1、電力系統(tǒng)變壓器微機保護的研究楊合乾（專業(yè)：電氣工程及其自動化本科 班級：08級6班 學號：0612080453(30)）摘要 :電力變壓器是電力系統(tǒng)中及其重要的設(shè)備，因此，變壓器微機保護自從出現(xiàn)以來，不斷經(jīng)過人們的改進和發(fā)展，現(xiàn)以其獨特的優(yōu)勢在電力系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用。而當微機保護理論與實際應(yīng)用相結(jié)合時，依然存在著各式各樣的問題。本文針對變壓器微機保護現(xiàn)存的一些問題，主要對以下幾個方面進行了研究分析。首先，在深入了解變壓器差動保護原理的基礎(chǔ)上，對不平衡電流產(chǎn)生的原因和解決方法，以及電流互感器(CT)飽和對差動保護的影響進行理論和仿真分析，尤其是對剩磁對CT飽和的影響做了進一步的研究，得出剩磁的大小

2、與CT的飽和時間成反比，而飽和時間的增大對變壓器保護是有利的，應(yīng)采取措施減少剩磁的影響，并進行了仿真驗證。其次，綜合分析比較了目前勵磁涌流與內(nèi)部故障電流鑒別原理的優(yōu)點和不足，在參考相關(guān)文獻的基礎(chǔ)上，提出一種新的基于瞬時無功功率理論的勵磁涌流鑒別方法，該方法與以往基于僅D0坐標系的瞬時無功功率鑒別方法不同，采用基于dq0坐標系下的廣義瞬時無功功率理論來進行判斷，更具有實用性。并通過MATLAB建立了仿真系統(tǒng)模型，對變壓器發(fā)生勵磁涌流時與發(fā)生內(nèi)部故障時，以及空投于內(nèi)部故障時做了大量的仿真分析，仿真結(jié)果證明，該方法可有效區(qū)分勵磁涌流與內(nèi)部故障，但對輕微匝間短路的區(qū)分不是很明顯，成為下一步研究的重點。

3、另外，針對目前傅氏改進算法中實虛部混亂問題，在給出了輸入信號不同時正確的傅氏表達式的基礎(chǔ)上，對幾種典型的改進算法進行修正，并通過仿真算例驗證對這幾種改進算法做綜合性能比較，指出了它們的優(yōu)缺點和使用范圍，為在不同場合的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。最后，順應(yīng)目前微機保護發(fā)展對軟、硬件系統(tǒng)要求的主流趨勢，給出一種基于雙DSP結(jié)構(gòu)的微機保護軟、硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案，并對其中主要的硬件電路和軟 件程序流程圖進行了設(shè)計和詳細的分析介紹。 關(guān)鍵詞：變壓器；微機保護；電流互感器飽和；勵磁涌流；傅氏算法The power system of transformer computer protection systemYan

4、g he qian(Major：Electric Engineering and Automation graduateGrade and Class: Grade 08 Class 6Student Number: 0612080453)Abstract：The power transformer is a very important equipment in power system，SO，ever since the microcomputer protection of transformer came along，it has been improved and developed

5、 continuously by people，and now it has been widely used in the power system with its unique advantageBut when the theory of microcomputer protection is combined with practice，there are questions and questions still existThe article concentrates on these questions，mainly analyze and study the followi

6、ng aspectsIn the first place，on the basis of the theory of transformer differential protectionindepth understanding，emulate and analyze the cause of unbalance current and solutions。as well as the current transformer(CT)saturation influence on the transformer differential protection，especially study

7、further about the remnant magnetism influence on the CT saturationThe result shows that the remnant magnetism is directly proportional to the time of CT saturation，and increase of the time of CT saturation is good for transformer differential protectionSo it should take measures to reduce the influe

8、nce of the remnant magnetism，besides，emulate and In the next place，comprehensive analyze and compare the currently in rushent and internal fault current identification principle is strengths and weaknesseshe basis of some correlated reference，propose a new inrush current identification hold based on

9、 the theory of instantaneous reactive power，it is not same as thrational identification method which adopt the theory of instantaneous reactiveer based on the ado coordinate system，but adopt the theory of instantaneoustive power based on the dq0 coordinate system to identify it is much moreticabilit

10、yThe emulate system model is builded by the use of MATLAB，and make of simulation and analysis when the transformer in different circumstances，such rush currentinternal fault current，and the internal fault of transformer when singThe result of simulation shows that this method Call make a valid rimin

11、ation between the currently inrush current and internal fault currentBut it is conspicuous to identify when the transformer occur slight turntoturn fault，SO it comes the most important study point in the next workIn addition，there are some questions about fourier improved algorithm confuse real part

12、 with the imaginary partSo，in the article，on the basis of deduce the right verify itfourier expression，to amend some typical improved fourier algorithm，and compare these algorithm performance comprehensively through the simulation，point out their strengths and weaknesses and the scope of application

13、，it can offer some theore ticalin struction for the distinct occasionsAt last，in order to catch up with the trend of the microcomputer protection，meet its requirement for software and hardware，there gives a software and hardware of microcomputer protection program based on the dual DSP structure，des

14、ign and introduce the main hardware circuit and software flow diagram in detailKey words：Transformer；Microcomputer protection；Inrush current；Current transformer saturation；Fourier algorithm 引言電力變壓器作為聯(lián)系不同電壓等級網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備，是電力系統(tǒng)中極其重要的組成部分，它在電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電、配電等各個環(huán)節(jié)中被廣泛使用。隨著近些年來，電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴大，電壓等級的提高，增加了很多大容量的變壓器，因而它的

15、安全運行與否，是整個電力系統(tǒng)能否連續(xù)穩(wěn)定工作的關(guān)鍵，也是電力系統(tǒng)可靠工作的必要條件。而且電力變壓器本身造價昂貴，一旦發(fā)生故障而遭到破壞，將給維修帶來很大困難，造成大的經(jīng)濟損失。因此，必須根據(jù)變壓器的容量和重要程度，并考慮到可能發(fā)生的各種故障類型和不正常運行狀態(tài)，來裝設(shè)性能良好、工作可靠的繼電保護裝置。分析電力變壓器的故障，可分為短路故障和不正常運行狀態(tài)兩種，而變壓器的短路故障，又可按發(fā)生在變壓器的內(nèi)外部情況分為內(nèi)部故障和外部故障。變壓器的內(nèi)部故障主要是指各相繞組之間發(fā)生的相間短路、繞組的線匝之間發(fā)生的匝間短路、繞組或引出線通過外殼發(fā)生的接地短路故障等。變壓器的外部故障主要是指外部絕緣套管和引出

16、線上發(fā)生相間短路和直接接地短路故障。變壓器的不正常運行狀態(tài)主要有：由于外部相間短路引起的過電流和外部接地短路引起的過電流和中性點過電壓；由于負荷超過額定容量引起的過負荷以及由于漏油造成的油面降低；由于外加電壓過高或頻率降低引起的過勵磁；變壓器油溫升高和冷卻系統(tǒng)故障等。根據(jù)上述故障類型和不正常運行狀態(tài)，依DL40091繼電保護和安全自動裝置技術(shù)規(guī)范的規(guī)定，變壓器應(yīng)裝設(shè)以下保護：1瓦斯保護對于變壓器油箱內(nèi)的各種故障以及油面的降低，應(yīng)裝設(shè)瓦斯保護，它反應(yīng)于油箱內(nèi)部所產(chǎn)生的氣體或油流而動作，同時也能反映繞組的開焊故障。2縱聯(lián)差動保護或電流速斷保護為反應(yīng)變壓器繞組和引出線的相間短路故障、中性點直接接地側(cè)

17、繞組和引出線的接地短路故障以及繞組匝間短路故障，應(yīng)裝設(shè)縱聯(lián)差動保護或電流速斷保護。保護動作后，跳開變壓器各電源側(cè)的斷路器。3反映外部相間短路的后備保護動作于變壓器的外部故障和作為主保護的后備保護，根據(jù)變壓器的容量和應(yīng)用情況，可分別采用過電流保護、復合電壓起動的過電流保護、負序電流及單相式低電壓起動的過電流保護、阻抗保護。4反映外部接地短路的接地保護對中性點直接接地電力網(wǎng)內(nèi)，由外部接地短路引起過電流時，應(yīng)裝設(shè)零序電流保護。當電力網(wǎng)中部分變壓器中性點接地運行，應(yīng)根據(jù)具體情況，裝設(shè)專用的保護裝置，如零序過電壓保護，中性點裝放電間隙加零序電流保護等。5過負荷保護對04MVA以上的變壓器，當數(shù)臺并列運行

18、，或單獨運行并作為其他負荷的備用電源時，應(yīng)根據(jù)可能過負荷的情況，裝設(shè)過負荷保護。過負荷保護接于一相電流上，并延時作用于信號。6過勵磁保護高壓側(cè)電壓為500kV及以上的變壓器，對頻率降低和電壓升高而引起的變壓器勵磁電流的升高，應(yīng)裝設(shè)過勵磁保護。7非電量保護對變壓器本體和有載調(diào)壓部分的溫度、油箱內(nèi)壓力升高以及冷卻系統(tǒng)的故障，應(yīng)按現(xiàn)行變壓器標準的要求，裝設(shè)可作用于信號或動作于跳閘的裝置。為實現(xiàn)上述保護內(nèi)容的功能，適應(yīng)當今大容量變壓器應(yīng)用的日益增多以及電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)日益復雜化的趨勢，并伴隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，微機繼電保護裝置在高壓電網(wǎng)中得到了廣泛的應(yīng)用，成為目前繼電保護中最重要的保護形式。微機保護相

19、比與傳統(tǒng)的保護裝置，具有更高的可靠性、快速性和靈敏度，可更大限度的保證電力系統(tǒng)和變壓器的安全運行，減少事故的損失。變壓器縱聯(lián)研究差動保護分析縱聯(lián)差動保護作為變壓器的主保護，從問世至今已有近百年的歷史，在繼電保護的發(fā)展過程中有著獨特的地位，至今仍廣泛應(yīng)用于電氣主設(shè)備和線路保護中。而在變壓器中的應(yīng)用主要用來反映變壓器繞組的相間短路故障、繞組的匝間短路故障、中性點接地側(cè)繞組的接地故障以及引出線的相間短路故障、中性點接地側(cè)引出線的接地故障。下面將對變壓器縱聯(lián)差動保護原理和在應(yīng)用中存在的問題進行研究分析。縱聯(lián)差動保護原理縱聯(lián)差動保護的基本工作原理是在繞組變壓器的兩側(cè)均裝設(shè)電流互感器(current tr

20、ansformer，簡稱CT)，其二次側(cè)按循環(huán)電流法接線，即如果兩側(cè)CT的同極性端都朝向母線側(cè)，則將同級性端子相連，并在兩接線之間并聯(lián)接入電流繼電器，通過比較差動回路中兩側(cè)CT二次電流的大小和相位而做出相應(yīng)的動作，其中流入差動回路的電流為被保護變壓器兩側(cè)電流互感器的二次電流。以YIA雙繞組變壓器為例，其差動保護單相原理接線圖如圖2所示。I圖2I雙繞組變壓器差動保護單相原理接線圖其中，變壓器T兩側(cè)電流I1、I2流入變壓器為其電流正方向。當變壓器正常運行或發(fā)生外部短路故障時，有I1+i2=0，若CT變比合理選擇，調(diào)整CT二次回路接線，使變壓器的電源側(cè)和負荷側(cè)的CT二次線電流相位相差1800，則在理

21、想狀態(tài)下有id=i1+i2=0，也就是不平衡電流，此時差動繼電器不動作，i1與i2反相。而當變壓器發(fā)生內(nèi)部短路故障時，則有i1+i2=ik(短路電流)，于是id流過相應(yīng)的短路電流，當電流值達到保護裝置的動作值時，保護裝置將動作，啟動繼電器KD跳閘動作，此時的i1與i2同相位，將故障變壓器從電網(wǎng)中切除，起到保護的作用。由上述分析可以看出，縱聯(lián)差動保護的范圍是電源側(cè)和負荷側(cè)電流互感器之間的電氣部分，即在原理上是只反應(yīng)被保護設(shè)備的內(nèi)部短路電流，對保護區(qū)外故障不會動作，因此差動保護不需要與保護區(qū)外相鄰元件保護在動作值和動作時限上相互配合，所以在區(qū)內(nèi)故障時，可以瞬時動作。長期的運行經(jīng)驗表明差動保護是能靈

22、敏地區(qū)分區(qū)內(nèi)和區(qū)外故障的。而在實際應(yīng)用當中，為了使縱聯(lián)差動保護充分發(fā)揮其應(yīng)有的性能，在接線上應(yīng)注意如下幾個方面：(1)由于變壓器接線的原因，變壓器兩側(cè)電流之間存在相位移動，為保證正常運行或外部短路故障時i1與i2有反相關(guān)系，所以必須進行相位角矯正。(2)即使?jié)M足了外部短路故障時i1與i2的反相關(guān)系，考慮到變壓器兩側(cè)電流互感器變比的不同，為保證外部短路故障時差動繼電器電流盡量小，|i1|應(yīng)與|i2|相等，為此要進行幅值矯正。(3)YN側(cè)保護區(qū)外接地故障時，如圖21中K點接地，零序電流僅在變壓器一側(cè)流通，流過電流互感器CTl，因此，為保證差動保護不動作，i1電流中應(yīng)扣除相應(yīng)的零序電流分量。以上是對

23、雙繞組變壓器差動保護原理的分析，在圖22中示出了三繞組變壓器的差動保護接線圖，對三繞組變壓器來說，差動保護原理與雙繞組差動保護原理相似，在此不再贅述。勵磁涌流鑒別原理變壓器為能量傳輸設(shè)備，通過一次、二次繞組間的磁勢平衡和電磁感應(yīng)關(guān)系來實現(xiàn)能量的傳遞。當變壓器正常運行時，有功損耗總和為鐵損、銅損及一些雜散損耗，都比較小，對于大型變壓器來說，這個數(shù)值會更小，且基本為姆歐損耗。而在勵磁繞組電抗分量的無功部分，則隨著磁通的變化而波動。當變壓器空載投入電網(wǎng)或外部故障切除后電壓恢復時，由于鐵心磁通的飽和及鐵心材料的非線性特征，將產(chǎn)生很大的由無功磁化電流和有功鐵耗電流兩部分組成的勵磁涌流，此時無功電流占主要

24、成分，它對應(yīng)于變壓器與系統(tǒng)之間能量交換的部分，所以積蓄在電抗分量的能量變化很大，而除去銅耗后，流入變壓器的有功功率的增加就相當小了。且這一有功功率損耗從物理本質(zhì)上來說是由鐵芯的反復磁化過程所造成的，其值相對較小，因而三相變壓器發(fā)生勵磁涌流時，兩側(cè)三相差無功功率與三相差有功功率的比值應(yīng)較大。當變壓器發(fā)生內(nèi)部短路故障時，諸如匝間短路、相間短路、匝地短路等，短路故障電流很大，故障點的弧光電阻加上短路部分的繞組電阻可與短路部分的繞組等效電抗相比擬，功率因數(shù)提高，變壓器有功功率消耗增大，無功損耗有所減小，因而此時兩側(cè)三相差無功功率與三相差有功功率的比值應(yīng)較小。為方便討論，令P1、Q1為變壓器一次側(cè)的三相

25、瞬時有功功率和無功功率，P2、Q2為二次側(cè)的三相瞬時有功功率和無功功率，P3、Q3為兩側(cè)瞬時有功功率和無功功率的差值，P0、Q0為兩側(cè)瞬時有功功率和無功功率差值的直流分量，由上述分析可得，P0、Q0可對應(yīng)于變壓器運行在不同狀態(tài)下的內(nèi)部的有功損耗和無功損耗。因此，可通過分析Q0P0的值K，結(jié)合變壓器參數(shù)及運行方式來整定值Kpq，使得在Q0Po=K>Kpq時，判斷為勵磁涌流，反之則為內(nèi)部故障。仿真分析驗證為驗證上述理論分析的正確性，本文利用MATLAB，結(jié)合實際變壓器設(shè)計參數(shù)，進行了相關(guān)的仿真實驗，構(gòu)建的仿真系統(tǒng)如圖所示。變壓器空載合閘產(chǎn)生勵磁涌流時的仿真分析變壓器型側(cè)空載合閘，合閘角為零，

26、合閘時間為002s時，產(chǎn)生的勵磁涌流波形如圖39所示，圖310為變壓器空載合閘產(chǎn)生勵磁涌流時，三相差瞬時有功功率和無功功率的波形。為了分析變壓器在不同合閘角情況下空載合閘時，內(nèi)部功耗的變化情況。本文對此做了大量的仿真，如在表31中示出了在不同合閘角情況下，采樣周期為一周期內(nèi)的三相差瞬時無功功率和有功功率的直流分量比值的變化關(guān)系。由上述仿真分析結(jié)果可以看出，當變壓器空載合閘發(fā)生勵磁涌流時，三相差有功功率波形單周期內(nèi)關(guān)于時間軸對稱，而三相差無功功率波形偏于時間軸一側(cè)為正，瞬時有功功率的直流分量遠小于瞬時無功功率的直流分量，經(jīng)不同合閘角的情況下，多次仿真實驗數(shù)據(jù)表明，Q0P0最值較大，與前述理論分析

27、相符合。微機保護算法的分析研究全波傅氏算法傅里葉算法的基本思路來自傅里葉級數(shù)，假設(shè)被采樣的模擬信號是一個周期性時間函數(shù)y(t)，它可以是正弦函數(shù)，也可以是含有多種諧波成分的非正弦函數(shù)。根據(jù)傅里葉級數(shù)的概念，可將此周期函數(shù)分解為恒定的直流分量和各種高次諧波分量。表示為：式中刀為諧波次數(shù)，n=0，1，2，；Xo為恒定的直流分量；w為基頻分量的角頻率。An、Bn分別為：而在微機計算An和Bn時，通常都采用有限項方法算得，即將y(t)用各采樣點數(shù)值代入，通過梯形法求和代替積分法。求得：這種可以計算整個采樣周期的算法就叫做全波傅氏算法。全波傅氏算法的優(yōu)點就是具有很強的濾波能力，可以完全消除直流分量和各整

28、次諧波分量的影響，而且穩(wěn)定性好。缺點就是不能消除衰減直流分量和非整次諧波分量的影響。當采樣信號中存在衰減直流分量時，傅氏算法會帶來較大的計算誤差；而且算法的數(shù)據(jù)窗需要一個周期，若再計及微機保護判斷和保護出口的延時，將會造成響應(yīng)速度較慢。微機保護裝置的軟件系統(tǒng)本保護裝置采用雙CPU結(jié)構(gòu)，一個作為主保護用，另一個作為輔助保護用。因此可根據(jù)他們各自的不同功能將變壓器微機保護裝置的軟件分為兩大部分：保護程序軟件和輔助程序軟件。其中保護程序軟件包括系統(tǒng)主程序、采樣中斷服務(wù)程序和故障處理程序。輔助程序軟件主要包括鍵盤輸入、顯示、通訊和故障報警等。本裝置的軟件編寫主要使用C語言，方便程序的維護修改。系統(tǒng)主程

29、序本系統(tǒng)的主程序主要包括上電初始化、自檢、開中斷(數(shù)據(jù)采集)、故障檢測與報警顯示和循環(huán)自檢等。系統(tǒng)上電或者手動復位后首先要進行初始化，在初始化過程中要關(guān)全局中斷，中斷使能，還有中斷標志都要置0，接著初始化PIE，初始化PIE中斷矢量表，還有外設(shè)，以及所需配置到的資源，它主要包括各編譯量的初始化、寄存器初始化、各種標志位清零等，初始化程序如圖511所示。初始化結(jié)束后進入自檢，包括RAM區(qū)讀寫檢查、定值檢查、輸入輸出回路自檢等。如果自檢沒有錯誤，下一步就需要開中斷，以便實現(xiàn)采樣和串行通訊等功能。這里就包括數(shù)據(jù)采樣程序、雙DSP通訊程序和與上位機通訊程序等幾個子程序。然后需要判斷有無故障，如果有就通

30、過開關(guān)量輸出進行保護，同時報警，并通過液晶顯示故障信息，若沒有就循環(huán)自檢，繼續(xù)前面的工作。主程序流程如圖512所示。結(jié) 論本文在參閱大量電力變壓器微機保護的相關(guān)資料，充分分析變壓器差動保護原理、CT飽和原理、勵磁涌流原理等的基礎(chǔ)上，針對目前變壓器微機保護在實際應(yīng)用當中存在的問題，如不平衡電流和CT飽和對差動保護靈敏度、可靠性影響的問題、正確識別勵磁涌流與內(nèi)部故障電流的問題以及算法改進應(yīng)用中存在的問題等，做了深入的研究分析，總結(jié)得出的結(jié)論和下一步工作內(nèi)容如下：深入研究分析了影響變壓器差動保護的不平衡電流產(chǎn)生的原因，指出傳統(tǒng)消除不平衡電流措施的不足，并給出了結(jié)合微機保護自身的特點，通過軟件對不平衡電流進行補償調(diào)整的方法。這些方法相對以往的來講，具有方便、簡單、精確的特點，對實際的工程應(yīng)用有一