基于实时数字仿真器的变压器保护装置研究

姜子庠

(上海交通大学，上海 200030)

1 变压器保护装置性能测试

变压器保护装置主要被用作电力变压器的主保护及后备保护，其主要功能是保障电力变压器的安全稳定运行。因此，变压器保护装置的性能对于保障电力变压器的安全运行至关重要。研究变压器保护装置的性能测试方法，可为保障变压器保护装置在实际电网中的运行良好奠定了扎实的理论基础。

目前国内外的变压器保护装置的结构主要包括变压器主保护和变压器后备保护[1]。纵联差动保护是变压器主保护的核心保护，主要针对变压器中可能发生的内部故障，当CT监测到供电系统中的电流发生差流越限时，变压器保护装置会发出告警信号。变压器后备保护分为变压器高压侧后备保护和变压器低压侧后备保护。其中变压器高压侧后备保护主要分为过流保护、充电保护、过负荷告警、零序过流保护、CT断线告警等。变压器低压侧后备保护主要有零序过流保护等，当母线PT断线时，变压器保护装置发出告警信号。

变压器保护装置是电力变压器不可或缺的保护。但是根据电网运行经验，电力系统中变压器保护装置差动保护多次发生误动。大型变压器保护的正确动作率通常处于较低的水平，远远低于线路保护的正确动作率。变压器保护拒动可能引起变压器的损坏，检修难度大、时间长，影响电网的正常运行。变压器保护误动和拒动的主要原因是制造厂家的设备功能与现场需求不匹配，需要制造厂家对其自身装置的性能根据现场实际情况，开发符合现场需求的设备功能，探索和验证保护装置在智能电网中的运行情况。

目前国内常见的变压器保护装置性能测试方法是使用继电保护测试仪，通过设置试验参数，模拟各种常见的、可能发生的异常工况，如瞬时、永久性的单相接地、相间短路或转换性故障，进行整组试验或定值校验等。此测试方法接线简易直观，但无法模拟实际电网中的实时特性。

2 变压器保护原理

变压器通常装设差动保护作为主保护，变压器如果发生内部相间短路故障、高压侧单相接地短路或匝间短路故障，都将通过CT、PT等元件被变压器差动保护监测并记录故障过程。差动保护是监测变压器保护两端的CT电流矢量之差，当两端CT电流矢量之差大于保护内设定的差动保护动作值时，则启动差动保护的动作元件[2]。纵联差动保护单相原理接线图见图1。

图1 纵联差动保护单相原理接线图

对变压器的保护装置进行保护的主要方式包括比率差动保护和差动速断保护。当变压器内部、变压器引出线或变压器套管发生严重故障时，差动速断保护能快速切除严重故障。其动作判据为

Id>Isdset

(1)

Isdset是差动速断保护整定值，Id是差动电流，Isdset应躲开空载合闸时可能产生的最大励磁涌流和躲过变压器区外故障时穿越电流造成的最大不平衡电流。当任一相差动电流大于差动速断整定值并且要落在比率差动的动作区时，瞬时动作。

比率差动保护动作方程如下：

(2)

比率制动特性如图2所示[5]。

图2 比率制动特性图

3 半仿真供电系统模型

在电力系统中，变压器是一种利用电磁互感效应，变换电压、电流和阻抗的器件，造价较昂贵，检修耗时长，因此需要变压器保护装置对变压器进行保护，变压器保护装置的稳定性和可靠性对变压器的寿命起很大的作用。使用实时数字仿真器(RTDS)搭建实际电网仿真模型，元件包含无穷大电源、变压器、断路器、电压互感器、电流互感器、负荷等，模拟真实电力系统运行状态。然后通过RTDS的模拟量输出卡，经功率放大器，输出变压器低压侧电压二次值、变压器高压侧电流、变压器低压一侧电流和低压二侧电流至变压器保护装置；变压器保护装置根据电压、电流，计算控制策略，通过信号继电器和数字量输入卡，控制断路器分合状态。基于RTDS的变压器保护装置动模试验的系统总体框图设计如图3所示。

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图3 系统总体框图设计

一次系统图中，电网的电厂使用发电机进行发电，通过输电线路将高电压等级(110 kV)传送至用户侧附近的变电站，通过变电站将电压等级降低至低电压等级(10.5 kV)，通过输电线路输送至大用户负载端。RTDS的一次系统中，主要有电源、变压器、线路、负荷、断路器等元件。根据所设计的电网结构，在RTDS平台下元件库选择相应的模拟元件。RTDS中搭建系统模型是由RTDS元件库内电力系统元件搭建形成的，保存后会生成后缀名为.dft的文件。在RTDS中搭建某变电站的控制系统和一次系统模型。一次系统模型中包含无穷大电源、变压器、负荷、断路器模型。控制系统模型中包含故障控制模块、断路器控制模块、差流模块、励磁涌流模块。

由于发电机构成较为复杂，使用交流电源模块代替发电机模块，并将电源中性点经无穷大电阻接地，以构成无穷大电源。电源模型如图4所示。然后双击电源元件，进入配置参数界面，设置电源名称为srcG2，将电源阻抗类型设置为R-R//L(即电阻和电感并联后与电阻串联)类型，将电源电压等级设置为110 kV，50 Hz，配置完毕后，点击更新按钮。

图4 dft中的电源模型

变压器常会由于外部原因发生故障，单相接地是电力系统中最为常见的故障之一，引发原因多为小动物危害、绝缘子单相击穿等，多发生于潮湿的天气。因此，模拟仿真需模拟变压器高压侧及低压侧的单相故障及相间故障，以测试变压器保护装置逻辑功能的速动性和精确性。在元件库中添加故障点元件，如图5所示。将故障类型设置为线—相模式，并通过三位的二进制控制字FLT4分别控制A相接地、B相接地和C相接地的打开或关闭，例如二进制控制字FLT4为7时，转换为二进制后即111，此时发生ABC三相接地故障，将故障类型设置为线—线模式时，同理。

图6 仿真系统模型图

图5 故障模拟实现图示

本试验的仿真模型图如图6所示。加设无穷大电源，电源通过三相导线接至高压侧断路器上触头故障设置点，继续接至高压侧断路器，途经高压侧断路器下触头故障设置点，接至变压器高压侧，变压器低压侧出线接至两条低压侧线路，低压侧线路上都加设了故障设置点，最后接至负载负荷侧。F4点是高压侧断路器上触头故障点，F3点是高压侧断路器下触头故障点，F1是低压侧断路器上触头故障点，F5是低压侧断路器下触头故障点。F3和F5为变压器保护区外故障点，F3和F1为变压器保护区内故障点。通过模拟不同区内和区外故障点处发生的不同类型的故障，才能够准确判断电压器保护装置的逻辑功能是否符合电网要求。

模拟的电力系统中，选用的变压器连接组别是YN/Y-10型。变压器高压侧电压是110 kV，变压器低压侧电压是10.5 kV。该台变压器总容量是120 MVA，使用三个单相变压器，每个单相变压器的容量是40 MVA。

为模拟电力系统中发生励磁涌流时的电流和电压情况，需设计并搭建模拟励磁涌流过程的模块。首先添加信号处理器和与门，使A相电压刚经过零点并上升时，合上高压侧开关BRKCLOSE，发出一个上跳沿的信号(由0变1)。仿真系统频率是50 Hz。通过合闸角乘以系数的方式，来控制A相电压的相角，合闸角乘以系数即上升沿延时的时间。当开关prgclose和BRK6sel置1，励磁涌流模块启用。励磁涌流模块启用后，RS触发器的S端接收到上跳沿，Q输出1，BRK6WS输出7，仿真系统内有励磁涌流产生；拉开高压侧开关BRKOPEN后，RS触发器的R端接收到上跳沿，Q输出0，BRK6WS输出0，仿真系统内无励磁涌流产生。励磁涌流模块模型见图7。

图8 故障控制模块模型

为模拟真实电网中发生的故障，在RTDS软件中须加设故障点。当FLT故障被触发，并且A相电压刚经过零点并上升时，RS触发器的S端接收到上跳沿，RS触发器的Q端点输出1，iptwd点输出1。通过设置FaultAng控制故障的角度，乘数系数同励磁模块中设置为0.000 055 5。FLTWD1输出1，生成故障；按RESET按钮后，RS触发器的R端接收到上跳沿，Q输出0，FLTWD1输出0，故障还原。为设计模拟系统发生发展性故障，在控制模块中加入fltype1和fltype2来实现此项仿真。fltdur1是第一次故障的持续时间，fltdelay2是第二次故障与第一次故障的间隔时间，均设置相应开关，控制第一次故障和第二次故障的发生时间和持续时间。故障控制模块模型见图8。

图7 励磁涌流模块模型

4 半实物供电系统模型

变压器保护装置仿真测试是一种闭环测试。其中变压器接线方式为YY接线。高压侧为110 kV，低压侧为10.5 kV，其中分为低压I侧和低压II侧。高压侧的监测电流为IBRK6，低压I侧的监测电流为IBRK1，低压II侧的监测电流为IBRK2。高压侧处为无穷大电源，低压侧处为用户负载。模型的电气主接线图如图9所示。设计半实物供电系统模型，将变压器保护装置接入实时数字仿真器搭建的模拟电网，开展逻辑功能测试和研究。数据的传输主要通过两种信号构成，第一种是变压器保护装置接收的实时数字仿真器发出的实时模拟量信号(电压、电流)，第二种变压器保护装置判定当前模拟电网存在的故障或可能问题进而发出的开关量信号(跳闸信号)。

图9 模拟电气主接线图

变压器保护装置接收的实时数字仿真器发出的实时模拟量信号包括电压和电流，电压是变压器低压侧出口处的三相交流电压，电流分别是高压侧、低压I侧、低压II侧的断路器处的三相交流电流。在设计中需要注意CT、PT的变比值以及模型中模拟量输出卡的参数设置。

RTDS的模拟量输出卡最多可输出12路电压或电流值，实际使用9路电流和3路电压。

数字信号传输主要包括RTDS与变压器保护装置之间的“三遥”信息。变压器保护装置有单相跳闸和三相跳闸功能，选用单相跳闸功能，遥控信号包括高压侧断路器A相分闸、高压侧断路器B相分闸、高压侧断路器C相分闸、低压I侧断路器A相分闸、低压I侧断路器B相分闸、低压I侧断路器C相分闸、低压II侧断路器A相分闸、低压II侧断路器B相分闸、、低压II侧断路器C相分闸，共计9个遥控信号。仿真模型中使用RS触发器，当接收到高压侧断路器A相分闸信号时，高压侧断路器三相跳闸。

RTDS的数字量输入卡中最多可接收64路数字量信号。实际使用9路数字信号。

5 结语

本文从测试变压器保护装置性能指标能否满足实际要求的角度出发，在RTDS平台上搭建了模拟电网模型，并对变压器空投、区内外金属性故障、发展性故障、调整变压器分接头、永久性故障、电流互感器断线、电流互感器饱和、电压互感器断线、系统频率偏移等多种运行工况进行仿真模拟。利用RTDS提供与外部设备进行交换数据的多种输入、输出模块建立变压器保护装置的测试接口，实现了对变压器保护装置的闭环测试。本文所述的变压器保护装置闭环检测内容基本涵盖了现场可能发生的异常工况，真实反映了变压器保护装置在异常工况中的动作情况。