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在输电线路保护中实行基于继电器控制的数字信号处理器参考效果设计的静止同期补偿器(外文翻译)

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在输电线路保护中实行基于继电器控制的数字信号处理器参考效果设计的静止同期补偿器
J。V。V。N Bapiraju, U.J。Shenoy, Senior Member， IEEE， K。G。Sheshadri， H。P。 Khincha， Senior Member,IEEE， D.Thukaram, Senior Member， iEEE.
摘要
灵活交流输电系统（FACTS)装置在电路回路中的重要性，在很大的方面影响了距离保护继电器的反应能力，就像在电力系统中变换灵活交流输电系统装置的配置就会得到系统不同的响应。这篇文章从客观上了解了使用静止同期补偿器（STATCOM)后的中性点补偿在阻抗距离继电器正常负荷和故障条件下分别为了使输电线路保护完成能使之适应的距离保护计划的表现。从使用了PSCAD软件和利用计算分析的模拟研究中得出的结论是：有必要为了使距离保护继电器适应它在输电线路保护中的、察觉误动区的特性而做出新的设置。表面阻抗是模拟不同负载和接地(L—G）故障的条件下电力网络系统的不同场所的运作情况。目的是为了适应距离继电器的规划，并使之在TMS320C50数字信号处理(DSP）系统上得以完成。
关键词:方向阻抗，距离阻抗，数字信号处理器TMS320C50，傅立叶算法，PSCAD/EMTDC，四边形特性和静止同期补偿器。
⒈ 简介
在电力系统保护的适应性保护规划[1］［2]中牵扯到了继电器的用途，可能需要用改变它们的特性来适应形势。一般一个系统保护应用一些预定方来应对一些事故和故障。这就需要设置一个包括了大量事故情况的系统，当然系统中的事故情况是少于所有的可能发生的事故的，但必须是继电器大部分时间可能面对的事故.因此，在有适当保护措施的条件下，最好让继电器可以适应不断变化的情况。
如果任何灵活交流输电系统装置可以任意循环设定继电保护动作区,距离保护继电器在电力系统中所有的动作点在达到设定值时的电阻和电抗值可能不会一样。距离保护中适应性保护观念的原理甚至还牵扯到了灵活交流输电系统装置输电系统[3][4] 的讨论。
这篇文章分析研究了静止同期补偿器在距离保护继电器的设置中中性点补偿的效应。模拟研究中的一个普通的输电系统被认为是由发送端的发电机,接收端的负载,输电线路和中性点的静止同期补偿器组成的。输电线路的可见电阻和可见电抗适合不同负载条件，包括线路接地故障,以及不同的故障电阻和在不同位置所出现的故障。所有的模拟研究都使用PSCAD/EMTDC软件［5］来实现.还要使用基于德克萨斯仪器公司制作硬件的TMS320C50数字信号处理系统来执行适应性距离保护系统。
⒉ 分析计算
电流（I)和阻抗 （Z）可以根据试 （1)，（2）中给出的有功功率(P)和无功功率(Q)来确定。距离保护继电器中的电阻值()和电抗值 ()可用给定的瞬时电压值（V)和瞬时电流值（I）经过普通的傅立叶全周期运算得出.距离保护继电器中的可见电阻和可见电抗基于周期循环评估的过程像给出的式（3）和式(4)中计算在保护动作点中有功功率和无功功率的转移一样。
(1)
（2）
(3)
(4）
电阻和电抗这些变量的关系可以使用给定的方程（5)和（6）和有功功率和无功功率的常数来计算。
(5)
（6）
上面的公式明显的表明了可见电阻会因无功功率的减少而增加，同时可见电抗会因无功功率的减少而减少.
⒊ 静止同期补偿器的效应
静止同期补偿器的应用包括了电压控制，稳定系统和暂态稳定的提高［6][7]。静止同期补偿器的响应速度是非常快的，其正常无功功率的循环范围是1~1.5个周期。这篇文章认为静止同期补偿器的中性点补偿效应应该表现在距离保护继电器上.在发送端中的静止同期补偿器无功功率的供应该是从中性点的位置开始缩减负荷。静止同期补偿器的响应是通过控制无功功率输出来改变系统条件和维持电压在恒定值的。
式(5)和(6）中的代表了发送端和输电线路中性点的静止同期补偿器中各缺少的无功功率.静止同期补偿器出现的重要意义是影响了在发送端无功功率的缺少电阻和电抗的情况下达到距离保护值需要的有功功率和无功功率两个过程。模拟研究的细节是记录普通负载和故障条件之间的可见电阻和电抗值。
4. 电力系统模拟和静止同期补偿器
图1表示了一个用PSCAD/EMTDC软件模拟的典型电源系统网络单回路图.送电站和变电站用132kV，100MVA的发生器作为固定的来源和2500MVA的短路容量来模拟。一根60km的传输线用12根每根5km的来模拟，容许不同长度

图1 模拟研究中使用的典型电力系统网络
下发生的模拟错误。线路电阻为0。16 ，阻抗为0.38 ,并且考虑了0。000872 的转移阻抗。静止无功补偿器被连接在离发电站30km的地方。可见电阻和阻抗根据不同的无功功率的需要和在接收端的恒定的32MW的有功功率来模拟。通过模拟在传输线不同线路长度的接地线路故障来研究故障电阻改变的效果。
     用一个简单电路模拟一个6脉冲的静止同期补偿器。为了维持静止同期补偿器在中性点的特定电压值需要控制静止同期补偿器的无功功率。如图2所示正弦脉宽的调制所需的相位是通过静止周期补偿器的中点电压和参考电压的不同综合来产生的。这个阶段的变化决定了来自静止同期补偿器的无功功率的总量和方向。三角信号和参考正弦信号是脉宽调制技术所必需的。首先，要使三角信号和3个交流输电系统的中点电压同步，这3个电压是由载波频率产生的，基本频率的33倍如图3所示。第二个正弦参考信号如图4所示是通过改变相位产生的。6脉冲电桥的脉冲生成如图5所示。在接收端无功功率需求改变的情况下需要考虑距离型继电器上的静止周期补偿器的反映。

图2 正弦脉宽三相的产生顺序

图3 产生的三角波形

图4 产生的参考正弦波

图5 产生的6信号晶闸管脉冲信号
5。 模拟结果
为了实现基于适应性保护计划的数字信号处理，在一个采样频率为6KHz的PSCAD/EMTDC模式的模拟研究中获得电压和电流的数据。模拟的全部时间是1.0秒。图6表示了在没有静止同期补偿器的情况下在动作点和中性点处的电压。最初在接收的末端申请了一个阻抗为32.0+j32。0MVA的负载。0。5秒之后一个线路接地故障用一个10欧姆的电阻模拟了75%的60km线路。图7表示了在通常负载情况下包含了静止同期补偿器的电压轮廓稳定性的提高，当这个故障发生时，静止同期补偿器通过加入无功功率来提高电压。距离型继电器的电阻和阻抗利用傅立叶全循环运算法通过输入同步的电压和电流信号则来计算。

图6 使用静止同期补偿器时的电压

图7 没有使用静止同期补偿器时的电压
表格1在有和没有静止同期补偿器时为不同的无功功率需要的电阻和阻抗的变化。从表格中可以观察到表面上电阻的增大伴随着对无功功率的需要的下降.伴随着在接收末端对无功功率的需求的升高，在动作点有一个电阻值的下降。这是因为静止同期补偿器提供给系统的更多的无功功率来维持电压在特定参考值。表格2和表格3表示了在系统带着负载(32.0+j32。0 MVA)当线路接地故障发生时电阻和阻抗的变化。从中能看出当静止同期补偿器包含在传输线路的中点时需要更高的阻抗值。因此,普通设置（没有静止同期补偿器)的继电器无法发现这个故障,这样当系统中包含了静止同期补偿器的时候才使得继电器设置有更好的适应性。

表1 在不同负载条件下电阻和电抗的变化量
在接收尾端的负载
（MVA）
没有使用静止同期补偿器（Ohms）
使用静止同期补偿器(Ohms）

32。0+j15.5
415.9
213.8
509。1
45。5
32。0+j24。0
321.0
246.0
483。3
22.0
32。0+j32。0
283.3
249，2
474.2
-8。0
表2 当A相接地故障在75％处附加了32+j32MVA的普通负载时的
输电线路可见电阻值和电抗值的变量
故障电阻

没有使用静止同期补偿器
（Ohms）
使用静止同期补偿器
（Ohms）

10
17。02
17.30
40.60
23。20
40
43。80
20。00
115。36
35.43
80
74。06
26。93
175。0
43.50
表3 当A相接地故障在25％处附加了32+j32MVA的普通负载时得的
输电线路可见电阻值和电抗值的变量
故障电阻

没有使用静止同期补偿器
（Ohms）
使用静止同期补偿器
（Ohms)

10
12。20
5。90
18。42
6.22
40
39。17
8.55
63.70
13.82
80
69。74
15.43
122。79
19.56
静止同期补偿器的有功功率是这个设置需要的额外信息。假定静止同期补偿器的周期循环无功功率信息的有效性,使计算电阻和电抗的实际变得可能，以至于距离型继电器能够根据情况设置。中性点补偿有个优势,能够有效的将线路阻抗值减少到一半。所以静止同期补偿器所需要的无功功率用来维持相同的电压跟来自传输末端（没有静止同期补偿器）的无功功率比起来要少。电阻和阻抗的近似值可以用式（3）和（4)来估算，通过传送末端的无功功率和静止同期补偿器的无功功率的和来替换某项无功功率.
6。 方案实施
    继电器设计包含硬件和软件.适用型距离保护继电器的硬件设计如图8所示。数据文件包含了瞬时电压和瞬时电流的样本,这些样本取自于利用波形模拟器再生的PSCAD/EMTDC模式的模拟研究。距离继电器的新设定已经用在传输末端流动的有功功率，无功功率和静止同期补偿器的无功功率来计算.四边形特性已经在有和没有静止同期补偿器的两种距离继电器计划中都被意识到了.因为电阻和电抗都能被独立地控制,所以预想的计划可以被适用性保护应用软件采用.

图8 执行适应距离继电器的硬件配置
波形模拟器利用一个电脑接口的12位数模转换卡的实时基础来产生动作信号。动作硬件利用德克撒斯仪器厂的TMS320C50 DSP处理器［10］来建立。这是一个12位的转换延迟时间为7.6微秒的数字信号处理接口的模数转换器，用以获得输入信号的电压和电流。为了达到对所有电压和电流信号的同时取样，数字信号处理器中用了8个模数转换器.这个模数转换器是基于英特儿公司的可编程器件IC8255的德克萨斯仪器厂的TMS320C50 DSP的接口器件.TMS320C50数字信号处理有如下的重要特性，像介绍的40转单周期混合指数的执行时间。单周期增加/累积，是在9K X 型号的16位单周期芯片的程序/数据RAM和16位可编程计时器上实现的.
 动作软件包括信号条件作用，信号获取，继电器特性的数据和动作逻辑进程都被写入了TMS320C50 DSP 处理器的汇编语言。有12个取样窗口的傅立叶全循环运算法则用来计算输入信号的幅值和电阻电抗。继电器特性用PSCAD/EMTDC的所有模拟方案来测试。在有静止同期补偿器的情况下，继电器设置可以在数码保护程序中修改。获取动作运算法则包括继电器逻辑的时间大概是120微秒。
⒎ 结束语
像静止同期补偿器这样的灵活交流输电系统改变了像上述模拟试验的距离保护继电器的距离电阻值和电抗值。研究中同时包括了正常负载时和故障时两种情况。在正常负载的情况下，使用静止同期补偿器要比没有使用静止同期补偿器的电阻值高,而电抗值较没使用静止同期补偿时要低。在故障的时显示出的情况是，使用静止同期补偿器比没有使用时的电阻值和电抗值都有所增加。用于输电线路的保护的静止同期补偿器可以鉴定距离继电器在保护区域内故障延迟的新设置的适应性。线路接地故障在模拟研究中被认为是最常发生的故障。为了模拟数字信号处理的执行而通过PSCAD/EMTDC模拟了数据。距离保护继电器的新设置被用于计算并设置有功功率,无功功率和还有静止同期补偿器的无功功率。数字信号处理基于数字距离保护继电器系统执行而设置的电阻和电抗都可以独立的控制，这是很适合未来适应性保护应用的。
⒏ 参考文献
[1］ A。G.Phadke,S.H.Horowit，《适合的继电保护》，计算机应用软件，电气和电子工程师协会，第三册，47-51页,1990年7月；
［2］ T.S.Sidhu，《计算机保护基础：近来的进展和未来发展方向》;………
［3] P.K Dash, A。 K pradhan， Gaaapati Panda, 和A。 C. Liew,《柔性交流输电系统的设定》，IEEE译，电力的传送,第15册，3843页,2000年1月;
[4] Khalil El—Arroudi, O。 Joos， D。T.McGillis，《以静止同期补偿器接替的最阻抗保护的操作》，IEEE译,电力的传送，第17册,381-387页,2002年4月;
［5] 《PSCAD使用指南 4。0。1》， 曼尼托巴HVDC 研究中心，加拿大，2003年；
［6] C。 Schauder, L Gyugyi， M。 R. Lund， D。 M. Hamai， T。 R. Rietmaq D。R。 Torgerson, A。 Edris,《lOO Mvar的TVA静止同期补偿器的操作》，IEEE译，电力的传送，第12册， 1805-1811页,1997年10月；
［7］ L.Gyugyi,《经使用电晶体的同时交流传输线的电动补偿电压的来源》，IEEE译，电力的传送，第9册，904—911页,1994年4月；
[8] Olimpo Anaya-Lara,E.Acha，《在电力系统中使用PSCAD/EMTDC的模拟与分析》；
[9] T.S。Sidhu， D。S.Ghotra，和Mohindar S。 Sachdw，《一种适应性距离继电器和使用混合数据窗的距离保护继电器的施行和对照》；
[10］ 《TMS320C5X用户指南》, 得克萨斯仪器公司，美国，1993年1月。
⒐ 作者简介

Bapirajo 在 2002 年的海得拉巴的电力工程学院得到了他的学士学位，他现在正在印度科学研究所班加罗尔电力工程部门做M.E，他的现在研究兴趣包括数字保护的继电器，电力系统保护数字信号处理技术和灵活交流输电系统。

U。J.Sheno分别在1986和1979年从Mysore大学和印度科学研究所班加罗尔获得了电气工程的学士和博士学位，从1984年开始他成为了一名印度科学研究所的科技人员，目前他是一位资深的科技领导者,他已经在国内和国际的会议和刊物上发表了30余篇论文.他的研究重点包括专业的数字信号处理和AI在电力系统上的应用。

K。G。Sheshadri在2000年从班加罗尔大学的U。V。C。E 学院获得了电气工程的学士学位。他2002年在一个私人公司工作并在印度科研所班加罗尔电力工程部门做工程师助手，同时他已经合著了4篇论文。他目前正在进行的科研项目包括了数字保护的继电器，电力系统保护的数字信号处理技术和AI对电力系统的应用及交流系统的分析。

H。P。Khincha在1966年从班加罗尔获得了电力工程的学士学位.他又在1968和1973年从这个专业获得了硕士和博士学位。 自从1973以后，他已经在科学，班加罗尔的印度学会当全体教员，现在他是教授,他的研究包括了计算机的半自动能源系统分析和电力系统保护,自动化分配和人工智能在系统上的应用。

D。Thnkaram在1974年从海得拉巴的Osmania大学获得了电气工程的学士学位，1976年从Nagpur大学获得了综合电力系统硕士学位并于1986年在印度科研所班加罗尔获得了博士学位。从1976年他成为一名印度科研所不同领域的研究人员和教员，目前他是一名教授。他的研究方向包括计算机的半自动能源系统分析和电力系统保护，自动化分配和人工智能在系统上的应用。