是通過將測量、保護、通信、人機接口、故障錄波、事件記錄、打印等多種功能融合在一起實現(xiàn)的。其中的測量功能是最為關(guān)鍵的，它是將電壓、電流、DC4-20mA、PT100鉑電阻、DC0-10V等模擬量信號裝換為CPU可以識別的數(shù)字信號的關(guān)鍵。電力系統(tǒng)是一個很復(fù)雜的系統(tǒng)，這就決定了電力系統(tǒng)中各個參數(shù)電壓電流幅值角度、頻率、功率都是在不斷的變化的，其中頻率也是變化的，要想準(zhǔn)確的測量系統(tǒng)電壓和電流的信號，這個必須要有頻率跟蹤功能。電力系統(tǒng)由于用電和發(fā)電是同步，即用多少電就發(fā)多少電，雖然現(xiàn)在有儲能電站，但這對于龐大的電力系統(tǒng)來說幾乎是可以忽略不計的，從而這就導(dǎo)致電力系統(tǒng)的頻率是在不斷的變化;正常的系統(tǒng)頻率是50Hz，但當(dāng)系統(tǒng)的負(fù)荷突然減少時，系統(tǒng)的頻率會升高，然后系統(tǒng)會根據(jù)實際負(fù)荷的大小來減少出力，最終使頻率保持在50Hz左右;反之當(dāng)系統(tǒng)的負(fù)荷增加時，系統(tǒng)的頻率會減低，同樣系統(tǒng)會通過調(diào)整出力的方式來

達到頻率正常。所謂頻率跟蹤功能，就是微機保護根據(jù)系統(tǒng)的頻率來調(diào)整

AD采樣的間隔時間，但一個間隔內(nèi)采樣的點數(shù)不變，這樣就可以準(zhǔn)確的測量到電壓和電流的值，給微機保護準(zhǔn)確動作提供了保證。電力系統(tǒng)的頻率是50Hz時，正常一個周波20ms，微機保護一個周波采樣32個點;當(dāng)系統(tǒng)頻率為51Hz時此時為了得到準(zhǔn)確的電壓電流值，則必須一個周波還是采樣32個點，一個周波的時間為19.6ms，即此時必須是在19.6ms中采樣32個點;同理當(dāng)系統(tǒng)的頻率為49Hz時，此時一個周波20.4ms內(nèi)還是采用32個點;通過這樣的處理就可以保證系統(tǒng)頻率在波動時，微機保護的電壓電流的保護邏輯不會收到影響。如果系統(tǒng)的頻率為49Hz時，你還是按照20ms內(nèi)采用32個點的結(jié)果來計算有效值和傅里葉值，則此時算的電壓電流是一個不穩(wěn)定和不準(zhǔn)確的值，這給微機保護的電壓電流保護帶了很大的風(fēng)險，存在誤動和據(jù)動的可能性，給電力系統(tǒng)的運行帶來很大的不確定性。由此可見頻率跟蹤的重要性，但頻率跟蹤的實現(xiàn)最根本最基礎(chǔ)的還是頻率的測量，頻率測量一定要準(zhǔn)確;如果頻率測量不準(zhǔn)確，則頻率跟蹤也是一句空話，就是一個空中樓閣。

2頻率源的分類

目前頻率測量的方法主要是軟件結(jié)合硬件測量的方法，就是微機保護在系統(tǒng)中取正弦波兩個上升沿之間的計數(shù)器值，再用這個值除以兩個上升沿之間的時間，再加上一些其他的輔助條件，就可以計算出系統(tǒng)的頻率。這個算法現(xiàn)在相對來說是一個比較成熟的方案，現(xiàn)在主要的還是測量頻率源的選擇，目前有三種：第一種是測量系統(tǒng)的A相電壓頻率;第二種測量頻率AB相線電壓的頻率;第三種測量A相電流的頻率。這三種頻率源的方式各有優(yōu)點和缺點，需要根據(jù)不同的應(yīng)用場景來選擇不同的頻率測量源。

3頻率源的種類分析

第一種測量系統(tǒng)A相電壓頻率的方法是目前常用的方法，該方法只要將A相電壓引入到測頻回路，硬件設(shè)計簡單，但是當(dāng)系統(tǒng)的A相發(fā)生直接接地和A相電壓互感器發(fā)生斷線時就會出現(xiàn)頻率測量不準(zhǔn)確或無法測量的情況。當(dāng)中性點不接地系統(tǒng)發(fā)生直接接地故障時，由于系統(tǒng)的中性點不接地，此時僅僅是接地相的電壓變?yōu)?，其他兩相電壓變大，但三個線電壓

Uab、Ubc、Uca的值和相位是沒有變化的，這種情況下電力系統(tǒng)是可以運行2-3個小時的;在這2-3個小時內(nèi)要求系統(tǒng)維護人員盡快找到接地點，并處理故障。我們國家電網(wǎng)中性點不接地系統(tǒng)的電壓等級主要為35kV、10kV，而110kV和0.4kV是中性點直接接地系統(tǒng)，中性點直接接地系統(tǒng)當(dāng)發(fā)生單相接地故障時，系統(tǒng)是立即跳閘斷開故障回路，是不能持續(xù)運行的。在中性點不接地系統(tǒng)中如果僅僅是系統(tǒng)的B相或者C相接地，則對于頻率的測量來說是沒有影響的，但是如果是系統(tǒng)的A相接地，則會導(dǎo)致微機保護測不到頻率。微機保護在測不到頻率的情況，一般的處理方式就是按照默認(rèn)的系統(tǒng)正常的頻率50Hz來采樣和計算當(dāng)前的電壓電流值。如果系統(tǒng)的頻率發(fā)生偏移，同時系統(tǒng)又發(fā)生短路故障，此時由于系統(tǒng)的頻率偏移了不在是50Hz但微機保護還是按照50Hz來采樣和計算電壓電流，計算的電壓電流的幅值和相位肯定是不準(zhǔn)確的，這樣就會導(dǎo)致微機保護的電壓電流保護、功率保護、方向保護不能正確的動作，甚至導(dǎo)致越級跳，從而有擴大事故范圍的可能性。如果PT柜中正好是A相電壓互感器熔絲斷開，也是會導(dǎo)致微機保護測到頻率為0，同樣也會存在上述擴大停電范圍的可能性。當(dāng)然，當(dāng)A相系統(tǒng)發(fā)生直接接地和A相電壓互感器斷線時，微機保護會發(fā)出系統(tǒng)接地和PT斷線的告警信息，提示運行人員盡快處理相關(guān)故障，否則會有保護誤動的情況存在。所謂越級跳的意思就是如果系統(tǒng)的最末級發(fā)生故障，應(yīng)該最末級開關(guān)跳閘，但由于最末級微機保護測頻不對或者其他故障導(dǎo)致最末級斷路器未跳開，最后將最末級的上一級斷路器跳開，這個是比較嚴(yán)重的問題。

第二種方式是通過測量系統(tǒng)的AB線電壓的方式來獲得頻率的，電力系統(tǒng)A、B、C相電壓的頻率以及三個線電壓的頻率是一樣的，測試它們其中任何一個都可以反映系統(tǒng)的頻率。這種方式可以解決第一種測量源在中性點不接地系統(tǒng)中A相直接接地和A相電壓互感器斷線時存在的問題。當(dāng)采用線電壓測頻時，系統(tǒng)A相電壓由于直接接地或者電壓互感器斷線后，雖然A相電壓沒有了，但B相電壓還在。只要A相電壓或者B相電壓有一個電壓在，AB線電壓就有電壓，因AB線電壓等于A相電壓與B相電壓的矢量差，此時微機保護通過其還是可以正確測試到系統(tǒng)的頻率的。只要測量到準(zhǔn)確的頻率，加上頻率跟蹤，就可以準(zhǔn)確的算出電壓電流值。但這種頻率源的硬件實現(xiàn)的過程比較復(fù)雜，需要將A相電壓和B相電壓在硬件上做一個減法處理和幅值變換的電路，增加了硬件設(shè)計的難度和成本;該種方法還有一個缺點就是在系統(tǒng)A相和B相發(fā)生間歇性接地時，還是會導(dǎo)致系統(tǒng)頻率的變化，這個是由于當(dāng)系統(tǒng)A相發(fā)生間歇性接地時，系統(tǒng)的A相電壓波形發(fā)生了變化，雖然B相電壓正常，但它們的相減后的波形肯定已經(jīng)不是正弦波了，所以測試測量的頻率還是不準(zhǔn)確的。當(dāng)然，單獨測量A相電壓的頻率的方式在中性點不接地系統(tǒng)中發(fā)生間歇性接地時也是會導(dǎo)致系統(tǒng)的頻率測量不準(zhǔn)確的。

第三種頻率源是A相電流，這種是一個特殊的用法。在各種各樣的資源逐步減少的情況，節(jié)能已經(jīng)被提上了日程，尤其是大型電動機的節(jié)能。故現(xiàn)在大型的電動機都裝了變頻器，使電動機變頻啟動變頻運行，其一次

接線圖如下。

變頻啟動可以減少電動機啟動對電網(wǎng)的沖擊，減小啟動電流，因電動機如果直接啟動的時，其啟動電流可以到達電動機額定電流8～10倍;而變頻運行，則是在運行中節(jié)能，當(dāng)負(fù)荷輕時，則降低頻率運行，減少電能的損耗。對于2MW以上的電動機，規(guī)范規(guī)定其必須配備差動保護。差動保護是電動機的主保護，它的作用就是當(dāng)電動機內(nèi)部有故障時迅速的跳開斷路器，保護電動機不被燒壞。差動保護的原理就是取電動機機端側(cè)的電流和中性點側(cè)的電流之差來判斷電動機是否內(nèi)部發(fā)生了故障。但是由于電動機機端側(cè)有兩組電流互感器CT1和CT2，中性點側(cè)有一組互感器CT3，這三組互感器的頻率是不一樣，CT1是系統(tǒng)的頻率，而CT2和CT3是變頻器后的頻率。CT2和CT3的頻率是由變頻器決定，而CT1的頻率是由電力系統(tǒng)決定，很顯然此時差動保護電流的只能取CT2和CT3，因這兩個電流互感器的頻率是同步，因頻率不同是無法進行電流差的計算，進而無法做差動保護的。但現(xiàn)在由于CT2和CT3是電流信號，且變頻器下端是沒有電壓互感器的，就無法通過電壓回路來測量頻率，只能通過電流回路來測量頻率的。此時必須測量頻率的原因是由于變頻器下端的頻率的變化范圍是在10Hz～50Hz之間變化的，測量頻率后就可以做頻率跟蹤，否則差動保護無法實現(xiàn)，就不滿足規(guī)范的要求了。采用此方法測量頻率的缺點就是如果電動機的電流值太小，則無法準(zhǔn)確測量到頻率;還有就是當(dāng)變頻器的頻率太低時，超過了微機保護采樣的最長間隔時間，也是不能測量到頻率。

4.結(jié)束語

本文作者通過對這三種頻率源優(yōu)缺點和使用條件的分析，給微機保護開發(fā)人員在研發(fā)不同使用場景不同保護對象的微機保護時對頻率測量源的選擇提出了一個指導(dǎo)性的意見，使開發(fā)人員能有多種選擇，能快速的選擇

最終的測頻方案，少走彎路節(jié)省時間縮短開發(fā)周期。

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