基于實時數(shù)字仿真器的變壓器保護裝置研究

姜子庠

(上海交通大學，上海 200030)

1 變壓器保護裝置性能測試

變壓器保護裝置主要被用作電力變壓器的主保護及后備保護，其主要功能是保障電力變壓器的安全穩(wěn)定運行。因此，變壓器保護裝置的性能對于保障電力變壓器的安全運行至關重要。研究變壓器保護裝置的性能測試方法，可為保障變壓器保護裝置在實際電網(wǎng)中的運行良好奠定了扎實的理論基礎。

目前國內(nèi)外的變壓器保護裝置的結構主要包括變壓器主保護和變壓器后備保護[1]?？v聯(lián)差動保護是變壓器主保護的核心保護，主要針對變壓器中可能發(fā)生的內(nèi)部故障，當CT監(jiān)測到供電系統(tǒng)中的電流發(fā)生差流越限時，變壓器保護裝置會發(fā)出告警信號。變壓器后備保護分為變壓器高壓側(cè)后備保護和變壓器低壓側(cè)后備保護。其中變壓器高壓側(cè)后備保護主要分為過流保護、充電保護、過負荷告警、零序過流保護、CT斷線告警等。變壓器低壓側(cè)后備保護主要有零序過流保護等，當母線PT斷線時，變壓器保護裝置發(fā)出告警信號。

變壓器保護裝置是電力變壓器不可或缺的保護。但是根據(jù)電網(wǎng)運行經(jīng)驗，電力系統(tǒng)中變壓器保護裝置差動保護多次發(fā)生誤動。大型變壓器保護的正確動作率通常處于較低的水平，遠遠低于線路保護的正確動作率。變壓器保護拒動可能引起變壓器的損壞，檢修難度大、時間長，影響電網(wǎng)的正常運行。變壓器保護誤動和拒動的主要原因是制造廠家的設備功能與現(xiàn)場需求不匹配，需要制造廠家對其自身裝置的性能根據(jù)現(xiàn)場實際情況，開發(fā)符合現(xiàn)場需求的設備功能，探索和驗證保護裝置在智能電網(wǎng)中的運行情況。

目前國內(nèi)常見的變壓器保護裝置性能測試方法是使用繼電保護測試儀，通過設置試驗參數(shù)，模擬各種常見的、可能發(fā)生的異常工況，如瞬時、永久性的單相接地、相間短路或轉(zhuǎn)換性故障，進行整組試驗或定值校驗等。此測試方法接線簡易直觀，但無法模擬實際電網(wǎng)中的實時特性。

2 變壓器保護原理

變壓器通常裝設差動保護作為主保護，變壓器如果發(fā)生內(nèi)部相間短路故障、高壓側(cè)單相接地短路或匝間短路故障，都將通過CT、PT等元件被變壓器差動保護監(jiān)測并記錄故障過程。差動保護是監(jiān)測變壓器保護兩端的CT電流矢量之差，當兩端CT電流矢量之差大于保護內(nèi)設定的差動保護動作值時，則啟動差動保護的動作元件[2]?？v聯(lián)差動保護單相原理接線圖見圖1。

圖1 縱聯(lián)差動保護單相原理接線圖

對變壓器的保護裝置進行保護的主要方式包括比率差動保護和差動速斷保護。當變壓器內(nèi)部、變壓器引出線或變壓器套管發(fā)生嚴重故障時，差動速斷保護能快速切除嚴重故障。其動作判據(jù)為

Id>Isdset

(1)

Isdset是差動速斷保護整定值，Id是差動電流，Isdset應躲開空載合閘時可能產(chǎn)生的最大勵磁涌流和躲過變壓器區(qū)外故障時穿越電流造成的最大不平衡電流。當任一相差動電流大于差動速斷整定值并且要落在比率差動的動作區(qū)時，瞬時動作。

比率差動保護動作方程如下：

(2)

比率制動特性如圖2所示[5]。

圖2 比率制動特性圖

3 半仿真供電系統(tǒng)模型

在電力系統(tǒng)中，變壓器是一種利用電磁互感效應，變換電壓、電流和阻抗的器件，造價較昂貴，檢修耗時長，因此需要變壓器保護裝置對變壓器進行保護，變壓器保護裝置的穩(wěn)定性和可靠性對變壓器的壽命起很大的作用。使用實時數(shù)字仿真器(RTDS)搭建實際電網(wǎng)仿真模型，元件包含無窮大電源、變壓器、斷路器、電壓互感器、電流互感器、負荷等，模擬真實電力系統(tǒng)運行狀態(tài)。然后通過RTDS的模擬量輸出卡，經(jīng)功率放大器，輸出變壓器低壓側(cè)電壓二次值、變壓器高壓側(cè)電流、變壓器低壓一側(cè)電流和低壓二側(cè)電流至變壓器保護裝置；變壓器保護裝置根據(jù)電壓、電流，計算控制策略，通過信號繼電器和數(shù)字量輸入卡，控制斷路器分合狀態(tài)?；赗TDS的變壓器保護裝置動模試驗的系統(tǒng)總體框圖設計如圖3所示。

二次漸伐可以有效的利用資源，取得木材，更重要的是為了更新下一代森林創(chuàng)造良好的條件，特別是在干旱的氣候條件和瘠薄的土壤條件的影響下，對油松主伐后更新有很大難度的跡地更具現(xiàn)實意義。

圖3 系統(tǒng)總體框圖設計

一次系統(tǒng)圖中，電網(wǎng)的電廠使用發(fā)電機進行發(fā)電，通過輸電線路將高電壓等級(110 kV)傳送至用戶側(cè)附近的變電站，通過變電站將電壓等級降低至低電壓等級(10.5 kV)，通過輸電線路輸送至大用戶負載端。RTDS的一次系統(tǒng)中，主要有電源、變壓器、線路、負荷、斷路器等元件。根據(jù)所設計的電網(wǎng)結構，在RTDS平臺下元件庫選擇相應的模擬元件。RTDS中搭建系統(tǒng)模型是由RTDS元件庫內(nèi)電力系統(tǒng)元件搭建形成的，保存后會生成后綴名為.dft的文件。在RTDS中搭建某變電站的控制系統(tǒng)和一次系統(tǒng)模型。一次系統(tǒng)模型中包含無窮大電源、變壓器、負荷、斷路器模型?？刂葡到y(tǒng)模型中包含故障控制模塊、斷路器控制模塊、差流模塊、勵磁涌流模塊。

由于發(fā)電機構成較為復雜，使用交流電源模塊代替發(fā)電機模塊，并將電源中性點經(jīng)無窮大電阻接地，以構成無窮大電源。電源模型如圖4所示。然后雙擊電源元件，進入配置參數(shù)界面，設置電源名稱為srcG2，將電源阻抗類型設置為R-R//L(即電阻和電感并聯(lián)后與電阻串聯(lián))類型，將電源電壓等級設置為110 kV，50 Hz，配置完畢后，點擊更新按鈕。

圖4 dft中的電源模型

變壓器常會由于外部原因發(fā)生故障，單相接地是電力系統(tǒng)中最為常見的故障之一，引發(fā)原因多為小動物危害、絕緣子單相擊穿等，多發(fā)生于潮濕的天氣。因此，模擬仿真需模擬變壓器高壓側(cè)及低壓側(cè)的單相故障及相間故障，以測試變壓器保護裝置邏輯功能的速動性和精確性。在元件庫中添加故障點元件，如圖5所示。將故障類型設置為線—相模式，并通過三位的二進制控制字FLT4分別控制A相接地、B相接地和C相接地的打開或關閉，例如二進制控制字FLT4為7時，轉(zhuǎn)換為二進制后即111，此時發(fā)生ABC三相接地故障，將故障類型設置為線—線模式時，同理。

圖6 仿真系統(tǒng)模型圖

圖5 故障模擬實現(xiàn)圖示

本試驗的仿真模型圖如圖6所示。加設無窮大電源，電源通過三相導線接至高壓側(cè)斷路器上觸頭故障設置點，繼續(xù)接至高壓側(cè)斷路器，途經(jīng)高壓側(cè)斷路器下觸頭故障設置點，接至變壓器高壓側(cè)，變壓器低壓側(cè)出線接至兩條低壓側(cè)線路，低壓側(cè)線路上都加設了故障設置點，最后接至負載負荷側(cè)。F4點是高壓側(cè)斷路器上觸頭故障點，F(xiàn)3點是高壓側(cè)斷路器下觸頭故障點，F(xiàn)1是低壓側(cè)斷路器上觸頭故障點，F(xiàn)5是低壓側(cè)斷路器下觸頭故障點。F3和F5為變壓器保護區(qū)外故障點，F(xiàn)3和F1為變壓器保護區(qū)內(nèi)故障點。通過模擬不同區(qū)內(nèi)和區(qū)外故障點處發(fā)生的不同類型的故障，才能夠準確判斷電壓器保護裝置的邏輯功能是否符合電網(wǎng)要求。

模擬的電力系統(tǒng)中，選用的變壓器連接組別是YN/Y-10型。變壓器高壓側(cè)電壓是110 kV，變壓器低壓側(cè)電壓是10.5 kV。該臺變壓器總?cè)萘渴?20 MVA，使用三個單相變壓器，每個單相變壓器的容量是40 MVA。

為模擬電力系統(tǒng)中發(fā)生勵磁涌流時的電流和電壓情況，需設計并搭建模擬勵磁涌流過程的模塊。首先添加信號處理器和與門，使A相電壓剛經(jīng)過零點并上升時，合上高壓側(cè)開關BRKCLOSE，發(fā)出一個上跳沿的信號(由0變1)。仿真系統(tǒng)頻率是50 Hz。通過合閘角乘以系數(shù)的方式，來控制A相電壓的相角，合閘角乘以系數(shù)即上升沿延時的時間。當開關prgclose和BRK6sel置1，勵磁涌流模塊啟用。勵磁涌流模塊啟用后，RS觸發(fā)器的S端接收到上跳沿，Q輸出1，BRK6WS輸出7，仿真系統(tǒng)內(nèi)有勵磁涌流產(chǎn)生；拉開高壓側(cè)開關BRKOPEN后，RS觸發(fā)器的R端接收到上跳沿，Q輸出0，BRK6WS輸出0，仿真系統(tǒng)內(nèi)無勵磁涌流產(chǎn)生。勵磁涌流模塊模型見圖7。

圖8 故障控制模塊模型

為模擬真實電網(wǎng)中發(fā)生的故障，在RTDS軟件中須加設故障點。當FLT故障被觸發(fā)，并且A相電壓剛經(jīng)過零點并上升時，RS觸發(fā)器的S端接收到上跳沿，RS觸發(fā)器的Q端點輸出1，iptwd點輸出1。通過設置FaultAng控制故障的角度，乘數(shù)系數(shù)同勵磁模塊中設置為0.000 055 5。FLTWD1輸出1，生成故障；按RESET按鈕后，RS觸發(fā)器的R端接收到上跳沿，Q輸出0，F(xiàn)LTWD1輸出0，故障還原。為設計模擬系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展性故障，在控制模塊中加入fltype1和fltype2來實現(xiàn)此項仿真。fltdur1是第一次故障的持續(xù)時間，fltdelay2是第二次故障與第一次故障的間隔時間，均設置相應開關，控制第一次故障和第二次故障的發(fā)生時間和持續(xù)時間。故障控制模塊模型見圖8。

圖7 勵磁涌流模塊模型

4 半實物供電系統(tǒng)模型

變壓器保護裝置仿真測試是一種閉環(huán)測試。其中變壓器接線方式為YY接線。高壓側(cè)為110 kV，低壓側(cè)為10.5 kV，其中分為低壓I側(cè)和低壓II側(cè)。高壓側(cè)的監(jiān)測電流為IBRK6，低壓I側(cè)的監(jiān)測電流為IBRK1，低壓II側(cè)的監(jiān)測電流為IBRK2。高壓側(cè)處為無窮大電源，低壓側(cè)處為用戶負載。模型的電氣主接線圖如圖9所示。設計半實物供電系統(tǒng)模型，將變壓器保護裝置接入實時數(shù)字仿真器搭建的模擬電網(wǎng)，開展邏輯功能測試和研究。數(shù)據(jù)的傳輸主要通過兩種信號構成，第一種是變壓器保護裝置接收的實時數(shù)字仿真器發(fā)出的實時模擬量信號(電壓、電流)，第二種變壓器保護裝置判定當前模擬電網(wǎng)存在的故障或可能問題進而發(fā)出的開關量信號(跳閘信號)。

圖9 模擬電氣主接線圖

變壓器保護裝置接收的實時數(shù)字仿真器發(fā)出的實時模擬量信號包括電壓和電流，電壓是變壓器低壓側(cè)出口處的三相交流電壓，電流分別是高壓側(cè)、低壓I側(cè)、低壓II側(cè)的斷路器處的三相交流電流。在設計中需要注意CT、PT的變比值以及模型中模擬量輸出卡的參數(shù)設置。

RTDS的模擬量輸出卡最多可輸出12路電壓或電流值，實際使用9路電流和3路電壓。

數(shù)字信號傳輸主要包括RTDS與變壓器保護裝置之間的“三遙”信息。變壓器保護裝置有單相跳閘和三相跳閘功能，選用單相跳閘功能，遙控信號包括高壓側(cè)斷路器A相分閘、高壓側(cè)斷路器B相分閘、高壓側(cè)斷路器C相分閘、低壓I側(cè)斷路器A相分閘、低壓I側(cè)斷路器B相分閘、低壓I側(cè)斷路器C相分閘、低壓II側(cè)斷路器A相分閘、低壓II側(cè)斷路器B相分閘、、低壓II側(cè)斷路器C相分閘，共計9個遙控信號。仿真模型中使用RS觸發(fā)器，當接收到高壓側(cè)斷路器A相分閘信號時，高壓側(cè)斷路器三相跳閘。

RTDS的數(shù)字量輸入卡中最多可接收64路數(shù)字量信號。實際使用9路數(shù)字信號。

5 結語

本文從測試變壓器保護裝置性能指標能否滿足實際要求的角度出發(fā)，在RTDS平臺上搭建了模擬電網(wǎng)模型，并對變壓器空投、區(qū)內(nèi)外金屬性故障、發(fā)展性故障、調(diào)整變壓器分接頭、永久性故障、電流互感器斷線、電流互感器飽和、電壓互感器斷線、系統(tǒng)頻率偏移等多種運行工況進行仿真模擬。利用RTDS提供與外部設備進行交換數(shù)據(jù)的多種輸入、輸出模塊建立變壓器保護裝置的測試接口，實現(xiàn)了對變壓器保護裝置的閉環(huán)測試。本文所述的變壓器保護裝置閉環(huán)檢測內(nèi)容基本涵蓋了現(xiàn)場可能發(fā)生的異常工況，真實反映了變壓器保護裝置在異常工況中的動作情況。