摘要在第三代數(shù)字式保護(hù)通用硬件基礎(chǔ)上，采用單CPU板的方案實(shí)現(xiàn)了間斷角原理的差動(dòng)保護(hù)。在實(shí)現(xiàn)過程中采用了一些實(shí)用技術(shù)，基本解決了微機(jī)實(shí)現(xiàn)間斷角原理時(shí)存在的問題。實(shí)驗(yàn)表明該保護(hù)動(dòng)作行為良好。此外，分析了VFC型模數(shù)轉(zhuǎn)換在高輸出頻率、高采樣率情況下數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，并得出了有益的結(jié)論。
　　關(guān)鍵詞電力變壓器間斷角原理勵(lì)磁涌流微機(jī)保護(hù)
　　分類號TM77.774
　　 引言
　　 電力變壓器是電力系統(tǒng)中非常重要的電氣設(shè)備，它的安全運(yùn)行直接關(guān)系到整個(gè)電力系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定地工作。按照變壓器可能發(fā)生的故障，裝設(shè)靈敏、快速、可靠和選擇性好的保護(hù)裝置是十分重要的。微機(jī)保護(hù)因其具有很強(qiáng)的自檢功能、長記憶功能、極強(qiáng)的數(shù)值計(jì)算和邏輯處理功能，而逐漸成為變壓器保護(hù)的主流。
　　當(dāng)前如何正確地鑒別勵(lì)磁涌流仍然是變壓器微機(jī)保護(hù)的主要問題。傳統(tǒng)的二次諧波原理依據(jù)三相電流中二次諧波含量的大小，采用或門制動(dòng)的方式來鑒別勵(lì)磁涌流。然而研究表明，隨著電網(wǎng)電壓等級的提高和規(guī)模的擴(kuò)大，變壓器容量的增大和制造技術(shù)的提高，二次諧波原理存在一定的問題：首先，二次諧波已不再是勵(lì)磁涌流所獨(dú)有的特征，電流互感器的飽和、超高壓長輸電線路的分布電容或電纜線路電容的分布特性以及500kV電力變壓器的低壓側(cè)裝設(shè)靜補(bǔ)電容都有可能使得變壓器內(nèi)部故障時(shí)，故障電流中含有較大成分的二次諧波，從而導(dǎo)致故障的延緩切除；此外，目前所采用的二次諧波制動(dòng)比一般取15%～17%，這是根據(jù)飽和磁通為工作磁通幅值的1.4倍來考慮的，現(xiàn)代變壓器由于制造技術(shù)和材料的改進(jìn)，飽和磁通倍數(shù)經(jīng)常在1.2到1.3，甚至低到1.15，在此情況下，涌流的最小二次諧波可能低至7%［2］。因而，二次諧波原理還需要進(jìn)一步不斷地完善。
　　間斷角原理在傳統(tǒng)的變壓器保護(hù)中的成功運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明了該原理的先進(jìn)性與可靠性。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，高性能微處理器的出現(xiàn)使間斷角原理的實(shí)現(xiàn)成為可能。因此，研究間斷角原理的變壓器差動(dòng)保護(hù)，謀求保護(hù)性能的改善，并實(shí)現(xiàn)保護(hù)原理的雙重化就具有特別的意義。
　　1硬件設(shè)計(jì)方案及特點(diǎn)
　　1.1單CPU板的新方案
　　1)裝置的整體方案
　　
　　圖1裝置的整體方案圖
　　 圖中模入量為三側(cè)三相電流；模數(shù)變換采用VFC型；CPU采用高性能的單片機(jī)，總線不出芯片，具有很強(qiáng)的抗干擾能力；每個(gè)裝置都有一個(gè)高速數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)接口，主要芯片均采用先進(jìn)的表面安裝技術(shù)，主要插件都用多層印刷板；MMI具有很強(qiáng)的人機(jī)對話能力及開放性，設(shè)有多種人機(jī)對話方式。
　　2)間斷角原理有多種實(shí)現(xiàn)方案
　　文獻(xiàn)［1］的方案是：一塊CPU板用來算差勁；另用一塊CPU板來實(shí)現(xiàn)間斷角原理，其作用只是判斷是否有涌流，并最終發(fā)出制動(dòng)保護(hù)或開放保護(hù)的信號；二者相互配合來實(shí)現(xiàn)差動(dòng)保護(hù)。
　　本文采用一塊CPU板實(shí)現(xiàn)間斷角原理的變壓器微機(jī)差動(dòng)保護(hù)的新方案，判差動(dòng)和判間斷都在該CPU上完成，避免了前述方案中兩塊CPU板相互配合所帶來的問題以及硬件投資的增加，簡單可靠且經(jīng)濟(jì)易行。
　　1.2高性能的VFC變換系統(tǒng)
　　本保護(hù)方案中模數(shù)變換采用的是VFC型模數(shù)轉(zhuǎn)換，具有以下一些顯著的特點(diǎn)：本身就具有濾波功能，其濾波特性與計(jì)數(shù)間隔的長短有關(guān)；其量化誤差為±1LSB，但不會(huì)累積；作為積分型模數(shù)轉(zhuǎn)換，具有抑制迭加在輸入信號上的常模干擾和共模干擾的能力；其輸出是一列脈沖序列，可方便地實(shí)現(xiàn)光隔，提高抗干擾能力；在應(yīng)用上的接口非常簡單且易于實(shí)現(xiàn)多CPU共享模數(shù)轉(zhuǎn)換的結(jié)果。
　　本裝置采用第三代VFC芯片(VFC-110)，其電壓-頻率特性的線性范圍為0～4MHz，最高滿刻度輸出頻率為4MHz。
　　VFC型模數(shù)轉(zhuǎn)換的精度是由VFC的滿刻度輸出頻率和計(jì)數(shù)間隔決定的。采樣率過高則計(jì)數(shù)間隔較小，要滿足精度的要求，就要提高VFC的滿刻度輸出頻率或加大計(jì)數(shù)間隔。一般微機(jī)保護(hù)每周12點(diǎn)采樣，選擇VFC滿刻度輸出頻率為2MHz，能夠滿足要求。結(jié)合間斷角原理每周至少36點(diǎn)采樣的要求，需要提高VFC滿刻度輸出頻率到4MHz。本文通過分析VFC特性，經(jīng)實(shí)驗(yàn)選擇了VFC工作于滿刻度輸出頻率為4MHz的外圍電路的參數(shù)；此外，軟件上可使VFC以兩塊面積計(jì)數(shù)，以延遲一個(gè)采樣點(diǎn)間隔的時(shí)間來換取高一位的精度。
　　 2間斷角原理的實(shí)現(xiàn)
　　2.1間斷角判別原理［3、4］
　　變壓器勵(lì)磁涌流具有明顯的間斷角特征，通過測量間斷角的大小可以區(qū)別故障電流和勵(lì)磁涌流；實(shí)現(xiàn)了分相制動(dòng)，在變壓器空載合閘于內(nèi)部故障時(shí)，保護(hù)能快速動(dòng)作出口；間斷角原理本身有1.26倍的抗過勵(lì)磁作用。
　　本文中采用的勵(lì)磁涌流判據(jù)是：
　　間斷角θd65°，導(dǎo)數(shù)波寬θw140°
　　即若某一相間斷角θd65°，則判定該相是勵(lì)磁涌流；否則還要判該相的導(dǎo)數(shù)波寬，若導(dǎo)數(shù)波寬θw140°，則判定該相是內(nèi)部故障電流，否則判定該相為勵(lì)磁涌流。
　　若某一相判為勵(lì)磁涌流，則閉鎖該相比率差動(dòng)，同時(shí)清該相加速標(biāo)志；若其他相差動(dòng)動(dòng)作且未判出勵(lì)磁涌流，則可以出口跳閘；若某一相差動(dòng)沒有動(dòng)作，就不再判斷該相是否有勵(lì)磁涌流。
　　此處加導(dǎo)數(shù)波寬判據(jù)主要是為了防止間斷角原理的變壓器保護(hù)在外部故障時(shí)，由于CT飽和，間斷角區(qū)出現(xiàn)反向電流，從而導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)作。間斷角判據(jù)和導(dǎo)數(shù)波寬判據(jù)應(yīng)起相互補(bǔ)充的作用，在一個(gè)失效的情況下，應(yīng)由另一個(gè)來補(bǔ)充完成正確判斷。
　　2.2軟件實(shí)現(xiàn)及實(shí)用技術(shù)［2］
　　按照以上判據(jù)，編制完成了保護(hù)全套軟件。在程序的具體實(shí)現(xiàn)中采用了VFC自動(dòng)調(diào)零漂環(huán)節(jié)、線性插值環(huán)節(jié)和浮動(dòng)門坎值環(huán)節(jié)。具體實(shí)現(xiàn)如下：
　　1)VFC調(diào)零漂環(huán)節(jié)
　　保護(hù)裝置在投入運(yùn)行前都要先調(diào)零漂，使每回路零漂在-0.1～+0.1A范圍內(nèi)。但在長期的現(xiàn)場運(yùn)行中，零漂值難免會(huì)發(fā)生一定程度的偏移，而且某些噪聲也會(huì)經(jīng)過AC插件疊加在輸入上，這樣一來就會(huì)使輸入波形發(fā)生上下平移。對于只需要經(jīng)過濾波，依據(jù)其中某些頻率成分的幅值就可進(jìn)行判斷的保護(hù)來說，它們不太關(guān)心每一個(gè)采樣點(diǎn)的具體數(shù)值，采用全周傅氏濾波就可以從疊加有不衰減直流分量的波形中準(zhǔn)確地濾出基波及各次諧波，因而波形整體的上下平移對保護(hù)影響不大。而間斷角原理的變壓器微機(jī)差動(dòng)保護(hù)則要用各個(gè)點(diǎn)的瞬間值來判斷，因此必須從采樣值中實(shí)時(shí)地去除零漂的影響。
　　2)線性插值環(huán)節(jié)
　　每周采樣36點(diǎn)，則每點(diǎn)所代表的角度為10°。為了更加準(zhǔn)確地測量間斷角與導(dǎo)數(shù)波寬的角度，對采樣值進(jìn)行實(shí)時(shí)線性插值，間斷角與導(dǎo)數(shù)波寬的角度值理論上就可以精確到5°。
　　3)浮動(dòng)門坎值環(huán)節(jié)
　　對于間斷角原理的變壓器差動(dòng)保護(hù)，必然要有間斷角無流門坎值和導(dǎo)數(shù)波寬門坎值，判斷導(dǎo)數(shù)波寬或間斷角一定要有一點(diǎn)固定門坎值。在沒有差電流時(shí)，由于模數(shù)轉(zhuǎn)換或計(jì)算誤差可能會(huì)有一定的輸出，若沒有一點(diǎn)固定門坎值，就會(huì)產(chǎn)生很大的誤差，甚至誤動(dòng)作。
　　電流門坎值中不僅要包含固定門坎值，還應(yīng)有差電流自己產(chǎn)生的分量。因?yàn)橛捎陔娏骰ジ衅鞯娘柡停诙斡苛鞯拈g斷角中有反向的電流。此反向的電流經(jīng)微分后仍有小的輸出，其大小與差電流成近乎正比的關(guān)系，因此門坎值中還要有一個(gè)與電流成正比的浮動(dòng)門坎值以恢復(fù)間斷角。
　　因而，在間斷角和波寬測量時(shí)采用如下的浮動(dòng)門坎值：
　　 TJDJ＝kJD*it＋I(xiàn)JD／IBL
　　TBK＝kBK*it＋I(xiàn)BK／IBL
　　其中，TJDJ、TBK分別代表某相間斷角無流浮動(dòng)門坎值和導(dǎo)數(shù)波寬浮動(dòng)門坎值；
　　it為一周內(nèi)各點(diǎn)電流采樣值絕對值的最大值；
　　kJD和kBK是比例系數(shù)；
　　IJD和IBK為門坎值的固定部分；
　　IBL為電流比例系數(shù)。
　　經(jīng)過TJDJ＝kJD*it+IJD／IBL和TBK＝kBK*it+IBK／IBL的浮點(diǎn)運(yùn)算得到以浮點(diǎn)數(shù)表示的IJDJ和IBK，取整后作為實(shí)際參與比較的門坎值。在本程序中，為方便調(diào)試把kJD、kBK、IJD和IBK都設(shè)為整定值的形式。TJDJ、TBK和it均為計(jì)數(shù)值的形式，無量綱；IJD和IBK為電流的形式，量綱為安培。
　　it所反映的是電流的大小，可以有多種取法。我們對比了取絕對值的最大值及半周積分等取法，實(shí)踐證明前者的動(dòng)作效果更好，運(yùn)算量更校對相同數(shù)值的差動(dòng)電流(濾波結(jié)果)，勵(lì)磁涌流與短路電流波形的明顯區(qū)別是：前者電流絕對值的最大瞬時(shí)值比后者的要大得多。因而采用電流絕對值的最大值來構(gòu)成浮動(dòng)門坎值，在勵(lì)磁涌流情況下，門坎值提得較高，有利于保護(hù)制動(dòng)；而內(nèi)部短路時(shí)，門坎值提高不多，有利于保護(hù)動(dòng)作。
　　在實(shí)際應(yīng)用中，kJD和IJD(或kBK和IBK)的取值也是受制約的。kJD和IJD(或kBK和IBK)取值較大，也即TJDJ(或TBK)較大，對判涌流是有利的，但內(nèi)部故障時(shí)也容易誤閉鎖保護(hù)；反之，若取值太小，則對判內(nèi)部故障有利，但勵(lì)磁涌流時(shí)保護(hù)易于誤動(dòng)作。
　　另外，kJD和IJD(或kBK和IBK)之間相對值的大小對保護(hù)也有影響。若kJD(或kBK)取值較大，而IJD(或IBK)取值較小，即TJDJ(或TBK)對電流it的變化率較大，則當(dāng)內(nèi)部故障時(shí)可能由于TJDJ(或TBK)太大而誤閉鎖保護(hù)；反之，則有可能由于TJDJ(或TBK)不能及時(shí)地跟蹤電流的增加，在勵(lì)磁涌流時(shí)導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)作。
　　總之，定值的選取既要經(jīng)過理論分析，還需經(jīng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步調(diào)整和檢驗(yàn)。
　　 3模擬實(shí)驗(yàn)及動(dòng)作行為分析
　　為了對保護(hù)的動(dòng)作性能進(jìn)行檢驗(yàn)，我們做了變壓器內(nèi)部故障實(shí)驗(yàn)，是在MRT-01多功能繼電保護(hù)測試儀上做的；變壓器空載合閘和空載合閘于內(nèi)部故障的實(shí)驗(yàn)，是在實(shí)驗(yàn)室的靜模系統(tǒng)上做的，此實(shí)驗(yàn)所用的變壓器是由三個(gè)單相變壓器組成的，單相變壓器的變比為2∶1，容量為500VA，變壓器高壓側(cè)電流互感器的變比為1∶1，低壓側(cè)電流互感器的變比為2∶1，變壓器高壓側(cè)的額定電流I1N＝2.28A，低壓側(cè)的額定電流I2N＝7.87A。通過以上實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所取的門坎值定值。
　　實(shí)驗(yàn)表明，該間斷角原理的變壓器微機(jī)保護(hù)實(shí)現(xiàn)簡單可靠，動(dòng)作行為良好。表現(xiàn)在：在變壓器空載合閘或內(nèi)部故障時(shí)，保護(hù)能分別正確制動(dòng)或動(dòng)作。在變壓器空載合閘于內(nèi)部故障時(shí)，間斷角原理的變壓器差動(dòng)保護(hù)能較快地動(dòng)作出口，動(dòng)作時(shí)間一般在30ms左右；而二次諧波原理的變壓器差動(dòng)保護(hù)則必須等到二次諧波成分衰減以后才能動(dòng)作出口，因此一般都要比前者延遲2個(gè)周期以上，體現(xiàn)了間斷角原理的優(yōu)越性。
　　此外，我們對VFC調(diào)零漂環(huán)節(jié)、線性插值環(huán)節(jié)和浮動(dòng)門坎值環(huán)節(jié)的實(shí)際作用進(jìn)行了考察。系統(tǒng)不同運(yùn)行情況下的實(shí)驗(yàn)表明：加和不加VFC自動(dòng)調(diào)零漂比較以及浮動(dòng)門坎值和固定門坎值比較，前者的保護(hù)性能都明顯好于后者，達(dá)到了預(yù)期的效果；而加不加線性插值則效果相同，只是加線性插值后保護(hù)出口要延遲2～3ms。
　　線性插值的作用主要體現(xiàn)在電流值(或電流導(dǎo)數(shù)值)與電流門坎值接近的區(qū)域。但由于線性插值本身的精度有限；同時(shí)個(gè)別采樣值的多計(jì)少計(jì)，使得插值結(jié)果也必然含有由此而來的誤差，試驗(yàn)中插值的效果不明顯。
　　 4硬件特性分析
　　4.1數(shù)據(jù)精度
　　VFC的滿刻度輸出頻率為4MHz，每周36點(diǎn)采樣時(shí)，若VFC以兩塊面積計(jì)數(shù)，則計(jì)數(shù)間隔內(nèi)所能計(jì)到的最大值為4×106×10-3×10／9≈4444，即該VFC型模數(shù)轉(zhuǎn)換相當(dāng)于普通12位的A／D。
　　4.2數(shù)據(jù)穩(wěn)定性分析
　　VFC滿刻度脈沖輸出頻率為4MHz，每周采樣36點(diǎn)之后，會(huì)給保護(hù)帶來什么樣的特點(diǎn)，與VFC滿刻度脈沖輸出頻率為2MHz，每周采樣12點(diǎn)有何不同，也是我們所關(guān)心的。
　　我們分析了在不加模擬輸入、零漂調(diào)為零時(shí)上述兩種情況下典型的采樣打印值，發(fā)現(xiàn)后者的部分采樣值多計(jì)了一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，有的多計(jì)了兩個(gè)，而沒有多計(jì)三個(gè)及三個(gè)以上脈沖的。
　　而前者多計(jì)、少計(jì)脈沖的情況要比后者中嚴(yán)重得多，個(gè)別采樣點(diǎn)多計(jì)、少計(jì)脈沖的個(gè)數(shù)達(dá)到四個(gè)，且一個(gè)點(diǎn)多計(jì)四個(gè)脈沖，往往下一個(gè)點(diǎn)要少計(jì)四個(gè)脈沖；對應(yīng)于電流值來說，在輸入電流為0.0A時(shí)，采樣得到的卻是+0.5A或-0.5A，在有輸入電流的情況下也有類似的情況。
　　分析表明，導(dǎo)致上述情況的主要原因是：采樣中斷請求時(shí)，由于個(gè)別長指令尚未執(zhí)行完畢，因而延緩了CPU進(jìn)入中斷服務(wù)程序讀取計(jì)數(shù)值，從而導(dǎo)致該時(shí)刻模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果偏大，而下個(gè)采樣時(shí)刻模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果又偏校
　　上述情況對于靠采樣瞬時(shí)值來逐點(diǎn)進(jìn)行判斷的間斷角原理的變壓器差動(dòng)保護(hù)來說是不利的。本文采用短指令等待和中斷等待兩種方法對其進(jìn)行了補(bǔ)償，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明后者的效果更好，采樣值在大多數(shù)情況下僅多計(jì)、少計(jì)一個(gè)脈沖，個(gè)別情況下多計(jì)、少計(jì)兩個(gè)脈沖。
　　 5結(jié)論
　　本文在現(xiàn)有的保護(hù)裝置基礎(chǔ)上，采用單CPU板的方案實(shí)現(xiàn)了間斷角原理的變壓器微機(jī)保護(hù)，實(shí)現(xiàn)過程中采用了VFC自動(dòng)調(diào)零漂、實(shí)時(shí)線性插值、浮動(dòng)門坎值等實(shí)用技術(shù)，實(shí)驗(yàn)表明該保護(hù)原理先進(jìn)、實(shí)現(xiàn)簡單、性能優(yōu)越，裝置整體性能基本達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的要求。
　　 收稿日期：1998-03-19劉建飛副教授北京100085
　　*本文所屬項(xiàng)目獲部級科技成果鑒定。
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