随着国民经济的迅猛增长和电力工业的长足发展，我国电力系统现已步入了以大电网、大机组、高电压等级为特征的新阶段，相当数量的300-700 MW大型汽轮和水轮发电机组已经或即将投入运行，大型机组的继电保护问题也因此得到了更多的关注。运行经验表明：对发电机破坏最为严重的是定子绕组匝间短路、相间短路、分支开焊、断线等的定子绕组非接地不对称故障。在各种保护方案中，基于故障分量的负序功率方向保护由于结构简单、选择性好、灵敏度高、动作 迅速、适应多种绕组结构以及反映多种故障类型等诸多优点而得到了广泛应用。然而，实际判据分析表明：对于大型发电机，其灵敏度受到限制。因此，本文在分析负序功率方向保护和定子接地保护灵敏度的基础上，对如何提高保护装置数据采集精度和计算精度进行了探讨，以提高大型发电机主保护和定子接地保护的灵敏度。
1 负序功率方向保护和定子接地保护判据分析
1.1负序功率方向保护
(1)起动判据
(△I f2,ω(t)〉 εifU(△U 2,ω(t)〉εu) (1)
式中 △I f,2ω—— 励磁绕组中二次谐波电流故障分量;
△U 2,ω——机端基波负序电压故障分量，当转子侧电流难以获取时，可用机端三谐波正 序电压△U 1，3ω代替△I f，2ω。
(2)方向判据
上述保护方案原则上通过判别△S2极性即可区分故障方向，因此对2并联分支绕组结构的发电机具有较高的灵敏度和可靠性。然而在并联多分支绕组情况下(如大型水轮发电机)，负序电流和电压故障分量与短路匝数成正比，与并联分支数成反比，而故障分量负序功率与短路匝数平方成正比，与并联分支数平方成反比，与之类似△I f,2ω或△U 1,2ω加也会有较大程度衰减，由此 导致起动判据和方向判据动作量急剧减小;另一方面，由于△S2的获得经历了多个硬件环节，而每个环节都会带来一定的误差，从而导致 在一次系统正常运行时也存在非零且无规则变化的△S2 计算输出，必需通过整定值εs来躲，因而，在并联多分支绕组的大型水轮发电机(如三峡水电站700MW机组)发生轻微匝间短路故障时，上述保护灵敏度受到限制。
1.2定子接地保护
定子绕组单相接地故障是发电机最常见的故障之一，且往往是相间或匝间短路的先兆。因此，定子接地保护对预防绕组严重短路故障具有重要意义。目前，有采用自适应判据来保护发电机中性点附近的绕组，其判据式为
该判据通过比较计算周期t cc前后U 3T和U 3N的相对变 化来检测故障，因而具有结构简单、灵敏度高的优点。判据的灵敏度取决于βset的整定，而为躲开正常运行时U3T/U3N的轻微变化及计算误差，β set不 能无限制地减小，由此导致对于大型发电机，特别是大型水轮发电机，其灵敏度亦受到限制。
2 提高保护装置采集精度和计算精度的必要性及措施
根据以上分析可知，要提高大型发电机特别是大型水轮发电机定子不对称故障和接地故障保护的灵敏度，必须有效地消除或减少正常运行时公式 (1)—(4)的不平衡输出，以降低整定值ω s，和β set，而这些不平衡输出又与装置的采集误差和计 算误差有密切联系。
2.1 数据采集精度
微机保护装置的数据采集系统一般由采样保持器(S/H)、多路转换器(MUX)、缓冲放大器(BUF)和模数转换器(ADC)级联而成，如图1所示。
其分辨率可由1 LSB=M/2n来表征，其中M为动态范围，n为ADC位数，目前多为12位。由于电流通道往往要求有20Ie的动态范围，即M=20Ie。因此，要检测定子绕组的轻微故障，必须在不影响采样率的前提下提高采集系统的分 辨率。一般方法是采用高分辨率的ADC(n=14—16)来减小LSB，但这种方法对提高信噪比没有帮助，额定工况或轻微故障时输入信号水平较低，易受数据采集系统噪声电子的干扰;另一种方法是根据输入信号水 平灵活切换动态范围，即M可变，具体方法如图2所示。
输入信号V1一方面直接进入数据采集通道 CHl(动态范围20Ie);另一方面经过可变增益放大器(PGA)前置放大后，进入数据采集通道CH2(输入钳位)。CPU根据当前工频周期V1的 幅值(CHl通道采集数据经傅氏算法或其它算法计算所得)调整 PGA的增益，使PGA输出信号水平在满量程的2/ 3以上，一方面相当于缩小了动态范围，提高了分辨率;另一方面也有助于提高信噪比。当定子绕组正常或发生轻微故障时，CH1-2均不溢出，CPU根据 CH2的高分辨率采集数据进行保护计算，以提高灵敏度(CH2通道采集数据由溢出标志、采样数值和 PGA增益3部分共同组成);当发生严重故障时， CH2通道溢出，此时CPU根据CH1通道采集数据进行保护计算，并调整PGA增益使CH2不再溢出。上述2种方法结合使用会收到更好的效果。需要特别说明的是，定子接地保护零序电压中3次谐波分量与基波成份相比是非常小的，为了提高信噪比和分辨率，应采用模拟滤波器滤出U3T、U3N后 再进行采集，但2滤波通道要有很好的一致性。
在图1所示的高精度数据采集系统中，S/H、 MUX和BUF的温漂、时漂和失调电压、偏置电流的影响在一个较短的时间内可看作是直流偏移，故不会影响基于故障分量的起动判据和方向判据。然而 S/H和BUF本身及外围电路的噪声，MUX各通道导通电阻的不一致以及全动态范围内的不平衡所带来的误差，都是故障分量算法所不能消除的，因此必须在器 件选择电路设计中给予高度注意。此外，S/ H和BUF的带宽(摆率或建立时间)也是一个值得关注的指标。
2.2计算误差
前述2种保护方案中应用最多也最为关键的算法是傅氏算法，其实部和虚部分别为：
数，而基于定点微处理器V40(16位)和lnlel386EX (32位)的微机保护装置[3-5] ，无法在短暂的 采样中断处理时间中完成上述浮点运算。因此，程序中采用了长整型运算，并用近似值来代替(如用7/8代替COS 30°，Ф2，取 60°等)，且计算中必需考虑动态范围的限制，由此给判据(3)、(4)带来了一定的计算误差，且无特定规律可循。当定子绕组发生轻微不对称或接地故障时，特征信号故障分量较为微弱、上述计算误差对整定值以至保护灵敏度的影响就不能忽视了。对此，一个较好的解决办法就是采用32位浮点处理器，既减小了计算误差，又提供了更大的动态范围。此外，整定值也可直接以浮点数据的形式存放并参与运算、比较，极大地简化了程序初始化中的整定值转换部分，缩短了程序引 导时间，这对于保护装置而言是非常重要的。需要特别指出的是，对于基于 3次谐波零序电压的定子接地保护方案，每工频周期12点采样率使3次谐波每周期内只有4个采样点，不利于U3T和U3N的精确计算，因此可适当提高采点， 不利于U3T和U3N的精确计算，因此可适当提高采样率。
公式(4)通过比较tcc前后U3T/U3N的 变化情况来检测故障。为了减小正常工况下的平衡输出，一种方法是缩短计算周期tcc;另一种方法是将t-tcc及以前时刻U3T/U3N进行直线或曲线拟合，并根据拟合结果外推t时刻的U3T/U3N， 替代U3T(t—tcc)/U3N(t—tcc)作为正常工况下的预测值，以减小预测误差和不平衡输出，此时公式(4)演变为：
3 结束语
本文对影响发电机定子非接地不对称故障和接地故障微机保护灵敏度的诸多因素进行了分析，对提高采集精度和计算精度的措施进行了探讨，认为： (1)采用可变动范围的数据采集系统与高分辨率 ADC器件相结合，能够有效提高数据采集精度;(2)采用32位浮点处理器进行傅氏算法计算，能够在保证实时性同时大幅度降低计算误差;(3)采用直线或 曲线拟合技术能够减小定子接地自适应保护判据的预测误差。
