基于EMTP_ATP的变压器建模及励磁涌流的仿真研究

基于E MTP/ATP的变压器建模及励磁涌流的仿真研究

李富春,李建兵

(西南交通大学电气工程学院,四川　成都　610031)

摘　要:阐述了应用E MTP/ATP程序建立变压器励磁涌流仿真计算模型,该模型考虑了变压器的磁滞饱和特性及铁芯和绕组的结构形式。在所建立的模型上对变压器空载合闸时励磁涌流进行仿真研究,并利用离散傅立叶算法(DFT)对涌流中的谐波成分进行分析。仿真计算结果表明,该模型能较准确地仿真变压器的各种故障情况,为变压器差动保护的设计提供依据。

关键词:变压器;E MTP/ATP程序;励磁涌流;空载合闸;DFT差动保护

中图分类号:T M41　　　　　文献标识码:B

The S im ul a ti on Researoh of Tran sform er M odeli n g and

Exc it a ti on Surge Ba sed on E M TP/ATP

L I Fu2chun,L I J ian2bing

(Southwest J iaot ong University,chendu610031,China)

Abstract:T o use E MTP/ATP p r ogra m f or establishing transf or mer excitati on surge m iulatcon computatcon model.For the model,it considers the magnetic saturati on and characteristic of the transf or mer and the structural f or m of the ir on core and uindings.On the basis of the model,the si m ulai on reacarch of the excitati on surge s carried out when the trans2 for mer non-l oad cl osing and use dis persed Fourier algorithm t o analyze har monic components in the surge.The s mula2 ti on colculati on results show the model can accurately si m ulate vari ous fault conditi ons,giving the basis f or differential p r otecti on design of the transf or mers.

Key words:tranfor mer;E MTP/ATP p r ogra m;excitati on surge;non-l oad cl osing;excitati on surge;non-l oad cl osing; DFT differential p r otecti on

1　引言

变压器是电力系统中的重要元件,其正确运行与否关系到整个电力系统是否稳定运行。目前运行的变压器继电保护装置的正确动作率相对还很低,其部分原因是由于变压器保护采用差动原理本身具有一定的缺陷[1];另外,因现代电网越来越庞大,对变压器的设计制造技术要求越来越高,变压器的结构也越来越复杂,其参数表现出强非线性特征且随频率而变化,从而使变压器的建模及仿真研究变得更加困难,解决该问题的关键是建立准确可靠的变压器铁芯模型。以往主要是采用分两段线性化的单值磁化曲线来模拟铁芯电感的磁滞饱和[2],为提高仿真精度,又提出采用连续光滑的解析函数式来模拟考虑了磁滞特性的多值磁化曲线。但铁芯建模并不是纯粹的数学拟合,还应该考虑铁芯绕组的结构形式、连接方式等因素的影响,这样才更好地反映实际变压器元件的特性。E MTP/ATP (ATP Versi on of Electr omagnetic Transients Pr ogram)程序具有良好的开放性、算法成熟可靠、计算精度高。本文采用该软件建立了132/15kV变压器的电磁暂态仿真模型,该模型考虑了变压器铁芯的磁滞回线、剩余磁通以及其他参数。并对该变压器空载合闸励磁涌流的大小、波形特性及谐波成分展开深入细致的研究分析。

2　考虑磁饱和特性的变压器非线性数学模型

励磁涌流是由于变压器磁路饱和引起的,此时变压器的电压和电流之间(u-i)、磁通和电流之间(Φ-i)都呈现非线性关系,为叙述方便,下面以图1所示单

相变压器(三相变压器与此并无本质的区别)为例进

行说明

。

图1　单相双绕组变压器示意图

根据电路及电机学相关知识,可以写出图1中各参量之间的关系为:

u 1=r 1i 1+L 1

σd i 1d t +w 1d

Φd t (1)u 2=-r 2i 2-L 2σ

d i 2d t -w 2d

Φd t

(2)

Φ=

w 1i 1+w 2i 2

R mag

=Λ(w 1i 1+w 2i 2)Λw 1i 0=f (i 0)

(3)

d Φd t =d Φd i 0d i 0d t =d f d i 0d i 0

d t

(4)

以上各式中,u 1、u 2、i 1、i 2分别为一次和二次电压与电流的瞬时值;r 1、r 2、L 1σ、L 2σ分别为一次和二次绕组的等值电阻和漏感;w 1、w 2为一、二次侧的绕组匝数;Φ为主磁通;i 0为励磁电流;R mag 为磁路磁阻;Λ为磁导(磁阻的倒数,单位为H ),并且有:

Λ=μA

l

(5)

其中,l 为磁路长度;A 为磁路截面积;μ为铁磁材料的导磁系数,随铁芯饱和程度的不同而变化。

式(1)、

(2)描述了变压器两侧参量的电磁耦合关系;式(3)由磁路欧姆定律导出,表征了磁通Φ和励磁电流i 0之间的非线性关系,d

Φ/d i 0为非线性励磁电感,需要指出的是d

Φ/d i 0≠Λw 1。由式(1)、(2)和(4)组成的微分方程组即为变压器的非线性数学模型。

3　仿真变压器的基本数据及E MTP 模型

311　仿真变压器的基本数据

本文的仿真研究采用一台132/15k V 的降压变压器,其基本参数如下:

额定容量S N 155MVA;额定电压U 1N /U 2N 132/15kV;空载损耗P 074k W ;短路损耗P k 461k W ;空载电流I 0(%)0105;接线组别Y D11;312　变压器的E MTP 仿真测试模型

本文采用E MTP /ATP 中提供的线性变压器元件

BCTRAN 和非线性电感元件Type_96(NL I N D96)来模

拟三相饱和变压器。由于BCT RAN 元件本身没有考虑磁滞饱和的影响,需在其低压绕组端点上增加非线性电感支路来模拟铁芯的磁滞饱和效应。变压器铁芯的磁滞回线可基于变压器生产厂家提供的变压器励磁试验数据由E MTP 支持子程序HYSTERESI S ROU 2TI N E 计算求得,也可以直接向Type_96元件导入描述磁滞回线的数据文件。剩磁可以由用户直接设定,但

本文的测试系统里有开关元件的通断操作,这时Type

_96元件可以计及剩磁的影响,此时,预先设定的剩磁将被程序忽略。因此,本文仿真时没有设定剩磁,而是通过开关元件分合闸操作,由程序自动计算得到剩磁。基于上述分析,得出图2所示的变压器的仿真测试系统E MTP 模型。

在仿真测试图中,电源通过420m 的电缆线传送给降压变压器,变压器采用Y D11接法,杂散电容C _hg 、C _lg 、C _hl 采用E MTP Hybrid Model 推荐的典型值,模拟铁芯非线性特性的磁滞电感接在变压器的低压侧(因低压绕组离铁芯最近)

,并与变压器低压绕组对应,也采用D 接法。磁链测量环节采用T ACS (Tran 2sient Analysis of Contr ol Syste m )通用传递函数元件G (s )对励磁电感端电压进行积分运算,得到磁链瞬时

值。三相开关元件S W 1、S W 2用来模拟真空断路器,通过设定开关的动作时间来调整合闸角度。

图2　考虑磁滞饱和特性的三相变压器E M TP 仿真模型

4　变压器空载合闸的E MTP 仿真

变压器空载投入时的励磁涌流波形不仅跟空载合

闸的时刻以及变压器的剩磁有很大的关系,而且还跟

三相变压器的接法有关[6]

。基于图2的仿真测试模型,对变压器的空载合闸时的励磁涌流情况进行仿真试验研究。

开关S W 1在-1s 时合闸,表示仿真开始时电路已经进入稳态,t 1=0104266s 、01036s 、0103933s 时,S W 1的A 、B 、C 三相依次断开,t 2=0117s 、0117666s 、0117333s 时,S W 2的A 、B 、C 三相依次合上,t m ax =2s 时仿真结束。变压器三相涌流波形以及三相磁链波形

如图3所示

。

图3　变压器励磁涌流及磁链图

t 2时刻A 、B 、C 三相的合闸角度α(相电压相位)

分别为180°、180°、0°,这时A 相电压过零(由正变

负),A 相剩磁为-01356

Φm (其中Φm 为饱和磁通),B 相、C 相剩磁分别为01195Φm 、01159Φm 。A 相涌流的峰值为-336619A ,B 相涌流峰值为-1413A,C 相涌流峰值为249314A 。

大量的仿真试验结果表明,若剩磁Φr >0,则当合

闸角度为0°时(相电压相位0°,线电压相位30°),涌流最为严重。反之,若剩磁Φr <0,则当合闸角度为180°时(相电压相位180°,线电压相位210°),涌流最为严重。与此同时,在仿真试验的过程中,发现涌流峰值的衰减过程受系统中电阻元件的大小影响,电阻越大涌流衰减越快。由以上分析可知,对于一个特定的系统,励磁涌流的大小由合闸角度和剩磁大小共同决定,暂态磁通的衰减时间常数则由系统阻抗确定。

另由于变压器采用Y D11接线方式,两侧线电流的相位差为30°,即使在稳态,差动保护装置中也会有较大的不平衡电流流过,导致保护装置误动。为此常将一次CT 接成△形,二次侧CT 接成Y 型,再送入差

动保护装置进行比较[3-5]

,或者通过一定算法(如傅立叶算法),使送入差动保护装置的一、二次侧的电流不存在相位差。对于一次侧来说,差动保护所选取的是三相电流的两两之差,即i a -i b 、i b -i c 、i c -i a 。因此我们仿真时所关心的是一次侧的电流之差。

图4为一次侧三相涌流差流波形,分别对应i a -i b 、i b -i c 、i c -i a 。为了识别涌流差流中所蕴含的信息,

采用离散傅立叶算法(DFT )对0～30次谐波进行分

析,图5(a )、图5(b )分别为t =[0118、0120]和t =[1198、210]时A 、B 相间差流的频谱图。由频率特性的分析可以看出,二次谐波含量所占的比例很高。在合闸后的第一个周期内,二次谐波与基波的比值高达53153%,直到仿真结束时才衰减到1311%。差动保护的二次谐波原理就是根据二次谐波

含量与基波分量的比值来区分励磁涌流和内部故障

的,一般门阀值设为15%～20%,高于此值则判为涌

流,否则为内部故障。另外为了更加准确快速地判断识别励磁涌流,不断有新识别方法的出现,如小波算法[7]

、模糊识别法[8]

、神经网络等[9]

,但这些识别方法都还处于理论研究阶段,故本文对此就不多作讨论

。

5　变压器空载合闸的E MTP 仿真

本文在基于变压器非线性数学模型的基础上,建

立考虑了变压器磁滞饱和特性的E MTP /ATP 仿真测试模型,针对变压器空载合闸时的励磁涌流进行了仿真试验研究。为了进一步了解励磁涌流所包含的信息量的特征以及它对变压器差动保护的影响,运用离散傅立叶(DFT )算法对变压器一次侧的差流进行频谱分析。考虑DFT 算法在分析暂态过程时会带来较大误差,本文选取两个典型时段(时长均为一个周期0102s )进行谐波成分(幅值和相位)分析。其实,变压器的暂态过程非常复杂,引起励磁涌流的因素也很多,除空载合闸外,还包括外部故障切除后电压恢复阶段及并列运行变压器的投切操作等。本文建立的变压器模型可以进一步研究变压器的其它暂态过程,如变压器内部故障、外部故障的切除操作以及在涌流条件下CT 的传变特性等。

参考文献

[1]　陈曾田.电力变压器保护[M ].北京:水利水电出版社,2000.[2]　李永庄,林集明,曾昭华,等译.Dommel H W.电力系统电磁暂态

计算理论[M ].北京:水利电力出版社,1991.

[3]　王维俭.电气主设备继电保护原理与应用[M ].北京:中国电力出

版社,2002.

[5]　王维俭,候炳蕴.大型机组继电保护理论基础[M].北京:水利电力出版社,1996.

[6]　许超英,李海峰,赵建仓,等.电力变压器励磁涌流和故障电流仿真研究[J].继电器,2002,30(6).

[7]　焦邵华,刘万顺,刘建飞,等.基于小波理论区分变压器的励磁涌流和短路电流的新原理[J].中国电机工程学报,1999,19(7).

[8]　李艳艳,刘建飞.利用模糊识别法改进变压器差动保护二次谐波原理[J].继电器,2007,35(s).

[9]　陈琛,张举,成敬周.基于分布式神经网络的变压器励磁涌流鉴别的研究[J].继电器,2004,32(24).

收稿日期:2008-11-16

作者简介:李富春,女,从事模糊集理论在电力变压器微机保护中的应用研究。

文章编号:1004-2X(2009)04-0051-03

基于MODBUS/T CP协议的井下智能测控装置设计

殷淑英

(德州职业技术学院,德州　253034)

摘　要:介绍了一种基于Modbus/TCP协议的井下智能测控装置的设计方案。硬件系统采用ARM7与DSP I C的双CP U结构,软件结构分别采用了嵌入式操作系统μC/OS2Ⅱ及前后台系统。分析了嵌入式T CP/I P协议栈μI P,给出了μI P的结构及接口函数。提出了Modbus/T CP应用的解决方案,对Modbus/T CP服务器端的软件设计做了详细分析。Modbus协议、工业以太网及T CP/I P协议应用广泛、技术成熟,将Modbus/T CP协议应用在井下智能测控装置中具有较高现实意义。

关键词:Modbus协议;μI P协议栈;工业以太网;智能装置

中图分类号:TP31　　　　　文献标识码:B

The D esi gn Ba sed on the M odbus/TCP Protocol of the Underground

I n telli gen t M ea sur i n g and Con trol D ev i ce

YIN S hu2ying

(Dezhou Vocati onal and Technical College,Dezhou253034,China)

Abstract:A design scheme of the undergr ound intelligent measuring and contr ol device based on the Modbus/TCP p r o2 t ocol is intr oduced.The hard ware syste m adop ts the double CP U structure,ARM7and DSP I C m icr o2p r ocess or.The RT OS and circulati on2interrup ti on syste m are used in the s oft w are system res pectively.The T CP/I P packageμI P is analyzed and the key points of app licati on of theμI P are supp lied.The app licati on sche me of the Modbus/TCP p r ot ocol is ana2 lyzed in detail,including the s oft w are s oluti ons.Modbus p r ot ocol,industrial ether net and T CP/I P p r ot ocol are all widely used.It is valuable t o app ly the Modbus/TCP p r ot ocol t o the undergr ound intellectual measure and contr ol device.

Key words:modbus p r ot ocol;μI P p r ot ocol package;industrial ethernet;intelligent device

1　引言

近年来矿山安全事故频发,给国家造成重大经济损失,对于井下环境以及供配电设备的有效测控已成为实现安全生产的重要手段。目前,井下电网测控系统中,低压保护箱、馈电开关、磁力启动器等测控装置,通过RS485总线经多级中间通信站点构成井下电网监测系统。RS485通信技术传输速率慢,有效传输距离短,可靠性低,并且需大量铺设通信电缆,已经逐渐不能满足矿山安全生产及井下综合自动化发展的需要。

工业以太网技术发展至今已经相当成熟,采用全双工星形网络拓扑结构和以太网交换技术,交换机的各个端口之间的数据交换不再受CS MA/CD机制的制约,克服了传统以太网通信响应的不确定性,在高速率的同