基于PSCAD/EMTDC的变压器保护建模仿真

赵瑜杰

(西南交通大学电气工程学院，四川 成都 610031)

1 引言

继电保护装置能反应电气设备的故障和不正常工作状态并自动迅速地、有选择地动作于断路器将故障设备从系统中切除，保证不故障设备继续正常运行，将事故限制在最小范围，提高系统运行的可靠性，最大限度地保证向用户安全、连续供电。为了保证保护的可靠性，需要对发生故障时继电保护装置的动作情况进行测试研究。目前常规的保护测试方法分为三种:基于动模系统的测试方法、基于RTDS的测试方法、基于测试仪的方法。这三种方法的区别在于提供给保护装置的“故障信息”来源不同，对一次系统和故障的模拟方法和特性也不同。前两种方法具有较好的效果，但投资大、占用面积大，不易实现;后一种方法投资小、实现方便，但属于静态测试，不能反映暂态响应情况[1]。更重要的是，在这三种测试方法中，对于微机保护装置的掌握和评价只是取决于它最后给出的结果，对其内部各环节的响应过程无从知道。微机保护装置类似于黑盒，如果只观察其输入输出情况，在某些故障情况下保护发生不正确动作，也将无法分析其原因。随着计算机的发展，将仿真技术应用于继电保护领域成为必然的趋势。建立模型是仿真的必要前提，因此对继电保护装置的建模有着很高的实际意义。

变压器对电力系统至关重要，它的安全稳定性直接影响了电力系统的正常运行。变压器造价昂贵，一旦因为内部绝缘失效发生故障，会产生超越额定电流数倍的短路故障电流，需要保护装置立刻跳闸保护变压器。变压器主保护一般采用差动保护，内部故障电流识别与励磁涌流识别是变压器保护的重点，本文使用PSCAD建立仿真模型，利用自定义元件功能建立了变压器主保护各个元件，并使用FORTRAN语言编写了保护算法，由建模仿真结果分析了各种故障情况下保护的动作情况。

2 建模

利用PSCAD/EMTDC软件对电力系统进行仿真研究，首先要在PSCAD图形界面上选取元件库中的适当元件模块搭建系统模型，并对照实际物理系统设置模型元件中对应的参数。整个建模以某条500kV交流输电线路为基础，采用PSCAD中的频率决定参数(相位)模型(Frequency－Dependent(Phase)model)，该模型考虑了内部转换矩阵，在相位范围内直接求解换位问题，可精确模拟所有结构的传输线，包括不平衡几何结构的线路。根据实际线路参数设置线路模型，主要设置基频、线路长度、杆塔参数、导线参数等。在变压器主保护中，主要有差动电流速断、比率差动、二次谐波含量闭锁、差流越限等功能，在PSCAD中自带有一部分保护元件模型，但是其模块功能简单，保护算法单一，且难以实现保护内部复杂的逻辑与时限关系，所以采用自定义模块软件编程的形式来实现。

图1 PSCAD线路模型

首先，使用PSCAD自定义模块功能，建立各个功能元件模块，主要为差动速断模块、比率差动模块、二次谐波含量计算模块、差流越限告警模块、延时模块等。保护的投入控制功能由逻辑输入输出元件实现，主要为软硬压板、纵差开关、二次谐波制动开关，多个开关与保护元件输出经过逻辑配合最终形成保护出口。

3 保护算法

当前，微机保护在我国已经成为继电保护的主要形式，在电力系统中大部分已采用了微机保护。微机保护装置的软件是由数字滤波器、保护算法、保护逻辑三类程序组成。本文主要使用FORTRAN语言，在自定义元件中编程，完成保护算法的编写。微机保护中，模拟电压和电流输入信号经过离散采样和模数变换后，计算机将这些数字信号进行分析、运算、判断，以实现各种继电保护功能的方法，称为保护算法[2]。

本文采用全周波傅氏算法对输入信号进行采样和变换。全周波傅氏算法是目前电力系统微机继电保护中被广泛采用的算法。用它可以精确计算信号基波和各次谐波的幅值与相位。

非正弦周期函数可以用傅里叶分解为直流分量和整数倍谐波分量之和的形式:

由傅里叶分解可得:

用梯形法对离散采样点进行处理转换:

N为采样点个数，K为第K个采样点，n为谐波次数。由以上可得出n次谐波的电气量。幅值和相角为:

本文中采样频率设置为4kHz即每周波采集80个点计算，N=80。采用FORTRAN语言对各个功能模块进行编程。

差动保护是用于反映变压器绕组和引线的相间短路的主保护，由于变压器在结构和运行上的一些特点，即在保护范围内无故障时，也有较大的不平衡电流流过两侧继电器，因此必须设法减小不平衡电流的影响，才能使变压器差动保护正常工作。影响不平衡电流大小的原因有很多，主要为励磁涌流、有载调压、两侧差动TA误差等影响[3]。本文主要讨论实现励磁涌流对不平衡电流影响的情况。变压器微机保护多采用比率差动与二次谐波制动躲过不平衡电流的影响。

比率差动保护的动作判据如下:

式中:ICD为差动保护电流定值;Idz为差动电流;Izd为制动电流;Kb1为第I段折线的斜率;Kb2为第II段折线的斜率;Kb3为第III段折线的斜率。程序中按相判别，任一相满足以上条件时，比率差动保护动作。本文采用差动电流和制动电流的计算方法如下:

式中:Idz为差动电流;Izd为制动电流;为所有侧相电流之和;为所有侧中最大的相电流;为其他侧(除最大相电流侧)相电流之和。

图2 比率差动折线

二次谐波闭锁原理:采用三相差动电流中二次谐波与基波的比值作为励磁涌流闭锁判据:

式中:Idφ2为差动电流中的二次谐波分量;Kxb.2为二次谐波制动系数定值;Idφ为差动电流的基波分量。采用“或门”闭锁方式:任一相差流的二次谐波含量大于闭锁定值即闭锁三相差动保护。

根据上述保护算法和保护原理在自定义元件中编写保护程序，并经过逻辑整合为主保护逻辑图。

4 仿真验证

4.1 空载合闸励磁涌流制动

用上述算法与保护动作方程编写二次谐波闭锁元件，空载合闸模型与典型励磁涌流波形如下:

图3 空载合闸模型

变压器额定电流计算值为7530A，励磁涌流约为5倍额定电流，并且迅速衰减，符合理论分析值。

图4 励磁涌流波形及闭锁信号

经过二次谐波闭锁模块进行全周波傅里叶计算，提取出基波与二次谐波幅值，经动作方程计算(此处二次谐波闭锁定值设为15%)，在空载合闸时发出闭锁信号，防止保护误动。

4.2 外部故障恢复涌流

此处考虑外部线路发生单相接地故障，发生时间为1s，持续时间0.02s，故障切除恢复后产生涌流，经谐波模块计算，在此后4个周期二次谐波超限，为防止差动保护误动，发出保护闭锁信号。

图5 故障模块

图6 故障时间

图7 故障电流波形和谐波含量制动

4.3 内部故障

[4]得出的方法，建立变压器内部故障仿真模型，由两个单相双绕组变压器和一个单相三绕组变压组成，考虑A相发生匝间和匝地故障，其他两相没有故障。

图中BK1和BK2为控制开关，不同的故障情况根据合闸不同的开关来实现。对于变压器内部故障仿真，发生短路的平均位置不同，短路电流不同，短路匝位于两端时短路电流最小，位于中间位置时短路电流最大[4]，所以本文考虑短路位于绕组两端位置。

图8 变压器内部故障

图9 内部故障波形及差动信号

故障发生后，差动动作电流经过比率制动动作方程计算，正确发出动作信号。

5 总结

经过上述建模仿真过程，在各种故障情况下，采用FORTRAN语言编写的保护元件能按设定的动作方程发出闭锁或保护出口信号，验证了各种保护原理的性能。采用基于PSCAD－EMTDC自定义元件建立保护元件，对于变压器保护的测试和研究，揭示变压器各种故障时微机保护装置内部动作情况有实际意义。

参考文献

[1]许明.继电保护数字仿真建模方法与系统开发[D].山东大学，2009.

[2]周武仲.继电保护自动装置及二次回路应用基础[M].中国电力出版社，2013:61－62.

[3]江苏省电力公司.电力系统继电保护原理与实用技术[M].中国电力出版社，2006:419.

[4]黄咏容，李群湛，郝文斌，等.基于EMTDC的三相变压器励磁涌流和内部故障仿真[J].继电器，2007(1):26－30.