一种基于单电压源励磁的单芯移相变压器合环控制与差动保护方法及系统

本发明涉及10kv配电网柔性合环转供电与变压器保护，尤其是涉及一种基于单电压源励磁的单芯移相变压器合环控制与差动保护方法及系统。

背景技术：

1、随着经济的快速发展，电力用户对供电可靠性和电能质量的要求日益提高。配电网作为直接面向用户的电力输送环节，其闭环设计、开环运行的传统模式已难以满足不停电转供需求，带电合环操作成为提升供电可靠性的关键手段。然而，配电网结构日趋复杂，合环点两侧电压幅值差、相位差及等值阻抗差异易引发稳态环流和冲击电流，可能触发继电保护误动作，导致非故障线路停电。

2、移相变压器作为合环操作的核心设备，其调节性能与保护策略直接影响合环安全性。现有技术中，单芯移相变压器普遍存在幅相调节耦合、非对称工况适应性差等问题；同时，合环控制与差动保护多为分离设计，导致调节与保护协同性差、响应滞后。此外，带分接头的单芯移相变压器在档位切换时，继电保护装置的额定电压参数无法自适应调整，易产生不平衡电流，进而导致差动保护误动风险升高。双芯移相变压器虽在调节范围上有一定提升，但拓扑结构复杂、成本较高，不适用于中低压配电网的广泛应用。

3、现有的差动保护方法多数是基于固定变比计算，缺乏对档位变化的自适应校正能力，且未充分考虑合环调节过程中电压、电流的动态变化对保护判据的影响。

4、因此，发明一种兼具高精度合环调节与高可靠性差动保护的一体化技术，去实现调节与保护的协同响应，成为解决配电网合环操作安全隐患的关键需求。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于单电压源励磁的单芯移相变压器合环控制与差动保护方法。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、一种基于单电压源励磁的单芯移相变压器合环控制与差动保护方法，所述单芯移相变压器采用单电压源励磁拓扑，包括串联变压器组和励磁变压器组，所述方法包括：

4、采集配电网实时数据，包括合环点两侧的电压相量、流经单芯移相变压器输入端与输出端的各相电流、励磁变压器的励磁电流、以及励磁变压器二次侧分接头的当前档位；

5、基于所述合环点两侧的电压相量，计算需要补偿的电压幅值与相角，建立电压-档位映射关系并计算励磁变压器二次侧线圈目标接入匝数，映射为分接头目标档位，基于戴维南等效模型预测合环冲击电流，经安全校验后生成分接头档位调节指令；

6、基于所述各相电流及分接头当前档位，计算电平衡与磁平衡差动电流，基于档位自适应校正算法，根据分接头档位变化校正电流互感器等效变比及比例平衡系数，利用校正后的差动电流并行计算电平衡差动电流与磁平衡差动电流，并综合比率制动与谐波制动判据进行差动电流初步故障判别；

7、输出分接头调节指令的同时发送档位变化预告信号，基于所述档位变化预告信号提前更新电流校正参数并启用抗扰动逻辑；若所述初步故障判别检测到内部故障且差动电流达动作阈值，则发送闭锁指令并触发断路器跳闸，同时中止所有调节及合环操作；若差动电流未达跳闸阈值但所述初步故障判别持续异常，则结合电压和电流波形特征识别故障类型；根据故障类型，执行分接头档位微调操作以消除异常或进入保护待命状态并准备跳闸。

8、进一步地，所述合环点两侧的电压相量通过在合环点两侧母线配置的电压互感器采集；所述流经单芯移相变压器输入端与输出端的各相电流及励磁变压器的励磁电流通过在单芯移相变压器输入端、输出端及励磁变压器绕组回路配置的电流互感器采集。

9、进一步地，所述电压-档位映射关系基于单电压源励磁的单芯移相变压器的拓扑结构、绕组参数及电磁感应定律建立。

10、进一步地，采用迭代寻优算法求解所述励磁变压器二次侧线圈目标接入匝数，所述迭代寻优算法为牛顿-拉夫逊法或梯度下降法。

11、进一步地，所述戴维南等效模型基于合环点两侧系统的等效电源与等效阻抗构建；所述安全校验的判定标准为：合环冲击电流幅值不超过断路器遮断容量，且合环操作引发的母线电压波动值不超过设定阈值。

12、进一步地，所述电平衡差动电流基于基尔霍夫电流定律计算，所述磁平衡差动电流基于电磁感应的安匝平衡关系计算。

13、进一步地，所述比率制动与谐波制动判据具体为：

14、比率制动判据：

15、

16、其中，为差动电流，为制动电流，为最小动作电流门槛，为拐点电流，k为制动系数；

17、谐波制动判据：

18、当检测到差动电流中二次谐波含量超过设定比例时，闭锁差动保护出口；所述设定比例范围为15%至25%。

19、进一步地，结合电压和电流波形特征识别故障类型的过程包括：提取电压、电流波形的畸变特征、幅值变化规律及相位偏移特征，结合特征信息区分可调节消除的工况异常与变压器内部潜在故障。

20、一种基于单电压源励磁的单芯移相变压器合环控制与差动保护系统，所述单芯移相变压器采用单电压源励磁拓扑，包括串联变压器组和励磁变压器组，所述系统包括：与所述单芯移相变压器通信连接的数据采集模块、合环控制模块、差动保护模块、一体化处理单元、故障诊断与恢复模块；其中，

21、所述串联变压器组的一次侧绕组直接接入配电网的合环点两侧线路，二次侧绕组作为电压补偿输出绕组；所述励磁变压器组一次侧绕组采用星形接线，中性点直接接地，各相非接地端分别与串联变压器对应相一次侧绕组的中间抽头连接，以此从系统获取单相励磁电源；所述励磁变压器的二次侧为带多档位分接头的可调绕组；

22、所述励磁变压器二次侧绕组的输出端，按照预设的相序规则与串联变压器二次侧绕组串联连接，从而在串联变压器二次侧注入一个幅值和相位均可控的补偿电压；该拓扑结构通过调节励磁变压器二次侧绕组的分接头档位，可改变注入补偿电压的矢量，实现对合环点两侧电压幅值与相位的解耦调节；

23、所述数据采集模块，用于实时采集配电网合环点两侧电压相量、单芯移相变压器输入输出端各相电流、励磁变压器励磁电流及励磁变压器二次侧分接头的当前档位，并将采集数据同步至其余模块；

24、所述合环控制模块用于根据合环点两侧电压相量计算需补偿的电压幅值与相角，建立电压-档位映射关系并求解励磁变压器二次侧线圈目标接入匝数，映射为分接头目标档位；基于戴维南等效模型预测合环冲击电流，经安全校验后生成并输出分接头调节指令；

25、所述差动保护模块用于根据采集的电流及档位信息计算电平衡差动电流与磁平衡差动电流，根据分接头档位变化校正电流互感器等效变比及比例平衡系数；并综合比率制动与谐波制动判据进行差动电流初步故障判别；

26、所述一体化处理单元用于在输出分接头调节指令时同步发送档位变化预告信号，根据预告信号提前更新电流校正参数并启用抗扰动逻辑；若所述初步故障判别检测到内部故障且差动电流达到动作阈值，发送闭锁指令并触发断路器跳闸，同时中止所有调节及合环操作；

27、所述故障诊断与恢复模块用于在差动电流未达跳闸阈值但持续异常时，结合电压和电流波形特征识别故障类型；根据故障类型选择执行分接头档位微调操作以消除异常或控制系统进入保护待命状态并准备跳闸。

28、一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上所述的基于单电压源励磁的单芯移相变压器合环控制与差动保护方法的步骤。

29、与现有技术相比，本发明的有益效果包括：

30、1. 本发明通过构建合环控制与差动保护的一体化协同架构，将电压调节与保护判据深度融合，解决了传统方案中控制与保护非耦合运行所导致的响应滞后与配合失当的问题。既完成了合环点电压幅相解耦的精准调节并通过事前冲击电流预判与安全校验保障合环操作安全可控，又实现了全档位下的自适应差动保护，有效抑制档位调节及暂态过程引发的不平衡电流与保护误动，同时通过控保联动及故障的智能诊断与分级处置，实现故障快速识别、及时闭锁与合理处置，彻底解决了传统方案中控保分离、调节耦合、保护易误动拒动的核心痛点，大幅提升了10kv配电网合环转供电的成功率、安全性与整体供电可靠性，适配中低压配电网的实际运行需求。

31、2. 本发明通过档位自适应电流校正算法实现了档位自适应差动保护方法，有效解决了因励磁变压器分接头频繁调节而导致的保护不平衡电流问题。根据实时档位信息动态计算电流互感器等效变比及平衡系数，对采样电流进行在线校正，从而消除了因固定参数设置在不同档位下产生的差流偏差。结合电平衡与磁平衡双重判据、比率制动及谐波制动策略，能够在全档位范围内实现高灵敏、高选择性的内部故障判别，大幅降低保护误动与拒动风险。

32、3. 本发明通过电压-档位映射关系与戴维南等效预测模型的结合，实现了合环调节的精确性与安全性前移。该方法可在不实际执行合环操作的前提下，预测不同补偿档位下的冲击电流并评估安全性，从而提前规避风险。这不仅提高了调节精度与合环成功率，也将安全评估从“事后应对”转变为“事前预判”，增强了系统的主动预防故障的能力

33、4. 本发明中构建了前馈预告和反馈闭锁的双向信号交互链路。控制模块调节前向保护发预告，保护故障后向控制发最高优先级闭锁指令，解决了传统控保分离导致的信息孤岛、响应滞后问题。前馈机制让保护提前适应参数变化，提升抗扰性；闭锁机制实现故障秒级隔离与调节中止，形成了调节即监视、故障即阻断的安全控制链，极大提升了系统整体的快速响应能力与容错率。

34、5. 本发明所提出的系统可集成于单一硬件平台实现，系统结构紧凑、信息交互高效，降低了因多装置分立带来的接口复杂性与通信延时问题。该方案原理清晰、适应性强，不仅适用于典型单电压源励磁的单芯移相变压器，其协同架构与自适应保护思想亦可为其他柔性合环装置的设计提供参考，具有较高的工程推广价值与应用前景

35、6. 本发明采用基于单电压源励磁的单芯移相变压器结构，替代传统双芯拓扑，在保证同等调节性能的前提下，显著简化了物理结构，降低了制造成本与运维难度，使其更适配10kv 及以下中低压配电网的大规模改造与推广需求。