间断角原理变压器微机保护装置的实用化研究

摘要在第三代数字式保护通用硬件基础上，采用单CPU板的方案实现了间断角原理的差动保护。在实现过程中采用了一些实用技术，基本解决了微机实现间断角原理时存在的问题。实验表明该保护动作行为良好。此外，分析了VFC型模数转换在高输出频率、高采样率情况下数据的稳定性，并得出了有益的结论。
　　关键词电力变压器间断角原理励磁涌流微机保护
　　分类号TM77.774
　　 引言
　　 电力变压器是电力系统中非常重要的电气设备，它的安全运行直接关系到整个电力系统连续稳定地工作。按照变压器可能发生的故障，装设灵敏、快速、可靠和选择性好的保护装置是十分重要的。微机保护因其具有很强的自检功能、长记忆功能、极强的数值计算和逻辑处理功能，而逐渐成为变压器保护的主流。
　　当前如何正确地鉴别励磁涌流仍然是变压器微机保护的主要问题。传统的二次谐波原理依据三相电流中二次谐波含量的大小，采用或门制动的方式来鉴别励磁涌流。然而研究表明，随着电网电压等级的提高和规模的扩大，变压器容量的增大和制造技术的提高，二次谐波原理存在一定的问题：首先，二次谐波已不再是励磁涌流所独有的特征，电流互感器的饱和、超高压长输电线路的分布电容或电缆线路电容的分布特性以及500kV电力变压器的低压侧装设静补电容都有可能使得变压器内部故障时，故障电流中含有较大成分的二次谐波，从而导致故障的延缓切除；此外，目前所采用的二次谐波制动比一般取15%～17%，这是根据饱和磁通为工作磁通幅值的1.4倍来考虑的，现代变压器由于制造技术和材料的改进，饱和磁通倍数经常在1.2到1.3，甚至低到1.15，在此情况下，涌流的最小二次谐波可能低至7%［2］。因而，二次谐波原理还需要进一步不断地完善。
　　间断角原理在传统的变压器保护中的成功运行经验表明了该原理的先进性与可靠性。随着现代电子技术的发展，高性能微处理器的出现使间断角原理的实现成为可能。因此，研究间断角原理的变压器差动保护，谋求保护性能的改善，并实现保护原理的双重化就具有特别的意义。
　　1硬件设计方案及特点
　　1.1单CPU板的新方案
　　1)装置的整体方案
　　
　　图1装置的整体方案图
　　 图中模入量为三侧三相电流；模数变换采用VFC型；CPU采用高性能的单片机，总线不出芯片，具有很强的抗干扰能力；每个装置都有一个高速数据通讯网接口，主要芯片均采用先进的表面安装技术，主要插件都用多层印刷板；MMI具有很强的人机对话能力及开放性，设有多种人机对话方式。
　　2)间断角原理有多种实现方案
　　文献［1］的方案是：一块CPU板用来算差劲；另用一块CPU板来实现间断角原理，其作用只是判断是否有涌流，并最终发出制动保护或开放保护的信号；二者相互配合来实现差动保护。
　　本文采用一块CPU板实现间断角原理的变压器微机差动保护的新方案，判差动和判间断都在该CPU上完成，避免了前述方案中两块CPU板相互配合所带来的问题以及硬件投资的增加，简单可靠且经济易行。
　　1.2高性能的VFC变换系统
　　本保护方案中模数变换采用的是VFC型模数转换，具有以下一些显著的特点：本身就具有滤波功能，其滤波特性与计数间隔的长短有关；其量化误差为±1LSB，但不会累积；作为积分型模数转换，具有抑制迭加在输入信号上的常模干扰和共模干扰的能力；其输出是一列脉冲序列，可方便地实现光隔，提高抗干扰能力；在应用上的接口非常简单且易于实现多CPU共享模数转换的结果。
　　本装置采用第三代VFC芯片(VFC-110)，其电压-频率特性的线性范围为0～4MHz，最高满刻度输出频率为4MHz。
　　VFC型模数转换的精度是由VFC的满刻度输出频率和计数间隔决定的。采样率过高则计数间隔较小，要满足精度的要求，就要提高VFC的满刻度输出频率或加大计数间隔。一般微机保护每周12点采样，选择VFC满刻度输出频率为2MHz，能够满足要求。结合间断角原理每周至少36点采样的要求，需要提高VFC满刻度输出频率到4MHz。本文通过分析VFC特性，经实验选择了VFC工作于满刻度输出频率为4MHz的外围电路的参数；此外，软件上可使VFC以两块面积计数，以延迟一个采样点间隔的时间来换取高一位的精度。
　　 2间断角原理的实现
　　2.1间断角判别原理［3、4］
　　变压器励磁涌流具有明显的间断角特征，通过测量间断角的大小可以区别故障电流和励磁涌流；实现了分相制动，在变压器空载合闸于内部故障时，保护能快速动作出口；间断角原理本身有1.26倍的抗过励磁作用。
　　本文中采用的励磁涌流判据是：
　　间断角θd65°，导数波宽θw140°
　　即若某一相间断角θd65°，则判定该相是励磁涌流；否则还要判该相的导数波宽，若导数波宽θw140°，则判定该相是内部故障电流，否则判定该相为励磁涌流。
　　若某一相判为励磁涌流，则闭锁该相比率差动，同时清该相加速标志；若其他相差动动作且未判出励磁涌流，则可以出口跳闸；若某一相差动没有动作，就不再判断该相是否有励磁涌流。
　　此处加导数波宽判据主要是为了防止间断角原理的变压器保护在外部故障时，由于CT饱和，间断角区出现反向电流，从而导致保护误动作。间断角判据和导数波宽判据应起相互补充的作用，在一个失效的情况下，应由另一个来补充完成正确判断。
　　2.2软件实现及实用技术［2］
　　按照以上判据，编制完成了保护全套软件。在程序的具体实现中采用了VFC自动调零漂环节、线性插值环节和浮动门坎值环节。具体实现如下：
　　1)VFC调零漂环节
　　保护装置在投入运行前都要先调零漂，使每回路零漂在-0.1～+0.1A范围内。但在长期的现场运行中，零漂值难免会发生一定程度的偏移，而且某些噪声也会经过AC插件叠加在输入上，这样一来就会使输入波形发生上下平移。对于只需要经过滤波，依据其中某些频率成分的幅值就可进行判断的保护来说，它们不太关心每一个采样点的具体数值，采用全周傅氏滤波就可以从叠加有不衰减直流分量的波形中准确地滤出基波及各次谐波，因而波形整体的上下平移对保护影响不大。而间断角原理的变压器微机差动保护则要用各个点的瞬间值来判断，因此必须从采样值中实时地去除零漂的影响。
　　2)线性插值环节
　　每周采样36点，则每点所代表的角度为10°。为了更加准确地测量间断角与导数波宽的角度，对采样值进行实时线性插值，间断角与导数波宽的角度值理论上就可以精确到5°。
　　3)浮动门坎值环节
　　对于间断角原理的变压器差动保护，必然要有间断角无流门坎值和导数波宽门坎值，判断导数波宽或间断角一定要有一点固定门坎值。在没有差电流时，由于模数转换或计算误差可能会有一定的输出，若没有一点固定门坎值，就会产生很大的误差，甚至误动作。
　　电流门坎值中不仅要包含固定门坎值，还应有差电流自己产生的分量。因为由于电流互感器的饱和，在二次涌流的间断角中有反向的电流。此反向的电流经微分后仍有小的输出，其大小与差电流成近乎正比的关系，因此门坎值中还要有一个与电流成正比的浮动门坎值以恢复间断角。
　　因而，在间断角和波宽测量时采用如下的浮动门坎值：
　　 TJDJ＝kJD*it＋IJD／IBL
　　TBK＝kBK*it＋IBK／IBL
　　其中，TJDJ、TBK分别代表某相间断角无流浮动门坎值和导数波宽浮动门坎值；
　　it为一周内各点电流采样值绝对值的最大值；
　　kJD和kBK是比例系数；
　　IJD和IBK为门坎值的固定部分；
　　IBL为电流比例系数。
　　经过TJDJ＝kJD*it+IJD／IBL和TBK＝kBK*it+IBK／IBL的浮点运算得到以浮点数表示的IJDJ和IBK，取整后作为实际参与比较的门坎值。在本程序中，为方便调试把kJD、kBK、IJD和IBK都设为整定值的形式。TJDJ、TBK和it均为计数值的形式，无量纲；IJD和IBK为电流的形式，量纲为安培。
　　it所反映的是电流的大小，可以有多种取法。我们对比了取绝对值的最大值及半周积分等取法，实践证明前者的动作效果更好，运算量更校对相同数值的差动电流(滤波结果)，励磁涌流与短路电流波形的明显区别是：前者电流绝对值的最大瞬时值比后者的要大得多。因而采用电流绝对值的最大值来构成浮动门坎值，在励磁涌流情况下，门坎值提得较高，有利于保护制动；而内部短路时，门坎值提高不多，有利于保护动作。
　　在实际应用中，kJD和IJD(或kBK和IBK)的取值也是受制约的。kJD和IJD(或kBK和IBK)取值较大，也即TJDJ(或TBK)较大，对判涌流是有利的，但内部故障时也容易误闭锁保护；反之，若取值太小，则对判内部故障有利，但励磁涌流时保护易于误动作。
　　另外，kJD和IJD(或kBK和IBK)之间相对值的大小对保护也有影响。若kJD(或kBK)取值较大，而IJD(或IBK)取值较小，即TJDJ(或TBK)对电流it的变化率较大，则当内部故障时可能由于TJDJ(或TBK)太大而误闭锁保护；反之，则有可能由于TJDJ(或TBK)不能及时地跟踪电流的增加，在励磁涌流时导致保护误动作。
　　总之，定值的选取既要经过理论分析，还需经实验进一步调整和检验。
　　 3模拟实验及动作行为分析
　　为了对保护的动作性能进行检验，我们做了变压器内部故障实验，是在MRT-01多功能继电保护测试仪上做的；变压器空载合闸和空载合闸于内部故障的实验，是在实验室的静模系统上做的，此实验所用的变压器是由三个单相变压器组成的，单相变压器的变比为2∶1，容量为500VA，变压器高压侧电流互感器的变比为1∶1，低压侧电流互感器的变比为2∶1，变压器高压侧的额定电流I1N＝2.28A，低压侧的额定电流I2N＝7.87A。通过以上实验验证了所取的门坎值定值。
　　实验表明，该间断角原理的变压器微机保护实现简单可靠，动作行为良好。表现在：在变压器空载合闸或内部故障时，保护能分别正确制动或动作。在变压器空载合闸于内部故障时，间断角原理的变压器差动保护能较快地动作出口，动作时间一般在30ms左右；而二次谐波原理的变压器差动保护则必须等到二次谐波成分衰减以后才能动作出口，因此一般都要比前者延迟2个周期以上，体现了间断角原理的优越性。
　　此外，我们对VFC调零漂环节、线性插值环节和浮动门坎值环节的实际作用进行了考察。系统不同运行情况下的实验表明：加和不加VFC自动调零漂比较以及浮动门坎值和固定门坎值比较，前者的保护性能都明显好于后者，达到了预期的效果；而加不加线性插值则效果相同，只是加线性插值后保护出口要延迟2～3ms。
　　线性插值的作用主要体现在电流值(或电流导数值)与电流门坎值接近的区域。但由于线性插值本身的精度有限；同时个别采样值的多计少计，使得插值结果也必然含有由此而来的误差，试验中插值的效果不明显。
　　 4硬件特性分析
　　4.1数据精度
　　VFC的满刻度输出频率为4MHz，每周36点采样时，若VFC以两块面积计数，则计数间隔内所能计到的最大值为4×106×10-3×10／9≈4444，即该VFC型模数转换相当于普通12位的A／D。
　　4.2数据稳定性分析
　　VFC满刻度脉冲输出频率为4MHz，每周采样36点之后，会给保护带来什么样的特点，与VFC满刻度脉冲输出频率为2MHz，每周采样12点有何不同，也是我们所关心的。
　　我们分析了在不加模拟输入、零漂调为零时上述两种情况下典型的采样打印值，发现后者的部分采样值多计了一个计数脉冲，有的多计了两个，而没有多计三个及三个以上脉冲的。
　　而前者多计、少计脉冲的情况要比后者中严重得多，个别采样点多计、少计脉冲的个数达到四个，且一个点多计四个脉冲，往往下一个点要少计四个脉冲；对应于电流值来说，在输入电流为0.0A时，采样得到的却是+0.5A或-0.5A，在有输入电流的情况下也有类似的情况。
　　分析表明，导致上述情况的主要原因是：采样中断请求时，由于个别长指令尚未执行完毕，因而延缓了CPU进入中断服务程序读取计数值，从而导致该时刻模数转换结果偏大，而下个采样时刻模数转换结果又偏校
　　上述情况对于靠采样瞬时值来逐点进行判断的间断角原理的变压器差动保护来说是不利的。本文采用短指令等待和中断等待两种方法对其进行了补偿，实验结果表明后者的效果更好，采样值在大多数情况下仅多计、少计一个脉冲，个别情况下多计、少计两个脉冲。
　　 5结论
　　本文在现有的保护装置基础上，采用单CPU板的方案实现了间断角原理的变压器微机保护，实现过程中采用了VFC自动调零漂、实时线性插值、浮动门坎值等实用技术，实验表明该保护原理先进、实现简单、性能优越，装置整体性能基本达到实际应用的要求。
　　 收稿日期：1998-03-19刘建飞副教授北京100085
　　*本文所属项目获部级科技成果鉴定。
　　 参考文献
　　 1任冰.间断角原理的变压器微机保护：［硕士学位论文］.北京：华北电力大学北京研究生部，1995
　　2朱亚明，郑玉平，叶锋，顾洁纯，王正行.间断角原理的变压器差动保护的性能特点及微机实现.电力系统自动化，1996，36(11)：36～39
　　3王祖光.间断角原理变压器差动保护.电力系统自动化，1979，3(1)：18～29
　　4王祖光.高性能的变压器差动保护.电力系统自动化，1982，6(5)：18～26