基于站域信息共享的和應涌流識別判據

王晶 齊巖 湯炳章 張軍

（1.國網湖北省電力有限公司直流運檢公司 2.南京南瑞繼保電氣有限公司）

0 引言

目前我國電力系統正在朝著特高壓大容量的方向持續發展，使得整個電網的結構得到優化和提升，同時電力系統的規模逐步擴大，結構交錯復雜，系統運行的穩定性尤為重要［1－2］。而電力變壓器作為電力系統中最重要的電力設備之一，承擔著樞紐作用，它的安全穩定運行直接關系到整個電力系統的穩定性。勵磁涌流一直是變壓器保護研究中的熱點話題，而和應涌流常常由于其發生的隱蔽性而沒有得到足夠的重視。實際上，國內外很多電廠和變電站都出現過由于變壓器空載合閘導致與它并聯或者級聯的變壓器產生和應涌流，引發主保護誤動的事件發生［3－5］，有時還可能引起上級線路的后備保護和過流保護發生誤動，嚴重影響整個系統的安全穩定運行。變壓器和應涌流的識別方法大多數采用的是與勵磁涌流相同的方法，但這些方法在應對和應涌流時存在諸如兩者波形特點存在差異，對差動保護造成的誤動原因各不相同等局限［6］，對保護正確動作帶來干擾。

傳統的保護整定僅僅是對所采集的本單元的電氣量以及有限的狀態變量進行分析，而不能對電網的整體運行狀態及信息進行利用，為了獲取更多的故障信息和改進保護的性能，提出了站域保護的概念。本文研究重點在于充分利用站域信息的共享和交互，根據基爾霍夫定律，獲取故障支路與其他相連支路之間的電氣量信息，對和應涌流進行有效識別。

1 和應涌流的產生、特征及其對保護影響

和應涌流的產生一般分為兩種方式。其一，兩臺變壓器并聯運行，其中一臺變壓器處于正常運行的狀態，而與它并聯的另一臺變壓器空載合閘投入運行，此時便會導致與它相連的正常運行的變壓器受到影響，產生和應涌流［7－9］，如圖1所示是兩臺變壓器并聯運行時的接線圖。具體操作為：當第一臺變壓器T1正常運行時，斷路器QF在某個時刻合閘使得變壓器T2不帶任何負載投入運行中，此時T2中會產生大量的勵磁電流，而變壓器T1受到T2的影響會產生和應涌流。

圖1 并聯型和應涌流接線圖

第二種方式為兩臺變壓器級聯運行［10］，等效的系統接線圖如圖2所示。

圖2 級聯型和應涌流的系統接線圖

在此連接方式下，當靠近系統側的變壓器T1處于正常運行狀態時，靠近系統側末端的變壓器T2在斷路器QF閉合時空載投入，此時變壓器T1內部將產生和應涌流的現象，產生機理與并聯型和應涌流類似，不再贅述。

和應涌流具有以下典型特征［11－12］：

1）和應涌流總是在空載合閘產生的勵磁涌流作用一段時間后才會出現，在幾個周波后迅速達到最大值，且和應涌流中二次諧波含量隨涌流的衰減而增大；

2）勵磁涌流與和應涌流交替出現，位于時間軸的不同兩側、沒有重疊的部分；

3）和應涌流的產生是由于運行中的變壓器與空載合閘變壓器磁鏈的相互作用而生成的，勵磁涌流會由于和應涌流的出現降低衰減速度，同時和應涌流的作用時間也會變長，導致勵磁涌流與和應涌流雙重作用時間變長，造成危害性增加。

和應涌流總是在另一臺變壓器空載合閘之后的幾百毫秒甚至幾秒才出現，時間上的差距導致和應涌流隱蔽性較強，不容易引起工作人員的注意。正是由于這個特性容易將本由和應涌流引起的誤動事故誤判定為普通誤動事故，為電網穩定運行埋下了極大的安全隱患。目前針對和應涌流的識別方法大多與勵磁涌流相同，但兩者在波形上的差異以及導致差動保護出現誤動現象的原因不同等因素，會引起判據的失效。同時識別勵磁涌流的判據主要是針對空載合閘的那臺變壓器勵磁涌流波形等電氣信息特征進行識別，而和應涌流的產生則涉及到多臺變壓器，若將站域信息有效地加以利用，則更有利于和應涌流的快速識別。

2 基于站域信息共享的和應涌流識別方法

2.1 站域保護

站域保護是建立在ICE61850標準之上［13］，可以通過快速的通信網絡來獲得智能變電站內所有設備的電氣量、非電氣量等信息，綜合利用這些信息能夠對變電站內出現的異常情況進行快速的診斷處理，同時可以將智能變電站的保護控制系統集中在一起快速完成各種保護的功能。

根據國家電網公司的相關標準，繼電保護設備要能夠及時獲得電壓電流值（SV）報文以及各類通用對象面對智能變電站事件（GOOSE）報文中所包含的開關量信息以及斷路器開合信息等［14－15］。圖3為站域信息共享之后的保護系統結構簡圖。

圖3 站域保護的系統結構圖

在間隔層中配置了兩套完全一樣的保護系統，互相之間為備用，提高了系統的可靠性，能夠對變電站內的故障具有快速定位、決策制定和數據收集等功能，在變電站內構建統一的通信網絡，除了保護設備之外的其他設備信息都能夠從此通信網絡中獲取，真正實現了站域信息的共享。

相比于傳統的繼電保護系統，站域保護的提出能夠對全站的各類信息進行采集，對站內數據實現實時共享，由于能夠獲得整個變電站的故障信息，所以保護的計算精度得到了大幅提高，也能夠實現快速定位故障和作出決策，保證系統能夠穩定運行。

2.2 基波幅值變化率識別法

根據站域保護的系統結構圖，由于站域保護具有信息共享的優勢，本文充分利用獲取的全站電流量信息進行觀測，首先根據異常電流大致定位故障發生的位置；其次通過獲取各個支路開關量的信息，具體定位出現和應涌流的位置；最后再根據差動電流進行和應涌流的識別。通過對和應涌流、勵磁涌流和區內故障時的波形在二次諧波、幅值、波形特征等進行分析可以發現，和應涌流的產生可被細分為兩個階段：暫態電流幅值增大的階段和穩定電流幅值衰減的階段。通過對三種工況下電流波形的頻譜進行分析能夠發現明顯的區別。對于和應涌流而言，它的基波分量是先逐漸增加后又出現下降的趨勢；對于空載合閘產生的勵磁涌流，其對應的基波分量保持持續下降的趨勢；當變壓器區內發生故障時，差動電流中含有較大的非周期分量，但是差流被分解后的基波分量卻近似保持不變。

對上述規律進行總結發現，可通過對變壓器中差動電流的基波分量變化趨勢來識別和應涌流［16］。定義差動電流的基波分量的幅值增量為S（n）：

式中，Id（n）、Id（n－1）分別表示的是第n個點、第n－1個點所對應的差流基波的幅值。

S（n）反映了差流基波分量幅值的變化趨勢，對于和應涌流，當波形處于暫態幅值增大的階段時S（n）＞0，當波形處于穩定衰減階段時S（n）＜0；對于空載合閘產生的勵磁涌流，勵磁涌流對應的基波分量幅值變化滿足S（n）＜0；對于變壓器區內故障產生的差動電流，它對應的基波分量變化滿足S（n）≈0。

3 仿真分析

利用電力系統電磁暫態仿真軟件PSCAD／EMTDC搭建智能變電站站域保護模型，本文以并聯型和應涌流為例，搭建仿真模型如圖4所示。主要參數為：變電站的供電電壓E＝220kV，整個變電站的頻率為50Hz。在本文的仿真中變壓器均選用的是等效磁路模型（UMEC），因為UMEC型的變壓器模型兼顧了同相繞組間的磁耦合關系以及鐵心材料的磁滯效應等因素，并充分考慮了鐵心的幾何結構，適合對變壓器的飽和特性進行研究。變電站內變壓器的容量均為100MVA，一、二次側額定電壓比均為220／115kV。以母線1連接的兩臺變壓器為例，正常運行的第一臺變壓器采用Y／Y接線，空載投入的第二臺變壓器采用的是Y／△接線，仿真時長均設置為0.5s，采樣頻率都為4 kHz，仿真結果波形采用標幺值以A相電流為例顯示。

圖4 和應涌流仿真圖

基于站域保護信息共享的優勢，本文通過構造綜合判據來有效識別和應涌流，以母線1連接變壓器T1空載合閘導致變壓器T2出現和應涌流為例。

1）首先通過對整個變電站的電氣信息進行采集和實時監測，判斷何處的差動電流出現異常，對異常情況進行大致定位，例如本文定位到母線1處；

2）其次通過獲取的變電站的開關量信息進行和應涌流的初步判斷，例如此時斷路器1、3、4正常工作，而檢測到斷路器2斷開，大致可以判斷為變壓器T1空載合閘對變壓器T2產生影響，此時還將利用對端的電流數據信息進行檢測，閉鎖大差保護來防止誤動；

3）最后結合本文提出的基波幅值變換率的方法，根據差流判定是否為和應涌流，具體仿真算例如下。

算例1：和應涌流

變壓器T2持續正常運行，變壓器三相鐵心剩磁均為0，以A相為例仿真結果如圖5～圖6所示。

圖5 和應涌流波形

圖6 和應涌流基波幅值

根據前面所述的電流及開關量信息，并且結合圖6和應涌流的基波幅值在最初始時刻呈現幅值上升的趨勢，能夠迅速識別出和應涌流，促使保護閉鎖，防止誤動情況的出現，影響系統的穩定性。

算例2：單向典型涌流

在t＝0.1 s，變壓器T1空載合閘，A相初相角為0°，變壓器三相鐵心剩磁均為0，結果如圖7－圖8所示。

圖7 勵磁涌流波形

根據前面所述的電流及開關量信息，以及圖8所示的勵磁涌流基波幅值圖，在0.1s空載合閘出現勵磁涌流波形時，對應的基波幅值在合閘之后就呈現持續下降的趨勢，即 S( n)＜0，此時可判斷為變壓器空投的工況產生勵磁涌流，閉鎖保護，有效防止誤動情況的出現。

圖8 勵磁涌流基波幅值

算例3：區內單相接地故障

在t＝0.1 s，變壓器T1的Y側出口發生A相接地故障，A相差流波形如圖9～圖10所示。

圖9 A相接地故障時的差流波形

圖10 A相差動電流基波幅值

根據前面所述的電流及開關量信息并結合圖9～圖10，在t＝0.1 s時，變壓器一次側出口發生A相接地故障，此時差動電流對應的基波幅值基本保持不變S( n)≈0，運用本文的綜合判據，能夠迅速識別出故障，保護能正確動作并快速可靠地切除故障。

4 結束語

本文通過搭建站域保護系統，能夠實時獲取全變電站的電流、開關量等各類電氣信息，通過對這些電氣信息以及和應涌流波形特征的綜合分析，提出了基于站域信息共享的和應涌流識別方法，該方法能夠解決由于和應涌流引起的差動保護誤動行為，并能夠對站內的各類電氣信息進行實時監控。通過Pscad仿真算例對判據的有效性進行驗證，結果表明運用本文的判據能夠正確識別出和應涌流、勵磁涌流和區內故障，對發生和應涌流和勵磁涌流的工況能夠可靠閉鎖，從而避免保護誤動，保證供電系統的安全穩定運行。