閱讀提示：本文約4700字，建議收藏后閱讀！

南京國(guó)電南自電網(wǎng)自動(dòng)化有限公司的王哲、郭曉、行武在2024年第8期《電氣技術(shù)》上撰文對(duì)海外市場(chǎng)變壓器保護(hù)配置方案進(jìn)行研究，給出包括主保護(hù)、后備保護(hù)及非電量保護(hù)的完整配置方案；對(duì)海外電網(wǎng)變壓器繼電保護(hù)相關(guān)的差動(dòng)曲線整定、零序反時(shí)限保護(hù)、中性點(diǎn)接地、非電量保護(hù)電流閉鎖、IEC 61850 ed2.0等進(jìn)行研究并給出具體的解決方案。

隨著中國(guó)智能制造能力的提高和與國(guó)際經(jīng)濟(jì)交流的增多，越來(lái)越多的國(guó)產(chǎn)電力二次設(shè)備、技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)走出國(guó)門(mén)。二次設(shè)備在國(guó)外多應(yīng)用于工程總承包項(xiàng)目（engineering procurement construction, EPC）中，其繼電保護(hù)設(shè)計(jì)方案不僅要滿足我國(guó)相關(guān)的規(guī)程規(guī)范，還要適應(yīng)當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)用戶的要求及習(xí)慣。

由于國(guó)外繼電保護(hù)及自動(dòng)化系統(tǒng)的規(guī)范要求與國(guó)內(nèi)存在較大差異，國(guó)內(nèi)電網(wǎng)業(yè)已成熟的繼電保護(hù)配置方案難以適用于海外市場(chǎng)，而目前業(yè)界對(duì)海外市場(chǎng)變電站繼電保護(hù)配置的研究存在不足。有文獻(xiàn)總結(jié)了微機(jī)繼電保護(hù)及其自動(dòng)化系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外電網(wǎng)中的差異，但只針對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)通信配置方面，對(duì)繼電保護(hù)配置方面的研究不足。

有文獻(xiàn)對(duì)印度尼西亞某水電站的繼電保護(hù)配置進(jìn)行研究，給出了具體的配置方案，但大體上仍采用國(guó)內(nèi)成熟的繼電保護(hù)產(chǎn)品，標(biāo)準(zhǔn)上仍然使用我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)如IEC、IEEE、ANSI等的研究和使用不足。

有文獻(xiàn)基于對(duì)國(guó)外某城市電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及電力設(shè)備特點(diǎn)的分析，提出了滿足該電網(wǎng)安全運(yùn)行要求的保護(hù)配置方案和保護(hù)裝置選型方案，但整定原則仍然依據(jù)國(guó)內(nèi)的繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程，且整定計(jì)算局限于傳統(tǒng)的線路距離保護(hù)整定方法及主變差動(dòng)保護(hù)，對(duì)電流互感器飽和及勵(lì)磁涌流情況下的主變定值整定研究不足。有文獻(xiàn)以換流變壓器實(shí)際工程配置的保護(hù)裝置為研究對(duì)象，定量分析不同位置短路故障下不同差動(dòng)保護(hù)方案的動(dòng)作特性。

有文獻(xiàn)以 △→Y 處理方式下的保護(hù)裝置為例，研究不同接線差動(dòng)電流相位校正和幅值校正原理，以及常規(guī)接線調(diào)試方法下，模擬單相故障時(shí)的縱差保護(hù)動(dòng)作情況。 為準(zhǔn)確模擬單相故障情況下，保護(hù)裝置對(duì)故障相的準(zhǔn)確判定，對(duì)接線方式進(jìn)行優(yōu)化處理。有 文獻(xiàn)提出一種有別于常規(guī)幅值法的相位校驗(yàn)法來(lái)校驗(yàn)主變穩(wěn)態(tài)比率制動(dòng)差動(dòng)保護(hù)斜率。有 文獻(xiàn)在分析變壓器保護(hù)誤動(dòng)原因的基礎(chǔ)上，提出繼電保護(hù)設(shè)備生產(chǎn)制造和運(yùn)行維護(hù)中應(yīng)注意的事項(xiàng)及應(yīng)采取的措施，為運(yùn)維人員的保護(hù)裝置檢查與處理工作提供參考，但所提方案僅從管理角度出發(fā)，未能提出有效的技術(shù)手段防止裝置誤動(dòng)。

針對(duì)以上研究的不足，本文對(duì)海外國(guó)家電網(wǎng)變壓器一次系統(tǒng)進(jìn)行分析，總結(jié)出一套能適應(yīng)不同海外地區(qū)的變壓器保護(hù)配置方案，以適應(yīng)海外電網(wǎng)的特殊要求；針對(duì)勵(lì)磁涌流和電流互感器（current transformer, CT）飽和等變壓器保護(hù)特殊問(wèn)題進(jìn)行分析，提出基于小區(qū)無(wú)差流加二、三次諧波的CT飽和新判據(jù)。借鑒IEC、ANSI相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)配置反時(shí)限保護(hù)，并給出反時(shí)限保護(hù)具體方程。

為更好地指導(dǎo)工程應(yīng)用，對(duì)海外電網(wǎng)變壓器保護(hù)屏柜和操作回路與國(guó)內(nèi)電網(wǎng)的差異進(jìn)行分析，詳細(xì)介紹保持繼電器回路。隨后，對(duì)站控層網(wǎng)絡(luò)及IEC 61850 ed2.0相關(guān)要求進(jìn)行研究，給出基于冗余網(wǎng)絡(luò)并行冗余協(xié)議（parallel redundancy protocol, PRP）的站控層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞桨负拖鄳?yīng)的IEC 61850 ed2.0修改點(diǎn)。

總體配置方案

國(guó)外電網(wǎng)變壓器保護(hù)配置較為靈活，有主保護(hù)和后備保護(hù)一體化配置，此種配置裝置集成度非常高，一臺(tái)普通的變壓器保護(hù)裝置集成了差動(dòng)保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)、過(guò)電壓保護(hù)、距離保護(hù)、頻率保護(hù)、失靈保護(hù)、三相不一致保護(hù)、零序保護(hù)、高阻抗保護(hù)、測(cè)控等十余種功能，裝置配置復(fù)雜，對(duì)硬件要求高且無(wú)冗余性，單一裝置損壞將失去全部的保護(hù)功能。

工程應(yīng)用中推薦主保護(hù)和后備保護(hù)分體配置方案，本文對(duì)分體配置方案進(jìn)行研究，對(duì)重要保護(hù)功能進(jìn)行精簡(jiǎn)，并對(duì)保護(hù)功能的主保護(hù)裝置和后備保護(hù)裝置分配進(jìn)行合理劃分，主保護(hù)裝置包含差動(dòng)保護(hù)（87T）、過(guò)電壓保護(hù)（59G）和測(cè)控功能，后備保護(hù)裝置包括過(guò)電流保護(hù)（51P、51S）和零序保護(hù)（51PN、51SN）功能，并且變壓器各側(cè)單獨(dú)配置一套后備保護(hù)。

此外，還單獨(dú)配置單套的非電量保護(hù)用于識(shí)別變壓器內(nèi)部故障。適用海外電網(wǎng)的變壓器保護(hù)整體配置方案如圖1所示。

TA1、TA4分別為變壓器高、低壓側(cè)CT，輸入變壓器主保護(hù)裝置進(jìn)入差動(dòng)保護(hù)計(jì)算。TA7為低壓側(cè)中性點(diǎn)零序電流小電流比CT，輸入變壓器主保護(hù)裝置作為零序過(guò)電壓保護(hù)輔助判別。TA2為高壓側(cè)開(kāi)關(guān)內(nèi)側(cè)電流CT，輸入高壓側(cè)后備保護(hù)裝置進(jìn)行過(guò)電流保護(hù)計(jì)算。TA5為高壓側(cè)中性點(diǎn)零序電流CT，輸入高壓側(cè)后備保護(hù)裝置進(jìn)入零序過(guò)電流保護(hù)計(jì)算。TA3為低壓側(cè)開(kāi)關(guān)內(nèi)側(cè)電流CT，輸入低壓側(cè)后備保護(hù)裝置作為過(guò)電流保護(hù)計(jì)算。TA6為低壓側(cè)中性點(diǎn)零序電流CT，輸入低壓側(cè)后備保護(hù)裝置進(jìn)入零序過(guò)電流保護(hù)計(jì)算。

圖1 適用海外電網(wǎng)的變壓器保護(hù)整體配置方案

1.1 主保護(hù)裝置保護(hù)配置

1）差動(dòng)保護(hù)

變壓器差動(dòng)保護(hù)在滿足差動(dòng)曲線后，經(jīng)勵(lì)磁涌流判別和CT飽和判別再動(dòng)作。下文對(duì)裝置的勵(lì)磁涌流判別和CT飽和判別做簡(jiǎn)要分析。

（1）勵(lì)磁涌流判別

目前，針對(duì)變壓器勵(lì)磁涌流判據(jù)的研究已有較多文獻(xiàn)，例如：文獻(xiàn)通過(guò)分析勵(lì)磁涌流與主變區(qū)內(nèi)正常故障差流波形對(duì)稱度差異，提出一種基于差流偏度系數(shù)的勵(lì)磁涌流識(shí)別方法；文獻(xiàn)分析了變壓器勵(lì)磁涌流產(chǎn)生的機(jī)理與抑制方法；文獻(xiàn)提出一種全零點(diǎn)濾波器，能夠較為精確地提取勵(lì)磁涌流基波和二次諧波分量。

國(guó)外用戶勵(lì)磁涌流判據(jù)的使用習(xí)慣與國(guó)內(nèi)差異較大，國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化變壓器保護(hù)裝置不設(shè)定勵(lì)磁涌流判別控制字，往往采用綜合判據(jù)進(jìn)行勵(lì)磁涌流判別，難以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的定量測(cè)試。海外用戶習(xí)慣對(duì)勵(lì)磁涌流判別原理進(jìn)行規(guī)定，特別是二次諧波閉鎖原理，要求保護(hù)裝置能提供明確的閉鎖原理，并且能精確測(cè)試。一般至少提供三種二次諧波閉鎖原理，方便用戶根據(jù)需求選擇，控制字分別為分相閉鎖、交叉閉鎖及最大比最大閉鎖，即0—分相閉鎖，1—交叉閉鎖，2—最大比最大閉鎖。

（2）CT飽和判別

CT飽和也是變壓器保護(hù)在國(guó)外電網(wǎng)應(yīng)用中爭(zhēng)議較大的一個(gè)方面。國(guó)內(nèi)變壓器CT飽和判據(jù)較多采用時(shí)差法。時(shí)差法利用差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間和故障啟動(dòng)時(shí)間之間存在時(shí)間差的原理，但在工程實(shí)踐中的具體判據(jù)較為復(fù)雜，時(shí)間差的計(jì)算方式和閾值的選取尚無(wú)定論。由于知識(shí)產(chǎn)權(quán)等因素，國(guó)內(nèi)變壓器保護(hù)制造廠家在自身原理闡述上也較為模糊，在海外市場(chǎng)進(jìn)行入網(wǎng)測(cè)試時(shí)，CT飽和判據(jù)往往引起較大爭(zhēng)議，給用戶帶來(lái)困擾。

式1-3

（3）差動(dòng)曲線

式4-6

表1 三種制動(dòng)方式對(duì)比

從以上分析可以看出，變壓器不同制動(dòng)方式下的靈敏性和抗飽和特性存在一定矛盾，應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際需求合理選取。

2）零序過(guò)電壓保護(hù)

式7

表2 反時(shí)限曲線參數(shù)

圖2 接地系統(tǒng)判別

式8

1.2 非電量保護(hù)裝置配置

國(guó)外非電量保護(hù)功能模塊由開(kāi)入為主導(dǎo)，還引入電量判據(jù)，所以適用于海外市場(chǎng)的非電量保護(hù)宜支持電流采樣接入判據(jù)。裝置宜支持接入四種非電量96P/D/B/T故障開(kāi)入類型（分三相，對(duì)應(yīng)重氣體、壓力釋放、輕氣體等）。

引入電量主要是增加大電流閉鎖功能，因?yàn)樵谥髯儏^(qū)外故障時(shí)，雖然沒(méi)有差流，但是會(huì)有較大的穿越性電流流過(guò)變壓器，穿越性電流產(chǎn)生的短路電動(dòng)力使變壓器繞組緊縮、膨脹并影響內(nèi)部油流，導(dǎo)致油流涌動(dòng)同時(shí)沖擊氣體繼電器造成重氣體保護(hù)跳閘誤動(dòng)。將大電流閉鎖邏輯加入非電量保護(hù)（主要是重氣體保護(hù)）中，可有效防止非電量保護(hù)在主變區(qū)外故障存在較大穿越性電流時(shí)誤動(dòng)。

非電量保護(hù)整體功能模塊如圖3所示。非電量保護(hù)一共有96P/D/B/T四個(gè)功能模塊，共12個(gè)開(kāi)入。

1.3 屏柜配置與操作回路

圖4為海外電網(wǎng)典型的變壓器保護(hù)屏柜示意圖，從圖4可以看出，屏柜配置與國(guó)內(nèi)差異較大，變壓器保護(hù)裝置共配置4臺(tái)，主保護(hù)裝置1臺(tái)，高、低后備保護(hù)裝置各1臺(tái)，非電量保護(hù)裝置1臺(tái)，另外還配置有電壓切換裝置。

海外電網(wǎng)斷路器回路不使用操作箱，而是使用保持繼電器（86T），這是國(guó)內(nèi)電網(wǎng)保護(hù)與國(guó)外電網(wǎng)保護(hù)在二次回路上差異較大的地方。在斷路器的跳閘回路中并聯(lián)86T繼電器的常開(kāi)觸點(diǎn)。變壓器保護(hù)動(dòng)作后，啟動(dòng)繼電器，常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，保持?jǐn)嗦菲魈l線圈帶電，直到手動(dòng)對(duì)繼電器進(jìn)行復(fù)歸，跳閘 保持才取消。同時(shí)，繼電器的常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，即對(duì)斷路器的合閘回路進(jìn)行閉鎖。此時(shí)，必須對(duì)繼電器進(jìn)行復(fù)歸，才能對(duì)斷路器進(jìn)行合閘操作。圖5為操作回路示意圖，變壓器屏柜裝置見(jiàn)表3。

圖3 非電量保護(hù)整體功能模塊

圖4 海外電網(wǎng)典型變壓器保護(hù)屏柜示意圖

圖5 操作回路示意圖

表3 變壓器屏柜裝置

1.4 通信配置

國(guó)外電網(wǎng)變壓器保護(hù)站控層網(wǎng)絡(luò)宜支持PRP，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)單鏈路連接問(wèn)題時(shí)，可自行切換到另一條鏈路。PRP與上層IEC 61850協(xié)議獨(dú)立。

圖6描述了全套變壓器保護(hù)裝置的PRP網(wǎng)絡(luò)，其中局域網(wǎng)A和局域網(wǎng)B為并行網(wǎng)絡(luò)，每臺(tái)保護(hù)作為DANP（doubly attached node implementing PRP）節(jié)點(diǎn)，都具有兩個(gè)光以太網(wǎng)口，分別接收從局域網(wǎng)A、B發(fā)來(lái)的制造報(bào)文規(guī)范（manufacturing message specification, MMS）及面向通用對(duì)象的變電站事件（generic object oriented substation event, GOOSE）數(shù)據(jù)幀，裝置將先接收到的數(shù)據(jù)幀傳給上層IEC 61850協(xié)議，丟棄重復(fù)幀，實(shí)現(xiàn)冗余管理和雙網(wǎng)無(wú)縫切換。

圖6 變壓器保護(hù)裝置的PRP網(wǎng)絡(luò)

1.5 IEC 61850 ed2.0相關(guān)應(yīng)用

隨著IEC 61850 ed2.0的推廣，海外市場(chǎng)繼電保護(hù)裝置IEC 61850 ed2.0的使用越來(lái)越廣泛，目前許多國(guó)家已明確要求入網(wǎng)產(chǎn)品需具有IEC 61850 ed2.0的第三方一致性測(cè)試報(bào)告，下面著重對(duì)IEC 61850 ed2.0 GOOSE Simulation機(jī)制相關(guān)的修改進(jìn)行說(shuō)明。

GOOSE ED2支持從虛擬設(shè)備中訂閱GOOSE報(bào)文，如圖7所示，區(qū)別于原來(lái)的TEST標(biāo)志位，GOOSE報(bào)文中增加了Simulation標(biāo)志位，Simulation置位“1”表示該報(bào)文非實(shí)際裝置發(fā)出，是由虛擬系統(tǒng)產(chǎn)生。此外，保護(hù)裝置在邏輯節(jié)點(diǎn)LPHD（logical node physical device）中也有一個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象Sim，用于規(guī)定該設(shè)備是否接收原始GOOSE報(bào)文或仿真報(bào)文。

如果數(shù)據(jù)對(duì)象Sim置數(shù)“1”，則保護(hù)裝置認(rèn)為自身處于測(cè)試模式，此時(shí)裝置僅接收Simulation置位“1”的GOOSE報(bào)文，如果 GOOSE 報(bào)文中置位“0”，則丟棄報(bào)文。為了適應(yīng)數(shù)據(jù)對(duì)象Sim置數(shù)的需求，結(jié)合國(guó)內(nèi)繼電保護(hù)裝置軟壓板的設(shè)置習(xí)慣，所開(kāi)發(fā)的系列變壓器保護(hù)裝置設(shè)置Simulation軟壓板，當(dāng)軟壓板合上時(shí)，裝置邏輯節(jié)點(diǎn)LPHD的Sim數(shù)據(jù)對(duì)象置位“1”。

圖7 GOOSE仿真報(bào)文

結(jié)論

本文從海外電網(wǎng)變壓器的特性和運(yùn)行方式出發(fā)，對(duì)其保護(hù)的配置方案做了重點(diǎn)分析，提出了完整的保護(hù)配置方案。對(duì)勵(lì)磁涌流判別和CT飽和判別、差動(dòng)曲線整定方案、零序反時(shí)限保護(hù)、中性點(diǎn)接地、非電量保護(hù)經(jīng)電流閉鎖等國(guó)內(nèi)外電網(wǎng)存在差異的方面進(jìn)行了分析。

對(duì)于差動(dòng)曲線，分析了國(guó)內(nèi)廠家與國(guó)外主流繼電保護(hù)設(shè)備供應(yīng)廠家的制動(dòng)電流設(shè)置方法，提供了三種主流的制動(dòng)電流選取方法。對(duì)于零序過(guò)電壓保護(hù)，提出采用中性點(diǎn)零序電流來(lái)判別變壓器是否為接地系統(tǒng)，防止零序過(guò)電壓保護(hù)誤動(dòng)，并提出應(yīng)采用方均根算法計(jì)算中性點(diǎn)電流的真有效值。對(duì)于非電量保護(hù)，將大電流閉鎖邏輯加入非電量重氣體保護(hù)中，可有效防止非電量保護(hù)在主變區(qū)外故障存在較大穿越性電流時(shí)誤動(dòng)。對(duì)海外電網(wǎng)變壓器保護(hù)屏柜配置和操作回路與國(guó)內(nèi)的差異進(jìn)行了分析。對(duì)IEC 61850 ed2.0的應(yīng)用，提出采用Simulation軟壓板置位裝置數(shù)據(jù)對(duì)象Sim標(biāo)志位的方案。

目前，按照本文所提保護(hù)方案配置的變壓器保護(hù)裝置已經(jīng)在若干海外電網(wǎng)成功投運(yùn)。本文研究可為其他海外市場(chǎng)繼電保護(hù)配置方案的研究提供參考。

本工作成果發(fā)表在2024年第8期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“適用于海外電網(wǎng)的變壓器保護(hù)配置研究”，作者為王哲、郭曉、行武。

中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)

新媒體平臺(tái)

學(xué)會(huì)官方微信

電工技術(shù)學(xué)報(bào)

CES電氣

學(xué)會(huì)官方B站

CES TEMS

今日頭條號(hào)

學(xué)會(huì)科普微信

大賽官方微信

?? 《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》：010-63256949/6981；郵箱：dgjsxb@vip.126.com ?? 《電氣技術(shù)》：010-63256943；郵箱：dianqijishu@126.com ?? 《中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)電機(jī)與系統(tǒng)學(xué)報(bào)（英文）》：電話：010-63256823；郵箱：cestems@126.com ?? 編務(wù)：010-63256994 ?? 訂閱：010-63256817 ?? “電工技術(shù)學(xué)報(bào)”微信號(hào)運(yùn)營(yíng)編輯：13121222619（微信同號(hào)） ?? “CES電氣”微信號(hào)運(yùn)營(yíng)編輯：18500877291（微信同號(hào)）