CN103107523A - 阻塞滤波器失谐故障的继电保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种阻塞滤波器失谐故障的继电保护方法，步骤是：继电保护装置对SBF中的每一组并联电抗器和电容器的电流进行采样，对流入整个SBF的电流进行采样；经过全周波傅立叶数值滤波算法，计算得到各电抗器电流和电容器电流的幅值，计算得到流入SBF的电流的幅值；计算各组并联电抗器电流幅值与电容器电流幅值的比率；当流入SBF的电流幅值足够大时，如果电流比率超出预先整定的范围，经延时发出报警信号或跳闸信号及输出跳闸继电器空接点。此方法只需要测量阻塞滤波器的各电抗器与电容器电流以及流入阻塞滤波器的电流，接线简单；全周波的傅氏算法只反映电气量当中的工频分量；方法简单可靠。

Description

阻塞滤波器失谐故障的继电保护方法

技术领域

本发明属于电力***领域，特别涉及一种阻塞滤波器失谐故障的继电保护方法。

背景技术

对于长距离输电并在输电线路中配置串联电容补偿等设备的输电模式，当参数不当时，可能发生发电机组的次同步振荡现象，严重时可能会损伤发电机组大轴，造成大轴扭伤。为抑制次同步振荡，有多种技术手段，其中有一种技术手段是在主变压器高压侧安装阻塞滤波器，增大电力输电网络的次同步阻尼，防止并抑制次同步振荡的发生。

比如，我国内蒙古大唐托克托电厂，装机容量为8×600MW，经托源四回线输送至浑源变电站，再经源安双回线、源霸双回线向京津唐电网送电。在浑源变电站的线路上安装了8套固定电容串补。发电机主变压器的高压侧装设了静态阻塞滤波器（SBF），SBF是由一组电感、电容相互串并联的电路。

为有效抑制特定频率的次同步振荡，SBF中的电容器、电抗器的参数必须准确。SBF在运行过种中，电容器可能出现熔断器断开、电容器击穿等故障，也有可能出现电抗器匝间故障，这些故障将导致并联的电容器与电抗器谐振频率发生偏离、失准，即出现失谐故障，从而使SBF失去抑制特定频率的次同步振荡的功能。为此，需要给SBF配置失谐保护。

目前国内发电厂的发电机组很少安装SBF，对SBF如何进行失谐保护也没有明确的技术规程进行指导，本发明正是基于目前的技术空缺而提出。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种阻塞滤波器失谐故障的继电保护方法，其只需要测量阻塞滤波器的各电抗器与电容器电流以及流入阻塞滤波器的电流，接线简单；全周波的傅氏算法只反映电气量当中的工频分量；方法简单可靠。

为了达成上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种阻塞滤波器失谐故障的继电保护方法，包括如下步骤：

（1）继电保护装置对SBF中的每一组并联电抗器和电容器的电流进行采样，对流入整个SBF的电流进行采样；

（2）经过全周波傅立叶数值滤波算法，计算得到各电抗器电流和电容器电流的幅值，计算得到流入SBF的电流的幅值；

（3）计算各组并联电抗器电流幅值与电容器电流幅值的比率；

（4）当流入SBF的电流幅值足够大时，如果电流比率超出预先整定的范围，经延时发出报警信号或跳闸信号及输出跳闸继电器空接点。

上述步骤（1）的详细内容是：继电保护装置对SBF中的每一组并联电抗器和电容器的电流进行采样，得到电抗器电流i_L，j和电容器电流i_C，j，j=1,2,3，共3组；继电保护装置对流入整个SBF的电流进行采样，得到阻塞滤波器电流i_SBF。继电保护装置只接入电流量，接线简单。

上述步骤（2）的详细内容是：采用全周波傅立叶数值滤波算法，计算各电流的幅值序列，采用的公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{m,j}\left(n\right)=\sqrt{a_{m,j}^2\left(n\right)+b_{m,j}^2\left(n\right)}\\ a_{m,j}\left(n\right)=\frac{2}{N}\left[\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{i}_{m,j}\left(k\right)\cos (k\·\frac{2\mathrm{\π}}{N})\right]\\ b_{m,j}\left(n\right)=\frac{2}{N}\left[\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{i}_{m,j}\left(k\right)\sin (k\·\frac{2\mathrm{\π}}{N})\right]\end{array}\right.,m=L,C;j=\mathrm{1,2,3}$

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{SBF}}\left(n\right)=\sqrt{a_{\mathrm{SBF}}^2\left(n\right)+b_{\mathrm{SBF}}^2\left(n\right)}\\ a_{\mathrm{SBF}}\left(n\right)=\frac{2}{N}\left[\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{i}_{\mathrm{SBF}}\left(k\right)\cos (k\·\frac{2\mathrm{\π}}{N})\right]\\ b_{\mathrm{SBF}}\left(n\right)=\frac{2}{N}\left[\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{i}_{\mathrm{SBF}}\left(k\right)\sin (k\·\frac{2\mathrm{\π}}{N})\right]\end{array}\right.$

其中，I_L,j表示第j组电抗器电流幅值，I_C,j表示第j组电容器电流幅值，下标j表示是第j组并联的电抗电容滤波器，I_SBF表示流入SBF的电流，N为傅氏滤波计算时的数据窗长度。傅氏算法只反映电流的工频分量，计算简单。

上述步骤（3）的详细内容是：计算各组并联电抗器电流幅值与电容器电流幅值的比率序列，采用的公式为：

$R_j\left(n\right)=\frac{I_{L,j}\left(n\right)}{\max \{I_{C,j}\left(n\right),\mathrm{\ϵ}\}},j=\mathrm{1,2,3}$

其中，R_j表示第j组并联电抗器电流幅值与电容器电流幅值的比率，ε是继电保护装置的一个小值门槛，防止除数为0。

上述ε的取值范围是电容器电流互感器额定二次值幅值的0.5%～2%。

上述步骤（4）中，判断流入SBF的电流幅值的保护判据是：

I_SBF(n)>I_set且[R_j(n)>R_j,set,max或R_j(n)<R_j,set.min] j=1,2,3    式4

其中，I_set是阻塞滤波器电流开放定值，R_j.set.max是第j组并联电抗电容滤波器的电流比率保护定值上限，R_j.set.min是第j组并联电抗电容滤波器的电流比率保护定值下限；所述保护判据中，第j组的条件满足时，第j组开始计时，当第j组失谐保护的计时超过时间定值t_j时，继电保护装置发出相应的报警信号或跳闸信号，以及输出跳闸继电器空接点用于保护跳闸；如果所述保护判据中第j组的条件不满足，第j组计时器瞬时返回变为0。

上述阻塞滤波器电流开放定值I_set的计算方法是：按主变压器的额定电流，计算流入SBF的电流二次值的幅值，取该幅值的10%～40%整定I_set。

上述R_j.set.max和R_j.set.min的计算方法是：按并联的电抗参数、电容参数以及电流互感器的变比，计算正常运行时I_L,j(n)与I_C,j(n)的比率R_j,nrml，取比率p%，p取值范围10～30，按R_j,nrml下降p%整定R_j.set.min，按R_j,nrml上升p%整定R_j.set.max。

上述时间定值t_j的取值范围是5～20s。

采用上述方案后，本发明采用全周波傅氏算法可以准确计算各个电流信号的幅值，通过计算各并联电抗器与电容器电流的比率，判别比率是否在合理的范围内，从而判别出电抗器参数或电容器参数是否发生明显改变，判别电流比率超出范围后，经过预先设定的保护延时，发出相应的报警信号或跳闸信号，以及输出跳闸继电器空接点用于保护跳闸。保护装置只需要测量阻塞滤波器的各电抗器与电容器电流以及流入阻塞滤波器的电流，接线简单；全周波的傅氏算法只反映电气量当中的工频分量，方法简单可靠。

附图说明

图1是发电机、主变压器及阻塞滤波器的电路示意图；

图1中：

a.发电机。

b.主变压器。

c.A相阻塞滤波器。B相、C相阻塞滤波器与A相阻塞滤波器的电路相同。

图2是A相阻塞滤波器内部电路及电流互感器接线示意图；

图2中：

PSW1是旁路开关，L0为0阶电抗器，C1、L1为第1组并联电容器和电抗器，C2、L2为第2组并联电容器和电抗器，C3、L3为第3组并联电容器和电抗器，CT_C1是C1的电流互感器，CT_L1是L1的电流互感器，CT_SBF是整个阻塞滤波器的电流互感器。图中省略了C2、L2、C3、L3的电流互感器，未画出。

图3是本发明的保护逻辑图。

图3中：

h、i.式4中的电流比率判据逻辑元件，条件满足时输出1，否则输出0。

j.式4中的电流判据逻辑元件，条件满足时输出1，否则输出0。

d.“或”门操作逻辑。

e.“与”门操作逻辑。

f.定时限延时逻辑，当输入由0变1时，计时器开始计时，延时达到tj时，逻辑输出1，当输入为0不变或由1变为0时，输出为0。

g.保护报警或跳闸结果输出。

具体实施方式

以下将结合附图及具体实施例，对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明提供一种阻塞滤波器失谐故障的继电保护方法，包括如下步骤：

（1）继电保护装置对阻塞滤波器（SBF）中的每一组并联电抗器和电容器的电流进行采样，对流入整个SBF的电流进行采样；

（2）经过全周波傅立叶数值滤波算法，计算得到各电抗器电流和电容器电流的幅值，计算得到流入SBF的电流的幅值；

（3）计算各组并联电抗器电流幅值与电容器电流幅值的比率；

（4）当流入SBF的电流幅值足够大时，如果电流比率超出预先整定的范围，经延时发出报警信号或跳闸信号及输出跳闸继电器空接点。

下面结合某电厂一台600MW发电机组阻塞滤波器的具体情况，并结合附图，说明本发明的具体实施方法。

该发电机额定功率为600MW，额定电压22kV，额定功率因数0.9。主变压器额定容量750MVA，额定电压变比500kV/22kV，Yd-11接线方式，短路阻抗13.5%。如图1所示，主变高压侧中性点打开，串接三相静态阻塞滤波器SBF之后接地，SBF由电感和电容相互串并联而成。电路拓扑如图2所示。SBF的基本参数如下：

L0的阻抗Z_L0=28.25Ω，第1组并联电抗器L1的阻抗Z_L1=9.457Ω，第1组并联电容器C1的容抗X_C1=5.272Ω，第2组并联电抗器L2的阻抗Z_L2=39.578Ω，第2组并联电容器C2的容抗X_C2=9.326Ω，第3组并联电抗器L3的阻抗Z_L3=20.054Ω，第3组并联电容器C3的容抗X_C3=3.368Ω，电流互感器CT_L1的电流变比为n_CT,L1=1200A/5A，电流互感器CT_C1的电流变比为n_CT,C1=2500A/5A，电流互感器CT_SBF的电流变比为n_CT,SBF=1000A/5A。以图2中的第1组并联电抗器、电容器为例，说明失谐故障保护的具体实施方法。第2组、第3组的并联电抗器、电容器失谐保护的实施方法与此相同，B相、C相的失谐保护与A相失谐保护的实施方法相同。

A相第1组并联电抗器、电容器失谐保护的具体实施步骤如下：

（1）继电保护装置对SBF中第1组并联电抗器和电容器的电流进行采样，得到电抗器电流i_L,1、电容器电流i_C,1；继电保护装置对流入A相SBF的电流进行采样，得到阻塞滤波器电流i_SBF。默认的采样频率为1200Hz。继电保护装置只接入电流量，接线简单。

（2）对上述电流采用全周波傅立叶数值滤波算法，计算i_L,1、i_C,1、i_SBF的幅值序列I_L,1(n)、I_C,j(n)、I_SBF(n)，结果为：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{m,1}\left(n\right)=\sqrt{a_{m,1}^2\left(n\right)+b_{m,1}^2\left(n\right)}\\ a_{m,1}\left(n\right)=\frac{2}{N}\left[\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{i}_{m,1}\left(k\right)\cos (k\&CenterDot;\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N})\right]\\ b_{m,1}\left(n\right)=\frac{2}{N}\left[\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{i}_{m,1}\left(k\right)\sin (k\&CenterDot;\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N})\right]\end{array}\right.,m=L,C$     式1'

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{SBF}}\left(n\right)=\sqrt{a_{\mathrm{SBF}}^2\left(n\right)+b_{\mathrm{SBF}}^2\left(n\right)}\\ a_{\mathrm{SBF}}\left(n\right)=\frac{2}{N}\left[\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{i}_{\mathrm{SBF}}\left(k\right)\cos (k\&CenterDot;\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N})\right]\\ b_{\mathrm{SBF}}\left(n\right)=\frac{2}{N}\left[\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{i}_{\mathrm{SBF}}\left(k\right)\sin (k\&CenterDot;\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N})\right]\end{array}\right.$     式2

其中，N为傅氏滤波计算时的数据窗长度，默认取值N=24。傅氏算法只反映电流的工频分量，计算简单。

（3）计算第1组电抗器电流幅值I_L,1(n)与电容器电流幅值I_C,1(n)的比率序列R₁(n)，结果为：

$R_1\left(n\right)=\frac{I_{L,1}\left(n\right)}{\max \{I_{C,1}\left(n\right),\mathrm{\&epsiv;}\}}$     式3'

其中，ε是继电保护装置内部程序设定的一个小值门槛，防止除数为0。ε的取值范围是电容器电流互感器额定二次值幅值的0.5%～2%，默认情况下取幅值1%作为ε的默认值。比如，电流互感器CT_C1的二次值有效值为5A，可取5A对应幅值的1%，即0.0707A作为ε的默认值。

（4）对第1组并联电抗器、电容器的失谐保护，采用下面的判据：

I_SBF(n)>I_set且[R₁(n)>R_1,set，max或R₁(n)<R_1,set.min]    式4'

其中，I_set是阻塞滤波器电流开放定值，R_1.set.max是第1组并联电抗电容滤波器的电流比率保护定值上限，R_1.set.min是第1组并联电抗电容滤波器的电流比率保护定值下限。定值整定方法如下：

(a)按主变压器的额定电流，计算流入SBF的电流二次值的幅值，取该幅值的10%～40%整定保护定值I_set。比如取20%进行整定，计算结果为：

$I_{\mathrm{set}}=20\%\&CenterDot;(\sqrt{2}\&CenterDot;\frac{750\mathrm{MVA}}{\sqrt{3}\&CenterDot;500\mathrm{kV}})\&CenterDot;\left(\frac{5A}{1000A}\right)=1.225A$

(b)按并联的电抗参数、电容参数以及电流互感器的变比，计算正常运行时I_L,1(n)与I_C,1(n)的比率R_1,nrml，计算结果为：

$R_{1,\mathrm{nrml}}=\frac{I_{L,1}}{I_{C,1}}=\frac{{I^{\&prime;}}_{L,1}/n_{\mathrm{CT},L1}}{{I^{\&prime;}}_{C,1}/n_{\mathrm{CT},C1}}=\frac{X_{C1}/n_{\mathrm{CT},L1}}{Z_{L1}/n_{\mathrm{CT},C1}}=\frac{5.272\mathrm{\&Omega;}\&CenterDot;5A/1200A}{9.457\mathrm{\&Omega;}\&CenterDot;5A/2500A}=1.161$

取比率p%，p取值范围10～30。按正常运行时的电流比率R_1,nrml下降p%整定R_1.set.min，按R_1,nrml上升p%整定R_1.set.max，比如p=15时，计算结果为：

R_1.set.min=R_1,nrml(1-p%)=1.161×(1-15%)=0.987

R_1.set.max=R_1,nrml(1+p%)=1.161×(1+15%)=1.335

（5）第1组并联电抗器、电容器的失谐保护逻辑判别方法：参照图3，上述式4′的条件满足后，计数器开始计时，当计时超过时间定值t₁时，继电保护装置发出第1组失谐保护的报警信号或跳闸信号，以及输出跳闸继电器空接点用于保护跳闸。上述式4′的条件不满足时，计时器瞬时返回变为0。时间定值按躲过各种区外故障或电网振荡的影响进行整定，时间定值t₁可在5～20s之间取值。

上述方法实现了A相第1组失谐保护。A相第2组、第3组的并联电抗器、电容器失谐保护的实施方法与此相同。B相、C相的失谐保护与A相失谐保护的实施方法相同，不再赘述。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (9)

1.一种阻塞滤波器失谐故障的继电保护方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）继电保护装置对SBF中的每一组并联电抗器和电容器的电流进行采样，对流入整个SBF的电流进行采样；

（2）经过全周波傅立叶数值滤波算法，计算得到各电抗器电流和电容器电流的幅值，计算得到流入SBF的电流的幅值；

（3）计算各组并联电抗器电流幅值与电容器电流幅值的比率；

（4）当流入SBF的电流幅值足够大时，如果电流比率超出预先整定的范围，经延时发出报警信号或跳闸信号及输出跳闸继电器空接点。

2.如权利要求1所述的阻塞滤波器失谐故障的继电保护方法，其特征在于所述步骤（1）的详细内容是：继电保护装置对SBF中的每一组并联电抗器和电容器的电流进行采样，得到电抗器电流i_L，j和电容器电流i_C，j，j=1,2,3，共3组；继电保护装置对流入整个SBF的电流进行采样，得到阻塞滤波器电流i_SBF。

3.如权利要求2所述的阻塞滤波器失谐故障的继电保护方法，其特征在于所述步骤（2）的详细内容是：采用全周波傅立叶数值滤波算法，计算各电流的幅值序列，采用的公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{m,j}\left(n\right)=\sqrt{a_{m,j}^2\left(n\right)+b_{m,j}^2\left(n\right)}\\ a_{m,j}\left(n\right)=\frac{2}{N}\left[\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{i}_{m,j}\left(k\right)\cos (k\&CenterDot;\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N})\right]\\ b_{m,j}\left(n\right)=\frac{2}{N}\left[\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{i}_{m,j}\left(k\right)\sin (k\&CenterDot;\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N})\right]\end{array}\right.,m=L,C;j=\mathrm{1,2,3}$

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{SBF}}\left(n\right)=\sqrt{a_{\mathrm{SBF}}^2\left(n\right)+b_{\mathrm{SBF}}^2\left(n\right)}\\ a_{\mathrm{SBF}}\left(n\right)=\frac{2}{N}\left[\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{i}_{\mathrm{SBF}}\left(k\right)\cos (k\&CenterDot;\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N})\right]\\ b_{\mathrm{SBF}}\left(n\right)=\frac{2}{N}\left[\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{i}_{\mathrm{SBF}}\left(k\right)\sin (k\&CenterDot;\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N})\right]\end{array}\right.$

其中，I_L,j表示第j组电抗器电流幅值，I_C,j表示第j组电容器电流幅值，下标j表示是第j组并联的电抗电容滤波器，I_SBF表示流入SBF的电流，N为傅氏滤波计算时的数据窗长度。

4.如权利要求3所述的阻塞滤波器失谐故障的继电保护方法，其特征在于所述步骤（3）的详细内容是：计算各组并联电抗器电流幅值与电容器电流幅值的比率序列，采用的公式为：

$R_j\left(n\right)=\frac{I_{L,j}\left(n\right)}{\max \{I_{C,j}\left(n\right),\mathrm{\&epsiv;}\}},j=\mathrm{1,2,3}$

其中，R_j表示第j组并联电抗器电流幅值与电容器电流幅值的比率，ε是继电保护装置的一个小值门槛，防止除数为0。

5.如权利要求4所述的阻塞滤波器失谐故障的继电保护方法，其特征在于：所述ε的取值范围是电容器电流互感器额定二次值幅值的0.5%～2%。

6.如权利要求4所述的阻塞滤波器失谐故障的继电保护方法，其特征在于所述步骤（4）中，判断流入SBF的电流幅值的保护判据是：

I_SBF(n)>I_set且[R_j(n)>R_j,set,max或R_j(n)<R_j,set.min] j=1,2,3    式4

其中，I_set是阻塞滤波器电流开放定值，R_j.set.max是第j组并联电抗电容滤波器的电流比率保护定值上限，R_j.set.min是第j组并联电抗电容滤波器的电流比率保护定值下限；所述保护判据中，第j组的条件满足时，第j组开始计时，当第j组失谐保护的计时超过时间定值t_j时，继电保护装置发出相应的报警信号或跳闸信号，以及输出跳闸继电器空接点用于保护跳闸；如果所述保护判据中第j组的条件不满足，第j组计时器瞬时返回变为0。

7.如权利要求6所述的阻塞滤波器失谐故障的继电保护方法，其特征在于所述阻塞滤波器电流开放定值I_set的计算方法是：按主变压器的额定电流，计算流入SBF的电流二次值的幅值，取该幅值的10%～40%整定I_set。

8.如权利要求6所述的阻塞滤波器失谐故障的继电保护方法，其特征在于所述R_j.set.max和R_j.set.min的计算方法是：按并联的电抗参数、电容参数以及电流互感器的变比，计算正常运行时I_L,j(n)与I_C,j(n)的比率R_j,nrml，取比率p%，p取值范围10～30，按R_j,nrml下降p%整定R_j.set.min，按R_j,nrml上升p%整定R_j.set.max。

9.如权利要求6所述的阻塞滤波器失谐故障的继电保护方法，其特征在于：所述时间定值t_j的取值范围是5～20s。

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