用于过激磁保护的频率折算测量电路及过激磁保护方法
【专利摘要】本发明提供的用于过激磁保护的频率折算测量电路及过激磁保护方法，该电路可以实时测量过激磁倍数，转换速度快，精度高，在合适的电路参数下受频率影响小，且由于不用判别过零点，保护固有延时短，有效满足了过激磁保护对动作时间和返回时间的需求；采用温度补偿电路，可以有效防止温度变化带来的精度误差。通过上述频率折算测量电路将待测信号转化为直流电压信号输出的过激磁保护方法，判断保护是否动作的方式灵活，既可直接使用硬件判断，也可通过软件采样进行间接判断；采用多段抛物线拟合反时限曲线，可以解决在拟合点上时间变化不平滑的问题；采用热效应积累判别算法真实反映了过激磁值动态变化过程中历史值的累积影响。
【专利说明】
用于过激磁保护的频率折算测量电路及过激磁保护方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种用于过激磁保护的频率折算测量电路及过激磁保护方法，属于电 力系统主设备继电保护技术领域。
【背景技术】
[0002] 在电力系统大、中型发电机或变压器保护中，反时限过激磁保护是防止过激磁时 引起铁芯过热而必配的保护。常规的反时限过激磁保护通常采用软件计算法来实现过激磁 倍数的测量，一般使用如下方法实现:通过电压互感器引入电压，采样电压信号得电压瞬时 值，分别数字计算电压量u值和频率量f?值，再合成计算u/f?值;或者先测量波形的过零点，计 算两个过零点之间的波形积分值，进一步换算成U/f值。
[0003] 使用上述两种算法存在以下问题：
[0004] (1)由于都要测量波形的过零点，所以保护计算的时间和频率的大小有关系，频率 越小，数据窗越长，计算速度越慢，固有延时越长，保护动作和返回时间越长；
[0005] (2)在测量过零点的时候，对于过零点是非采样点的情况，需要用插值法模拟，频 率测量存在误差；
[0006] (3)计算波形积分值时一般采用的是梯形拟合的算法，计算结果存在误差。
[0007] 过激磁保护所用反时限曲线是发电机或变压器制造厂家提供的实际过激磁极限 曲线，不同发电机或变压器对应不同的反时限曲线，很难用一种数学表达式来精确描述反 时限关系，常采用多折线来拟合反时限曲线，根据这些折线计算不同过激磁倍数值下的动 作时限ts，然后与计时器tj值比较，当tj2ts时，过激磁保护动作。
[0008] 使用上述算法存在以下问题：
[0009] (1)折线法计算动作时限ts在拟合点附近变化不平滑，当过激磁值产生较小晃动 的时候，计算得到的ts误差较大，经常无法满足时间精度要求；
[0010] (2)时间判据是建立在进入反时限曲线的过激磁值静态不变的条件下，而实际过 激磁值是动态变化的，如果没有考虑历史过激磁值的影响，会带来不确定的时间偏差。
[0011] 因此提出一种能够瞬时测量过激磁倍数，计算铁芯热积累情况的专用过激磁算法 将很有必要。
【发明内容】
[0012] 本发明为了解决现有技术中存在的上述缺陷和不足，提供了一种用于过激磁保护 的频率折算测量电路及过激磁保护方法。
[0013] 为解决上述技术问题，本发明提供一种用于过激磁保护的频率折算测量电路，包 括电源VDD，地GND，运算放大器A1、运算放大器A2,二极管VI、二极管V2,采样电阻R1，采样电 容C1，电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7，滤波电阻R8和滤波电容C2;待测信 号Vi连接采样电阻R1的一端，R1的另一端分别通过采样电容C1接地GND、通过电阻R3连接到 运算放大器A1的正输入端、通过电阻R6和连接端运算放大器A2的正输入端;运算放大器A1 的负输入端分别与二极管VI的负极和电阻R4的一端相连，并通过电阻R2接地GND，运算放大 器A1的输出端分别与二极管VI的正极和二极管V2的负极相连;二极管V2的正极和电阻R4的 另一端相连，并通过电阻R5连接到运算放大器A2的负输入端，电阻R7将运算放大器A2的负 输入端和运算放大器A2的输出端连接在一起;运算放大器A2的输出端通过滤波电阻R8与输 出信号Vo相连，输出信号Vo通过滤波电容C2接地GND。
[0014] 进一步，电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7的阻值满足下列关系式： R2 = R3 = R4 = R5 = R6，R7 = 2R2。
[0015]进一步，所述测量电路还包括保护电路，所述保护电路包括稳压管VD1和稳压管 VD2，稳压管VD1的正极和稳压管VD2的负极均与采样电阻R1和采样电容C1的连接处相连，稳 压管VD1的负极接电源VDD，稳压管VD2的正极接地GND。
[0016] 进一步，所述测量电路还包括温度补偿电路，所述温度补偿电路包括反温度系数 电容C3、反温度系数电容C4,反温度系数电容C3跟采样电容C1并联连接，反温度系数电容C4 跟滤波电容C2并联连接。
[0017] 过激磁保护方法，包括以下步骤：
[0018] 步骤1，将待测信号接入权利要求1-4任一项所述的频率折算测量电路，所述频率 折算测量电路将待测信号频率的大小折算到交流电压的幅值上，使得输出电压的幅值与频 率成反比，同时，所述频率折算测量电路对输出电压的波形进行精细全波整流，滤波后输出 直流电压信号，通过调整电路中对应的电阻值和电容值使得直流电压值与过激磁倍数值成 正比；
[0019] 步骤2,采用直接判断和间接判断两种方法确定保护是否动作。
[0020] 其中，直接判断方法为，使用比较器将直流电压值和设定电压值进行比较，当直流 电压值大于设定电压值时，保护发信和跳闸。
[0021 ]间接判断方法具体包括以下步骤：
[0022]步骤2.1，对步骤1产生的直流信号采样得到过激磁瞬时值Uf;
[0023] 步骤2.2，离散实际过励磁反时限曲线，得到一组定值〇^，如），〇^141)，"_〇^， tn)…，（Ufm，U)，并用多段抛物线拟合法实现曲线拟合，具体算法如下：
[0024] 当 Uf<Ufo 时，时间定值 ts = to;
[0025] 当Ufn-dUfSUfnSUfW，且1 <n<m时，时间定值ts的计算公式为：
[0027] 当Ufm-i < Uf<UfJ寸，时间定值ts的计算公式为：
[0029] 当Uf 2UfJ寸，时间定值ts = tm;
[0030] 步骤2.3,进行热效应积累运算，得到热积累值M;
[0031] 步骤2.4,根据热积累值M判断保护是否动作：当M2 1时，保护发信和跳闸；当M〈1 时，保护返回。
[0032]所述步骤2.3具体为：
[0033]对于K时刻，过激磁瞬时值为Uf (k):当过激磁瞬时值Uf (k)小于反时限曲线最小值 时，热积累值M清零；当过激磁瞬时值Uf(k)大于反时限曲线最小值时，结合Uf(k)和步骤2.2 得到的抛物线拟合曲线的计算公式，计算得到瞬时时间定值t s(k);
[0034] 测量距上一次计算的间隔时间At (k) = t (k)-t (k-1)，t (k)为当前时刻的绝对时 标，t (k-1)为上一个计算时刻的绝对时标；
[0035] 计算热积累值M:当Uf(k)<UfQ时，M = 0;当Uf(k) 2Uf〇时， 其中，Uf〇 为反时限曲线的第一个拟合点。
[0036]本发明所达到的有益技术效果：
[0037] 本发明提供的用于过激磁保护的频率折算测量电路，该电路可以实时测量过激磁 倍数，转换速度快，精度高，在合适的电路参数下受频率影响小，且由于不用判别过零点，保 护固有延时短，有效满足了过激磁保护对动作时间和返回时间的需求;采用温度补偿电路， 可以有效防止温度变化带来的精度误差。
[0038] 本发明还提供一种过激磁保护方法，该方法通过上述频率折算测量电路将待测信 号转化为直流电压信号输出，判断保护是否动作的方式灵活，既可直接使用硬件判断，也可 通过软件采样进行间接判断，间接判断时计算量少，实时性好;采用多段抛物线拟合反时限 曲线，可以解决在拟合点上时间变化不平滑的问题，提升动作时间精度;采用热效应积累判 别算法可以克服常规的时间比较式反时限算法中无法准确反映过激磁值动态变化过程的 缺陷，真实反映了过激磁值动态变化过程中历史值的累积影响，保护动作时间精度更高，物 理含义更加明确，判别更加科学准确。
【附图说明】
[0039]图1本发明之频率折算测量电路原理图；
[0040] 图2本发明之保护电路与频率折算测量电路连接示意图；
[0041] 图3本发明之温度补偿电路与频率折算测量电路连接示意图；
[0042] 图4本发明之实施例中频率折算测量电路图；
[0043] 图5本发明之过激磁保护方法流程示意图；
[0044] 图6本发明之多段抛物线拟合法示意图。
【具体实施方式】
[0045] 下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明 的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0046] 如图1所示，本发明提供的用于过激磁保护的频率折算测量电路，包括电源VDD，地 GND，运算放大器A1、运算放大器A2,二极管VI、二极管V2,采样电阻R1，采样电容C1，电阻R2、 电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7，滤波电阻R8和滤波电容C2;待测信号Vi连接采样 电阻R1的一端，R1的另一端分别通过采样电容C1接地GND、通过电阻R3连接到运算放大器A1 的正输入端、通过电阻R6和连接端运算放大器A2的正输入端;运算放大器A1的负输入端分 别与二极管VI的负极和电阻R4的一端相连，并通过电阻R2接地GND，运算放大器A1的输出端 分别与二极管VI的正极和二极管V2的负极相连;二极管V2的正极和电阻R4的另一端相连， 并通过电阻R5连接到运算放大器A2的负输入端，电阻R7将运算放大器A2的负输入端和运算 放大器A2的输出端连接在一起;运算放大器A2的输出端通过滤波电阻R8与输出信号Vo相 连，输出信号Vo通过滤波电容C2接地GND。在使用过程中，为了更好的保证输出信号的电压 值与过激磁倍数值成正比，电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7的阻值满足下 列关系式:R2 = R3 = R4 = R5 = R6，R7 = 2R2。
[0047] 为了保护运算放大器A1、运算放大器A2和后继电路不损坏，所述测量电路还包括 保护电路，所述保护电路包括稳压管VD1和稳压管VD2,稳压管VD1的正极和稳压管VD2的负 极均与采样电阻R1和采样电容C1的连接处相连，稳压管VD1的负极接电源VDD，稳压管VD2的 正极接地GND，如图2所示。
[0048] 所述测量电路还包括温度补偿电路，可以减少温漂对电路测量精度的影响，所述 温度补偿电路包括反温度系数电容C3、反温度系数电容C4,反温度系数电容C3跟采样电容 C1并联连接，反温度系数电容C4跟滤波电容C2并联连接，如图3所示。
[0049] 作为本发明的【具体实施方式】，如图4所示，电路中所需电子元器件的具体参数为： Rl = 220K，R2 = R3 = R4 = R5 = R6 = 10K，R7 = 20K，R8 = 120K，Cl = 0.1u，C2 = 0.047u，二极管 VI和二极管V2的型号均为1SS355,可以更好的说明本发明提供的用于过激磁保护的频率折 算测量电路的技术效果。
[0050] 该电路可以将待测信号频率的大小折算到交流电压的幅值上，使得输出电压的幅值 与步页率成反比，从图4中可以看出，输出电压
其中f为输入信号的频率，因此，可以看出输出电压t的幅值与过激磁倍数成正比，且转换 速度快。
[0051] 输出电压V」经过运算放大器A1电路处理后得到信号Vz，计算公式为：
V〇,计算公式为： % > 0 二 ^信号Vz经过运算放大器A2电路处理后得到输出信号 % <§
[0053]将Vz的计算结果带入上式，可得:二。
[0054]综上，频率折算测量电路可以实时测量过激磁倍数，其结果转换速度快，精度高， 受频率影响小，且由于不用判别过零点，保护固有延时短，有效满足了过激磁保护对动作时 间和返回时间的需求。
[0055]如图5所示，本发明提供一种过激磁保护方法，包括以下步骤：
[0056]步骤1，将待测信号接入权利要求1-4任一项所述的频率折算测量电路，所述频率 折算测量电路将待测信号频率的大小折算到交流电压的幅值上，使得输出电压的幅值与频 率成反比，同时，所述频率折算测量电路对输出电压的波形进行精细全波整流，滤波后输出 直流电压信号，通过调整电路中对应的电阻值和电容值使得直流电压值与过激磁倍数值成 正比；
[0057]步骤2,采用直接判断和间接判断两种方法确定保护是否动作。
[0058]其中，直接判断方法为，使用比较器将直流电压值和设定电压值进行比较，当直流 电压值大于设定电压值时，保护发信和跳闸。
[0059] 间接判断方法具体包括以下步骤：
[0060] 步骤2.1，对步骤1产生的直流信号采样得到过激磁瞬时值Uf;
[0061] 步骤2.2,离散实际过励磁反时限曲线，并用多段抛物线拟合法实现曲线拟合。现 有技术中一般算法使用折线法拟合曲线，误差较大，且在定值点附近变化不平滑，斜率发生 突变，当过激磁值产生较小晃动的时候，计算得到的时间误差也较大。如图6所示，采用多段 抛物线拟合法进行曲线拟合，拟合曲线误差小，更接近实际曲线，且在定值点附近比较平 滑，不会产生斜率突变的问题，拟合算法如下：
[0062] 离散实际过励磁反时限曲线，得到一组定值- (Ufm，u)，并用多段抛物线拟合法实现曲线拟合，具体算法如下：
[0063] 当UfCUfo时，时间定值ts = to;
[0064] 当Ufn-WUKKUfW，且1 <n<m时，时间定值ts的计算公式为：
[0066] 当Ufm-i < Uf<UfJ寸，时间定值ts的计算公式为：
[0068] 当Uf 2 UfJ寸，时间定值ts = tm;
[0069] 步骤2.3,进行热效应积累运算，得到热积累值M;
[0070]对于K时刻，过激磁瞬时值为Uf (k):当过激磁瞬时值Uf (k)小于反时限曲线最小值 时，热积累值M清零；当过激磁瞬时值Uf(k)大于反时限曲线最小值时，结合Uf(k)和步骤2.2 得到的抛物线拟合曲线的计算公式，计算得到瞬时时间定值t s(k);
[0071 ]测量距上一次计算的间隔时间At (k) = t (k)-t (k-1)，t (k)为当前时刻的绝对时 标，t (k-1)为上一个计算时刻的绝对时标；
[0072] 计算热积累值M:当Uf(k)<Ufo时，M = 0;当Uf(k) 2Ufo时， 其中，Ufo 为反时限曲线的第一个拟合点。
[0073] 步骤2.4,根据热积累值M判断保护是否动作：当M2 1时，保护发信和跳闸；当M〈1 时，保护返回。
[0074] 采用热效应积累判别算法可以克服常规的时间比较式反时限算法中无法准确反 映过激磁值动态变化过程的缺陷，真实反映了过激磁动态变化过程中历史值的累积影响。
[0075] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形 也应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 用于过激磁保护的频率折算测量电路，其特征在于:包括电源VDD，地GND，运算放大 器AU运算放大器A2,二极管VI、二极管V2,采样电阻Rl，采样电容Cl，电阻R2、电阻R3、电阻 R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7，滤波电阻R8和滤波电容C2;待测信号Vi连接采样电阻Rl的一 端，Rl的另一端分别通过采样电容Cl接地GND、通过电阻R3连接到运算放大器Al的正输入 端、通过电阻R6和连接端运算放大器A2的正输入端;运算放大器Al的负输入端分别与二极 管Vl的负极和电阻R4的一端相连，并通过电阻R2接地GND，运算放大器Al的输出端分别与二 极管Vl的正极和二极管V2的负极相连;二极管V2的正极和电阻R4的另一端相连，并通过电 阻R5连接到运算放大器A2的负输入端，电阻R7将运算放大器A2的负输入端和运算放大器A2 的输出端连接在一起;运算放大器A2的输出端通过滤波电阻R8与输出信号Vo相连，输出信 号Vo通过滤波电容C2接地GND。2. 根据权利要求1所述的用于过激磁保护的频率折算测量电路，其特征在于：电阻R2、 电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7的阻值满足下列关系式:R2 = R3 = R4 = R5 = R6，R7 = 2R2〇3. 根据权利要求1所述的用于过激磁保护的频率折算测量电路，其特征在于:所述测量 电路还包括保护电路，所述保护电路包括稳压管VDl和稳压管VD2,稳压管VDl的正极和稳压 管VD2的负极均与采样电阻Rl和采样电容Cl的连接处相连，稳压管VDl的负极接电源VDD，稳 压管VD2的正极接地GND。4. 根据权利要求1所述的用于过激磁保护的频率折算测量电路，其特征在于:所述测量 电路还包括温度补偿电路，所述温度补偿电路包括反温度系数电容C3、反温度系数电容C4， 反温度系数电容C3跟采样电容Cl并联连接，反温度系数电容C4跟滤波电容C2并联连接。5. 过激磁保护方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤1，将待测信号接入权利要求1-4任一项所述的频率折算测量电路，所述频率折算 测量电路将待测信号频率的大小折算到交流电压的幅值上，使得输出电压的幅值与频率成 反比，同时，所述频率折算测量电路对输出电压的波形进行精细全波整流，滤波后输出直流 电压信号，通过调整电路中对应的电阻值和电容值使得直流电压值与过激磁倍数值成正 比； 步骤2,采用直接判断和间接判断两种方法确定保护是否动作。6. 根据权利要求5所述的过激磁保护方法，其特征在于:直接判断方法为，使用比较器 将直流电压值和设定电压值进行比较，当直流电压值大于设定电压值时，保护发信和跳闸。7. 根据权利要求5所述的过激磁保护方法，其特征在于：间接判断方法具体包括以下步 骤： 步骤2.1，对步骤1产生的直流信号采样得到过激磁瞬时值Uf; 步骤2.2,离散实际过励磁反时限曲线，得到一组定值（Ufo，to) ,(Ufht1)^-OJfn, tn)~，（Ufm，tm)，并用多段抛物线拟合法实现曲线拟合，具体算法如下： 当Uf CUfo时，时间定值ts = to; 当Ufn-! < Uf <Ufn<Ufn+1，且I ^ n<m时，时间定值ts的计算公式为： 彐 Uf 乙 UImH、J ,H、J |HJTE/La_ts = tm;步骤2.3，进行热效应积累运算，得到热积累值Μ; 步骤2.4，根据热积累值M判断保护是否动作：当M 2 1时，保护发信和跳闸；当M〈1时，保 护返回。8.根据权利要求7所述的过激磁保护方法，其特征在于，所述步骤2.3具体为： 对于K时刻，过激磁瞬时值为Uf (k):当过激磁瞬时值Uf (k)小于反时限曲线最小值时，热 积累值M清零；当过激磁瞬时值Uf(k)大于反时限曲线最小值时，结合Uf(k)和步骤2.2得到的 抛物线拟合曲线的计算公式，计算得到瞬时时间定值t s(k); 测量距上一次计算的间隔时间Λt(k) = t(k)-t (k-1)，t(k)为当前时刻的绝对时标，t (k-Ι)为上一个计算时刻的绝对时标； 计算热积累值M:当IKkXUfo时，M=O;当Uf (k) 2 Ufo时声其中，Ufo为反时 ^ ， 限曲线的第一个拟合点。
【文档编号】G01R33/00GK105891738SQ201610368898
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年5月30日
【发明人】包明磊, 徐业荣, 桑建斌, 李明
【申请人】南京国电南自电网自动化有限公司