（电力系统及其自动化专业论文）扩大单元机组多侧微机变压器保护的开发研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a l o n gw i t l lt h e c o n s t r u c t i o na d j u s t m e n to ft h el o c a le l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n d s a n x i ae n g i n e e r i n go fs m o o t h l yp r o g r e s s ，e s p e c i a l l yt h eu s a g eo fh u g eu n i t e sw i t h p o w e rr a t i n ga b o v e6 0 0 m w i nr e s e n ty e a r s ，t h em i s s i o ni sm o r eu r g e n tt od e v e l o pr e l a y u n i tw h i c hc o n f i g u r a t i o no f p r o t e c t i o ni sm o r ec o m p l e t ea n d t h ef u n c t i o ni sh i g h e r ，t h e r e q u i r e m e n to fi m p r o v i n gp e r f o r m a n c e ，a v a i l a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t y o fp r o t e c t i o nr e l a y b e c o m e sm o r ea n dm o r eh i g h t h ed e v e l o p m e n to f c o m p u t e ra n dr e l a t e ds c i e n c em a k ei t p o s s i b l e t o a p p l yn o v e lp r o t e c t i o n s c h e m e sa n dp r i n c i p l e sa sw e l la s i m p r o v et h e p e r f o r m a n c e s o fp r o t e c t i o nr e l a y s t h et h e s i sd i s c u s s e st h ed e v e l o p m e n to fan e w g e n e r a t i o no f b a s e dm i c r o c o m p u t e rp r o t e c t i o nr e l a yf o re x t e n dg e n e r a t o r - t r a n s f o r m e r u n i t f o rg e z h o u b ap o w e rs t a t i o n i ti n c l u d e st h ea u t h o r sr e s e a r c hr e s u l t so fp r o t e c t i o nr e l a y i nr e s e n ty e a r s a u t h o ra d d e dt h i si t e m ，a n dd e v e l o p e db a c ku pt r a n s f o r m e rp r o t e c t i o n b a s e do n m i c r o p r o c e s s o l t h e p a p e rf i r s t l ys u m m a r i z e t h ed e v e l o p m e n t o f p o w e rs y s t e ma n da c t u a l i t yo f l a r g e t r a n s f o r m e rp r o t e c t i o n ，a n di n t r o d u c e st h ep r e s e n tm e t h o d so f i d e n t i f y i n gi n r u s hc u r r e n t ， a n dt h e na n a l y z i n gt h en e w t h e o r yo f v i r t u a lt h i r dh a r m o n i cb a s e do ni d e n t i f y i n gw a v e f r o mt h ea c t u a ld e m a n di nl o c a l e ，t h et h e o r yo fr a t i od i f f e r e n t i ar e l a y , d i f f e r e n t i a l r e l a yb a s e do ns a m p l e dv a l u e s ，d i f f e r e n t i a lr e l a yb a s e do ns a m p l e dv a l u e su s i n gf a u l t c o m p o n e n ti sa n a l y z e da n ds t u d i e d e m p h a s i z e dt h ef a s to f d i f f e r e n t i a lr e l a yb a s e do n s a m p l e d v a l u e sa n dt h es e n s i t i v eo f d i f f e r e n t i a lr e l a yb a s e do ns a m p l e dv a l u e su s i n gf a u l t c o m p o n e n t a i m e da tc h a r a c t e r i s t i co fu n i t e da n de x p a n d e dt r a n s f o r m e ru n i t s ，ap r o j e c to ft h e b a c ku pp r o t e c t i o no f g e n e r a t o r - t r a n s f o r m e r i sp r e s e n t e db a s e do nc o n f i g u r a t i o n p r i n c i p l e o ft r a n s f o r m e rp r o t e c t i o n t h et h e o r ya n da p p l i c a t i o no ft h eo v e re x c i t a t i o ni sd i s c u s s e d a d j u s to fs a m p l i n gs p a c ei sp i v o t a lt e c h n i q u e ，t h i sp a p e r d i s c u s s e sa p p l i c a t i o na tb a c k u p p r o t e c t i o nw i t ht h et e c h n i q u eo f a d a p t i v es a m p l i n gs p a c e a d e s i g no f t r a n s f o r m e rp r o t e c t i o nb a s e do n m i c r o p r o c e s s o ri sd i s c u s s e db a s e do n d e v e l o p m e n to ft r a d i t i o n a l 。r e l a y , f r o mt h ea s p e c to fs y s t e mc o n f i g u r a t i o n ，h a r d w a r e i i 华中科技大学硕士学位论文 s n l j c n l r ea n ds o f t w a r ef u n c t i o n d s pa d v a n t a g e ，h a r d w a r eu p g r a d ea n de x t e n do f s o f t w a r ef u n c t i o ni sd i s c u s s e d a tt h ee n do ft h i sp a p e r , t h ed y n a m i cs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sf o rt h et r a n s f o r m e r u n i t ss y s t e mp r o t o t y p ei si n t r o d u c e d t h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h e p e r f o r m a n c eo fd e v i c ei sc r e d i b i l i t ya n dc h o i c e n e s s i th a sa c h i e v e dt h es y s t e md e s i g n g o a l s k e y w o r d s ：e x p a n d e dg e n e r a t o r - t r a n s f o r m e ru n i t s ，t r a n s f o r m e rp r o t e c t i o n i n r u s hc u r r e n t ，v i r t u a lt l l i r dh a r m o n i c ，f a u l t c o m p o n e n t d i f f e r e n t i a lr e l a yb a s e do n s a m p l e d v a l u e s i i i 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 本章结合葛洲坝大江电厂联合扩大单元机组相关微机保护研发项目，对近几年 来我国微机变压器保护动作情况进行了分析和总结阐述了变压器保护国内外的技 术发展现状与研究动态最后介绍了论文的主要工作与章节安排 1 1 引言 本文论述了我校为葛洲坝大江电厂联合开发扩大单元机组新一代微机继电保 护成套装置的研制工作。笔者参加了此项课题，并在其中担负微机后备保护的开发。 大江电厂主接线采用联合扩大单元接线，参见图5 2 所示。每个单元有两台 3 0 0 m v a 的升压变压器，经约l 公里的架空线到变电所，变电所侧( 高压侧5 0 0 k v ) 为一个半断路器接线。每台升压变的低压侧( 1 0 k v ) 为两台机组和一个厂用变( 或制 动电阻) 的三分支。保护要求成套保护从主变压器低压侧到5 0 0 k v 开关站一个半断 路器范围内的故障能迅速灵敏地切除。 在本次课题的保护配置方案选择上，遵循5 0 0 k v 保护双重化的原则，配备了主 变压器组短线差动保护( 大差) 、主变压器差动保护、架空输电线路的短线保 护和主变压器后备保护。其中大差保护范围在变压器低压侧c t 到开关站母线c t 之 间，变差保护范围在变压器低压侧c t 到高压侧c t 之间。但是，由于在母线上短路、 厂用变( 或制动电阻) 出口引线上短路，故障电流较大，c t 饱和严重，同时，变电 所的c t 二次电缆连接到变压器约经l 公里距离，因此，c t 二次负载较大，使得主 变高压侧和低压侧的二次负载差别较大，正常运行时不平衡电流较大，且c t 易饱 和。这些都增加了保护的开发难度。 因此，在保护原理的选择上，对大差保护采用二次错波制动的常规差动保护方 案，并具有差动速断功能。对主变压器保护采用虚拟三次揩波制动的采样值差动保 护方案。为了防止变压器过激磁时差动误动，采用5 次谐波制动。考虑到运行时频 率可能发生变化，进行频率跟踪。 电力变压器是电力系统中广泛使用的重要的电气设备，它的安全运行与否，直 接关系到电力系统能否连续稳定地工作。一旦因故障而遭到破坏，轻者造成区域性 停电，重者有可能使整个变电站断电，甚至造成系统失稳或解列，引起大面积停电。 华中科技大学硕士学位论文 特别是由于大型变压器本身造价昂贵，其检修难度大，检修时间较长，因此，经济 上的损失也很大。正因为如此，变压器的正常运行对保持系统的稳定与安全有着特 殊的意义。近年来，随着电力系统规模的扩大，电压等级的升高，增加了很多大容 量的电机和变压器。大容量变压器发生事故的次数也随之增加，基于这种原因，对 变压器保护提出了新的更高的要求，国内外都在积极探索研制新型变压器保护： 近年来的统计数据表明，变压器保护的正确动作率与整个电力系统继电保护相 比较一直偏低，以“九五”期间全国2 2 0 k v 及以上变压器保护的运行情况为例，其 正确动作率仅为6 9 2 1 ，而同期2 2 0 k v 以上电力系统继电保护装置的正确动作率为 9 7 2 1 2 0 0 0 年已超过9 8 5 ，文献【l 】给出了近年来2 2 0 k v 及以上变压器保护运行情 况，如下表1 所示： 年份 1 9 9 5 1 9 9 61 9 9 71 9 9 81 9 9 9总计 动作总次数 3 2 03 0 6 2 1 32 1 82 0 61 2 6 3 正确动作次数 2 2 22 2 51 3 41 4 5 1 3 88 5 4 不正确动作次数 9 88 17 97 36 73 9 8 正确动作率( ) 6 9 4 0 7 3 5 0 6 2 9 0 6 6 5 1 6 6 9 9 6 7 8 6 变压器保护正确动作率偏低的原因是多方面的，首先变压器保护与线路保护相 比，其二次接线较为复杂，c t 的接法和极性容易出错，运行维护稍有不当，都很容 易造成变压器保护不正确动作。另一方面，对变压器保护的原理了解不够，导致原 理上的缺陷也是一个重要因素。除了上述现场运行管理和维护不良等因素外，随着 电力系统的发展，超高压长线对地电容的增大，无功补偿设备的增加，使变压器保 护的运行环境较以往恶化，变压器内部故障时波形中的谐波含量大大增加，这使得 基于传统的间断角原理和二次稽波原理的差动保护在实际应用中并不十分理想。同 时，随着变压器制造工艺的改进，使得变压器保护的复杂程度加大。如现代变压器 为改善耐冲击过电压的性能，普遍采用纠结式绕组，增大了变压器匝间短路的可能 性，又比如现代变压器制造采用的冷轧硅钢片，饱和磁通倍数下降，导致变压器励 磁涌流波形中二次谐波含量和间断角均变小；另外，随着微机在继电保护中的应用， 为了提高灵敏度，变压器保护中的差流门槛定值已大大降低，且均在变压器额定电 流以下( 一般为2 0 4 0 9 6 的额定电流) ，这使得c t 断线与变压器内部故障的识别成 2 华中科技大学硕士学位论文 为变压器保护正确动作的重要一环。所有这些，都加大了变压器保护的复杂性a 因 而在微机变压器保护方面做进一步的研究也就变得十分必要。 由于计算机的迅猛发展，如d s p 的出现，使计算速度与存储能力大幅度提高， 许多以前受硬件限制的变压器保护新原理得到应用，从而大大提高了变压器保护的 整体性能，故障分量的差动保护就是一个典型的例子。近年来，信息处理和人工智 能方面的研究成果陆续被应用于变压器保护中，如小波理论，模糊数学，神经网络， 专家系统等等，虽然它们中的许多研究离实用还存在一定距离，但其研究的的成果 为保护工作者带来了新的思路，同时也使得继电保护朝着更“智能”的方向发展。 1 2 微机变压器保护发展与现状 变压器保护的微机化开始于6 0 年代末7 0 年代初。1 9 6 9 年，r o c k e r f e l l e r l 2 首次 提出数字式变压器保护的概念，揭开了数字式变压器保护研究的序幕，之后， m a l i k0 p 3 1 和d e g e n s 【4 】对变压器保护的数字处理和数字滤波做出了研究，并将离散 傅立叶变换，最小二乘法以及相关技术用于数字滤波；1 9 7 2 年，s k y e s 发表了计算 机变压器谐波制动保护方案1 5 j ，使得微机式变压器保护的发展向实用化方向迈进， 随后，许多学者都相继提出了自己的数字式保护方案，但由于当时微机硬件的限制， 微机变压器保护在实用化上受到了相当的制约，仅仅到了八十年代，计算机技术飞 速发展和应用后，微机式变压器保护才进入实用阶段。 早期计算机变压器保护的研究基本上未脱离传统保护的原理，主要从不同角度 提出各种算法及实现技术。差动保护以比率制动为重点，励磁涌流的鉴别以二次谐波 为主导地位其中，具有代表性的算法有：f i r 滤波器算法、i i r 滤波器算法、相关函数 算法、离散富氏变换算法、递推富氏算法、最小二乘算法及其加权算法等。八十年 代后期，微机变压器保护向两个方向发展：一是开发变压器微机保护的实用装置， 另一个则是利用计算机在记忆和计算方面的长处，探索新原理。目前，变压器微机 保护的研究成果主要集中在差动保护方面。由于广泛采用具有很强运算和处理能力 的微处理器，可以用一套主机系统实现全套变压器保护功能，即把差动保护和多种 后备保护功能集于一身；也可在重要变电站中，将主保护和后备保护分开，采用两 套主机系统分别实现。 国内从八十年代初开始进行计算机变压器保护的研究，尽管最初的工作主要是 华中科技大学硕士学位论文 算法的评价分折，但一开始就注重从实用的角度来研究判据。经过几年短促的数字 仿真和连续研究之后，迅速进入到装置的研制和试运行，很快就走进了世界先进行 列。1 9 7 9 年，间断角原理做为一种新的变压器励磁涌流鉴别方案被提出1 6 】，这是一 种区别于谐波鉴别励磁涌流的新思路。 目前国内外生产变压器微机保护的厂家很多，就其主保护而言，国外保护装置 基本是以二次谐波制动为主的比率差动保护。而国内则是百家争鸣，以二次谐波制 动和间断角两种原理为主导，以波形对称原理为补充。变压器微机保护装置的生产 厂家国外主要以a b b 、s i m e n s 、o e c 、s e l 为代表，国内以南京自动化设备总厂、 南京自动化研究院、北京四方公司、许昌继电器厂为代表，主要分为以下两类： ( 1 ) 变压器微机保护装置在一套装置中实现变压器的主保护和后备保护。这 类变压器微机保护装置主要针对中低压变压器( 1 1 0 k v 及以下) 。 ( 2 ) 全套变压器微机保护装置采用独立的变压器主保护和后备保护装置，目 前国内外大部分的变压器保护装置均采用此种方式构成。 ( 3 ) 全套变压器微机保护装置采用独立的变压器主保护和后备保护装置，且 主保护双重化构成。 目前变压器保护普遍存在的问题有几个方面。首先对于变压器可供选择的主保 护原理有，带二次谐波制动特性、间断角原理和波形对称原理的比率差动保护，这 三种变压器主保护均是利用鉴别变压器励磁涌流的特征，来实现制动励磁涌流的识 别。二次谐波制动的比率差动保护，在空载投入变压器时，或外部故障切除后电压 恢复时，如果变压器某相发生轻微匝间短路故障，健全相的励磁涌流产生的二次谐 波将制动保护，使保护延时动作或拒动；随着电网电压等级的提高和系统规模的扩 大以及变压器单台容量的增大，大型变压器内部严重故障时，由于谐振使短路电流 中的二次谐波含量明显增大，有可能使二次谐波制动，引起差动保护延时动作；变 压器端部接长线或静补电容串联电抗器后接人系统，变压器内部故障时，暂态电流 的频率可能接近二次嚣波，同样有可能使二次谐波制动，引起保护延时动作。国内 巳比较成熟的间断角原理的比率差动保护，当c t 饱和时，间断角中将产生反向电 流，饱和越严重，间断角中的反向电流越大，使得间断角消失。波形对称原理的比 率差动保护，由于投入运行装置不多，目前尚未有成熟的运行经验。 因此变压器保护的研究在经历了定型期后，将重点放在了如何提高保护的整体 性能上，尤其是微机保护被大量使用后，如何充分利用微机的各种资源和特性来改 4 华中科技大学硕士学位论文 善变压器保护成为了研究领域的一个重要方向。如在差动保护中可将变压器各侧绕 组中因联接组关系而引起的电流相位移改变为数字计算补偿，c t 二次侧电流的直 接差接改为数字差，对于多侧差动的情况，比起采用平衡线圈更为合理和有效，这 样可进一步减小因变比不匹配及特性不同而引起的环流所造成的不平衡电流增大， 同时，采用运算和逻辑处理实现c t 断线判别方法，从而在微机变压器保护中将保 护的定值降到额定电流以下，提高了保护的灵敏性；应用更多更复杂的原理来改 善励磁涌流鉴别能力，如基于变压器数学模型的变压器保护，基于变压器磁通特性 的鉴别方案m 【8 】基于励磁涌流波形特征的识别方法【9 】：数字式差动保护除可继续 沿用传统的差动速断和低电压加速措施外，还可通过长短数据窗算法的配合提高严 重故障时的动作速度，利用计算机长记忆功能还可方便的获取故障分量，进一步提 高内部故障时的动作灵敏度。例如为解决变压器内部高阻接地和轻微匝间短路的灵 敏性问题而提出的故障分量采样值差动i io j ；所有这些，都是微机型变压器保护的研 究成果。 1 3 微机变压器保护的新进展 近年来，变压器保护的研究出现了新的动向，一方面随着新的传感元件和测量 元件的出现，现代控制理论的许多研究成果也融入到变压器的故障诊断及预测中来， 如模糊控制、灰色理论、神经网络、专家系统等。这方面的工作在文献【l l 】【16 】中均 有体现。另一方面是随着微机性能的提高，现代数学开始越来越多的融入到变压器 保护的研究领域，如小波分析开始成为研究领域中的常用工具，文献则提出基于 小波包变换的变压器励磁涌流识别新方法，类似的研究成果在文献f 1 斗f 2 川中均有体 现。 1 3 1 新器件在变压器保护中的应用 ( 1 ) 数字信号处理器 继电保护为了适应现代电力系统发展的需要，在快速性、灵敏性、选择性等各 项指标上必须有较大的提高，这无疑对微机保护中采样、计算等环节提出了更高的 要求。随着计算机技术的发展，c p u 的性能越来越高，速度越来越快，但是以通用 微处理器为核心的微机继保装置由于受器件、c p u 和总线性能的限制，其数据采集 和计算难以同时作到多通路、高速度和高精度，限制了保护装置性能的提高。虽然 华中科技大学硕士学位论文 目前继保所用微机的c p u 从八位到十六位，指令周期也越来越短，但仍然难以达 到实时实数计算的要求。 超大规模集成电路的飞速发展，出现了数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r - d s p 俨”。它是专为实时数字信号处理及其它精密计算的应用而开发设计的。它 具有丰富的软、硬件资源，其体系结构为哈佛结构，程序总线、数据总线和d 姒总 线分开，程序的提取，数据的存储d m a 的操作可以并行地进行，芯片广泛采用流 水线技术以减少指令的执行时间，同时芯片内部具有硬件乘法器，使乘法运算可在 一条指令周期内完成。这些特点使其能够快速的数字计算。同时，由于其硬件内部 集成了许多高速信号处理算法如快速傅立叶变换、多种数字滤波器等等，从而使其 具有极强的实时处理能力。能够按照程序指令执行数据采集、运算等工作。正因为 有如此强大的功能，d s p 已被用于数字通信，图形、图象处理，高速控制等许多领 域。可以想见，d s p 的出现，不但可以提高微机保护数据采样与计算的速度和精度， 甚至可能改变往常微机保护装置的设计思想。文献田】介绍了一套“开放式”的保护 装置。该保护装置的突出特点就是将d s p 模块作为插件安装在一台3 8 6 工控机母板 上，由d s p 模块承担数据采集和运算任务；而工控机从d s p 模块中取得以处理好 的数据后，只需经过简单的逻辑运算就可以完成故障判别，驱动跳闸或发信。只要 通过键盘、显示器或通讯网络，修改工控机中的逻辑流程或定值，就可以很方便地 实时改变保护的性能。文献田】中讨论了两种基于d s p 的硬件设计构思，以满足大 型发电机组保护和录波系统的需求。其基本思想是：采用高精度、高速度( 转换速 度快，数据吞吐量大) 的a 1 ) 芯片进行模数转换，而数据采集过程由d s p 直接控 制，通过通信联络单元在d s p 总线与工控机总线间实现数据和命令传递，由工控机 完成保护功能及装置整体的管理，同时利用大容量s r a m 用于故障录波数据的存 储，从而使这种微机保护兼有录波和监视功能。 ( 2 ) 光纤传感器 。 传统的电压、电流传感器都是采用电磁原理的电磁型传感器。这种电磁式传感 器有许多缺点，例如体积大重量沉，运输、安装不便；易受电磁干扰；容易饱和； 测量频带不宽：c t 断线还会产生危险的过电压。电磁型传感器的这些固有缺点， 将会使继电保护在电力系统向大容量、高电压方向发展中面临更大的困难。 光学电流电压互感器是一种利用电光效应实现的有前途的测量高电压、大电流 的装置【2 4 1 。这类装置具有绝缘、简单、可靠、故障电流时无磁饱和、抗电磁干扰、 6 华中科技大学硕士学位论文 体积小、重量轻及运输安装方便等优点，有着广泛的应用前景。比如运用光纤传感 器可以直接将对侧电量通过光纤引入本侧保护装置，实现线路的电流纵差保护；又 如要提高变压器的保护的速度，改善保护动作性能，采用全电流全电压的保护方案 是一个很好的途径，但是对于大型变压器其高压侧电压太高，很难制造满意的配套 电磁型电压变换器，而目前使用的电容式电压变换器的暂态响应又不好，不能满足 继电保护的需要，而光学电压传感器看来是一个很好的解决方法。 国外自六十年代开始光学电流电压互感器的研究，八十年代至九十年代初期， 美国、日本相继有产品挂网运行成功，以这类互感器为基础的继电保护系统也表现 了良好的性能。国内自1 9 8 2 年开始有多家单位进行了这方面的研究工作和挂网运 行。 1 3 2小波理论在变压器保护中的应用 微机继电保护是用数学运算方法实现故障量的测量、分析和判断的。我们常用 的各种数字信号分析工具，如f o u r i e r 变换、k a l m a n 滤波、最小二乘滤波等在对稳 态信号的处理中发挥了巨大的作用。但是，它们却不太适合于处理非稳态信号。以 f o u r i e r 变换为例，它能将信号的时域特性变换为频域特性来研究，并且这种变换是 对称的，即在相应的f o u r i e r 反变换的作用下，信号的频域特性也能方便地通过它 所对应的时域特性来研究。但是，由于f o u r i e r 变换中所用的基函数正弦和余 弦函数本身的特性，决定了它不具备时一频局部化的作用，也就是说，若要得到某 个固定频率的频谱信息，就必须使用全部的时域信息进行f o u r i e r 变换：然而在继 电保护中，对于一些突发性故障，我们特别关心电量发生突变的时刻( 故障时刻) 以及在这一段局部时域中的频谱特性。f o u r i e l - 变换显然不适合于这样的突变信号的 时一频分析。 近年来发展起来的小波分析( w a v e l e ta n a l y s i s ) 为解决这一难题提供了完美的 工具。小波变换同傅里叶变换一样，都是一种积分变换。小波分析的特点在于：对 于检测高频信号，时窗会自动变窄，同时频窗变宽，使得它能包含丰富的频率分量： 而在检测低频信号时，时窗则会自动变宽，相应的频窗变窄。 文献1 2 5 】提出利用小波分析提取励磁涌流的间断角特征，以间断角的有无来判别 励磁涌流。该文对变压器gt 的二次侧电流波形进行小波变换，对比对称性涌流和 短路电流的小波变换，励磁涌流经小波变换其波形中对应于间断角处的相邻两模极 华中科技大学硕士学位论文 大值是同号( 这一现象是由励磁涌流的间断角导致的) ，而故障电流恰好相反，对于 非对称性涌流则是对差分后的涌流波形进行小波变换，同样得出励磁涌流经小波变 换，所得的相邻模极大值是同号，而故障电流恰好相反。利用这一特征来识别对称 性涌流。 文献2 印论述了傅里叶分析能将信号的时域特性变换为频域特性，但无法反映局 部时域信号在局部频率中的对应特性。该文建立了一个小波函数使该函数具有时间 窗和频率窗的性质( 即该函数及其傅里叶变换都具有快速衰减性) ，而且相应的时频 窗是可调的。由于励磁涌流常常伴随着严重的磁饱和过程，结果使得励磁涌流中含 有较多的三次谐波及更高次谐波分量，而与故障电流相伴的磁饱和程度相对较低， 这种微小的差异用常规的信号处理方法很难区分，用小波变换却可以将其放大，达 到区分励磁涌流和故障电流的目的。 综合以上文献可以看出，小波分析是对所给信号进行波形分析，提取信号波形 在不同频带下的特征量作为判别的依据。随着这门学科自身的不断发展和继保研究 者对它认识的不断深入，它必将在继电保护领域发挥更加重要的作用，为继电保护 的发展作出更大贡献。 1 3 3自适应原理在变压器保护中的应用 自适应继电保护是一种根据电力系统运行方式和故障状态的变化而实时改变 保护性能、特性或整定值的保护。电力系统在运行过程中，其状态、参数及网络结 构会随着运行方式的改变而变化。继电保护要做到有选择、高灵敏地判断故障，就 必须适应这种变化。传统的继电保护为了达到这个要求，往往采用抬高整定值、增 加闭锁判据等措施，另外也有限地使用了一些自适应原理，如反时限原理的过流、 过热、过激磁等保护方案，有比例制动特性的差动保护判据等等。而运用自适应原 理，继电保护可以根据电力系统运行方式和故障状态的变化而实时改变保护性能、 特性或定值，突破常规保护的限制，尽可能地提高保护的灵敏度和准确性，并且常 常可以减少整定值的数量，降低整定难度。此外，继电保护装置还可以根据现场的 情况，完成在线调整判据计算方法，校对接线极性等等任务，使保护装置能够适应 各种现场条件，减少因接线或整定错误而引起的保护误动或拒动，降低工作人员的 劳动强度。 2 0 世纪八十年代以来，随着微机继电保护的应用和发展，计算机的高速计算、 华中科技大学硕士学位论文 逻辑判断能力强大的数据记忆功能，为自适应原理在继电保护中的广泛应用创造 了良好的条件。如线路保护中的自适应电流保护、自适应距离保护、自适应自动重 合闸等等；发电机保护中的自适应三次谐波定子接地保护、自适应失磁保护等等。 在变压器的主保护中，自适应原理也得到了良好的应用【2 7 1 。例如常用的比率制 动式差动保护，就是在普通的纵差保护的原理上，增加自适应功能，自动调节保护 的动作电流，因此可以保证外部故障不误动，同时对于内部故障又有较高的灵敏度。 又如在计算机保护中，在保护启动初期，采用短窗滤波算法以加快严重内部故障时 保护的反应速度，但由于短窗算法的误差较大，因此自适应地抬高整定值，避免误 动；随着时间的延长，故障后数据的增多，再采用较精确的滤波算法，同时将整定 值逐步恢复到原来的值，这样既顾及了严重内部故障时保护的快速性又不降低保 护整体的准确性。 广泛应用自适应原理，充分发挥计算机继电保护的智能潜力，能够在现有的技 术条件下，改善保护性能，提高继电保护的现场运行水平。根据自适应原理的不同 应用，可以将自适应继电保护大致分为以下几种类型： ( 1 ) 实时跟踪系统运行状况，调整保护定值。 ( 2 ) 根据系统状态或继保运行情况，自动选择不同的保护算法。 ( 3 ) 当系统运行状况变化时，自适应地改变继保判据。 例如，文献1 2 8 】采用这种原理实现了变数据窗算法原理的变压器差动保护。其保 护的基本原理仍然是比率制动特性的向量差动，但是增加了自适应功能，基本思想 是：采用变数据窗的富氏算法，在故障刚开始发生时，由于采样数据中故障信息较 少，计算数据的误差较大，因此自适应地提高保护的制动曲线，随着故障的进一步 发展、故障信息的增多，计算精度的提高，自动降低制动曲线，最终当故障信息量 完全满足计算精度要求后，制动曲线达到用户整定的特性。采用这种算法后，大大 加快了严重内部故障时的动作速度，同时丝毫不会降低轻微故障时的灵敏度。另外 文献【2 9 】根据变压器的状态自动选择不同精度和窗口长度的保护算法，以寻求计算精 度和速度的最佳组合。 文献1 7 。7 1 中举出变压器保护保护中的一个例子，其框图如下图1 2 。运用自适应 原理，增加了c t 极性判别和自校正的功能。微机保护装置在现场安装后，只需经 过一次正常的加电测试就可以自动地调整软件计算方法以适应c t 的二次接线极 性，既避免了由于c t 接反而造成的保护误动，又省去了发现c t 极性错误后的停 9 华中科技大学硕士学位论文 电换线工作。对于三绕组变压器，同样可以采用这种方法进行兰侧三相c t 极性的 检测和校正，只是判断流程更加复杂，这里不再赘述。更进一步地，还可以尝试由 微机继保装置在加电试验时自动判别变压器绕组联接方式和组别。如果能够完成这 项功能，则保护装置在现场元需运行人员检查接线或者整定联接方式，只需经过加 电检测即可。因此可以说在这一方面，微机保护装置实现了“即插即用”( p n p ) 功 能。 图1 2c t 极性校对功能流程简介 由于自适应保护在不改变保护原理的同时大大提高了保护的灵敏度和准确性， 突破了常规保护的限制，并且往往可以减少整定值的数量，降低整定难度，因此， 在多年的研究和运行中，取得了长足的发展。随着继电保护的发展和相关技术的进 步，自适应保护将会拥有更加广阔的前景。 1 3 4 人工神经两络在变压器保护中的应用 人工神经网络具有高度的神经计算能力、极强的自适应性、容错性以及自学习 能力等。它在电力系统故障诊断和控制方面的应用研究方兴未艾，而在电力系统保 护方面，特别是在发电机、变压器保护方面已越来越受到人们的关注。 文献1 3 0 】提出了一种用变压器原副边正序和负序电流分量的方向来区分变压器 1 0 华中科技大学硕士学位论文 状态的e a n n ( 专家系统和神经网络) 方法。指出当变压器发生区内不对称故障时， 变压器两侧负序电流的符号相同，当变压器发生区外不对称故障时，变压器两侧负 序电流的符号相反；而当变压器发生区内对称故障时，变压器两侧故障电流的正序分 量符号相同，当变压器发生区外对称故障时，变压器两侧故障电流的正序分量符号 相反。基于以上判据选择多层反向传播网络模型，以负序电流、正序电流、原边相 电压作为输入，以l ，0 作为输出表征其内部还是外部故障。 文献f 3 l 】在文献1 3 2 的基础上深入分析了变压器铁心的磁化特性，根据磁化曲线斜 率在变压器饱和时很小，未饱和时很大这一特点，寻求测试变压器铁心磁化曲线斜 率的方法。文献 3 6 1 给出了变压器铁心磁化曲线斜率p 与变压器电压u 与电流变化 率讲击的关系为： 户= 志( 1 - 3 _ 1 ) 即磁化曲线斜率就是电压与差动电流变化率的比值。根据这一特征提出用变压器电 源侧电压波形与电流变化率波形之间的相似程度来识别变压器正常与故障状态。与 小波分析不同，该文采用模糊神经网络对变压器是否发生了内部故障进行识别。为 了提高识别的可靠性，对电压电流波形进行了高频率采样。模糊神经网络的输出 是一维的，用其1 或0 表征变压器的内部是否发生了故障。 人工神经网络用于保护领域，可以取消整定值，大大简化分析计算过程，使 保护装置设计更加简洁、可靠。神经网络用于保护领域也有其缺陷，主要表现在其 理论基础需要进一步探讨，神经网络在学习过程中存在收敛性的问题，这些都需要 其他相关领域的发展给予支持。 1 4 论文的主要工作和章节安排 。 本论文从扩大单元微机系统变压器保护的开发和研制入手，针对微机变压器保 护的相关问题展开讨论。文章的主要内容包括：首先介绍本次课题的来源和背景， 分析目前变压器保护中常用的二次谐波制动和间断角原理不足的基础上，介绍些 鉴别励磁涌流新方法，并阐述了他们之间的内在联系，并由此引出在波形识别基础 上发展而来的虚拟三次揩波的涌流鉴别新方法。然后结合扩大单元机组微机保护的 研制，分别讨论、分析主保护和后备保护的保护方案的算法及实现，最后结合微机 继电保护装置的研制，详细介绍整套保护的硬件结构及特点，软件功能以及动模实 华中科技大学硕士学位论文 验的情况。全文具体章节安排如下： i 绪论介绍本次课题的背景、任务和发交组微机保护的发展与现状，并对目 前微机变压器保护新原理的应用做了的总结。 2 微机变压器保护中鉴别励磁涌流的技术措施。对二次谐波制动原理和间断 角原理的涌流鉴别方法进行讨论，分析其特点和局限性：新的原理的应用进行了总 结。 3 扩大单元机组微机变压器主保护方案的分析比较。本章主要介绍采样值差 动在多侧变压器保护中的应用判据和算法以及故障分量的采样值差动新原理在本 次课题中的应用。着重强调新型扩大单元机组微机变压器主保护方案中的几种原理 之间的配合对提高保护整体性能的作用。 4 微机变压器后备保护的配置及原理分析。这一章概述变压器后备保护的配 置原则，结合本次课题提出联合扩大单元变压器组后备保护方案及实现。重点介绍 变压器过激磁保护反时限特性的算法及提高测频精度的自适应算法。 5 扩大单元机组新型微机变压器保护的研制。本章将系统介绍大型变压器微 机保护系统的主要设计原则和要达到的设计目标，重点说明系统的保护配置、硬件 基本结构特点以及软件的功能等方面，论述d s p 在继电保护开发和研制方面的优 势。同时，介绍本次新型成套微机变压器保护的动模实验。 1 2 华中科技大学硕士学位论文 2 微机变压器保护中鉴别励磁涌流的技术措施 当前变压器保护的关键问题之一仍然是变压器励磁涌流判别，有必要对目前正 在使用和已经提出的各种新的原理和方法进行研究本章对已经应用的原理，分析 其特点和局限性；对新的原理，结合微机保护的特点，讨论了运用中的困难 2 1引言 从已经运用于实践以及新近提出的各种励磁涌流鉴别方法中，按照判别励磁涌 流时所用的电气量1 3 3 j ，将其分为以下三类： ( 1 ) 仅利用变压器电流量判别涌流，如间断角原理、二次谐波制动原理、波形 对称原理等。 ( 2 ) 仅利用变压器电压量判别涌流，如电压制动原理。 ( 3 ) 同时利用变压器电流和电压量判别涌流，如磁通特性原理和等值电路原理。 本章首先介绍传统的励磁涌流鉴别方法基本原理，着重分析各原理的特点、性 能，并讨论用微机实现还存在的一些问题。然后，介绍一种新型励磁涌流鉴别方 法一一虚拟三次揩波。 2 2变压器励磁涌流的传统鉴别方法 2 2 1 二次谐波制动原理 励磁涌流中含有较大的偶次谐波分量，并且二次谐波分量最大。因此计算出差 ， 流中的二次谐波分量，如果其值较大就可以判断出是励磁涌流。常用如下的判别 式： z d 2 i d l k ( 2 2 一1 ) 。 式中 厶。、厶：分别是差流中的基波和二次谐波幅值； 世二次谐波制动比； 二次谐波原理简单明了。在常规保护中有较多的运行经验，易于用微机保护实 现。实践与分析表明，变压器励磁涌流波形中二次谐波含量一般为基波的1 7 。2 0 以上，但变压器三相励磁涌流中二次谐波并非都能达到此定值，因此，可形成不同 华中科技大学硕士学位论文 的逻辑组合构成谐波制动。处理方法之一是采用“或门”制动方式，即分别计算三 相二次蓿波比，当注意超过定值即闭锁差动保护。目前常用的制动逻辑有以下几种 方式： ( 1 ) 谐波比最大相制动：在满足差动动作条件下，当任一相差流的措波与基 波的比值达到谐波制动比就闭锁差动保护出口。 ( 2 ) 按相制动：首先选取差流最大相，然后按该相的谐波比来闭锁差动保护 出口。 ( 3 ) 综合相制动：先选择三相中差流最大值，然后选择三相中错波最大值， 再利用二者之比值来闭锁差动保护出口。 - 但是，随着电网电压等级的提高和规模的扩大、变压器单机容量的增大和制造 技术的提高，采用二次谐波制动的变压器保护，也有很大的局限性。二次谐波原理 将面临以下几个问题： ( 1 ) 对大型变压器，特别是5 0 0k v 的大型变压器，由于其电压等级高且常在 端部接较长的输电线，输电线的分部电容效应十分明显。因此当大型变压器内部严 重故障时，由于电感与电容的谐振使短路电流中的谐波含量明显增加，有可能引起 二次谐波制动的差动保护延时动作。 ( 2 ) 对5 0 0k v 系统，为提高系统稳定性常采取无功就地自然补偿措施，往往 在变压器低压侧装有( 1 4 1 3 ) 倍额定容量的电力电容器组。在低压侧出口差动 范围内故障时，电容的反馈电流将流向故障点。文献 3 4 】指出故障状态下电容的反馈 电流中含有幅值较大的谐波成份，该反馈电流作为差流的一部分对差动保护有影 响，可能使差动保护延时动作。 ( 3 ) 大型变压器差动保护中1 5 一1 7 的制动比是按照一般饱和磁通为1 4 倍额定磁通幅值时合闸涌流的大小来考虑的，但由于变压器制造技术的提高和制造 材料的改进，现代变压器的饱和磁通倍数经常在1 2 到1 3 ，甚至低至1 1 5 ，在此 情况下涌流的最d x - - 次谐波含量有时可能低至1 0 以下，此时差动保护会误动。 ( 4 ) 这种保护都用或门制动，即三相电流有一相制动就全部制动，当合闸于 变压器匝间故障时，就会由于二次谐波制动而延时动作。 因此，二次谐波是识别励磁涌流的重要特征，但是，随着系统的扩大和运行方 式的增多，出现了其它一些新的励磁涌流识别方法，使励磁涌流的识别方式多样化、 复杂化了。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 2 2 2 间断角原理 间断角原理率先由我国提出并制成样机，其模拟式保护装置已经得到应用。间 断角原理是基于励磁涌流波形中有较大的间断这个特征实现其鉴别的。即变压器的 励磁涌流波形与变压器内部故障时短路电流波形有明显区别，前者的间断角较大， 波宽较小，而后者的间断角很小，波宽较大，如图2 1 = r - 叫： 弋a八一 vl | 1t - 了r _ 八i、一 w v 卜，一 所以 一0 瞄曩时燕曲电城 对耳m 舟毫涵蔼l 对称托确盛擒髭 图2 1内部故障和励磁涌流波形图 间断角原理的涌流判据并未涉及到涌流的具体幅值，而利用了涌流波形的鲜明 特征，因此它对不同的涌流均能正确识别。间断角原