小型化模拟带负荷校验的继电保护试验装置研究

黄炜， 彭生江， 张四江， 高峰， 朱转军， 贺延峰

(1.甘肃省电力公司, 建设分公司，甘肃，兰州 730000；2.甘肃送变电工程有限公司，甘肃，兰州 730000)

0 引言

目前，大电流发生器是变电站启动送电前对CT一次与二次变比和极性校验最常用的设备之一，普遍使用的大电流发生器是单相输出，由接触式自耦变压器+降压变压器(升流器)，通过调压器输出电压对升流器输入端进行调压，从而调节控制其输出电流的大小。在使用时，设备对大电流持续输出时间不能超出10 s，否则可能会因自耦变压器的碳刷因承受不了太大电流而导致调压器绕组损坏，包括碳刷触点下的相邻线圈匝间也会因长时间发热而导致匝间出现短路，无法保证试验的正常进行。

针对上述技术的不足，现有技术也进行了相关技术研究。其中文献[1]介绍的采用一种基于同步触发加压通流技术的试验装置，该技术方案包括一路 300 A电流源，一路三相 10 kV 电压源，通过单台设备独立使用，不同设备之间通过光纤信号同步控制，但该技术方案无法通过双路输出采用的同源同频移相输出技术。文献[2]介绍的变压器差动保护二次接线回路正确性校验方法是在主变高压侧施加 100—500 V 的三相交流电压，然后根据主变差动保护回路中是否有差动电流产生，但校验能力差。

针对上述技术的不足，本研究提出一种新型的小型化模拟带负荷校验的继电保护试验装置，能够有效地克服上述技术存在的不足。

1 关键技术设计

1.1 模拟带负荷计量性能校验方法

采用新型FFT合并单元实现模拟带负荷校验，实现该方法的硬件结构包括电源、同步信号产生装置、异种信息转换单元、PCI 6733数据采集卡以及PCI 4472数据采集卡、信号变换模块和控制终端[1]等组成，其逻辑架构示意图见图1。

图1 模拟带负荷计量性能校验方法硬件结构

在硬件结构中，通过控制终端输出波形数据信息，数据采集卡采集输出的波形数据，通过功率转换实现数据输出，信息变换单元实现数据的变换。信号变换模块通过与PCI 6733数据采集卡以及PCI 4472数据采集卡相连接，实现不同数据信息的转换[2]。其中信息变换模块和时间序列转换单元分别实现不同信息的变换。信息变换模块通过单片机微处理器实现数据的控制功能，通过有线或者无线通信实现不同数据信号的通信。在具体实例中，电源向不同的数据模块提供正常工作电压，通过同步信号产生装置产生数据同步信号，通过异种信息转换单元实现不同类型数据的转换，通过PCI 6733、PCI 4472数据采集卡实现不同类型数据的转换，其中信号变换模块实现多种数据的变换，其中控制终端控制各个部分的工作[3]。在数据通信中，通过IEC 61850-9-2LE协议实现数据传递，最终不同的数据信息被传递到控制终端，实现最终数据的交互。在终端位置处，通过数据标准信息库中设置的标准数据，实现模拟带负荷计量性能校验，进而实现继电保护模块的功能校验。

为了提高模拟带负荷计量性能校验功能，采用加Hanning窗的单谱线插值FFT算法[4]实现功能校验。假设采集到的继电保护试验装置输出的单一频率谐波信号用以下函数表示，则有：

xma(t)=Amcos(2πfmt+φm)

(1)

式(1)表示模拟带负荷计量数据输出信息，对获取的模拟带负荷计量数据信息进行采集，采集到的数据序列记作为xma(t)，采集到数据频率用fs来表示，Am表示幅值，其中模拟带负荷计量数据信息的采样点数记作为N，φm表示相位角，则存在以下关系式：

(2)

式(2)表示对输入的模拟带负荷计量数据输出信息进行插值修正后的输出函数，即单谱线插值表达式，在应用式(2)计算的过程中，还存在以下应用情况，即当fm与fs/N不存在整数倍[5]的情况下，本研究引入频率fm以及与fm对应的数据最大谱线值km，为了更清楚地表示，则通过数据关系式可以表示为

(3)

然后对输入的模拟带负荷计量数据信号xma(n)进行加Hanning窗计算，最终输出的FFT可以得出：

(4)

式(4)表示对输入的模拟带负荷计量数据信息进行加窗后的计算结果，通过这种方式降低了常规FFT算法应用过程中的频谱泄漏误差[6]，从而提高了模拟带负荷计量性能校验效率。

1.2 继电器保护方法

继电器在运行过程中，如何实现保护是本研究中的重点项目。通过构建数学模型的方式实现继电器保护计算[7]，假设继电保护的性能计算通过构建不同目标参数进行，则构建出的数学模型为

δijfsel(t)+εijfload(t)]}

(5)

式中，M表示继电器保护程度的目标函数，k表示介于1.0～3.5的常数，I表示在模拟带负荷校验继电保护系统中待保护的继电器数目，J表示对继电器实施保护的选定继电器数目，tij表示保护第i个继电器时第j时间下的时间，αi表示为在对继电器进行保护时间影响继电器安装稳定性的权重因子，f(t)表示关于时间的函数，βij表示对级差约束函数的权重因子，xij表示灵敏度约束函数的权重因子，δij表示选择性约束函数的权重因子，εij表示负荷约束的权重因子。通过上述公式能够对继电器保护程度进行评价[8]。

由于继电器在运行过程中容易受多种外界环境因素的影响，尤其是在强电场合下的电网结构中容易出现拒动、误动等多种因素的影响，这就使继电器在工作过程中容易造成潜在危害。这就要使继电器保护时的选择性约束条件得到充分满足，因此选择性约束的参数在选取时就需要考虑多种因素[9]。下面对影响继电器保护的因素进行描述。

假设在所评价的i个总继电器中存在ni个电路回路，继电器工作过程中存在的电网电路为li条，则继电器所安装的环境中存在的电网脆弱性系数用ni表示，则选择性约束函数的权重因子δij与灵敏度约束函数的权重因子xij之间的关系式可以为

(6)

式中，通过将电网电路数与电网脆弱性系数形成函数关系，能够表示出继电器工作过程中影响因子。

(7)

式(7)表示电网电路数与电网脆弱性系数形成函数关系后，影响继电器工作的平均影响因子。下面对多种影响因素进行粗度处理后的函数进行构建。定义

(8)

式中，c1为介于1.2～5.3的常数，根据用户经验值进行选择。通过对继电器运行中多种影响因素进行粗度处理后，可以划分成多种不同的数据等级，然后再对其权重进行统计、计算，以计算出对继电器运行造成较大影响的因素。对选择性约束函数的权重因子定义为

(9)

式中，c2为介于1.5～3.2的常数。为了提高继电器保护的能力，极差约束能力小于选择性约束能力。

在具体计算时，可以令βij为0，存在潮流约束比较大时，则有εij=0。

在继电器工作的时间函数中还存在以下函数：

f(t)=Δt

(10)

f(t)=Δt

(11)

式(10)为不满足约束条件时的函数关系式，式(11)为满足约束条件时的函数关系式。

2 试验结果与分析

在试验时，按以下结构搭接试验架构：将大功率电子式三相双路输出电源、三相大电流转换输出装置、三相电压转换输出装置、高精度无线相位伏安测试仪、无线叉口式电流钳(3只一组/共9只)等构成电子式三相通流模拟带负荷极性校验检测成套装置，在试验室环境实现对变电站三相通流、加压及模拟带负荷进行保护系统接线检测。试验流程示意图如图2所示。

在验证校验方法时，启动LabVIEW平台，利用常规FFT算法与本研究的方法进行对比、仿真和计算，在误差计算方法上进行对比分析。利用人工方法实现校验功能，波形的生成利用LabVIEW自带的能生成正弦波形的子程序，通过启动输出。分别从3种不同的方式上进行对比分析。其中在不同谐波下的幅值情况下，输出信号如表1所示。

表1 试验参数设置

输出的差值计算如表2所示。

表2 无谐波环境下的差值计算

谐波存在下的差值计算如表3所示。

表3 谐波存在下的差值计算

通过表1～表3可以看出，在进行模拟带负荷校验继电保护时，线路中存在谐波时，在使用常规FFT算法的情况下，系统误差比较明显，使用本研究的方法时间则小于常规FFT算法[10]，将二者方法通过曲线对比示意图进行显示则如图3所示。

图3 负荷预测均方根误差曲线示意图

通过400 min的测量，本研究的工作误差均低于0.2%，精度明显高于传统设备常规FFT算法测试的方法。

下面再进行模拟带负荷试验。在该试验中，通入正常电压、电流至预定值后进行模拟带负荷试验，在保护装置、电度表、测控装置、故障录波器等安装处测量被试间隔二次电流的幅值和相位值，如实记录，与计算值对比，如有怀疑，应停止通流并分析原因，处理后再继续工作；电流大小满足装置精度要求时可以以装置内读数代替测量。备用组 TA 二次电流相位测试若无参考电压时，可以利用同一 TA 其他绕组电流为参考测相位或端子箱内市电为参考电压测相位。检查 TA、TV 二次回路幅值、相位测试。电流幅值、相位测试一般情况下以 A 相电压为参考电压，在各 TA 二次回路进行 TA 电流幅值、相位的读取，并在保护装置上进行采样值读取。

将文献[1]、文献[2]和本研究的方法在测量的准确度上进行比较分析。不同方法的预测准确性分析示意图如图4所示。

图4 不同方法的预测准确性分析

通过图4可以看出，本研究的方法接线率较高，优化了变电站的启动投产模式，通过事先的一次三相加压和一次三相通流试验，确保变电站内系统的TV、TA的二次回路变比、极性、相序、相位正确，减少了调试工作对系统稳定的影响，有效地避免了带负荷校验保护和计量回路极性错误，解决了目前采用传统式的电工式单相大电流发生器只能逐相对单相回路电流互感器变比、极性进行检测，无法将差回路进行检测的不足。

3 总结

本研究针对现有技术模拟带负荷校验继电保护不佳的问题，提出了新型的模拟带负荷计量性能校验方法，该方法能够提高模拟带负荷计量性能校验功能，也满足装置的三相电流转换装置直接对母线通流、三相电压转换装置对一次加压的试验要求。但是仍旧存在一些问题，比如对高阻抗变压器进行测试时，还需要注意：一是提高相位表侧测量精度;二是采用低频对变压器加压以提高二次电流的幅值，相位表调整为带有频率跟踪或选频测量方式解决差动回路的六角图测试难题。