换流变压器差动保护调试软件的开发与应用

2017-03-31宋海龙尹琦云

宁夏电力 2017年6期

宋海龙，史　磊，尹琦云

（国网宁夏电力公司检修公司，宁夏银川 750011）

在高压直流输电系统中，换流变压器不同于其他常规交流变压器，当换流变压器发生故障而保护正确动作时，会至少造成直流单阀组闭锁［1］，直接损失直流功率可高达2 GW，因此换流变压器保护动作的可靠性至关重要［2］。以特高压直流换流站为例，全站配置换流变压器保护共12套，其保护调试项目比常规变压器多而且复杂，调试难度系数更大［3］，特别在年度停电检修或因板卡故障进行更换时，换流变压器保护校验将会耗费大量停电检修时间［4］，尤其是换流变压器差动保护调试以往多采用全人工计算方法，计算量大且计算过程繁琐，浪费大量人力物力，严重制约检修调试工作的开展［5-6］。

1　现状及问题分析

1.1　现状分析

直流换流站换流变压器保护调试项目数量较多，主要包括大差比率差动保护、小差比率差动保护、引线差比率差动保护、绕组差比率差动保护、过激磁保护、饱和保护和过负荷保护等内容［7］。其中，换流变压器差动保护数量占总调试数量比例约80%，其保护调试工作复杂且难度系数大。每套换流变压器保护调试时间约16 h，而差动保护测试电流计算时间约10 h，约占换流变压器保护调试总时间的63%，因此，换流变压器差动保护调试时间的长短基本决定着换流变压器保护调试的总时间［8］。

换流变压器差动保护调试时间过长，工作效率过低，其影响因素主要有以下两个方面：

（1）从内部因素看，以往换流变压器差动保护调试主要依靠经验校验方法，其差动保护测试电流通常依靠全人工计算，即通过计算确定一侧输入电流，在另一侧输入不同电流，直到保护装置动作，再记录和分析相关试验数据，其方法陈旧，计算过程繁琐，精度不可靠［9］。

（2）从外部需求看，当换流站年度停电检修或因板卡故障更换保护插件后，运维要求换流变压器需尽快恢复运行，但是差动保护测试电流的计算量很大，耗时较长，人力成本投入较大，经济和社会效益较低［10］。

1.2　存在的问题

（1）以往采用经验校验法，其差动保护测试电流通常依靠全人工计算，方法陈旧，精度不可靠。

（2）差动保护装置调试检修时，计算过程繁琐，耗时较长，严重影响换流变压器的恢复运行，事故应急处置效果较差。

（3）差动保护测试电流计算量很大，需要投入大量的人力物力，其经济和社会效益较低。

2　软件开发及应用

2.1　软件开发

为了减少现场调试人员工作量，缩短换流变压器保护调试时间，提高差动保护测试电流计算精度［11］，急需提出一种新技术、新方法解决以上问题。利用VS 2010编程软件［12］开发了一款“换流变压器差动保护测试电流计算软件”用来实现对换流变压器差动保护测试电流的快速计算，将所算得测试电流参考值输入到继保调试仪中，即可完成差动保护功能的正确校验［13］，从而提高换流变压器保护调试的工作效率，降低生产成本，减少检修工期的同时增加直流外送时间［14］。

换流变压器差动保护调试项目较多，主要包括换流变大差比率差动保护、小差比率差动保护、引线差比率差动保护和绕组差比率差动保护等［15］。以“换流变压器大差比率差动保护”为例，其保护动作曲线如图1所示。其中，纵坐标差动电流Id=m×IE，横坐标制动电流Ir=n×IE，单位为A，m、n均为常数。

图1　换流变压器大差比率差动保护动作曲线

从图1可知，换流变压器大差比率差动保护包括差动速断保护、低值比率差动保护和高值比率差动保护等内容[16]。根据换流变压器保护大差比率差动电流与其测试电流之间的对应关系，计算换流变压器各侧二次额定电流值、各侧差动启动电流定值和速断电流定值，然后结合换流变压器大差比率差动保护动作曲线，最终推导出差动保护测试电流计算公式。

式中：I1—换流变网侧开关1测试电流值，A；

I2—换流变网侧开关2测试电流值，A；

IE1…m—换流变压器各侧二次额定电流值，A；

x0—试验校验点的横坐标，A；

I0—差动启动电流初始值，A；

k1—比率差动保护第1段曲线斜率；

k2—比率差动保护第2段曲线斜率；

k3—比率差动保护第3段曲线斜率。

基于换流变压器差动保护测试电流推导计算方法，该软件开发流程主要包括以下3个部分：

（1）对软件进行需求分析。一方面常规计算方式依赖人工计算或试验平台进行调试［17］，其耗时长、精度低、使用不便，而采用基于Windows的exe应用程序，有效解决以上限制问题；另一方面常规计算需要每次将变压器额定功率、电压、变比等参数手动输入计算仪器，缺少复用性，而本软件涵盖了参数预设功能，可以实现一次预设，多次调用［18］；此外，本软件预留有计算界面跳转接口，方便用户实现可视化操作。

（2）设计基于MFC框架下的大差保护人机界面和计算逻辑。本软件参与计算的主要逻辑参数有两组：一组是换流变压器基本参数，另一组是经过计算的差动保护中间电流数据。本软件在人机交互界面中获取用户输入的校验点参数，在计算逻辑层调用差动保护算法，从而实现测试电流的计算和输出，再依据计算结果来调用图形动态显示算法，从而实现图形图像显示功能［19］。

（3）使用相应条件的数据输入对大差低值差动保护进行条件测试、边界测试和全覆盖测试，从而判断计算结果和图像显示是否正确，并生成测试报告［20］。同样地，其他差动保护模块开发流程类似，所有保护测试完成后生成用户使用说明书。

2.2　软件应用

“换流变压器差动保护测试电流计算软件”共包括“换流变压器大差比率差动保护”、“换流变压器小差比率差动保护”、“换流变压器引线差差动保护”和“换流变压器绕组差差动保护”4大项、11小项差动保护测试电流计算功能，其计算软件流程如图2所示。

图2　换流变差动保护测试电流计算软件流程

从图2可知，利用VS2010软件进行软件开发，按照“开始”→“打开软件”→“变压器参数设置”→“参数保存”→“选择试验项目”→“输入试验数据”→“测试电流计算”→“测试电流结果显示”→“结束”步骤进行编程，对软件主界面及各个计算界面的输入、保存、计算和显示等功能进行反复校验，并对测试电流计算结果逐个进行试验验证，最终形成一款便捷而实用的“换流变压器差动保护测试电流计算软件”，为缩短换流变保护调试时间找到了一种新方法。

2.3　应用实例

以“换流变压器大差低值比率差动保护”为例，使用计算软件对大差低值差动保护动作曲线斜率k=0.5及k=0.75时测试电流进行计算，按照软件流程图，换流变压器差动保护测试电流计算软件的具体操作方法如下：

（1）打开软件。双击打开“换流变压器差动保护测试电流计算软件”。

（2）变压器参数设置。点击“参数设定”，在参数设定界面依次输入待调试变压器各种参数，软件默认为常见换流变压器参数，点击“保存”，核对参数后，点击“确定”并退出“参数设定”界面。

（3）选择试验项目。点击“大差计算”，选择“大差低值”项目，进入“换流变压器大差低值比率差动保护”测试电流计算界面。

（4）曲线斜率k=0.5时测试电流计算。依据大差低值差动保护所校验动作曲线斜率k=0.5，输入变量 x0=0.6 A、I0=0.5 A、k1=0.2、k2=0.5数值，点击“计算”，即可得出大差低值比率差动保护曲线斜率k=0.5时测点1与测点2之间的一组测试电流参考值I1=0.691 A、I2=0.205 A。曲线斜率k=0.5时大差低值差动保护所需4个测点之间的测试电流参考值，如表1所示。

表1　动作曲线斜率k=0.5时测试电流计算结果

（5）曲线斜率k=0.75时测试电流计算。同样地，依据大差低值差动保护所校验动作曲线斜率 k=0.75，输入变量 x0=6.6 A、I0=0.5 A、k1=0.2、k2=0.5、k3=0.75数值，点击“计算”，即可得出大差低值比率差动保护曲线斜率k=0.75时测点1与测点2之间的一组测试电流参考值 I1=6.348 A、I2=3.509 A。曲线斜率k=0.75时大差低值差动保护所需4个测点之间的测试电流参考值，如表2所示。