基于PSCAD/EMTDC的變壓器保護建模仿真

趙瑜杰

(西南交通大學電氣工程學院，四川 成都 610031)

1 引言

繼電保護裝置能反應電氣設備的故障和不正常工作狀態并自動迅速地、有選擇地動作于斷路器將故障設備從系統中切除，保證不故障設備繼續正常運行，將事故限制在最小范圍，提高系統運行的可靠性，最大限度地保證向用戶安全、連續供電。為了保證保護的可靠性，需要對發生故障時繼電保護裝置的動作情況進行測試研究。目前常規的保護測試方法分為三種:基于動模系統的測試方法、基于RTDS的測試方法、基于測試儀的方法。這三種方法的區別在于提供給保護裝置的“故障信息”來源不同，對一次系統和故障的模擬方法和特性也不同。前兩種方法具有較好的效果，但投資大、占用面積大，不易實現;后一種方法投資小、實現方便，但屬于靜態測試，不能反映暫態響應情況[1]。更重要的是，在這三種測試方法中，對于微機保護裝置的掌握和評價只是取決于它最后給出的結果，對其內部各環節的響應過程無從知道。微機保護裝置類似于黑盒，如果只觀察其輸入輸出情況，在某些故障情況下保護發生不正確動作，也將無法分析其原因。隨著計算機的發展，將仿真技術應用于繼電保護領域成為必然的趨勢。建立模型是仿真的必要前提，因此對繼電保護裝置的建模有著很高的實際意義。

變壓器對電力系統至關重要，它的安全穩定性直接影響了電力系統的正常運行。變壓器造價昂貴，一旦因為內部絕緣失效發生故障，會產生超越額定電流數倍的短路故障電流，需要保護裝置立刻跳閘保護變壓器。變壓器主保護一般采用差動保護，內部故障電流識別與勵磁涌流識別是變壓器保護的重點，本文使用PSCAD建立仿真模型，利用自定義元件功能建立了變壓器主保護各個元件，并使用FORTRAN語言編寫了保護算法，由建模仿真結果分析了各種故障情況下保護的動作情況。

2 建模

利用PSCAD/EMTDC軟件對電力系統進行仿真研究，首先要在PSCAD圖形界面上選取元件庫中的適當元件模塊搭建系統模型，并對照實際物理系統設置模型元件中對應的參數。整個建模以某條500kV交流輸電線路為基礎，采用PSCAD中的頻率決定參數(相位)模型(Frequency－Dependent(Phase)model)，該模型考慮了內部轉換矩陣，在相位范圍內直接求解換位問題，可精確模擬所有結構的傳輸線，包括不平衡幾何結構的線路。根據實際線路參數設置線路模型，主要設置基頻、線路長度、桿塔參數、導線參數等。在變壓器主保護中，主要有差動電流速斷、比率差動、二次諧波含量閉鎖、差流越限等功能，在PSCAD中自帶有一部分保護元件模型，但是其模塊功能簡單，保護算法單一，且難以實現保護內部復雜的邏輯與時限關系，所以采用自定義模塊軟件編程的形式來實現。

圖1 PSCAD線路模型

首先，使用PSCAD自定義模塊功能，建立各個功能元件模塊，主要為差動速斷模塊、比率差動模塊、二次諧波含量計算模塊、差流越限告警模塊、延時模塊等。保護的投入控制功能由邏輯輸入輸出元件實現，主要為軟硬壓板、縱差開關、二次諧波制動開關，多個開關與保護元件輸出經過邏輯配合最終形成保護出口。

3 保護算法

當前，微機保護在我國已經成為繼電保護的主要形式，在電力系統中大部分已采用了微機保護。微機保護裝置的軟件是由數字濾波器、保護算法、保護邏輯三類程序組成。本文主要使用FORTRAN語言，在自定義元件中編程，完成保護算法的編寫。微機保護中，模擬電壓和電流輸入信號經過離散采樣和模數變換后，計算機將這些數字信號進行分析、運算、判斷，以實現各種繼電保護功能的方法，稱為保護算法[2]。

本文采用全周波傅氏算法對輸入信號進行采樣和變換。全周波傅氏算法是目前電力系統微機繼電保護中被廣泛采用的算法。用它可以精確計算信號基波和各次諧波的幅值與相位。

非正弦周期函數可以用傅里葉分解為直流分量和整數倍諧波分量之和的形式:

由傅里葉分解可得:

用梯形法對離散采樣點進行處理轉換:

N為采樣點個數，K為第K個采樣點，n為諧波次數。由以上可得出n次諧波的電氣量。幅值和相角為:

本文中采樣頻率設置為4kHz即每周波采集80個點計算，N=80。采用FORTRAN語言對各個功能模塊進行編程。

差動保護是用于反映變壓器繞組和引線的相間短路的主保護，由于變壓器在結構和運行上的一些特點，即在保護范圍內無故障時，也有較大的不平衡電流流過兩側繼電器，因此必須設法減小不平衡電流的影響，才能使變壓器差動保護正常工作。影響不平衡電流大小的原因有很多，主要為勵磁涌流、有載調壓、兩側差動TA誤差等影響[3]。本文主要討論實現勵磁涌流對不平衡電流影響的情況。變壓器微機保護多采用比率差動與二次諧波制動躲過不平衡電流的影響。

比率差動保護的動作判據如下:

式中:ICD為差動保護電流定值;Idz為差動電流;Izd為制動電流;Kb1為第I段折線的斜率;Kb2為第II段折線的斜率;Kb3為第III段折線的斜率。程序中按相判別，任一相滿足以上條件時，比率差動保護動作。本文采用差動電流和制動電流的計算方法如下:

式中:Idz為差動電流;Izd為制動電流;為所有側相電流之和;為所有側中最大的相電流;為其他側(除最大相電流側)相電流之和。

圖2 比率差動折線

二次諧波閉鎖原理:采用三相差動電流中二次諧波與基波的比值作為勵磁涌流閉鎖判據:

式中:Idφ2為差動電流中的二次諧波分量;Kxb.2為二次諧波制動系數定值;Idφ為差動電流的基波分量。采用“或門”閉鎖方式:任一相差流的二次諧波含量大于閉鎖定值即閉鎖三相差動保護。

根據上述保護算法和保護原理在自定義元件中編寫保護程序，并經過邏輯整合為主保護邏輯圖。

4 仿真驗證

4.1 空載合閘勵磁涌流制動

用上述算法與保護動作方程編寫二次諧波閉鎖元件，空載合閘模型與典型勵磁涌流波形如下:

圖3 空載合閘模型

變壓器額定電流計算值為7530A，勵磁涌流約為5倍額定電流，并且迅速衰減，符合理論分析值。

圖4 勵磁涌流波形及閉鎖信號

經過二次諧波閉鎖模塊進行全周波傅里葉計算，提取出基波與二次諧波幅值，經動作方程計算(此處二次諧波閉鎖定值設為15%)，在空載合閘時發出閉鎖信號，防止保護誤動。

4.2 外部故障恢復涌流

此處考慮外部線路發生單相接地故障，發生時間為1s，持續時間0.02s，故障切除恢復后產生涌流，經諧波模塊計算，在此后4個周期二次諧波超限，為防止差動保護誤動，發出保護閉鎖信號。

圖5 故障模塊

圖6 故障時間

圖7 故障電流波形和諧波含量制動

4.3 內部故障

[4]得出的方法，建立變壓器內部故障仿真模型，由兩個單相雙繞組變壓器和一個單相三繞組變壓組成，考慮A相發生匝間和匝地故障，其他兩相沒有故障。

圖中BK1和BK2為控制開關，不同的故障情況根據合閘不同的開關來實現。對于變壓器內部故障仿真，發生短路的平均位置不同，短路電流不同，短路匝位于兩端時短路電流最小，位于中間位置時短路電流最大[4]，所以本文考慮短路位于繞組兩端位置。

圖8 變壓器內部故障

圖9 內部故障波形及差動信號

故障發生后，差動動作電流經過比率制動動作方程計算，正確發出動作信號。

5 總結

經過上述建模仿真過程，在各種故障情況下，采用FORTRAN語言編寫的保護元件能按設定的動作方程發出閉鎖或保護出口信號，驗證了各種保護原理的性能。采用基于PSCAD－EMTDC自定義元件建立保護元件，對于變壓器保護的測試和研究，揭示變壓器各種故障時微機保護裝置內部動作情況有實際意義。

參考文獻

[1]許明.繼電保護數字仿真建模方法與系統開發[D].山東大學，2009.

[2]周武仲.繼電保護自動裝置及二次回路應用基礎[M].中國電力出版社，2013:61－62.

[3]江蘇省電力公司.電力系統繼電保護原理與實用技術[M].中國電力出版社，2006:419.

[4]黃詠容，李群湛，郝文斌，等.基于EMTDC的三相變壓器勵磁涌流和內部故障仿真[J].繼電器，2007(1):26－30.