王晶 齊巖 湯炳章 張軍

（1.國網(wǎng)湖北省電力有限公司直流運檢公司 2.南京南瑞繼保電氣有限公司）

0 引言

目前我國電力系統(tǒng)正在朝著特高壓大容量的方向持續(xù)發(fā)展，使得整個電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化和提升，同時電力系統(tǒng)的規(guī)模逐步擴大，結(jié)構(gòu)交錯復(fù)雜，系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性尤為重要［1－2］。而電力變壓器作為電力系統(tǒng)中最重要的電力設(shè)備之一，承擔(dān)著樞紐作用，它的安全穩(wěn)定運行直接關(guān)系到整個電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。勵磁涌流一直是變壓器保護研究中的熱點話題，而和應(yīng)涌流常常由于其發(fā)生的隱蔽性而沒有得到足夠的重視。實際上，國內(nèi)外很多電廠和變電站都出現(xiàn)過由于變壓器空載合閘導(dǎo)致與它并聯(lián)或者級聯(lián)的變壓器產(chǎn)生和應(yīng)涌流，引發(fā)主保護誤動的事件發(fā)生［3－5］，有時還可能引起上級線路的后備保護和過流保護發(fā)生誤動，嚴重影響整個系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。變壓器和應(yīng)涌流的識別方法大多數(shù)采用的是與勵磁涌流相同的方法，但這些方法在應(yīng)對和應(yīng)涌流時存在諸如兩者波形特點存在差異，對差動保護造成的誤動原因各不相同等局限［6］，對保護正確動作帶來干擾。

傳統(tǒng)的保護整定僅僅是對所采集的本單元的電氣量以及有限的狀態(tài)變量進行分析，而不能對電網(wǎng)的整體運行狀態(tài)及信息進行利用，為了獲取更多的故障信息和改進保護的性能，提出了站域保護的概念。本文研究重點在于充分利用站域信息的共享和交互，根據(jù)基爾霍夫定律，獲取故障支路與其他相連支路之間的電氣量信息，對和應(yīng)涌流進行有效識別。

1 和應(yīng)涌流的產(chǎn)生、特征及其對保護影響

和應(yīng)涌流的產(chǎn)生一般分為兩種方式。其一，兩臺變壓器并聯(lián)運行，其中一臺變壓器處于正常運行的狀態(tài)，而與它并聯(lián)的另一臺變壓器空載合閘投入運行，此時便會導(dǎo)致與它相連的正常運行的變壓器受到影響，產(chǎn)生和應(yīng)涌流［7－9］，如圖1所示是兩臺變壓器并聯(lián)運行時的接線圖。具體操作為：當(dāng)?shù)谝慌_變壓器T1正常運行時，斷路器QF在某個時刻合閘使得變壓器T2不帶任何負載投入運行中，此時T2中會產(chǎn)生大量的勵磁電流，而變壓器T1受到T2的影響會產(chǎn)生和應(yīng)涌流。

圖1 并聯(lián)型和應(yīng)涌流接線圖

第二種方式為兩臺變壓器級聯(lián)運行［10］，等效的系統(tǒng)接線圖如圖2所示。

圖2 級聯(lián)型和應(yīng)涌流的系統(tǒng)接線圖

在此連接方式下，當(dāng)靠近系統(tǒng)側(cè)的變壓器T1處于正常運行狀態(tài)時，靠近系統(tǒng)側(cè)末端的變壓器T2在斷路器QF閉合時空載投入，此時變壓器T1內(nèi)部將產(chǎn)生和應(yīng)涌流的現(xiàn)象，產(chǎn)生機理與并聯(lián)型和應(yīng)涌流類似，不再贅述。

和應(yīng)涌流具有以下典型特征［11－12］：

1）和應(yīng)涌流總是在空載合閘產(chǎn)生的勵磁涌流作用一段時間后才會出現(xiàn)，在幾個周波后迅速達到最大值，且和應(yīng)涌流中二次諧波含量隨涌流的衰減而增大；

2）勵磁涌流與和應(yīng)涌流交替出現(xiàn)，位于時間軸的不同兩側(cè)、沒有重疊的部分；

3）和應(yīng)涌流的產(chǎn)生是由于運行中的變壓器與空載合閘變壓器磁鏈的相互作用而生成的，勵磁涌流會由于和應(yīng)涌流的出現(xiàn)降低衰減速度，同時和應(yīng)涌流的作用時間也會變長，導(dǎo)致勵磁涌流與和應(yīng)涌流雙重作用時間變長，造成危害性增加。

和應(yīng)涌流總是在另一臺變壓器空載合閘之后的幾百毫秒甚至幾秒才出現(xiàn)，時間上的差距導(dǎo)致和應(yīng)涌流隱蔽性較強，不容易引起工作人員的注意。正是由于這個特性容易將本由和應(yīng)涌流引起的誤動事故誤判定為普通誤動事故，為電網(wǎng)穩(wěn)定運行埋下了極大的安全隱患。目前針對和應(yīng)涌流的識別方法大多與勵磁涌流相同，但兩者在波形上的差異以及導(dǎo)致差動保護出現(xiàn)誤動現(xiàn)象的原因不同等因素，會引起判據(jù)的失效。同時識別勵磁涌流的判據(jù)主要是針對空載合閘的那臺變壓器勵磁涌流波形等電氣信息特征進行識別，而和應(yīng)涌流的產(chǎn)生則涉及到多臺變壓器，若將站域信息有效地加以利用，則更有利于和應(yīng)涌流的快速識別。

2 基于站域信息共享的和應(yīng)涌流識別方法

2.1 站域保護

站域保護是建立在ICE61850標(biāo)準(zhǔn)之上［13］，可以通過快速的通信網(wǎng)絡(luò)來獲得智能變電站內(nèi)所有設(shè)備的電氣量、非電氣量等信息，綜合利用這些信息能夠?qū)ψ冸娬緝?nèi)出現(xiàn)的異常情況進行快速的診斷處理，同時可以將智能變電站的保護控制系統(tǒng)集中在一起快速完成各種保護的功能。

根據(jù)國家電網(wǎng)公司的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，繼電保護設(shè)備要能夠及時獲得電壓電流值（SV）報文以及各類通用對象面對智能變電站事件（GOOSE）報文中所包含的開關(guān)量信息以及斷路器開合信息等［14－15］。圖3為站域信息共享之后的保護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖。

圖3 站域保護的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在間隔層中配置了兩套完全一樣的保護系統(tǒng)，互相之間為備用，提高了系統(tǒng)的可靠性，能夠?qū)ψ冸娬緝?nèi)的故障具有快速定位、決策制定和數(shù)據(jù)收集等功能，在變電站內(nèi)構(gòu)建統(tǒng)一的通信網(wǎng)絡(luò)，除了保護設(shè)備之外的其他設(shè)備信息都能夠從此通信網(wǎng)絡(luò)中獲取，真正實現(xiàn)了站域信息的共享。

相比于傳統(tǒng)的繼電保護系統(tǒng)，站域保護的提出能夠?qū)θ镜母黝愋畔⑦M行采集，對站內(nèi)數(shù)據(jù)實現(xiàn)實時共享，由于能夠獲得整個變電站的故障信息，所以保護的計算精度得到了大幅提高，也能夠?qū)崿F(xiàn)快速定位故障和作出決策，保證系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行。

2.2 基波幅值變化率識別法

根據(jù)站域保護的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，由于站域保護具有信息共享的優(yōu)勢，本文充分利用獲取的全站電流量信息進行觀測，首先根據(jù)異常電流大致定位故障發(fā)生的位置；其次通過獲取各個支路開關(guān)量的信息，具體定位出現(xiàn)和應(yīng)涌流的位置；最后再根據(jù)差動電流進行和應(yīng)涌流的識別。通過對和應(yīng)涌流、勵磁涌流和區(qū)內(nèi)故障時的波形在二次諧波、幅值、波形特征等進行分析可以發(fā)現(xiàn)，和應(yīng)涌流的產(chǎn)生可被細分為兩個階段：暫態(tài)電流幅值增大的階段和穩(wěn)定電流幅值衰減的階段。通過對三種工況下電流波形的頻譜進行分析能夠發(fā)現(xiàn)明顯的區(qū)別。對于和應(yīng)涌流而言，它的基波分量是先逐漸增加后又出現(xiàn)下降的趨勢；對于空載合閘產(chǎn)生的勵磁涌流，其對應(yīng)的基波分量保持持續(xù)下降的趨勢；當(dāng)變壓器區(qū)內(nèi)發(fā)生故障時，差動電流中含有較大的非周期分量，但是差流被分解后的基波分量卻近似保持不變。

對上述規(guī)律進行總結(jié)發(fā)現(xiàn)，可通過對變壓器中差動電流的基波分量變化趨勢來識別和應(yīng)涌流［16］。定義差動電流的基波分量的幅值增量為S（n）：

式中，Id（n）、Id（n－1）分別表示的是第n個點、第n－1個點所對應(yīng)的差流基波的幅值。

S（n）反映了差流基波分量幅值的變化趨勢，對于和應(yīng)涌流，當(dāng)波形處于暫態(tài)幅值增大的階段時S（n）＞0，當(dāng)波形處于穩(wěn)定衰減階段時S（n）＜0；對于空載合閘產(chǎn)生的勵磁涌流，勵磁涌流對應(yīng)的基波分量幅值變化滿足S（n）＜0；對于變壓器區(qū)內(nèi)故障產(chǎn)生的差動電流，它對應(yīng)的基波分量變化滿足S（n）≈0。

3 仿真分析

利用電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD／EMTDC搭建智能變電站站域保護模型，本文以并聯(lián)型和應(yīng)涌流為例，搭建仿真模型如圖4所示。主要參數(shù)為：變電站的供電電壓E＝220kV，整個變電站的頻率為50Hz。在本文的仿真中變壓器均選用的是等效磁路模型（UMEC），因為UMEC型的變壓器模型兼顧了同相繞組間的磁耦合關(guān)系以及鐵心材料的磁滯效應(yīng)等因素，并充分考慮了鐵心的幾何結(jié)構(gòu)，適合對變壓器的飽和特性進行研究。變電站內(nèi)變壓器的容量均為100MVA，一、二次側(cè)額定電壓比均為220／115kV。以母線1連接的兩臺變壓器為例，正常運行的第一臺變壓器采用Y／Y接線，空載投入的第二臺變壓器采用的是Y／△接線，仿真時長均設(shè)置為0.5s，采樣頻率都為4 kHz，仿真結(jié)果波形采用標(biāo)幺值以A相電流為例顯示。

圖4 和應(yīng)涌流仿真圖

基于站域保護信息共享的優(yōu)勢，本文通過構(gòu)造綜合判據(jù)來有效識別和應(yīng)涌流，以母線1連接變壓器T1空載合閘導(dǎo)致變壓器T2出現(xiàn)和應(yīng)涌流為例。

1）首先通過對整個變電站的電氣信息進行采集和實時監(jiān)測，判斷何處的差動電流出現(xiàn)異常，對異常情況進行大致定位，例如本文定位到母線1處；

2）其次通過獲取的變電站的開關(guān)量信息進行和應(yīng)涌流的初步判斷，例如此時斷路器1、3、4正常工作，而檢測到斷路器2斷開，大致可以判斷為變壓器T1空載合閘對變壓器T2產(chǎn)生影響，此時還將利用對端的電流數(shù)據(jù)信息進行檢測，閉鎖大差保護來防止誤動；

3）最后結(jié)合本文提出的基波幅值變換率的方法，根據(jù)差流判定是否為和應(yīng)涌流，具體仿真算例如下。

算例1：和應(yīng)涌流

變壓器T2持續(xù)正常運行，變壓器三相鐵心剩磁均為0，以A相為例仿真結(jié)果如圖5～圖6所示。

圖5 和應(yīng)涌流波形

圖6 和應(yīng)涌流基波幅值

根據(jù)前面所述的電流及開關(guān)量信息，并且結(jié)合圖6和應(yīng)涌流的基波幅值在最初始時刻呈現(xiàn)幅值上升的趨勢，能夠迅速識別出和應(yīng)涌流，促使保護閉鎖，防止誤動情況的出現(xiàn)，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

算例2：單向典型涌流

在t＝0.1 s，變壓器T1空載合閘，A相初相角為0°，變壓器三相鐵心剩磁均為0，結(jié)果如圖7－圖8所示。

圖7 勵磁涌流波形

根據(jù)前面所述的電流及開關(guān)量信息，以及圖8所示的勵磁涌流基波幅值圖，在0.1s空載合閘出現(xiàn)勵磁涌流波形時，對應(yīng)的基波幅值在合閘之后就呈現(xiàn)持續(xù)下降的趨勢，即 S( n)＜0，此時可判斷為變壓器空投的工況產(chǎn)生勵磁涌流，閉鎖保護，有效防止誤動情況的出現(xiàn)。

圖8 勵磁涌流基波幅值

算例3：區(qū)內(nèi)單相接地故障

在t＝0.1 s，變壓器T1的Y側(cè)出口發(fā)生A相接地故障，A相差流波形如圖9～圖10所示。

圖9 A相接地故障時的差流波形

圖10 A相差動電流基波幅值

根據(jù)前面所述的電流及開關(guān)量信息并結(jié)合圖9～圖10，在t＝0.1 s時，變壓器一次側(cè)出口發(fā)生A相接地故障，此時差動電流對應(yīng)的基波幅值基本保持不變S( n)≈0，運用本文的綜合判據(jù)，能夠迅速識別出故障，保護能正確動作并快速可靠地切除故障。

4 結(jié)束語

本文通過搭建站域保護系統(tǒng)，能夠?qū)崟r獲取全變電站的電流、開關(guān)量等各類電氣信息，通過對這些電氣信息以及和應(yīng)涌流波形特征的綜合分析，提出了基于站域信息共享的和應(yīng)涌流識別方法，該方法能夠解決由于和應(yīng)涌流引起的差動保護誤動行為，并能夠?qū)φ緝?nèi)的各類電氣信息進行實時監(jiān)控。通過Pscad仿真算例對判據(jù)的有效性進行驗證，結(jié)果表明運用本文的判據(jù)能夠正確識別出和應(yīng)涌流、勵磁涌流和區(qū)內(nèi)故障，對發(fā)生和應(yīng)涌流和勵磁涌流的工況能夠可靠閉鎖，從而避免保護誤動，保證供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。