电压互感器(PT)断线保护算法分析-何长平

何长平1、孔丽君2、吴高强3、朱朝领4

(向家坝水力发电厂，四川 宜宾 4600)

文章摘要：本文分析了PT断线保护的各种算法，比较了各种算法在硬件和软件上的优点和缺点，分析了双PT采样比较法的定值整定问题，并提出了规避PT断线误判或漏判的方法。

关键词：电压互感器 PT 断线 算法 流程 定值

中国分类号：TM571;    文献标识码：A

1引言

在电力系统许多自动化装装置中均有三相交流电压测量，都是通过电压互感器（PT）将一次电压转换成二次相对较低，控制、测量设备能够采集的电压信号。当电压互感器（PT）断线就会造成测量错误，从而导致自动控制装置误判断误动作，因而设置电压互感器（PT）断线保护是自动化装置自身容错的必要措施。本文主要以数字化自动装置为例，介绍各种电压互感器PT断线算法原理，并对这些算法进行分析比较，为快速准确判断电压互感器（PT）断线提出了相关建议和保证措施。

PT断线的算法较为常用的是双PT电压比较法，这种算法直观，易于理解。其次是单PT相电压比较法以及单PT零电压比较法。这两种算法简单，测量电路简单。下面对各种测量方法以及软件算法进行介绍比较。

2双PT电压比较

双PT电压比较，就是测量连接在相同电位点的两组PT电压值，比对两组PT电压差值u，如超出正常差值则可判定电压较低的一组PT断线，即min(U1，U2)小的一组PT断线。这种算法原理简单，由于采样方式有交直流两种方式，所以就有了两组交流采样比较方式和一交流一直流采样的比较方式，或两组均为直流采样的比较方式。

2.1双PT交流采样比较法

2.1.1双PT交流采样比较法的原理

双PT交流采样比较法就是两组PT测量值均为交流采样，如傅氏算法，一个周期可等距采样12点（或16点），用傅氏算法算出交流电压的实部和虚部，然后计算出电压有效值U1，U2以及U＝｜U1-U2｜，当U大于某一定值时就可以判断min(U1，U2)的一组PT断线。

2.1.2双PT交流采样比较法的优缺点

由于两组PT均采用交流采样，测量实时性好，PT断线判断时滞小。如果采用傅氏算法，两组PT的6个相电压并不需要严格的同步采样保持，对A/D转换要求不高。缺点是硬件相对复杂，计算量大，程序复杂。

2.1.3双PT交流采样比较法的算法流程

见图2

2.2 双PT直流采样比较方式

2.2.1双PT直流采样比较法的原理

双PT直流采样比较法与双PT交流采样比较法相同，都是将同一节点的两组PT引入装置。只是直流采样比较是将两组PT电压经整流变成直流并通过阻容网络无源滤波后进行A/D转换。A/D转换后直接获得U1，U2，再计算U＝｜U1-U2｜，当U大于设定值，根据min(U1,U2)便可判断出电压值较小的为断线组PT。

2.2.2双PT直流采样比较法的优缺点

直流采样比交流采样软件、硬件都要简单。交流采样每组PT要采3相电压，占用3个采样通道，而直流采样每组PT只占用1个采样通道。交流采，如傅氏算法比直流采样的计算程序要复杂得多，计算量也相当大。但直流采样由于无源滤波时间常数远比交流采样滤波时间常数大。因此不利于PT断线保护的实时性要求。

由于控制、测量装置往往需要计算有功功率和无功率，必须要交流采样。因此这种双PT直流采样比较法做PT断线判断的装置，为了计算有功、无功我们至少得对其中一组PT再进行交流采样，这样测量电路会比双PT交流采样更复杂，软件开销并不划算。因此在实际工程或产品设计中基本上见不到这种测量算法。故略去其算法流程。

2.3 双PT交直流采样比较法

2.3.1双PT交直流采样比较法的原理

所谓双PT交&直流采样法即将两组PT电压均引入装置，其中一组PT采用交流采样，另一组采用直流采样。其算法原理与双PT交流、双PT直流采比较法相同。如图4。

2.3.2双PT交直流采样比较法的优缺点

     这种算法的最大优点在于外围测量硬件电路相对简单，占用A/D采样保持通道数介于双PT交流采样和双PT直流采样法之间。交流采样的PT组电压由于傅氏算法具有数字滤波功能，所以硬件电路中的无源滤波时间常数较小，可用于实时控制反馈量，比直流采样用于实时控制的动态品质好得多。同时其测量值还可用于有功功率和无功率的计算，省去相关功率变送器，装置可靠性、性价比因此大幅提高，因而这种测量算法被广泛用于我们的实际工程和实际产品中。

这种测量算法的最大缺点是由于两组PT电压采样的时间常数有较大区别，因而在被测量电压发生电压突变时，如发电机起励阶段以及电网震荡时。两组PT的测量值会有差异，交流采样的PT1电压比直流采样的PT2电压大，即U＝U1-U2>0，当U足够大时就会误发PT断线信号。下面就发电机零起升压过程进行分析。

如图5所示，发电机起励过程，PT1由于采用交流采样时间常数非常小，基本与发电机电压上升保持一致。PT2由于采用直流采样，时间常数较大，为了消除纹波不得不选用较大的滤波电容。很明显，在T1时刻，两组PT的采样值有较大差值。如果机组电压突变幅值较大，直流采样滤波时间常数如果选取不当，U就会超过整定值误判PT断线。

 双PT交&直流采样比较法算法流程与双PT交流采样以及双PT直流采样算法相同。因此本文不把程序流程图省略。

2.4双PT采样比较法定值整定的研究

通常我们考虑PT的某一相断线作为定值计算的依据。在交流采样使用傅氏算法时，我们是对3相电压分别采样并进行A/D转换。然后把3相电压求算术平均值，很显然，假设交流采样PT的某一相断线则该相电压0，电压平均值减少33%UN。考虑一定裕度，U＝U1-U2>(20%~25%)UN作为PT断线判据较为恰当。

如图3所示，双PT直流采样，Ud=1.35U2，当U2的某一相断线后Ud=0.9U2，很显然断线前后的差值按标幺值计算为(1.35-0.9)/1.35×100%=33%。交流采样PT如果2相断线，则两PT差值减少66%UN，3相断线则两PT电压差值为100%UN。而直流采样PT只要断线相数达到2相以上则输出为0，两PT差值则100% UN，由此可知双PT比较法无论哪种情况断线两PT测量差值ㄧUㄧ≥33%UN，因此将PT断线定值设为(20%~25%)UN作为PT断线的判据是可行的。

在实际工程中，当该定值大于20%UN出现过拒动。究其原因，是“断线”并非完全开路性断线，而是似断非断的“接触不良”。由于直流PT采样的滤波常数很大，而交流采样也是三相平均值，因此数字滤波，计算值也存在一定的时间的迟滞，因此漏判是有可能发生的。解决此问题的办法一是交流采样用于PT断线的值尽量减少滤波迟滞，二是适当降低ㄧUㄧ的整定值，试验证明在（15%~20%）UN之间较为理想。但此时要特别注意1.3（2）图4中提到的问题。尽可能减小滤波电容值。否则电压大幅突变时容易误判。

3单PT交流采样相电压比较法

3.1 相电压比较法

3.1.1相电压比较法测量及算法原理

如图6所示，三相交流采样得到UA、UB、UC，求出Umax{ UA、UB、UC}，Umin{ UA、UB、UC}，如果U＝Umax-Umin>10%Ue即可判定PT断线。这种算法必须考虑非对称短路或单相、两相接地时的情况。当我们发现最低相的电流如果为最大值并且远远大于电压最高相电流，即使U＝Umax-Umin>10%Ue我们也可排除PT断线，避免误判误发报警信号。较为简单的办法可以通过计算不对称电流，如果发生非对称短路或单相或两接地故障，I应远远大于0。

3.1.2相电压比较法的优缺点

这种测量算法优点很多。首先是硬件电路特别简单。第二是交流采样实时性好。第三是软件编程简单。唯一的缺点是相电压比较法就是在排除非对称短路及接地故障时要通过判断3相电流的平衡情况，逻辑相对复杂一些。

3.1.3相电压比较法的流程图（图7）

3.2 单PT交流采样不平衡电压测量法

3.2.1不平衡电压测量法原理

  硬件电路与单PT相电压比较法完全相同。如图6所示，当发电机及系统正常运行、PT采样正常时，。当PT断线，出现不平衡电压，当大于某一定值时即可作为PT断线充分条件。与相电压比较法相同的地方是，同样要考虑非对称短路和单相或两相接地时的情况，因为这种情况下。事实上，仅就电量测量而言，再做这种非对称短路或接地故障来排除PT断线根本没有任何意义。因为这种时候与PT断线情况一样电量测量总是不正确的，测量值没有实际意义。只是对于某一些特殊装置，由于误判PT断线可能会影响到一些重要功能。如发电机励磁装置，它要求在非对称短路或接情况下也能提供有效的强励功能。但是，双通道励磁调节器，在PT断线时通常切换到另一通道，如果另一通道同样有PT断线，则调节器会由AVR自动电压调节模式转换到ECR（或称FCR）励磁电流调节模式，而这种调节模式是没有强励功能的。因此单PT交流采样法在励磁调节器中应用时应考虑线路接地或非对称短路故障。同样我们可以通过计算且大于某一定值时作为排除PT断线的依据。

3.2.2不平衡电压测量法的优点与相电压比较法一样，硬件简单，原理可靠，实时性好。

3.2.3不平衡电压测量法流程图（图8）

4结束语

PT断线我们还可以把测量小PT的接线组别设计成D/Y0模式，当原边断线时我们可以通过相位分析来判断是否断线。但这种算法更复杂，CPU资源开销非常大。因此本文不作介绍。在前面介绍双PT电压比较法中，用得较为普遍的是1.3中介绍的交直流采样方法以，其实它就是双PT交流采样和双PT直流采样的一个折衷方案。纵综合来看还是单PT测量的相电压比较法和不平衡电压测量两种算法的软件，硬件更简单。综合比较见表1：

表1

【1】陆继明、毛承雄等《同步发电机微机励磁控制》第五章第二节《交流电压测量》；

【2】Siemens公司《三峡左岸励励磁软件图册》。

作者简介：何长平，1962，男，四川达县，高级工程师。