基于电气量特征的抽水蓄能机组运行工况校验方法及装置

摘要

本发明公开了一种基于电气量特征的抽水蓄能机组运行工况校验方法及装置，包括步骤：(1)创建运行工况电气量特征表；(2)依据监控系统信号和开关位置接点判别机组当前运行工况；(3)核对机组当前电气量特征与运行工况电气量特征表中相应工况对应特征是否吻合，如果有两个或两个以上的电气量特征不一致，且持续时间较长，则认为当前运行工况判别错误。本发明可以解决单一接点回路异常导致工况误判的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及抽水蓄能机组运行工况校验，具体涉及基于电气量特征的抽水蓄能机组运行工况校验方法及装置。

背景技术

抽水蓄能机组运行工况众多，有水泵工况、水泵调相工况、发电工况、发电调相工况、SFC启动工况、背靠背启动工况、停机等上十种工况，各工况之间流程关系复杂，转换频繁。而大型抽水蓄能机组的保护功能超过30种，在特定的工况下，某些保护功能不适用或可能导致误动，需依据工况判别结果闭锁相应保护，一些特殊的保护功能只能在特定工况才能投入。因此，准确的工况判别方法是保证抽水蓄能机组保护性能和可靠性的基础。

以往抽水蓄能机组保护装置常见的工况识别方法有两种，其流程图如图1所示。下面分别对其进行介绍，并分析其优缺点。

(1)直接使用监控系统的工况信号。抽水蓄能机组启停机等工况的转换都是由监控系统进行控制的，监控系统收集拖动开关、换相开关等开关位置信息，综合流程转换逻辑来识别当前机组运行工况。监控系统直接将工况判别结果通过接点信号送给保护装置使用。这种方法实现简单，保护装置无需任何逻辑判别，但是单纯的硬接点信号存在不可靠的缺点，当端子松动或接点回路断线等故障导致信号状态错误时，保护装置可能因工况识别错误而误动。

(2)装置接入换相开关、拖动开关等所有开关辅助接点，根据工况与开关状态的对应关系，自动判别机组运行工况。这种方法相对前一种方法，可靠性有所提高。由于机组运行工况对应固定的开关位置逻辑组合，装置可以防止部分情况下的单一接点回路故障导致的工况误判，但是却无法完全解决此问题。抽水蓄能机组主要作为调峰电源使用，每天均要启停数次，对启动开关、换相开关的操作次数相对于其他开关要频繁的多，开关设备及相关二次回路出现故障的概率也相对较高，如果因为开关辅助接点二次回路故障导致装置工况误判，可能会导致保护误动。

综上所述，上述两种方法均不能解决单一接点回路故障导致工况误判的问题。若因为接点回路故障导致工况误判，依据抽水蓄能机组保护装置的功能闭锁逻辑，可能导致一些保护功能被误闭锁，另一些保护功能误开放，进而可能导致保护装置的拒动或误动。

发明内容

本发明的目的是：提供一种利用机组顺控流程进行校验的抽水蓄能机组运行工况判别方法，解决单一接点回路故障导致工况误判的问题。

本发明采取的技术方案是：

一种基于电气量特征的抽水蓄能机组运行工况校验方法，其特征是，包括步骤：

(1)创建运行工况电气量特征表；

(2)依据监控系统信号或开关位置接点判别机组当前运行工况；

(3)接入发电电动机电压互感器的二次电压和电流互感器的二次电流，计算得到机组当前的电气量特征；

(4)对照运行工况电气量特征表，核对机组当前电气量特征与运行工况电气量特征表中对应于当前工况的电气量特征是否一致，进而判别当前工况判别结果是否正确。

上述方案中：所创建的运行工况电气量特征表是一个二维表，给出了抽水蓄能机组各个运行工况的电气量特征，包括电流、电压、电压变化率、频率、频率变化率、功率方向、有功功率和无功功率。

上述方案中：依据监控系统信号或开关位置接点判别机组当前运行工况的方法有：

第一种方法：抽水蓄能电站的监控系统监测和控制机组的工况转换流程，监控系统可以将当前工况信息通过硬接点送至保护或控制装置，装置无需进行额外的逻辑判别，直接由接点状态获取机组当前运行工况。

第二种方法：保护或控制装置接入抽水蓄能机组的开关辅助接点，包括但不限于拖动开关、被拖动开关、换相开关和电制动开关，依据运行工况与开关状态的固定对应逻辑关系来判别机组当前运行工况。

上述方案中：步骤(3)所述计算得到的电气量特征包括：电流、电压、电压变化率、频率、频率变化率、功率方向、有功功率和无功功率。

上述方案中：对照运行工况电气量特征表，核对步骤(3)得到的机组当前电气量特征与运行工况电气量特征表中对应于当前工况的电气量特征是否一致，如果有两项或两项以上不一致，且持续时间超过T_set，则认为当前工况判别错误。其中，T_set取20～200ms。

另外，本发明还提供了一种基于电气量特征的抽水蓄能机组运行工况校验装置，该装置包含开入量采样模块、运行工况判别模块、模拟量采样模块、电气量特征计算模块和运行工况校验模块，其中：

所述开入量采样模块用于装置对监控系统信号和开关辅助接点开入进行采样，得到开入接点当前状态；

所述运行工况判别模块用于根据开入量采样模块输出结果，结合运行工况与开入接点的固定对应逻辑关系来判别机组当前运行工况；

所述模拟量采样模块用于装置对发电电动机电压互感器的二次电压和电流互感器的二次电流进行采样；

所述电气量特征计算模块用于根据模拟量采样模块的输出计算机组当前电气量特征；

所述运行工况校验模块，通过检索运行工况电气量特征表得到当前工况判别结果所应该具有的电气量特征，并与计算得到的当前时刻实际电气量特征进行对比校验，确定运行工况判别结果是否正确。

上述方案中，所述工况判别模块中，依据监控系统信号或开关位置接点判别机组当前运行工况：

第一种方法：抽水蓄能电站的监控系统监测和控制机组的工况转换流程，监控系统可以将当前工况信息通过硬接点送至保护或控制装置，装置无需进行额外的逻辑判别，直接由接点状态获取运行工况信息。

第二种方法：装置接入机组的开关辅助接点，包括但不限于拖动开关、被拖动开关、换相开关和电制动开关，依据运行工况与开关状态的固定对应逻辑关系来判别机组当前运行工况。

上述方案中，所述电气量特征计算模块中，所述电气量特征计算模块所计算的电气量特征包括：电流、电压、电压变化率、频率、频率变化率、功率方向、有功功率和无功功率。

上述方案中，所述工况校验模块的校验过程为：对照运行工况电气量特征表，查看电气量特征计算模块所计算的电气量特征与运行工况电气量特征表中对应于当前所判工况的电气量特征是否一致，如果有两项或两项以上不一致，且持续时间超过T_set，则认为当前工况判别错误。其中，T_set取20～200ms。

本发明的有益效果是：提供一种基于电气量特征的抽水蓄能机组运行工况校验方法，防止因为单一接点回路故障导致工况误判。

附图说明

图1是抽水蓄能机组的两种常规的运行工况判别方法流程图。

图2是本发明所述方法的实施流程图。

图3是采用本方案的装置结构示意图。

具体实施方式

本方案的整体的流程图如图2所示。具体来说，分为以下数个步骤：

(1)创建运行工况电气量特征表；

(2)依据监控系统信号或开关位置接点判别机组当前运行工况；

(3)接入发电电动机电压互感器的二次电压u_a、u_b、u_c和中性点侧电流互感器的二次电流i_a、i_b、i_c，计算得到机组当前的电气量特征；

(4)对照运行工况电气量特征表，核对机组当前电气量特征与运行工况电气量特征表中对应于当前工况的电气量特征是否一致，进而判别当前工况判别结果是否正确。

以下内容将以国内某300MW抽水蓄能机组为例，并结合附图详细说明本方案的实施方式。步骤如下：

(1)创建该机组的运行工况电气量特征表，如表1所示。该表包含了各个运行工况的电流、电压、电压变化率、频率、频率变化率、功率方向、有功功率和无功功率特征。表格所列运行工况仅为示例，对于不同机组，运行工况的种类和数量各异。表中，I_e为发电电动机的二次额定电流，U_n为发电电动机的额定电压，f_n为发电电动机的额定频率，P_n为发电电动机的额定有功功率，S_n为发电电动机的视在功率。

表1运行工况电气量特征表

(2)装置接入拖动开关、被拖动开关、换相开关、电制动开关、机端断路器开关辅助接点和监控系统调相开入信号，依据表2所述的运行工况与开关状态、监控信号的对应关系，判别机组当前运行工况。

表2运行工况与开关位置接点对应关系表

(3)计算机组当前电气量特征，本步骤过程如下：

①发电电动机的电压、电流互感器二次侧采样

装置对发电电动机的机端电压互感器二次侧电压和中性点电流互感器二次侧电流进行采样，得到发电电动机的机端三相电压(PT电压二次值)数据序列u_a(n)、u_b(n)、u_c(n)和中性点电流三相电流数据序列i_a(n)、i_b(n)、i_c(n)，其中，符号n表示采样序列号，下标a、b、c分别表示A相、B相、C相。由三相电压数据序列得到线电压数据序列。

u_bc(n)＝u_b(n)-u_c(n)>

其中，下标bc表示发电电动机的机端BC线电压。

②频率计算

假定当前采样频率为f_s，则采样周期为u_a领先于u_bc的相位差为Δθ(Δθ<2π)。设u_a从负到正过零点的前一个采样数据为u_a(p-1)，后一个采样数据为u_a(p)；设u_bc从负到正过零点的前一个采样数据为u_bc(m-1)，后一个采样数据为u_bc(m)，p和m分别表示序列号，假设u_a与u_bc过零点之间采样数为K。则电气量当前周期T_e和频率f_e为：

$>\left(\begin{array}{c}{T}_e=\frac{2\pi }{\mathrm{\Delta \theta }}·(K·T_S+\frac{u_x\left(p\right)}{u_x\left(p\right)-u_x(p-1)}{T}_S+|\frac{u_y(m-1)}{u_y\left(m\right)-u_y(m-1)}\left|T_S\right)\\ f_e=\frac{1}{T_e}\end{array}\right)$>>

对于电气制动工况，机端电压为0，此时采用发电电动机中性点BC线电流进行频率计算，具体计算方法类似。

③根据当前采样频率f_s和电压电流当前频率f_e，计算当前每周波的采样点数N，也即实时数据窗长度。

$>N=\left[\frac{f_s}{f_e}\right]$>>

[]表示四舍五入取整。

假设采样频率为1200Hz，当前电压电流频率为48.8Hz，则N取25。

④使用变数据窗傅氏算法公式计算三相电气量相量的实部和虚部：

采用以下傅氏算法计算公式进行相量计算：

$>\left(\begin{array}{c}r\left(n\right)=\frac{2}{N}\left[\underset{k=0}{\overset{N-1}{\Sigma }}x(n-N+k)\cos (k·\frac{2\pi }{N})\right]\\ i\left(n\right)=\frac{2}{N}\left[\underset{k=0}{\overset{N-1}{\Sigma }}x(n-N+k)\sin (k·\frac{2\pi }{N})\right]\end{array}\right)$>>

其中，r(n)，i(n)分别表示某电气量经傅氏算法计算出的相量实部和虚部；x(n-N+k)为某电气量N-k个采样间隔时间之前的采样值，N为分步骤③确定的数据窗长度，此处为25。

从而得到电气量相量如下：

$>\stackrel{·}{e}=r\left(n\right)-j·i\left(n\right)$>>

也可以通过对实部、虚部进行平方和的开平方计算，得到电气量幅值E如下：

E＝sqrt(r(n),i(n)) 式⑥

⑤计算有功功率和无功功率：

$>S\left(n\right)={\stackrel{·}{U}}_a\left(n\right)·{\stackrel{\Lambda }{I}}_a\left(n\right)+{\stackrel{·}{U}}_b\left(n\right)·{\stackrel{\Lambda }{I}}_b\left(n\right)+{\stackrel{·}{U}}_c\left(n\right)·{\stackrel{\Lambda }{I}}_c\left(n\right)=P\left(n\right)+\mathrm{jQ}\left(n\right)$>>

式中，分别表示A、B、C相电压相量，分别表示A、B、C相电流相量的共轭，P(n)代表有功功率，Q(n)代表无功功率。

⑥计算电压变化率

$>\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\Delta U}}_a\left(n\right)=U_a\left(n\right)-U_a(n-q)\\ {\mathrm{\Delta U}}_b\left(n\right)=U_b\left(n\right)-U_b(n-q)\\ {\mathrm{\Delta U}}_c\left(n\right)=U_c\left(n\right)-U_c(n-q)\end{array}\right)$>>

其中，ΔU_a(n)、ΔU_b(n)、ΔU_c(n)为当前时刻A、B、C相的电压变化率，U_a(n)、U_b(n)、U_c(n)为当前时刻A、B、C相电压相量幅值，U_a(n-q)、U_b(n-q)、U_c(n-q)为q个采样间隔时间之前的A、B、C相电压相量幅值。q可取1s时长对应的采样间隔数。

⑦计算频率变化率

Δf(n)＝f(n)-f(n-j) 式⑨

其中，Δf(n)为当前时刻的频率变化率，f(n)为当前频率，f(n-j)为j个采样间隔时间之前的频率值。j可取1s时长对应的采样间隔数。

⑧功率方向计算

若分步骤⑤计算得到的有功功率P(n)满足：

P(n)>2％P_n>

其中，P_n为发电电动机的额定有功功率。

则认为功率流向为“流出”，否则认为功率流向为“流入”。

(4)假设步骤(2)所判工况为水泵启动工况，则对照运行工况电气量特征表(表1)，找到该工况的电气量特征(表1中粗体且加下划线内容)，并与步骤(3)计算得到的电气量特征进行比对。

假设经核对后发现，步骤(3)所计算的电气量特征有三项与运行工况电气量特征表不一致：电流、有功功率、功率流向。则将出错计数器Cnt累加1，当该不一致持续出现时间大于100ms时，认为工况判别错误。

若核对后发现，步骤(3)所计算的电气量特征与运行工况电气特征表所述完全一致，则返回流程起始并继续下一次检测。

另外，本发明还有实施例提供一种使用本发明所述方法的装置如图3所示，该装置包含开入量采样模块、运行工况判别模块、模拟量采样模块、电气量特征计算模块和运行工况校验模块，其中：

所述开入量采样模块用于装置对监控系统信号和开关辅助接点开入进行采样，得到开入接点当前状态；

所述运行工况判别模块用于根据开入量采样模块输出结果，结合运行工况与开入接点的固定对应逻辑关系来判别机组当前运行工况；

所述模拟量采样模块用于装置对发电电动机电压互感器的二次电压和电流互感器的二次电流进行采样；

所述电气量特征计算模块用于根据模拟量采样模块的输出计算机组当前电气量特征；

所述运行工况校验模块，通过检索运行工况电气量特征表得到当前工况判别结果所应该具有的电气量特征，并与计算得到的当前时刻实际电气量特征进行对比校验，确定运行工况判别结果是否正确。

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。