換流變壓器差動(dòng)保護(hù)調(diào)試軟件的開發(fā)與應(yīng)用

宋海龍，史　磊，尹琦云

（國網(wǎng)寧夏電力公司檢修公司，寧夏 銀川 750011）

在高壓直流輸電系統(tǒng)中，換流變壓器不同于其他常規(guī)交流變壓器，當(dāng)換流變壓器發(fā)生故障而保護(hù)正確動(dòng)作時(shí)，會(huì)至少造成直流單閥組閉鎖［1］，直接損失直流功率可高達(dá)2 GW，因此換流變壓器保護(hù)動(dòng)作的可靠性至關(guān)重要［2］。以特高壓直流換流站為例，全站配置換流變壓器保護(hù)共12套，其保護(hù)調(diào)試項(xiàng)目比常規(guī)變壓器多而且復(fù)雜，調(diào)試難度系數(shù)更大［3］，特別在年度停電檢修或因板卡故障進(jìn)行更換時(shí)，換流變壓器保護(hù)校驗(yàn)將會(huì)耗費(fèi)大量停電檢修時(shí)間［4］，尤其是換流變壓器差動(dòng)保護(hù)調(diào)試以往多采用全人工計(jì)算方法，計(jì)算量大且計(jì)算過程繁瑣，浪費(fèi)大量人力物力，嚴(yán)重制約檢修調(diào)試工作的開展［5-6］。

1　現(xiàn)狀及問題分析

1.1　現(xiàn)狀分析

直流換流站換流變壓器保護(hù)調(diào)試項(xiàng)目數(shù)量較多，主要包括大差比率差動(dòng)保護(hù)、小差比率差動(dòng)保護(hù)、引線差比率差動(dòng)保護(hù)、繞組差比率差動(dòng)保護(hù)、過激磁保護(hù)、飽和保護(hù)和過負(fù)荷保護(hù)等內(nèi)容［7］。其中，換流變壓器差動(dòng)保護(hù)數(shù)量占總調(diào)試數(shù)量比例約80%，其保護(hù)調(diào)試工作復(fù)雜且難度系數(shù)大。每套換流變壓器保護(hù)調(diào)試時(shí)間約16 h，而差動(dòng)保護(hù)測(cè)試電流計(jì)算時(shí)間約10 h，約占換流變壓器保護(hù)調(diào)試總時(shí)間的63%，因此，換流變壓器差動(dòng)保護(hù)調(diào)試時(shí)間的長(zhǎng)短基本決定著換流變壓器保護(hù)調(diào)試的總時(shí)間［8］。

換流變壓器差動(dòng)保護(hù)調(diào)試時(shí)間過長(zhǎng)，工作效率過低，其影響因素主要有以下兩個(gè)方面：

（1）從內(nèi)部因素看，以往換流變壓器差動(dòng)保護(hù)調(diào)試主要依靠經(jīng)驗(yàn)校驗(yàn)方法，其差動(dòng)保護(hù)測(cè)試電流通常依靠全人工計(jì)算，即通過計(jì)算確定一側(cè)輸入電流，在另一側(cè)輸入不同電流，直到保護(hù)裝置動(dòng)作，再記錄和分析相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，其方法陳舊，計(jì)算過程繁瑣，精度不可靠［9］。

（2）從外部需求看，當(dāng)換流站年度停電檢修或因板卡故障更換保護(hù)插件后，運(yùn)維要求換流變壓器需盡快恢復(fù)運(yùn)行，但是差動(dòng)保護(hù)測(cè)試電流的計(jì)算量很大，耗時(shí)較長(zhǎng)，人力成本投入較大，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益較低［10］。

1.2　存在的問題

（1）以往采用經(jīng)驗(yàn)校驗(yàn)法，其差動(dòng)保護(hù)測(cè)試電流通常依靠全人工計(jì)算，方法陳舊，精度不可靠。

（2）差動(dòng)保護(hù)裝置調(diào)試檢修時(shí)，計(jì)算過程繁瑣，耗時(shí)較長(zhǎng)，嚴(yán)重影響換流變壓器的恢復(fù)運(yùn)行，事故應(yīng)急處置效果較差。

（3）差動(dòng)保護(hù)測(cè)試電流計(jì)算量很大，需要投入大量的人力物力，其經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益較低。

2　軟件開發(fā)及應(yīng)用

2.1　軟件開發(fā)

為了減少現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試人員工作量，縮短換流變壓器保護(hù)調(diào)試時(shí)間，提高差動(dòng)保護(hù)測(cè)試電流計(jì)算精度［11］，急需提出一種新技術(shù)、新方法解決以上問題。利用VS 2010編程軟件［12］開發(fā)了一款“換流變壓器差動(dòng)保護(hù)測(cè)試電流計(jì)算軟件”用來實(shí)現(xiàn)對(duì)換流變壓器差動(dòng)保護(hù)測(cè)試電流的快速計(jì)算，將所算得測(cè)試電流參考值輸入到繼保調(diào)試儀中，即可完成差動(dòng)保護(hù)功能的正確校驗(yàn)［13］，從而提高換流變壓器保護(hù)調(diào)試的工作效率，降低生產(chǎn)成本，減少檢修工期的同時(shí)增加直流外送時(shí)間［14］。

換流變壓器差動(dòng)保護(hù)調(diào)試項(xiàng)目較多，主要包括換流變大差比率差動(dòng)保護(hù)、小差比率差動(dòng)保護(hù)、引線差比率差動(dòng)保護(hù)和繞組差比率差動(dòng)保護(hù)等［15］。以“換流變壓器大差比率差動(dòng)保護(hù)”為例，其保護(hù)動(dòng)作曲線如圖1所示。其中，縱坐標(biāo)差動(dòng)電流Id=m×IE，橫坐標(biāo)制動(dòng)電流Ir=n×IE，單位為A，m、n均為常數(shù)。

圖1　換流變壓器大差比率差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作曲線

從圖1可知，換流變壓器大差比率差動(dòng)保護(hù)包括差動(dòng)速斷保護(hù)、低值比率差動(dòng)保護(hù)和高值比率差動(dòng)保護(hù)等內(nèi)容[16]。根據(jù)換流變壓器保護(hù)大差比率差動(dòng)電流與其測(cè)試電流之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，計(jì)算換流變壓器各側(cè)二次額定電流值、各側(cè)差動(dòng)啟動(dòng)電流定值和速斷電流定值，然后結(jié)合換流變壓器大差比率差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作曲線，最終推導(dǎo)出差動(dòng)保護(hù)測(cè)試電流計(jì)算公式。

式中：I1—換流變網(wǎng)側(cè)開關(guān)1測(cè)試電流值，A；

I2—換流變網(wǎng)側(cè)開關(guān)2測(cè)試電流值，A；

IE1…m—換流變壓器各側(cè)二次額定電流值，A；

x0—試驗(yàn)校驗(yàn)點(diǎn)的橫坐標(biāo)，A；

I0—差動(dòng)啟動(dòng)電流初始值，A；

k1—比率差動(dòng)保護(hù)第1段曲線斜率；

k2—比率差動(dòng)保護(hù)第2段曲線斜率；

k3—比率差動(dòng)保護(hù)第3段曲線斜率。

基于換流變壓器差動(dòng)保護(hù)測(cè)試電流推導(dǎo)計(jì)算方法，該軟件開發(fā)流程主要包括以下3個(gè)部分：

（1）對(duì)軟件進(jìn)行需求分析。一方面常規(guī)計(jì)算方式依賴人工計(jì)算或試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行調(diào)試［17］，其耗時(shí)長(zhǎng)、精度低、使用不便，而采用基于Windows的exe應(yīng)用程序，有效解決以上限制問題；另一方面常規(guī)計(jì)算需要每次將變壓器額定功率、電壓、變比等參數(shù)手動(dòng)輸入計(jì)算儀器，缺少復(fù)用性，而本軟件涵蓋了參數(shù)預(yù)設(shè)功能，可以實(shí)現(xiàn)一次預(yù)設(shè)，多次調(diào)用［18］；此外，本軟件預(yù)留有計(jì)算界面跳轉(zhuǎn)接口，方便用戶實(shí)現(xiàn)可視化操作。

（2）設(shè)計(jì)基于MFC框架下的大差保護(hù)人機(jī)界面和計(jì)算邏輯。本軟件參與計(jì)算的主要邏輯參數(shù)有兩組：一組是換流變壓器基本參數(shù)，另一組是經(jīng)過計(jì)算的差動(dòng)保護(hù)中間電流數(shù)據(jù)。本軟件在人機(jī)交互界面中獲取用戶輸入的校驗(yàn)點(diǎn)參數(shù)，在計(jì)算邏輯層調(diào)用差動(dòng)保護(hù)算法，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)試電流的計(jì)算和輸出，再依據(jù)計(jì)算結(jié)果來調(diào)用圖形動(dòng)態(tài)顯示算法，從而實(shí)現(xiàn)圖形圖像顯示功能［19］。

（3）使用相應(yīng)條件的數(shù)據(jù)輸入對(duì)大差低值差動(dòng)保護(hù)進(jìn)行條件測(cè)試、邊界測(cè)試和全覆蓋測(cè)試，從而判斷計(jì)算結(jié)果和圖像顯示是否正確，并生成測(cè)試報(bào)告［20］。同樣地，其他差動(dòng)保護(hù)模塊開發(fā)流程類似，所有保護(hù)測(cè)試完成后生成用戶使用說明書。

2.2　軟件應(yīng)用

“換流變壓器差動(dòng)保護(hù)測(cè)試電流計(jì)算軟件”共包括“換流變壓器大差比率差動(dòng)保護(hù)”、“換流變壓器小差比率差動(dòng)保護(hù)”、“換流變壓器引線差差動(dòng)保護(hù)”和“換流變壓器繞組差差動(dòng)保護(hù)”4大項(xiàng)、11小項(xiàng)差動(dòng)保護(hù)測(cè)試電流計(jì)算功能，其計(jì)算軟件流程如圖2所示。

圖2　換流變差動(dòng)保護(hù)測(cè)試電流計(jì)算軟件流程

從圖2可知，利用VS2010軟件進(jìn)行軟件開發(fā)，按照“開始”→“打開軟件”→“變壓器參數(shù)設(shè)置”→“參數(shù)保存”→“選擇試驗(yàn)項(xiàng)目”→“輸入試驗(yàn)數(shù)據(jù)”→“測(cè)試電流計(jì)算”→“測(cè)試電流結(jié)果顯示”→“結(jié)束”步驟進(jìn)行編程，對(duì)軟件主界面及各個(gè)計(jì)算界面的輸入、保存、計(jì)算和顯示等功能進(jìn)行反復(fù)校驗(yàn)，并對(duì)測(cè)試電流計(jì)算結(jié)果逐個(gè)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，最終形成一款便捷而實(shí)用的“換流變壓器差動(dòng)保護(hù)測(cè)試電流計(jì)算軟件”，為縮短換流變保護(hù)調(diào)試時(shí)間找到了一種新方法。

2.3　應(yīng)用實(shí)例

以“換流變壓器大差低值比率差動(dòng)保護(hù)”為例，使用計(jì)算軟件對(duì)大差低值差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作曲線斜率k=0.5及k=0.75時(shí)測(cè)試電流進(jìn)行計(jì)算，按照軟件流程圖，換流變壓器差動(dòng)保護(hù)測(cè)試電流計(jì)算軟件的具體操作方法如下：

（1）打開軟件。雙擊打開“換流變壓器差動(dòng)保護(hù)測(cè)試電流計(jì)算軟件”。

（2）變壓器參數(shù)設(shè)置。點(diǎn)擊“參數(shù)設(shè)定”，在參數(shù)設(shè)定界面依次輸入待調(diào)試變壓器各種參數(shù)，軟件默認(rèn)為常見換流變壓器參數(shù)，點(diǎn)擊“保存”，核對(duì)參數(shù)后，點(diǎn)擊“確定”并退出“參數(shù)設(shè)定”界面。

（3）選擇試驗(yàn)項(xiàng)目。點(diǎn)擊“大差計(jì)算”，選擇“大差低值”項(xiàng)目，進(jìn)入“換流變壓器大差低值比率差動(dòng)保護(hù)”測(cè)試電流計(jì)算界面。

（4）曲線斜率k=0.5時(shí)測(cè)試電流計(jì)算。依據(jù)大差低值差動(dòng)保護(hù)所校驗(yàn)動(dòng)作曲線斜率k=0.5，輸入變量 x0=0.6 A、I0=0.5 A、k1=0.2、k2=0.5數(shù)值，點(diǎn)擊“計(jì)算”，即可得出大差低值比率差動(dòng)保護(hù)曲線斜率k=0.5時(shí)測(cè)點(diǎn)1與測(cè)點(diǎn)2之間的一組測(cè)試電流參考值I1=0.691 A、I2=0.205 A。曲線斜率k=0.5時(shí)大差低值差動(dòng)保護(hù)所需4個(gè)測(cè)點(diǎn)之間的測(cè)試電流參考值，如表1所示。

表1　動(dòng)作曲線斜率k=0.5時(shí)測(cè)試電流計(jì)算結(jié)果

（5）曲線斜率k=0.75時(shí)測(cè)試電流計(jì)算。同樣地，依據(jù)大差低值差動(dòng)保護(hù)所校驗(yàn)動(dòng)作曲線斜率 k=0.75，輸入變量 x0=6.6 A、I0=0.5 A、k1=0.2、k2=0.5、k3=0.75數(shù)值，點(diǎn)擊“計(jì)算”，即可得出大差低值比率差動(dòng)保護(hù)曲線斜率k=0.75時(shí)測(cè)點(diǎn)1與測(cè)點(diǎn)2之間的一組測(cè)試電流參考值 I1=6.348 A、I2=3.509 A。曲線斜率k=0.75時(shí)大差低值差動(dòng)保護(hù)所需4個(gè)測(cè)點(diǎn)之間的測(cè)試電流參考值，如表2所示。

表2　動(dòng)作曲線斜率k=0.75時(shí)測(cè)試電流計(jì)算結(jié)果

（6）差動(dòng)保護(hù)校驗(yàn)。將曲線斜率k=0.5和k=0.75時(shí)測(cè)試電流參考值分別輸入交流繼保儀器中，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)換流變壓器大差低值比率差動(dòng)保護(hù)曲線斜率k=0.5和k=0.75的保護(hù)功能校驗(yàn)。

利用“換流變壓器差動(dòng)保護(hù)測(cè)試電流計(jì)算軟件”進(jìn)行差動(dòng)保護(hù)調(diào)試，平均每計(jì)算1組數(shù)據(jù)可以縮短0.18 h，而每套換流變壓器保護(hù)所需測(cè)試電流計(jì)算量大概50組，因此每套換流變壓器保護(hù)調(diào)試總時(shí)間可節(jié)約9 h左右，大大提高了換流變壓器保護(hù)調(diào)試的工作效率。

3　效果評(píng)價(jià)

（1）利用VS2010編程軟件，開發(fā)一款“換流變差動(dòng)保護(hù)測(cè)試電流計(jì)算軟件”，對(duì)軟件后臺(tái)程序及各個(gè)界面進(jìn)行全面驗(yàn)證，最終實(shí)現(xiàn)了測(cè)試電流的快速、準(zhǔn)確計(jì)算。

（2）該方法應(yīng)用范圍較廣，可在全國所有大型變壓器保護(hù)調(diào)試工作中得到應(yīng)用，使平均每套換流變壓器保護(hù)調(diào)試時(shí)間由原來的16 h降為7 h，每套節(jié)省時(shí)間約9 h，大大縮短了換流變壓器保護(hù)調(diào)試時(shí)間。

（3）利用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)換流變壓器差動(dòng)保護(hù)測(cè)試電流進(jìn)行計(jì)算，具有精準(zhǔn)、高效、減少重復(fù)率等優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)而提升換流變壓器保護(hù)調(diào)試效率，縮短換流變壓器保護(hù)調(diào)試時(shí)間。

4　結(jié)論

（1）新方法的應(yīng)用，減少了調(diào)試人員重復(fù)工作量，節(jié)省了換流變壓器保護(hù)調(diào)試時(shí)間，提高了換流變壓器保護(hù)調(diào)試的工作效率，提高了直流系統(tǒng)快速恢復(fù)供電能力，具有較高的社會(huì)效益。

（2）軟件計(jì)算代替人工計(jì)算，進(jìn)一步減少換流站大修時(shí)間和節(jié)省換流變壓器保護(hù)調(diào)試勞動(dòng)成本，加快了直流功率的外送輸出，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。

（3）與以往全人工計(jì)算方法相比，該計(jì)算軟件效率高、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度高，軟件功能強(qiáng)大，取得了良好效果，具有較高的科學(xué)性和實(shí)用性。

（4）軟件成果的開發(fā)應(yīng)用，可為全國各直流換流站換流變壓器保護(hù)調(diào)試提供參考，其應(yīng)用推廣范圍更大。

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