基于RTDS的变压器差动保护闭环测试方法

季昕雨，范 宏，沈 冰，邹晓峰，曾 平

(1.上海电力学院 电气工程学院，上海 200090;2.上海市电力公司 电力科学研究院，上海 200437)

随着数字化电网建设的不断加快，大电网安全稳定运行面临着前所未有的挑战，继电保护装置的功能需求越来越高，继电保护装置在入网前必须进行入网检测.在入网前对继电保护设备进行实时数字仿真检测和试验，不仅是电力公司提出的要求，而且已经成为各大继电保护生产厂商在产品研发阶段的需要.[1]

实时数字仿真系统(Real Time Digital Simulator，RTDS)是由加拿大曼尼托巴 RTDS公司开发制造，专门用于研究电力系统的数字动模系统，该系统的电力系统元件模型和仿真算法已获得行业认可，是目前世界上应用最广泛的实时数字仿真系统.[2]与离线仿真软件相比，其具有实时性及能够带被测试设备闭环运行的能力，不仅可以用于仿真分析，还可以提供一次设备、各类控制系统及各种电力系统自动化设备实时数字仿真闭环检测试验.[3]

RTDS包含硬件和软件两部分，硬件包含RACK(含3PC卡、GPC卡和PB5卡)，GTDO卡，GTAO卡，GTFPI卡，用于计算和数据输出.软件RSCAD包括电力系统元件库和控制系统元件库，用户能够利用元件模块组建电力系统的一次系统及其控制回路，实现对现实系统网络的实时仿真和控制.[4-6]正是由于RTDS在实时仿真方面的巨大优势，国内各大电科院及保护设备生产商都利用其对电力设备进行测试.本文提出利用实时仿真系统RTDS对变压器差动保护装置进行闭环检测试验.

1 变压器差动保护原理

变压器差动保护的基本原理是基尔霍夫电流定律，双绕组变压器的两侧装设了电流互感器(Current Transformer，CT).正常情况下或外部故障时，两侧的电流互感器产生的二次电流流入差动继电器的电流大小相等，方向相反，在继电器中电流等于零，因此差动继电器不动作.当变压器内部或保护区域内的供电线路发生故障时，流入差动继电器的电流就会发生变化，当电流值达到设定值时，继电器就会动作.一般来说，在电力变压器中有电流流过时，通过变压器两侧的电流不会正好相等，这与变压器和电流互感器的变比和接线组别有关.变压器在投入时会产生高于额定电流6～8倍的励磁涌流，同时产生大量的高次谐波(其中以二次谐波为主).由于励磁涌流只流过变压器的某一侧，因此通过电流互感器反应到差动回路中将形成不平衡电流，引起差动保护动作.

变压器差动保护一般包括差动速断保护、比率差动保护和2次(或5次)谐波制动的比率差动保护，不管何种保护功能的差动保护，其差动电流都由通过变压器各侧电流的向量和得到，在变压器正常运行或者保护区外部故障时，该差动电流近似为零，当保护区内出现故障时，该差动电流增大.

差动保护首先要根据高低压侧的三相电流二次值分相计算差动电流 Id和制动电流 Ir，由于变压器接线方式的不同及高低压侧TA变比的差异，应当将高低压侧的三相电流分别进行调整，使两侧三相电流的幅值和相位达到平衡后再对差动和制动电流进行计算.

变压器通常有3种典型的接线方式，分别为Y/Y，Y/Δ-11，Y/Δ-1.本文采用 Y/Δ-11 方式.设高低压侧的变比为K，高压侧TA变比为KH，低压侧TA变比为 KL，则调整后的低压侧三相电流为:

调整后的高压侧三相电流为:

运用幅值和相位平衡调整后的高压侧三相电流 IA，IB，IC和低压侧三相电流 Ia，Ib，Ic就可以计算变压器的三相差动电流和制动电流:

在变压器空载投入和外部故障切除后电压恢复的情况下，则可能出现很大的励磁电流即励磁涌流，这是由变压器铁心饱和及剩磁的存在引起的.变压器励磁涌流仅流经变压器的某一侧，因此通过电流互感器反应到差动回路中将形成不平衡电流.在实际保护中多采用二次谐波制动原理来躲避励磁涌流.

2 RTDS下的系统平台建模

本文利用RTDS的软件平台RSCAD来搭建闭环检测平台模型.该模型在 RTDS的 RSCAD软件中的仿真建模 Draft模块下完成，形成后缀为.dft的系统文件.系统平台模型又包含一次系统模型和控制系统模型.

2.1 一次系统模型的建设

图1为在实时数字仿真系统RTDS中搭建的一次系统接线图.

该模型为一简单电力系统，无穷大电源与变压器经一段线路相连，变压器向负荷供电.在该模型中设置了区内故障和区外故障，并对两种故障分别设置不同故障类型，可模拟的故障类型包括:A相、B相、C相3种单相故障，AB相、BC相、CA相3种两相故障，ABC 3相故障，共7种，故障类型由控制电路进行选择.

图1 一次系统接线示意

2.2 控制系统模型的建设

该控制系统模型包括故障类型控制模型，控制模型同样保存在系统模型文件中，可从控制模型中对控制对象进行控制操作和/或相应控制参数的配置.通过断路器控制电容器或电抗器的投入或切除，通过相应的开关控制逻辑框图实现开关的分合操作.完成上述系统平台模型和相应的子模块参数配置后，即可编译模型，也可仿真所研究的区域电网.[7]

然后根据系统平台模型的一次系统模型图，在RSCAD的仿真运行模块中，搭建该闭环测试平台的操作系统模型，便于仿真运行时对系统进行观察和控制.

2.3 硬件装置的连接原理

实时数字仿真系统RTDS与继电保护装置的硬件连接原理如图2所示.

由图2可知，RTDS由GTAO卡输出两组三相电流、三相电压，接至功率放大器，电压放大20倍，电流放大8倍，经过录波仪传送至线路保护设备;RTDS由GTDO卡输出9个断路器位置信号，分别为 BRK1，BRK6，BRK9的 ABC三相断路器状态;线路保护设备根据电压电流、断路器位置等信息判断故障的类型与地点，发出相应的跳闸信号;RTDS由GTDI卡接收9个断路器跳闸信号，分别为 BRK1，BRK6，BRK9的 ABC三相断路器跳闸信号.[8]

图2 闭环测试的硬件接线原理

3 测试项目及仿真测试

3.1 测试项目

依照GB/T 14285—2006继电保护和安全自动装置技术规程和DL/T 769—2001电力系统微机继电保护技术导则，利用前述搭建的仿真测试平台对变压器保护进行功能测试，测试项目包括:区内区外的单一故障测试，转换性故障测试，手合试验，CT饱和试验，CT断线试验，变压器抽头上调测试，PT 断线测试等.[9-10]

3.2 仿真测试

以区内区外故障的仿真测试为例说明测试过程.当低压1侧区内F1点发生A相单相接地瞬时故障时，变压器3侧电压电流变化如图3所示.图3 中，IHA，IHB，IHC分别为高压侧 A，B，C 三相电流;ISBRK1A，ISBRK1B，ISBRK1C分别为中压侧 A，B，C 三相电流;ISBRK2A，ISBRK2B，ISBRK2C分别为低压侧负荷支路 A，B，C 三相电流;UHA，UHB，UHC分别为高压侧三相电压;T11，T12，T13分别为高中低3侧断路器跳闸信号.

图4为变压器高压侧空投故障变压器(高压侧B相)并发涌流时变压器各侧电压电流及保护动作波形图;图5为变压器低压区外F5点发生AN故障、高压侧电流互感器 A相4.8 ms后发生饱和时变压器各侧电压电流及保护动作波形.

图3 低压1侧区内F1点AN瞬时故障时变压器3侧电压电流及保护动作波形

图4 变压器高压侧空投故障变压器(高压侧B相)并发涌流时变压器各侧电压电流及保护动作波形

根据图3至图5电流波形可知，继电保护装置判断正确.在变压器区内相间短路故障时，可将变压器从系统中切除.此外，本文还对区内AB相间短路、区内BC相间短路进行了试验，所得到的结果与区内CA相间短路类似，断路器能正确动作.由此表明，该平台能够对变压器保护设备的主要功能进行有效的动模闭环测试，检测结果有效，符合相关标准.

图5 变压器低压区外F5点发生AN故障，高压侧电流互感器A相4.8 ms后发生饱和时变压器各侧电压电流及保护动作波形

4 结论

(1)本文提出了基于实时数字仿真系统RTDS的变压器差动保护闭环测试平台建设方法，根据该平台能够有效检测继电保护装置的变压器差动保护功能;

(2)该检测平台可以为其他继电保护设备的闭环动模测试提供了一个借鉴方法，基本原理不变，只要将系统模型稍加改变，即可用于检测线路保护或母线保护及其他二次设备的动模测试;

(3)该检测方法在大规模测试中人工操作量较大，如对上述系统的每个故障点、每个相别故障都一一测试，则至少需要几百次故障模拟，在以后的改进中可以考虑利用RTDS的脚本功能，将固定的测试项目写入脚本中自动执行，并分析测试结果，以达到更高的测试效率.

[1]KUTFE R，GIESBRECH J，MAGUIRE T，et al.RTDS-a fully power system simulator operating in real times[C]∥IEEE Energy Management and Power Delivery，Proceedings of EMPD 95，1995:498-503.

[2]毛鹏，杨立，杜肖功，等.基于 RTDS的超高压线路保护装置的试验研究[J].继电器，2004，32(3):55-59.

[3]郑三立，雷宪章，RELZMANN D，等.电力系统计算机及实时数字仿真(下) 电力系统实时数字仿真[J].电力系统自动化，2001，14(25):40-44.

[4]汤勇.电力系特数字仿真技术的现状与发展[J].电力系统自动化，2002，17(26):66-70.

[5]冯小玲，郭袅，谭建成.实时数字仿真系统(RTDS)在继电保护上的应用研究[J].国际电力，2005，9(4):43-47.

[6]张旭航，徐瑞林，祝瑞金，等.RTDS在继电保护试验上的应用研究[J].华东电力，2012，40(1):79-81.

[7]周巍，张沛超，杨星星.基于RTDS的微机保护实时闭环数字仿真系统[J].电力系统保护与控制，2010，38(16):127-131.

[8]沈冰，邹晓峰.实时数字仿真技术在智能变电站测试中的应用[J].华东电力，2012，40(6):938-941.