本發(fā)明涉及負(fù)序反時(shí)限保護(hù)，具體涉及一種負(fù)序電流突變場景下基于熱網(wǎng)絡(luò)法的負(fù)序反時(shí)限保護(hù)曲線修正方法。

背景技術(shù)：

1、受我國能源、負(fù)荷逆向分布現(xiàn)實(shí)條件的制約，遠(yuǎn)距離高壓輸電系統(tǒng)被用于連接各省域電網(wǎng)。單相接地故障發(fā)生后，受單機(jī)容量大和系統(tǒng)等值阻抗低等因素影響，侵入發(fā)電機(jī)的負(fù)序電流較大，并在轉(zhuǎn)子表面感應(yīng)出雙倍頻率的電流分量，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子表面溫度在短時(shí)間內(nèi)快速上升，并通過負(fù)序反時(shí)限保護(hù)切除發(fā)電機(jī)。高壓輸電系統(tǒng)裝設(shè)綜合重合閘裝置，在故障后單相跳閘，進(jìn)入非全相運(yùn)行階段，一段時(shí)間后保護(hù)單相重合，在瞬時(shí)故障情況下可快速恢復(fù)供電。而在負(fù)序電流影響下，負(fù)序保護(hù)先于單相重合閘動(dòng)作，導(dǎo)致重合閘失效，因此有必要對侵入發(fā)電機(jī)的負(fù)序電流進(jìn)行抑制，延長負(fù)序反時(shí)限保護(hù)動(dòng)作時(shí)間。這就要求能夠?qū)ω?fù)序反時(shí)限保護(hù)動(dòng)作時(shí)間做出精確刻畫，判別負(fù)序抑制策略是否有效，并及時(shí)對負(fù)序抑制策略做出調(diào)整。但發(fā)電機(jī)采用的常規(guī)負(fù)序反時(shí)限保護(hù)將轉(zhuǎn)子發(fā)熱視為絕熱過程，顯然不符合實(shí)際情況，并且在負(fù)序電流受抑制下降后，積熱速率下降，散熱系統(tǒng)的影響顯著增強(qiáng)，實(shí)際保護(hù)動(dòng)作時(shí)間延后，常規(guī)負(fù)序反時(shí)限保護(hù)造成的誤差較大。

2、目前，對常規(guī)負(fù)序反時(shí)限保護(hù)的改進(jìn)主要分為兩類方法，一是對發(fā)電機(jī)的負(fù)序極限承受能力曲線進(jìn)行擬合，實(shí)現(xiàn)保護(hù)曲線與負(fù)序極限承受能力曲線的配合，但此類方法不具備普適性，且難以實(shí)現(xiàn)兩條曲線的精確配合；二是研究發(fā)電機(jī)的發(fā)熱積累過程，通過量化散熱系統(tǒng)等影響因素的作用，修正負(fù)序反時(shí)限保護(hù)曲線。但這兩類方法均未能打破負(fù)序電流與動(dòng)作時(shí)間的靜態(tài)描述關(guān)系，因此無法準(zhǔn)確反映轉(zhuǎn)子的溫度變化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決發(fā)電機(jī)常規(guī)負(fù)序反時(shí)限保護(hù)在負(fù)序電流突變場景下難以精確刻畫保護(hù)動(dòng)作時(shí)間問題。本發(fā)明提供一種負(fù)序電流突變場景下基于熱網(wǎng)絡(luò)法的負(fù)序反時(shí)限保護(hù)曲線修正方法，通過研究發(fā)電機(jī)的發(fā)熱過程，綜合考慮發(fā)電機(jī)不同節(jié)點(diǎn)的發(fā)熱情況與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)等因素對對流換熱系數(shù)的影響，利用熱網(wǎng)絡(luò)法構(gòu)建發(fā)電機(jī)熱能模型，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子表面溫度的精確推算，該方法提升了保護(hù)對電流突變的適應(yīng)性。在保證機(jī)組安全運(yùn)行的同時(shí)最大程度的提升了機(jī)組的運(yùn)行效益。

2、本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

3、一種負(fù)序電流突變場景下基于熱網(wǎng)絡(luò)法的負(fù)序反時(shí)限保護(hù)曲線修正方法，包括以下步驟：

4、步驟1：考慮發(fā)電機(jī)的發(fā)熱過程，對發(fā)電機(jī)各部件進(jìn)行節(jié)點(diǎn)劃分；

5、步驟2：計(jì)算對流散熱系數(shù)的熱阻；

6、步驟3：構(gòu)造基于穩(wěn)態(tài)損耗的熱網(wǎng)絡(luò)方程，求解各節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行溫度；

7、步驟4：計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的熱容，構(gòu)建熱網(wǎng)絡(luò)微分方程組，并利用龍格-庫塔方法求解暫態(tài)運(yùn)行溫度；

8、步驟5：進(jìn)行適應(yīng)負(fù)序電流突變的反時(shí)限保護(hù)曲線修正。

9、所述步驟1中，考慮發(fā)電機(jī)的發(fā)熱過程，對受負(fù)序電流影響較大的部分單獨(dú)劃分為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，并以該節(jié)點(diǎn)的溫升為基礎(chǔ)修正負(fù)序反時(shí)限保護(hù)曲線，其余節(jié)點(diǎn)按照發(fā)電機(jī)各部件進(jìn)行劃分；具體如下：

10、在大規(guī)模高壓互聯(lián)輸電系統(tǒng)背景下，單相接地故障發(fā)生后，侵入發(fā)電機(jī)的負(fù)序電流較大，并在轉(zhuǎn)子中感應(yīng)出倍頻電流分量，受趨膚效應(yīng)影響，倍頻分量集中在轉(zhuǎn)子表面，并在由楔子、齒部、固定環(huán)構(gòu)成的路徑中流動(dòng)，如圖1所示，受接觸電阻與高電流密度的影響，倍頻分量對應(yīng)的等效發(fā)熱電阻數(shù)值較大，在短時(shí)間內(nèi)可將槽楔加熱至軟化點(diǎn)。因此將轉(zhuǎn)子中發(fā)熱最為嚴(yán)重的楔子節(jié)點(diǎn)單獨(dú)劃分，以楔子節(jié)點(diǎn)溫度為基準(zhǔn)，衡量轉(zhuǎn)子到達(dá)極限運(yùn)行溫度所需的時(shí)間，發(fā)電機(jī)整體的節(jié)點(diǎn)劃分如圖2所示。

11、由于節(jié)點(diǎn)數(shù)量直接影響后續(xù)溫度求解的速率，節(jié)點(diǎn)數(shù)量越多，求解速率越慢。同時(shí)，考慮到溫度求解的精度要求。將發(fā)熱最為嚴(yán)重的定、轉(zhuǎn)子表面單獨(dú)劃分為楔子節(jié)點(diǎn)(由楔子與轉(zhuǎn)子齒部表層組成)，發(fā)電機(jī)的其余部件分別對應(yīng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)，如機(jī)殼、端蓋等。此外，由于發(fā)電機(jī)內(nèi)氣隙空間與端部空間氣體不直接與外界環(huán)境相互作用，且在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)與強(qiáng)迫散熱的影響下對流散熱系數(shù)發(fā)生變化，因此劃分為兩個(gè)獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行換熱。最后，將外界環(huán)境劃分為參考節(jié)點(diǎn)，用于確定其余節(jié)點(diǎn)的溫度變化。

12、所述步驟2中，修正氣隙4與端部空間節(jié)點(diǎn)的對流換熱系數(shù)，計(jì)算各節(jié)點(diǎn)之間的傳導(dǎo)熱阻或?qū)α鲹Q熱熱阻，計(jì)算發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)損耗；具體如下：

13、發(fā)電機(jī)實(shí)際運(yùn)行，輻射換熱對熱傳遞的影響極小，可忽略不計(jì)，因此在構(gòu)建發(fā)電機(jī)熱能模型時(shí)，僅計(jì)算各節(jié)點(diǎn)之間的傳導(dǎo)熱阻或?qū)α鲹Q熱熱阻，計(jì)算公式如下：

14、

15、其中，rc為傳導(dǎo)熱阻；rd為對流傳熱熱阻；l為兩節(jié)點(diǎn)之間距離；ac為導(dǎo)熱面積；ad為散熱面積；λc為材料導(dǎo)熱系數(shù)；λd為對流換熱系數(shù)。

16、對流換熱系數(shù)受表面形狀、流體物性以及流體狀態(tài)等因素影響，發(fā)電機(jī)氣隙與端部空間流體受轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)等因素影響，流體狀態(tài)發(fā)生改變，因此需要重新計(jì)算對流換熱系數(shù)，計(jì)算公式如下：

17、

18、其中，λgap為氣隙對流換熱系數(shù)；λend為端部空間對流換熱系數(shù)；nu為努塞爾數(shù)；kair為空氣導(dǎo)熱系數(shù)；dh為氣隙水力直徑；vend為端部空間冷卻介質(zhì)流速。

19、發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)發(fā)熱主要由銅耗、鐵耗和機(jī)械損耗引起，相應(yīng)計(jì)算公式如下：

20、

21、其中，pcu為銅耗；m為定、轉(zhuǎn)子繞組相數(shù)；i為流經(jīng)繞組電流的有效值；r為定、轉(zhuǎn)子繞組的等效電阻；pfe為鐵耗；ke為校正系數(shù)；pk為單位質(zhì)量鐵損；ph為單位質(zhì)量磁滯損耗；pe為單位質(zhì)量渦流損耗；mfe為計(jì)算區(qū)域鐵芯質(zhì)量；f為交變磁場頻率；b為磁通密度；σh為磁滯損耗系數(shù)；σe為渦流損耗系數(shù)；pw為鐵耗；k為表面粗糙系數(shù)；cf為摩擦系數(shù)；ρ為空氣密度；ω為轉(zhuǎn)子角速度；r為轉(zhuǎn)子半徑；l為轉(zhuǎn)子長度；pb為鐵耗；cb為軸承系數(shù)；dm為軸承直徑。

22、所述步驟3中，利用熱電比擬原理構(gòu)建熱網(wǎng)絡(luò)方程，求解各節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行溫度；具體如下：

23、發(fā)電機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)，受銅耗、鐵耗、機(jī)械損耗的影響，其溫度緩慢上升，并在散熱因素的影響下，最終達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，通過求解此時(shí)各節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行溫度可作為故障后節(jié)點(diǎn)溫度推算的初始值。由于熱網(wǎng)絡(luò)法具有熱電比擬的性質(zhì)，因此引入求解電網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)電壓法進(jìn)行求解，計(jì)算公式如下：

24、

25、其中，y表示支路熱導(dǎo)納矩陣；表示節(jié)點(diǎn)功率矩陣；表示節(jié)點(diǎn)溫度矩陣；a表示支路關(guān)聯(lián)矩陣；at表示支路關(guān)聯(lián)矩陣的轉(zhuǎn)置矩陣。

26、通過規(guī)定各節(jié)點(diǎn)之間熱量傳遞的正方向形成支路關(guān)聯(lián)矩陣，具體如下：

27、對于存在熱傳導(dǎo)的節(jié)點(diǎn)，人為規(guī)定熱傳導(dǎo)方向，形成具有n個(gè)節(jié)點(diǎn)，b條支路的有向圖，定義支路關(guān)聯(lián)矩陣a＝[aik]，1≤i≤n，1≤k≤b，其中，行號對應(yīng)節(jié)點(diǎn)，列號對應(yīng)支路。若支路k與節(jié)點(diǎn)i相關(guān)聯(lián)且其方向離開節(jié)點(diǎn)i，則aik＝1；若支路k與節(jié)點(diǎn)i相關(guān)聯(lián)且其方向指向節(jié)點(diǎn)i，則aik＝-1；若支路k與節(jié)點(diǎn)i無關(guān)聯(lián)，則aik＝0；

28、計(jì)算各節(jié)點(diǎn)之間的熱阻構(gòu)成支路熱導(dǎo)納矩陣，具體如下：

29、步驟2中求得相互關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)之間的熱阻，即各支路熱阻r1，r2，…，rb，則支路熱導(dǎo)納矩陣可表示為

30、將由各節(jié)點(diǎn)功率組成的功率向量帶入式(14)中，可求解各節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行溫度，具體如下：

31、由發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)損耗公式計(jì)算各節(jié)點(diǎn)對應(yīng)部件的穩(wěn)態(tài)損耗功率p1，p2，…，pn，構(gòu)成節(jié)點(diǎn)功率矩陣將支路關(guān)聯(lián)矩陣a，支路熱導(dǎo)納矩陣y與節(jié)點(diǎn)功率矩陣代入式(16)中，可求解節(jié)點(diǎn)溫度矩陣其中，θ1，θ2，…，θn分別為節(jié)點(diǎn)1至節(jié)點(diǎn)n對應(yīng)部件的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行溫度。

32、所述步驟4中，單相接地故障發(fā)生后，以各節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行溫度為初始值，通過測量負(fù)序電流參數(shù)修正各節(jié)點(diǎn)功率，對各節(jié)點(diǎn)溫度進(jìn)行推算；具體如下：

33、負(fù)序電流侵入發(fā)電機(jī)后，轉(zhuǎn)子溫度快速上升，需要對各節(jié)點(diǎn)的暫態(tài)運(yùn)行溫度進(jìn)行監(jiān)測，防止轉(zhuǎn)子因熱積累受損。引入熱容構(gòu)建熱網(wǎng)絡(luò)微分方程組，以各節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行溫度為初始值，通過測量負(fù)序電流參數(shù)修正各節(jié)點(diǎn)功率，實(shí)現(xiàn)暫態(tài)運(yùn)行溫度的求解；

34、第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的熱網(wǎng)絡(luò)微分方程組可表示為：

35、

36、其中，ci表示第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的熱容；θi表示第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的暫態(tài)溫度；pi表示第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的修正后功率；gii表示第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的自熱導(dǎo)，其值為與第i個(gè)節(jié)點(diǎn)相連的所有熱導(dǎo)之和；gij表示第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的互熱導(dǎo)，其值為與第i個(gè)節(jié)點(diǎn)與第j個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的熱導(dǎo)；n表示節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。

37、當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多時(shí)，求解速度較慢，無法滿足溫度監(jiān)測的實(shí)時(shí)性要求，因此引入龍格-庫塔方法快速求解，將第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的熱網(wǎng)絡(luò)微分方程改寫為式(12)，則暫態(tài)運(yùn)行溫度的推算如式(13)所示：

38、

39、式(12)中，fi()表示第i個(gè)節(jié)點(diǎn)暫態(tài)溫度對時(shí)間的微分與各節(jié)點(diǎn)暫態(tài)溫度之間的關(guān)系；θ1,θ2,…,θi,…,θn-1分別表示節(jié)點(diǎn)1至節(jié)點(diǎn)n-1的暫態(tài)溫度。

40、

41、式(13)中，m表示迭代次數(shù)；n表示節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)；h表示計(jì)算步長；θi(m+1)表示節(jié)點(diǎn)i第m+1次迭代得到的暫態(tài)溫度；θi(m)表示i節(jié)點(diǎn)第m次迭代得到的暫態(tài)溫度；ki1，ki2，ki3，ki4分別表示計(jì)算節(jié)點(diǎn)i第m+1次迭代所需的變化斜率系數(shù)；θ1(m),θ2(m),…,θn-1(m)分別表示節(jié)點(diǎn)1至節(jié)點(diǎn)n-1第m次迭代得到的暫態(tài)溫度；k11，k21,…,k(n-1)1分別表示由節(jié)點(diǎn)1至節(jié)點(diǎn)n-1暫態(tài)溫度更新得到的變化斜率系數(shù)；k12，k22,…,k(n-1)2分別表示由節(jié)點(diǎn)1至節(jié)點(diǎn)n-1暫態(tài)溫度更新得到的變化斜率系數(shù)；k13，k23,…,k(n-1)3分別表示由節(jié)點(diǎn)1至節(jié)點(diǎn)n-1暫態(tài)溫度更新得到的變化斜率系數(shù)。

42、所述步驟5中，負(fù)序電流受抑制突變后，以突變前各節(jié)點(diǎn)溫度為初始值，以一組預(yù)設(shè)負(fù)序電流值分別修正各節(jié)點(diǎn)功率，對溫度進(jìn)行推算，當(dāng)楔子節(jié)點(diǎn)溫度達(dá)到極限溫度時(shí)，記錄各負(fù)序電流預(yù)設(shè)值對應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作點(diǎn)，重新擬合負(fù)序反時(shí)限保護(hù)曲線；具體如下：

43、由于常規(guī)負(fù)序反時(shí)限保護(hù)曲線將轉(zhuǎn)子發(fā)熱視為絕熱過程進(jìn)行參數(shù)整定，忽略了轉(zhuǎn)子向周圍部件的傳熱以及散熱系統(tǒng)的影響，顯然不符合實(shí)際情況。為了延長非全相運(yùn)行期間負(fù)序反時(shí)限保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間，避免保護(hù)先于重合閘動(dòng)作帶來的群切機(jī)風(fēng)險(xiǎn)，需要在此期間對侵入發(fā)電機(jī)的負(fù)序電流進(jìn)行抑制，由此造成的負(fù)序電流突變進(jìn)一步影響轉(zhuǎn)子熱積累過程，導(dǎo)致常規(guī)負(fù)序反時(shí)限保護(hù)對動(dòng)作時(shí)間的刻畫產(chǎn)生偏差，需要對其修正，包括如下步驟：

44、s5.1：負(fù)序抑制策略投入后，記錄負(fù)序電流突變前各節(jié)點(diǎn)推算的溫度；

45、s5.2：以預(yù)設(shè)各負(fù)序電流預(yù)測值對應(yīng)的負(fù)序功率修正各節(jié)點(diǎn)損耗功率；

46、s5.3：以負(fù)序電流突變前各節(jié)點(diǎn)溫度為初始值，將修正后的功率向量帶入熱網(wǎng)絡(luò)微分方程組推算各節(jié)點(diǎn)溫度，當(dāng)楔子節(jié)點(diǎn)溫度達(dá)到極限溫度時(shí)，記錄各負(fù)序電流有效值對應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作點(diǎn)；

47、s5.4：擬合各保護(hù)動(dòng)作點(diǎn)，得到修正的負(fù)序反時(shí)限保護(hù)動(dòng)作曲線。

48、本發(fā)明一種負(fù)序電流突變場景下基于熱網(wǎng)絡(luò)法的負(fù)序反時(shí)限保護(hù)曲線修正方法，技術(shù)效果如下：

49、1)本發(fā)明考慮發(fā)電機(jī)的發(fā)熱過程，基于熱網(wǎng)絡(luò)法構(gòu)建發(fā)電機(jī)熱能模型，實(shí)現(xiàn)了各節(jié)點(diǎn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行溫度與暫態(tài)運(yùn)行溫度的求解；基于發(fā)電機(jī)熱能模型實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子表面溫度的精確刻畫，進(jìn)而提出了面向負(fù)序電流突變場景下負(fù)序反時(shí)限保護(hù)曲線的修正方案。提升了負(fù)序反時(shí)限保護(hù)的適應(yīng)性，在保證機(jī)組安全運(yùn)行的同時(shí)最大程度的提升了機(jī)組的運(yùn)行效益。

50、2)本發(fā)明通過分析負(fù)序電流對轉(zhuǎn)子表面發(fā)熱的影響，對發(fā)熱嚴(yán)重部件精細(xì)劃分節(jié)點(diǎn)，并通過修正氣隙與端部空間的對流換熱系數(shù)，實(shí)現(xiàn)了對流換熱熱阻的精確計(jì)算，由此構(gòu)建了更為精確的發(fā)電機(jī)熱能模型，實(shí)現(xiàn)了對轉(zhuǎn)子局部發(fā)熱的監(jiān)控。

51、3)本發(fā)明通過發(fā)電機(jī)熱能模型將溫度量引入負(fù)序反時(shí)限保護(hù)之中，突破了常規(guī)負(fù)序反時(shí)限保護(hù)對負(fù)序電流與動(dòng)作時(shí)間的精確描述，增強(qiáng)了負(fù)序反時(shí)限保護(hù)的適應(yīng)性。

52、4)本發(fā)明基于發(fā)電機(jī)熱能模型提出了負(fù)序反時(shí)限保護(hù)曲線的修正方案，修正后保護(hù)曲線與發(fā)電機(jī)實(shí)際負(fù)序極限承受能力相契合，在保證發(fā)電機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)極大程度地提升了機(jī)組效益。