宋海龍，史　磊，尹琦云

（國網(wǎng)寧夏電力公司檢修公司，寧夏 銀川 750011）

在高壓直流輸電系統(tǒng)中，換流變壓器不同于其他常規(guī)交流變壓器，當(dāng)換流變壓器發(fā)生故障而保護正確動作時，會至少造成直流單閥組閉鎖［1］，直接損失直流功率可高達2 GW，因此換流變壓器保護動作的可靠性至關(guān)重要［2］。以特高壓直流換流站為例，全站配置換流變壓器保護共12套，其保護調(diào)試項目比常規(guī)變壓器多而且復(fù)雜，調(diào)試難度系數(shù)更大［3］，特別在年度停電檢修或因板卡故障進行更換時，換流變壓器保護校驗將會耗費大量停電檢修時間［4］，尤其是換流變壓器差動保護調(diào)試以往多采用全人工計算方法，計算量大且計算過程繁瑣，浪費大量人力物力，嚴重制約檢修調(diào)試工作的開展［5-6］。

1　現(xiàn)狀及問題分析

1.1　現(xiàn)狀分析

直流換流站換流變壓器保護調(diào)試項目數(shù)量較多，主要包括大差比率差動保護、小差比率差動保護、引線差比率差動保護、繞組差比率差動保護、過激磁保護、飽和保護和過負荷保護等內(nèi)容［7］。其中，換流變壓器差動保護數(shù)量占總調(diào)試數(shù)量比例約80%，其保護調(diào)試工作復(fù)雜且難度系數(shù)大。每套換流變壓器保護調(diào)試時間約16 h，而差動保護測試電流計算時間約10 h，約占換流變壓器保護調(diào)試總時間的63%，因此，換流變壓器差動保護調(diào)試時間的長短基本決定著換流變壓器保護調(diào)試的總時間［8］。

換流變壓器差動保護調(diào)試時間過長，工作效率過低，其影響因素主要有以下兩個方面：

（1）從內(nèi)部因素看，以往換流變壓器差動保護調(diào)試主要依靠經(jīng)驗校驗方法，其差動保護測試電流通常依靠全人工計算，即通過計算確定一側(cè)輸入電流，在另一側(cè)輸入不同電流，直到保護裝置動作，再記錄和分析相關(guān)試驗數(shù)據(jù)，其方法陳舊，計算過程繁瑣，精度不可靠［9］。

（2）從外部需求看，當(dāng)換流站年度停電檢修或因板卡故障更換保護插件后，運維要求換流變壓器需盡快恢復(fù)運行，但是差動保護測試電流的計算量很大，耗時較長，人力成本投入較大，經(jīng)濟和社會效益較低［10］。

1.2　存在的問題

（1）以往采用經(jīng)驗校驗法，其差動保護測試電流通常依靠全人工計算，方法陳舊，精度不可靠。

（2）差動保護裝置調(diào)試檢修時，計算過程繁瑣，耗時較長，嚴重影響換流變壓器的恢復(fù)運行，事故應(yīng)急處置效果較差。

（3）差動保護測試電流計算量很大，需要投入大量的人力物力，其經(jīng)濟和社會效益較低。

2　軟件開發(fā)及應(yīng)用

2.1　軟件開發(fā)

為了減少現(xiàn)場調(diào)試人員工作量，縮短換流變壓器保護調(diào)試時間，提高差動保護測試電流計算精度［11］，急需提出一種新技術(shù)、新方法解決以上問題。利用VS 2010編程軟件［12］開發(fā)了一款“換流變壓器差動保護測試電流計算軟件”用來實現(xiàn)對換流變壓器差動保護測試電流的快速計算，將所算得測試電流參考值輸入到繼保調(diào)試儀中，即可完成差動保護功能的正確校驗［13］，從而提高換流變壓器保護調(diào)試的工作效率，降低生產(chǎn)成本，減少檢修工期的同時增加直流外送時間［14］。

換流變壓器差動保護調(diào)試項目較多，主要包括換流變大差比率差動保護、小差比率差動保護、引線差比率差動保護和繞組差比率差動保護等［15］。以“換流變壓器大差比率差動保護”為例，其保護動作曲線如圖1所示。其中，縱坐標(biāo)差動電流Id=m×IE，橫坐標(biāo)制動電流Ir=n×IE，單位為A，m、n均為常數(shù)。

圖1　換流變壓器大差比率差動保護動作曲線

從圖1可知，換流變壓器大差比率差動保護包括差動速斷保護、低值比率差動保護和高值比率差動保護等內(nèi)容[16]。根據(jù)換流變壓器保護大差比率差動電流與其測試電流之間的對應(yīng)關(guān)系，計算換流變壓器各側(cè)二次額定電流值、各側(cè)差動啟動電流定值和速斷電流定值，然后結(jié)合換流變壓器大差比率差動保護動作曲線，最終推導(dǎo)出差動保護測試電流計算公式。

式中：I1—換流變網(wǎng)側(cè)開關(guān)1測試電流值，A；

I2—換流變網(wǎng)側(cè)開關(guān)2測試電流值，A；

IE1…m—換流變壓器各側(cè)二次額定電流值，A；

x0—試驗校驗點的橫坐標(biāo)，A；

I0—差動啟動電流初始值，A；

k1—比率差動保護第1段曲線斜率；

k2—比率差動保護第2段曲線斜率；

k3—比率差動保護第3段曲線斜率。

基于換流變壓器差動保護測試電流推導(dǎo)計算方法，該軟件開發(fā)流程主要包括以下3個部分：

（1）對軟件進行需求分析。一方面常規(guī)計算方式依賴人工計算或試驗平臺進行調(diào)試［17］，其耗時長、精度低、使用不便，而采用基于Windows的exe應(yīng)用程序，有效解決以上限制問題；另一方面常規(guī)計算需要每次將變壓器額定功率、電壓、變比等參數(shù)手動輸入計算儀器，缺少復(fù)用性，而本軟件涵蓋了參數(shù)預(yù)設(shè)功能，可以實現(xiàn)一次預(yù)設(shè)，多次調(diào)用［18］；此外，本軟件預(yù)留有計算界面跳轉(zhuǎn)接口，方便用戶實現(xiàn)可視化操作。

（2）設(shè)計基于MFC框架下的大差保護人機界面和計算邏輯。本軟件參與計算的主要邏輯參數(shù)有兩組：一組是換流變壓器基本參數(shù)，另一組是經(jīng)過計算的差動保護中間電流數(shù)據(jù)。本軟件在人機交互界面中獲取用戶輸入的校驗點參數(shù)，在計算邏輯層調(diào)用差動保護算法，從而實現(xiàn)測試電流的計算和輸出，再依據(jù)計算結(jié)果來調(diào)用圖形動態(tài)顯示算法，從而實現(xiàn)圖形圖像顯示功能［19］。

（3）使用相應(yīng)條件的數(shù)據(jù)輸入對大差低值差動保護進行條件測試、邊界測試和全覆蓋測試，從而判斷計算結(jié)果和圖像顯示是否正確，并生成測試報告［20］。同樣地，其他差動保護模塊開發(fā)流程類似，所有保護測試完成后生成用戶使用說明書。

2.2　軟件應(yīng)用

“換流變壓器差動保護測試電流計算軟件”共包括“換流變壓器大差比率差動保護”、“換流變壓器小差比率差動保護”、“換流變壓器引線差差動保護”和“換流變壓器繞組差差動保護”4大項、11小項差動保護測試電流計算功能，其計算軟件流程如圖2所示。

圖2　換流變差動保護測試電流計算軟件流程

從圖2可知，利用VS2010軟件進行軟件開發(fā)，按照“開始”→“打開軟件”→“變壓器參數(shù)設(shè)置”→“參數(shù)保存”→“選擇試驗項目”→“輸入試驗數(shù)據(jù)”→“測試電流計算”→“測試電流結(jié)果顯示”→“結(jié)束”步驟進行編程，對軟件主界面及各個計算界面的輸入、保存、計算和顯示等功能進行反復(fù)校驗，并對測試電流計算結(jié)果逐個進行試驗驗證，最終形成一款便捷而實用的“換流變壓器差動保護測試電流計算軟件”，為縮短換流變保護調(diào)試時間找到了一種新方法。

2.3　應(yīng)用實例

以“換流變壓器大差低值比率差動保護”為例，使用計算軟件對大差低值差動保護動作曲線斜率k=0.5及k=0.75時測試電流進行計算，按照軟件流程圖，換流變壓器差動保護測試電流計算軟件的具體操作方法如下：

（1）打開軟件。雙擊打開“換流變壓器差動保護測試電流計算軟件”。

（2）變壓器參數(shù)設(shè)置。點擊“參數(shù)設(shè)定”，在參數(shù)設(shè)定界面依次輸入待調(diào)試變壓器各種參數(shù)，軟件默認為常見換流變壓器參數(shù)，點擊“保存”，核對參數(shù)后，點擊“確定”并退出“參數(shù)設(shè)定”界面。

（3）選擇試驗項目。點擊“大差計算”，選擇“大差低值”項目，進入“換流變壓器大差低值比率差動保護”測試電流計算界面。

（4）曲線斜率k=0.5時測試電流計算。依據(jù)大差低值差動保護所校驗動作曲線斜率k=0.5，輸入變量 x0=0.6 A、I0=0.5 A、k1=0.2、k2=0.5數(shù)值，點擊“計算”，即可得出大差低值比率差動保護曲線斜率k=0.5時測點1與測點2之間的一組測試電流參考值I1=0.691 A、I2=0.205 A。曲線斜率k=0.5時大差低值差動保護所需4個測點之間的測試電流參考值，如表1所示。

表1　動作曲線斜率k=0.5時測試電流計算結(jié)果

（5）曲線斜率k=0.75時測試電流計算。同樣地，依據(jù)大差低值差動保護所校驗動作曲線斜率 k=0.75，輸入變量 x0=6.6 A、I0=0.5 A、k1=0.2、k2=0.5、k3=0.75數(shù)值，點擊“計算”，即可得出大差低值比率差動保護曲線斜率k=0.75時測點1與測點2之間的一組測試電流參考值 I1=6.348 A、I2=3.509 A。曲線斜率k=0.75時大差低值差動保護所需4個測點之間的測試電流參考值，如表2所示。

表2　動作曲線斜率k=0.75時測試電流計算結(jié)果

（6）差動保護校驗。將曲線斜率k=0.5和k=0.75時測試電流參考值分別輸入交流繼保儀器中，即可實現(xiàn)對換流變壓器大差低值比率差動保護曲線斜率k=0.5和k=0.75的保護功能校驗。

利用“換流變壓器差動保護測試電流計算軟件”進行差動保護調(diào)試，平均每計算1組數(shù)據(jù)可以縮短0.18 h，而每套換流變壓器保護所需測試電流計算量大概50組，因此每套換流變壓器保護調(diào)試總時間可節(jié)約9 h左右，大大提高了換流變壓器保護調(diào)試的工作效率。

3　效果評價

（1）利用VS2010編程軟件，開發(fā)一款“換流變差動保護測試電流計算軟件”，對軟件后臺程序及各個界面進行全面驗證，最終實現(xiàn)了測試電流的快速、準確計算。

（2）該方法應(yīng)用范圍較廣，可在全國所有大型變壓器保護調(diào)試工作中得到應(yīng)用，使平均每套換流變壓器保護調(diào)試時間由原來的16 h降為7 h，每套節(jié)省時間約9 h，大大縮短了換流變壓器保護調(diào)試時間。

（3）利用計算機軟件對換流變壓器差動保護測試電流進行計算，具有精準、高效、減少重復(fù)率等優(yōu)點，進而提升換流變壓器保護調(diào)試效率，縮短換流變壓器保護調(diào)試時間。

4　結(jié)論

（1）新方法的應(yīng)用，減少了調(diào)試人員重復(fù)工作量，節(jié)省了換流變壓器保護調(diào)試時間，提高了換流變壓器保護調(diào)試的工作效率，提高了直流系統(tǒng)快速恢復(fù)供電能力，具有較高的社會效益。

（2）軟件計算代替人工計算，進一步減少換流站大修時間和節(jié)省換流變壓器保護調(diào)試勞動成本，加快了直流功率的外送輸出，具有較高的經(jīng)濟效益。

（3）與以往全人工計算方法相比，該計算軟件效率高、數(shù)據(jù)準確度高，軟件功能強大，取得了良好效果，具有較高的科學(xué)性和實用性。

（4）軟件成果的開發(fā)應(yīng)用，可為全國各直流換流站換流變壓器保護調(diào)試提供參考，其應(yīng)用推廣范圍更大。

［1］ 孫文,禹佳,閆禮陽.閥組差動保護異常導(dǎo)致直流特高壓閥組閉鎖事故分析[J].四川電力技術(shù)，2016,39(6):70-72+77.

［2］ 張杰,羅隆福,AGGARWAL R K，等.新型換流變壓器保護方案設(shè)計[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報，2010,22(6):44-51.

［3］ 張佳敏,蔣琛,李鵬，等.換流變保護改造分析及試驗技術(shù)研究[J].江蘇電機工程，2013,32(2):24-27.

［4］ 胡敏,瞿綱舉.換流變差動保護現(xiàn)場校驗[J].湖南電力，2011,31(1):52-54.

［5］ 張杰,羅隆福,AGGARWAL R K，等.新型換流變壓器差動保護原理[J].工程科技Ⅱ輯·電力工業(yè)，2011,35(4):46-50.

［6］ 翁漢琍,林湘寧.換流變壓器差動保護異常動作行為分析及對策[J].中國電機工程學(xué)報，2009,29(31):87-94.

［7］ 肖燕彩,文繼鋒,袁源，等.超高壓直流系統(tǒng)中的換流變壓器保護[J].電力系統(tǒng)自動化,2006,30(9):91-94.

［8］ 許加柱,姜方財.新型換流變壓器的差動保護及整定計算[J].電工電能新技術(shù)，2013,32(1):56-59+64.

［9］ 白小平,呂慶慶.微機型變壓器比率差動保護校驗方法分析及應(yīng)用[J].電氣傳動自動化，2012,34(1):62-64.

［10］ 潘光貴,姚旭明.實用的變壓器比率差動保護測試方法[J].電工技術(shù)，2014,(6):19-20+25.

［11］ 魏本成.變壓器比率差動保護調(diào)試新方法的應(yīng)用分析[J].河北電力技術(shù)，2017,36(3):20-22.

［12］ 沈?qū)?劉兆乾.簡述VS 2010中的新增C++/MFC功能[J].電腦知識與技術(shù)，2010,6(21):5780-5781.

［13］ 崔慧茹,王浩,李瑩平，等.變壓器比率差動保護調(diào)試輔助軟件的研制[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟.，2017,(11):123.

［14］ 徐皇清,謝海發(fā).基于Android操作系統(tǒng)的電力變壓器比率差動保護比率系數(shù)檢驗的軟件設(shè)計[J].電力學(xué)報，2016,31(3):236-240.

［15］ 劉光譽,潘俊銳.淺析換流變壓器比率差動保護[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2014,(26):19-20.

［16］ 張曉宇,文繼鋒,程驍，等.換流變壓器勵磁涌流特性及其對差動保護的影響[J].電力工程技術(shù)，2013,32(5):52-54.

［17］ 沈智健,盧繼平,趙淵，等.變壓器比率差動保護判據(jù)的可靠性評估模型[J].電網(wǎng)技術(shù)，2008,32(7):14-18.

［18］ 張魯,柯春根,鄧紹虎，等.變壓器比率差動保護調(diào)試輔助軟件的開發(fā)[J].變壓器，2012,49(1):33-36.

［19］ 唐志偉,劉清忠.變壓器微機保護中比率差動保護整定值的調(diào)試方法[J].電工技術(shù)，2006,(1):15-16.

［20］ 許培德,張國良.基于變壓器比率制動差動保護的曲線測試分析[J].淮海工學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2014，23（2）：28-31。