電力系統(tǒng)微機(jī)保護(hù)中低頻減載誤動問題的探究

嚴(yán)紅洲

摘 要：電力系統(tǒng)中的微機(jī)保護(hù)是當(dāng)前的主流模式。對于中性點不接地系統(tǒng)，微機(jī)保護(hù)的低頻減載功能非常重要，它是在電力系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)出力不足的情況下，保證用戶的重要負(fù)荷正常工作的主要手段。實際運行時，在不接地系統(tǒng)中由于電力系統(tǒng)偶爾會出現(xiàn)單相接地的情況，此時會導(dǎo)致低頻減載誤動，從而非預(yù)期將不重要負(fù)荷誤切除，擴(kuò)大了事故的停電范圍以及非預(yù)期停電的影響，降低了供電的可靠性。文章根據(jù)實際運行經(jīng)驗，提出了當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地時采用頻率滑差閉鎖低頻減載功能的方案，并著重討論了頻率滑差的算法及實現(xiàn)過程。

關(guān)鍵詞：低頻減載;滑差;微機(jī)保護(hù)

中圖分類號：TM774 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1064（2021）12-0-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.12.015

電力系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置發(fā)展到微機(jī)繼電保護(hù)裝置，已有二十五年左右的時間。在這一過程中，微機(jī)繼電保護(hù)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，從最初的單一功能擴(kuò)展到現(xiàn)在的綜合功能，從最初的固定式結(jié)構(gòu)發(fā)展到現(xiàn)在的背插式結(jié)構(gòu)，從最初的單一的RS485串口通信發(fā)展到現(xiàn)在的多個以太網(wǎng)、PROFISBUS—DP口、CAN口、光纖、無線等，從最初的支持各個企業(yè)的私有協(xié)議發(fā)展到現(xiàn)在的支持PROFIS—DP協(xié)議、MODBUS、IEC61850、IEC103、IEC104、IEC101等協(xié)議，從最初的不帶故障錄播發(fā)展到現(xiàn)在的可以在線顯示故障錄播以及支持標(biāo)準(zhǔn)的COMTRADE錄播格式，從最初的保護(hù)功能的簡單邏輯發(fā)展到現(xiàn)在帶多種閉鎖邏輯的復(fù)雜保護(hù)功能[1]。低頻減載就是其中一個典型例子。

早期的低頻減載功能是：當(dāng)電力系統(tǒng)用戶的負(fù)荷比較大，為保證重要負(fù)荷，采用判斷頻率低于整定定值的情況下，將不重要的負(fù)荷切除，即跳開不重要負(fù)荷對應(yīng)的斷路器。低頻減載功能最基本的邏輯是當(dāng)系統(tǒng)的頻率低于設(shè)定的定值且達(dá)到設(shè)定的時間后跳開不重要負(fù)荷回路對應(yīng)的斷路器，而這個功能可以正確可靠地動作，僅僅依靠這個基本邏輯是不夠。

1 低頻減載的誤動問題

微機(jī)保護(hù)的頻率測量有硬件和軟件兩種模式，文章采用了軟件計算的模式。

軟件頻率測量的對象是系統(tǒng)的A相電壓的頻率，計算的方式就是統(tǒng)計電壓的波形超過某一個值之間的計數(shù)值及間隔時間，并采用這個計數(shù)值除以間隔時間，從而得到實際電力系統(tǒng)的頻率。電力系統(tǒng)中110 kV系統(tǒng)和0.4 kV系統(tǒng)的中性點是直接接地系統(tǒng)，而35 kV、10 kV系統(tǒng)是中性點不接地系統(tǒng)。中性點直接接地系統(tǒng)在發(fā)生系統(tǒng)單相接地時，要直接跳閘，而中性點不接地系統(tǒng)在系統(tǒng)發(fā)生單相接地時可以持續(xù)運行一段時間[2]。

現(xiàn)場實際運行中，當(dāng)用戶投入低頻減載功能后，不接地系統(tǒng)的B相或者C相接地，此時微機(jī)保護(hù)測到的頻率不會變化，還是正常頻率50 Hz左右，因此，低頻減載不會不動作，即不會跳開用戶不重要負(fù)荷對應(yīng)回路的斷路器。當(dāng)系統(tǒng)A相接地時，系統(tǒng)的頻率雖然沒有變化，也可以正常運行1小時～2小時，但微機(jī)保護(hù)檢測到系統(tǒng)的頻率低于設(shè)定的定值，且保持時間達(dá)到了設(shè)定時間，低頻減載保護(hù)動作，跳開了斷路器。這是一個誤動作，因?qū)嶋H系統(tǒng)的頻率并沒有發(fā)生變化，還是50 Hz左右，不能因為系統(tǒng)A相接地而將次要負(fù)荷切除;況且此時系統(tǒng)僅僅是A相電壓變?yōu)?，B相電壓和C相電壓變高，但系統(tǒng)的三個線電壓Uab、Ubc、Uca的幅值和角度是沒有變化，電力系統(tǒng)在這種情況是可以正常運行的，僅僅需要微機(jī)保護(hù)對外發(fā)出一個接地的告警信息，告知系統(tǒng)維護(hù)人員有接地故障，讓系統(tǒng)維護(hù)人員盡快處理。一個誤動作對于微機(jī)保護(hù)是致命的，微機(jī)保護(hù)的一個重要的特性就是準(zhǔn)確動作，即該動作時要動作，不該動作絕對不能動作。當(dāng)一個保護(hù)誤動作時，作為微機(jī)保護(hù)的生產(chǎn)企業(yè)需要盡快處理找到實質(zhì)性的原因，并解決掉，否則會給用戶造成更大的損失，同時給生產(chǎn)微機(jī)保護(hù)的企業(yè)帶來信譽(yù)的損壞和用戶對該企業(yè)的信任危機(jī)。

2 誤動問題的分析

當(dāng)系統(tǒng)A相接地時，雖然此時電力系統(tǒng)的頻率沒有變化，但是此時系統(tǒng)的A相電壓的波形發(fā)生了畸變，A相電壓的幅值很快有正常值降低到一個接近0的值，在這個降低的過程中導(dǎo)致微機(jī)保護(hù)測到的頻率降低，使低頻減載功能誤動作，跳開不重要負(fù)荷回路對應(yīng)的斷路器，將不重要負(fù)荷從系統(tǒng)中切除了。由于A相電壓的波形發(fā)生了變化，不再是50 Hz的正弦波，根據(jù)頻率測量的算法，在此種情況下是無法保證能測量到正確的系統(tǒng)頻率，這是采用頻率算法的先天性缺點，只能選擇其他方式補(bǔ)救。

為此，要增加頻率滑差功能，閉鎖低頻減載功能。頻率滑差就是頻率在單位時間內(nèi)的變化率df/dt，單位為Hz/s，就是判斷1秒鐘內(nèi)頻率變化的大小。如果滑差的定值為5 Hz/s時，則當(dāng)滑差大于5 Hz/s時，閉鎖低頻減載保護(hù);頻率正常時開放低頻減載保護(hù)。

3 誤動問題的解決

低頻減載功能的頻率滑差保護(hù)邏輯是比較容易實現(xiàn)的，就是判斷滑差的值是否大于整定的定值。如果大于整定的定值，就將閉鎖低頻減載功能的標(biāo)志位置1;當(dāng)?shù)皖l減載這個功能運行時，會自動判斷這個標(biāo)志，如果這個標(biāo)志位1，則閉鎖低頻減載保護(hù)。此處需要注意，不能當(dāng)滑差值小于滑差定值將這個標(biāo)志置為0，因為當(dāng)系統(tǒng)A相接地時，微機(jī)保護(hù)測到的系統(tǒng)頻率變化的時間很短，這個時間肯定小于低頻減載保護(hù)的時間定值。如果將這個標(biāo)志清零，則滑差無法閉鎖低頻減載功能，應(yīng)該采用的方式當(dāng)頻率正常時將這個標(biāo)志清為0。

根據(jù)滑差的定義1秒內(nèi)頻率的變化率，給出了滑差的算法是采用5個連續(xù)的間隔200 ms的5組頻率值的差的和作為實際滑差值。此算法的原理是利用5個200 ms的間隔時間組成一個1 s的值，并將這5個200 ms的間隔時間內(nèi)頻率變化值相加，正好是1 s頻率變化的值。具體公式如下：

df/dt=f10-f0+f11-f1+f12-f2+f13-f3+f14-f4? ? （1）

注：f0～f14為微機(jī)保護(hù)測試到具體頻率值;f14到f13的間隔時間為20 ms，f2到f12的間隔時間為200 ms。

滑差實現(xiàn)的過程：在程序開始運行，定時器中斷后，進(jìn)入模擬量采樣中斷，當(dāng)檢測到有上升沿來時開始計算頻率f，并將頻率f存儲下來，然后，按照公式（1）計算頻率滑差，流程圖如圖1所示。

該算法的驗證需要繼電保護(hù)測試，當(dāng)然如果有數(shù)字仿真系統(tǒng)是最好的，但我們采用了繼電保護(hù)測試同樣可以模擬現(xiàn)場系統(tǒng)頻率單相接地的情況。繼電保護(hù)測試儀是專門應(yīng)用與微機(jī)保護(hù)的測試裝置，它可以輸出電壓、電流，并可以輸出不同頻率的電壓電流，同時可以測試保護(hù)邏輯的動作時間和動作值。測試動作值時要采用逐步逼近保護(hù)動作值的方式，且步長要盡量短。測試保護(hù)動作時間時，一個變化步長的時間一定要大于保護(hù)的動作時間，否則會導(dǎo)致測試的動作不對或者超差。這個測試儀還有一個專門用于測試低頻減載功能的模塊，該模塊可以測試滑差的閉鎖值和滑差的精度。

本研究將繼電保護(hù)專業(yè)測試儀輸出的三相電壓加到微機(jī)保護(hù)的A＼B＼C＼N的端子。經(jīng)過繼電保護(hù)測試儀的頻率測試模塊中的滑差閉鎖模塊的測試，采用此算法計算的滑差的精度可以達(dá)到±0.5 Hz/s。由于沒有電力系統(tǒng)仿真系統(tǒng)，導(dǎo)致模擬現(xiàn)場A相直接接地比較麻煩。經(jīng)過采用多種方法實驗比較，最終采用了在測試儀保持電壓輸出的情況下快速斷開A相電壓，模擬系統(tǒng)頻率的消失。這種快速斷開A相電壓的過程與不接地系統(tǒng)A相直接接地的過程非常相似，當(dāng)快速斷開A相電壓時，微機(jī)保護(hù)測到的A相電壓的波形也發(fā)生了變化。在此過程中，微機(jī)保護(hù)測到的頻率也會降低，且滑差值很大。經(jīng)過多次測試，發(fā)現(xiàn)微機(jī)保護(hù)的低頻減載功能可以被閉鎖。同時，當(dāng)系統(tǒng)的頻率緩慢降低時，低頻減載也可以正確動作。這就說明增加滑差閉鎖的方案可以解決不接地系統(tǒng)單相直接接地時低頻減載誤動問題[3]。

但是在后來的現(xiàn)場實際使用中再次出現(xiàn)了低頻減載功能誤動情況，根據(jù)現(xiàn)場返回的故障錄波，可以判斷系統(tǒng)的A相并非一次性直接接地，而是發(fā)生了間歇性電弧接地，與此前的現(xiàn)象不一致。

間歇性電弧接地：在中性點不接系統(tǒng)中，當(dāng)三相電壓中發(fā)生一相接地短路故障時，經(jīng)常有電弧出現(xiàn)，由于電力系統(tǒng)中存在電感、電容，此時有可能會導(dǎo)致線路某一部分的發(fā)生振蕩，當(dāng)振蕩點在工頻零點時，電弧會暫時熄滅，由于接地相電壓會再次升高，電弧則會重燃，其危害是非常容易引起系統(tǒng)諧振產(chǎn)生過電壓和接地過電壓，導(dǎo)致設(shè)備絕緣損壞。

經(jīng)過對現(xiàn)場返回故障錄波和低頻減載功能邏輯仔細(xì)分析研究，發(fā)現(xiàn)是由于滑差閉鎖在系統(tǒng)間歇性接地的情況下沒有將低頻減載功能閉鎖，從而開放低頻減載功能，導(dǎo)致低頻減載功能誤動。而導(dǎo)致沒有閉鎖的原因就是滑差計算值不準(zhǔn)確、不及時造成的[4]。

上面的算法存在以下問題：第一，最終滑差的精度不夠，需要達(dá)到0.1 Hz/s。第二，滑差計算值得范圍太小實際只有±20 Hz/s，最大需要達(dá)到200 Hz/s。第三，錯誤地認(rèn)為兩次頻率值得間隔為20 ms。這個20 ms是當(dāng)系統(tǒng)未發(fā)生故障時兩次頻率值之間的間隔時間，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生A相接地時，兩個頻率值之間的間隔時間是實時變化的，不會是一個固定值;同樣的道理f10～f0的間隔時間肯定也不是200 ms，這個算法從原理上說有一定的問題。第四，滑差本身是反映頻率的變化率的，但系統(tǒng)間歇性接地情況下，頻率是在很短的時間內(nèi)快速變化的，而公式（1）上面滑差最大只能反映200 ms以上的變化，在200 ms以內(nèi)的變化根本無法快速反映。系統(tǒng)間歇性接地時，接地相的電壓波形快速地在零點上下波動，且在零點上和零點下的時間很不穩(wěn)定。這就導(dǎo)致微機(jī)保護(hù)測量系統(tǒng)的頻率變化出現(xiàn)異常，頻率滑差值在上述計算方法下無法快速跟隨和反應(yīng)頻率的變化，導(dǎo)致低頻減載功能誤動的直接原因。

為解決低頻減載功能在系統(tǒng)間歇性接地的情況下，低頻減載誤動的現(xiàn)象，將滑差的算法做了改進(jìn)，將頻率變化的頻率值縮短到連續(xù)的4個，并根據(jù)最近的3個頻率值計算實際的頻率采用的間隔，這個間隔是變化的，公式（1）的算法是固定的200 ms。如果頻率是正常的50 Hz，則實際的頻率采樣的間隔是20 ms，4個頻率值采樣的總時間為60 ms;而現(xiàn)在由于頻率值是變化，則新的算法充分考慮到這一點了。新算法的原理就是采用在3個周波內(nèi)部的頻率變化值除以3個周波的時間，將滑差值的范圍擴(kuò)大到250 Hz/s。通過這種方式，可以提升滑差的反應(yīng)的速度，提升滑差的精度和測量范圍。

改進(jìn)后的滑差的算法如下：

df/dt= （2）

考慮到單片機(jī)計算除法比較慢，所以變換了公式（2），變換后的算法如下：

df/dt= （3）

經(jīng)過繼電保護(hù)測試儀的測試，此時，df/dt的誤差可以達(dá)到0.1 Hz/s。為了更好地模擬間隙性接地的現(xiàn)象，本研究采用將微機(jī)保護(hù)的電壓輸入線與測試儀的電壓輸出線快速的摩擦滑過。當(dāng)兩根導(dǎo)線快速摩擦?xí)r，就是這兩根導(dǎo)線時而接觸時而不接觸，對于微機(jī)保護(hù)來說，就是電壓時有時無時高時低，與間歇性接地非常相似。經(jīng)過20次～30次實驗后，可以復(fù)現(xiàn)現(xiàn)場低頻減載誤動的現(xiàn)象。采用公式（3）的算法后，連續(xù)做了50次實驗，均沒有出現(xiàn)誤動的情況;且采用公式（3）的算法，微機(jī)保護(hù)完美地通過了企業(yè)外部數(shù)字仿真系統(tǒng)模擬的單相接地的情況，在后續(xù)現(xiàn)場的實際使用也沒有出現(xiàn)由于系統(tǒng)單相接地導(dǎo)致低頻減載誤動的情況[5]。

為防止低頻減載保護(hù)的誤動，研究還增加了頻率門檻閉鎖、低壓閉鎖、無流閉鎖、斷路器位置閉鎖。

頻率門檻閉鎖邏輯是當(dāng)頻率低于40 Hz置低頻減載閉鎖標(biāo)志位為1，其是為了防止系統(tǒng)頻率小于40 Hz導(dǎo)致低頻減載動作，因為如果頻率小于40 Hz，說明電力系統(tǒng)已經(jīng)處于異常情況了，此時這種故障就不應(yīng)該由低頻減載處理。

低壓閉鎖邏輯就是系統(tǒng)的線電壓低于“低壓定值”時置閉鎖標(biāo)志位為1，其是為了防止發(fā)生短路故障引起頻率異常導(dǎo)致的誤動，因當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，故障相對應(yīng)的電壓會降低，而正常低頻減載時系統(tǒng)電壓是正常的。

無流閉鎖邏輯就是當(dāng)系統(tǒng)的電流小于“無流定值”時置閉鎖標(biāo)志位為1，其是為了防止系統(tǒng)在沒有負(fù)荷的情況下誤動，因正常低頻減載時系統(tǒng)肯定是有負(fù)荷的，是有電流的，如果沒有電流就不存在減負(fù)荷的說法了。

斷路器位置分閉鎖邏輯就是當(dāng)非重要負(fù)荷回路對應(yīng)的斷路器位置分時置閉鎖標(biāo)志位為1，其是為了防止斷路器在分位時低頻減載動作，因斷路器在分位，低頻減載動作沒有任何意義，只能認(rèn)定為誤動作。

4 結(jié)語

文章詳細(xì)說明采用滑差閉鎖低頻減載功能中頻率滑差計算的過程和詳細(xì)的算法，以及解決方案，提出了具體驗證方法，希望為提高微機(jī)保護(hù)的動作正確率、提高電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量貢獻(xiàn)力量。

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