一种自适应的励磁涌流抑制装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种励磁涌流抑制方法和装置，该方法综合考虑了变压器在空载合闸前的状态，并根据不同的状态采取不同的控制策略：当就地手动分闸或远方遥控分闸时，选择与分闸相角相同的角度合闸；当因短路故障跳闸时，根据分闸时刻三相电压信息，预估在0~360°不同合闸相角时刻的励磁涌流，得出励磁涌流最小时所对应的合闸相角；当分闸后经人为消磁时，选取三相任意一相角度为90°合闸。根据该方法研制出的励磁涌流装置具有以下特点：能够自动识别变压器空载合闸前的状态，并执行相应的控制策略；能够自动学习开关合闸所需时间，并自动调整合闸出口触发时刻；装置同时具备变压器全套电量保护功能。
【专利说明】-种自适应的励磁涌流抑制装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电力系统自动化【技术领域】，具体涉及一种自适应的励磁涌流抑制装置 及方法。
【背景技术】
[0002] 电力变压器是电力系统中极其重要的电气设备，它的安全运行与否，直接关系到 电力系统能否连续稳定地工作。当变压器稳态运行时，变压器励磁电流仅为额定电流的 1%?10%。但当变压器空载合间瞬间，由于变压器铁芯磁通饱和、残留磁通的存在W及铁 芯材料的非线性特性，会产生幅值相当大的励磁涌流，经过数周波的瞬变过程达到稳定状 态，该个冲击性的合间电流往往可达额定电流的6?8倍。另外，该励磁涌流又将引起此地 区电压的波动，导致与其并列运行的变压器励磁电流的变化，即产生和应涌流。由此可能造 成变压器差动保护误动作，变压器绝缘损坏，绕组变形，同时降低电力系统供电质量。
[0003] 由于选相位合间抑制励磁涌流方法不需要增加一次设备投资，而且理论上可W消 除励磁涌流，因此成为目前变压器励磁涌流抑制的研究热点。其基本原理在于通过控制变 压器空载合间时刻的电压相角，使得合间时刻电压产生的感应磁通与变压器的剩磁通趋于 一致，避免因磁通冲突引起的励磁涌流，最大限度的限制励磁涌流的幅值和暂态过程。
[0004] 近年来学者们基于选相位合间技术提出多种抑制励磁涌流的控制方法，如分相开 关控制的快速合间法和延迟合间法，H相开关控制的同分间相角合间法等。就现有的励磁 涌流抑制方法和装置，主要存在W下不足。
[0005] 1、过多研究分相控制的涌流抑制方法，而对于电力变压器，尤其是涌流普遍较大 的中低压电力变压器或箱式变压器，不具备分相操作开关的条件，因此此类方法实际应用 存在局限性。
[0006] 2、现有励磁涌流抑制方法，并未考虑变压器因短路故障跳间，W及跳间后人为消 磁的情况下的励磁涌流抑制问题。
[0007] 3、现有的励磁涌流抑制控制方法，通常预先控制开关的分间相角，例如控制A相 0°分间，然后再W 0°角合间，该种控制策略不能应用于变压器短路故障情况，因为考虑到 快速性，保护装置必须W最快的速度跳间，而不会选择某个角度跳间。
[0008] 4、现有励磁涌流抑制方法，通常需要整定开关的动作时间，该种做法一方面不便 于工程应用，另一方面，随着开关机构运行时间的推移，其动作时间也将变化，从而会影响 励磁涌流的抑制效果。
【发明内容】
[0009] 本发明所要解决的技术问题是提供一种自适应的励磁涌流抑制装置及方法。该方 法能够解决电力变压器在各种不同的状态下空载合间时的励磁涌流问题。
[0010] 选相位合间抑制励磁涌流的基本原理如下：励磁涌流产生的主要机理在于变压器 铁芯励磁的非线性和磁通不能突变，当合间时刻电压产生的感应磁通与变压器剩磁通不一 致时，为抵消该磁通冲突，遵循磁通不能突变的基本规律，需要产生一个较大励磁电流，即 为励磁涌流。选相位关合技术的基本原理就是通过控制合间时刻电压的初相角，使预感应 磁通与剩磁通相等，达到抑制暂态磁通，快速进入稳态磁通状态的目的。
[0011] 基于上述分析，本发明采取的技术方案如下：
[0012] 一种自适应的励磁涌流抑制装置，包括模拟量采集模块、主控模块、通信模块、开 入模块、开出模块和人机交互模块，主控模块分别与模拟量采集模块、开入模块、开出模块、 通信模块相连接，通信模块与人机交互模块相连接。
[0013] 模拟量采集模块用于采集交流电压、电流二次信号，并将采集数据传送至主控模 件；
[0014] 开入模件用于采集开关位置、功能压板的开关量输入信号，并通过通信总线与主 控模件进行内部数据交互；
[0015] 开出模件用于收发分合间命令，并通过通信与主控模件进行内部数据交互；
[0016] 主控模件用于数据的处理W及逻辑运算，包括继电保护模块与励磁涌流抑制模 块，当变压器发生短路故障时，继电保护功能模块识别故障后向开出模件发出跳间指令，并 标注为短路故障跳间传送至励磁涌流抑制模块，励磁涌流功能模块根据控制策略完成最佳 合间相角的计算。
[0017] 主控模件接收由模拟量采集模块采集的电流、电压信号、开入模件采集的开关位 置信号，经过继电保护模块的保护逻辑运算和励磁涌流抑制模块的励磁涌流抑制控制算法 运算，向开出模件发送分合间指令，由开出模件执行分合间操作。
[0018] 通信模件用于对外信息的交互，通信模件通过内部总线接收主控模件的运算结 果、自检信息，并W标准的通信协议上送至外置的监控系统；通信模件接收外置的监控系统 下发遥控指令，并将解析后的遥控指令信息传送至主控模件；
[0019] 所述人机交互模件对外提供操作及显示界面。
[0020] 较优地，通信总线为SPI总线。
[0021] 较优地，人机交互模件包括触摸屏，信号指示灯，复归按钮。
[0022] 励磁涌流抑制控制算法运算具体包括W下步骤：
[0023] 主控模块记录的开关分间情况包括开关遥控分间、开关因故障跳间和合间前试验 消磁，并且依据开关分间情况执行具体的控制策略，具体的控制策略包括：
[0024] (a)开关遥控分间时，最佳合间角为分间时刻的相角，控制A相或者B相或者C相 的合间相角与分间相角相同；
[00巧]化）开关因故障跳间时，结合分间时刻的信息估计变压器H相剩磁，通过遍历算法 得出H相涌流最小的合间相角；
[0026] (C)开关合间前经试验消磁时，选择A相90。时刻合间。
[0027] -种自适应的励磁涌流抑制方法，包括W下步骤：
[0028] S01，开关合间时间自学习；通信模件接收到外置的监控系统的遥控合间命令，将 合间命令解析后传送至主控模块，当主控模件识别为首次合间时，发送合间指令至开出模 块，由开出模件完成合间操作，开入模件采集开关位置信号并传送至主控模件，主控模件记 录从合间指令发出到开关位置闭合所需时间t ;
[0029] S02,开关分间信息记录；当开关接收到遥控分间命令，或者由于变压器发生短路 故障造成保护功能模块触发跳间时，主控模块记录开关遥控分间或者保护跳间，主控模件 根据AC模件和开入模件采集的模拟量信号和开关位置信号，记录开关由合位变为分位时 的H相电流、H相电压信息；开关分间信息记录具体包括W下步骤：
[0030] 开关位置由合变分时触发录波，主控模块记录电压和电流在开关变位前、后各两 个周波的数据，经全波傅氏算法计算开关位置由合变分时刻H相电压的幅值Uf。、U&、Uf。、和 相角0f。、0fb、0fb、为分间相角），为最佳合间角的计算提供原始数据；
[0031] S03,计算最佳合间相角a :依据步骤S02记录的分间信息，由主控模块计算下次 合间的最佳合间相角，具体包括W下步骤：
[003引 （a)当开关命令分间时，最佳合间相角a为分间时刻的相角，控制A相或者B相或 者C相的合间相角与分间相角相同；
[0033] 开关遥控分间属于H相剩磁通对称的情况，当手动分间或遥控分间时，都属于命 令分间，由于H相预磁通与H相剩磁通均对称，因此当变压器的A相、B相、C相中的一相满 足预磁通与剩磁通相等，则其它两相也相应的满足条件，即A相、B相、C相中一相满足预磁 通与剩磁通相等的处理方法与单相变压器励磁涌流抑制处理方法相同；
[0034] 根据变压器的电磁感应原理，在忽略变压器漏磁通和励磁电阻压降的情况，输入 电压U (t)与变压器励磁磁通4 (t)满足W下关系：
[0035]
【权利要求】
1. 一种自适应的励磁涌流抑制装置，其特征在于，包括模拟量采集模块、主控模块、通 信模块、开入模块、开出模块和人机交互模块，所述主控模块分别与所述模拟量采集模块、 开入模块、开出模块、通信模块相连接，所述通信模块与所述人机交互模块相连接； 所述模拟量采集模块用于采集交流电压、电流二次信号，并将采集数据传送至主控模 件； 所述开入模件用于采集开关位置、功能压板的开关量输入信号，并通过通信总线与主 控模件进行内部数据交互； 所述开出模件用于收发分合闸命令，并通过通信总线与主控模件进行内部数据交互； 主控模件用于数据的处理以及逻辑运算，包括继电保护模块与励磁涌流抑制模块，当 变压器发生短路故障时，继电保护功能模块识别故障后向开出模件发出跳闸指令，并标注 为短路故障跳闸传送至励磁涌流抑制模块，所述励磁涌流功能模块根据励磁涌流控制算法 完成最佳合闸相角的计算； 所述主控模件接收由模拟量采集模块采集的电流、电压信号、开入模件采集的开关位 置信号，经过继电保护模块的保护逻辑运算和励磁涌流抑制模块的励磁涌流抑制控制算法 运算，向开出模件发送分合闸指令，由开出模件执行分合闸操作； 通信模件用于对外信息的交互，所述通信模件通过内部总线接收主控模件的运算结 果、自检信息，并以标准的通信协议上送至外置的监控系统；所述通信模件接收外置的监控 系统下发遥控指令，并将解析后的遥控指令信息传送至主控模件； 所述人机交互模件对外提供操作及显示界面。
2. 根据权利要求1所述的一种自适应的励磁涌流抑制装置，其特征在于，所述通信总 线为SPI总线。
3. 根据权利要求1所述的一种自适应的励磁涌流抑制装置，其特征在于， 所述人机交互模件包括触摸屏、信号指示灯、复归按钮。
4. 根据权利要求1所述的一种自适应的励磁涌流抑制装置，其特征在于， 所述励磁涌流抑制控制算法运算具体包括以下步骤： 主控模块记录的开关分闸情况包括开关遥控分闸、开关因故障跳闸和合闸前试验消 磁，并且依据所述开关分闸情况执行具体的控制策略，所述具体的控制策略包括： (a) 开关遥控分闸时，最佳合闸角为分闸时刻的相角，控制A相或者B相或者C相的合 闸相角与分闸相角相同； (b) 开关因故障跳闸时，计算变压器三相剩磁，通过遍历算法得出三相涌流最小的合闸 相角； (c) 开关合闸前经试验消磁时，选择A相90°时刻合闸。
5. -种自适应的励磁涌流抑制方法，其特征在于，包括以下步骤： S01，开关合闸时间自学习：通信模件接收到外置的监控系统的遥控合闸命令，将合闸 命令解析后传送至主控模块，当主控模件识别为首次合闸时，发送合闸指令至开出模块，由 开出模件完成合闸操作，所述开入模件采集开关位置信号并传送至主控模件，所述主控模 件记录从合闸指令发出到开关位置闭合所需时间t ; S02,开关分闸信息记录：当开关接收到遥控分闸命令，或者由于变压器发生短路故障 造成保护功能模块触发跳闸时，主控模块记录开关遥控分闸或者保护跳闸事件，主控模件 根据AC模件和开入模件采集的模拟量信号和开关位置信号，记录开关由合位变为分位时 的二相电流、二相电压息； 503, 计算最佳合闸相角a :依据步骤S02记录的分闸信息，由主控模块计算下次合闸 的最佳合闸相角，具体包括以下步骤： (a) 当开关遥控分闸时，最佳合闸相角a为所述分闸时刻的相角，控制A相或者B相或 者C相的合闸相角与分闸相角相同； (b) 开关因故障跳闸时，计算下次合闸的最佳合闸相角a : 估计变压器三相剩磁，所述三相剩磁公式为：
式中： 式中ufa、0 fa分别为分闸时刻A相电压的幅值和相角，Ufl^ 0 fb分别为分闸时刻B相电 压的幅值和相角，uf。、0 f。分别为分闸时刻C相电压的幅值和相角；为变压器额定磁通， Un为变压器额定电压； 小fa、Cj5 、（^分别为变压器A相、B相、C相的剩磁； 估计开关合闸时刻变压器的预感应磁通，公式为：a = - ecos 0 4>b =-小 ecos ( 0 -120° ) c = - ecos ( 0+120° ) 其中，Q为A相电压相角，0 G (〇°?360° )，a、4>b、（^为开关合闸时刻变压器 的A相、B相、C相的预感应磁通； 通过遍历算法计算获取励磁涌流最小的合闸相角，励磁涌流最小的合闸 相角为所述最佳合闸相角所述最佳合闸相角a为〇°?360 °之间满足 max(| 4)a-4)fa|，I 4)b-4)fb|，I 4)c-4)fc|)最小的相角； (c) 开关合闸前经试验消磁，选择A相或者B相或者C相90°时刻合闸； 504, 计算开关合闸触发时刻所对应的电压相角3 : 根据步骤SOl记录的开关合闸所需时间t，以及步骤S03计算得出的最佳合闸相角a， 计算合闸触发时刻的相角P，实现开关实际合闸时刻的相角与S03中计算得出的相角相 同：
505, 合闸执行，当通信模件收到遥控合闸命令时，遥控合闸命令解析后传送至主控模 块，当主控模件收到合闸指令后，实时监测A相电压的相角，并比较A相电压相角与步骤S04 计算得出的合闸触发相角P相等时，向开出模件发送合闸指令。
6. 根据权利要求5所述的一种自适应的励磁涌流抑制方法，其特征在于，所述步骤SOl 开关分闸信息记录具体包括以下步骤： 开关位置由合变分时触发录波，主控模块记录电压和电流在开关变位前、后各两个周 波的数据，经全波傅氏算法计算开关位置由合变分时刻三相电压的幅值ufa、Ufb、uf。、和相角 0 fa、0 fb、0 f。，为最佳合闸角的计算提供原始数据。
7. 根据权利要求5所述的一种自适应的励磁涌流抑制方法，其特征在于，所述步骤S05 后还包括以下步骤，主控模件监视开关位置，记录从合闸触发时刻到开关闭合所需时间，自 动学习开关合闸时间更新，为执行下一次开关合闸触发时刻计算提供修正参数； 所述自动学习开关合闸时间更新：具体包括以下步骤： 通信模件接收到遥控合闸命令，命令解析后传送至主控模块，由主控模件按照控制策 略选择最佳的相角合闸，并发送合闸指令至开出模块，由开出模件完成合闸操作，所述主控 模件记录从合闸指令发出到开关位置闭合所需时间。
【文档编号】H02P13/00GK104362920SQ201410568437
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年10月22日 优先权日:2014年10月22日
【发明者】王树刚, 陆钟华, 王 琦, 陆圣芝, 胡兵, 陈福锋 申请人:国家电网公司, 江苏省电力公司, 江苏省电力公司扬州供电公司, 南京国电南自电网自动化有限公司