不接地系统中分散式低频减载装置的应用反思

摘要：本文通过一起不接地系统中低频保护动作的实际案例，重点分析基于傅里叶变换的微机低频保护动作的一些特性，从而指出在微机软件测频是有局限性的。 关键词：低频保护；傅里叶变换 1 引言 低频保护是防止电力系统发生频率崩溃这种系统性事故的保护。当电力系统发生严重的有功功率缺额时，将会造成系统频率的严重下降，甚至可能造成电压崩溃，导致系统瓦解。低频保护的任务是当频率下降时迅速断开相应数量的用户负荷，使系统频率维持不低于某一个允许值，在这点上达到有功功率的平衡，防止事故的扩大。变电站中低频保护的实现方式有二种：一是把低频保护分散在每条馈线的保护装置中；二是采用集中的低频减载装置，将馈线分为几类，根据频率的下降情况来切除不同类别的线路。 2 事故情况概述 2016年5月11日，我区所辖110kV某变电站35kV 馈线3513长池线低频保护（保护为南瑞科技NSR600RF系列产品）动作，开关跳闸。 2.1 现场检查情况 2.1.1现场检查3513长池线“I轮低频减载”保护动作，动作值为45.52Hz。检查同母线3513长池线、3515长共线均投入低频保护，两台装置低频保护定值相同，其低周减载频率定值49Hz，滑差闭锁滑差定值5Hz/S 2.1.2录波分析，录波器采集波形显示，当低频保护动作时110kV电压波形正常，其波形频率为正常频率，即50Hz;检查发现在3513长池线低频保护动作前340mS左右，35kV系统A相电压下降，综自系统打出35kV母线接地信号。在此期间，录波器分析软件分析35kV系统电压异常，A相计算频率在45Hz-54Hz之间变化，B、C相电压频率同样较小幅值的变化，同时C相电压一段时间内大于正常接地电压值（录波器采集为120V左右）。当时的故障录波波形如图一所示。波形频率分析（节选其中一点），A相47.252 Hz，B相50.799 Hz,C相50.157 Hz。 图一 现场故障跳闸前后录波图 2.2初步分析 根据现场检查的情况，对比录波器录取波形，初步判断二次回路及保护装置相关设置等正确： 按照说明书所示，滑差闭锁电压为线电压，现场不接地系统其三相线电压均为100V左右，故低电压闭锁无法闭锁低频保护。 同时检查3513长池线、3515长共线保护装置当晚多次打出“低频启动”及“滑差闭锁”信号，这些时间段中录波器录取波形同图一相似。故可以判断3513保护装置当时是具有滑差闭锁功能的。 再次检查录波波形分析，部分时刻C相电压基波有效值大于100V（如图二中所示为125.62V），同时伴随着3次谐波的增大，现场分析35kV系统中存在谐振现象。 2.3 问题的提出 保护动作时110kV电压频率正常，但3台装置（2台保护装置一台录波器，3515长共线装置显示当时“低频启动”，30ms后打出“滑差闭锁”）同时采集到35kV系统电压的频率降低，同时3513长池线 “I轮低频减载”保护出口时“低频启动”却没有被“滑差闭锁”，这让现场工作人员产生疑问。 带着这个疑惑查阅大量的资料后发现，不接地系统中发生低频保护误动作的情况不仅仅此一例，分散式保护装置、集中式保护装置都曾经发生这种情况。文后参考文献2、3就是上述低频保护动作特例的相关论文。综合分析这些低频动作的实例，都表现出一个共同的现象，电压波形发生突变，接地或者发生谐振。 我们使用录波分析软件对于110kV瞬时单相接地的波形进行频率分析时，发现其频率同样存在瞬时采集异常。某瞬时单相接地时电压频率测量A相瞬时48.974Hz，B相50.986Hz，C相52.262Hz。而根据电力系统运行判断，这种情况下，正常相电压频率应当正常，同时系统内三相频率应当是接近甚至完全相同的。 在经过这么多资料的查阅以及现场的录波分析中，我们得出结论：微机保护装置在对电压突变过程中的频率采集不准确。 3 基于傅里叶变换的微机处理方法分析 国内大部分微机保护交流频率的采集原理实质都是基于傅里叶变换的离散信号处理，文中NSR612线路保护首先是将强交流电信号转变为内部弱电信号(额定为3.53V电压信号)，经过抗混叠处理后进入A/D芯片进行模数变换，最终使用改进的FFT算法得到频率。 FFT算法实行的前提是将所采集信号作为周期信号进行分析的。连续周期信号是非时限信号，作DFT处理时需要加窗截断，当截断长度正好是信号周期时，不会产生频谱泄漏，但当截断长度不是信号周期时，则会产生频谱泄漏现象。这就是说在一个分析周期内，如果恰好由于电压波形畸变导致其部分周期出现较大变化，将会导致分析结果的频谱分散在实际连续信号谱线的附近。这就是本文中35kV电压频率会出现在45Hz-54Hz之间变化上下浮动的原因。从录波图中观察，35kV波峰数目是同110kV一致的，只不过波形上下不对称，其实际频率当为50Hz。 同时再次分析3513长池线、3515长共线“滑差闭锁”结果不一致。现场查阅该类型保护装置遥测采样周期为0.625ms，即每个周波内采集32点，频率分辨率为0.01Hz。根据参考文献1，如果要完全满足频率分辨率，根据离散周期信号的采样定理，这么高的频率分辨率需要处理的离散傅里叶变换（DFT）序列长度（即10S内的采样点数）为 而实际装置的数据处理能力以及处理速度不可能达到这样的能力。因此在进行该算法之前，程序中再次对算法进行了精简。虽然在正常频率以及频率渐变的情况下可以采集准确，然而电压波形突变时测量结果并不能真实反映故障量。宏观上各个装置采集同一电压，其电压频率都有上下浮动的趋势，但采样不同步导致在微观上每一次各个装置采集到的频率值并不完全一样，相应的各个装置感受到的变化率便不一致，导致了微机低频保护出口的随机性。 4 防范措施 1，采用集中式低频减载装置，同时使用110kV电压作为判据。保护配合正确的情况下110kV系统接地时接地距离或者零序保护会瞬时动作，一般几十毫秒就可以切除故障。这远大于低频保护出口的时限。另外，可以单独增大集中式低频减载装置的采样频率，提高运算处理能力。这种方式经济性较好。 2，不接地分散式低频保护原理中加入系统谐振或者接地情况的相关判据，在这类情况下闭锁低频保护。可以考虑在微机保护中加入相关硬件测频回路，当二者同时动作时保护方才出口。 4 结语 微机保护采集的模拟量并不一定完全意义上和实际模拟量相同。在经过离散化以及数字化一系列处理之后，微观上和实际量值已经有区别了。这是继电保护工作人员应该有的一个认识。 基于傅里叶变换的频域分析虽然会导致低频保护有可能误动，但这是目前为止最为有效的频率采集方法之一。当然，微机继电保护研发人员对此问题应当进一步研究，以提高继电保护的可靠动作性。 参 考 文 献 [1] 赵光宙，信号分析预处理（第2版），机械工业出版社 [2] 黄立文.电压谐振引起的低周减载动作分析.上海电力2013年第3期:198-202. [3] 陈德生，刘志伟，张敏等 一起低周保护动作的原因分析。自动化应用（电力专刊）2015年第1期：90-91 作者简介： 张政（1988.3），男，大学本科，中级工程师，继电保护方向。 吴育本（1987.11），男，大学本科，中级工程师，继电保护方向。