小型化模擬帶負荷校驗的繼電保護試驗裝置研究

黃煒， 彭生江， 張四江， 高峰， 朱轉軍， 賀延峰

(1.甘肅省電力公司, 建設分公司，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，大電流發生器是變電站啟動送電前對CT一次與二次變比和極性校驗最常用的設備之一，普遍使用的大電流發生器是單相輸出，由接觸式自耦變壓器+降壓變壓器(升流器)，通過調壓器輸出電壓對升流器輸入端進行調壓，從而調節控制其輸出電流的大小。在使用時，設備對大電流持續輸出時間不能超出10 s，否則可能會因自耦變壓器的碳刷因承受不了太大電流而導致調壓器繞組損壞，包括碳刷觸點下的相鄰線圈匝間也會因長時間發熱而導致匝間出現短路，無法保證試驗的正常進行。

針對上述技術的不足，現有技術也進行了相關技術研究。其中文獻[1]介紹的采用一種基于同步觸發加壓通流技術的試驗裝置，該技術方案包括一路 300 A電流源，一路三相 10 kV 電壓源，通過單臺設備獨立使用，不同設備之間通過光纖信號同步控制，但該技術方案無法通過雙路輸出采用的同源同頻移相輸出技術。文獻[2]介紹的變壓器差動保護二次接線回路正確性校驗方法是在主變高壓側施加 100—500 V 的三相交流電壓，然后根據主變差動保護回路中是否有差動電流產生，但校驗能力差。

針對上述技術的不足，本研究提出一種新型的小型化模擬帶負荷校驗的繼電保護試驗裝置，能夠有效地克服上述技術存在的不足。

1 關鍵技術設計

1.1 模擬帶負荷計量性能校驗方法

采用新型FFT合并單元實現模擬帶負荷校驗，實現該方法的硬件結構包括電源、同步信號產生裝置、異種信息轉換單元、PCI 6733數據采集卡以及PCI 4472數據采集卡、信號變換模塊和控制終端[1]等組成，其邏輯架構示意圖見圖1。

圖1 模擬帶負荷計量性能校驗方法硬件結構

在硬件結構中，通過控制終端輸出波形數據信息，數據采集卡采集輸出的波形數據，通過功率轉換實現數據輸出，信息變換單元實現數據的變換。信號變換模塊通過與PCI 6733數據采集卡以及PCI 4472數據采集卡相連接，實現不同數據信息的轉換[2]。其中信息變換模塊和時間序列轉換單元分別實現不同信息的變換。信息變換模塊通過單片機微處理器實現數據的控制功能，通過有線或者無線通信實現不同數據信號的通信。在具體實例中，電源向不同的數據模塊提供正常工作電壓，通過同步信號產生裝置產生數據同步信號，通過異種信息轉換單元實現不同類型數據的轉換，通過PCI 6733、PCI 4472數據采集卡實現不同類型數據的轉換，其中信號變換模塊實現多種數據的變換，其中控制終端控制各個部分的工作[3]。在數據通信中，通過IEC 61850-9-2LE協議實現數據傳遞，最終不同的數據信息被傳遞到控制終端，實現最終數據的交互。在終端位置處，通過數據標準信息庫中設置的標準數據，實現模擬帶負荷計量性能校驗，進而實現繼電保護模塊的功能校驗。

為了提高模擬帶負荷計量性能校驗功能，采用加Hanning窗的單譜線插值FFT算法[4]實現功能校驗。假設采集到的繼電保護試驗裝置輸出的單一頻率諧波信號用以下函數表示，則有：

xma(t)=Amcos(2πfmt+φm)

(1)

式(1)表示模擬帶負荷計量數據輸出信息，對獲取的模擬帶負荷計量數據信息進行采集，采集到的數據序列記作為xma(t)，采集到數據頻率用fs來表示，Am表示幅值，其中模擬帶負荷計量數據信息的采樣點數記作為N，φm表示相位角，則存在以下關系式：

(2)

式(2)表示對輸入的模擬帶負荷計量數據輸出信息進行插值修正后的輸出函數，即單譜線插值表達式，在應用式(2)計算的過程中，還存在以下應用情況，即當fm與fs/N不存在整數倍[5]的情況下，本研究引入頻率fm以及與fm對應的數據最大譜線值km，為了更清楚地表示，則通過數據關系式可以表示為

(3)

然后對輸入的模擬帶負荷計量數據信號xma(n)進行加Hanning窗計算，最終輸出的FFT可以得出：

(4)

式(4)表示對輸入的模擬帶負荷計量數據信息進行加窗后的計算結果，通過這種方式降低了常規FFT算法應用過程中的頻譜泄漏誤差[6]，從而提高了模擬帶負荷計量性能校驗效率。

1.2 繼電器保護方法

繼電器在運行過程中，如何實現保護是本研究中的重點項目。通過構建數學模型的方式實現繼電器保護計算[7]，假設繼電保護的性能計算通過構建不同目標參數進行，則構建出的數學模型為

δijfsel(t)+εijfload(t)]}

(5)

式中，M表示繼電器保護程度的目標函數，k表示介于1.0～3.5的常數，I表示在模擬帶負荷校驗繼電保護系統中待保護的繼電器數目，J表示對繼電器實施保護的選定繼電器數目，tij表示保護第i個繼電器時第j時間下的時間，αi表示為在對繼電器進行保護時間影響繼電器安裝穩定性的權重因子，f(t)表示關于時間的函數，βij表示對級差約束函數的權重因子，xij表示靈敏度約束函數的權重因子，δij表示選擇性約束函數的權重因子，εij表示負荷約束的權重因子。通過上述公式能夠對繼電器保護程度進行評價[8]。

由于繼電器在運行過程中容易受多種外界環境因素的影響，尤其是在強電場合下的電網結構中容易出現拒動、誤動等多種因素的影響，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時的選擇性約束條件得到充分滿足，因此選擇性約束的參數在選取時就需要考慮多種因素[9]。下面對影響繼電器保護的因素進行描述。

假設在所評價的i個總繼電器中存在ni個電路回路，繼電器工作過程中存在的電網電路為li條，則繼電器所安裝的環境中存在的電網脆弱性系數用ni表示，則選擇性約束函數的權重因子δij與靈敏度約束函數的權重因子xij之間的關系式可以為

(6)

式中，通過將電網電路數與電網脆弱性系數形成函數關系，能夠表示出繼電器工作過程中影響因子。

(7)

式(7)表示電網電路數與電網脆弱性系數形成函數關系后，影響繼電器工作的平均影響因子。下面對多種影響因素進行粗度處理后的函數進行構建。定義

(8)

式中，c1為介于1.2～5.3的常數，根據用戶經驗值進行選擇。通過對繼電器運行中多種影響因素進行粗度處理后，可以劃分成多種不同的數據等級，然后再對其權重進行統計、計算，以計算出對繼電器運行造成較大影響的因素。對選擇性約束函數的權重因子定義為

(9)

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

在具體計算時，可以令βij為0，存在潮流約束比較大時，則有εij=0。

在繼電器工作的時間函數中還存在以下函數：

f(t)=Δt

(10)

f(t)=Δt

(11)

式(10)為不滿足約束條件時的函數關系式，式(11)為滿足約束條件時的函數關系式。

2 試驗結果與分析

在試驗時，按以下結構搭接試驗架構：將大功率電子式三相雙路輸出電源、三相大電流轉換輸出裝置、三相電壓轉換輸出裝置、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)等構成電子式三相通流模擬帶負荷極性校驗檢測成套裝置，在試驗室環境實現對變電站三相通流、加壓及模擬帶負荷進行保護系統接線檢測。試驗流程示意圖如圖2所示。

在驗證校驗方法時，啟動LabVIEW平臺，利用常規FFT算法與本研究的方法進行對比、仿真和計算，在誤差計算方法上進行對比分析。利用人工方法實現校驗功能，波形的生成利用LabVIEW自帶的能生成正弦波形的子程序，通過啟動輸出。分別從3種不同的方式上進行對比分析。其中在不同諧波下的幅值情況下，輸出信號如表1所示。

表1 試驗參數設置

輸出的差值計算如表2所示。

表2 無諧波環境下的差值計算

諧波存在下的差值計算如表3所示。

表3 諧波存在下的差值計算

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

圖3 負荷預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%，精度明顯高于傳統設備常規FFT算法測試的方法。

下面再進行模擬帶負荷試驗。在該試驗中，通入正常電壓、電流至預定值后進行模擬帶負荷試驗，在保護裝置、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，如實記錄，與計算值對比，如有懷疑，應停止通流并分析原因，處理后再繼續工作；電流大小滿足裝置精度要求時可以以裝置內讀數代替測量。備用組 TA 二次電流相位測試若無參考電壓時，可以利用同一 TA 其他繞組電流為參考測相位或端子箱內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 二次回路進行 TA 電流幅值、相位的讀取，并在保護裝置上進行采樣值讀取。

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

圖4 不同方法的預測準確性分析

通過圖4可以看出，本研究的方法接線率較高，優化了變電站的啟動投產模式，通過事先的一次三相加壓和一次三相通流試驗，確保變電站內系統的TV、TA的二次回路變比、極性、相序、相位正確，減少了調試工作對系統穩定的影響，有效地避免了帶負荷校驗保護和計量回路極性錯誤，解決了目前采用傳統式的電工式單相大電流發生器只能逐相對單相回路電流互感器變比、極性進行檢測，無法將差回路進行檢測的不足。

3 總結

本研究針對現有技術模擬帶負荷校驗繼電保護不佳的問題，提出了新型的模擬帶負荷計量性能校驗方法，該方法能夠提高模擬帶負荷計量性能校驗功能，也滿足裝置的三相電流轉換裝置直接對母線通流、三相電壓轉換裝置對一次加壓的試驗要求。但是仍舊存在一些問題，比如對高阻抗變壓器進行測試時，還需要注意：一是提高相位表側測量精度;二是采用低頻對變壓器加壓以提高二次電流的幅值，相位表調整為帶有頻率跟蹤或選頻測量方式解決差動回路的六角圖測試難題。