趙瑜杰

(西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031)

1 引言

繼電保護(hù)裝置能反應(yīng)電氣設(shè)備的故障和不正常工作狀態(tài)并自動(dòng)迅速地、有選擇地動(dòng)作于斷路器將故障設(shè)備從系統(tǒng)中切除，保證不故障設(shè)備繼續(xù)正常運(yùn)行，將事故限制在最小范圍，提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，最大限度地保證向用戶安全、連續(xù)供電。為了保證保護(hù)的可靠性，需要對(duì)發(fā)生故障時(shí)繼電保護(hù)裝置的動(dòng)作情況進(jìn)行測(cè)試研究。目前常規(guī)的保護(hù)測(cè)試方法分為三種:基于動(dòng)模系統(tǒng)的測(cè)試方法、基于RTDS的測(cè)試方法、基于測(cè)試儀的方法。這三種方法的區(qū)別在于提供給保護(hù)裝置的“故障信息”來源不同，對(duì)一次系統(tǒng)和故障的模擬方法和特性也不同。前兩種方法具有較好的效果，但投資大、占用面積大，不易實(shí)現(xiàn);后一種方法投資小、實(shí)現(xiàn)方便，但屬于靜態(tài)測(cè)試，不能反映暫態(tài)響應(yīng)情況[1]。更重要的是，在這三種測(cè)試方法中，對(duì)于微機(jī)保護(hù)裝置的掌握和評(píng)價(jià)只是取決于它最后給出的結(jié)果，對(duì)其內(nèi)部各環(huán)節(jié)的響應(yīng)過程無從知道。微機(jī)保護(hù)裝置類似于黑盒，如果只觀察其輸入輸出情況，在某些故障情況下保護(hù)發(fā)生不正確動(dòng)作，也將無法分析其原因。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，將仿真技術(shù)應(yīng)用于繼電保護(hù)領(lǐng)域成為必然的趨勢(shì)。建立模型是仿真的必要前提，因此對(duì)繼電保護(hù)裝置的建模有著很高的實(shí)際意義。

變壓器對(duì)電力系統(tǒng)至關(guān)重要，它的安全穩(wěn)定性直接影響了電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行。變壓器造價(jià)昂貴，一旦因?yàn)閮?nèi)部絕緣失效發(fā)生故障，會(huì)產(chǎn)生超越額定電流數(shù)倍的短路故障電流，需要保護(hù)裝置立刻跳閘保護(hù)變壓器。變壓器主保護(hù)一般采用差動(dòng)保護(hù)，內(nèi)部故障電流識(shí)別與勵(lì)磁涌流識(shí)別是變壓器保護(hù)的重點(diǎn)，本文使用PSCAD建立仿真模型，利用自定義元件功能建立了變壓器主保護(hù)各個(gè)元件，并使用FORTRAN語言編寫了保護(hù)算法，由建模仿真結(jié)果分析了各種故障情況下保護(hù)的動(dòng)作情況。

2 建模

利用PSCAD/EMTDC軟件對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，首先要在PSCAD圖形界面上選取元件庫(kù)中的適當(dāng)元件模塊搭建系統(tǒng)模型，并對(duì)照實(shí)際物理系統(tǒng)設(shè)置模型元件中對(duì)應(yīng)的參數(shù)。整個(gè)建模以某條500kV交流輸電線路為基礎(chǔ)，采用PSCAD中的頻率決定參數(shù)(相位)模型(Frequency－Dependent(Phase)model)，該模型考慮了內(nèi)部轉(zhuǎn)換矩陣，在相位范圍內(nèi)直接求解換位問題，可精確模擬所有結(jié)構(gòu)的傳輸線，包括不平衡幾何結(jié)構(gòu)的線路。根據(jù)實(shí)際線路參數(shù)設(shè)置線路模型，主要設(shè)置基頻、線路長(zhǎng)度、桿塔參數(shù)、導(dǎo)線參數(shù)等。在變壓器主保護(hù)中，主要有差動(dòng)電流速斷、比率差動(dòng)、二次諧波含量閉鎖、差流越限等功能，在PSCAD中自帶有一部分保護(hù)元件模型，但是其模塊功能簡(jiǎn)單，保護(hù)算法單一，且難以實(shí)現(xiàn)保護(hù)內(nèi)部復(fù)雜的邏輯與時(shí)限關(guān)系，所以采用自定義模塊軟件編程的形式來實(shí)現(xiàn)。

圖1 PSCAD線路模型

首先，使用PSCAD自定義模塊功能，建立各個(gè)功能元件模塊，主要為差動(dòng)速斷模塊、比率差動(dòng)模塊、二次諧波含量計(jì)算模塊、差流越限告警模塊、延時(shí)模塊等。保護(hù)的投入控制功能由邏輯輸入輸出元件實(shí)現(xiàn)，主要為軟硬壓板、縱差開關(guān)、二次諧波制動(dòng)開關(guān)，多個(gè)開關(guān)與保護(hù)元件輸出經(jīng)過邏輯配合最終形成保護(hù)出口。

3 保護(hù)算法

當(dāng)前，微機(jī)保護(hù)在我國(guó)已經(jīng)成為繼電保護(hù)的主要形式，在電力系統(tǒng)中大部分已采用了微機(jī)保護(hù)。微機(jī)保護(hù)裝置的軟件是由數(shù)字濾波器、保護(hù)算法、保護(hù)邏輯三類程序組成。本文主要使用FORTRAN語言，在自定義元件中編程，完成保護(hù)算法的編寫。微機(jī)保護(hù)中，模擬電壓和電流輸入信號(hào)經(jīng)過離散采樣和模數(shù)變換后，計(jì)算機(jī)將這些數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分析、運(yùn)算、判斷，以實(shí)現(xiàn)各種繼電保護(hù)功能的方法，稱為保護(hù)算法[2]。

本文采用全周波傅氏算法對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣和變換。全周波傅氏算法是目前電力系統(tǒng)微機(jī)繼電保護(hù)中被廣泛采用的算法。用它可以精確計(jì)算信號(hào)基波和各次諧波的幅值與相位。

非正弦周期函數(shù)可以用傅里葉分解為直流分量和整數(shù)倍諧波分量之和的形式:

由傅里葉分解可得:

用梯形法對(duì)離散采樣點(diǎn)進(jìn)行處理轉(zhuǎn)換:

N為采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)，K為第K個(gè)采樣點(diǎn)，n為諧波次數(shù)。由以上可得出n次諧波的電氣量。幅值和相角為:

本文中采樣頻率設(shè)置為4kHz即每周波采集80個(gè)點(diǎn)計(jì)算，N=80。采用FORTRAN語言對(duì)各個(gè)功能模塊進(jìn)行編程。

差動(dòng)保護(hù)是用于反映變壓器繞組和引線的相間短路的主保護(hù)，由于變壓器在結(jié)構(gòu)和運(yùn)行上的一些特點(diǎn)，即在保護(hù)范圍內(nèi)無故障時(shí)，也有較大的不平衡電流流過兩側(cè)繼電器，因此必須設(shè)法減小不平衡電流的影響，才能使變壓器差動(dòng)保護(hù)正常工作。影響不平衡電流大小的原因有很多，主要為勵(lì)磁涌流、有載調(diào)壓、兩側(cè)差動(dòng)TA誤差等影響[3]。本文主要討論實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁涌流對(duì)不平衡電流影響的情況。變壓器微機(jī)保護(hù)多采用比率差動(dòng)與二次諧波制動(dòng)躲過不平衡電流的影響。

比率差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作判據(jù)如下:

式中:ICD為差動(dòng)保護(hù)電流定值;Idz為差動(dòng)電流;Izd為制動(dòng)電流;Kb1為第I段折線的斜率;Kb2為第II段折線的斜率;Kb3為第III段折線的斜率。程序中按相判別，任一相滿足以上條件時(shí)，比率差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作。本文采用差動(dòng)電流和制動(dòng)電流的計(jì)算方法如下:

式中:Idz為差動(dòng)電流;Izd為制動(dòng)電流;為所有側(cè)相電流之和;為所有側(cè)中最大的相電流;為其他側(cè)(除最大相電流側(cè))相電流之和。

圖2 比率差動(dòng)折線

二次諧波閉鎖原理:采用三相差動(dòng)電流中二次諧波與基波的比值作為勵(lì)磁涌流閉鎖判據(jù):

式中:Idφ2為差動(dòng)電流中的二次諧波分量;Kxb.2為二次諧波制動(dòng)系數(shù)定值;Idφ為差動(dòng)電流的基波分量。采用“或門”閉鎖方式:任一相差流的二次諧波含量大于閉鎖定值即閉鎖三相差動(dòng)保護(hù)。

根據(jù)上述保護(hù)算法和保護(hù)原理在自定義元件中編寫保護(hù)程序，并經(jīng)過邏輯整合為主保護(hù)邏輯圖。

4 仿真驗(yàn)證

4.1 空載合閘勵(lì)磁涌流制動(dòng)

用上述算法與保護(hù)動(dòng)作方程編寫二次諧波閉鎖元件，空載合閘模型與典型勵(lì)磁涌流波形如下:

圖3 空載合閘模型

變壓器額定電流計(jì)算值為7530A，勵(lì)磁涌流約為5倍額定電流，并且迅速衰減，符合理論分析值。

圖4 勵(lì)磁涌流波形及閉鎖信號(hào)

經(jīng)過二次諧波閉鎖模塊進(jìn)行全周波傅里葉計(jì)算，提取出基波與二次諧波幅值，經(jīng)動(dòng)作方程計(jì)算(此處二次諧波閉鎖定值設(shè)為15%)，在空載合閘時(shí)發(fā)出閉鎖信號(hào)，防止保護(hù)誤動(dòng)。

4.2 外部故障恢復(fù)涌流

此處考慮外部線路發(fā)生單相接地故障，發(fā)生時(shí)間為1s，持續(xù)時(shí)間0.02s，故障切除恢復(fù)后產(chǎn)生涌流，經(jīng)諧波模塊計(jì)算，在此后4個(gè)周期二次諧波超限，為防止差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)，發(fā)出保護(hù)閉鎖信號(hào)。

圖5 故障模塊

圖6 故障時(shí)間

圖7 故障電流波形和諧波含量制動(dòng)

4.3 內(nèi)部故障

[4]得出的方法，建立變壓器內(nèi)部故障仿真模型，由兩個(gè)單相雙繞組變壓器和一個(gè)單相三繞組變壓組成，考慮A相發(fā)生匝間和匝地故障，其他兩相沒有故障。

圖中BK1和BK2為控制開關(guān)，不同的故障情況根據(jù)合閘不同的開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于變壓器內(nèi)部故障仿真，發(fā)生短路的平均位置不同，短路電流不同，短路匝位于兩端時(shí)短路電流最小，位于中間位置時(shí)短路電流最大[4]，所以本文考慮短路位于繞組兩端位置。

圖8 變壓器內(nèi)部故障

圖9 內(nèi)部故障波形及差動(dòng)信號(hào)

故障發(fā)生后，差動(dòng)動(dòng)作電流經(jīng)過比率制動(dòng)動(dòng)作方程計(jì)算，正確發(fā)出動(dòng)作信號(hào)。

5 總結(jié)

經(jīng)過上述建模仿真過程，在各種故障情況下，采用FORTRAN語言編寫的保護(hù)元件能按設(shè)定的動(dòng)作方程發(fā)出閉鎖或保護(hù)出口信號(hào)，驗(yàn)證了各種保護(hù)原理的性能。采用基于PSCAD－EMTDC自定義元件建立保護(hù)元件，對(duì)于變壓器保護(hù)的測(cè)試和研究，揭示變壓器各種故障時(shí)微機(jī)保護(hù)裝置內(nèi)部動(dòng)作情況有實(shí)際意義。

參考文獻(xiàn)

[1]許明.繼電保護(hù)數(shù)字仿真建模方法與系統(tǒng)開發(fā)[D].山東大學(xué)，2009.

[2]周武仲.繼電保護(hù)自動(dòng)裝置及二次回路應(yīng)用基礎(chǔ)[M].中國(guó)電力出版社，2013:61－62.

[3]江蘇省電力公司.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理與實(shí)用技術(shù)[M].中國(guó)電力出版社，2006:419.

[4]黃詠容，李群湛，郝文斌，等.基于EMTDC的三相變壓器勵(lì)磁涌流和內(nèi)部故障仿真[J].繼電器，2007(1):26－30.