基于站域信息共享的和应涌流识别判据

王晶 齐岩 汤炳章 张军

（1.国网湖北省电力有限公司直流运检公司 2.南京南瑞继保电气有限公司）

0 引言

目前我国电力系统正在朝着特高压大容量的方向持续发展，使得整个电网的结构得到优化和提升，同时电力系统的规模逐步扩大，结构交错复杂，系统运行的稳定性尤为重要［1－2］。而电力变压器作为电力系统中最重要的电力设备之一，承担着枢纽作用，它的安全稳定运行直接关系到整个电力系统的稳定性。励磁涌流一直是变压器保护研究中的热点话题，而和应涌流常常由于其发生的隐蔽性而没有得到足够的重视。实际上，国内外很多电厂和变电站都出现过由于变压器空载合闸导致与它并联或者级联的变压器产生和应涌流，引发主保护误动的事件发生［3－5］，有时还可能引起上级线路的后备保护和过流保护发生误动，严重影响整个系统的安全稳定运行。变压器和应涌流的识别方法大多数采用的是与励磁涌流相同的方法，但这些方法在应对和应涌流时存在诸如两者波形特点存在差异，对差动保护造成的误动原因各不相同等局限［6］，对保护正确动作带来干扰。

传统的保护整定仅仅是对所采集的本单元的电气量以及有限的状态变量进行分析，而不能对电网的整体运行状态及信息进行利用，为了获取更多的故障信息和改进保护的性能，提出了站域保护的概念。本文研究重点在于充分利用站域信息的共享和交互，根据基尔霍夫定律，获取故障支路与其他相连支路之间的电气量信息，对和应涌流进行有效识别。

1 和应涌流的产生、特征及其对保护影响

和应涌流的产生一般分为两种方式。其一，两台变压器并联运行，其中一台变压器处于正常运行的状态，而与它并联的另一台变压器空载合闸投入运行，此时便会导致与它相连的正常运行的变压器受到影响，产生和应涌流［7－9］，如图1所示是两台变压器并联运行时的接线图。具体操作为：当第一台变压器T1正常运行时，断路器QF在某个时刻合闸使得变压器T2不带任何负载投入运行中，此时T2中会产生大量的励磁电流，而变压器T1受到T2的影响会产生和应涌流。

图1 并联型和应涌流接线图

第二种方式为两台变压器级联运行［10］，等效的系统接线图如图2所示。

图2 级联型和应涌流的系统接线图

在此连接方式下，当靠近系统侧的变压器T1处于正常运行状态时，靠近系统侧末端的变压器T2在断路器QF闭合时空载投入，此时变压器T1内部将产生和应涌流的现象，产生机理与并联型和应涌流类似，不再赘述。

和应涌流具有以下典型特征［11－12］：

1）和应涌流总是在空载合闸产生的励磁涌流作用一段时间后才会出现，在几个周波后迅速达到最大值，且和应涌流中二次谐波含量随涌流的衰减而增大；

2）励磁涌流与和应涌流交替出现，位于时间轴的不同两侧、没有重叠的部分；

3）和应涌流的产生是由于运行中的变压器与空载合闸变压器磁链的相互作用而生成的，励磁涌流会由于和应涌流的出现降低衰减速度，同时和应涌流的作用时间也会变长，导致励磁涌流与和应涌流双重作用时间变长，造成危害性增加。

和应涌流总是在另一台变压器空载合闸之后的几百毫秒甚至几秒才出现，时间上的差距导致和应涌流隐蔽性较强，不容易引起工作人员的注意。正是由于这个特性容易将本由和应涌流引起的误动事故误判定为普通误动事故，为电网稳定运行埋下了极大的安全隐患。目前针对和应涌流的识别方法大多与励磁涌流相同，但两者在波形上的差异以及导致差动保护出现误动现象的原因不同等因素，会引起判据的失效。同时识别励磁涌流的判据主要是针对空载合闸的那台变压器励磁涌流波形等电气信息特征进行识别，而和应涌流的产生则涉及到多台变压器，若将站域信息有效地加以利用，则更有利于和应涌流的快速识别。

2 基于站域信息共享的和应涌流识别方法

2.1 站域保护

站域保护是建立在ICE61850标准之上［13］，可以通过快速的通信网络来获得智能变电站内所有设备的电气量、非电气量等信息，综合利用这些信息能够对变电站内出现的异常情况进行快速的诊断处理，同时可以将智能变电站的保护控制系统集中在一起快速完成各种保护的功能。

根据国家电网公司的相关标准，继电保护设备要能够及时获得电压电流值（SV）报文以及各类通用对象面对智能变电站事件（GOOSE）报文中所包含的开关量信息以及断路器开合信息等［14－15］。图3为站域信息共享之后的保护系统结构简图。

图3 站域保护的系统结构图

在间隔层中配置了两套完全一样的保护系统，互相之间为备用，提高了系统的可靠性，能够对变电站内的故障具有快速定位、决策制定和数据收集等功能，在变电站内构建统一的通信网络，除了保护设备之外的其他设备信息都能够从此通信网络中获取，真正实现了站域信息的共享。

相比于传统的继电保护系统，站域保护的提出能够对全站的各类信息进行采集，对站内数据实现实时共享，由于能够获得整个变电站的故障信息，所以保护的计算精度得到了大幅提高，也能够实现快速定位故障和作出决策，保证系统能够稳定运行。

2.2 基波幅值变化率识别法

根据站域保护的系统结构图，由于站域保护具有信息共享的优势，本文充分利用获取的全站电流量信息进行观测，首先根据异常电流大致定位故障发生的位置；其次通过获取各个支路开关量的信息，具体定位出现和应涌流的位置；最后再根据差动电流进行和应涌流的识别。通过对和应涌流、励磁涌流和区内故障时的波形在二次谐波、幅值、波形特征等进行分析可以发现，和应涌流的产生可被细分为两个阶段：暂态电流幅值增大的阶段和稳定电流幅值衰减的阶段。通过对三种工况下电流波形的频谱进行分析能够发现明显的区别。对于和应涌流而言，它的基波分量是先逐渐增加后又出现下降的趋势；对于空载合闸产生的励磁涌流，其对应的基波分量保持持续下降的趋势；当变压器区内发生故障时，差动电流中含有较大的非周期分量，但是差流被分解后的基波分量却近似保持不变。

对上述规律进行总结发现，可通过对变压器中差动电流的基波分量变化趋势来识别和应涌流［16］。定义差动电流的基波分量的幅值增量为S（n）：

式中，Id（n）、Id（n－1）分别表示的是第n个点、第n－1个点所对应的差流基波的幅值。

S（n）反映了差流基波分量幅值的变化趋势，对于和应涌流，当波形处于暂态幅值增大的阶段时S（n）＞0，当波形处于稳定衰减阶段时S（n）＜0；对于空载合闸产生的励磁涌流，励磁涌流对应的基波分量幅值变化满足S（n）＜0；对于变压器区内故障产生的差动电流，它对应的基波分量变化满足S（n）≈0。

3 仿真分析

利用电力系统电磁暂态仿真软件PSCAD／EMTDC搭建智能变电站站域保护模型，本文以并联型和应涌流为例，搭建仿真模型如图4所示。主要参数为：变电站的供电电压E＝220kV，整个变电站的频率为50Hz。在本文的仿真中变压器均选用的是等效磁路模型（UMEC），因为UMEC型的变压器模型兼顾了同相绕组间的磁耦合关系以及铁心材料的磁滞效应等因素，并充分考虑了铁心的几何结构，适合对变压器的饱和特性进行研究。变电站内变压器的容量均为100MVA，一、二次侧额定电压比均为220／115kV。以母线1连接的两台变压器为例，正常运行的第一台变压器采用Y／Y接线，空载投入的第二台变压器采用的是Y／△接线，仿真时长均设置为0.5s，采样频率都为4 kHz，仿真结果波形采用标幺值以A相电流为例显示。

图4 和应涌流仿真图

基于站域保护信息共享的优势，本文通过构造综合判据来有效识别和应涌流，以母线1连接变压器T1空载合闸导致变压器T2出现和应涌流为例。

1）首先通过对整个变电站的电气信息进行采集和实时监测，判断何处的差动电流出现异常，对异常情况进行大致定位，例如本文定位到母线1处；

2）其次通过获取的变电站的开关量信息进行和应涌流的初步判断，例如此时断路器1、3、4正常工作，而检测到断路器2断开，大致可以判断为变压器T1空载合闸对变压器T2产生影响，此时还将利用对端的电流数据信息进行检测，闭锁大差保护来防止误动；

3）最后结合本文提出的基波幅值变换率的方法，根据差流判定是否为和应涌流，具体仿真算例如下。

算例1：和应涌流

变压器T2持续正常运行，变压器三相铁心剩磁均为0，以A相为例仿真结果如图5～图6所示。

图5 和应涌流波形

图6 和应涌流基波幅值

根据前面所述的电流及开关量信息，并且结合图6和应涌流的基波幅值在最初始时刻呈现幅值上升的趋势，能够迅速识别出和应涌流，促使保护闭锁，防止误动情况的出现，影响系统的稳定性。

算例2：单向典型涌流

在t＝0.1 s，变压器T1空载合闸，A相初相角为0°，变压器三相铁心剩磁均为0，结果如图7－图8所示。

图7 励磁涌流波形

根据前面所述的电流及开关量信息，以及图8所示的励磁涌流基波幅值图，在0.1s空载合闸出现励磁涌流波形时，对应的基波幅值在合闸之后就呈现持续下降的趋势，即 S( n)＜0，此时可判断为变压器空投的工况产生励磁涌流，闭锁保护，有效防止误动情况的出现。

图8 励磁涌流基波幅值

算例3：区内单相接地故障

在t＝0.1 s，变压器T1的Y侧出口发生A相接地故障，A相差流波形如图9～图10所示。

图9 A相接地故障时的差流波形

图10 A相差动电流基波幅值

根据前面所述的电流及开关量信息并结合图9～图10，在t＝0.1 s时，变压器一次侧出口发生A相接地故障，此时差动电流对应的基波幅值基本保持不变S( n)≈0，运用本文的综合判据，能够迅速识别出故障，保护能正确动作并快速可靠地切除故障。

4 结束语

本文通过搭建站域保护系统，能够实时获取全变电站的电流、开关量等各类电气信息，通过对这些电气信息以及和应涌流波形特征的综合分析，提出了基于站域信息共享的和应涌流识别方法，该方法能够解决由于和应涌流引起的差动保护误动行为，并能够对站内的各类电气信息进行实时监控。通过Pscad仿真算例对判据的有效性进行验证，结果表明运用本文的判据能够正确识别出和应涌流、励磁涌流和区内故障，对发生和应涌流和励磁涌流的工况能够可靠闭锁，从而避免保护误动，保证供电系统的安全稳定运行。