（电气工程专业论文）无人值班变电站综合自动化系统研究.pdf

华北电力大学工程硕士专业学位论文 摘要 变电站自动化和无人值班是当今电瞬自动化领域的热门课题，本文重点研究探讨了 无人值班变电站微机保护和微机监控系统，分析了基于比率制动原理和故障分量比率差 动原理两种不同原理的数字式变压器差动保护，全面综述了微机型变压器差动保护的众 多优势；并结合现场实际探讨了微机母线保护的母线运行方式自适应方案及原理。通过 对当前国内应用较多的集中式、分层分布式、分散式三种综自站自动化系统的结构模式 的分析，探讨了自动化系统结构模式的潮流方向，并就当前实际提出了一些观点和看法， 以使综合自动化系统更加完善。 其次还研究了综合自站的自动化系统抗干扰技术，以提高变电站综合自动化系统的 运行可靠性。目前数字化变电站正在成为新的技术热点，通过简析数字化变电站的整体 方案，展望了变电站自动化系统的发展前景。 关键词：差动保护，自动化系统，抗干扰，数字站 a b s t r a c t u n a t t e n d e ds u b s t a t i o na u t o m a t i o nh a sb e e nt h eh o tp o i n ti nt h ef i e l d o fp o w e rs y s t e m i nt h ep a p e r , a n a l y s i sa n de x p l o r eh a sb e e nm a d eo nc o m p u t e r p r o t e c t i o na n ds u p e r v i s i n gs y s t e mo fu n a t t e n d e d s u b s t a t i o n a n a l y s i sh a sb e e n m a d eo nd i 百t a lt r a n s f o r m e rd i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o nb a s e do np e r c e n t a g er e t r a i n t p r i n c i p l e a n df a u l t c o m p o n e n tp e r c e n t a g e d i f f e r e n t i a l p r i n c i p l e m a n y a d v a n t a g e sa r es u m m a r i z e do nd i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o no fd i g i t a lt r a n s f o r m e r t h e p r i n c i p l eo fb u s b a rp r o t e c t i o ni sa n a l y z e da n dt h ea u t o - a d a p t i o ns c h e m ei s d i s c u s s e dc o m b i n i n gw i t hp r a c t i c e p a s s i n gb ya n a l y z i n gt h ew i d e l ya p p l i e dt h r e e s t r u c t u r em o d e ，c o l l e c t i o na n dd i s t r i b u t i o na n dd i s p e r s e ，t h e nd i s c u s st h e d e v e l o p m e n td i r e c t i o no na u t o m a t i o ns y s t e ms t r u c t u r em o d e , b r i n gf o r w a r da f e wv i e w p o i n t sa n do p i n i o n si no r d e rt om a d et h ea u t o m a t i o ns y s t e mm o r e p r o f e c t n e x tt h ea n t i j a m m i n gt e c h n i q u ei ss t u d i e di nt h ei n t e g r a t ea u t o m a t i o n s y s t e m a sw e l la so p e r a t i o n r e l i a b i l i t y a tp r e s e n l t h ed i g i t a 】t r a n s f o r m e r s u b s t a t i o ni sb e c o m i n gan e wt e c h n i ch o t s p o t g e ta c r o s sa n a l y z i n gs i m p l yt h e w h o l es c h e m e ，p r o s p e c t i n gt h ef o r e g r o u n do f t r a n s f o r m e ra u t o m a t i o ns y s t e m s h is uh u a ( e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db y p r o el i ul i a ng u a n g k e yw o r d s ：d i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n ，a u t o m a t i o n s y s t e m , a n t i - j a m m i n g ， d i g i t a lt r a n s f o r m e rs u b s t a t i o n 声明 本人郑重声明：此处所提交的工程硬士专业学位论文无人值班变电站综合自动化 系统研究，是本人在华北电力大学攻读工程硕士专业学位期间，在导师指导下进行的 研究工作和取得的研究成果。据本人所姗，除了文中特另加以标注和致谢之处外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：蟹装錾 日期：塑z ! ：步 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复带赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 l 潞盼学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：导师签名：刭丞乞 日期：丝zj t 矿 华北电力大学工程硕士专业学位论文 1 1 引言 第一章绪论 变电站自动化和无人值班是当今电网自动化领域的热门课题，其发展势头正方 兴未艾。随着经济的迅猛发展和高参数、大容量发电机组的投运，超高电压、远距 离输电的大电网相继出现，电力系统及其二次设备也更为复杂，要求各级调度及运 行人员掌握、管理、控制的信息也大量增加，电两故障处理和恢复时问却要求更为 迅速和准确。另外，现代工业技术的发展，对电网提出了更高的要求供电必须 更加稳定、可靠，即使很短时间的停电，也会造成巨大的损失，这些要求依靠各级 调度及运行人员传统的管理方式是不能适应的，而且人容易受环境、情绪、性格、 疾病等诸多因素影响，有不少事故是由人为误操作引起的，故从提高电网运行可靠 性这个角度来看，无人值班综自站确实可以减少人本身这个不可靠因素带来的不良 影响。 变电站综合自动化系统可对变电站内设备及微机保护进行统一的监测、管理和 控制，与电网调度自动化系统进行实时、有效的信息交换，信息共享，优化电网操 作，可以提高电网安全稳定运行水平。变电站综合自动化系统的基本功能为：数据 采集、运行检测与控制、继电保护、数据通信等，变电站自动化技术是实现变电站 由有人值班向无人值班的关键，变电站综合自动化系统的各个子系统通过计算机网 络互连在一起，相互交换信息，数据共享，实现对变电站运行进行监视、管理、协 调和控制，提高了变电站的保护和控制性能，使变电站的运行更为稳定和可靠，同 时，可以减少变电站的运行人员和占地面积，降低变电站的运行维护成本，提高电 力系统的经济效益，改善和提高电网的管理水平。 变电站自动化技术经过十多年的发展已经达劭一定的水平，在我国城乡电网改 造与建设中不仅中低压变电站采用了自动化技术实现无人值班，而且在2 2 0 k v 及以 上的超高压变电站建设中也大量采用自动化技术，从而大大提高了电网建设的现代 化水平，增强了输配电及电网调度的可能性，降低了变电站建设的总造价。采用综 合自动化技术的变电站可靠性高，任一部分设备有故障时，只影响局部，可扩展性 和灵活性高：站内二次电缆大为简化，节约了投资也减少了维护量。变电站无人值 班工作的实施，使供电部门提出的“减员增效”工作得以成功实现，取得了明显的 经济效益和社会效益，提高了电力企业的劳动生产率，。在实际应用中，无人值班 变电站的电压等级己从3 5 k v 发展到2 2 0 k v ，并且正在向更高的电压等级发展。从国 内、外电网发展的情况看，变电站采取无人值班，不只是为了减少几个生产人员及 其开支的问题，而是提高电网的科技发展水平和科学管理水平，加快电网发展的问 3 华北电力大学工程硕士专业学位论文 题。无人值班综自站的建设和改造可以大大解放生产力；降低运行管理费用；提高 安全生产水平。近年来，变电站综合自动化技术正在朝着网络化、综合智能化、多 媒体化、数字化方向发展。 1 2 采用无人值班综合自动化变电站的必要性 变电站作为整个电网中的一个节点，担负着电能传输、分配豹监测、控制和管 理的任务。变电站继电保护、监控自动化系统是保证上述任务完成的基础。在电网 统一指挥和协调下，电网各节点( 如变电站、发电厂) 具体实施和保障电网的安全、 稳定、可靠运行。因此，变电站自动化是电网自动系统的一个重要组成部分。作为 变电站自动化系统，它应确保实现以下要求：( 1 ) 检测电网故障，尽快隔离故障部 分。( 2 ) 采集变电站运行实时信息，对变电站运行进行监视、计量和控制。( 3 ) 采集 一次设备状态数据，供维护一次设备参考。( 4 ) 实现当地后备控制和紧急控制。( 5 ) 确保通信要求。因此，要求变电站综合自动化系统运行高效、实时、可靠，对变电 站内设备进行统一监测、管理、协调和控制。同时，又必须与电网系统进行实时、 有效的信息交换、共享，优化电网操作，提高电网安全稳定运行水平，提高经济效 益，并为电网自动化的进一步发展留下空间。 传统变电站中，其自动化系统存在诸多缺点，难以满足上述要求。例如：( 1 ) 传统= 次设备、继电保护、自动和远动装置等大多采取电磁型或小规模集成电路， 缺乏自检和自诊断能力，其结构复杂、可靠性低。( 2 ) 二次设备主要依赖大量电缆， 通过触点、模拟信号来交换信息，信息量小、灵活性差、可靠性低。( 3 ) 由于上述 两个原因，传统变电站占地面积大、使用电缆多，电压互感器、电流互感器负担重， 二次设备冗余配置多。( 4 ) 远动功能不够完善，提供给调度控制中心的信息量少、 精度差，且变电站内自动控制和调节手段不全，缺乏协调和配合力量，难以满足电 网实时监测和控制的要求。( 5 ) 电磁型或小规模集成电路调试和维护工作量大，自 动化程度低，不能远方修改保护及自动装置的定值和检查其工作状态。有些设备易 受环境的影响，如晶体管型二次设备，其工作点会受到环境温度的影响。传统的二 次系统中，各设备按设备功能配置，彼此之间相关性甚少，相互之问协调困难，需 要值班人员比较多的干预，难于适应现代化电网的控制要求。另外需要对设备进行 定期的试验和维修，既便如此，仍然存在设备故障( 异常运行) 不能及时发现的现象， 甚至这种定期检修也可能引起新的问题，发生和出现由试验人员过失引起的故障。 发展变电站综合自动化的必要性还体现以下几个方面：一是随着电网规模不断 扩大，新增大量的发电厂和变电站，使得电网结构日趋复杂，这样要求各级电网调 度值班人员掌握、管理、控制的信息也大量增长，电网故障处理和恢复却要求更为 迅速和准确；二是现代工业技术的发展，特别是电子工业技术的发展，计算机技术 4 华北电力大学工程硕士专业学位论文 的普遍应用，对电网可靠供电提出了更高的要求：三是市场经济的发展，使得整个 社会对环保要求更高，这样也对电网的建设、运行和管理提出许多的要求，如，要 求电力企业参与市场竞争，降低成本，提高经济效益；要求发电厂、变电站减少占 地面积。要解决上述问题，显然仅依靠各级电网调度运行值班人员是难以解决的。 现代控制技术的发展，计算机技术、通信技术和电力电技术的进步与发展，电网自 动化系统的应用，为上述问题提供了解决的方案。这些技术的综合应用造就了变电 站综合自动化系统的产生与发展。 1 3 本文所做的工作 本课题研究的方向是先进合理的综合自动化变电站保护及自动化系统方案，重 点研究以下几个方面的问题： ( 1 ) 综自站数字式变压器差动保护原理分析及特点探讨 ( 2 ) 研究数字式母线差动保护原理并探讨母线运行方式自适应方案 ( 3 ) 综自站的自动化系统模式研究及几点个人看法 ( 4 ) 综合自动化变电站的自动化系统的抗干扰和可靠性研究 ( 5 ) 数字化变电站浅探 5 华北电力大学工程硕士专业学位论文 第二章综合自动化变电站发展历程 近年来国内外学者对变电站自动化做了大量的研究，并取得了显著成果。国内 继电保护的发展已达烈甚至超过国外同行业的水平，变电站自动化经历了集中式 r t u 、分布式测控装置、面向问隔、面向对象( o b j e c t o r i e n t e d ) 设计的分层分布式 结构模式。目前，国内外交电站自动化系统正朝着高集成化、数字化、标准统一化 方向发展。 2 1 国内综自站的发展 变电站综合自动化系统是利用先进的计算机技术、现代电子技术、通信技术和 信息处理技术等实现对变电站二次设备( 包括继电保护、控制、测量、信号、故障录 波、自动装置及远动装置等) 的功能进行重新组合、优化设计，对变电站全部设备的 运行情况执行监视、测量、控制和协调的一种综合性的自动化系统。通过变电站综 合自动化系统内各设备问相互交换信息，数据共享，完成变电站运行监视和控制任 务。变电站综合自动化替代了变电站常规二次设备，简化了变电站二次接线。变电 站综合自动化是提高变电站安全稳定运行水平、降低运行维护成本、提高经济效益、 向用户提供高质量电能的一项重要技术措施。 现有的变电站有三种形式：第一种是传统的变电站；第二种是部分实现微机管 理、具有一定自动化水平的变电站；第三种是全面微机化的综合自动化变电站。变 电站自动化的发展可以分为以下三个阶段。 1 由分立元件构成的自动装置阶段 2 0 世纪7 0 年代以前，由研究单位和制造厂家生产出的各种功能的自动装置， ( 比如我公司采用的自动重合闸装置、低频自动减负荷装置、备用电源自动投入、 直流电源和各种继电保护装置等) ，主要采用模拟电路，由晶体管等分立元件组成， 对提高变电站和发电厂的自动化水平，保证系统安全运行，发挥了一定的作用。但 这些自动装置，相互之间独立运行，互不相干，而且缺乏智能，没有故障自诊断能 力，在运行中若自身出现故障，不能提供告警信息，有的甚至会影响电网安全。同 时，分立元件的装置可靠性不高，维护工作量大，装置本身体积大，不经济。 2 以微处理器为核心的智能化自动装置阶段 随着我国改革开放的发展，微处理器技术开始引入我国，并逐步应用于各行各 业。在变电站自动化方面，用大规模集成电路或微处理机代替了原来的继电器晶体 管等分立元件组成的自动装置，利用微处理器的智能和计算能力，可以发展和应用 新的算法，提高了测量的准确度和可靠性；能够扩充新的功能，尤其是装置本身的 6 华北电力大学工程硕士专业学位论文 故障白诊断功能，对提高自动装置自身的可靠性和缩短维修时间是很有意义的：此 外，由于采用了数字式，统一数字信号电平，缩小了体积等，其优越性是明显的。 由于这些微机型的自动装置，只是硬件结构由微处理器及其接口电路代替，并扩展 了一些简单的功能，虽然提高了变电站自动控制的能力和可靠性，但基本上还是维 持着原有的功能和逻辑关系，在工作方式上多数仍然是各自独立运行，不能互相通 信，不能共享资源，变电站和发电厂设计和运行中存在的问题没有得到根本的解决。 3 变电站综合自动化系统的发展阶段 我国是从2 0 世纪6 0 年代开始研铹变电站自动化技术。到7 0 年代初，便先后 研制出电气集中控制装罱和集保护、控制、信号为一体的装置。国内许多单位也在 这方面做了大量的工作，推出一些不同类型、功能各异的自动化系统。为国内的变 电站自动化技术的发展起到了卓有成效的推动作用。 2 1 1 继电保护及自动装置的发展 从9 0 年代初至今，不同原理、不同机型的继电保护相继出现，各具特色，经 多年研究，微机保护的性能比较完善，可以适应复杂的运行及故障条件，微机保护 已成为电力系统保护、监控、通信、调度自动化系统的重要组成部分。目前，变压 器差动及母差等主设备保护经过多年的研究已克服了早期的元件微机型保护可靠 性不高，灵敏度低，动作速度慢，t a 饱和影响较大等缺点，且有待于继续研究探讨。 目前，在1 l o k v 及以下电压等级的变电站综合自动化系统中，部分继电保护装置已 采用保护测控一体化技术，即所谓的四合一装置。每个四合一装置不但可完成继电 保护功能，而且还可完成测量、控制、数据通信功能，保护测控一体化对变电站综 合自动化产生着积极的影响，成为整个电力系统计算机网络上的一个智能设备。随 着计算机技术及电子信息技术在电力系统中盼广泛应用，变电站内的一次设备也会 逐步实现智能化，数字化的c t 、p t 会得到使用，保护装置则仅仅实现数字继电器 的功能，使变电站自动化技术进入了数字化阶段。目前，国内外各电压等级变电所 保护布置方案概括起来有两种：一是分散布置，即下放方案；二是集中布置，即不 下放布置。下放方案在户外配电装置区按单元设立开关场柜或附近设立多个保护小 室；不下放方案，即将各电压等级所有保护装置集中组屏。目前国外继电保护装置 大都采取下放小间布置的方案，国内也正朝着这个方向发展。 2 1 2 综合自动化系统模式的发展 随着计算机技术、网络及通信技术的飞速发展，采用按间隔为对象设计保护测 控单元，采用分层分布式的系统结构，形成真正意义上的分层分布式自动化系统。 目前国内外主流厂家均采用了此类结构模式。1 l o k y 以下电压等级变电站，保护测 7 华北电力大学工程硕士专业学位论文 控装置要求一体化、1 l o k v 及以上电压等级保护溅控大多按间隔分别设计。对超高 压变电站的规模比较大的系统，为减少中间环节，避免通信瓶颈，要求装置直接上 以太网与监控后台通信，甚至要求保护和监控阿络独立组阿，由于采用了先进的网 络通信技术和面向对象设计，系统配置灵活、扩展方便。按系统模式出现顺序可将 变电站自动化发展分为三个阶段：第一阶段为面向功能设计的集中式r t u 加常规保 护模式，其功能主要为与远方调度通信实现“二遥”或“四遥”( 遥测、遥信、遥 控、遥调 ，与继电保护及安全自动装置的联结通过硬接点接入或串行口通信较多， 此阶段为自动化的初级阶段；第二阶段为面向功能设计的分布式测控装置加微机保 护模式，其保护与测控装置相对独立，通过通信管理单元能够将各自信息送到后台 或调度端计算机；第三阶段为面向间隔、面向对象( o b j e c t o r i e n t e d ) 设计的分层 分布式结构模式。 随着集成电路和计算机技术的飞速发展，各种新型的大规模集成电路将会进一 步应用在继电保护和测控装置上，将使保护和测控装置的电路板更加小型集成化， 装置通信、数据存储及处理能力更强。将间隔的控制、保护、故障录波、事件记录 和运行支持系统的数据处理等功能，通过模块化设计集成在一个统一的多功能数字 装置内是可行的，智能开关设备、光电式电压和电流互感器、智能电子装置( i e d ) 等的出现，使变电站自动化技术进入了数字化阶段。变电站自动化系统以按对象设 计的全分层分布式为潮流，朝着二次设备功能集成化，一次设备智能数字化方向 发展；运行管理朝着各专业协调统一和站内无人值班模式发展。变电站自动化系统 向高集成化、数字化、标准统一化方向发展。 2 2 国外综白站的发展现状 目前国外继电保护装置大都采取下放小间布置的方案，主要负责实时信息采集， 采用交流采样，设备直接放入现场的继电小室里，与站控层设备( 放在站内控制室) 的连接采用光纤方式，并且正朝着间隔层也采用以太网方式的方向发展。间隔层测 控设备与变电站层设备接网方式基本上有2 种，其一是与具有前置处理机方式的， 多采用串行口r s 一4 8 5 利用电或光的方式进行通信；其二是无前置处理机方式的， 直接与自动化系统的测控主网络连接，采用以太网方式，自动化系统的远方与就地 控制操作的实现方式与国内大多数系统基本相同。自动化系统可以接受远方( 调度 或控制中心) 和站级操作员站的控制操作命令，也可通过便携式计算机或操作面板 直接向站级主控单元或间隔层装置发命令。正常情况下，所有的控制都均由远方调 度中心进行操作。其它方式在调试、检修时才使用。全站的操作防误闭锁功能均由 站级主控单元完成，间隔层装置只实现本间隔的操作防误闭锁功能。 8 华北电力大学工程硕士专业学位论文 第三章综合自动化变电站元件差动保护的研究 近年来，随着计算机技术的高速发展，数字式保护装置在电力系统中得到日益 广泛的应用，和传统类型的差动保护相比，数字式差动保护装置具有功能完善、使 用灵活、便于安装与维护的特点，可实现变电站综合自动化。 3 1 数字式变压器差动保护的研究 3 1 1 基于比率制动原理的数字式变压器差动保护分析 微机变压器差动保护可以实现多种功能，并且可将主保护和后备保护集于一身。 微机变压器差动保护如图3 1 所示。 图3 1微机变压器差动保护方框图 跳闸 为降低动作电流，提高保护灵敏度，微机差动保护采用比率制动元件来防止区 外故障时由于不平衡电流增大导致保护的误动作，同时依靠判别励磁涌流的判别元 件来闭锁比率制动元件。由于微机保护用软件计算来补偿变比的不同，可使差动保 护的变比误差为零。 a 、比率制动元件 1 ) 稳态量比率差动元件 动作方程：i d i o 9 华北电力大学工程硕士专业学位论文 i d k b i r ( 3 1 ) 同时满足上述两个方程比率差动元件动作，式中i d 为差动电流，i r 为制动电 流，k b 为比率制动系数，l o 为差动电流起动值。 对双线圈变压器i d = ii - + i ti i r = li h i li 对三线圈变压器i d = i - + i l + i i i x - - m a x ( ii 。lli 。iii i 工频变化量比率元件 动作方程： i d 0 3 i e a i d o 9 5 a i r ( 3 2 ) 式中i d 为差动电流的工频变化量，l r 为制动电流的工频变化量。 i d = ia i - + a i li l d = 1 彪ia i h a i li 其中a i 。，i 。分别为高压侧、低压侧电流的工频变化量。由于工频变化量不 受负荷电流的影响，工频变化量比率差动元件的引入提高了变压器内部小电流故障 检测的灵敏度。动作特性如图3 2 所示。 i o i o k b 图3 2比率制动动作特性 i r b 、励磁涌流的判据 用励磁涌流包含有很大的非周期分量作为励磁涌流的判据会大大延缓保护的 动作时间，微机差动保护可以采用以下之一作为励磁涌流的判据，使动作时间大大 缩短。 1 ) 二次谐波制动 1 0 华北电力大学工程硕士专业学位论文 利用三相差动电流中的二次谐波作为励磁涌流判据，动作方程如下： i d 2 k x b xi d l ( 3 3 ) 式中i d 2 为a 、b 、c 三相差动电流中的二次谐波，i d l 为对应的三相差动电流 中的基波，k x b 为二次谐波制动系数。 2 1 秘甩间断角原理来判掰是否发生励磁涌流，其判据如下： ow 1 4 0 。 0d 6 5 。 式中0 - 、bd 分尉为三相差电流的波宽和河断角。 偶次谐波原理：利用三相电流的偶次谐波作为励磁涌流的判据。在内部故障时， 各侧电流经电抗互感器变换后，差电流基本上是工频正弦波，而励磁涌流经电抗互 感器变换后，有大量的谐波分量存在于电源侧，波形是间断不对称的。 c 、差动速断保护 由于变压器差动保护原理复杂，装置中常用到各种滤波环节，使保护动作速度 比较缓慢。在严重的内部短路电流互感器饱和时高次谐波增加，而使差动保护拒动， 所以一般在比率制动或标积制动式差动保护的基础上，直接采用差动电流的全波幅 值作为动作量，没有制动量它的动作电流按变压器空载合闸有励磁涌流不误动作 为整定条件，一般整定为4 1 0 倍额定电流作为整定条件。 d 、过励磁检测元件 变压器装设过励磁保护，多数投信号位置，当系统一侧因故跳开后，线路及电 厂侧的母线电压因长线路的电容效应而升高，或者是因为频率降低都会造成过励 磁，过励磁时励磁电流增加，差动保护有可能误动作。当额定电压超过1 3 倍额定 电压时不得操作断路器，否则可能造成断路器损坏，从而扩大事故。所以过励磁时 差动保护不应动作，用五次谐波闭锁。 e 、与励磁涌流无关的变压器差动保护 通过以上分析可知，变压器差动保护必须在励磁涌流和过励磁工况下防止误动， 但由于原始条件同时出现几率的不确定性，铁心材料的非线形，使涌流分析十分复 杂，特征数据分散。另外，由于广泛采用静补并联电容器以及和变压器相连的超高 压长距离架空线和高压电缆的分布电容，变压器差动保护区内短路时，差动电流也 可能包含二次等谐波分量，造成二次谐波制动原理的变压器差动保护延时动作或拒 动。其他原理的励磁涌流的鉴别元件也同样存在难于区分内部短路暂态电流与励磁 涌流的问题。励磁涌流分相闭锁的方式可能误动，三相“或门”闭锁方式又使变压 器内部存在单相匝问或接地短路而空载合闸时，差动保护严重延缓动作。 f 、分侧差动保护 实际运行经验表明，由于变压器差动保护远比发电机保护复杂，根本原因是变 压器差动保护区内包含着原副方绕组的耦合，破坏了差动保护的理论基础( 基尔霍 l l 华北电力大学工程硕士专业学位论文 夫定律) ，从而产生了一系列的诸如励磁涌流、过励磁等弓 起误动的特殊问题。当 我们把变压器的原副方的每个绕组看作是一个个绕组，每个绕组可装设一套差动保 护。这样差动保护对空载合闸的反应，和外部短路一样，均属于穿越性电流。 这种变压器分侧差动保护的优点： 1 ) 接分头调压不产生不平衡电流，两侧互感器同型也使不平衡电流减小，因此 保护的动作电流小，灵敏度高。 2 电流互感器二次侧三相可接成星形，与传统变压器差动保护的三相互感器二 次侧三角形接线( 一次侧星形接线) 相比，对于单相接地故障有较高灵敏度。 缺点： 1 ) 不能保护变压器绕组常见的匝间短路。 2 )只能用于每一绕组有两个引出端子的单相变压器，且尉方多用了一组电流互 感器，保护的套数增加一倍。 g 、零序差动保护 普通变压器利用中性点接地侧三相电流互感器并联与中性点电流互感器构成 零序差回路，自耦变压器利用高压侧与中压侧三相互感器并联后与中性点电流互感 器构成零序差回路。零序差动保护不只局限于分相变压器，且微机保护相问差动与 零序差动可共用电流互感器及硬件资源，所以它比分相差动更有可行性。零序差动 保护同样与空载励磁涌流无关，同样可提高y n 侧引线及绕组接地短路的灵敏度( 单 相接地将绕组分为两部分w 1 和w 2 ，从变压器相闻差动保护看来，两侧电流是穿 越性的，相位一致，但大小不一定相等) ，但也同样不能反映匝间短路。且可能存 在的缺点是组成零序差动保护的电流互感器较多( 例如自耦变压器的零序差动保护 需要七台电流互感器) ，内部接地短路时，无故障支路互感器的汲出电流较大，影 响保护的灵敏度。另外，二次接线错误的检验比较麻烦。但当区内单相接地短路时， 零序差动保护的灵敏度总比相间差动保护高，一种可行的办法是既装设相闻差动保 护同时装设零序差动保护，这对于共用硬件资源的微机保护来说，是可以实现的。 引入变压器中性点t a 二次电流i r 作为极化电流i p o l ，变压器各侧自产零序电 流i h o 、i m 、i l o 相量相加( 以电流流进变压器为正方向) 作为工作电流1 0 p 。以y o 厂y 自耦变压器为例，当发生内部接地故障时，零序电流如图3 3 ( 因低压侧绕组为三角 形接法，故没有零序电流流过) 。 1 2 华北电力大学工程硕士专业学位论文 高压侧 图3 3 变压器内部接地故障零序电流示意图 中压仍j 由图3 3 可得：i o , = i 。+ i 。，i 。= i ，。因为i 。与i 。同为流进变压器，故有 曲o o a r g 老。 当中压侧发生外部接地故障时，如图3 4 所示，故障电流i d _ 一i 。= i 。+ i 。，亦u p i , = - i 。- i 。，所以 高压侧 o k i a i 一，i ( 1 ) 式中，t = ，t j 时= t - 一j - 。：下标l 表示正常负荷分量；下标i ，i i 则分 别表示被保护设备两侧的电量。 在故障分量比率差动保护中，令时d 甜，。分别表示动作量( 差动量) 和制动量， 即 f ，d = 对，+ 时。 i a t , = 时一时。 因正常运行时有，i = 一j l = 一，l ，故传统比率差动保护的动作量j 。和制动量j ， 可表示为： 1 1 = l l4 - 1 。= 出。 = ，i j ，= 出，十村l( 3 ) 比较式( 2 ) 与式( 3 ) 可见，忽略变压器两侧负荷电流的误差之后，两种差动保护原 理的动作量相同，主要不同之处表现在制动量上。发生内部轻微故障( 如单相高阻接 地或小匝数匝间短路) 时，可能出现| ，l l ，j c r l ，i i l ，l i ，这时式( 3 ) 中制 动量主要由2 iil 决定，从而使得传统比率差动保护方案因制动量太大而降低了灵 敏度。利用降低k 值来改善灵敏度是有限的。因为必须保证外部严重故障时有足够 1 6 华北电力大学工程硕士专业学位论文 的制动量不使保护误动，发生外部严重故障时，制动量主要决定于f ，因此两种 原理差动保护的制动量相当，不会引起误动。由以下进一步的分析可更清楚地看到 这一点。 设一单梧变压器发生对地高阻抗接地故障，现用一简化的具有两端电源的t 形 网络来表征，如图3 7 所示。 z s积 图3 7 单相变压器内部故障简化等值电路 短路阻抗为z ，按照叠加原理，可将图3 7 所示电路分解为正常网络和故障附 加网络。由故障附加网络推导出： k l 存在，即在双侧电源条件 下，若取k = i ，按上述分析能保障对最轻微故障的灵敏度。 当然实际情况要比这种简化分析复杂：当故障阻抗z f 很大时，将无法正确取出 保证计算精度的故障分量，因此灵敏度仍然受z f 限制；同时，三相变压器所遇到的 问题也不能简单地归结为上述简化分析；另外，为防止当只有一侧投入系统的变压 器发生内部故障时不拒动，k 值的选择仍必须小于1 。 传统差动保护判据也可由图3 7 推导为： 耿斟= 羰 耻i l + 奇l 1 7 华北电力大学工程硕士专业学位论文 比较式( 4 ) 与式( 5 ) ，主要差别在于因子k n s 。轻微内部故障时，i 叫，i i d m i n n i d k i r 0 一s i l i i c o so 式中护= a r g ( a i ) ；s 为标积制动系数，s 0 根据余弦定理，不难证明式( 1 0 ) 中盼k 与式( 1 1 ) 中的s 的关系为： s ：黑 ( 1 2 ) l k 2 若令，t = ，r 十j ，出= ，- r + 脚- ，可以导出式( 1 1 ) 中标积制动 量的算法为： 一s i l i i c o so s ( 1 1 r a i l l t + i i i a i i 1 ) ( 1 3 ) 上述分析表明，动作判据式( 1 1 ) 与式( 1 0 ) 在原理上是基本一致的。不过，用式( 1 1 ) 更 容易理解采用故障分量后，不仅可以提高保护对内部故障的灵敏度，而且也可加强对外 部故障的制动作用。采用故障分量的特点是完全消除了负荷电流的影响，或者说在故障 附加网络中，移去了被保护的设备两侧的等值系统电源电势，而只在故障点处还保留唯 一的一个故障分量电势。外部故障时，故障分量电势位于区外，由它弓 起穿越性故障分 量电流。对被保护设备两侧测量点而言，两侧测量电流几乎是完全反相的( 几乎”是指传 感器或测量元件会引入相位误差，下同) ，即e 钡，在刿据式0 1 ) 中将产生很大的制动量， 而动作量很小，可确保可靠的制动作用。内部故障时，故障分量电势位于区内，由它引 起从被保护设备两侧流出的电流，因而两侧测量点测得的故障电流几乎是完全同相的， 即0 卸触，在判据式( 1 1 ) 中动作量很大，而制动量为负，故保证了对内部故障的灵敏度， 并较小地受故障过渡电阻的影响。 3 1 3 数字式变压器差动保护特点分析 3 1 3 1 相位补偿 传统的差动保护依靠c t 二次接线方式的选择，进行不同接线组别变压器各侧电流的 相位补偿，即使是对y 0 y 型变压器，为防止区外接地故障时的误动，也必须将差动保 护的c t 回路接成三角形。数字式差动保护对变压器接线组别的相位补偿由软件实现， 采用对称分量法的矩阵变换消除了零序电流分量的影响，简化了外部的c t 回路接线， 提高了运行可靠性。由于变压器通常采用y 的接线方式，因此原方和副方的电流存在 着1 个3 0 。的整数倍的角度差。过去采用的办法都是将变压器y 形侧的三相电流互感器 ( 下称t a ) 接成三角形，而将变压器三角形侧的三相t a 接成y 形，并以适当的接线方式 将原、副方的二次电流相位校正成一致。这种方法给t a 的选型、保护的设计和安装都 带来不便。同时，这种接线方式也存在着无法解决的缺陷：三角形接法的t a 二次电流 与一次电流相位不一致，这样的二次电流不能直接用于负荷计算，也给故障分析带来不 2 0 华北电力大学工程硕士专业学位论文 便。 微机变压器差动保护采用软件补偿相位差的方法，在计算中可将某一侧的三相电流 按反时针方向任意旋转n 3 0 。( n 为0 - - 1 2 的整数) 。因此，在设计、安装中可不考虑 变压器的接线方式而将各德t 都接成y 型，由软件进行相位补偿。相位补偿的计算方 法实际是引入从0 点狲1 2 点旋转的计算矩阵。例如，要将某侧电流向反时针旋转3 0 。 时，用( 1 ) 式进行计算： ( i ) ，可用( 2 ) 式计 ( 2 ) 计算结果虽然没有角度变换，但电流中的零序分量已被消除。 这种软件补偿相角的功能除了可以简化设计与安装之外，也可使测量到的变压 器各侧t a 电流反映实际的一次电流的幅值和相位，这样的电流可直接用作负荷计 算和故障录波，对变电站综合自动化有积极的作用。 3 1 3 2 差动计算 在传统的差动保护中，都存在t a 的计算变比与实际变比不同而产生不平衡电 流的问题。过去通常采用差动继电器的平衡线圈或在电流回路加装中间交流器的方 法进行解决，然而这些方法都不能彻底消除这种不平衡电流，并且也给设计和调试 带来一定的不便。 使用微机保护则可方便地消除这种不平衡电流。变压器微机保护可在整定值中 输入各侧的t a 交比、额定电压及变压器的额定容量，并由此计算出各侧的额定电 流。差动计算时采用以各侧额定二次电流为基准的电流标幺值：各侧电流标幺值向 量相加( 以电流流进变压器为正方向) 作为动作电流i o p ，标量相加除以2 作为制动电 流i r s 。用这种计算方法，当额定负荷流过变压器时，理论上必有l o p = 0 ，i r s = i ，保 2 l 华北电力大学工程硕士专业学位论文 护能可靠制动；当内部发生故障时，由于各侧的电流同为流进变压器，i o p 为一较大 的数值，选取恰当的制动曲线，保护能可靠动作这样便可完全消除由t a 计算变 比与实际交比不同产生的不平衡电流，省却了调平衡的回路，在差动保护的整定计 算中亦可完全不考虑这种不平衡电流。 3 1 3 3 谐波计算 变压器微机保护具有二次、五次谐波制动的功能，可以防止变压器空载投入或 外部故障切除后电压恢复时的励磁涌流和发电机出口变压器过激磁引进差动保护 误动作。谐波的计算方法是将每局期的6 4 个采样点，运用快速傅立叶交换而得， 最高可计算到1 5 次谐波，方法如( 3 ) 式： h 。；麓h 。滞( 3 )h 。= 。( 3 ) 式中n 一每周期采样点数，6 4 ； n 谐波次数，l 1 5 ； h r 采样数据： h n n 次谐波值。 二次谐波制动和五次谐波制动可单独设置投退，也可选择某相谐波制动元件是否将 三相差动保护全部闭锁，方便在多种不同的系统中使用。 3 1 3 4 灵活的内部逻辑 变压器微机保护装置还可提供灵活的、可编写的逻辑方程，同时，各路开入量 及开出接点完全由用户自己定义。通过编写逻辑方程，用户可根据不同的被保护元 件及系统要求自行制定保护的配置方案。 微机变压器差动保护因其先进的技术使其在精度、灵敏性、可靠性等方面都比 传统保护有了很大的提高，并解决了许多传统保护所无法解决或难以解决的问题， 极大地方便了设计、安装、调试、运行等工作，尤其是给设计工作带来了很大的灵 活性，能切实地改善电网的供电可靠性。因此，微机变压器差动保护在电力系统中 具有理想的应用价值和前景。 3 1 4 数字式变压器差动保护对综自站的影响 和传统类型的差动保护相比，数字式差动保护装置集成了差动( 包括零差) 保 护、过流( 过负荷) 保护、故障录波和网络通讯等多项功能，为实现变电站综合自 动化创造了条件。数字式差动保护通过辅助变换器进行交流变换得到适当的电压量 信号，再经滤波、采样和模数转换成为可以由微处理器直接运算的数字信号，所有 数据处理、变量运算和保护逻辑功能都可以由软件来实现。微机差动保护装置与传 统的差动继电器相比，具有功能完善、使用灵活、便于安装与维护的特点，并具有 2 2 华北电力大学工程硕士专业学位论文 传统的差动继电器所无法实现的通信功能，可将采样数据、保护装置的动作情况及 故障录波数据送至上层监控系统，以实现变电站综合自动化的要求。 3 2 数字式母线差动保护研究 3 2 1 阐述数字式母线差动保护原理 3 2 1 1 比率制动式电流差动保护原理 装置的稳态判据采用常规比率制动原理。母线在正常工作或其保护范国外部故 障时所有流入及流出母线的电流之和为零( 差动电流为零) ，而在内部故障情况下 所有流入及流出母线