一種新模式常規(guī)采樣GOOSE跳閘變壓器保護(hù)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

陳繼瑞，劉立功，李 旭，鄧茂軍，張營(yíng)偉，李寶偉

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一種新模式常規(guī)采樣GOOSE跳閘變壓器保護(hù)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

陳繼瑞，劉立功，李 旭，鄧茂軍，張營(yíng)偉，李寶偉

(許繼集團(tuán)有限公司，河南 許昌 461000)

為解決智能變電站復(fù)雜數(shù)字采樣回路環(huán)節(jié)引起的采樣數(shù)據(jù)異常，提出一種新模式的常規(guī)采樣GOOSE跳閘變壓器保護(hù)設(shè)計(jì)方法。利用NPI插件實(shí)現(xiàn)模擬量雙AD直接采樣的新采樣回路并兼容GOOSE信息傳輸，同時(shí)配合基于滑動(dòng)數(shù)據(jù)窗的雙AD實(shí)時(shí)采樣數(shù)據(jù)互校驗(yàn)判據(jù)，用于監(jiān)測(cè)采樣數(shù)據(jù)的有效性。另外，針對(duì)特高壓變壓器涌流特性，提出了一種分相差流諧波或閉鎖、非間斷點(diǎn)開放的綜合勵(lì)磁涌流識(shí)別判據(jù)。仿真結(jié)果表明，綜合勵(lì)磁涌流識(shí)別判據(jù)可以應(yīng)用于新模式的變壓器保護(hù)。

變壓器；智能變電站；滑動(dòng)數(shù)據(jù)窗；常規(guī)采樣；勵(lì)磁涌流；雙AD

0 引言

隨著智能變電站在電網(wǎng)中大批量長(zhǎng)時(shí)間地運(yùn)行，采樣回路異常導(dǎo)致的保護(hù)裝置拒動(dòng)、誤動(dòng)現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。由于目前的智能變電站保護(hù)裝置主要以電子互感器、采集器、合并單元等模式來(lái)實(shí)現(xiàn)采樣回路數(shù)字化，而新常規(guī)采樣的源端直接在保護(hù)裝置，通過(guò)NPI插件實(shí)現(xiàn)雙AD采樣，結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖1所示；這就導(dǎo)致數(shù)字化采樣回路的采樣環(huán)節(jié)較多，再者電子互感器、采集器、合并單元等裝置的技術(shù)局限性及高精度的數(shù)據(jù)同步性等要求，很容易引起采樣數(shù)據(jù)異常，且異常問(wèn)題難定位[1-2]。

針對(duì)數(shù)字化采樣的缺點(diǎn)，結(jié)合GOOSE跳閘的優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)新的變壓器保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)規(guī)范，給出了一種新模式的常規(guī)采樣GOOSE跳閘的變壓器保護(hù)的設(shè)計(jì)方法。常規(guī)采樣指利用PowerPC處理器的處理速度，實(shí)現(xiàn)保護(hù)裝置直接對(duì)模擬量進(jìn)行雙AD數(shù)據(jù)采樣；GOOSE跳閘指通過(guò)光纖與交換機(jī)實(shí)現(xiàn)保護(hù)出口或變電站二次繼電保護(hù)間聯(lián)閉鎖及失靈啟動(dòng)等信息的傳輸，同時(shí)結(jié)合雙AD采樣校驗(yàn)和差流二次諧波與非間斷點(diǎn)綜合判別的輔助判據(jù)把關(guān)，保證了變壓器保護(hù)動(dòng)作的可靠性。

圖1 采樣模式對(duì)比

以下主要從新常規(guī)采樣回路、GOOSE跳閘回路、輔助判據(jù)等方面介紹新模式變壓器保護(hù)的設(shè)計(jì)方案。

1 新常規(guī)采樣模式的采樣回路設(shè)計(jì)方案

傳統(tǒng)的常規(guī)采樣一般為“一啟動(dòng)、一動(dòng)作”的雙DSP處理器串聯(lián)模式，不僅處理速度慢且浪費(fèi)資源。而新常規(guī)采樣模式的采樣回路設(shè)計(jì)方案，主要基于NPI插件的FPGA重采樣與透?jìng)鞴δ芤约靶碌膯蜳owerPC處理器模式[3-4]，設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示。

圖2 新常規(guī)采樣模式流程圖

具體實(shí)現(xiàn)步驟如下。

(1) 由外部時(shí)鐘或主CPU插件內(nèi)部晶振提供1PPS秒脈沖源。

(2) 保護(hù)CPU的FPGA經(jīng)裝置背板以太網(wǎng)將1PPS脈沖傳給主NPI插件的CPU單元。當(dāng)模擬量采集回路較多時(shí)，主機(jī)箱通過(guò)級(jí)聯(lián)擴(kuò)展子機(jī)箱來(lái)解決；即通過(guò)單模光纖將主機(jī)箱的脈沖擴(kuò)展插件與子機(jī)箱的脈沖擴(kuò)展插件連接起來(lái)，將1PPS脈沖傳輸給子機(jī)箱的主NPI插件CPU單元，同時(shí)把主機(jī)箱與子機(jī)箱的主NPI通過(guò)多模光纖級(jí)聯(lián)，將子機(jī)箱的采樣傳給主機(jī)箱保護(hù)CPU，主機(jī)箱的采樣級(jí)聯(lián)回路如圖3所示。

主機(jī)箱的脈沖擴(kuò)展插件來(lái)完成1PPS脈沖信號(hào)由電平信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)；子機(jī)箱的脈沖擴(kuò)展插件主要完成1PPS脈沖信號(hào)由光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電平信號(hào)，子機(jī)箱的采樣級(jí)聯(lián)回路如圖4所示。

(3) 主機(jī)箱的主NPI插件CPU收到1PPS脈沖的時(shí)間戳后，先記錄1PPS脈沖的時(shí)間戳，然后向主NPI的FPGA發(fā)送固定間隔為0.833 ms的采樣脈沖產(chǎn)生時(shí)刻與發(fā)送使能位；當(dāng)主NPI的FPGA檢測(cè)到采樣脈沖使能位后，啟動(dòng)判別，當(dāng)FPGA時(shí)間大于等于采樣脈沖產(chǎn)生時(shí)刻時(shí)，立即向采集插件的FPGA產(chǎn)生一個(gè)采樣脈沖，同時(shí)清零使能位，NPI的重采樣原理如圖5所示。子機(jī)箱采樣原理與主機(jī)箱一樣，不再累述。

圖3 主機(jī)箱采樣回路圖

圖4 擴(kuò)展機(jī)箱采樣回路圖

(4) 采集插件收到主NPI的采樣脈沖后，立即對(duì)所有AD進(jìn)行采樣，并對(duì)所有模擬通道的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行打包后，發(fā)送給主NPI；當(dāng)主NPI的FPGA檢測(cè)到所有AD采樣完成后，向主NPI插件的CPU單元發(fā)送采樣完成標(biāo)志，并經(jīng)背板以太網(wǎng)透?jìng)鲾?shù)據(jù)包給保護(hù)CPU插件；當(dāng)配置子機(jī)箱時(shí)，子機(jī)箱的主NPI通過(guò)外部級(jí)聯(lián)光纖，將子機(jī)箱的采樣數(shù)據(jù)包發(fā)送給主機(jī)箱的主NPI，主機(jī)箱主NPI的FPGA通過(guò)配置文件識(shí)別出級(jí)聯(lián)模式，并對(duì)主NPI采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，等待與子機(jī)箱采樣數(shù)據(jù)同步后，一起透?jìng)鹘o主機(jī)箱的保護(hù)CPU，完成采樣全部采樣。

2 雙AD判別原理

針對(duì)新常規(guī)采樣的單CPU模式，為了確保數(shù)據(jù)采集的可靠性，降低變壓器保護(hù)因采樣異常誤動(dòng)的機(jī)率，增加了雙通道AD采樣數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)把關(guān)。

雙AD判別利用滑動(dòng)數(shù)據(jù)窗的單周波采樣點(diǎn)，通過(guò)全周傅里葉濾波算法，計(jì)算出工頻的采樣幅值，其滑動(dòng)數(shù)據(jù)窗采樣如圖6所示。

保護(hù)CPU在接收到兩路AD采樣數(shù)據(jù)后，其中一路AD采樣數(shù)據(jù)用于保護(hù)邏輯運(yùn)算，另一路AD采樣數(shù)據(jù)用于與第一路AD采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，若兩路AD的采樣幅值大于誤差要求，則保護(hù)認(rèn)為AD采樣數(shù)據(jù)有異常，瞬時(shí)閉鎖保護(hù)；否則，若第一路AD的采樣幅值與第二路AD的采樣幅值，滿足誤差范圍要求，則保護(hù)認(rèn)為采樣數(shù)據(jù)正常，可直接用于保護(hù)邏輯運(yùn)算，同時(shí)繼續(xù)比較下一滑動(dòng)窗數(shù)據(jù)采樣的幅值，并重復(fù)以上比較，其判別公式如下：

圖6 滑動(dòng)數(shù)據(jù)窗采樣圖

(2)

式(1)為電流采樣雙AD判據(jù)，式(2)為電壓采樣雙AD判據(jù)，為額定電流、為額定相電壓，分別是絕對(duì)門檻系數(shù)和相對(duì)門檻系數(shù)，分別為兩路AD數(shù)據(jù)幅值。

新常規(guī)采樣模式下，采用PowerPC處理器，處理速度大幅度提升，讓實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)雙AD判別成為可能，并且該判據(jù)在實(shí)際應(yīng)用中也得到了驗(yàn)證，有效地避免了變壓器保護(hù)采樣異常導(dǎo)致的誤動(dòng)作。

3 改進(jìn)的非間斷點(diǎn)與二次諧波判別原理

隨著當(dāng)今經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，全國(guó)各行業(yè)對(duì)電力需求也日益增加。因此，建設(shè)特高壓輸電已成為發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)也對(duì)特高壓的變壓器運(yùn)行穩(wěn)定性，提出了更高的要求。目前的特高壓工程變壓器多使用分體的特殊結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致空載合閘時(shí)勵(lì)磁涌流的二次諧波含量明顯低于傳統(tǒng)變壓器識(shí)別勵(lì)磁涌流的經(jīng)驗(yàn)值，因此，傳統(tǒng)的二次諧波制動(dòng)原理不再滿足特高壓變壓器的需求[5-6]。

通過(guò)對(duì)特高壓現(xiàn)場(chǎng)變壓器空投波形的分析，原始波形如圖7所示；可知道特高壓變壓器的波形不僅帶有衰減的非周期分量，且波形對(duì)稱性較差，往往帶有明顯的間斷角，但是由于實(shí)現(xiàn)間斷角原理，所需要的周波采樣點(diǎn)需要在72點(diǎn)以上，這對(duì)于不需要采樣精度那么高的保護(hù)裝置來(lái)說(shuō)，給硬件需求和軟件處理都帶來(lái)極大的浪費(fèi)，另外，空投變壓器區(qū)內(nèi)故障CT飽和時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)間斷角，容易導(dǎo)致差動(dòng)保護(hù)拒動(dòng)；因此，本文提出了一種分相差流諧波“或”閉鎖+差流原始值與差流微分值特性識(shí)別的非間斷角原理共同把關(guān)的勵(lì)磁涌流識(shí)別方案。

圖7 特高壓變壓器空沖原始波形

3.1 改進(jìn)的差流分相二次諧波“或”閉鎖原理

改進(jìn)的差流分相二次諧波“或”閉鎖原理，主要針對(duì)變壓器空投時(shí)，某相勵(lì)磁涌流二次諧波的含量會(huì)明顯低于經(jīng)驗(yàn)值15%，而導(dǎo)致差流保護(hù)誤動(dòng)作。因此，通過(guò)其他相別的勵(lì)磁涌流實(shí)現(xiàn)相互閉鎖，可以降低差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作誤動(dòng)作的概率[7-10]。

差流二次諧波“或”閉鎖的判別方程為

(3)

另外，采用“或”閉鎖的方案有可能導(dǎo)致空投變壓器于故障時(shí)，由于非故障相的勵(lì)磁涌流的影響而使差動(dòng)保護(hù)延時(shí)動(dòng)甚至拒動(dòng)。因此，就需要空投變壓器故障時(shí)有故障開放判據(jù)。

3.2 微分、原始差流采樣值的非間斷點(diǎn)開放原理

微分、原始差流采樣值的非間斷點(diǎn)開放識(shí)別原理，主要利用特高壓變壓器空充時(shí)勵(lì)磁電流含有間斷角及波形含有衰減的直流分量導(dǎo)致波形不對(duì)稱的特性；同時(shí)當(dāng)變壓器空充于故障時(shí)，故障電流波形諧波含量較小，波形對(duì)稱性明顯的特點(diǎn)[11-15]。

當(dāng)差流中的采樣點(diǎn)滿足判據(jù)時(shí)認(rèn)為該采樣點(diǎn)是非間斷點(diǎn)，并通過(guò)統(tǒng)計(jì)每周波中差流的非間斷點(diǎn)個(gè)數(shù)，若間斷點(diǎn)個(gè)數(shù)滿足判據(jù)，則認(rèn)為是故障，瞬時(shí)開放差動(dòng)保護(hù)；否則判為空充，閉鎖差動(dòng)保護(hù)。

其原理的實(shí)現(xiàn)步驟如下。

(1) 利用差動(dòng)保護(hù)原理，合成差動(dòng)電流采樣值波形，差動(dòng)電流的計(jì)算公式為

(2) 對(duì)步驟(1)中合成的差動(dòng)電流原始點(diǎn)值進(jìn)行比較，先求出每周波中原始差流各采樣點(diǎn)的最大值，再比較其他采樣點(diǎn)與最大點(diǎn)的關(guān)系，計(jì)算出本周波中的非間斷點(diǎn)數(shù)，判別公式為

(6)

(3) 對(duì)步驟(1)中合成的差動(dòng)電流進(jìn)行微分計(jì)算并求出微分后的差流最大采樣點(diǎn)值，再比較其他采樣點(diǎn)與最大點(diǎn)的關(guān)系，計(jì)算出非間斷點(diǎn)數(shù)，判別公式為

當(dāng)步驟(2)或步驟(3)任一個(gè)判據(jù)的非間斷點(diǎn)滿足判據(jù)，則快速開放差動(dòng)保護(hù)；否則，閉鎖差動(dòng)保護(hù)并繼續(xù)下個(gè)周波非間斷點(diǎn)個(gè)數(shù)判別。

該開放原理的優(yōu)點(diǎn)在于不僅可以有效識(shí)別勵(lì)磁涌流特性，而且通過(guò)非間斷點(diǎn)判別，也可以有效抑制變壓器CT暫態(tài)飽和引起的差動(dòng)誤動(dòng)。

3.3 RTDS試驗(yàn)仿真驗(yàn)證

利用實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)(RTDS)驗(yàn)證改進(jìn)后的變壓器勵(lì)磁涌流識(shí)別方案的差動(dòng)保護(hù)性能，變壓器仿真模型如圖8所示，保護(hù)裝置接線圖如圖9所示，變壓器模型參數(shù)如表1所示。

表1 變壓器模型參數(shù)

圖8 變壓器電氣接線圖

Fig. 8 Transformer wiring diagram

圖9 保護(hù)裝置接線圖

差動(dòng)保護(hù)定值：差流啟動(dòng)定值為0.4e，差流制動(dòng)系數(shù)為0.5，二次諧波制動(dòng)系數(shù)為0.15。針對(duì)改進(jìn)的變壓器差動(dòng)保護(hù)勵(lì)磁涌流判據(jù)，驗(yàn)證了空投和手合于故障時(shí)變壓器差動(dòng)保護(hù)的可靠性。試驗(yàn)結(jié)果表明，空充試驗(yàn)時(shí)，差動(dòng)保護(hù)可靠不動(dòng)作，波形如圖10所示；手合于故障試驗(yàn)時(shí)，差動(dòng)保護(hù)可以快速動(dòng)作，波形如圖11所示。

圖10高壓側(cè)空投波形圖

圖11 空投高壓側(cè)A相接地故障波形圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)提出的一種新模式常規(guī)采樣GOOSE跳閘變壓器保護(hù)的采樣回路、雙AD數(shù)據(jù)校驗(yàn)判據(jù)以及改進(jìn)的差流二次諧波“或”閉鎖+基于差流原始值、差流微分的非間斷點(diǎn)開放輔助判據(jù)進(jìn)行了研究，本文提出的方案不僅可以有效避免電子互感器、采集器、合并單元復(fù)雜的采樣回路異常引起的差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)，通過(guò)配合雙AD實(shí)時(shí)校驗(yàn)判據(jù)與改進(jìn)的勵(lì)磁涌流識(shí)別判據(jù)，提高了變壓器差動(dòng)保護(hù)的采樣可靠性及避免了空投變壓器時(shí)勵(lì)磁涌流引起的差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)。

本文新模式的變壓器保護(hù)處理速度快，硬件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，適用于特高壓工程電壓等級(jí)，且已經(jīng)通過(guò)了國(guó)家檢測(cè)機(jī)構(gòu)測(cè)試，已用于生產(chǎn)。

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(編輯 姜新麗)

Design and application of a new model conventional sampling and GOOSE trippingtransformer protection

CHEN Jirui, LIU Ligong, LI Xu, DENG Maojun, ZHANG Yingwei, LI Baowei

(XJ Group Corporation, Xuchang 461000, China)

To solve sampling-data anomalies of smart substations caused by the complex digital sampling circuit links, this paper puts forward a new model transformer protection design method based on regular sampling and GOOSE trip. NPI plugs is used to achieve new sampling circuit and GOOSE information transmission of analog double AD-directly sampling, and coupled with double AD real-time sampling data validation criterion based on sliding data windows, the effectiveness of sampling data is checked. In addition, for UHV transformer inrush current characteristics, it proposes a comprehensive inrush current identification criterion of differential current harmonics blocking each other and discontinuity points opening, the simulation results show that comprehensive inrush current identification criterion can be applied to the new model transformer protection.

transformer; smart substation; sliding data window; conventional sampling; inrush current; double AD

10.7667/PSPC151150

2015-07-05；

2015-09-14

陳繼瑞(1984-)，男，碩士，工程師，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)產(chǎn)品研發(fā)工作；E-mail: 790321152@qq.com

劉立功(1979-)，男，本科，工程師，從事繼電保護(hù)產(chǎn)品營(yíng)銷工作；

李 旭(1977-)，男，碩士，高級(jí)工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)產(chǎn)品研發(fā)工作。