變壓器的差動保護整定計算及MATLAB仿真研究摘要隨著我們電力系統(tǒng)的發(fā)展，我們的電力系統(tǒng)基本上形成了大型電網(wǎng)、大型機組的布局、高壓傳輸和區(qū)域內聯(lián)合，變壓器在電力系統(tǒng)中起著重要作用，能夠變換電壓水平，大大減少了遠距離傳輸?shù)哪芰繐p失，變壓器故障會嚴重影響電力系統(tǒng)和變壓器故障率，因此，變壓器的安全和穩(wěn)定是電力系統(tǒng)中的一項重要任務。變壓器出現(xiàn)故障會對電力系統(tǒng)造成很大的影響，但是變壓器發(fā)生故障的頻率也很高，因此變壓器的維持安全穩(wěn)定運行是電力系統(tǒng)中很重要的一個課題。差動保護是變壓器的基本保護，其作用是消除變壓器的內部故障。在介紹開始時介紹了變壓器繼電保護的發(fā)展情況。變壓器繼電保護狀態(tài)，變壓器繼電保護技術目前存在問題。概述研究的背景和重要性，使關于差別保護的知識系統(tǒng)化；然后選擇型號為SFP9-150000/220的變壓器來平衡差動保護的參數(shù)，最后，使用MATLAB軟件模擬SFP9-150000/220模擬變壓器，在出現(xiàn)勵磁涌流時提供二次諧波制動分相差別保護，分側差動保護的動作情況,并進行分析。關鍵詞：變壓器；繼電保護；差動保護；仿真目錄摘要 變壓器差動保護整定計算本章結合第2章中匯編的理論知識計算變壓器SFP9-200000/110差動保護設置查找變壓器生產文獻，學習實際變壓器整定的相關知識，再選擇實際廠家生產的變壓器SFP9-200000/110，查看裝置設計說明書，最后統(tǒng)計參數(shù)結果為下一章的內容墊下基礎。差動保護和帶二次諧波制動的比率制動差動保護整定計算變壓器的計算參數(shù)在這里選擇實際生活中許繼電氣股份公司生產的220KV三相雙繞組變壓器（型號為SFP9-150000/220），查表得其計算參數(shù)如下REF_Ref71189825\r\h[24]；圖表STYLEREF1\s3SEQ圖表\*ARABIC\s11變壓器SFP9-150000/220計算參數(shù)變壓器型號：SFP9-150000/220額定容量150MVA額定電壓242/13.8kv連接組別YnD11額定電流高壓側：357.9ACT變比600/5低壓側：5498.6A6000/5二次側電流2.98A/4.58A平衡系數(shù)1/0.65系統(tǒng)阻抗0.0305/0.0668CT接線方式Y/Y計算變壓器各側差動平衡系數(shù)除了銘牌上給出的參數(shù)外，還需要計算電流互感器的二次電流、各側平衡系數(shù)，需要按照上面的參數(shù)表進行計算才能得到，下面詳細介紹計算方法：首先分別計算該變壓器高低壓側的一次側的額定電流REF_Ref71186781\r\h[22]：(3.1)(3.2)計算高壓側和低壓側具體的二次電流時，按變壓器接線方式選擇KJ具體數(shù)值，CT接線方式如表中時按照規(guī)定KJ取為1，N是電流互感器變比可以查表得為600/5和6000/5，下面分別計算高低壓側二次電流：(3.3)(3.4)對于變壓器兩側的平衡系數(shù)，有公式：在工程實用中，往往以變壓器高壓側流入裝置的二次電流為基準，因此把變壓器高壓側的平衡系數(shù)令為1，相對應的變壓器的低壓側差動平衡系數(shù)如下式：(3.6)計算變壓器差動保護的各整定值根據(jù)第二章，首先算高壓側保護裝置的最小動作電流，計算時需要躲過變壓器最大不平衡電流，在這里取為1.5，然后計算最大不平衡電流；考慮一二次側CT傳變引起的誤差CCT取0.08。除此之外還需要整定調壓產生的誤差，而能改變分接頭造成的最大誤差為0.05，還有變壓器傳變誤差na在這里取0.02[26]，可得最大不平衡電流為：(3.7)這里還可以直接取額定電流的0.2~0.5倍，來簡化計算：(3.8)最小制動電流與高壓側的二次電流數(shù)值上相近，這是因為計算最小制動電流時，變壓器處于正常運行狀態(tài)，其中不平衡電流小，導致動作電流不需要隨制動電流變換，所以有：(3.12)(3.13)帶二次諧波制動的比率制動差動保護的計算由第二章描述可知，這里我們將二次諧波大小與基波大小之比與K2比較大小來作為判據(jù)來區(qū)別勵磁涌流和故障電流，在該畢業(yè)設計里令K2=0.15。分側差動保護的計算關于分側差動保護是參考變壓器差動保護的整定方法，其實與變壓器差動保護的整定計算相似，需要計算最小動作電流（一般情況下與差動保護值相近）、起始制動電流（一般情況下比差動保護小）：(3.14)(3.15)變壓器三種差動保護的仿真為了模擬變壓器故障過程并驗證保護裝置，可以按照第三章中配置的參數(shù)運行，并在故障過程中詳細模擬變壓器電壓和電流變化曲線。S函數(shù)(S-function)的基礎知識S函數(shù)簡介S函數(shù)其實就是系統(tǒng)函數(shù)的意思，在Matlab中使用S函數(shù)比使用fountion處理時變系統(tǒng)和較為復雜的邏輯判斷有著比較好性能。S函數(shù)在處理計算上有著顯著優(yōu)勢能大大提高運行效率比搭建信號模塊節(jié)省時間。在Matlab仿真中，使用S-foution可以很容易地添加一個自制的組件來實現(xiàn)自己的算法，還會有一個調用格式，這是非常常見的。S函數(shù)可以設置與搭建的仿真模型相連的輸入與輸出信號，并能將數(shù)字信號反饋給使用者搭建的系統(tǒng)中，把數(shù)學邏輯和計算與仿真模擬模型相互連接，能將動態(tài)的復雜系統(tǒng)的數(shù)學邏輯運算簡化。S函數(shù)在模型中的使用圖STYLEREF1\s4.SEQ圖\*ARABIC\s11M文件下的S-函數(shù)流程圖S函數(shù)仿真流程圖如上圖3.1所示，由圖可推得，編寫S函數(shù)有如下幾個主要過程：首先將一個S-Function函數(shù)從函數(shù)塊庫里找出來組合到一個Simulink模型里。接著對它內部編碼，第一步把用初始化的函數(shù)mdllnitializeSizes定義模塊類型并把參數(shù)在原件頁面輸入進去。第二步用mdlOutputs來定義S函數(shù)在這個模塊里需要輸出的值，接著設計子函數(shù)1：將輸入值初始化，然后定義連續(xù)、離散、輸入輸出狀態(tài)的個數(shù)，并在這時加入輸入?yún)?shù)的值還要注意采樣時間，在連續(xù)狀態(tài)時設置采樣時間，當設置為[0,0]時表示與Simulink默認仿真時間相同，[-1,0]表示為繼承連接原件的仿真時間；子函數(shù)2：對輸入數(shù)值進行運算，這里主要時將高低壓側電流分別求有效值后，按差動保護整定原理來計算各相差動電流與制動電流，最后設置動作判據(jù)，用且的程序語言來實現(xiàn)差動保護制動曲線為折線，即能保證制動電流在大于或小于制動電流時分開計算的邏輯，用或的程序語言來實現(xiàn)變壓器只要有一相故障就會跳閘，隨后Simulink按之前設定好了的順序去執(zhí)行每個塊并形成一個循環(huán)計算每一次輸出，Simulink就是在不同的采樣時間里按照優(yōu)先級調用函數(shù)以運算該塊當前狀態(tài)，這樣不停地導出和輸入地不停循環(huán)直到該仿真結束。M-文件的S函數(shù)第一步給出M-文件的S函數(shù)的MATLAB函數(shù)：首先給出S-Function的函數(shù)名f，然后是設定當前的時間t，給出對應塊的狀態(tài)向量為x，塊對應的輸入u，將要被執(zhí)行的任務和輸入?yún)?shù)：仿真模擬勵磁涌流、差動電流及制動電流的波形與分析監(jiān)測變壓器空載合閘的勵磁涌流仿真建模如下：圖STYLEREF1\s4.SEQ圖\*ARABIC\s12反映變壓器空載合閘時產生的勵磁涌流電路模型圖為觀察空載合閘時產生的勵磁涌流電路仿真：此處仿真的變壓器的具體參數(shù)要根據(jù)第三章里給出的REF_Ref71228390\h表3-1變壓器SFP9-150000/220計算參數(shù)設計，把型號為SFP9-150000/220的變壓器的各項參數(shù)都先比對到本文的變壓器中，此外還需要設計變壓器鐵芯的飽和來體現(xiàn)對勵磁電流的模擬。將三相電源接入三相電流測量器再接一個三相合閘開關，最后接入變壓器，變壓器低壓側什么也不接來達到空載的目的。可以設置三相合閘開關在指定時間合閘，合閘后通過觀察三相電流測量器的輸出端所接示波器來，觀察三相電流是否呈現(xiàn)出勵磁波形并將示波器里的圖形導出MATLAB工程文件里便于后期一起導出圖像。仿真后示波器上的ABC三相勵磁涌流波形如下圖：圖STYLEREF1\s4.SEQ圖\*ARABIC\s13體現(xiàn)變壓器空載合閘時的勵磁涌流波形圖反映變壓器外部故障后恢復時出現(xiàn)的勵磁涌流仿真建模如下：圖STYLEREF1\s4.SEQ圖\*ARABIC\s14 監(jiān)測變壓器外部故障電流的設計圖為觀察變壓器外部故障后電壓恢復時產生的差動電流電路仿真：在兩端三相電源后設計一個三相監(jiān)測器，這里以A相電流為例，分別把高壓側的IMA和低壓側的INA導出到圖4.4下方的邏輯部分中，按照式（2.22）、（2.23）、（2.24）對兩相電流分別添加gain模塊、sum模塊進行加減、整定，即將高壓側A、B相電流從測量裝置中引出并相減再通過倍乘模塊乘以根號三分之一，用這個電流與低壓側電流相加再通過0.5倍的gain這時輸出的電流就是按平均值法整定下的A相制動電流，同樣的邏輯，A相差動電流也可以通過折算后的高壓側電流和低壓側電流得到。設計圖中再低壓側電流處加了一個反向裝置，從而能更直觀地i觀察制動電流與差動電流關系。最后設計了一個示波器來便于展示外部故障后電壓恢復時高低壓側電流波形、制動電流的波形和差動電流的波形。設置變壓器區(qū)外故障模塊的故障時間和切除時間后，將變壓器合閘并運行，得到以下變壓器外部故障時的電流波形：由圖中可以看出，發(fā)生變壓外接線處的區(qū)外故障時，變壓器保護不動作。故障切除后合閘，差動電流會明顯大于制動電流，且變壓器高壓側電流會遠遠高于低壓側電流。仿真模擬在比率制動差動保護空載合閘產生的涌流建立模型如下：圖STYLEREF1\s4.SEQ圖\*ARABIC\s15分相比率制動差動保護的外部設計圖圖STYLEREF1\s4.SEQ圖\*ARABIC\s16分相比率制動差動保護封裝內設計圖為設計按比率制動的差動保護：由三相電源接入三相電流檢測器再通過一個三相控制開合閘開關接到按REF_Ref71228390\h圖表31變壓器SFP9-150000/220計算參數(shù)設定的含有鐵芯且具有飽和特性的按Yd11連接的變壓器中，兩個電流檢測器的輸出值各相高、低壓側電流值，一共六個量，分別輸入到封裝模塊內，對于輸入的高壓側電流需要通過11倍的增益元件，再對這六個值做傅里葉變換，計算出12個u(x)作為S函數(shù)的輸入。S函數(shù)的設計邏輯是這樣的：已知6個電流的幅值和相角，首先可以通過（2.22）式、（2.23）式、（2.24）式對12個u(x)進行計算來求出各相差動電流與制動電流共6個量，這是第一個子函數(shù)。接著在設計一個子函數(shù)：通過一個if函數(shù)來實現(xiàn)：若差動電流在某一時刻大于最小動作電流且滿足（2.21）式式中最小動作電流和起始制動電流以及比率制動系數(shù)在第三中已經通過計算得出，則變壓器動作輸出1，經過遲滯比較器后輸出為0，遲滯比較器后接三相控制開關來控制開合閘，則斷路器開閘，以起到保護變壓器的作用。首先做個對照組，在設計圖上接上三相負載來運行一個變壓器正常工作時的仿真，出現(xiàn)如下REF_Ref71238339\h圖4.7變壓器正常運行時電流波形和控制信號輸出圖，正常運行時保護沒有出現(xiàn)誤動控制信號輸出為1且開關保持關合狀態(tài)；圖STYLEREF1\s4.SEQ圖\*ARABIC\s17變壓器正常運行時電流波形和控制信號輸出圖接著在變壓器空載合閘時，觀察三相電流的波形曲線，這里合閘時間為t=0時合閘，由遲滯比較器輸出邏輯明顯不對，可得出該比率制差動保護的變壓器會在勵磁電流下發(fā)生誤動的結論。圖STYLEREF1\s4.SEQ圖\*ARABIC\s18比率制差動保護的變壓器空載合閘時三相電流和控制信號輸出情況圖仿真模擬帶有二次諧波諧波制動差動保護變壓器在空載合閘時產生的涌流圖STYLEREF1\s圖STYLEREF1\s4.SEQ圖\*ARABIC\s19變壓器比率制動差動保護設計圖圖圖STYLEREF1\s4.SEQ圖\*ARABIC\s110封裝模塊內部設計圖為實現(xiàn)帶二次諧波的差動保護設計：由220kv的三相電源接入一個三相電流檢測器再通過三個控制開合閘開關接到按圖表31變壓器SFP9-150000/220計算參數(shù)設定的含有鐵芯且具有飽和特性的按Yd11連接的變壓器中，兩個電流檢測器的輸出值各相高、低壓側電流值，一共六個量，分別輸入到兩個封裝模塊內，在第一個模塊里傅里葉元件同差動保護的封裝模塊設計一樣，得到基波電流的幅值相位，在第二個模塊里傅里葉元件計算出二次諧波的幅值和相位，同樣的對于輸入的高壓側電流需要通過11倍的增益元件，最后一共產生12個u(x)，把這12個u(x)作為帶二次諧波的差動保護設計的S函數(shù)的輸入量。S函數(shù)的設計思路：導入數(shù)據(jù)后，第一個子函數(shù)的邏輯同設計差動保護時一樣，即設計函數(shù)分別計算基波分量和二次諧波分量下對于的差動電流共6個數(shù)據(jù)。第二個子函數(shù)是根據(jù)二次諧波制動條件對差動保護進行閉鎖，第三章已經給出：若任意一相計算出的二次諧波差動電流大于0.15倍的基波電流，說明存在勵磁涌流，該S函數(shù)則輸出0。該S函數(shù)對比率式差動保護形成閉鎖變壓器勵磁涌流對分側差動保護的影響分析設計仿真電路圖如下：圖4.11分側各相差動保護電路外部設計圖圖圖STYLEREF1\s4.SEQ圖\*ARABIC\s111封裝模塊內部設計圖電路設計思路如下：圖3.14裝分側差動保護的變壓器空載合閘時高壓側三相波形及保護動作情況可見變壓器出現(xiàn)勵磁涌流時，分側差動保護未動作，說明變壓器出現(xiàn)勵磁涌流時，分側差動保護不會誤動。畢業(yè)設計總結本畢業(yè)論文首先參考了各種文件，了解變壓器繼電保護的發(fā)展歷史，目前的狀況，問題。其次是變壓器比例的差動保護，二次諧波制動差動保護，基本的差動保護知識概括，保護原則，保護整定的數(shù)設置，計算方法，靈敏度控制技術和其他理論知識。然后選擇實際的SFP9-150000/220變壓器，這是基于對差動保護理論知識的綜合，定義了差動保護的參數(shù)。最后進行采用MATLAB軟件仿真實際變壓器SFP9-150000/220空載合閘的情況下，比率制動分相差動保護、帶二次諧波制動的比率制動差動保護和分側差動保護的動作情況，發(fā)現(xiàn)當變壓器空載合閘產生勵磁涌流時分相差動保護誤動、帶有二次諧波制動的比率制動差動保護和分側差動保護不會誤動，驗證的差動保護理論的可行性、差動保護整定計算的正確性。驗證了的分相比率制動差動保護在變壓器空載合閘產生勵磁涌流時會出現(xiàn)誤動，帶有二次諧波制動的分相比率制動差動保護可以有效防止差動保護變壓器空載合閘出現(xiàn)誤動，分側差動保護在變壓器空載合閘產生勵磁涌流時不會誤動的理論。參考文獻王雪民,崔海霞.電力變壓器保護原理和技術的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J].廣東輸電與變電技術，2004（5）：18-21.胡海平.探討電力變壓器保護技術的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J].通訊世界,2013（21）:71-72.王志文,公茂法,李嵐冰,劉濤,蘇彥平,張言攀.基于小波變換的變壓器保護裝置的研究[J].電子質量,2013(09):4-7.盧雪峰.變壓器勵磁涌流多判據(jù)的模糊識別[D].華北電力大學（河北）,2007.劉亞麗,李怡,鄧命.基于人工神經網(wǎng)絡的電力變壓器故障診斷[J].電腦知識與技術,2016,12(32):174-176.黃寶民,張晶.電力系統(tǒng)繼電保護的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].科技資訊，2006（14）：15-17.王維儉.發(fā)電機變壓器繼電保護應用（第二版）[M].北京:中國電力出版社，2005.鄭崗．變壓器差動保護防誤動措施研究[D].成都:西南交通大學，2010.周玉蘭，許勇，王俊永，等.2000年全國電力系統(tǒng)繼電保護與安全自動裝置運行情況[J].電網(wǎng)技術，2001，25(8):63-66,75.張彩艷.內橋接線的寶泉變電站主變壓器差動保護的研究[D].天津大學.2012張榮海．變壓器勵磁涌流的識別與抑制技術研究[D].重慶大學2010張烈,王德林,劉亞東,周澤昕,呂鵬飛,王志潔,李妍霏,劉宇,申華,楊國生.國家電網(wǎng)2