（电力系统及其自动化专业论文）通用型变压器后备保护研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e a p p l i c a t i o no fl a r g ec a p a c i t yt r a n s f o r m e r a r eu s e d p r o g r o s s i v e l yw i t h t h es c a l eo f p o w e rs y s t e me x p a n d e d ，a n dt h eh i g h e rc a p a b l i t yo f t r a n s f o r m e rp r o t e c t i o ni sd e s k e d h e r e t o f o r e ，r e s e a r c ho fn e wt h e o r y i sf o c u s e do nm a i np r o t e c t i o no ft r a n s f o r m e r ，a n d a c q u i r e de x c e l l e n tr e s u l t a st h et h e o r yo fb a c k u pp r o t e c t i o no f t r a n s f o r m e ri sm a t u r ea n d s i m p l e t l l e r e s e a r c ho fa p p l i c a t i o ni s p a i da t t e n t i o n h a v i n ga n a l y z e d t h e p i v o t a l t e c h n o l o g yp r o b l e ma b o u t r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fg e n e r a lb a c k u pp r o t e c t i o nf o r t r a n s f o r m e r , t h ep a p e rp r e s e n t sas c h e m e b a s e dm a p p i n gt h e o r y , w h i c hs o l v e st h ep r o b l e m o f r e f o r mo f c h a n n e l sf o ra n a l o gs i g n a l s ，s w i t c h - i na n ds w i t c h o u ts i g n a l s t h eh a r d w a r eo f p r o t e c t i o na n d t h eo t h e rp r o b l e m sa r ea l s od i s c u s s e d a tt h ef i r s t ，t h i s p a p e ri n t r o d u c e s t h ee v o l v e m e n ta n da c t u a l i t yo ft r a n s f o r m e r p e o t e c t i o n ，t h ec u r r e n tp r o b l e m sa n d t r e n di sd i s c u s s e d ai n t e g r a t e ds c h e m ei sp r e s e n t e d b a s e do nt h er e q u i r e m e mo fg e n e r a lb a c k u pp r o t e c t i o no ft r a n s f o r m e r t h ep a p e rg i v e st h e d e t a i l e dp r e s e n t i o no fp r o j e c tp r i n c i p l ea n df u n c t i o ne o n f i go f t h es y s t e ma sw e l la si t s h a r d w a r ec o n s t r u c t h a v i n ga n a l y z e dt h ep i v o t a lt e c h n o l o g yp r o b l e ma b o u tr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t o f g e n e r a lb a c k u pp r o t e c t i o nf o rt r a n s f o r m e r , t h ep a p e rp r e s e n t s as c h e m eb a s e dm a p p i n g t h e o r y , w h i c hs o l v e st h ep r o b l e mo f r e f o r mo fc h a n n e l sf o ra n a l o gs i g n a l s ，s w i t c h - i na n d s w i t c h o u ts i g n a l s a c c o r d i n gt of a u l t ym a c h a n i s mo f l r a n s f o r m e ra n dc o r r e l a t e dr e g u l a t i o n ， t h ep a p e rd i s c u s s e dt h ep r o t e c t i o nt h e o r yo fb a c k u pp r o t e c t i o no ft r a n s f o r m e r a n dt h e a r i t h m e t i co f e l e c t t i a c lp a r a m e t e ri sa l s oa n a l y z e d b e c a u s et h es y s t e mh a st h er i g o rr e q u e s to f d a d a - p r o c e s sa n dr e a l t i m e ，t h es o f t w a r ei s o r g a n i z e db yp r o g r a m m i n gm o d u l e s t h ep a p e rp r e s e n t st h es o r w a r ef u n c t i o na n dd e s i g n c h a r a c t e r i s t i c ，e s p e c i a l l yt h es o f t w a r e f l o wo fs u b s t r a t es y s t e m f u l l s c a l es t a t i ct e s tf o rg e n e r a lb a c k u pp r o t e c t i o nf o rt r a n s f o r m e ri sn e c e s s a r y , t h e r e s u l to f t h es t a t i ct e s tv e r i f i e st h er e a s o n a b i l i t ya n df e a s i b i l i t yo f t h ee q u i p m e n t k e y w o r d s ：m i c r o c o m p u t e rp r o t e c t i o n t r a n s f o r m e rp r o t e c t i o n b a c k u pp r o t e c t i o n d s p l i 华中科技大学硕士学位论文 1绪论 本章首先阐述了变压器保护的发展与现状，列举了国内外变压器主后备保护的研 究动态最后介绍了论文的主要工作与章节安排 1 1 引言 电力变压器是电力系统中极其重要的电气设备，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。特别是由于变压器本身造价昂贵，一旦因故障而遭到损 坏，其检修难度大，时间长，将造成巨大的经济损失。近年来，随着电力系统规模的扩 大，电压等级的升高，大容量变压器的应用日趋增多，对变压器保护提出了更高的要 求。 在变压器保护系统中，鉴于主保护的重要性，其研究一直受到高度重视，并取得 了许多可喜的研究和应用成果。但是最近数年来，由于大型变压器中、低压侧，尤其 是低压侧母线故障或保护或断路器拒动，变压器的高压侧后备保护对此又无灵敏度， 造成变压器烧毁在全国已不少见，教训深刻。为此华东、西北网、湖南省局已发文进 行反措。但是在全国仍未引起足够重视，一些典型事故的教训再次提醒我们，变压器 低压侧故障如不及时切除不但要烧毁主设备，甚至会引发系统事故或大面积停电事故 【1 】 2 】 3 】。必须重视与主网相联的大型变压器的后备保护，认真研究它的合理配置、 原理接线、选择合理的运行方式，提高直流电源的可靠性等问题。因此，研制开发性 能优良的变压器后备保护具有十分重要的意义。 1 2 变压器保护的发展与现状 1 2 1 主保护的发展与现状 差动保护做为变压器主保护的主要形式，长期以来受到保护工作者的关注。对其 研究可追述到二三十年代。1 9 3 1 年，r e c o r d r a y 提出比率差动的变压器保护 4 1 ，标 志着差动保护做为变压器主保护时代的到来随后的时间内，许多学者对差动保护在变 压器保护中的应用做了深入的探讨 5 1 1 6 7 1 。差动保护的应用，为变压器提供了安全 和可靠的保护方案，但同时也带来了技术上的难题，即如何将变压器的励磁涌流与内 华中科技大学硕士学位论文 部故障区分开来。最初，差动保护主要通过延时来躲开变压器励磁涌流，因而保护的 速动性无法得到满足。为此，励磁涌流的研究成为了变压器保护的又一重点。各国学 者对变压器励磁涌流现象做了大量的分析与理论研究，并陆续提出了多种识别励磁涌 流，改善差动保护速动性的技术方案 8 1 1 9 1 1 1 0 。1 9 4 1 年，c d h a y w a r d 首次提出了利 用谐波制动的差动保护 1 1 】，将谐波分析引入到变压器差动保护中，并逐渐成为w = 5 i - 研究励磁涌流制动方法的主要方向。1 9 5 8 年，r l s h a r p ，w e g l a s s b u r n 提出了利用二 次谐波鉴别变压器励磁涌流的方法1 1 2 ，并在模拟式保护中加以实现，同时，作者还 提出了差动加速的方案，即后来在变压器保护中常用到的差速动。至此，变压器主保 护中的谐波制动式差动保护基本定型，即以差速动、比率差动、二次谐波制动来构成 整个谐波制动式保护的主体，并一直延续至今。 随着微机的出现与应用，继电保护的微机化成为又一关注的热点。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 首次提出数字式变压器保 护的概念 1 3 ，揭开了数字式变压器保护研究的序幕，之后，m a l i k o p a n d d e g e n s 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 14 】【1 5 】；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 6 】，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，到了八十年代，随着计算机技术的飞速发展和应用的普及， 微机式变压器保护才进入实用化阶段。 国内的变压器保护在借鉴国外成熟经验的基础上，取得了一系列有特色的研究成 果。1 9 7 9 年，间断角原理做为一种全新的变压器励磁涌流鉴别方案被提出来【1 7 】，这 是一种有别于谐波鉴另励磁涌流的新思路，它的出现，不仅是提供了一种励磁涌流识 别的方法，更重要的是它摆脱了传统谐波制动的模式，给出了一种从励磁涌流波形本 质特性去分析的思路，其后国内提出的许多变压器励磁涌流鉴别方案，或多或少都借 鉴了这种思想，如浙江大学的波形比较法和波形对称法 1 8 1 1 9 ，华北电力大学的积分 型波形对称法等 2 0 2 1 1 。 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善变压器保 护的性能成为了研究领域的一个重要方向。如为将二次谐波制动和间断角原理用于微 机保护而提出的各种改进方案；为解决变压器内部高阻接地和轻微匝间短路的灵敏度 2 华中科技大学硕士学位论文 一= = = = = ；= _ = = = = ；= = = = ；= = = = ；= = = = ；= = = = = = 问题而提出的故障分量差动；为减少保护的计算量和提高动作速度而提出的采样值差 动 2 7 3 1 ；为改善变压器保护的可靠性相继提出的折线制动，标积制动，双曲线 非线性制动等等。与此同时，微机变压器保护的出现与实用化，为励磁涌流的识别提 供了有效的工具，许多基于微机技术的涌流识别方案相继被提出，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1 2 2 2 3 ，基于励磁涌流波形特征 的识别方法( 波形对称，波形相关) ，以及近年来提出的虚拟三次谐波制动原理 2 4 2 5 2 6 j 等。 1 2 2 后各保护的现状与存在的主要问置 对于变压器后备保护，由于其原理相对简单、成熟，因此，在实现技术方面的研 究更为引人关注【3 2 】。变压器后备保护在开发和应用中面临的突出问题是，后备保护 的配置与变压器的容量、结构型式以及所接电源和负载的情况等诸多因素有关。为了 适应运行现场的不同要求，传统的微机变压器保护一般按典型方式构成不同型号的后 备保护供用户选择。或根据用户的实际需要进行软、硬件的调整。这种方式开发和维 护工作量大，适应性受到限制，特别是保护软件的修改和调整，涉及的逻辑关系复杂， 某些错误难以通过简单的静态调试发现，从而直接影响保护装置运行的安全性和可靠 性。因此，研制开发能较好满足运行现场不同应用要求的通用型变压器后备保护引起 了生产厂家和运行单位的重视。 1 3 论文的主要工作和章节安排 论文从变压器后备保护的实际要求出发，借鉴以往微机变压器后备保护装置的研 发经验，围绕通用型变压器后备保护系统的研制展开研究和开发工作。主要包括总体 方案设计、硬件设计与选型、保护方案实现技术的研究以及保护软件的开发等方面。 论文的具体章节安排如下： 第一章简要介绍变压器保护的发展与现状，对目前微机变压器主后备保护的发展 作了回顾和评述，对存在的主要问题和未来发展趋势进行了分析和讨论。 第二章从通用型变压器后备保护系统的实际需要出发，提出了一套完整的设计方 案。详细介绍了系统的主要设计原则，阐述了该系统的保护功能配置和管理功能配置， 并对保护单元、管理单元的硬件结构进行了讨论。 第三章主要针对通用型变压器后备保护的应用特点，对研制和开发中面临的关键 华中科技大学顽士学位论文 技术问题进行了分析。提出了采用映射原理实现模拟量通道以及开入、开出通道按需 求重构的具体技术方案，并对后备保护原理和主要算法进行了讨论。 第四章系统介绍了通用型变压器后备保护系统的软件功能和设计特点，重点对下 层机系统的软件流程、主要功能以及实现技术等方面进行了全面阐述。 第五章介绍了主要实验内容和实验结果。 此外，在攻读硕士学位期间，论文作者还参与了广州送电管理所信息管理系统的 研制工作，主要承担培训管理系统和b s 模式m i s 系统的研究与开发。限于篇幅，这 部分工作内容没有收入本论文。 华中科技大学硕士学位论文 2 通用型变压器后备保护系统的总体方案设计 本章系统介绍了通用型变压器后备保护系统的基本设计原则，阐述了该系统的保 护功能配置和管理功能配置以此为基础，对保护单元、管理单元的硬件结构进行了 讨论 2 1 基本设计原则 通用型变压器后备保护系统的设计借鉴了以往微机变压器保护装置的研发经验， 并对存在的不足，作了相应的改进。在系统设计中，主要遵循以下基本设计原则。 1 保护原理配置齐全，投退控制灵活 通用型变压器后备保护系统在以往微机变压器后备保护原理配置 3 3 3 7 1 的基础 上，按现场可能出现的最复杂情况进行保护原理的设置，以便用户根据需要选择。用 户在完成保护原理的配置选择后，还可以根据现场运行的情况，通过软压板或硬压板 来进行投退控制。 2 适用性强，满足不同变压器模拟量输入信号的引接要求。 通用型变压器后备保护系统应能满足不同容量和电压等级、不同结构型式的变压 器保护的需要。不同的变压器，如三绕组变压器和两绕组变压器，自耦变压器与非自 耦变压器以及变压器中性点接地方式等均会导致接入保护装置的模拟量信号在数量、 性质和引接顺序上存在差异，装置对此要有良好的适应性。 3 开入开出方式可以灵活调整 开入量主要包括硬压板的投退控制和其它控制信号。当保护配置不同时，硬压板 的控制方式会有所不同，即使保护配置相同，不同的运行现场，由于实际系统运行方 式的差异也会造成硬压板的控制方式发生改变。因此，要求装置对此有良好的适用性， 以满足用户的不同应用要求。 开出量主要包括跳闸输出和各种信号和控制继电器的输出。变压器的结构型式、 系统的电气接线方式、故障切除的控制策略以及与相邻电气元件的协调、配合等均会 导致开关量输出发生变化。装置应能根据实际需要，灵活、方便地进行开出方式的调 整。 华中科技大学硕士学位论文 4 运行稳定，动作可靠。 由于后备保护是在发生故障，且主保护或相邻元件保护拒动时才发挥其作用，而 此时故障已经经过一定时间的发展，危害比较大，因此要求后备保护能可靠的动作。 传统变压器后备保护中一般不设置启动元件，这种处理方式的缺点是无法准确确定故 障时刻，影响时间元件的动作精度；如果设置启动元件，按传统保护的做法，满足启 动元件才开放动作元件，而变压器后备保护的启动元件难以做到很完备，这样会给保 护动作的可靠性带来不利影响。基于上述原因，装置采用启动元件和动作元件并行工 作的设计方法，即即使启动元件没有动作，动作元件如果检测到故障，保护也能动作， 这样既可以达到可靠动作的要求，又能保证时间元件动作的准确性。 5 采用新的数据记录格式，保证记录信息的完整性 变压器后备保护的突出特点是动作时间可能较长，从而给故障数据的记录提出了 更高要求。从保证记录信息的完整性来说，采用采样值记录方式无疑最为全面。但由 此也带来了数据量大，存储和通信要求高等问题。为此，在装置设计中，除对故障前 后和跳闸前后采用采样值记录外，对于持续时间较长的动态过程和异常运行工况辅之 以相量实、虚部记录方式，从而在减少记录数据量的同时提高了故障记录信息的完整 性。 6 采用开放性好、运行可靠、模块化的专用硬件平台 由于装置原理配置复杂，输入信号多，计算量大，对装置的硬件系统提出了更高 要求。随着计算机技术的飞速发展以及应用经验的不断积累，近年来，根据电力系统 的运行特点和要求，国内相继开发了一些新的工控机平台，其中由北京康拓公司和华 中科技大学等单位联合研制的专用工业控制机以其结构紧凑、资源丰富、扩展性好、 抗干扰能力强及运行可靠等优点，在国内工业控制机应用领域引起了各方的关注，可 以作为通用型变压器后备保护系统的硬件平台。 2 2 系统保护功能配置 变压器故障按故障点位置可以分为油箱内部故障和油箱外部故障两种。油箱内部 故障主要包括绕组的接地故障，相间短路，匝间故障等。这类故障对变压器的运行造 成极大危害，因为短路电流产生的高温电弧不仅会损坏绕组的绝缘，烧毁铁芯，而且由 于绝缘材料和变压器油因受热分解而产生大量的气体，有可能引起变压器油箱爆炸。因 6 华中科技大学硕士学位论文 此一旦油箱内部发生故障，必须迅速将变压器切除【3 8 】。 最常见的油箱外部故障是油箱的绝缘套管及引出线上的故障，可能导致引出线的 相间短路或一相碰接变压器外壳的单相接地短路。 变压器的异常运行状态主要是由于外部短路和过负荷引起的过电流，油面过度降 低和变压器中性点电压升高所引起的过激磁。 为了保证电力系统安全可靠运行，应根据变压器的容量、重要程度和可能发生的 故障和异常运行状态装设相应的保护。关于变压器后备保护的作用，相关保护技术规 程指出：“变压器短路故障后备保护应主要作为相邻元件及变压器内部故障的后备保 护。主电源侧的变压器相间短路后备保护主要作为变压器内部故障的后备保护，其它 各侧的变压器后备保护主要作为本侧引线、本侧母线和相邻线路的后备保护，并尽可 能当变压器内部故障时起后备作用。”【3 9 同时亦指出，接地故障后备保护考虑原则亦 基本如此只不过不对低压侧起后备作用。 对于相间短路的后备保护，使用过电流保护或复合电压启动的过电流保护，或负 序电流保护，或低阻抗保护，用来反应外部相间短路引起的变压器过电流，并作瓦斯 保护和纵差保护的后备。其中，过电流保护宜用于降压变压器：复合电压启动的过电 流保护宜用于升压变压器或者系统联络变压器或过电流保护不满足灵敏度要求的降 压变压器；负序电流保护和低压启动的过电流保护用于大容量的升压变压器；低阻抗 保护宜用于超高压系统联络变压器 4 0 】。 对于接地短路的后备保护，在1 1 0 k v 及以上中性点接地的电网中，接地保护用来 反应变压器的高压绕组及引出线和相邻线路的接地短路。如果变压器的中性点直接接 她运行，应装设零序电流保护。如果低压侧有电源，且变压器中性点可能不接地运行 时，应考虑因失去接地中性点而引起的电压升高，需增设零序过电压保护。 变压器在电压增高或频率降低时，会出现过激磁。我国继电保护规程规定，对频 率降低和电压升高引起的铁芯工作磁密过高，5 0 0 k v 变压器和3 0 0 m w 及以上发电机 应装设过激磁保护。 在充分考虑以上保护配置原则的基础上，为了尽量做到保护系统的通用性，装置 的每一侧保护原理按最大需求配置，每种保护原理采用两段式，每段最多采用三时限， 根据“以较短时限动作于缩小故障影响范围，以较长时限动作于断开变压器各侧断路 器”的原则 3 9 】，跳闸逻辑可以根据用户需求进行重构。 相间保护主要采用复合电压闭锁方向过流保护和阻抗保护，用户可以在两者中选 华中科技大学硕士学位论文 一= ；= = = = = = 目= = ；= ；目= ；# = 2 = = g = = = = ； 择一种，并可根据需要设定保护方向。指向变压器的方向过电流保护，可作为变压器、 指定侧母线和出线故障的后备保护，指向本侧母线的过电流保护主要保护本侧母线， 同时兼作出线故障的后备保护。另外装设不带方向的复合电压闭锁过流保护和过电流 保护作为相间保护的总后备，电源侧过电流保护作为保护变压器安全的最后一级跳闸 保护，同时兼作无电源侧母线和出线故障的后备保护，小电源侧或无电源侧的过电流 保护主要保护本侧母线，同时兼作本侧出线故障的后备保护。另外，高压侧还需装设 过激磁保护。 接地保护主要采取零序过流保护和零序过压保护。对于中性点直接接地的变压器， 采用零序方向过流保护，并且装设不带方向的零序过流保护作为总后备，主要作为指 定侧母线、变压器内部和指定侧线路接地故障的后备保护：对于中性点经间隙接地的 变压器，采用放电间隙保护，考虑到在间隙击穿过程中，零序电流和零序电压可能交 替出现，装置设有间隙保护方式字，用户可以整定选择零序过压和零序过流元件动作 后是否相互保持：对于中性点不接地的变压器采用零序电压保护。 综合以上考虑，通用型变压器后备保护系统的保护功能配置为： 高中压侧： 1 复合电压闭锁方向过流保护，两段式，每段三时限： 2 相间阻抗保护，两段式，每段三时限； 3 复合电压闭锁过流保护，总后备，一段一时限： 4 过流保护，总后备，一段一时限； 5 零序方向过流保护，两段式。每段三时限； 6 零序过流保护，总后备，一段一时限； 7 零序过压保护，一段二时限； 8 放电间隙保护。一段二时限： 9 非全相保护，一段一时限； 1 0 过激磁保护，仅装设在高压侧，三段定时限和一段反时限： 1 1 过负荷，一段一时限； 1 2 p t 、c t 断线检测： 公共绕组： 1 零序过流，一段一时限； 2 过负荷，一段时限； 华中科技大学硕士学位论文 3 c t 断线检测； 低压侧： 1 复合电压闭锁方向过流保护，一段二时限； 2 过流保护，一段二时限； 3 零序过压保护，一段二时限； 4 过负荷，一段一时限； 5 p t 、c t 断线检测： 2 3 系统管理功能配置 2 3 i 运行监控 运行监控的主要功能包括： 1 变压器主要运行参数的在线监测( 可根据需要显示为一次值或二次值) 主要运行参数分为以下4 种基本类型： ( i ) 通道参数：各侧电流、电压的向量值( 有效值和相位) ； ( 2 ) 序量参数：三侧的正序、负序、零序参数( 有效值和相位) ； ( 3 ) 功率参数：各侧的有功功率和无功功率、功率因数和频率； ( 4 ) 模拟量通道波形显示( 仅用于便携机调试方式) ； 2 保护定值服务 保护定值操作通过密码方式进行权限控制。 ( 1 ) 定值修改： 可在线或远方修改保护定值，包括动作定值、时间定值和功率方向； ( 2 ) 保护投腿控制 主要包括：某种保护功能的全投或全退：某种保护段的投退：某种保护时限的投 退：采用软压板投退时，宜采用图形化界面或其它直观方法进行操作控制； ( 3 ) 保护定值保存 每做一次定值调整，除进行校验、保存外，自动进行定值操作记录，包括修改时 问、修改前的定值和修改后的定值。共保留1 0 次操作记录，采用依时间先后方式进 行自动覆盖。该记录不对用户开放。 ( 4 ) 定值查询 9 华中科技大学硕士学位论文 在线查看各类对用户开放的定值。包括就地和远方查询两种方式。 ( 5 ) 定值打印 在线打应各类对用户开放的定值。 3 文件服务 就地通过便携机或通过网络通信方式调用故障报告。 4 故障报告打印 就地打印故障报告。 5 时间日期调整 修改时间日期。正常运行时，定时与管理机对时、互检。 2 3 2 调试监控 1 变压器主要运行参数的在线监测( 可根据需要显示为一次值或二次值) 主要运行参数分为以下4 种基本类型： ( 1 ) 通道参数：各侧电流电压的向量值( 有效值和相位) 和直流分量( 零漂值) ； ( 2 ) 序量参数：三侧的正序、负序、零序参数( 有效值和相位) ： ( 3 ) 功率参数：各侧的有功功率和无功功率、功率因数和频率； ( 4 ) 模拟量通道波形显示( 仅用于便携机调试方式) ： 2 ，定值服务 定值服务包括保护定值服务、装置参数定值服务以及厂家定值服务三种基本类型， 定值操作通过密码方式进行权限控制。 ( 1 ) 保护定值服务：见运行监控一节。 ( 2 ) 装置参数定值服务：装置参数定值包括各模拟量零漂值、通道比例系数等。 零漂值和通道比例系数均提供手动和自动调整两种方式，并在线显示调整结果。 零漂值的自动调整是指所有模拟量输入信号为零，计算机自动计算各通道零漂值， 并作为装置的零漂定值保存。通道比例系数的自动调整是指模拟量通道输入特定值 ( 一般电流通道取二次额定电流，电压取5 0 伏) ，装置自动计算各通道比例系数，并 保存。上述功能主要为装置的调试提供方便，并有助于提高调整的可靠性。 ( 3 ) 厂家定值服务：厂家定值一经确定，则用户不能调整。主要包括： a ) 变压器参数：变压器各侧接线方式、各侧t a 和t v 变比、变压器各侧额 定容量、t a 二次接线方式等。该类定值用户不能修改，可以查询。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 b ) 不用用户调整的各种门槛定值和参数：如调频电压门槛、无需用户调整的 有关参数等。 曲保护功能选择控椎4 和出口逻辑控制：为方便工程设计，保护软件按最复杂 应用要求设计，对于不同的应用情况，通过调整保护功能选择控制字和开 入、开出逻辑控制字来实现。保护功能选择控制包括保护原理的选择、保 护范围段数选择和动作时间段数选择等。开入、开出逻辑控制主要包括硬 压板的开入定义和各侧保护出口逻辑控制等。应提供良好的人机接口界 面。该类定值用户不能修改。 上述功能在出厂前完成，故只考虑使用便携机的方式。 ( 4 ) 定值查询：在线查看各类对用户开放的定值。包括就地和远方查询两种方式。 ( 5 ) 定值打印：在线打应各类对用户开放的定值。 3 开入、开出调试 采用图形化调试操作界面。支持便携机调试和管理机调试。 4 文件服务 就地通过便携机或通过网络通信方式调用故障报告。 5 故障报告打印 就地打印故障报告。 6 时间日期调整 修改时间，日期。正常运行时，定时与管理机对时、互检。 2 3 3 记录敦据分析 记录数据分析包括故障数据分析和保护动作时序分析。 1 故障数据分析 故障数据分析的主要功能如下： ( 1 ) 波形分析 提供多种不同形式的波形显示模式，包括模拟量波形显示、开关量状态显示，同 轴显示。局部放大显示，时轴压缩显示等。在波形显示的同时，可随时查看模拟量信 号的瞬时值和向量值，并根据需要即时打印输出。 ( 2 ) 相，序量分析 计算任意时刻各侧a 、b 、c 三相基频电压、电流的有效值和相位以及正、负、零 - - 中科技大学硕士学位论文 = = = = = = # = = = = = = = 2 ；= = ；= ；= ；= = = = ；= = = ； 序分量的有效值和相位。图示相序量图。计算结果可召唤打印输出。 ( 3 ) 阻抗分析 计算变压器高中压侧测量阻抗，并在阻抗平面上图示测量阻抗轨迹( 含阻抗元件 动作特性) 。 ( 4 ) 保护动作特性分析 含阻抗元件、复合电压过流元件( 带方向和不带方向) 、零序过流元件( 带方向和 不带方向) 等。 ( 5 ) 过激磁分析 计算并图示过激磁倍数变化轨迹。 ( 6 ) 开关变位时序分析 开关量变位时序以表格形式显示输出。 2 保护动作行为分析 根据下层机保护动作时序记录数据，图示保护动作流程，并显示相关的计算和判 断结果数据。 2 3 4 通信 包括保护模板与管理机之间的通信、保护模板经管理单元与调试便携机之间的通 信以及管理机单元与厂，站综合自动化系统之间的通信等三种基本模式。前两种方式通 过串行通信方式( 4 2 2 和4 8 5 ) 实现，采用内部通信协议( 以1 0 3 规约为基础) ，管理 机单元与厂站综合自动化系统之间的通信支持多种通信协议如：1 0 3 规约、西门子规 约以及其它规约等。 2 3 5 工程设计 为方便工程设计，保护软件按最复杂应用要求设计。对于不同的应用情况，通过 调整保护功能选择控制字和开入、开出逻辑控制字来实现。 1 保护功能选择控制 主要包括保护原理的选择( 阻抗，复合电压过流，零序过流，零序过压、过激磁保护 投退控制等) 2 保护范围段数选择和动作时间段数控制 每一种保护按两段设计，每段含三时限，设计时可选择所需段数和时限数。 3 开入逻辑控制 华中科技大学硕士学位论文 装置共留有1 2 路保护投退硬压板，可根据需要指定各压板的开入逻辑。 4 开出逻辑控制 装置共留有1 2 路跳闸出口通道，可根据需要指定各通道的出口逻辑。要求提供良 好的人机接口界面。该类定值用户不能修改，可以查询。 2 3 6 帮助 提供在线式帮助说明。 2 4 系统硬件结构 2 4 1 系统基本组成 为了适应通用型变压器后备保护的应用要求，在硬件设计中，计算机系统的资源 按能满足后备保护最大功能配置的要求进行配置，而其它外围模板则根据实际需要灵 活调整，以降低成本。装置的基本硬件结构如图2 i 所示。保护单元以 t m s 3 2 0 v c 3 3 d s p 芯片为核心构成，主要完成数据采集计算、故障判别以及跳闸出口 等。管理机采用r a b b i t 2 0 0 0 微处理器，主要完成人机交互所需的液晶显示和键盘管理， 以及与变电站综合自动化系统的数据通讯。为了提高装置运行的可靠性。管理机与保 护单 m _ - i 图2 i 保护装置硬件结构 2 4 2 保护单元 保护单元自行构成一总线不出板的独立系统，如图2 2 所示，这样，即使管理机 或通信出现异常，也不影响保护单元的正常运行。由于通用型后备保护功能复杂，对 计算速度和内存容量等提出了更高要求。为此，保护单元以t m s 3 2 0 v c 3 3 d s p 芯片为 华中科技大学硕士学位论文 核心构成。d s p 芯片可实现每秒1 2 0 兆次浮点运算。片内带有3 4 k 3 2 位r a m 存储 器，并可根据需要扩展6 4 k x 3 2 位片外高速r a m 存储器，以满足不同应用要求。板 上自带e e p r o m 存储器，用于定值和配置参数存储。根据变压器后备保护最大配置 的应用要求，模拟量通道选择为3 2 路，其中一路作为电源和a d 自检。a d 分辨率 为1 6 位、转换速度为5 0 0 k s p s 。 保护单元的开入通道共2 4 路，按使用目的的不同分为两类，一类是固定开入量， 主要包括开出自检、零序选跳、非全相运行开入等。这类开入物理地址事先确定，不 进行配置调整。另类是硬压板开入。鉴于通用型后备保护功能复杂，为简化结构， 在硬件设计中，共保留1 6 路硬压板。每路压板可根据实际需要任意设置。 保护单元的开出设计与开入情况类似，对于诸如保护启动、装置故障闭锁、过负 荷、p t c t 断线以及运行指示灯等这类与保护配置无关的控制和信号继电器回路，其 对应的开出通道地址固定，无需调整。而与断路器跳闸回路等互连的开出通道，共1 6 路，可根据实际应用要求任意设置。 数字量输入 数字量输入 数字量输出 数字量输出 模拟输入 模拟输入 图2 2 b 1 f q 主板原理框图 2 4 3 管理单元 管理单元是保护装置与使用者之间的信息桥梁，它一方面接受使用者输入的整定 值和控制命令，以执行对保护装置的人工操作、调试以及数据信息获取；另一方面则 l 华中科技大学硕士学位论文 通过内部通讯对保护装置的 工作情况及装置本身状态进 行实时监测并能通过指示灯 和人机界面及时反映故障信 号。外观如图2 3 所示。 管理单元的功能包括通过 4 8 5 总线与d s p 板进行通讯， 接受包括来自键盘的输入，控 制液晶模块的界面显示以及 担负与保护装置外部进行通 讯的任务。管理板插件的处理 核心选用的是美国z w o r l d 公 图2 3 管理单元外观图 司和r a b b i t 半导体公司合作的产品r c 位2 0 0 。r c m 2 2 0 0 模块采用了r a b b i t2 0 0 0 微处理器，具有2 5 6 k 的f l a s h 及1 2 9 k 的s r a m ，4 个串口，2 6 个i o 口。此外模块 内嵌的1 0 b a s e t 以态网口使r c m 2 2 0 0 能够通过以太网络与其他智能终端进行通讯。 r a b b i t 模块r c m 2 2 0 0 的尺寸很小，只有5 9 x 4 1 x 2 2m m ，但却提供了包括控制与通 信在内的完整功能。它通过两组2 6 脚的双列插件直接安装在管理板上作为微控制处 理器来使用。 2 5 本章小结 本章系统介绍了通用型变压器后备保护系统的基本设计原则，阐述了该系统的保 护功能配置和管理功能配置。以此为基础，对保护单元、管理单元的硬件结构进行了 讨论，本章所提出的设计方案和功能配置，借鉴了以往微机变压器保护装置的研发经 验，较全面考虑了不同运行现场对保护装置的不同要求，为进一步的研究、开发奠定 了良好基础。 1 5 华中科技大学硕士学位论文 3 通用型变压器后备保护原理与主要算法 本章主要针对通用型变压器后备保护的应用特点，对研制和开发中面临的关键技 术问题进行了分析提出了采用映射原理实现模拟量通道以及开入、开出通道按需求 重构的具体技术方案，并对后备保护原理和主要算法进行了讨论 3 1 通用型解决方案 3 1 1 通用型需要解决的四个问曩 由于变压器型式多样，运行环境不尽相同，对后备保护的功能配置存在许多差异， 如保护原理、动作方向、分段跳闸方式、压板和控制信号的开入方式等。要实现通用 型后备保护涉及硬、软件两方面。硬件适应性的重点是计算机系统，其资源应能满足 通用型保护软件运行的要求。而其它部分，如模拟量输入信号的隔离与变换、开入、 开出信号的引接等则应立足于结构模块化的设计原则，而不宜为追求通用性导致硬件 结构复杂造成资源浪费，可靠性降低。通用型后备保护实现的关键在于保护软件的 开发。一方面软件逻辑关系复杂，开发难度大。其次，软件的正确性必须通过全面的 仿真和实验测试进行验证，这是一项系统性的工作，远较硬件调试复杂。根据后备保 护的运行特点，在软件设计中，应着重解决以下4 个基本问题： ( 1 ) 能根据需要进行保护配置：保护的配置与变压器的容量电压等级、结构型 式、所接电源和负载的情况以及中性点运行方式等诸多因素有关，涉及保护动作原理、 保护方向以及分段跳闸方式等这些须根据用户的不同要求进行灵活配置。 ( 2 ) 满足不同模拟量输入信号的引接要求：不同的变压器，如三绕组变压器和两 绕组变压器，自耦变压器与非自耦变压器以及变压器中性点接地方式等均会导致接入 保护装置的模拟量信号在数量、性质和引接顺序上都有所不同软件应能根据保护功 能的配置情况和模拟量信号的实际接入情况，正确识别模拟量信号，完成相关电气量 的计算。 ( 3 ) 适应不同的开关量输入控制方式：开入量主要包括硬压板的投退控制和其它 控制信号。原则上，保护功能的投，退可采用软压板方式实现，但为兼顾传统的运行习 惯，在实际使用中，保留一定数量的硬压板仍是必要的。当保护配置不同时，硬压板 1 6 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = = j = = = = 目= = ；= = = i 的控制方式会有所不同。即使保护配置相同，不同的运行现场，由于实际系统运行方 式的差异也会造成硬压板的控制方式发生改变。因此，要求软件对此有良好的适用性 以满足用户的不同应用要求。 ( 4 ) 开关量输出方式可灵活调整：开出量主要包括跳闸输出和各种信号和控制继 电器的输出。变压器的结构型式、系统的电气接线方式、故障切除的控制策略以及与 相邻电气元件的协调、配合等均会导致开关量输出发生变化。因此，如何根据实际需 要，灵活、方便地进行开出方式的调整是软件设计中需要解决的另一基本问题。 在软件开发中，为实现上述要求，一种基本方法是保护功能按最大配置考虑，通 过“保护功能配置表”来满足用户的不同要求。而软件与硬件间的协调与配合可通过 “映射原理”【4 l 】加以解决。 3 1 2 基于映射原理的解决方案 在通用型后备保护软件设计中，模拟量通道以及开入、开出通道的物理地址均是 明确、固定的，但各通道所接入的电气量信号以及输出控制方式贝取决于变压器的结 构以及所配置的保护原理。要实现两者之间的相互关联，即软件与硬件间的协调与配 合，一种有效的处理方法是利用数学上的“映射原理”，根据事先指定的映射关系实 现模拟通道、开入，开出通道的灵活设置。 3 1 2 i 模拟量通道的设置 为了使软件能正确识别模拟量信号，在软件设计中，按模拟量最大可能的引接情 况，建立各模拟量名称与编号的对应表，如图3 1 所示。当变压器后备保护实际接入 的模拟量信号确定后，通过“模拟量通道配置表”指定各模拟量信号与a d 通道号的 映射关系，映射结果存放于一中间数组。软件通过该中间数组所存储的数值，可自动 提取所需的电气量信号进行计算。具体映射关系示例见图3 1 。例如，假设3 0 号通道 接入的是高压侧a 相电压，则“模拟通道配置表”中3 0 通道的配置值为1 ，而用于 存放各仍通道号的中间数组的第一单元的数值为3 0 。这样，根据中问数组可以方 便、正确地识别各实际接入的模拟量信号。原则上，采用这种处理方式，模拟通道可 以任意无规则设置。 1 7 华中科技大学硕士学位论文 模拟蠢遣犯置衰 蕞报量名与号的对应寰 甲同 通道号配置位 编号模拟量名称 教组 o3 1高压侧 相电压3 0 l2 2高压侧b 相电压 1 23 0 火 3矗压删c 相电压 卜 0 、 v 3 0l 3 0低压2 侧c 相电瀛2 3 1 2 2 开入遁道的设置 图3 ia d 通道设置的映射关系 在开关量输入信号中，随用户需求变化的主要是保护的投煺压板。压板设置的原 理与模拟量通道的设置原理类似。即按最大的保护配置情况建立保护名称与编号的对 应表，如图3 2 所示，通过“保护压板配置表”指定各保护与压板开入通道的映射关 系，软件由中间数组所存储的映射结果，可自动识别各压板所对应的保护功能。映射 关系示例见图3 2 。例如，如果1 5 号压板用来控制相间后各i 段i 时限的投退，则配 置值应为l 。经过映射后，可得到用于存放各开入通道号的中间数组的第一单元数值 为1 5 。这样，根据中间数组可以方便、正确地从开入通道的物理地址读取指定保护所 对应的压板状态。 保护压簟臣置衰保护名纛与号的牲衰 保扩。和可一 通道号配置值 对应保护名称 辕号数组 03 z l 高压侧相问后鲁i 段i 时雕 1 5 122毫压侧相阃后鲁i 段i i 时限l 2 k 3高压侧相问后鲁i 段i i i 时雕 卜 0 1 51 、 x x x 保护2 图3 2开入通道设置的映射关系 华中科技大学硕士学位论文 3 123 开出通道设置 开出通道主要用于控制各类信号和跳闸出口回路，其中，各类信号回路，如保护 动作、过负荷、c t p t 断线等与保护配置无关，相对固定，而与跳闸回路所对应