CN104852352A - 一种基于时变功率窗的站用变压器过负荷保护系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于时变功率窗的站用变压器过负荷保护系统，包括电源模块、采样模块、解码模块、信号切换模块、处理模块、设定模块、输出模块、跳闸投运压板、冷却装置；所述解码模块、采样模块与信号切换模块相连接；信号切换模块、设定模块与处理模块相连接，处理模块与输出模块相连接；所述输出模块与跳闸投运压板、冷却装置相连接。本发明提供的一种基于时变功率窗的站用变压器过负荷保护系统及方法，可兼容IEC61850标准的数字信号及模拟信号输入，符合智能化变电站的趋势。总之本发明具有兼容模拟数字信号输入，抗干扰性强，反应迅速、准确，针对故障智能化反应等优点。

Description

一种基于时变功率窗的站用变压器过负荷保护系统及方法

技术领域

本发明涉及一种基于时变功率窗的站用变压器过负荷保护系统及方法，属于电力保护设备技术领域。

背景技术

目前，站用变压器承担为变电站站内设备的控制、照明、直流充电装置、检修电源以及变电站内部人员生活用电提供交流电源的任务，为保证变电站及电力系统的安全运行起着至关重要的作用。如果站用变压器发生故障时，将会直接造成变电站控制设备无法工作、电力系统检修工作难以开展等严重影响，进而扩大此时间内电力系统故障的影响范围和时间。所以站用变压器的安全可靠运行具有重要意义。

随着电力应用越来越广泛，变电站的负荷也不断增加，然而变电站用变压器容量一定，变电站扩容会导致现有的站用变压器保护无法解决的问题：站用变压器的定时限的过流保护根据最大负荷电流整定，整定系数大于1，即在高于额定负荷电流一定值的情况下保护才会动作。站用变压器负荷的增加可能造成站用变压器长期运行在略小于保护动作值的情况下，或者故障持续时间不足以引起保护动作。但是，变压器长期运行于高于额定负载的状态时，积累的热效应会给变压器绝缘和结构造成暂时性甚至永久性的损伤，严重时可能导致变压器烧毁；另外还会减少变压器的绝缘寿命，根据GB/T 1094.7-2008油浸式变压器负载导则：热点温度每比额定值高6度，绝缘材料的额定寿命就会减半。总之，现有站用变压器保护不能对站用变压器长期运行在略小于保护动作定值，或者故障持续时间不足提供准确有效的保护。

发明内容

目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于时变功率窗的站用变压器过负荷保护系统及方法。

变压器过负荷保护本质上是为了保护变压器过负荷电流累积的热效应造成变压器温升过高进而对变压器绕组的绝缘和结构造成的损害，目的是防止变压器长期过负荷运行热效应累积造成变压器绕组温升过高的现象。现有的站用变压器过负荷保护以变压器一次电流为监测量，动作电流I_op整定值根据变压器额定一次电流值I_1N(T)、可靠系数K_rel、返回系数K_re整定，整定时间一般为10～15s，动作信号为发告警信号。

$I_{\mathrm{op}}=\frac{K_{\mathrm{rel}}}{K_{\mathrm{re}}{K}_i}{I}_{\mathrm{lN}\left(T\right)}$

其中：K_rel为可靠系数，一般取1.05；K_re为返回系数，一般取0.85；K_i为电流互感器的变比。

但是，仅以一次电流为监测量忽略了电压的波动，从原理上不能准确反映过负荷保护反映的热效应累积的情况，易受电压波动和电压谐波的影响；根据额定一次电流值I_1N(T)、可靠系数K_rel、返回系数K_re的整定公式模糊性较大，属于工程经验公式，并没有相应的标准依据；整定时间为了与变压器过电流保护、变压器差动保护等配合，时间窗口设定较大，相对于变压器长时间热量累积来看，其时间窗口过小，不能良好的反应热效应累积的过程，相对于远超于动作电流的故障情况，其时间窗口过大，速动性较差，不能快速的反应故障情况；保护动作只发告警信号，处理措施还需人工进行，不能有效解决故障问题。总之，现有的站用变压器过负荷保护存在工作原理不准确，无明确标准依据、模糊性大，整定时间设置不合适，保护动作单一等问题。

站用变压器与其他配电变压器不同，配电变压器为了维持电网系统的安全运行，需要与其他间隔的变压器、线路等进行保护配合，故其变压器过负荷保护有一定的局限性。然而站用变压器相对独立，不需要与其他电网节点进行保护配合，但站用变压器的安全运行十分重要。所以有必要为站用变压器提供更精确、完备的站用变压器过负荷保护。

随着智能电网的发展，数字化变电站是未来变电站的主流趋势。数字化变电站实现了数据采集数字化、信息交互网络化和设备操作智能化等特征，故能够接收IEC61850-9-2标准的数字电气量信息和能够智能化反应的电力系统保护装置是非常必要的。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于时变功率窗的站用变压器过负荷保护系统，包括电源模块、采样模块、解码模块、信号切换模块、处理模块、设定模块、输出模块、跳闸投运压板、冷却装置；

所述电源模块输入220V交流电源，输出12V或24V的直流电源，用于给系统内各模块供电；

所述采样模块输入电流模拟信号、电压模拟信号，经A/D转换，输出电流数字电气量、电压数字电气量；

所述解码模块输入电流数字报文信号、电压数字报文信号，经光电信号转换、报文解码，输出电流数字电气量、电压数字电气量；若无信号输入，则通过控制字方式告知信号切换模块；

所述信号切换模块可自由切换采样模块、解码模块的输出量至处理模块；或者信号切换模块向处理模块输出解码模块的电流数字电气量、电压数字电气量；当信号切换模块接收到控制字后，切换为采样模块的输出量输入至处理模块；

所述设定模块通过触摸屏或者键盘向处理模块输入额定功率P，采样频率f；

所述处理模块根据采样频率接收每次的电流数字电气量、电压数字电气量，计算Δt时间内的分功率量wn；计算长功率窗下分功率量wn之和P_n，计算短功率窗下分功率量wn之和P_n'；根据时钟t信号，比较P_n与S，比较P_n'与S'；

所述输出模块根据P_n与S，P_n'与S'比较的结果，输出不动作信号、输出告警信号、输出冷却装置驱动信号、跳闸信号、自检信号；

所述解码模块、采样模块与信号切换模块相连接；信号切换模块、设定模块与处理模块相连接，处理模块与输出模块相连接；所述输出模块与跳闸投运压板、冷却装置相连接。

作为优选方案，还包括显示模块、显示屏，所述显示模块用于将电流数字电气量、电压数字电气量、额定功率、采样频率、时钟t信号、P_n与S，P_n'与S'比较的结果均转换为显示信号，所述处理模块、显示模块、显示屏依次相连接，显示屏用于显示显示模块转换的显示信号。

一种基于时变功率窗的站用变压器过负荷保护方法，包括如下步骤：

步骤一：采样电压数据流u_n、电流数据流i_n，采样时间差为Δt；将电压数据流、电流数据流分别进行线性处理，形成电流线性方程：i_n(t)＝k₂*Δt+i_n-1，电压线性方程：u_n(t)＝k₁*Δt+u_n-1；

步骤二：计算每次采样分功率量wn，Δt＝1/f；

步骤三：计算长功率窗：m-n＝30*60*f，长功率窗下的热功率总量P_n：P_n＝(w_n+w_n+1+....+w_m-1+w_m)；计算短功率窗：m'-n'＝5*60*f,短功率窗下的热功率总量P_n'：P_n'＝(w_n'+w_n'+1+....+w_m'-1+w_m')；所述长功率窗、短功率窗均设置为采样分功率量的个数，所述热功率总量设置为相应采样个数的分功率量之和；

步骤四：输入站用变压器额定功率P，计算标准比对值S：S＝2*P*30*60，2为长数据窗超载系数；短功率窗比对值S'：S'＝1.2*S/6，1.2为短数据窗超载系数；

步骤五：计算时钟t信号，读取采样电流数据流i_n并计算有效值i_n'，当i_n'＞0.5*I_n时，I_n为额定电流量，计时开始；当i_n'＜0.5*I_n时，计时中止；

步骤六：当时钟t信号大于30分钟时，进入过负荷保护标准逻辑；当时钟t信号小于30分钟时，进入过负荷保护防死区逻辑；

所述过负荷保护标准逻辑包括：

若P_n＞S，经延时启动冷却装置，输出跳闸信号；

若S＞P_n＞0.8S，输出报警信号，经延时启动冷却装置；

若P_n≤0.8S，输出不动作；

所述过负荷保护防死区逻辑包括：

若P_n'＞S'，经延时启动冷却装置，输出跳闸信号；

若S'＞P_n'＞0.8S'，输出报警信号，经延时启动冷却装置；

若P_n'≤0.8S'，输出不动作。

有益效果：本发明提供的一种基于时变功率窗的站用变压器过负荷保护系统及方法，根据站用变压器的一次电流、电压分段计算变压器的实时分功率量，可避免电压波动和谐波的干扰；根据GB/T1094.7-2008油浸式变压器负载导则设定保护动作值，有标准依据；功率窗选择为30min，可准确反应站用变压器过负荷的热效应累积现象，并能够快速反应故障；保护动作值有跳闸、启动冷却装置和告警等方式，能够智能化针对故障情况迅速反应；本发明可兼容IEC61850标准的数字信号及模拟信号输入，符合智能化变电站的趋势。总之本发明具有兼容模拟数字信号输入，抗干扰性强，反应迅速、准确，针对故障智能化反应等优点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，一种基于时变功率窗的站用变压器过负荷保护系统，包括电源模块6、采样模块2、解码模块1、信号切换模块3、处理模块5、设定模块4、输出模块9、跳闸投运压板11、冷却装置10；

所述电源模块5输入220V交流电源，输出12V或24V的直流电源，用于给系统内各模块供电；

所述采样模块2输入电流模拟信号、电压模拟信号，经A/D转换，输出电流数字电气量、电压数字电气量；

所述解码模块1输入满足IEC61850-9-2的电流数字报文信号、电压数字报文信号，经光电信号转换、报文解码，输出电流数字电气量、电压数字电气量；若无信号输入，则通过控制字方式告知信号切换模块3；

所述信号切换模块3可自由切换采样模块2、解码模块1的输出量至处理模块5；或者信号切换模块3向处理模块5输出解码模块1的电流数字电气量、电压数字电气量；当信号切换模块3接收到控制字后，切换为采样模块2的输出量输入至处理模块5；

所述设定模块4通过触摸屏或者键盘向处理模块5输入额定功率P，采样频率f；

所述处理模块5根据采样频率接收每次的电流数字电气量、电压数字电气量，计算Δt时间内的分功率量wn；计算长功率窗下分功率量wn之和P_n，计算短功率窗下分功率量wn之和P_n'；根据时钟t信号，比较P_n与S，比较P_n'与S'；

所述输出模块9根据P_n与S，P_n'与S'比较的结果，输出不动作信号、输出告警信号、输出冷却装置驱动信号、跳闸信号、自检信号；

所述解码模块1、采样模块2与信号切换模块3相连接；信号切换模块3、设定模块4与处理模块5相连接，处理模块5与输出模块9相连接；所述输出模块9与跳闸投运压板11、冷却装置10相连接。冷却装置10根据输出模块9输出的冷却装置驱动信号启动，冷却装置10可以设置为排风扇等散热器。跳闸投运压板11根据输出模块9输出的跳闸信号跳闸。

作为优选方案，还包括显示模块7、显示屏8，所述显示模块7用于将电流数字电气量、电压数字电气量、额定功率、采样频率、时钟t信号、P_n与S，P_n'与S'比较的结果均转换为显示信号，所述处理模块5、显示模块7、显示屏8依次相连接，显示屏8用于显示显示模块7转换的显示信号。

一种基于时变功率窗的站用变压器过负荷保护方法，当站用变压器过负荷保护系统启动后，进行自检，还包括如下步骤：

步骤一：采样电压数据流u_n、电流数据流i_n，采样时间差为Δt，Δt＝1/f，f为采样频率；将电压数据流、电流数据流分别进行线性处理，形成电流线性方程：i_n(t)＝k₂*Δt+i_n-1，电压线性方程：u_n(t)＝k₁*Δt+u_n-1；

步骤二：计算每次采样分功率量wn，Δt＝1/f；

步骤三：计算长功率窗：m-n＝30*60*f，长功率窗下的热功率总量P_n：P_n＝(w_n+w_n+1+....+w_m-1+w_m)；计算短功率窗：m'-n'＝5*60*f,短功率窗下的热功率总量P_n'：P_n'＝(w_n'+w_n'+1+....+w_m'-1+w_m')；所述长功率窗、短功率窗均设置为采样分功率量的个数，所述热功率总量设置为相应采样个数的分功率量之和；

步骤四：输入站用变压器额定功率P，计算标准比对值S：S＝2*P*30*60，2为长数据窗超载系数；短功率窗比对值S'：S'＝1.2*S/6，1.2为短数据窗超载系数；

步骤五：计算时钟t信号，读取采样电流数据流i_n并计算有效值i_n'，当i_n'＞0.5*I_n时，I_n为额定电流量，计时开始；当i_n'＜0.5*I_n时，计时中止；

步骤六：当时钟t信号大于30分钟时，进入过负荷保护标准逻辑；当时钟t信号小于30分钟时，进入过负荷保护防死区逻辑；

所述过负荷保护标准逻辑包括：

若P_n＞S，经延时启动冷却装置，延时是为了防止冷却装置短时间内多次开停，损害冷却装置寿命；输出跳闸信号，跳闸投运压板跳闸；

若S＞P_n＞0.8S，输出报警信号，经延时启动冷却装置；

若P_n≤0.8S，输出不动作；

所述过负荷保护防死区逻辑包括：

若P_n'＞S'，经延时启动冷却装置，延时是为了防止冷却装置短时间内多次开停，损害冷却装置寿命；输出跳闸信号，跳闸投运压板跳闸；

若S'＞P_n'＞0.8S'，输出报警信号，经延时启动冷却装置；

若P_n'≤0.8S'，输出不动作。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于时变功率窗的站用变压器过负荷保护系统，包括电源模块、采样模块，其特征在于：还包括解码模块、信号切换模块、处理模块、设定模块、输出模块、跳闸投运压板、冷却装置；

所述电源模块输入220V交流电源，输出12V或24V的直流电源，用于给系统内各模块供电；

所述采样模块输入电流模拟信号、电压模拟信号，经A/D转换，输出电流数字电气量、电压数字电气量；

所述解码模块输入电流数字报文信号、电压数字报文信号，经光电信号转换、报文解码，输出电流数字电气量、电压数字电气量；若无信号输入，则通过控制字方式告知信号切换模块；

所述信号切换模块可自由切换采样模块、解码模块的输出量至处理模块；或者信号切换模块向处理模块输出解码模块的电流数字电气量、电压数字电气量；当信号切换模块接收到控制字后，切换为采样模块的输出量输入至处理模块；

所述设定模块通过触摸屏或者键盘向处理模块输入额定功率P，采样频率f；

所述处理模块根据采样频率接收每次的电流数字电气量、电压数字电气量，计算Δt时间内的分功率量wn；计算长功率窗下分功率量wn之和P_n，计算短功率窗下分功率量wn之和P_n'；根据时钟t信号，比较P_n与S，比较P_n'与S'；

所述输出模块根据P_n与S，P_n'与S'比较的结果，输出不动作信号、输出告警信号、输出冷却装置驱动信号、跳闸信号、自检信号；

所述解码模块、采样模块与信号切换模块相连接；信号切换模块、设定模块与处理模块相连接，处理模块与输出模块相连接；所述输出模块与跳闸投运压板、冷却装置相连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于时变功率窗的站用变压器过负荷保护系统及方法，其特征在于：还包括显示模块、显示屏，所述显示模块用于将电流数字电气量、电压数字电气量、额定功率、采样频率、时钟t信号、P_n与S，P_n'与S'比较的结果均转换为显示信号，所述处理模块、显示模块、显示屏依次相连接，显示屏用于显示显示模块转换的显示信号。

3.一种基于时变功率窗的站用变压器过负荷保护方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：采样电压数据流u_n、电流数据流i_n，采样时间差为Δt；将电压数据流、电流数据流分别进行线性处理，形成电流线性方程：i_n(t)＝k₂*Δt+i_n-1，电压线性方程：u_n(t)＝k₁*Δt+u_n-1；

步骤二：计算每次采样分功率量wn，Δt＝1/f；

步骤三：计算长功率窗：m-n＝30*60*f，长功率窗下的热功率总量P_n：P_n＝(w_n+w_n+1+....+w_m-1+w_m)；计算短功率窗：m'-n'＝5*60*f,短功率窗下的热功率总量P_n'：P_n'＝(w_n'+w_n'+1+....+w_m'-1+w_m')；所述长功率窗、短功率窗均设置为采样分功率量的个数，所述热功率总量设置为相应采样个数的分功率量之和；

步骤四：输入站用变压器额定功率P，计算标准比对值S：S＝2*P*30*60，2为长数据窗超载系数；短功率窗比对值S'：S'＝1.2*S/6，1.2为短数据窗超载系数；

步骤五：计算时钟t信号，读取采样电流数据流i_n并计算有效值i_n'，当i_n'＞0.5*I_n时，I_n为额定电流量，计时开始；当i_n'＜0.5*I_n时，计时中止；

步骤六：当时钟t信号大于30分钟时，进入过负荷保护标准逻辑；当时钟t信号小于30分钟时，进入过负荷保护防死区逻辑；

所述过负荷保护标准逻辑包括：

若P_n＞S，经延时启动冷却装置，输出跳闸信号；

若S＞P_n＞0.8S，输出报警信号，经延时启动冷却装置；

若P_n≤0.8S，输出不动作；

所述过负荷保护防死区逻辑包括：

若P_n'＞S'，经延时启动冷却装置，输出跳闸信号；

若S'＞P_n'＞0.8S'，输出报警信号，经延时启动冷却装置；

若P_n'≤0.8S'，输出不动作。