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电力变压器仿真系统的设计及其在工程中的应用


2001 年 4 月 25 日

      

      

A pr . 25, 2001

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电力变压器仿真系统的设计及其在工程中的应用
凌 刚, 张宁川, 吴锦通
( 国家电力公司电力自动化研究院继电保护研究所, 南京 210003)

摘要: 介绍了一套面向工程应用的电力变压器仿真系统, 它应用波形录制与回放技术, 能真实反映 变压器励磁涌流的影响及内部匝间短路的情况。本套仿真系统特别适合于工程应用, 已对数百套 220 kV 及以下变压器保护装置进行了仿真试验。 关键词: 电力变压器; 动模试验; 微机保护; 仿真 中图分类号: T M 743; T M 41

0 引言
随着电力系统的发展, 对电力变压器保护装置 的需求越来越广泛。在变压器保护装置的生产过程 中, 保护装置的试验及检测是一项必要且非常重要 的过程。 为了对变压器保护装置进行全面、 可靠的试 验, 电力自动化研究院南瑞继电保护公司以往采用 动模试验来完成, 动模试验真实、 可靠, 但代价高、 接 线复杂、 试验周期长, 随着变压器保护投入运行的数 量迅速增长, 这种方法已越来越不能满足要求, 这就 迫切需要开发出一套面向工程应用的变压器仿真系 统, 要求既不失去动模试验的 真实可靠性, 又要简 便、 实用。

1 系统总体构成
电力变压器仿真系统由后台控制、 前台控制、 数 模转换、 功率放大、 开入开出转换、 模拟断路器等部 分组成, 图 1 是系统的结构框图。

制计算机的数据、 程序及命令, 接收光隔离的开入量 信息, 输出模拟量的数字信号, 通过控制输出继电器 输出开出量, 记录实验进行中的数据及结果。 1. 3 数模转换及功率放大 接收由前台控制机 CP U 来的 32 路模拟量的数 字信号, 通过跟随、 采样保持、 放大输出至功率放大 器, 产生 4 组( 每组 A 相、 相、 相、 B C 零序) 共 16 路 电压量, 4 组( 每组 A 相、 相、 相) 共 12 路电 流 B C 量, 可分别作为三圈变压器的高、 低压三侧的电 中、 压互感器( T V ) 和电流互感器( T A) 二次侧电压、 电 流量, 输出至被试保护。 1. 4 光隔离及控制继电器 光隔离接收模拟断路器的位置信号 并转换为 T T L 电平信号, 送给前台 CP U , 控制继电器通过锁 存器将前台 CPU 对模拟断路器的置位、 复位命令 转换成对模拟断路器的控制信号。 1. 5 模拟断路器 模拟实际断路器的分合功能。系统共有 8 路模 拟断路器可供被试保护试验时选用, 每路可分合电 流最大为 5 A , 并可提供 2 组位置空接点( 分位、 合 位) 、 组就 地分 合控 制输 入、 组遥 控 分合 控 制 1 2 输入。

图 1 仿真系统的结构框图 Fig . 1 Conf iguration of the simulation system

2 硬件系统
为了适应此仿真系统主要面向工程应用、 使用 频繁、 检测项目多的特点, 系统的硬件环境主要选择 安全、 简便、 可靠性高的硬件。 2. 1 前台控制部分 如图 2 所示, 前台控制装置共配备 4 块数模插 件, 2 块光隔 离插件, 2 块 继电器 控制插 件及 1 块 CP U 插件。4 块数模转换插件每块可输出 8 路模拟 量, 共可输出 32 路模拟量。 块光隔离插件, 每块可 2 提供 16 路开入量转换, 32 路开入量主要实时体现

1. 1 后台控制 主要功能为各类原始波形数据的存取, 人机对 话操作界面, 实验数据的反馈。 后台控制计算机通过 并行接口与前台控制机进行数据信息的交换。 1. 2 前台控制 前台控制是系统的主要控制部分。接收后台控

收稿日期: 2000- 21。 12-

60 出断路器的位置状态及变化过程。2 块继电器控制 插件在不同试验要求下, 预置 8 路断路器处于不同 的分合位置。通信接口将 CPU 与后台机连接起来, 实现 后台机与 前台 CP U 的各 类信息 的交换 和控 制。
 

图 2 仿真系统前台控制部分结构 Fig. 2 Front control part of the simulation system

2. 2 外围控制部分 外围控制部分包括模拟断路器、 功率放大器及 电源系统。系统共备有 8 路断路器形成一独立的装 置。模拟断路器采用了高频晶闸管开断电流原理的 固态断电器, 因此体积小巧、 可靠、 无干扰。 2. 3 后台控制部分 后台控制部分为一台普通微型计算机, 通过并 行接口与前台控制装置相连。试验人员通过 C + + 语言编制的操作界面, 可以使模拟系统处于运行、 空 投变压器及各种故障等状态, 并反映出开关位置的 变化过程。微型计算机中还存储了模拟系统所需的 各项原始数据及各种状态值、 中间值等。

3 仿真模型及仿真的实现
本仿真系统的开发目的主要是面向工程应用, 因此, 为了节约开发资源, 没有建立一个大型的数学 模型, 而是采用了另一种比较直接的方法, 即从公司 动模实验室中直接录取仿真系统所需的变压器测试 用的各类波形, 然后在后台微机中对数据进行插值、 平滑、 同步等数据处理, 通过前台控制、 功率放大等 再现于仿真系统中。 3. 1 动模的原始模型及参数 如图 3 所示, 动模实验室中变压器原始模型为 一个容量 30 kVA 、 接线方式为 Y , Y , d 型的模拟涌 流变压器( 为衡阳东风电器厂生产的 DM B —10 型) 。

1 000 100 100 ∶ ∶ , 低压 侧的 TV 变比 为 3 3 3 380 100 100 ∶ ∶ 。 3 3 3 3. 2 故障点的选择 在设置变压器试验的故障点时, 充分考虑了变 压器的各种可能故障, 做到尽量全面、 准确, 以满足 仿真试验需要。 这些故障包括: 变压器内部各侧的匝 间短路( 短路匝数从 2. 5% 到 100% ) 、 变压器各侧的 区内故障、 区外故障、 区外转区内故障, 其中各故障 点的故障类型为各相单相接地、 相间短路、 三相接地 及三相相间短路等。 此外, 为了试验变压器励磁涌流 对保护的影响, 专门录制了正常变压器空投试验情 况。 3. 3 原始波形的录制及处理 3. 3. 1 录制 为准确录制变压器空投及各种故障下的电流、 电压波形, 这里采用自行研制的 P CDA 数据采集装 置, 实际共使用了 2 套完全相同的数据采集板, 每套 可通过电流变换器 L H 、 电压变换器 YH 采集 16 路 电流、 电压 信号。采 样精 度为 12 位, 采样 频率 为 1 kHz。为了保证 2 套数据采集板同步, 还各使用一 个 LH 作为数据同步信号。录制过程中为了确保各 侧波形的准确性, 采用了变压器三侧同时录波的方 法。 3. 3. 2 处理 为了使仿真系统输出的模拟量更加接近动模波 形, 对所采集到的动模波形数据进行了一系列数据 处理: 在原有的每周期 20 点的采样数据中使用插值 等方法, 使输出波形平滑; 采用数据同步控制信号进 行同步处理, 使仿真波形与动模采集波形一致, 以达 到波形真实再现的目的。 比为

4 使用界面
实际的仿真系统使用了一个 Y, Y , d 三圈变压 器模 型, 如图 4 所示。变 压器各侧 都装设了 T V , T A, 各侧可跳本侧母联开关、 本侧出口开关、 各侧开 关。 在后台微机上用 C + + 语言编制了人机对话界 面, 实现各种试验功能。 功能菜单以主保护功能及各 侧故障点的选择为主。菜单设置如下。 主保护功能: 包括变压器正常负荷运行、 变压器 各侧空投试验( 变压器正常及故障情况) 、 变压器各 侧内部匝间短路、 各侧区外故障、 各侧区外转区内故 障等。 高压侧故障: 故障点分别为 K 1, K 2 , 用以试验变 压器高压侧后备保护。 故障类型包括各相接地、 各相

图 3 动模模型 Fig . 3  Model of dynamic simulated power system

图 3 中高压侧、 中压侧的 T A 变比为 5∶5, 低 压侧的 T A 变比为 15∶5, 高压侧、 中压侧的 T V 变

?应用 研究及成果? 凌 刚等 电力变压器仿真系统的设计及其在工程中的应用

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图 4 仿真系统模拟图 Fig. 4 Diagram of the simulated power system

于工程实际, 主要承担电力自动化研究院南瑞继电 保护公司 L FP —900 系列变压器微机保护的最终检 验, 取得了很好的效果。一方面它具有真实、 可靠的 特点, 特别是考虑了励磁涌流的影响以及变压器内 部匝间短路的情况, 这是除动模试验外其他方法不 能实现的; 另一方面, 它又简便易行、 高效, 特别适合 保护装置批量生产的要求。 因此, 它和高压输电线路 仿真系统共同构成了南瑞继电保护公司完善的产品 最终检验体系。目前南瑞继电保护公司年产的数百 套 220 kV , 110 kV 微机变压器保护装置, 全部经过 本套仿真系统的试验。
凌 刚, 男, 工程师, 从事电力系统继电保 护的工程及生 产管理工作。 张宁川, 男, 工程师, 从事电力系统继电保 护的工程及开 发工作。 吴锦通, 男, 教授级高级工程师, 从事电力 系统继电保护 的开发工作。

相间、 三相接地及三相相间。 中压侧故障: 故障点分别为 K 3, K 4 。 低压侧故障: 故障点分别为 K 5, K 6 。

5 工程应用情况
本套电力变压器仿真系统开发以后, 立即应用

DESIGN AND APPLICATION OF THE SIMULATION SYSTEM FOR ELECTRIC POWER TRANSFORMER
Ling Gang , Zhang N ingchuan, W u J intong ( Nanjing A utom atio n R esear ch Inst itute, Nanjing 210003, China ) Abstract: A simulation sy st em fo r electr ic po wer t ransfor mer fo r actual engineer ing system is intr oduced . Its playing back ability , based on wav e r ecor ding dat a o f the dynamic mo del , repr esents the realit y of an electr ic po w er tr ansfo rmer in its mag net izing inrush cur r ent and inner coil sho rt cir cuit faults. T he simulatio n system is dedicat ed to pr oduct ion applicatio n, and hundr eds sets of pr otective device fo r tr ansfor mer hav e passed testing w it h t he sy stem. Keywords: electr ic pow er t ransfor mer ; dynamic simulatio n; micr ocom puter based pro tectio n; simulatio n

( 上接第 30 页 continued f rom pag e 30)
5 韩 郁( Han Y u) . 用户电力统一 调节器并联单元的 控制 技术研究: 〔 硕士学位论文〕Co ntro lling o f Shunt U nit of ( U nified Custo m Po wer Conditio ner , T hesis ) . 北京: 清华 大学( Beijing : T singhua U niv ersity ) , 1999 李玉梅, 女, 博士研究生, 研究方向为电力 系统电磁兼容 性。 马伟明, 男, 教 授, 博 士生导 师, 主 要研究 方向为 特种电 源和电力系统电磁兼容性。

APPLICATION OF DEADBEAT CONTROL IN SERIES ACTIVE POWER FILTER
L i Y umei, M a W eiming ( N aval U niv ersity o f Eng ineer ing, Wuhan 430033, China) Abstract: T he state equations o f the ser ies a ct ive pow er filter ( SA PF ) ar e deter mined by using space v ect or s to r epresent vecto rs of three phase vo lt age and cur rent . T he deadbeat contr ol is r ealized by applying st ate feedback to place close lo op poles at or ig in in coo rdinate and feedfo rw ar d to cor rect er ro r . On the basis of stat e equatio ns and sta te infor matio n of the system , this paper deduces the switch co ntro l quantities o f nex t sampling instant and uses them t o drive I GBT s . Simulation results under M AT L AB cir cumstance sho w that the contr ol method is feasible. Keywords: deadbeat contr ol ; active pow er filt er; feedback ; feedfor wa rd ; sampling instant


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