關(guān)注：
（1.清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系，北京100084；2許昌繼電器研究所，許昌461000）。隨著我國(guó)電力系統(tǒng)c中組和線路的不以蔬gHouse.ngxhebookmark1步保護(hù)原理進(jìn)行了分析和評(píng)價(jià)，在此基礎(chǔ)上提出了具有多重啟動(dòng)元件、可根據(jù)頻率變化量自動(dòng)調(diào)節(jié)失步保護(hù)與預(yù)測(cè)啟動(dòng)角、并利用最小二乘法預(yù)測(cè)功角變化軌跡的改進(jìn)方案。改進(jìn)后的失步保護(hù)方案能夠區(qū)分故障、靜穩(wěn)破壞以及動(dòng)穩(wěn)失步等情況，并實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的失步預(yù)測(cè)功能，提高了失步保護(hù)的性能。對(duì)振蕩中心在發(fā)電機(jī)變壓器組外部與內(nèi)部等情況進(jìn)行了發(fā)電機(jī)失步預(yù)測(cè)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了改進(jìn)方案的正確性與可行性斷發(fā)展，失步保護(hù)的重要性日益突出由于機(jī)組的慣性系數(shù)相對(duì)減小電抗較大，相對(duì)系統(tǒng)的等值電抗減小，以及故障清除時(shí)間較長(zhǎng)等因素加了同步發(fā)電機(jī)組失步的可能性失步將導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的電流劇烈振蕩，機(jī)端電壓波動(dòng)在失步期間產(chǎn)生的機(jī)械力和熱效應(yīng)可能損壞發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸和定子線圈，并且一臺(tái)發(fā)電機(jī)的失步可能擴(kuò)展到其它發(fā)電機(jī)，如果不及時(shí)采取措施，最終將導(dǎo)致大面積停電因此，對(duì)大型發(fā)電機(jī)組宜裝設(shè)失步預(yù)測(cè)及保護(hù)元件。 目前保護(hù)失步及預(yù)測(cè)原理主要有：基于機(jī)端視在阻抗變化軌跡的保護(hù)原理，基于間接反映功角變化的保護(hù)原理，基于直接測(cè)量功角或角速度的保護(hù)原理以及基于能量平衡的保護(hù)原理就目前國(guó)內(nèi)發(fā)電廠和主要制造廠家而言，在發(fā)電機(jī)一變壓器組微機(jī)保護(hù)中應(yīng)用比較成熟和廣泛的是基于機(jī)端視在阻抗變化軌跡的三阻抗元件失步保護(hù)。但三阻抗元件失步保護(hù)原理本身存在一定的不足，所以有必要對(duì)其加以分析和改進(jìn)，以提高其在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的性能1三阻抗元件失步保護(hù)的評(píng)價(jià)基于單機(jī)-無窮大系統(tǒng)（）的發(fā)電機(jī)三阻抗元件失步保護(hù)動(dòng)作特性線如所示，對(duì)其作簡(jiǎn)要評(píng)述如下：三阻抗元件失步保護(hù)不具有失步預(yù)測(cè)功能，當(dāng)它動(dòng)作之后，從避免失步來看，己為時(shí)太晚，保護(hù)動(dòng)作結(jié)果只能是切機(jī)或解列，而沒有時(shí)間采取相應(yīng)的抑制失步措施保持系統(tǒng)穩(wěn)定。 透鏡特性元件右側(cè)的內(nèi)角整定后，左側(cè)的內(nèi)基金項(xiàng)目：國(guó)家重大科技項(xiàng)目（攻關(guān)）計(jì)劃子課題基金項(xiàng)目：畢大強(qiáng)（1973-），男（漢），河北，博士研究生通訊聯(lián)系人：王祥珩，教授，角也相應(yīng)確定，即兩側(cè)內(nèi)角只能整定為一相同的固定值，但這樣整定不利于切機(jī)時(shí)刻的選取在發(fā)電機(jī)第一次擺過180*時(shí)，三阻抗元件原理不能區(qū)分是靜穩(wěn)破壞還是動(dòng)穩(wěn)失步。 2三阻抗元件失步保護(hù)的改進(jìn)2.1系統(tǒng)功角的計(jì)算假設(shè)系統(tǒng)各元件阻抗角相同，則發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)之間的功角W由機(jī)端測(cè)量阻抗Z和發(fā)電機(jī)暫態(tài)電抗zg以及發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)的聯(lián)系電抗Zst所組成的封閉阻抗三角形來決定各阻抗分別乘以電流可得到如所示的各電壓向量，圖中發(fā)電機(jī)電勢(shì)Eg與化，功角的計(jì)算對(duì)失步保護(hù)的改進(jìn)有重要作用。 2.2增設(shè)失步保護(hù)與預(yù)測(cè)啟動(dòng)元件為使失步保護(hù)與預(yù)測(cè)裝置可靠啟動(dòng)，當(dāng)滿足下列情況時(shí)啟動(dòng)失步與預(yù)測(cè)：保證裝置正常工作的計(jì)算精度，最小電流必須大于0.1/N，否則失步保護(hù)閉鎖。 失步過程中電壓幅值發(fā)生變化，電壓降到小于0.92Un是趨向失步的一個(gè)伴隨特征。 失步過程伴隨著頻率的偏移，通過檢測(cè)發(fā)電機(jī)滑差頻率下限是否大于0.2Hz來區(qū)分靜穩(wěn)破壞還是動(dòng)穩(wěn)失步；滑差頻率上限是否小于8Hz用來區(qū)別短路與振蕩。 發(fā)電機(jī)功角W大于額定運(yùn)行功龜上述4個(gè)啟動(dòng)元件的邏輯關(guān)系是（1AND 4，從而保證失步保護(hù)與預(yù)測(cè)裝置的可靠啟動(dòng)2.3動(dòng)作特性的改進(jìn)系統(tǒng)電勢(shì)Es之間的相角差就是功角W即率fs=應(yīng)該注意在穩(wěn)態(tài)時(shí)求功角應(yīng)使用發(fā)電機(jī)的同步電抗Zg，而不是zg透鏡特性左半部的內(nèi)角完全是根據(jù)有利于斷路器斷開的功角整定，切機(jī)角與啟動(dòng)角沒有關(guān)系，更有利于斷路器跳閘和預(yù)測(cè)報(bào)警。對(duì)于失步以后的滑極次數(shù)的記錄與原來的保護(hù)方案相同。 4失步預(yù)測(cè)算法振蕩過程中，功角W隨時(shí)間在0~ 360*之間變不穩(wěn)定，在暫態(tài)過程的短時(shí)間內(nèi)發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)之間與原三阻抗元件動(dòng)作特性相比，改進(jìn)后的動(dòng)作特性如所示，它保留了阻擋器直線阻抗元件B和電抗線阻抗元件C，改進(jìn)的關(guān)鍵在于把透鏡特性阻抗元件A左側(cè)的內(nèi)角整定為失步后切機(jī)角，而把右側(cè)放開右側(cè)啟動(dòng)角由啟動(dòng)條件3或4決定，因?yàn)樵诓煌倪\(yùn)行條件下對(duì)應(yīng)啟動(dòng)條件3的功角是不同的，這樣可以根據(jù)滑差頻率大小自適應(yīng)調(diào)節(jié)失步保護(hù)與預(yù)測(cè)裝置的啟動(dòng)角。 的功角可以看成是一個(gè)隨時(shí)間連續(xù)變化的過程，功角預(yù)測(cè)可以采用多項(xiàng)式回歸模型：數(shù)a，a\，…，a，m根據(jù)功角歷史觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算出，在開始預(yù)測(cè)之前己經(jīng)觀測(cè)到N+1個(gè)功角值W（），W（At），…，W（NAt）（At為采樣間隔）根據(jù)最小二乘法，預(yù)測(cè)模型中參數(shù)向量的計(jì)算式為：記T=，（k=N+1，…，N+i）由式（2）計(jì)算出多項(xiàng)式參數(shù)，再由式（1）計(jì)算出以后不同時(shí)刻的功角預(yù)測(cè)值：…+bNkW（NAt）。因?yàn)镠（N）是一個(gè)常數(shù)陣，所以B（N）可事先離線計(jì)算出來再根據(jù)預(yù)測(cè)時(shí)刻kAt，可離線計(jì)算出所有不同預(yù)測(cè)時(shí)間對(duì)應(yīng)的預(yù)測(cè)方程系數(shù)向量及=r B（N）=，預(yù)測(cè)方法的在線計(jì)算量小。為提高預(yù)測(cè)計(jì)算精度，采用滾動(dòng)預(yù)測(cè)，不斷采集新數(shù)據(jù)，用最新的采樣值更新預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)窗的數(shù)據(jù)25不同運(yùn)行工況的區(qū)別為提高預(yù)測(cè)的可靠性，必須正確區(qū)分短路故障與振蕩、靜穩(wěn)破壞與動(dòng)穩(wěn)失步。 正常運(yùn)行時(shí)機(jī)端阻抗較大，當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)，機(jī)端阻抗將變得很小，即發(fā)生躍變這樣按照機(jī)端阻抗變化軌跡計(jì)算的功角也將發(fā)生突變，由功角變化率計(jì)算出的相應(yīng)滑差頻率也將突變按照要求檢測(cè)的最大滑差頻率，整定規(guī)定時(shí)間內(nèi)功角的最大變化范圍，用以區(qū)分短路與失步。因?yàn)殪o穩(wěn)破壞的過程比較緩慢，相應(yīng)滑差頻率很小，利用功角變化率小于最低滑差時(shí)對(duì)應(yīng)功角的變化率，可以區(qū)分靜穩(wěn)破壞與動(dòng)穩(wěn)失還須區(qū)分由于短路時(shí)間比較長(zhǎng)，導(dǎo)致阻抗軌跡停留在一點(diǎn)不動(dòng)時(shí)的情況通過區(qū)分短路與振蕩的情況后，再利用區(qū)分靜穩(wěn)破壞與動(dòng)穩(wěn)失步的條件就區(qū)分發(fā)電機(jī)加速失步與減速失2.6失步預(yù)測(cè)判據(jù)當(dāng)預(yù)測(cè)的功角值大于預(yù)先整定值時(shí)（通常為180*），則預(yù)測(cè)發(fā)電機(jī)即將失為提高失步預(yù)測(cè)的可靠性，可采取多次表決的方式，在連續(xù)幾次預(yù)測(cè)出失步時(shí)，則判斷為發(fā)電機(jī)即將失步。 預(yù)測(cè)出失步后，發(fā)失步報(bào)警信號(hào)，同時(shí)提供相應(yīng)的繼電器出口，并可與安全自動(dòng)裝置相結(jié)合，通過快關(guān)氣門、電氣制動(dòng)等措施來提高系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性，盡可能避免發(fā)電機(jī)失3失步預(yù)測(cè)的試驗(yàn)結(jié)果利用改進(jìn)后的三阻抗元件失步保護(hù)與預(yù)測(cè)裝置，在動(dòng)模試驗(yàn)機(jī)組上驗(yàn)證了失步保護(hù)的預(yù)測(cè)功能其中發(fā)電機(jī)的主要參數(shù)是：S 36.GQ；變壓器的主要參數(shù)30kVA，Zt=2.們，n=1.1kV/400V；振蕩中心在發(fā)變組外時(shí)，線路參數(shù)是：Zs=16.6，85"；振蕩中心在發(fā)變組內(nèi)時(shí)，線路參數(shù)是：Zs=2.幻，h=85：300ms計(jì)算出功角的變化來預(yù)測(cè)發(fā)電機(jī)是否將要失試驗(yàn)中采用二階曲線預(yù)測(cè)模型，取預(yù)測(cè)時(shí)間為230ms，利用每隔10ms觀測(cè)的12個(gè)數(shù)據(jù)組成歷史數(shù)據(jù)窗，連續(xù)3次預(yù)測(cè)出失步后發(fā)出告警信號(hào)。為及早開始預(yù)測(cè)，試驗(yàn)中采用當(dāng)功角大于一較小值時(shí)啟動(dòng)預(yù)測(cè)針對(duì)振蕩中心在發(fā)變組外與發(fā)變組內(nèi)分別進(jìn)行了試驗(yàn)，限于篇幅此處僅給出振蕩中心在發(fā)變組外的三種試驗(yàn)工況下機(jī)端三相電壓與電流錄波圖，以及失步保護(hù)啟動(dòng)與失步預(yù)測(cè)判據(jù)的動(dòng)作情況。工況可判斷出此種情況1：增加有功輸出使發(fā)電機(jī)的靜穩(wěn)被破壞，保護(hù)在功角為102*時(shí)（見），提前210ms預(yù)測(cè)出發(fā)電機(jī)將要失步；工況2機(jī)端發(fā)生三相短路，故障被清除后護(hù)在功角為84*時(shí)（見），提前200ms發(fā)出失步報(bào)警故障后穩(wěn)定故障后失步當(dāng)振蕩中心在發(fā)電機(jī)組內(nèi)時(shí)，試驗(yàn)發(fā)電機(jī)失步很快，導(dǎo)致預(yù)測(cè)量較小。因?yàn)樵囼?yàn)中功角的計(jì)算都采用發(fā)電機(jī)暫態(tài)電抗，所以當(dāng)發(fā)電機(jī)靜穩(wěn)失步時(shí)，雖然能夠反應(yīng)功角變化的趨勢(shì)，但功角的計(jì)算值偏小。 試驗(yàn)過程中，改進(jìn)的保護(hù)方案能夠正確地預(yù)測(cè)出發(fā)電機(jī)的失步情況，失步預(yù)測(cè)的時(shí)間提前量將為抑制失保持發(fā)電機(jī)穩(wěn)定提供可能4結(jié)論本文對(duì)三阻抗元件失步保護(hù)原理存在的不足進(jìn)行了分析，提出了改進(jìn)方案根據(jù)發(fā)電機(jī)失步過程的特征增設(shè)了多重啟動(dòng)判據(jù)，能夠區(qū)分故障與振蕩，靜穩(wěn)破壞與動(dòng)穩(wěn)失步等運(yùn)行情況，提高了失步保護(hù)啟動(dòng)的可靠性通過對(duì)失步保護(hù)動(dòng)作特性的改進(jìn)，使保護(hù)能夠根據(jù)滑差頻率大小自適應(yīng)調(diào)節(jié)失步保護(hù)的啟動(dòng)角。引入功角的計(jì)算與預(yù)測(cè)，使三阻抗失步保護(hù)裝置增加了失步預(yù)測(cè)功能，可以提高發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了改進(jìn)后原理的失步預(yù)測(cè)功能致謝：試驗(yàn)過程中得到了許繼集團(tuán)有限公司電力系統(tǒng)動(dòng)模試驗(yàn)室俞鏞偉高級(jí)工程師的幫助，在此表示感謝。
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