基于實時數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中的運行良好奠定了扎實的理論基礎。

目前國內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]。縱聯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生的內部故障，當CT監測到供電系統中的電流發生差流越限時，變壓器保護裝置會發出告警信號。變壓器后備保護分為變壓器高壓側后備保護和變壓器低壓側后備保護。其中變壓器高壓側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。但是根據電網運行經驗，電力系統中變壓器保護裝置差動保護多次發生誤動。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場需求不匹配，需要制造廠家對其自身裝置的性能根據現場實際情況，開發符合現場需求的設備功能，探索和驗證保護裝置在智能電網中的運行情況。

目前國內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，模擬各種常見的、可能發生的異常工況，如瞬時、永久性的單相接地、相間短路或轉換性故障，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，變壓器如果發生內部相間短路故障、高壓側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測并記錄故障過程。差動保護是監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設定的差動保護動作值時，則啟動差動保護的動作元件[2]。縱聯差動保護單相原理接線圖見圖1。

圖1 縱聯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。當變壓器內部、變壓器引出線或變壓器套管發生嚴重故障時，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生的最大勵磁涌流和躲過變壓器區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 半仿真供電系統模型

在電力系統中，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定性和可靠性對變壓器的壽命起很大的作用。使用實時數字仿真器(RTDS)搭建實際電網仿真模型，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，模擬真實電力系統運行狀態。然后通過RTDS的模擬量輸出卡，經功率放大器，輸出變壓器低壓側電壓二次值、變壓器高壓側電流、變壓器低壓一側電流和低壓二側電流至變壓器保護裝置；變壓器保護裝置根據電壓、電流，計算控制策略，通過信號繼電器和數字量輸入卡，控制斷路器分合狀態。基于RTDS的變壓器保護裝置動模試驗的系統總體框圖設計如圖3所示。

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圖3 系統總體框圖設計

一次系統圖中，電網的電廠使用發電機進行發電，通過輸電線路將高電壓等級(110 kV)傳送至用戶側附近的變電站，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的一次系統中，主要有電源、變壓器、線路、負荷、斷路器等元件。根據所設計的電網結構，在RTDS平臺下元件庫選擇相應的模擬元件。RTDS中搭建系統模型是由RTDS元件庫內電力系統元件搭建形成的，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和一次系統模型。一次系統模型中包含無窮大電源、變壓器、負荷、斷路器模型。控制系統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。

由于發電機構成較為復雜，使用交流電源模塊代替發電機模塊，并將電源中性點經無窮大電阻接地，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(即電阻和電感并聯后與電阻串聯)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生故障，單相接地是電力系統中最為常見的故障之一，引發原因多為小動物危害、絕緣子單相擊穿等，多發生于潮濕的天氣。因此，模擬仿真需模擬變壓器高壓側及低壓側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，轉換為二進制后即111，此時發生ABC三相接地故障，將故障類型設置為線—線模式時，同理。

圖6 仿真系統模型圖

圖5 故障模擬實現圖示

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斷路器上觸頭故障設置點，繼續接至高壓側斷路器，途經高壓側斷路器下觸頭故障設置點，接至變壓器高壓側，變壓器低壓側出線接至兩條低壓側線路，低壓側線路上都加設了故障設置點，最后接至負載負荷側。F4點是高壓側斷路器上觸頭故障點，F3點是高壓側斷路器下觸頭故障點，F1是低壓側斷路器上觸頭故障點，F5是低壓側斷路器下觸頭故障點。F3和F5為變壓器保護區外故障點，F3和F1為變壓器保護區內故障點。通過模擬不同區內和區外故障點處發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要求。

模擬的電力系統中，選用的變壓器連接組別是YN/Y-10型。變壓器高壓側電壓是110 kV，變壓器低壓側電壓是10.5 kV。該臺變壓器總容量是120 MVA，使用三個單相變壓器，每個單相變壓器的容量是40 MVA。

為模擬電力系統中發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相電壓剛經過零點并上升時，合上高壓側開關BRKCLOSE，發出一個上跳沿的信號(由0變1)。仿真系統頻率是50 Hz。通過合閘角乘以系數的方式，來控制A相電壓的相角，合閘角乘以系數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觸發器的S端接收到上跳沿，Q輸出1，BRK6WS輸出7，仿真系統內有勵磁涌流產生；拉開高壓側開關BRKOPEN后，RS觸發器的R端接收到上跳沿，Q輸出0，BRK6WS輸出0，仿真系統內無勵磁涌流產生。勵磁涌流模塊模型見圖7。

圖8 故障控制模塊模型

為模擬真實電網中發生的故障，在RTDS軟件中須加設故障點。當FLT故障被觸發，并且A相電壓剛經過零點并上升時，RS觸發器的S端接收到上跳沿，RS觸發器的Q端點輸出1，iptwd點輸出1。通過設置FaultAng控制故障的角度，乘數系數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觸發器的R端接收到上跳沿，Q輸出0，FLTWD1輸出0，故障還原。為設計模擬系統發生發展性故障，在控制模塊中加入fltype1和fltype2來實現此項仿真。fltdur1是第一次故障的持續時間，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生時間和持續時間。故障控制模塊模型見圖8。

圖7 勵磁涌流模塊模型

4 半實物供電系統模型

變壓器保護裝置仿真測試是一種閉環測試。其中變壓器接線方式為YY接線。高壓側為110 kV，低壓側為10.5 kV，其中分為低壓I側和低壓II側。高壓側的監測電流為IBRK6，低壓I側的監測電流為IBRK1，低壓II側的監測電流為IBRK2。高壓側處為無窮大電源，低壓側處為用戶負載。模型的電氣主接線圖如圖9所示。設計半實物供電系統模型，將變壓器保護裝置接入實時數字仿真器搭建的模擬電網，開展邏輯功能測試和研究。數據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字仿真器發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存在的故障或可能問題進而發出的開關量信號(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字仿真器發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出口處的三相交流電壓，電流分別是高壓側、低壓I側、低壓II側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斷路器A相分閘、高壓側斷路器B相分閘、高壓側斷路器C相分閘、低壓I側斷路器A相分閘、低壓I側斷路器B相分閘、低壓I側斷路器C相分閘、低壓II側斷路器A相分閘、低壓II側斷路器B相分閘、、低壓II側斷路器C相分閘，共計9個遙控信號。仿真模型中使用RS觸發器，當接收到高壓側斷路器A相分閘信號時，高壓側斷路器三相跳閘。

RTDS的數字量輸入卡中最多可接收64路數字量信號。實際使用9路數字信號。

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，在RTDS平臺上搭建了模擬電網模型，并對變壓器空投、區內外金屬性故障、發展性故障、調整變壓器分接頭、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據的多種輸入、輸出模塊建立變壓器保護裝置的測試接口，實現了對變壓器保護裝置的閉環測試。本文所述的變壓器保護裝置閉環檢測內容基本涵蓋了現場可能發生的異常工況，真實反映了變壓器保護裝置在異常工況中的動作情況。