間斷角原理變壓器微機保護裝置的實用化研究

摘要在第三代數字式保護通用硬件基礎上，采用單CPU板的方案實現了間斷角原理的差動保護。在實現過程中采用了一些實用技術，基本解決了微機實現間斷角原理時存在的問題。實驗表明該保護動作行為良好。此外，分析了VFC型模數轉換在高輸出頻率、高采樣率情況下數據的穩定性，并得出了有益的結論。
　　關鍵詞電力變壓器間斷角原理勵磁涌流微機保護
　　分類號TM77.774
　　 引言
　　 電力變壓器是電力系統中非常重要的電氣設備，它的安全運行直接關系到整個電力系統連續穩定地工作。按照變壓器可能發生的故障，裝設靈敏、快速、可靠和選擇性好的保護裝置是十分重要的。微機保護因其具有很強的自檢功能、長記憶功能、極強的數值計算和邏輯處理功能，而逐漸成為變壓器保護的主流。
　　當前如何正確地鑒別勵磁涌流仍然是變壓器微機保護的主要問題。傳統的二次諧波原理依據三相電流中二次諧波含量的大小，采用或門制動的方式來鑒別勵磁涌流。然而研究表明，隨著電網電壓等級的提高和規模的擴大，變壓器容量的增大和制造技術的提高，二次諧波原理存在一定的問題：首先，二次諧波已不再是勵磁涌流所獨有的特征，電流互感器的飽和、超高壓長輸電線路的分布電容或電纜線路電容的分布特性以及500kV電力變壓器的低壓側裝設靜補電容都有可能使得變壓器內部故障時，故障電流中含有較大成分的二次諧波，從而導致故障的延緩切除；此外，目前所采用的二次諧波制動比一般取15%～17%，這是根據飽和磁通為工作磁通幅值的1.4倍來考慮的，現代變壓器由于制造技術和材料的改進，飽和磁通倍數經常在1.2到1.3，甚至低到1.15，在此情況下，涌流的最小二次諧波可能低至7%［2］。因而，二次諧波原理還需要進一步不斷地完善。
　　間斷角原理在傳統的變壓器保護中的成功運行經驗表明了該原理的先進性與可靠性。隨著現代電子技術的發展，高性能微處理器的出現使間斷角原理的實現成為可能。因此，研究間斷角原理的變壓器差動保護，謀求保護性能的改善，并實現保護原理的雙重化就具有特別的意義。
　　1硬件設計方案及特點
　　1.1單CPU板的新方案
　　1)裝置的整體方案
　　
　　圖1裝置的整體方案圖
　　 圖中模入量為三側三相電流；模數變換采用VFC型；CPU采用高性能的單片機，總線不出芯片，具有很強的抗干擾能力；每個裝置都有一個高速數據通訊網接口，主要芯片均采用先進的表面安裝技術，主要插件都用多層印刷板；MMI具有很強的人機對話能力及開放性，設有多種人機對話方式。
　　2)間斷角原理有多種實現方案
　　文獻［1］的方案是：一塊CPU板用來算差勁；另用一塊CPU板來實現間斷角原理，其作用只是判斷是否有涌流，并最終發出制動保護或開放保護的信號；二者相互配合來實現差動保護。
　　本文采用一塊CPU板實現間斷角原理的變壓器微機差動保護的新方案，判差動和判間斷都在該CPU上完成，避免了前述方案中兩塊CPU板相互配合所帶來的問題以及硬件投資的增加，簡單可靠且經濟易行。
　　1.2高性能的VFC變換系統
　　本保護方案中模數變換采用的是VFC型模數轉換，具有以下一些顯著的特點：本身就具有濾波功能，其濾波特性與計數間隔的長短有關；其量化誤差為±1LSB，但不會累積；作為積分型模數轉換，具有抑制迭加在輸入信號上的常模干擾和共模干擾的能力；其輸出是一列脈沖序列，可方便地實現光隔，提高抗干擾能力；在應用上的接口非常簡單且易于實現多CPU共享模數轉換的結果。
　　本裝置采用第三代VFC芯片(VFC-110)，其電壓-頻率特性的線性范圍為0～4MHz，最高滿刻度輸出頻率為4MHz。
　　VFC型模數轉換的精度是由VFC的滿刻度輸出頻率和計數間隔決定的。采樣率過高則計數間隔較小，要滿足精度的要求，就要提高VFC的滿刻度輸出頻率或加大計數間隔。一般微機保護每周12點采樣，選擇VFC滿刻度輸出頻率為2MHz，能夠滿足要求。結合間斷角原理每周至少36點采樣的要求，需要提高VFC滿刻度輸出頻率到4MHz。本文通過分析VFC特性，經實驗選擇了VFC工作于滿刻度輸出頻率為4MHz的外圍電路的參數；此外，軟件上可使VFC以兩塊面積計數，以延遲一個采樣點間隔的時間來換取高一位的精度。
　　 2間斷角原理的實現
　　2.1間斷角判別原理［3、4］
　　變壓器勵磁涌流具有明顯的間斷角特征，通過測量間斷角的大小可以區別故障電流和勵磁涌流；實現了分相制動，在變壓器空載合閘于內部故障時，保護能快速動作出口；間斷角原理本身有1.26倍的抗過勵磁作用。
　　本文中采用的勵磁涌流判據是：
　　間斷角θd65°，導數波寬θw140°
　　即若某一相間斷角θd65°，則判定該相是勵磁涌流；否則還要判該相的導數波寬，若導數波寬θw140°，則判定該相是內部故障電流，否則判定該相為勵磁涌流。
　　若某一相判為勵磁涌流，則閉鎖該相比率差動，同時清該相加速標志；若其他相差動動作且未判出勵磁涌流，則可以出口跳閘；若某一相差動沒有動作，就不再判斷該相是否有勵磁涌流。
　　此處加導數波寬判據主要是為了防止間斷角原理的變壓器保護在外部故障時，由于CT飽和，間斷角區出現反向電流，從而導致保護誤動作。間斷角判據和導數波寬判據應起相互補充的作用，在一個失效的情況下，應由另一個來補充完成正確判斷。
　　2.2軟件實現及實用技術［2］
　　按照以上判據，編制完成了保護全套軟件。在程序的具體實現中采用了VFC自動調零漂環節、線性插值環節和浮動門坎值環節。具體實現如下：
　　1)VFC調零漂環節
　　保護裝置在投入運行前都要先調零漂，使每回路零漂在-0.1～+0.1A范圍內。但在長期的現場運行中，零漂值難免會發生一定程度的偏移，而且某些噪聲也會經過AC插件疊加在輸入上，這樣一來就會使輸入波形發生上下平移。對于只需要經過濾波，依據其中某些頻率成分的幅值就可進行判斷的保護來說，它們不太關心每一個采樣點的具體數值，采用全周傅氏濾波就可以從疊加有不衰減直流分量的波形中準確地濾出基波及各次諧波，因而波形整體的上下平移對保護影響不大。而間斷角原理的變壓器微機差動保護則要用各個點的瞬間值來判斷，因此必須從采樣值中實時地去除零漂的影響。
　　2)線性插值環節
　　每周采樣36點，則每點所代表的角度為10°。為了更加準確地測量間斷角與導數波寬的角度，對采樣值進行實時線性插值，間斷角與導數波寬的角度值理論上就可以精確到5°。
　　3)浮動門坎值環節
　　對于間斷角原理的變壓器差動保護，必然要有間斷角無流門坎值和導數波寬門坎值，判斷導數波寬或間斷角一定要有一點固定門坎值。在沒有差電流時，由于模數轉換或計算誤差可能會有一定的輸出，若沒有一點固定門坎值，就會產生很大的誤差，甚至誤動作。
　　電流門坎值中不僅要包含固定門坎值，還應有差電流自己產生的分量。因為由于電流互感器的飽和，在二次涌流的間斷角中有反向的電流。此反向的電流經微分后仍有小的輸出，其大小與差電流成近乎正比的關系，因此門坎值中還要有一個與電流成正比的浮動門坎值以恢復間斷角。
　　因而，在間斷角和波寬測量時采用如下的浮動門坎值：
　　 TJDJ＝kJD*it＋IJD／IBL
　　TBK＝kBK*it＋IBK／IBL
　　其中，TJDJ、TBK分別代表某相間斷角無流浮動門坎值和導數波寬浮動門坎值；
　　it為一周內各點電流采樣值絕對值的最大值；
　　kJD和kBK是比例系數；
　　IJD和IBK為門坎值的固定部分；
　　IBL為電流比例系數。
　　經過TJDJ＝kJD*it+IJD／IBL和TBK＝kBK*it+IBK／IBL的浮點運算得到以浮點數表示的IJDJ和IBK，取整后作為實際參與比較的門坎值。在本程序中，為方便調試把kJD、kBK、IJD和IBK都設為整定值的形式。TJDJ、TBK和it均為計數值的形式，無量綱；IJD和IBK為電流的形式，量綱為安培。
　　it所反映的是電流的大小，可以有多種取法。我們對比了取絕對值的最大值及半周積分等取法，實踐證明前者的動作效果更好，運算量更校對相同數值的差動電流(濾波結果)，勵磁涌流與短路電流波形的明顯區別是：前者電流絕對值的最大瞬時值比后者的要大得多。因而采用電流絕對值的最大值來構成浮動門坎值，在勵磁涌流情況下，門坎值提得較高，有利于保護制動；而內部短路時，門坎值提高不多，有利于保護動作。
　　在實際應用中，kJD和IJD(或kBK和IBK)的取值也是受制約的。kJD和IJD(或kBK和IBK)取值較大，也即TJDJ(或TBK)較大，對判涌流是有利的，但內部故障時也容易誤閉鎖保護；反之，若取值太小，則對判內部故障有利，但勵磁涌流時保護易于誤動作。
　　另外，kJD和IJD(或kBK和IBK)之間相對值的大小對保護也有影響。若kJD(或kBK)取值較大，而IJD(或IBK)取值較小，即TJDJ(或TBK)對電流it的變化率較大，則當內部故障時可能由于TJDJ(或TBK)太大而誤閉鎖保護；反之，則有可能由于TJDJ(或TBK)不能及時地跟蹤電流的增加，在勵磁涌流時導致保護誤動作。
　　總之，定值的選取既要經過理論分析，還需經實驗進一步調整和檢驗。
　　 3模擬實驗及動作行為分析
　　為了對保護的動作性能進行檢驗，我們做了變壓器內部故障實驗，是在MRT-01多功能繼電保護測試儀上做的；變壓器空載合閘和空載合閘于內部故障的實驗，是在實驗室的靜模系統上做的，此實驗所用的變壓器是由三個單相變壓器組成的，單相變壓器的變比為2∶1，容量為500VA，變壓器高壓側電流互感器的變比為1∶1，低壓側電流互感器的變比為2∶1，變壓器高壓側的額定電流I1N＝2.28A，低壓側的額定電流I2N＝7.87A。通過以上實驗驗證了所取的門坎值定值。
　　實驗表明，該間斷角原理的變壓器微機保護實現簡單可靠，動作行為良好。表現在：在變壓器空載合閘或內部故障時，保護能分別正確制動或動作。在變壓器空載合閘于內部故障時，間斷角原理的變壓器差動保護能較快地動作出口，動作時間一般在30ms左右；而二次諧波原理的變壓器差動保護則必須等到二次諧波成分衰減以后才能動作出口，因此一般都要比前者延遲2個周期以上，體現了間斷角原理的優越性。
　　此外，我們對VFC調零漂環節、線性插值環節和浮動門坎值環節的實際作用進行了考察。系統不同運行情況下的實驗表明：加和不加VFC自動調零漂比較以及浮動門坎值和固定門坎值比較，前者的保護性能都明顯好于后者，達到了預期的效果；而加不加線性插值則效果相同，只是加線性插值后保護出口要延遲2～3ms。
　　線性插值的作用主要體現在電流值(或電流導數值)與電流門坎值接近的區域。但由于線性插值本身的精度有限；同時個別采樣值的多計少計，使得插值結果也必然含有由此而來的誤差，試驗中插值的效果不明顯。
　　 4硬件特性分析
　　4.1數據精度
　　VFC的滿刻度輸出頻率為4MHz，每周36點采樣時，若VFC以兩塊面積計數，則計數間隔內所能計到的最大值為4×106×10-3×10／9≈4444，即該VFC型模數轉換相當于普通12位的A／D。
　　4.2數據穩定性分析
　　VFC滿刻度脈沖輸出頻率為4MHz，每周采樣36點之后，會給保護帶來什么樣的特點，與VFC滿刻度脈沖輸出頻率為2MHz，每周采樣12點有何不同，也是我們所關心的。
　　我們分析了在不加模擬輸入、零漂調為零時上述兩種情況下典型的采樣打印值，發現后者的部分采樣值多計了一個計數脈沖，有的多計了兩個，而沒有多計三個及三個以上脈沖的。
　　而前者多計、少計脈沖的情況要比后者中嚴重得多，個別采樣點多計、少計脈沖的個數達到四個，且一個點多計四個脈沖，往往下一個點要少計四個脈沖；對應于電流值來說，在輸入電流為0.0A時，采樣得到的卻是+0.5A或-0.5A，在有輸入電流的情況下也有類似的情況。
　　分析表明，導致上述情況的主要原因是：采樣中斷請求時，由于個別長指令尚未執行完畢，因而延緩了CPU進入中斷服務程序讀取計數值，從而導致該時刻模數轉換結果偏大，而下個采樣時刻模數轉換結果又偏校
　　上述情況對于靠采樣瞬時值來逐點進行判斷的間斷角原理的變壓器差動保護來說是不利的。本文采用短指令等待和中斷等待兩種方法對其進行了補償，實驗結果表明后者的效果更好，采樣值在大多數情況下僅多計、少計一個脈沖，個別情況下多計、少計兩個脈沖。
　　 5結論
　　本文在現有的保護裝置基礎上，采用單CPU板的方案實現了間斷角原理的變壓器微機保護，實現過程中采用了VFC自動調零漂、實時線性插值、浮動門坎值等實用技術，實驗表明該保護原理先進、實現簡單、性能優越，裝置整體性能基本達到實際應用的要求。
　　 收稿日期：1998-03-19劉建飛副教授北京100085
　　*本文所屬項目獲部級科技成果鑒定。
　　 參考文獻
　　 1任冰.間斷角原理的變壓器微機保護：［碩士學位論文］.北京：華北電力大學北京研究生部，1995
　　2朱亞明，鄭玉平，葉鋒，顧潔純，王正行.間斷角原理的變壓器差動保護的性能特點及微機實現.電力系統自動化，1996，36(11)：36～39
　　3王祖光.間斷角原理變壓器差動保護.電力系統自動化，1979，3(1)：18～29
　　4王祖光.高性能的變壓器差動保護.電力系統自動化，1982，6(5)：18～26