微机型差动保护的研究及虚拟保护装置平台的设计与运行仿真

微机型差动保护的研究及虚拟保护装置平台的设计与运行仿真第1页共49页第一章绪论1.1引言变压器在电力系统中的地位十分重要，同时大容量的电力变压器也是十分昂贵，因此，必须根据变压器的容量和重要程度考虑装设性能良好，工作可靠的保护装置。差动保护就是变压器最为重要的主保护，而微机型变压器差动保护在减小变压器励磁涌流影响、提高变压器保护的灵敏度及可靠性等方面有着较大优势。本课题对变压器的故障特点进行分析，采用目前较为流行的比例制动及二次谐波制动的变压器差动保护，并对微机型变压器差动保护原理及特点进行详细分析、研究，用MATLAB仿真软件针对各种故障情况进行仿真分析并输出仿真结果。编制微机型变压器差动保护程序的流程框图，并对流程框图进行较详细的说明。流程框图包括主程序模块、采样中断服务程序模块、故障处理程序模块。其中主程序部分包括：定值及开关输入量数据文件的读取、故障数据文件预处理等。采样中断服务程序部分包括：从故障数据文件中采样、故障启动判别等；故障处理程序部分包括：二次谐波制动、比例制动型差动判别、差动速断判别、跳闸出口处理等。按照程序框图的基本流程用VisualBasic语言编制出变压器差动保护装置的虚拟开发平台软件。其中保护的软件部分包括主程序、采样中断服务程序及故障处理程序，并对各程序段进行了适当的程序注释。利用微机保护虚拟开发平台对微机变压器差动保护程序的运行进行仿真调试。通过本课题的研究，我进一步了解了变压器短路的特点和变压器差动保护的原理及特性，熟悉了微机保护的基本算法和应用算法，并使用MATLAB软件对电力系统故障进行仿真，掌握了利用虚拟现实技术设计并开发虚拟微机保护装置的步骤及过程。通过本课题的研究设计，使我们对所学专业知识进行了综合的应用，也使我们的分析问题和解决问题的能力得到了提高。1.2微机继电保护的发展史和新技术微机继电保护指的是以数字式计算机（包括微型机）为基础而构成的继电保护。它起源于20世纪60年代中后期，是在英国、澳大利亚和美国的一些学者倡导下开始进行研究的。60年代中期，有人提出用小型计算机实现继电保护的设想，但是由于当时计算微机型差动保护的研究及虚拟保护装置平台的设计与运行仿真第2页共49页机的价格昂贵，同时也无法满足高速继电保护的技术要求，因此没有在保护方面取得实际应用，但由此开始了对计算机继电保护理论计算方法和程序结构的大量研究，为后来的继电保护发展奠定了理论基础。计算机技术在70年代初期和中期出现了重大突破，大规模集成电路技术的飞速发展，使得微型处理器和微型计算机进入了实用阶段。价格的大幅度下降，可靠性、运算速度的大幅度提高，促使计算机继电保护的研究出现了高潮。在70年代后期，出现了比较完善的微机保护样机，并投入到电力系统中试运行。80年代，微机保护在硬件结构和软件技术方面日趋成熟，并已在一些国家推广应用。90年代，电力系统继电保护技术发展到了微机保护时代，它是继电保护技术发展历史过程中的第四代。我国的微机保护研究起步于20世纪70年代末期、80年代初期，尽管起步晚，但是由于我国继电保护工作者的努力，进展却很快。经过10年左右的奋斗，到了80年代末，计算机继电保护，特别是输电线路微机保护已达到了大量实用的程度。继电保护技术趋势向着计算机化，网络化，智能化，保护、控制、测量和数据通信一体化发展。随着计算机技术的飞速发展及计算机在电力系统继电保护领域中的普遍应用，新的控制原理和方法被不断应用于计算机继电保护中，以期取得更好的效果，从而使微机继电保护的研究向更高的层次发展，出现了一些引人注目的新趋势。微机型差动保护的研究及虚拟保护装置平台的设计与运行仿真第3页共49页第二章变压器差动保护原理介绍2.1变压器差动保护2.1.1变压器纵差动保护的基本原则对于双绕组和三绕组变压器实现纵差动保护的原理接线如图所示。图2-1图2-2由于变压器高压侧和低压侧的额定电流不同，因此，为了保证纵差动保护的正确工作，就必须适当选择两侧电流互感器的变比，使得在正常运行和外部故障时，两个二次电流相等。如图2-1中，应使：2''11'1''2'2llnInIII(2-1)或BllnIInn'1''112(2-2)式中，1ln——高压侧电流互感器的变比；2ln——低压侧电流互感器的变比；Bn——变压器的变比（即高、低压侧额定电压之比）。由此可知，要实现变压器的纵差动保护，就必须适当地选择两侧电流互感器的变比，使其比值等于变压器的变比Bn[1]。微机型差动保护的研究及虚拟保护装置平台的设计与运行仿真第4页共49页2.1.2励磁涌流的产生与特点图2-3当变压器的空载投入和外部故障切除后电压恢复时，则可能产生数值很大的励磁电流（又称为励磁涌流）。这是因为在稳定工作情况下，铁心中的磁通应滞后于外加电压90，如图2-3所示。如果空载合闸时，正好在电压瞬时值电压ｕ＝0时接通电路，则铁心中应该具有磁通m。但由于铁心中的磁通不能突变，因此，将出现一个非周期分量的磁通，其幅值为m。这样在经过半个周期以后，铁心中的磁通就达到sm2，如图2-4所示。此时变压器的铁心严重饱和，励磁电流LI将剧烈增大，如图2-5所示,此电流就称为变压器的励磁涌流LYI，其数值最大可达额定电流的6~8倍，同时包含有大量的非周期分量和高次谐波分量，如图2-6所示。励磁涌流的大小和衰减时间，与外加电压的相位、铁心中剩磁的大小和方向、电源容量的大小、回路的阻抗以及变压器容量的大小和铁心性质等都有关系。例如，正好在电压瞬时值为最大时合闸，就不会出现励磁涌流，而只有正常时的励磁电流。对三相变压器而言，无论在任何瞬时合闸，至少有两相要出现程度不同的励磁涌流[1]。图2-4微机型差动保护的研究及虚拟保护装置平台的设计与运行仿真第5页共49页图2-5图2-6另外，励磁涌流具有以下特点：（1）包含有很大成分的非周期分量，往往使涌流偏于时间轴的一侧；（2）包含有大量高次谐波，而以二次谐波为主；（3）波形之间出现间断[4]。2.2计算机变压器保护2.2.1计算机变压器保护的特点现代大型变压器的特点是容量大，电压等级高，而且价格比较昂贵和修理困难。大型变压器在电力系统中的地位非常重要，一旦发生故障，影响范围很大。为了保证系统和变压器安全运行，减少事故损失，对变压器继电保护提出了更苛刻的要求。(1).提高灵敏度要求差动保护能灵敏动作于匝间短路故障，同时亦要求灵敏动作于内部高电阻接地故障。(2).保证高速度对于接于超高压远距离输电线路的变压器，当发生内部故障时，由于谐振亦会产生谐波电流，可能引起谐波制动的差动保护延缓动作，需要采取有效的加速措施或寻求新微机型差动保护的研究及虚拟保护装置平台的设计与运行仿真第6页共49页原理的励磁涌流鉴别方法。(3).有效地对付过励磁大型变压器的工作磁密通常取得较高，短时过压或频率降低，励磁电流会激增。一方面要求此时差动保护不能误动，另一方面为防止变压器流过很大的励磁涌流而发热烧损，需要设置满足过励磁倍数要求和具有反时限特性，并能及时累积效应的过励磁保护[2]。2.2.2计算机变压器差动保护的原理和算法(1).变压器差动保护的要求：①在任何情况下，当变压器内部发生短路性质的故障(包括高阻接地及匝间短路)时应快速动作跳闸。故障变压器空载投入时，可能伴随较大的励磁电流，亦应尽快动作。反之当出现外部故障伴随很大的穿越电流时，应可靠不动作。②无论正常变压器发生任何形式的励磁涌流和过励磁应可靠不动作。因此，与传统保护类似，计算机变压器差动保护的原理和算法主要可分为两部分：一部分是如何区分内、外故障，另一部分则是如何鉴别励磁涌流。(2).具有折线比率制动特性的差动原理与算法用计算机实现变压器差动保护时，通常也是分相差动接法，故取一相来研究。假定变压器Y型侧CT已经连接成△型以补偿相位移，变压器两侧ＣＴ变比误差已由数字计算进行了补偿，并取各侧电流流入变压器为假定正方向。对于双绕组变压器，若规定其两侧分别记为Ⅰ侧和II侧，那么按照大型变压器通常采用的两段折线式比率制动特性要求，其基波向量可表示成下列动作判据或算法：当1rrII时，min.ddII＞(2-3)当1rrII时，）（＞。minmin.drddIIKII(2-4)式中，dI——差动电流dI＝∣II∣，rI――制动电流rI＝∣II∣，K为折线斜率，1rI为折点对应的制动电流。微机型差动保护的研究及虚拟保护装置平台的设计与运行仿真第7页共49页图2-7图2-8制动特性如图2-8。基波向量的计算方法，目前用的较多的是正余弦函数相关算法和最小二乘法。计算过程可先用采样瞬时值计算差动电流及制动电流的瞬时值，再计算基波向量；亦可先计算各侧的基波向量，再计算差动电流和制动电流[2]。微机型差动保护的研究及虚拟保护装置平台的设计与运行仿真第8页共49页第三章MATLAB仿真软件3.1MATLAB软件介绍：MATLAB是英文MatrixLaboratory(矩阵实验室)的缩写，最早是由C.Moler用Fortran语言编写的，用来方便地调用LINPACK和EISPACK矩阵代数软件包的程序。后来他创立了MATHWORKS公司，对MATLAB作了大量的、坚持不懈的改进。MATLAB提供的工具箱已覆盖信号处理、系统控制、统计计算、优化计算、神经网络、小波分析、偏微分方程、模糊逻辑、动态系统模拟、系统辨识和符号运算等领域。MATLAB是集数值计算、符号运算及图形处理等强大功能于一体的科学计算语言。作为强大的科学计算平台，他几乎能够满足所有的计算需求。MATLAB具有以下的优势与优点：1．友好的工作平台和编程环境随着MATLAB的商业化以及软件本身的不断升级，MATLAB的用户界面也越来越精致，更加接近Windows的标准界面，人机互交性更强，操作更简单。而且新版本的MATLAB提供了完整的联机查询、帮助系统，极大地方便了用户的使用。简单的编程环境提供了比较完备的调试系统，程序不必经过编译就可以直接运行，而且能够及时报告出现的错误，进行出错原因分析。2．简单易用的程序语言新版本的MATLAB语言是基于最为流行的Ｃ语言基础上的，因此语法特征与Ｃ语言极为相似，而且更加简单，更加符合科技人员对数学表达式的书写格式。使之更利于非计算机专业的科技人员使用。而且这种语言可移植性好、可扩展性极强，这也是MATLAB之所以能够深入到科学研究及工程计算各个领域的重要原因。3．强大的科学计算及数据处理能力MATLAB拥有600多个工程要用到的数学运算函数，可以方便地实现用户所需的各种计算功能。函数中所使用的算法都是科研和工程计算中的最新成果，而且经过了各种优化及容错处理，因此使用起来鲁棒性和可靠性非常高。MATLAB函数所能解决的问题包括矩阵运算和线性方程组的求解、微分方程及偏微分组的求解、符号运算、傅立微机型差动保护的研究及虚拟保护装置平台的设计与运行仿真第9页共49页叶变换和数据的统计分析、工程中的优化问题、稀疏矩阵运算、复数的各种运算、三角函数和其他初等数学运算、多维数组操作以及建模动态仿真。4．应用广泛的模块集和工具箱MATLAB对许多专业的领域都开发了功能强大的模块集或工具箱。目前，MATLAB已经把工具箱延伸到了科学研究和工程应用的诸多领域，诸如数据采集、数据库接口、优化算法、神经网络、小波分析、控制系统设计、嵌入式系统开发、电力系统仿真等，都在工具箱家族中有了自己的一席之地。5．模块化的设计和系统级的仿真MATLAB提供的SIMULINK工具箱是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包。电力系统工具箱(PowerSystemBlockset)在SIMULINK环境下使用,它是针对电力系统而设计的仿真软件模块，它的元件模型比较多,功能也比较全面,目前许多电力系统的研究工作已开始用它作为仿真分析软件。一般来说,SIMULINK的功能有系统建模和系统仿真两个部分,可以很容易地利用鼠标在模型窗口中建立所需的控制系统模型,然后利用其提供的功能对系统进行仿真与分析,使得一个复杂系统的输入、输出以