徐明虎

(國網(wǎng)遼寧省電力有限公司技能培訓(xùn)中心，遼寧 錦州 121000)

隨著世界經(jīng)濟(jì)水平的提升，電能在日常生活與工業(yè)生產(chǎn)中的作用日益增強(qiáng)，電壓等級(jí)也越來越高。在各國堅(jiān)定信心迫切要求“低碳環(huán)保、經(jīng)濟(jì)高效、綠色發(fā)展”的今天，智能電網(wǎng)的建設(shè)迫在眉睫。智能電網(wǎng)的發(fā)展包括了電力系統(tǒng)中的發(fā)電、輸電、變電、配電、用電及調(diào)度6個(gè)環(huán)節(jié)，而作為電力系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)就是變電環(huán)節(jié)，智能變電站起到傳輸能量與變換電壓等級(jí)的關(guān)鍵作用。變壓器作為變電站最重要的元件，一旦出現(xiàn)了故障，就會(huì)給整個(gè)電力系統(tǒng)、社會(huì)發(fā)展和人民生活帶來巨大的損失。所以保護(hù)變壓器的穩(wěn)定運(yùn)行是運(yùn)行人員最重要的任務(wù)。

為了滿足電網(wǎng)智能化發(fā)展要求和電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)電力系統(tǒng)的第一道防線——微機(jī)保護(hù)裝置在硬件和軟件上也提出了越來越高的要求。不僅要求微機(jī)保護(hù)裝置完成保護(hù)功能，而且需要微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)具有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性、可靠性、擴(kuò)展性、更強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)通信能力及強(qiáng)大的人機(jī)交互功能。根據(jù)IEC 61850規(guī)約的要求[1]，處于中間層的保護(hù)裝置不僅要接收過程層的電流、電壓互感器的采樣值及斷路器開關(guān)量的采樣等，還要接收站控層下達(dá)的控制命令，以達(dá)到對(duì)一次設(shè)備的控制。綜上所述，研究新型的變壓器微機(jī)繼電保護(hù)應(yīng)用于現(xiàn)代電網(wǎng)勢在必行。

1 變壓器保護(hù)基本理論

根據(jù)變壓器可能出現(xiàn)的故障類型設(shè)定變壓器保護(hù)類型，按變壓器故障發(fā)生地點(diǎn)將變壓器故障類型分為內(nèi)部故障和外部故障兩類。內(nèi)部故障主要是油箱內(nèi)部各相繞組短路或單相繞組部分匝間短路、鐵芯損壞等原因引起；外部故障主要是油箱外部外出線各相之間或單相接地引起的故障。其中內(nèi)部故障的危害比外部故障危害性大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起整個(gè)變壓器的爆炸。

1.1 變壓器的主保護(hù)

變壓器的主保護(hù)主要為差動(dòng)保護(hù)與瓦斯保護(hù)，其中差動(dòng)保護(hù)又分為比率差動(dòng)保護(hù)、差動(dòng)速斷保護(hù)等，瓦斯保護(hù)又包括重瓦斯與輕瓦斯保護(hù)。下面以最常用的復(fù)式比率差動(dòng)保護(hù)為例講述主變壓器主保護(hù)原理[2]。

差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作原理根據(jù)基爾霍夫電流定理，計(jì)算變壓器各側(cè)電流的相量和。變壓器正常運(yùn)行時(shí)或者變壓器區(qū)外發(fā)生故障時(shí)，變壓器各側(cè)電流相量和很小，理想情況為零，一旦變壓器內(nèi)發(fā)生故障時(shí)，則各側(cè)電流相量和就會(huì)變大，大電流流入電流繼電器，繼電器動(dòng)作將故障切除。復(fù)式比率差動(dòng)保護(hù)在差動(dòng)保護(hù)原理的基礎(chǔ)上為了增加保護(hù)的靈敏度，增加了動(dòng)作電流的制動(dòng)量，并且該制動(dòng)量中還跟隨差動(dòng)量的變化。

復(fù)式比率差動(dòng)保護(hù)中差動(dòng)電流為

(1)

復(fù)式比率差動(dòng)保護(hù)制動(dòng)電流為

(2)

根據(jù)差動(dòng)動(dòng)作原理可知復(fù)式比率差動(dòng)動(dòng)作方程為

(3)

式中：Iopmin為差動(dòng)元件的啟動(dòng)電流，按躲過正常運(yùn)行時(shí)的最大不平衡電流整定；Kr1為比率制動(dòng)系數(shù)，按躲過變壓器區(qū)外故障時(shí)產(chǎn)生的最大不平衡電流來整定。

1.2 變壓器的后備保護(hù)

作為變壓器的后備保護(hù)是在主保護(hù)拒動(dòng)或出現(xiàn)故障時(shí)，防止故障擴(kuò)張而設(shè)置的保護(hù)。主變壓器的后備保護(hù)有多種，下面以復(fù)合電壓過流保護(hù)為例講述變壓器的后備保護(hù)[3]。復(fù)合電壓過流保護(hù)邏輯框圖如圖1所示。

圖1 復(fù)合電壓過流保護(hù)邏輯框圖

復(fù)合電壓過流保護(hù)包括復(fù)合電壓元件和過流保護(hù)元件，兩者進(jìn)行“與”運(yùn)算來控制保護(hù)的動(dòng)作。復(fù)合電壓元件包括負(fù)序過壓和正序低電壓元件。系統(tǒng)出現(xiàn)不對(duì)稱故障時(shí)，會(huì)出現(xiàn)負(fù)序電壓，系統(tǒng)出現(xiàn)對(duì)稱故障時(shí)正序電壓會(huì)急劇降低。當(dāng)兩者滿足任意一條件時(shí)，復(fù)合電壓元件都會(huì)動(dòng)作。

U1

(4)

U2>U2set

(5)

式中：U1為正序電壓；U2為負(fù)序電壓；Uset為正序電壓整定值；U2set為負(fù)序電壓整定值。

在滿足復(fù)合電壓啟動(dòng)的前提下，只要A、B、C三相中任一相電流滿足過電流啟動(dòng)條件，則復(fù)合電壓過流保護(hù)就會(huì)動(dòng)作。

2 變壓器保護(hù)裝置總體方案設(shè)計(jì)

為了滿足智能變電站中SMV信息、GOOSE信息大數(shù)據(jù)量的高速傳輸，站控層、間隔層、過程層信息實(shí)時(shí)共享，變壓器保護(hù)裝置采用雙CPU結(jié)構(gòu)，一為數(shù)據(jù)處理能力極強(qiáng)的DSP，另一為控制能力極強(qiáng)的ARM，提高了運(yùn)算速度，并加強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)處理能力。

2.1 保護(hù)裝置硬件整體框架

IEC 61850規(guī)約是智能變電站的基礎(chǔ)和根本[4]，在該規(guī)約的通信環(huán)境中各個(gè)廠家的電氣設(shè)備輕松實(shí)現(xiàn)互聯(lián)、信息共享，為變電站實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)於ɑA(chǔ)，也為微機(jī)繼電保護(hù)硬件系統(tǒng)提出更高的性能要求。本文研究設(shè)計(jì)的微機(jī)繼電保護(hù)系統(tǒng)的硬件平臺(tái)采用了雙CPU結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了裝置的運(yùn)算及控制能力。一種是采用具有強(qiáng)大數(shù)字信號(hào)處理能力和運(yùn)算能力的DSP芯片，很好地滿足了微機(jī)保護(hù)中運(yùn)算量大和采樣精度高的要求，從而滿足現(xiàn)代電網(wǎng)中數(shù)據(jù)處理的快速性和實(shí)時(shí)性。另一種是具有豐富接口與超強(qiáng)控制能力的ARM處理器，為保護(hù)信息的傳輸提供了多個(gè)輸入輸出接口以及人機(jī)交互界面。

本課題所設(shè)計(jì)的變壓器微機(jī)繼電保護(hù)裝置的硬件平臺(tái)采用模塊化設(shè)計(jì)，根據(jù)每一模塊完成的功能、作用，變壓器微機(jī)保護(hù)裝置主要分為DSP+ARM構(gòu)成的CPU模塊、獲得模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)的數(shù)據(jù)采集模塊、完成開關(guān)量輸出的光電隔離模塊、方便人工操作的人機(jī)接口模塊、電源模塊、完成內(nèi)外信息傳遞的通信接口模塊等。系統(tǒng)的整體框架如圖2所示。

圖2 變壓器微機(jī)保護(hù)的整體框架

2.2 保護(hù)裝置軟件設(shè)計(jì)

硬件是保護(hù)裝置傳遞信息的載體，而軟件則決定其動(dòng)作特性和規(guī)律。微機(jī)保護(hù)的軟件系統(tǒng)就是整個(gè)繼電保護(hù)的神經(jīng)元，提供了對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、運(yùn)算和判斷的功能，最終實(shí)現(xiàn)了各種保護(hù)的正確動(dòng)作。該保護(hù)裝置程序軟件的結(jié)構(gòu)采用模塊設(shè)計(jì)，主要包括ARM與DSP兩大軟件體系。其中，ARM負(fù)責(zé)人機(jī)交互、調(diào)度、故障錄波、向DSP傳達(dá)相應(yīng)的控制命令；DSP負(fù)責(zé)采樣控制、故障判別、保護(hù)執(zhí)行、協(xié)調(diào)接收到ARM傳輸?shù)目刂泼畹萚5]。下面以核心元件DSP的軟件設(shè)計(jì)為例，描述該保護(hù)的動(dòng)作流程。

根據(jù)硬件平臺(tái)中DSP模塊的功能及設(shè)計(jì)要求，DSP軟件系統(tǒng)包括自身程序的初始化與自檢程序，數(shù)據(jù)采集模塊接收程序、數(shù)據(jù)處理程序、故障判定程序、故障處理程序以及與雙口ARM數(shù)據(jù)通信程序。其主程序的工作流程如圖3所示。

圖3 DSP芯片中的主程序流程

DSP芯片中的保護(hù)判定程序首先計(jì)算差動(dòng)速斷保護(hù)動(dòng)作條件，如果計(jì)算結(jié)果符合差動(dòng)動(dòng)作數(shù)值，則跳閘，并傳輸信號(hào)、顯示狀態(tài)。如果計(jì)算結(jié)果不滿足差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作數(shù)值，再計(jì)算比較差動(dòng)電流Id與最小動(dòng)作電流Iop0，若Id

圖4 保護(hù)判斷流程

2.3 動(dòng)態(tài)時(shí)間彎曲算法

算法是微機(jī)保護(hù)的核心問題之一，決定著繼電保護(hù)基本四性優(yōu)劣[6]，是權(quán)衡保護(hù)運(yùn)算速度與精度的重要基準(zhǔn)。保護(hù)算法可以分成2類：一類是直接由采樣值經(jīng)過某種運(yùn)算，求出被測信號(hào)的實(shí)際值，再與定值比較；另一類算法是依據(jù)繼電器的動(dòng)作方程，將采樣值代入動(dòng)作方程，轉(zhuǎn)換為運(yùn)算式的判斷。目前微機(jī)保護(hù)廣泛應(yīng)用第2種方法作為自身的算法。而智能變電站中的保護(hù)是把這些保護(hù)原理用軟件編程的方法來實(shí)現(xiàn)。

本課題變壓器保護(hù)所用的算法是動(dòng)態(tài)時(shí)間彎曲算法(DTW)。該算法是一種柔性模式匹配算法，能夠通過將時(shí)間軸拉長或縮短，對(duì)存在全局或局部擴(kuò)展、壓縮或變形(如保護(hù)中的不同步情況)的相同時(shí)間長度或不同時(shí)間長度的序列進(jìn)行匹配，計(jì)算出兩側(cè)時(shí)間序列的最短距離。而變壓器差動(dòng)主保護(hù)就是采集變壓器兩側(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以此來判斷變壓器內(nèi)部是否發(fā)生故障。這樣通過動(dòng)態(tài)時(shí)間彎曲算法可以迅速找出最短距離，進(jìn)而在第一時(shí)間找出變壓器兩側(cè)的電流差流，判定是否為故障狀態(tài)。

3 保護(hù)裝置性能分析

3.1 數(shù)據(jù)采樣分析

對(duì)于整個(gè)微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)來說，數(shù)據(jù)采集最為重要[7]，只有準(zhǔn)確地完成被測對(duì)象電量參數(shù)的采樣，才能保證微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)做出正確的邏輯判斷。為保證測量精度，在測量前對(duì)裝置模擬通道進(jìn)行了測試及比例系數(shù)調(diào)整。將12 路模擬量輸入通道接地，調(diào)整零漂，在要使用的通道上加57.74 V電壓與5 A電流，如表1所示。保護(hù)裝置采樣頻率也是影響采樣精度的重要因素，表2為保護(hù)裝置頻率測驗(yàn)情況。

表1 模擬通道交流量測驗(yàn)情況

表2 頻率測驗(yàn)表情況 單位：Hz

由上述結(jié)果可以看出，本系統(tǒng)對(duì)電壓電流有效值具有較高的精度，由此推算出來的有功功率、無功功率、功率因數(shù)同樣具有較高的精度。

3.2 變壓器匝間短路故障試驗(yàn)數(shù)據(jù)

變壓器常出現(xiàn)的故障類型中，單相接地故障占到總接地故障數(shù)量的70%[8]，為此在變壓器滿載條件下，以高壓側(cè)單相接地故障為例，驗(yàn)證該課題設(shè)計(jì)的變壓器保護(hù)裝置的實(shí)用性與正確性。表3所示為變壓器區(qū)內(nèi)高壓側(cè)A相單相故障類型的試驗(yàn)報(bào)告，其對(duì)應(yīng)的錄波為圖5。

表3 區(qū)內(nèi)高壓側(cè)單相故障報(bào)告

圖5 高壓側(cè)A相故障錄波

4 結(jié)束語

本文講述了智能變電站的發(fā)展現(xiàn)狀以及傳統(tǒng)保護(hù)智能化改造的必要性；詳細(xì)闡述了變壓器保護(hù)的保護(hù)原理：主保護(hù)與后備保護(hù)。設(shè)計(jì)了一種適合智能化變電站發(fā)展的變壓器保護(hù)，詳細(xì)分解了保護(hù)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及使用的軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在保護(hù)算法上利用了動(dòng)態(tài)時(shí)間彎曲算法，該方法可以得出兩點(diǎn)之間最近的距離，適合變壓器保護(hù)中主保護(hù)的差動(dòng)保護(hù)原理。最后通過詳細(xì)的軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)結(jié)合成裝置測試驗(yàn)證相關(guān)工作的效果。結(jié)果表明：該研究課題能夠滿足運(yùn)行需要，且在電力系統(tǒng)中表現(xiàn)良好。