本发明公开了一种适合于变频电动机的差动保护方法，采用基于频率跟踪的相量差动和采样值差动相结合，两者相“与”后决定是否发出跳闸出口。在变频电动机的机端和中性点分别设置采样点，采集两侧电流的瞬时值，通过电流跟踪频率方式检测电动机的运行频率并实时调整采样频率，保持每周波采样点数不变，然后利用差分半波傅氏计算两侧的电流相量，求出相应的差动电流和制动电流，按照一定的动作特性进行判别，同时增加不受频率变化影响的采样值差动，从而避免频率突变时相量差动产生差流导致误动，提高差动保护的抗干扰能力。
1.一种适合于变频电动机的差动保护方法,其特征在于，其包含以下步骤：
1)在所述变频电动机的机端和中性点分别设置采样点，采集两侧电流的瞬时值，通过电流跟踪频率方式检测电动机的运行频率并实时调整采样频率，以保证所述变频电动机的运行频率变化时每周波采样点数不变；
2)对步骤1)中获得的采样值进行相量计算，求出所述变频电动机两侧的差动电流和制动电流，按照预定的相量差动判定方式判断是否满足动作条件；同时直接用同一时刻所述变频电动机两侧电流的采样值计算出瞬时的差动电流和制动电流，按照预定的采样值差动判定方式判断是否满足动作条件；
3)当相量差动和采样值差动同时满足相应的动作条件时，最后的差动保护动作于跳闸出口，否则跳闸出口不动作；
所述步骤2)中的相量差动判定方式为：将所述变频电动机机端和中性点的电流用差分半波傅氏算法计算各自的基波相量，然后求出两侧电流的相量和作为差动电流、相量差作为制动电流，再根据相量差动判据判断是否满足动作条件；所述差分半波傅氏算法采用递归形式，其表达式如下：其中，i(n)为当前最新采样值，i(n-1)为前一点的采样值，i(n-N/2)为半个周波前的采样值， 为基于当前点的半周波采样值经差分半波傅氏求得的基波电流相量的实部、虚部， 为基于前一点的半周波采样值经差分半波傅氏求得的基波电流相量的实部、虚部，N为一个周波的采样点数。
2.根据权利要求1所述的适合于变频电动机的差动保护方法，其特征在于，所述步骤1)中的电流跟踪频率方式在所述变频电动机的运行频率发生变化时采用过零点检测算法，所述过零点检测算法的实现方式为：选取采样数据中前一点采样值小于零、当前点采样值大于等于零的两个点或前一点采样值大于等于零、当前点采样值小于零的两个点，经过这两个点做一条斜线，确定过零点的准确时刻，计算相邻两个过零点的时间间隔，得到电流信号的半个周期，从而快速跟踪所述变频电动机的运行频率。
3.根据权利要求1所述的适合于变频电动机的差动保护方法，其特征在于，所述步骤1)中的电流跟踪频率方式在所述变频电动机的运行频率稳定时采用傅氏测频算法，所述傅氏测频算法的实现方式为：采用全波傅氏递归计算所述变频电动机机端三相电流的正序分量，在频率发生Δf变化时，则正序电流相量在每个周波会产生2πΔf的相位差，由相位的变化量得到频率的变化量，从而准确测得所述变频电动机的运行频率。
4.根据权利要求1所述的适合于变频电动机的差动保护方法，其特征在于，所述的相量差动判据采用比率制动特性，以躲过电动机启动过程中或正常运行时的不平衡电流，其表达式如下：其中， 为电动机机端电流的基波相量， 为电动机中性点电流的基波相量，Idset为相量差动动作电流门槛，Kset为相量差动比率制动系数。
5.根据权利要求4所述的适合于变频电动机的差动保护方法，其特征在于，所述步骤2)中的采样值差动判定方式为：直接将同一时刻电动机机端和中性点电流的瞬时采样值根据采样值差动判据进行判别，若连续的R个采样点中有S点满足设定的判据，其中R≥S，则采样值差动满足动作条件。
6.根据权利要求5所述的适合于变频电动机的差动保护方法，其特征在于，所述的采样值差动判据采用非线性的制动特性，其表达式如下：其中，im为电动机机端电流的采样值，in为相同时刻电动机中性点电流的采样值，k1为采样值差动制动电流门槛与相量差动动作电流门槛的比例系数，k2为采样值差动比率制动系数。
一种适合于变频电动机的差动保护方法
技术领域
[0001] 本发明涉及在高压变频系统中如何实现变频电动机的差动保护动作逻辑，属于电力系统继电保护领域。
背景技术
[0002] 随着厂网分家、竞价上网等政策的逐步实施，发电厂降低厂用电率势在必行。变频电动机以其优异的调速、起动和制动性能，在发电厂的风机类和泵类负载中得到广泛的应用。对发电厂辅机进行高压变频技术改造，能够实现电动机软启动，减小电动机启动电流，减少对电动机定子绕组绝缘层的冲击和机械磨损。同时，传统的机械节流调节方式经济性较差，将其改为变频调速，能够有效降低厂用电率，提高系统电动机效率。
[0003] 相对于变频改造带来的经济效益，保证辅机设备的安全可靠运行也是发电厂重点关注的问题。不论何种形式的变频器，在运行中均产生不同程度的谐波电压和电流，使电动机在非正弦电压、电流下运行。变频器给电动机带来了谐波以及发热等问题，对设备的长期运行产生一定的影响。传统的电动机差动保护是基于工频设计的，加装变频器后电流频率非50Hz，变频运行时不得不退出差动保护，此时电动机的保护仅依赖于变频器自带的保护功能。根据国家继电保护规程的规定，2MW及以上的电动机均应设差动保护，2MW以下且速断保护灵敏度较低的电动机保护也应装设差动保护。因此，亟需为变频电动机的运行提供快速可靠的差动保护。
发明内容
[0004] 本发明的目的是，提供一种适用于高压变频系统中电动机工频及变频运行时的差动保护方法，该方法具有动作门槛精度高、动作速度快、抗干扰能力强、自适应频率变化等优点。
[0005] 为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：
[0006] 一种适合于变频电动机的差动保护方法,其特征在于，其包含以下步骤：
[0007] 1)在所述变频电动机的机端和中性点分别设置采样点，采集两侧电流的瞬时值，通过电流跟踪频率方式检测电动机的运行频率并实时调整采样频率，以保证所述变频电动机的运行频率变化时每周波采样点数不变；
[0008] 2)对步骤1)中获得的采样值进行相量计算，求出所述变频电动机两侧的差动电流和制动电流，按照预定的相量差动判定方式判断是否满足动作条件；同时直接用同一时刻所述变频电动机两侧电流的采样值计算出瞬时的差动电流和制动电流，按照预定的采样值差动判定方式判断是否满足动作条件；
[0009] 3)当相量差动和采样值差动同时满足相应的动作条件时，最后的差动保护动作于跳闸出口，否则跳闸出口不动作。
[0010] 优选的，所述步骤1)中的电流跟踪频率方式在所述变频电动机的运行频率发生变化时采用过零点检测算法，所述过零点检测算法的实现方式为：选取采样数据中前一点采样值小于零、当前点采样值大于等于零的两个点或前一点采样值大于等于零、当前点采样值小于零的两个点，经过这两个点做一条斜线，确定过零点的准确时刻，计算相邻两个过零点的时间间隔，得到电流信号的半个周期，从而快速跟踪所述变频电动机的运行频率。
[0011] 优选的，所述步骤1)中的电流跟踪频率方式在所述变频电动机的运行频率稳定时采用傅氏测频算法，所述傅氏测频算法的实现方式为：采用全波傅氏递归计算所述变频电动机机端三相电流的正序分量，在频率发生Δf变化时，则正序电流相量在每个周波会产生2πΔf的相位差，由相位的变化量得到频率的变化量，从而准确测得所述变频电动机的运行频率。
[0012] 优选的，所述步骤2)中的相量差动判定方式为：将所述变频电动机机端和中性点的电流用差分半波傅氏算法计算各自的基波相量，然后求出两侧电流的相量和作为差动电流、相量差作为制动电流，再根据相量差动判据判断是否满足动作条件。
[0013] 优选的，所述差分半波傅氏算法采用递归形式，其表达式如下：
[0014]
[0015] 其中，i(n)为当前最新采样值，i(n-1)为前一点的采样值，i(n-N/2)为半个周波前的采样值， 为基于当前点的半周波采样值经差分半波傅氏求得的基波电流相量的实部、虚部， 为基于前一点的半周波采样值经差分半波傅氏求得的基波电流相量的实部、虚部。
[0016] 优选的，所述的相量差动判据采用比率制动特性，以躲过电动机启动过程中或正常运行时的不平衡电流，其表达式如下：
[0017]
[0018] 其中， 为电动机机端机端电流的基波相量， 为电动机中性点电流的基波相量，Idset为相量差动动作电流门槛，Kset为相量差动比率制动系数。
[0019] 优选的，所述步骤2)中的采样值差动判定方式为：直接将同一时刻电动机机端和中性点电流的瞬时采样值根据采样值差动判据进行判别，若连续的R个采样点中有S点满足设定的判据(R≥S)，则采样值差动满足动作条件：
[0020] 优选的，所述的采样值差动判据采用非线性的制动特性，其表达式如下：
[0021]
[0022] 其中，im为电动机机端机端电流的采样值，in为相同时刻电动机中性点电流的采样值，k1为采样值差动制动电流门槛与相量差动动作电流门槛的比例系数，k2为采样值差动比率制动系数。
[0023] 本发明的有益效果是：
[0024] 该方法通过过零点检测算法实现频率的快速跟踪，通过傅氏测频算法实现频率的准确测量，能够适应变频电动机的运行频率变化特性，差动保护采用基于频率跟踪的相量差动和采样值差动构成的双重判据作为动作条件，相量差动采用的差分半波傅氏算法有效地抑制了直流分量和谐波分量，兼顾了保护的计算精度和动作速度，同时具有采样值差动抗干扰能力强、不受频率变化影响的优点，对变频电动机切实起到快速可靠的保护作用。
附图说明
[0025] 下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细说明。
[0026] 图1为应用于高压变频系统的电动机差动保护示意图。
[0027] 图2为变频电动机在25Hz发生单相故障的电流波形。
[0028] 图3为变频电动机在60Hz发生单相故障的电流波形。
具体实施方式
[0029] 为了确保变频器发生故障时不影响高压电动机的运行，变频改造基本采用变频器加工频旁路的结构。图1所示，高压变频系统主要包括移相变压器、变频器、旁路柜三部分，其中移相变压器起到系统隔离的作用，变频器将工频电源变换成另一频率的电源，旁路柜用于变频/工频运行方式的切换。电动机工频运行时，旁路开关GD3闭合，GD1、GD2断开；变频运行时，旁路开关GD3断开，GD1、GD2闭合。考虑电动机工频运行时，进线开关到电动机机端的电缆可由原有的电动机综合保护装置进行保护，在工频或变频方式下均由CT1和CT2采集的电流构成差动保护。
[0030] 本发明将电动机机端和中性点采集的电流通过过零点检测算法快速跟踪电动机的运行频率，实时调整采样频率，保证每个周波采样点数不变。为消除谐波及直流分量的影响，待电动机以稳定的频率运行后，再用全波傅氏递归计算电动机机端三相电流的正序分量，由相位的变化量推出频率的变化量，从而准确测得实际频率。
[0031] 相量差动采用差分半波傅氏算法计算电动机机端和中性点电流的相量，再求出两侧电流的差动电流和制动电流，再根据一定比率制动特性判据判断是否满足动作条件；采样值差动直接对同一时刻电动机机端和中性点电流的采样值进行差动判别，如果连续的R点中有S点满足采样值差动判据，则采样值差动满足动作条件；上述两个条件同时满足，差动保护出口动作。
[0032] 该差动保护方法的特征是：快速准确的频率跟踪算法使得差动保护能够适应电动机的宽频工作特性，保证傅氏算法能够正确计算电流相量；相量差动采用差分半波傅氏算法，有效地抑制了直流分量和谐波分量，具有动作门槛精度高和动作速度快的优点，采样值差动不受频率变化影响且抗干扰能力强，将两者相结合，在兼顾快速性的同时，大大地提高了差动保护的可靠性。
[0033] 搭建仿真模型，对采用该差动保护方法的装置进行RTDS仿真试验。图2为变频电动机运行在25Hz下发生单相故障的电流波形，故障发生约45ms后，保护装置切除故障。图3所示，60Hz时故障切除的时间为35ms。试验结果表明，差动保护能够在不同频率下快速可靠地切除变频电动机的短路故障。
[0034] 上述实施例仅说明发明的技术方案，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方案进行等同替换或等效变换，均落入本发明保护范围之内。
