黃煒， 彭生江， 張四江， 高峰， 朱轉(zhuǎn)軍， 賀延峰

(1.甘肅省電力公司, 建設(shè)分公司，甘肅，蘭州 730000；2.甘肅送變電工程有限公司，甘肅，蘭州 730000)

0 引言

目前，大電流發(fā)生器是變電站啟動(dòng)送電前對(duì)CT一次與二次變比和極性校驗(yàn)最常用的設(shè)備之一，普遍使用的大電流發(fā)生器是單相輸出，由接觸式自耦變壓器+降壓變壓器(升流器)，通過調(diào)壓器輸出電壓對(duì)升流器輸入端進(jìn)行調(diào)壓，從而調(diào)節(jié)控制其輸出電流的大小。在使用時(shí)，設(shè)備對(duì)大電流持續(xù)輸出時(shí)間不能超出10 s，否則可能會(huì)因自耦變壓器的碳刷因承受不了太大電流而導(dǎo)致調(diào)壓器繞組損壞，包括碳刷觸點(diǎn)下的相鄰線圈匝間也會(huì)因長時(shí)間發(fā)熱而導(dǎo)致匝間出現(xiàn)短路，無法保證試驗(yàn)的正常進(jìn)行。

針對(duì)上述技術(shù)的不足，現(xiàn)有技術(shù)也進(jìn)行了相關(guān)技術(shù)研究。其中文獻(xiàn)[1]介紹的采用一種基于同步觸發(fā)加壓通流技術(shù)的試驗(yàn)裝置，該技術(shù)方案包括一路 300 A電流源，一路三相 10 kV 電壓源，通過單臺(tái)設(shè)備獨(dú)立使用，不同設(shè)備之間通過光纖信號(hào)同步控制，但該技術(shù)方案無法通過雙路輸出采用的同源同頻移相輸出技術(shù)。文獻(xiàn)[2]介紹的變壓器差動(dòng)保護(hù)二次接線回路正確性校驗(yàn)方法是在主變高壓側(cè)施加 100—500 V 的三相交流電壓，然后根據(jù)主變差動(dòng)保護(hù)回路中是否有差動(dòng)電流產(chǎn)生，但校驗(yàn)?zāi)芰Σ睢?/p>

針對(duì)上述技術(shù)的不足，本研究提出一種新型的小型化模擬帶負(fù)荷校驗(yàn)的繼電保護(hù)試驗(yàn)裝置，能夠有效地克服上述技術(shù)存在的不足。

1 關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)

1.1 模擬帶負(fù)荷計(jì)量性能校驗(yàn)方法

采用新型FFT合并單元實(shí)現(xiàn)模擬帶負(fù)荷校驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)該方法的硬件結(jié)構(gòu)包括電源、同步信號(hào)產(chǎn)生裝置、異種信息轉(zhuǎn)換單元、PCI 6733數(shù)據(jù)采集卡以及PCI 4472數(shù)據(jù)采集卡、信號(hào)變換模塊和控制終端[1]等組成，其邏輯架構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 模擬帶負(fù)荷計(jì)量性能校驗(yàn)方法硬件結(jié)構(gòu)

在硬件結(jié)構(gòu)中，通過控制終端輸出波形數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)采集卡采集輸出的波形數(shù)據(jù)，通過功率轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸出，信息變換單元實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的變換。信號(hào)變換模塊通過與PCI 6733數(shù)據(jù)采集卡以及PCI 4472數(shù)據(jù)采集卡相連接，實(shí)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)信息的轉(zhuǎn)換[2]。其中信息變換模塊和時(shí)間序列轉(zhuǎn)換單元分別實(shí)現(xiàn)不同信息的變換。信息變換模塊通過單片機(jī)微處理器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的控制功能，通過有線或者無線通信實(shí)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)信號(hào)的通信。在具體實(shí)例中，電源向不同的數(shù)據(jù)模塊提供正常工作電壓，通過同步信號(hào)產(chǎn)生裝置產(chǎn)生數(shù)據(jù)同步信號(hào)，通過異種信息轉(zhuǎn)換單元實(shí)現(xiàn)不同類型數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，通過PCI 6733、PCI 4472數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)不同類型數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，其中信號(hào)變換模塊實(shí)現(xiàn)多種數(shù)據(jù)的變換，其中控制終端控制各個(gè)部分的工作[3]。在數(shù)據(jù)通信中，通過IEC 61850-9-2LE協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞，最終不同的數(shù)據(jù)信息被傳遞到控制終端，實(shí)現(xiàn)最終數(shù)據(jù)的交互。在終端位置處，通過數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)信息庫中設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)模擬帶負(fù)荷計(jì)量性能校驗(yàn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)模塊的功能校驗(yàn)。

為了提高模擬帶負(fù)荷計(jì)量性能校驗(yàn)功能，采用加Hanning窗的單譜線插值FFT算法[4]實(shí)現(xiàn)功能校驗(yàn)。假設(shè)采集到的繼電保護(hù)試驗(yàn)裝置輸出的單一頻率諧波信號(hào)用以下函數(shù)表示，則有：

xma(t)=Amcos(2πfmt+φm)

(1)

式(1)表示模擬帶負(fù)荷計(jì)量數(shù)據(jù)輸出信息，對(duì)獲取的模擬帶負(fù)荷計(jì)量數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集，采集到的數(shù)據(jù)序列記作為xma(t)，采集到數(shù)據(jù)頻率用fs來表示，Am表示幅值，其中模擬帶負(fù)荷計(jì)量數(shù)據(jù)信息的采樣點(diǎn)數(shù)記作為N，φm表示相位角，則存在以下關(guān)系式：

(2)

式(2)表示對(duì)輸入的模擬帶負(fù)荷計(jì)量數(shù)據(jù)輸出信息進(jìn)行插值修正后的輸出函數(shù)，即單譜線插值表達(dá)式，在應(yīng)用式(2)計(jì)算的過程中，還存在以下應(yīng)用情況，即當(dāng)fm與fs/N不存在整數(shù)倍[5]的情況下，本研究引入頻率fm以及與fm對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)最大譜線值km，為了更清楚地表示，則通過數(shù)據(jù)關(guān)系式可以表示為

(3)

然后對(duì)輸入的模擬帶負(fù)荷計(jì)量數(shù)據(jù)信號(hào)xma(n)進(jìn)行加Hanning窗計(jì)算，最終輸出的FFT可以得出：

(4)

式(4)表示對(duì)輸入的模擬帶負(fù)荷計(jì)量數(shù)據(jù)信息進(jìn)行加窗后的計(jì)算結(jié)果，通過這種方式降低了常規(guī)FFT算法應(yīng)用過程中的頻譜泄漏誤差[6]，從而提高了模擬帶負(fù)荷計(jì)量性能校驗(yàn)效率。

1.2 繼電器保護(hù)方法

繼電器在運(yùn)行過程中，如何實(shí)現(xiàn)保護(hù)是本研究中的重點(diǎn)項(xiàng)目。通過構(gòu)建數(shù)學(xué)模型的方式實(shí)現(xiàn)繼電器保護(hù)計(jì)算[7]，假設(shè)繼電保護(hù)的性能計(jì)算通過構(gòu)建不同目標(biāo)參數(shù)進(jìn)行，則構(gòu)建出的數(shù)學(xué)模型為

δijfsel(t)+εijfload(t)]}

(5)

式中，M表示繼電器保護(hù)程度的目標(biāo)函數(shù)，k表示介于1.0～3.5的常數(shù)，I表示在模擬帶負(fù)荷校驗(yàn)繼電保護(hù)系統(tǒng)中待保護(hù)的繼電器數(shù)目，J表示對(duì)繼電器實(shí)施保護(hù)的選定繼電器數(shù)目，tij表示保護(hù)第i個(gè)繼電器時(shí)第j時(shí)間下的時(shí)間，αi表示為在對(duì)繼電器進(jìn)行保護(hù)時(shí)間影響繼電器安裝穩(wěn)定性的權(quán)重因子，f(t)表示關(guān)于時(shí)間的函數(shù)，βij表示對(duì)級(jí)差約束函數(shù)的權(quán)重因子，xij表示靈敏度約束函數(shù)的權(quán)重因子，δij表示選擇性約束函數(shù)的權(quán)重因子，εij表示負(fù)荷約束的權(quán)重因子。通過上述公式能夠?qū)^電器保護(hù)程度進(jìn)行評(píng)價(jià)[8]。

由于繼電器在運(yùn)行過程中容易受多種外界環(huán)境因素的影響，尤其是在強(qiáng)電場合下的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中容易出現(xiàn)拒動(dòng)、誤動(dòng)等多種因素的影響，這就使繼電器在工作過程中容易造成潛在危害。這就要使繼電器保護(hù)時(shí)的選擇性約束條件得到充分滿足，因此選擇性約束的參數(shù)在選取時(shí)就需要考慮多種因素[9]。下面對(duì)影響繼電器保護(hù)的因素進(jìn)行描述。

假設(shè)在所評(píng)價(jià)的i個(gè)總繼電器中存在ni個(gè)電路回路，繼電器工作過程中存在的電網(wǎng)電路為li條，則繼電器所安裝的環(huán)境中存在的電網(wǎng)脆弱性系數(shù)用ni表示，則選擇性約束函數(shù)的權(quán)重因子δij與靈敏度約束函數(shù)的權(quán)重因子xij之間的關(guān)系式可以為

(6)

式中，通過將電網(wǎng)電路數(shù)與電網(wǎng)脆弱性系數(shù)形成函數(shù)關(guān)系，能夠表示出繼電器工作過程中影響因子。

(7)

式(7)表示電網(wǎng)電路數(shù)與電網(wǎng)脆弱性系數(shù)形成函數(shù)關(guān)系后，影響繼電器工作的平均影響因子。下面對(duì)多種影響因素進(jìn)行粗度處理后的函數(shù)進(jìn)行構(gòu)建。定義

(8)

式中，c1為介于1.2～5.3的常數(shù)，根據(jù)用戶經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行選擇。通過對(duì)繼電器運(yùn)行中多種影響因素進(jìn)行粗度處理后，可以劃分成多種不同的數(shù)據(jù)等級(jí)，然后再對(duì)其權(quán)重進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、計(jì)算，以計(jì)算出對(duì)繼電器運(yùn)行造成較大影響的因素。對(duì)選擇性約束函數(shù)的權(quán)重因子定義為

(9)

式中，c2為介于1.5～3.2的常數(shù)。為了提高繼電器保護(hù)的能力，極差約束能力小于選擇性約束能力。

在具體計(jì)算時(shí)，可以令βij為0，存在潮流約束比較大時(shí)，則有εij=0。

在繼電器工作的時(shí)間函數(shù)中還存在以下函數(shù)：

f(t)=Δt

(10)

f(t)=Δt

(11)

式(10)為不滿足約束條件時(shí)的函數(shù)關(guān)系式，式(11)為滿足約束條件時(shí)的函數(shù)關(guān)系式。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在試驗(yàn)時(shí)，按以下結(jié)構(gòu)搭接試驗(yàn)架構(gòu)：將大功率電子式三相雙路輸出電源、三相大電流轉(zhuǎn)換輸出裝置、三相電壓轉(zhuǎn)換輸出裝置、高精度無線相位伏安測試儀、無線叉口式電流鉗(3只一組/共9只)等構(gòu)成電子式三相通流模擬帶負(fù)荷極性校驗(yàn)檢測成套裝置，在試驗(yàn)室環(huán)境實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站三相通流、加壓及模擬帶負(fù)荷進(jìn)行保護(hù)系統(tǒng)接線檢測。試驗(yàn)流程示意圖如圖2所示。

在驗(yàn)證校驗(yàn)方法時(shí)，啟動(dòng)LabVIEW平臺(tái)，利用常規(guī)FFT算法與本研究的方法進(jìn)行對(duì)比、仿真和計(jì)算，在誤差計(jì)算方法上進(jìn)行對(duì)比分析。利用人工方法實(shí)現(xiàn)校驗(yàn)功能，波形的生成利用LabVIEW自帶的能生成正弦波形的子程序，通過啟動(dòng)輸出。分別從3種不同的方式上進(jìn)行對(duì)比分析。其中在不同諧波下的幅值情況下，輸出信號(hào)如表1所示。

表1 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

輸出的差值計(jì)算如表2所示。

表2 無諧波環(huán)境下的差值計(jì)算

諧波存在下的差值計(jì)算如表3所示。

表3 諧波存在下的差值計(jì)算

通過表1～表3可以看出，在進(jìn)行模擬帶負(fù)荷校驗(yàn)繼電保護(hù)時(shí)，線路中存在諧波時(shí)，在使用常規(guī)FFT算法的情況下，系統(tǒng)誤差比較明顯，使用本研究的方法時(shí)間則小于常規(guī)FFT算法[10]，將二者方法通過曲線對(duì)比示意圖進(jìn)行顯示則如圖3所示。

圖3 負(fù)荷預(yù)測均方根誤差曲線示意圖

通過400 min的測量，本研究的工作誤差均低于0.2%，精度明顯高于傳統(tǒng)設(shè)備常規(guī)FFT算法測試的方法。

下面再進(jìn)行模擬帶負(fù)荷試驗(yàn)。在該試驗(yàn)中，通入正常電壓、電流至預(yù)定值后進(jìn)行模擬帶負(fù)荷試驗(yàn)，在保護(hù)裝置、電度表、測控裝置、故障錄波器等安裝處測量被試間隔二次電流的幅值和相位值，如實(shí)記錄，與計(jì)算值對(duì)比，如有懷疑，應(yīng)停止通流并分析原因，處理后再繼續(xù)工作；電流大小滿足裝置精度要求時(shí)可以以裝置內(nèi)讀數(shù)代替測量。備用組 TA 二次電流相位測試若無參考電壓時(shí)，可以利用同一 TA 其他繞組電流為參考測相位或端子箱內(nèi)市電為參考電壓測相位。檢查 TA、TV 二次回路幅值、相位測試。電流幅值、相位測試一般情況下以 A 相電壓為參考電壓，在各 TA 二次回路進(jìn)行 TA 電流幅值、相位的讀取，并在保護(hù)裝置上進(jìn)行采樣值讀取。

將文獻(xiàn)[1]、文獻(xiàn)[2]和本研究的方法在測量的準(zhǔn)確度上進(jìn)行比較分析。不同方法的預(yù)測準(zhǔn)確性分析示意圖如圖4所示。

圖4 不同方法的預(yù)測準(zhǔn)確性分析

通過圖4可以看出，本研究的方法接線率較高，優(yōu)化了變電站的啟動(dòng)投產(chǎn)模式，通過事先的一次三相加壓和一次三相通流試驗(yàn)，確保變電站內(nèi)系統(tǒng)的TV、TA的二次回路變比、極性、相序、相位正確，減少了調(diào)試工作對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定的影響，有效地避免了帶負(fù)荷校驗(yàn)保護(hù)和計(jì)量回路極性錯(cuò)誤，解決了目前采用傳統(tǒng)式的電工式單相大電流發(fā)生器只能逐相對(duì)單相回路電流互感器變比、極性進(jìn)行檢測，無法將差回路進(jìn)行檢測的不足。

3 總結(jié)

本研究針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)模擬帶負(fù)荷校驗(yàn)繼電保護(hù)不佳的問題，提出了新型的模擬帶負(fù)荷計(jì)量性能校驗(yàn)方法，該方法能夠提高模擬帶負(fù)荷計(jì)量性能校驗(yàn)功能，也滿足裝置的三相電流轉(zhuǎn)換裝置直接對(duì)母線通流、三相電壓轉(zhuǎn)換裝置對(duì)一次加壓的試驗(yàn)要求。但是仍舊存在一些問題，比如對(duì)高阻抗變壓器進(jìn)行測試時(shí)，還需要注意：一是提高相位表側(cè)測量精度;二是采用低頻對(duì)變壓器加壓以提高二次電流的幅值，相位表調(diào)整為帶有頻率跟蹤或選頻測量方式解決差動(dòng)回路的六角圖測試難題。