（电力系统及其自动化专业论文）变压器多判据综合主保护新原理研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 论文提出一种时域多层次、多判据综合的变压器保护新方案。首次实现一种基于差 电流波形的凹凸特性，在5 m s 内快速识别变压器励磁涌流和内部故障的新方法，使变压 器保护动作的快速性实现了新的突破；首次提出一种综合利用差电流波形中的尖顶波特 性和间断特性，在2 0 m s 内快速识别变压器励磁涌流和内部故障的方法，明显提高了识 别的灵敏度和可靠性。故障特征明显时，5 m s 快速识别变压器区内和区外故障的方法与 利用电流波形的凹凸特性区分变压器励磁涌流和内部故障的方法相配合，实现差动保护 的快速动作；故障特征不明显时，为提高保护识别的灵敏度和动作的可靠性，适当把数 据窗延长( 1 0 r e s ) ，利用对故障特性敏感的综合负序电流识别变压器区内、外故障的极 性保护与动作时间为l o r e s 或2 0 m s 的基于电流波形特征识别变压器励磁涌流和内部故 障的方法相配合进行判断，实现差动保护的可靠性。识别变压器区内、外故障的两种方 法和区分变压器励磁涌流和内部故障的三种方法所需的时间逐步增加，但其灵敏性逐渐 增强。多个判据在启动后一周波的时间内，做到自动地合理配合，有效地实现保护动作 快速性和可靠性的统一。 关键词：变压器保护，威磁涌流，差动保护，时域多层次，快速性 本论文得到了。国家自然科学基金”项目( 项目号5 0 2 7 7 0 1 2 ) 的资助 a b s t r a c t a p r o t e c t i v es c h e m eo f m u l t i l e v e li nt i m ed o m a i na n dm u l t ic r i t e r i ai sb r o u g h tf o r w a r d i nt h i sp a p e r o nt h eo n eh a n d ，w h e nt h ec h a r a c t e r i s t i co ff a u l ti so b v i o u s ，t h em e t h o do ff a s t d i s t i n g u i s h i n gi n t e r n a lf a u l tf r o me x t e r n a lf a u l to ft r a n s f o r m e rw o i k sw i mt h ea l g o r i t h mo f q u i c k l yd i f f e r e n t i a t i n gi n r u s hc u r r e n tf r o mi n t e r n a lc u r r e n tt oc a r r yo u tq u i c k - c h a r a c t e r i s t i co f d i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n ；w h e nt h ec h a r a c t e r i s t i co ff a u l ti sa m b i g u o u s ，t oi m p r o v er e l i a b i l i t yo f d i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n ，i ti sn e c e s s a r yt oe x t e n dt h ed a t aw i n d o w , a n du t i l i z et h em e t h o do f s y n t h e t i cn e g a t i v ec u r r e n tp o l a d 哆p r o t e c t i o nf o ri d e n t i f y i n gi n t e r n a lf a u l tf r o me x t e r n a lf a u l t o ft r a n s f o r m e ra n da d o p tas e r i e so fw a y so fd i s t i n g u i s h i n gi n r u s hc u r r e n tf r o mi n t e r n a l c u r r e n tf o rt r a n s f o r m e r ；o nt h eo t h e rh a n d 、i t l lt h et i m eo ft h et w ow a y so fi d e n t i f y i n g i n t e r n a lf a u l tf r o me x t e r n a lf a u l to ft r a n s f o r m e ra n dt h r e em e t h o d so fd i s t i n g u i s h i n gi n r u s h c u r r e n tf r o mi n t e r n a lc u r r e n tf o rt r a n s f o r m e ri n c r e a s i n g , t h es e n s i t i v i t yo ft h e s em e t h o d sg e t h i g h e ra n dh i g h e r s e v e r a lc r i t e r i ac a r lc o o p e r a t e 丽t l le a c ho t h e ra u t o m a t i c a l l yw i t h i no n e c y c l ea f t e ri n i t i a t e s ot h a tt h er a p i d i t ya n dr e l i a b i l i t yc a i lr e a c hc o r r e s p o n d e n c e k e yw o r d ：t r a n s f o r m e rp r o t e c t i o n ，i n r u s h ，d i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n ，m u l t i l e v e l t i m ed o m a i n r a p i d i t y p r o j e c t s u p p o r t e d b y n a t i o n a l n a t u r a ls c i e n c e f o u n d a t i o n o f c h i n a ( n s f c ) ( n o 5 0 2 7 7 0 1 2 ) i 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文变压器多判据综合主保护新原 理研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和 取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：量查亟 日期：地6 ， 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：妥丑 日期：型i ：! ：i 导师签名： 日期：! ! ! 生! ： 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题背景和研究意义 第一章绪论 近十几年来，我国的电力工业取得了长足发展，随着三峡工程的竣工，全国联 网局面的形成，我国电力系统正在向大机组，大容量，高电压方向快速发展，这就 对如何保障电力系统的安全稳定运行提出了更高的要求，而继电保护作为保障电力 系统安全稳定运行的“第一道防线”，其责任更加重大川。电气主设备( 如：发电机、 变压器、母线等) 是电力系统中的重要元件，它们的安危将直接影响到电力系统的 安全稳定运行，因此必须对电气主设备装设性能优越，动作可靠的继电保护装置。 变压器是重要的电气主设备之一，它在整个电力系统中起转换枢纽的作用，它的安 全运行直接关系到整个电力系统能否连续稳定地工作。特别是现代大型变压器容量 大，电压等级高，造价昂贵，结构复杂，一旦因故障而遭到破坏，影响范围大，且 检修时间长，检修难度大，在经济上必然遭受很大的损失。因此，研究和探索动作 速度快，可靠性和灵敏性高的变压器继电保护新原理具有十分重要的意义。 伴随着继电保护技术的不断发展，电气主设备保护也和线路保护一样经历了电 磁式、晶体管式、集成电路式、微机式保护四个阶段，但电气主设备保护的发展却 远远滞后于线路保护的发展，电气主设备保护的正确动作率远低于线路保护的水 平，其中又以变压器保护的正确动作率为最低。据最新统计资料显示【2 1 ，1 9 9 9 - - 2 0 0 3 年五年里，2 2 0 k v 及以上变压器保护的平均正确动作率为7 5 4 4 ，其远低于线路 保护的正确动作率( 9 9 以上) 。表1 一l 列出了1 9 9 9 2 0 0 3 年2 2 0 k v 及以上变压 器保护运行情况的统计数据。 表l 一11 9 9 9 2 0 0 3 年2 2 0 k v 及以上变压器保护运行情况统计数据 不正确动作次数正确动作率 1 年 总动作次数正确动作次数 误动拒动 ( ) 1 9 9 92 0 61 3 86 716 6 9 9 2 0 0 02 0 11 5 14 917 5 1 2 2 0 0 12 5 22 0 84 3l8 2 5 4 2 0 0 22 1 41 6 05 317 4 7 7 2 0 0 32 0 61 5 74 9o7 6 2 1 总计 1 0 7 98 1 4 2 6 1 47 5 4 4 由上述统计结果可以看出：在过去的五年里，2 2 0 k v 及以上变压器保护的水平 没有发生明显的改善，变压器保护的正确动作率还偏低。究其原因：变压器是通过 华北电力大学硕士学位论文 磁场把一次线圈和二次线圈联系在一起具有强非线性数字模型的设备，其内部故障 的机理比较复杂，长期以来对变压器缺乏科学有力的故障分析工具，无法像线路保 护那样可以比较清楚地分析故障成因及故障过程。因此只有深入地分析和研究变压 器的故障机理和特征，不断地探索和研究适于变压器保护的新理论、新技术，才能 促进变压器保护的发展，缩小变压器保护与线路保护的差距。 1 2 变压器主保护的研究现状 1 2 1 电流波形特征识别法 电流波形特征识别法一直是人们研究的热点，目前仍占据主流。该方法以励磁 涌流和内部故障电流波形特征的差异为依据，已运用于实践的有二次谐波制动原理 和间断角原理【4 4 ，新近提出的有采样值差动原理【2 3 】、波形对称原理 4 翻、波形叠加原 理【4 6 1 、波形相关性分析法m 和波形拟合法。其中，采样值差动原理是间断角原理 的衍生，波形对称原理是间断角原理的改进，而波形叠加原理、波形相关性分析法 和波形拟合法则是波形对称原理的衍生或改进。另外，随着人们研究领域的逐步扩 大，研究层次的逐渐加深，产生的若干新兴学科也为判别励磁涌流提供了新的手段， 其中有代表性的是神经网络和小波变换。然而，就目前发表的文献看，这些新兴手 段也只是局限于对电流波形进行一些简单的加工，所以仍属于电流波形特征识别法 的范畴。 1 2 1 1 二次谐波制动原理 二次谐波制动法是计算差流中的二次谐波分量，若其值较大则判定为涌流，常 用的判别式为： 生，r ( 1 1 ) i t | 式中：l 。和i d ，分别为差流中的二次谐波和基波幅值；k 为二次谐波制动比。二次 谐波制动原理简单明了，有多年的运行经验，目前国内外实际投入运行的微机变压 器保护大都采用该原理。但是，采用二次谐波制动原理的变压器保护，面临着以下 几个问题： 1 励磁涌流是暂态电流，不适合用傅里叶级数的谐波分析方法。因为对于暂态 信号而言，傅里叶级数法的周期延拓将导致错误的结果。 2 彳艮难适当选择制动比k 。美国西屋公司的制动比为7 o 7 5 ，但a b b 取 1 0 ，我国和大部分国家则取1 5 2 0 t 4 3 1 。谁更科学较难评判。 3 现代变压器磁特性的变化，使得涌流时二次谐波含量低，导致误动；而大容 量变压器、远距离输电的发展，使得内部故障时暂态电流产生较大的二次谐波，导 2 华北电力大学硕士学位论文 致拒动。 1 2 1 2 间断角原理【4 4 】 间断角原理利用了涌流波形有较大间断角的特征，通过检测差流间断角的大小 实现鉴别涌流的目的。该原理的模拟式保护装置已得到应用，但面临着因电流互感 器传变引起的间断角变形问题。当电流互感器饱和时，在涌流的间断角区域将产生 反向电流，电流互感器饱和越严重则反向电流越大，最终使得涌流间断角消失；对 于内部故障电流而言，电流互感器饱和将导致差流的间断角增大，而且电流互感器 饱和越严重，其差流间断角越大。前者将使得变压器发生涌流时差动保护误动，后 者将使得变压器内部故障时差动保护拒动。此外，用微机实现间断角原理时硬件成 本商，主要表现在以下2 个方面 4 9 】： 1 需要较高的采样率以准确测量间断角，结果对c p u 的计算速度提出了更高的 要求。 2 涌流间断角处的电流非常小，几乎接近于0 ，而a d 转换芯片正好在零点附 近的转换误差最大。因此，需要高分辨率的a d 转换芯片。 1 2 1 3 波形对称原理 波形对称原理是利用差电流导数的前半波与后半波进行对称比较，根据比较的 结果去判断是否发生了励磁涌流。对称的定义由下式给出： 互! ! 。k ( 1 - 2 ) i l i 。二 式中：。为差电流导数前半波第i 点的数值；t 。为后半波对应第i 点的数 值；k 为比较闽值。当第j 点的数值满足式( 1 2 ) 时称为对称，否则称为不对称。连 续比较半个周期，对于内部故障，式( 1 2 ) 恒成立；对于励磁涌流，至少有1 4 周期 以上的点不满足式( 1 2 ) 。该原理基于对励磁涌流导数波宽及间断角的分析，是间断 角原理的推广，且比间断角原理容易实现。但是，涌流波形与许多因素有关，具有 不确定性、多样性，如果k 值取得太大，保护可能误动i 而故障电流也并非总是正 弦波，实际系统中必须考虑故障情况的多样性和故障波形的复杂性。当系统有分布 电容较大的电缆线路存在时，故障波形中就含有大量的谐波，此时如果k 值选得太 小，保护就有可能拒动；而且电流互感器饱和必将引起差流变形。因此，该原理的 应用必将遇到如下问题： 1 比较闽值k 如何确定? 应为多大? 2 故障时式( 2 ) 不一定总是恒成立，那么应当有多少点满足式( 2 ) 时才能判为故障? 换言之，对称范m t 5 0 】( 对称角度) 应当取多大? 这两个问题很难通过严格的理论分析或 推导予以解决，应用中只能根据实际情况，通过试验的方式设定或修正【5 1 ，结果潜 伏了误判的隐患( 已有误动的事实) 。 华北电力大学硕士学位论文 1 2 1 4 小波变换方法 2 0 世纪8 0 年代后期发展起来的小波变换在时、频两域都具有表征信号局部特 征的能力，被誉为分析信号的数学显微镜，非常适合于非平稳信号的分析，克服了 傅里叶变换只能适应稳态或准稳态信号分析、时域完全无局部性的缺点，可以准确 地提取信号的特征。所以，小波变换的出现立刻引起了科技界时、频分析方法的新 革命，当然也为励磁涌流和内部故障电流的判别带来了福音。自从小波变换的妙用 被继电保护工作者认识以来，就前仆后继地涌现出一大批从事励磁涌流判别的科研 人员，都试图通过小波变换彻底解决1 0 0 年前留给我们的技术难题变压器励磁 涌流与内部故障的判别。目前，小波变换在此方面的应用研究如火如荼，但一直以 来主要集中于高次谐波检测【5 25 3 1 和奇异点检测酬，此外并未发现大的突破。实际 上，两者都是间断角原理的一种推广，高频检测反映的是差流状态突变产生的高次 谐波，高频细节出现的位置对应于变压器饱和、退饱和时刻或故障发生时刻。若差 流的高频细节突变周期出现，则为励磁涌流；若出现一次后便很快衰减为0 ，则为 内部故障。奇异点检测利用了小波变换模极大值原理，检测的是差流状态突变而产 生的第2 类间断点，奇异点与涌流间断角相对应。但是，对微机保护来讲，获得高 频分量势必需要提高采样频率，从而增加了技术难度和成本，而且可能会受到系统 谐波的影响，能否经受住环境高频噪声的考验，有待进一步研究。另外，如何正确 检测模值亦是一个难题。 1 2 1 5 神经网络方法 人工神经网络( a n n ) 应用于变压器内部故障和励磁涌流判别，主要是利用a n n 优秀的模式识别能力进行电流波形识别。1 9 9 4 年，a n n 首次被用于变压器差动保 护，进行了励磁涌流辨识【5 卦，之后此类应用便层出不穷57 1 ，而且有的文献已经 不只局限于励磁涌流和内部故障电流的判别，如文献【5 6 用于区别变压器的励磁涌 流、外部故障和内部故障。不管用于何种目的，设计a n n 时都要经历如下几个过 程： a n n 类型的确定；输入和输出层中各节点数目的确定：输入是差流采样或 原、副边电流的采样，而且每时刻要有若干个包含足够信息的采样点输入网络，如 此可确定输入节点数，输出节点数与网络要实现的功用有关，如仅用于励磁涌流和 内部故障判别，则有1 个二进制输出即可，需要1 个输出节点；隐含层及其节点 数需多次试凑确定：传递函数的选择；训练样本的获取；数据预处理；训 练；对已训练好的神经网络进行测试。 上述过程需反复进行，若在训练过程或检验时不能满足要求，那么网络结构及 各种参数都需要调整，然后重新训练，可见，训练神经网络是一件非常烦琐的事。 而且，训练时需要大量的样本数据，其获取及预处理的工作量很大，尽管如此，仍 4 华北电力大学硕士学位论文 难以保证训练样本集的完备性，从而导致误判。实际上，由于三相变压器励磁涌流 的波形特征随系统电压和等值阻抗、合闸初相角、剩磁大小和方向、三相绕组接线 方式和中性点接地方式、三相铁心结构( 三相三柱、三相五柱、单相变压器组等) 、 铁心材料和组装工艺、磁滞回线和局部磁滞环等不同而改变，所以任何以涌流波形 特征为依据的防止空投误动的措施均不能保证变压器差动保护不误动，差别仅是误 动次数的多少1 4 ”。 1 2 2 磁通特性识别法 利用内部故障和励磁涌流时变压器磁链一差流( ) 曲线的差别，文献 58 】提出 了励磁涌流的磁通特性识别法。变压器发生励磁涌流时， 妒曲线即为变压器的 空载磁化曲线；发生内部故障时， i f ，曲线将偏离磁化曲线，且故障越严重则偏 离越严重。所以，通过计算铁心磁链掣和差流f 。可正确判别励磁涌流。具体判据为： 如果y 一位于磁化曲线上，则该不平衡电流为励磁涌流，否则为内部故障电流。此 判据尽管理论上可行，但实际上由于受变压器不确定剩磁的影响，在励磁涌流情况 下计算得到的妒将偏离磁化曲线，进而导致误判。为消除剩磁不确定性的影响， 文献【i ”又对上述方法进行了改进，即采用i ；f ，曲线斜率d y d i a 区分励磁涌流和内 部故障电流，如图1 1 所示。变压器正常运行于未饱和时， d v d i a 数值较大且为 一常数；铁心饱和时，d v a i d 数值较小：发生励磁涌流时，铁心交替饱和。d v d i 。 将在大值与小值间周期变化；而内部故障时，d y 织数值较小且为常数。 d w 管。一 图1 - l 变日滔的拿一。平面 峨 根据图1 - 1 ，内部故障时d v z d i d 值落于区1 ，励磁涌流时d d i d 值将在区1 和区 2 间摆动。令鼻为制动指数，如果( d g r d i a ) k 值位于区1 ，则辟加l ，当( d g , d i 。) k 位 于区2 时，砟减1 。这样，内部故障时岛几乎单调增加，而励磁涌流时以将从不大 于1 个阈值。该方法由于计及了励磁涌流时变压器铁心饱和，深入到励磁涌流的产 生原因而实现判别励磁涌流的目的，因而具有先进性。但存在如下不足： 1 确定区1 与区2 较困难。特别是内部轻微故障时d t 班d i a 数值较大，几乎可与 正常运行情况相比拟，这样，区l 范围较大，而且可能与区2 重合，最终导致判据 失效。 5 华北电力大学硕士学位论文 2 制动指数露的闽值需要通过实验确定，整定复杂。与磁通特性法阐述的理论 基础一致，文献【5 9 从变压器励磁涌流的产生是由于变压器励磁阻抗的变化出发，提 出了一种利用测量阻抗变化区分励磁涌流与短路电流的方法。文献【6 0 则提出一种通 过检测瞬时励磁电感基频分量的有无来区分励磁涌流和内部故障的方法，理论根源 是：涌流时变压器铁心工作于非线性区，瞬时励磁电感剧烈变化；而内部故障时铁 心工作在线性区，瞬时励磁电感为常值。这3 种方法具有异曲同工之妙，很有应用 前景，而且后2 种方法更容易整定。但是，目前它们仅适合于三单相变压器组，尚 未推广到三柱式或五柱式变压器。 1 2 _ 3 等值电路参数鉴别法 文献【6 1 】提出了一种基于变压器导纳型等值电路的参数鉴别方法，而且无论是励 磁涌流还是内部故障，三绕组变压器的统一等值电路如图2 2 所示。对于该电路， 有如下特点： 1 导纳i 、，k 、和k 与变压器运行状况无关，是一个常数。 2 导纳i 。，和匕与变压器的运行状况相关，对于内部故障和励磁涌 流，它们表现出极大的不同。具体地，如果主绕组l 在最外层，第3 绕组在最里层， 则：励磁涌流时，】) ：。和e 。为大于0 的常值：内部故障时，故障绕组的导纳( 】：。，k 或只。) 随故障匝比的增加而增加，但非故障绕组的导纳仍旧几乎为0 或稍微变负。 3 1 3 黛鬻耋巧瓦五 圈2 2 三绕维受压器等僵电器 所以，根据导纳和e 。的瞬时值可以建立判据，如果 e1 或e2 ( 1 - 3 ) 则变压器为内部故障。其中，el 和e2 为非负实常数，对于某具体变压器应经过分 析或实验确定，文献给出的参考值分别为el _ o 和；2 = 2 。但是，该方法需要获取变 压器漏电感参数，以求取y 1 ，和】；：，进而根据实时采样得到的各相绕组电压、 电流值计算瞬时导纳x 。和匕；而且e1 和e2 的整定较难。 1 2 4 基于变压器回路方程的算法 该方法基于变压器原、副边的互感磁链平衡方程与原、副边电压关于电流和互 6 华北电力大学硕士学位论文 感磁链的方程，消去互感磁链，得到只包含原、副边电压和电流的线性模型。该模 型不直接反映变压器铁心磁通的非线性，只表达变压器原、副绕组漏感( z l ，1 2 ) 、电 阻( r i ，r 2 ) 、电压( “1 “2 ) 及电流( f l ，f 2 ) 间的关系，以单相变压器为例，有如下表达式( 为 简明起见，设变比为1 ) ： u t 刮。州，“，鲁+ r ：i 2 + t 鲁 ( 1 - 4 ) 据此，引出2 条思路：a 当变压器无故障时( 正常运行、空载合闸、外部故障及其 切除) ，式( 1 - 4 ) 恒等：而内部故障时，式( 1 - 4 ) 不再成立。定义 s 一旷旷忏鲁吨一t 鲁 ( 1 - 5 ) 则当lep 口时，变压器为内部故障；a 为闽值 。b 变压器在正常运行、励磁涌流、 过励磁或外部短路时，绕组漏感和电阻为恒定不变的常值，而在内部故障时却要发 生变化。基于此特性，可将绕组漏感和电阻是否发生变化作为区分变压器内部故障 的判据，为此产生了变压器保护的参数辨识法 6 2 l 。该方法完全摆脱了励磁涌流和过 励磁电流的困扰，实现了与差动保护迥然不同的变压器主保护，构思新颖，原理简 明。但实践中存在如下困难：变压器原、副边绕组漏电感极难准确获得，目前尚无 可行的测取方法，导致整定困难。 1 2 5 差有功法6 3 】 差有功法的基本原理是：正常运行时变压器消耗有功非常小( 铜损耗和铁损耗之 和小于变压器容量的1 ) ，励磁涌流时由于绕组存储磁能，第1 个周期流入变压器 的有功较大，但是第2 个周期之后变压器消耗的有功却非常小( 尽管涌流时铁损耗和 铜损耗都有所增加) ：然而当变压器绝缘损坏时，电弧放电发热将消耗大量的有功。 所以，通过检测变压器消耗有功的大小，即差有功，可判别变压器是否发生内部故 障。具体实现时，在差有功中去除铜损耗以提高保护的灵敏度，对于单相两绕组变 压器有： w ( t ) = l 。m | 删2 - r l i ? 叫? ) d l ( 1 6 ) 式中：u 1 ，u 2 ，i l ，i 2 ，n ，r 2 分别是变压器原、副绕组的瞬时电压、电流和电阻。 差有功法的判据为：如果w ( t ) ，则变压器为内部故障。设定阈值的目的是为 了避免涌流时误动。此外，电压互感器和电流互感器的测量误差将影响的大小， 例如电压互感器和电流互感器的时延导致电压、电流相位误差，从而引起差有功误 差。差有功法不再纠缠于励磁涌流波形特征，从物理机理出发综合考虑电压、电流 7 华北电力大学硕士学位论文 信息，是一种全新的主保护方案。然而，该方法仍无法回避励磁涌流带来的不利影 响，首先需要避开涌流时变压器第1 周期的充电过程，结果导致判别延时；其次， 由于涌流时铜损耗很难精确计算，铁损耗增加，整定不容易。而且，变压器外部故 障时由于变压器流过较大的穿越电流，使变压器消耗较大的有功，其对差有功法的 影响也不容忽视。所以，文献【63 】使用了辅助判据以提高灵敏度。 1 2 6 基于模糊逻辑的多判据法 该方法基于对现有励磁涌流识别算法的认识，借助模糊逻辑隶属度和权重的概 念，综合了各判据的优点，使各判据之间取长补短。该方法弥补了严格依照精确定 量判别涌流的不足，避免了“一票否决”，真正做到了“集思广益”，体现了智能化 特点。例如，文献【27 】综合二次谐波制动原理、波形特征识别法、磁通特性识别法和 低电压判据的优点，利用模糊集合理论提出了一种多判据方法。该方法只是变压器 励磁涌流识别中的一个新探索，目前有很多问题难以解决，如模糊逻辑中隶属函数 与权重应当如何选择? 这个问题的回答建立在原有认识的基础上，而且需要技术人员 对问题有较深入的认识。所以，该方法仍需要科研工作者进行深入而细致的研究。 1 2 7 变压器识别内部、外部故障的方法 由于差动保护原理简单，动作灵敏，几十年来一直用于变压器主保护。变压器 纵差保护主要采用比率制动方式或标积制动方式达到外部短路不误动和内部故障 灵敏动作的目的。常规的电流差动继电器反映的差电流是流入被保护设备的各支路 电流之和，继电器的工作原理可以反映核电流的有效值或平均值等，大部分微机差 动保护的原理与常规差动保护相同，近年来，一种直接利用采样值实现的差动保护 原理逐渐在工程中得到实际应用。与相量差动保护相比采样值差动具有一些独特的 特点如：在稳态过程，常规的差动保护中用的是有效值。差动电流，。和不平衡电流 j 。以及施加的制动电流j ，都是一个不随时间而变化的确定值。但是对采样值差 动保护来说，采样值时随时间而周期变化的。因此，f 。、t 。都是随时间变化。 对于每个采样点，它的采样值制动特性的关系都不一样。这就需要重复多次判断， 即r 取s 法。但是对于变压器纵差保护存在以下问题： 变压器各侧的额定电压和额定电流不一致，使得变压器各侧的电流互感器在结 构形式和传变特性等方面均存在较大的差异，难免会带来一定的负面影响。一方面 在正常运行条件下差动回路中的不平衡电流较大；另一方面，在变压器外部故障情 况下由于某一侧t a 饱和而产生大量的不平衡电流时也可能影响变压器差动保护的 正确动作行为。传统的变压器差动保护利用涌流闭锁判据并配合比率制动特性比率 制动特性来避免保护在上述情况下的误动，取得了一定的效果。 华北电力大学硕士学位论文 1 3 变压器保护技术的发展趋势 采用差动保护作为变压器内部故障的主保护，导致励磁涌流和故障电流的识别 问题成为几十年来一直影响变压器差动保护性能的桎梏，有关这方面的文献资料可 以说是浩如烟海，前面介绍的几种识别方法仅仅是其中比较有代表性的方法而已。 关于变压器主保护技术的发展路线，作者认为应当走“新老结合”的道路。一方面， 努力寻找新途径，探索新思路，彻底抛开差动保护方案的束缚，研究与差动保护迥 然不同的新原理作为变压器主保护方案，完全从识别励磁涌流和故障电流的羁绊中 解脱出来，这应当始终是继电保护工作者孜孜以求的目标；另一方面，面对现状， 迎难而上。选择差动保护作为变压器主保护方案，有历史原因，但差动保护方案绝 非一无是处，其在变压器内、外部故障的区分方面确实发挥了重要作用。继电保护 工作者在提高变压器差动保护在外部故障情况下的可靠性和内部故障情况下的灵 敏性方面也浇注了大量心血，比率制动特性 3 _ 9 l 、标积制动特性 3 】【1 0 。3 1 、故障分量差 动【3 】【1 4 20 1 、采样值差动【1 9 _ 2 6 1 等方案在实际运行中都发挥了很好的作用。在目前，尚 没有找到比差动保护性能更好的变压器主保护方案情况下，要面对现状，针对励磁 涌流和故障电流识别的老问题，总结已有的较为成功的运行经验和方法，同时不断 地探索和尝试新理论、新技术的应用，力求能够很好地解决励磁涌流和故障电流的 识别问题，将变压器主保护性能提高到一个新水平。 1 4 本文的主要工作 ( 1 ) 针对在变压器外部故障情况下，由于某一侧t a 饱和而产生大量的不平衡 电流时也可能影响变压器差动保护的正确动作行为。 a 提出一种根据快速滤波算法计算故障电压、故障电流的相量，然后根据计算 得到的故障电压、故障电流相量计算进行序阻抗电压，当变压器发生内部故障时， 变压器两侧感受的序阻抗的差小于9 0 度，当变压器发生外部故障时，变压器两侧 感受的序阻抗的差在1 6 0 度和2 0 0 度之间，根据该差别进行变压器内外部故障的识 别。该方法由于能在启动程序启动5 m s 内即作出判断，因此不受t a 饱和的影响。 b 5 m s 的故障阻抗判据在9 0 度至1 6 0 度之间存在模糊区，为保证判据的可靠 性，又提出一种主要利用变压器两侧电流信号中的综合负序分量的极性，来区分变 压器内、外部故障的方法，该方法需要的数据窗窗长1 0 m s 。提出的综合负序分量属 于故障状态量，利用变压器两侧的这一分量构成新的极性保护，用以区分变压器内、 外部故障，具有快速、可靠的优点；该算法既具有故障分量保护的特点，又具有方 向保护的特点，故障特征明显。 ( 2 ) 当前存在的励磁涌流与内部故障判别方法虽然种类繁多，但都不够完善， 9 华北电力大学硕士学位论文 远不能满足电力变压器继电保护的要求。为此加速研制新判据非常迫切与重要。文 献 75 】提出由于变压器发生励磁涌流时磁路的饱和，变压器是一个非线性时变系统， 其电压、电流并非线性相关，而是系统中独立的2 个变量。因此必须充分利用变压 器励磁支路的非线特性才能提出灵敏度高，可靠性强的识别判据。以往的判据存在 的问题是：1 选择的特征单一，不充分；2 动作时间过长。需要进一步完善，如： 利用电压量和电流量的等效瞬时电感原理。 本文在详细地分析变压器保护技术发展现状的基础上，对变压器空载合闸产生 励磁涌流的暂态过程进行了较为深入的研究，并进行了实际变压器的绕组匝间短路 实验，获取了真实有效的数据，在此基础上，针对目前变压器主保护中尚未很好解 决的一些关键问题进行了研究工作，提出了相应的新原理和新方法。 a 为配合5 m s 的识别变压器区内、区外故障的故障阻抗判据，提出利用电流波 形特征， 提出5 m s 快速判据：根据励磁涌流波形具有尖顶波的这一特性，将初始 5 m s 内的差电流的数据，拓展为长1 0 m s 的数据窗，为便于对差电流进行微分运算， 先对数据进行最小二乘拟合，再根据拟合曲线在各点的凸凹特性和曲率大小，构成 判据识别励磁涌流和故障。 b 为保证识别变压器励磁涌流和内部故障判据的可靠性在5 m s 判据的基础上， 提出1 0 m s 半周波判据的思想：基于这种思想，利用初始l o m s 内差电流数据，计算 数据窗内最大值两侧相邻的两个采样步长组成的大梯形与两个单步长小梯形面积 和的差。该方法主要依据的是差电流的波形的凹凸特性，因此受非周期分量的影响 较小，能在约1 0 m s 内作出判断，所需时间短，动作速度快，识别灵敏度高，并且 实现方便。动模实验表明，该方法能够快速、可靠地区分变压器励磁涌流和内部短 路故障。 c 为保证识别变压器励磁涌流和内部故障判据的可靠性在1 0 m s 判据的基础上 提出2 0 m s 整周波判据：从变压器内部故障电流和励磁涌流的波形特征入手，利用 励磁涌流波形前半周波波形始部呈现凹弧的尖顶波特征和熬个周波内的间断特征， 来区分变压器内部故障和励磁涌流。理论分析和动模实验结果表明：该方法能够更 准确地区分变压器内部故障和励磁涌流，并具有较强的抗干扰能力。 本文提出一套时域多层次、多判据综合的新变压器主保护判据，在故障特征明 显时，它能实现在5 m s 内判断出区内、外故障，如果是区内故障便立即转入励磁涌 流和内部故障判据中，如果特征明显立即能做出判断，如果特征不明显则通过1 0 m s 判据和2 0 m s 判据判断，整套变压器保护判据充分地实现了保护动作快速性和可靠 性的统一。 1 0 华北电力大学硕士学位论文 第二章5 m s 内快速识别变压器区内、外故障的方法 2 1 一种快速滤波算法 2 1 1 引言 在检测到电力系统发生故障后，如果保护装置中采用的滤波算法为固定数据窝 长，那么在故障后时间未达到该数据窗长时，数据窗内既包含故障后的采样点，也 包含故障前的采样点，这样，就会使得相量计算的结果不能真实地反映故障后的电 气量，将该结果用于保护实现时，可能造成保护的误动或拒动，例如用于距离保护 原理中的阻抗计算时，很可能会造成超越的情况。因此，在实际工程应用中，通常 是检测到输入信号出现扰动后开始等待，直至达到计算所需的数据窗长，才开始进 行相量计算。这就决定了保护动作时间必定会大于该数据窗长。为提高保护对故障 的反应速度，缩短数据窗长是一可行的措施，而选取一种性能良好的滤波函数无疑 对实现短窗滤波算法是很重要的一步。 2 1 2 滤波函数的选取 基于文献p “的讨论，选取与数据窗长有关的三角函数作为滤波函数。 设输入信号的为x f ，t j ，所用的数据窗长为瓦，则在t 时刻，若不考虑衰减的直 流分量的影响时，分别用于计算输入信号相量的实部、虚部的滤波函数的系数为： 只：s 加n ) 一一h 冬j ( 2 只桫：伽一一f + 冬) ( 2 2 ) 式中：r i t z ，玎。 若计及衰减的直流分量的影响，则 巴。= s 加吐) 一一f + 冬j ( 2 - 3 ) 瓦。= c 甜一一r + j 一手k 伽一一r + 等f ( z _ 4 ) 相应地，为使在数据窗内相量计算结果的均方差最小，对应的滤波函数为： x 舻臀 沼s ， 华北电力大学硕士学位论文 及 x 鳓 x 。d 善t ) = 一k x ( r ) f ( t ) d r k f ：( t ) d r 生堑兰垒! 丝 k 只。2 出 ( 2 6 ) ( 2 7 ) x o 。：上型粤堕一 ( 2 - 8 ) k c 一f - 等j 瓦c 2 ( o d t 显然，在所用数据窗内x 。( x 。d e ) 和) ( c ( k d c ) ，构成一对正交滤波器( 在下面分 析中亦可得到该结论) ，于是，输入信号相量的幅值为： x ( o = x ：( 1 ) + x ：( t ) t 2 - 9 ) 或x ( o = _ xs ( 1 ) + x 。( t ) ( 2 - 1 0 ) 对应的相角为： 或 舻们加器 妒似2 口阳缸珂砀x j o 2 1 2 滤波函数的频率响应3 3 】 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 下面分析在不同数据窗长凡下的两个滤波函数的频率响应。 图2 1 一图2 5 分别示出在凡为1 4 周期、1 2 周期和全周期( 设周期为丁) 下 的两个滤波函数的频率响应，包括计及和不计及衰减的直流分量的影响这两种情 况。其中，在幅值特性中，纵坐标h h 1 表示不同频率下的幅值与基频中的比值；在 相频特性中显示的是两个滤波函数在频域中的相角之差的曲线。可以看出，这两个 滤波函数在整个频域中是正交的，与数据窗的大小无关。此外，在t w = r 时，滤波 函数的频率响应与衰减直流分量的影响考虑与否无关，如图2 - 5 所示，通过式( 2 4 ) 的推导也可得到该结论。 为了进行比较，本节同时对传统的傅里叶算法的正弦、余弦函数在不同数据窗 下( 凡= 删，t w = t 2 和t w = t ) 进行了相应的频率响应的分析。结果表明，在t w = t 2 和t w = t 下，本节所选取的滤波函数的频率响应与传统的傅里叶算法相同，而在 t 。= t 4 下，二者的差异很大。传统的傅里叶算法的两个滤波函数的频率响应如图 2 6 所示。 1 2 华北电力大学硕士学位论文 重薹蛀蘸理 粼ca) 硝 2 二。二二6z 幅鞭特性 ( b 并目甥恃性 j j 图2 - 1 舻t 4 ，不计及衰减直流分量的影响 a2】4j_ ， _ 一x ：x r掰i ：a ) 幡频特性 】5 载 - n 墓= 图2 2 凡= t 4 ，计及衰减直流分量的影响 - - x , ；正 蹦 ( ) 幅频特性 = l 羹蓑 p】!，4，d，0 相野附性 图2 - 3 玲t 2 ，不计及衰减直流分量的影响 0i 2 ； s6 石j “! 五 ( a ) 幅频特性 _ 彤 = h _ 墨瑚 _ r m ，3de67 ( b ) 相频特性 图2 - 4 舻t 2 ，计及衰减直流分量的影响 1 3 性 一 黼 ，删 华北电力大学硕士学位论文 垃。一。 y -j、# 石；oo - 正 ：砷幅紧特性 蚕! ；泣。一 图2 5 l f 丁 蛐麓、二二京擎数崩 ：曲幅频特性 图2 - 6 球聊 ： 篓 锄 硝 雾心 ( b 娜椿翦世 传统的傅里叶算法 在图2 - 6 中可以看到，在n = t 4 时，傅里叶算法的两个滤波函数在频域内并不 总是正交的。因此，如果根据式( 2 - 9 ) 或式( 2 - 1 1 ) 计算得到的输入信号相量的幅 值不是准确的。 由图2 1 一图2 - 5 可以看出，本文选取的两个滤波器在各数据窗长下( t 。= t 4 ， n = 耽和t w = t ) ，其在频域中始终是正交的。可以证明，在任何数据窗下，这两个 滤波函数在频域内始终是正交的。这一点对于应用式( 2 - 9 ) 或式( 2 - 1 1 ) 准确的计 算输入信号的幅值来说是必要条件。此外，在不计及衰减直流分量的影响下，滤波 函数抑制低于系统频率的较低次谐波的能力较差，而计及衰减直流分量的影响时， 具有较强的抑制较低次谐波的能力。但是对比前者，后者抑制高次谐波的能力有很 大的减弱。这是式( 2 5 ) 一( 2 - 8 ) 的推导假设前提决定的。在实际工程应用中，可 以分别利用式( 2 - 2 ) 和式( 2 4 ) 来计算五俐和五d c ，取较小的值作为幅值的计 算结果。这样会降低计算值过大的情况，但会增加求解时剐。究竞选择哪个公式 来进行计算，取决于计算相量的具体应用场合。 2 2 基于改进型序阻抗原理的变压器保护方案的研究 纵差保护作为变压器内部故障的主保护一直延用至今，在实际运行中发挥了非 常重要的作用。但由于电流纵差保护对于通过磁路耦合的双绕组或多绕组变压器在 原理上存在缺陷( 即对于非纯电路，基尔霍夫电流定律并不适用) ，因而导致励磁 涌流和故障电流的区分成为伴随电流纵差保护的固疾，而且t a 饱和对纵差保护性 能的影响也成为令人棘手的难题。改善现有变压器纵差保护的性能和探索基于新原 理的变压器主保护方案一直受到人们的广泛关注，随着变压器保护装置引入电压量 成为可能，新型变压器主保护方案的研究也出现了契机。文献 3 4 】提出了一种基于序 1 4 华北电力大学硕士学位论文 阻抗原理的变压器主保护方案，它利用变压器发生区内外故障时，变压器两侧计算 正负序阻抗所在象限的不同，能够有效识别变压器区内和区外故障，相对于传统的 变压器纵差保护，该方案在一定程度上具有不受t a 饱和以及t a 变比不一致影响等 优点。文献在文献的基础上，修正了变压器区内和i 页# t - 故障时，正负序阻抗在 象平面上不同区域的划分，使得判据具有更高的可靠性和灵敏性。 2 2 1 序阻抗原理及其分析 2 2 1 1 序阻抗基本原理【3 4 】 序阻抗原理的基本思想是：在变压器故障前后正负序等值网络必然会发生一定 的变化，利用正负序电压电流的变化量计算出变压器两侧保护安装处所感受到的正 负序阻抗，根据其方向的不同来达到识别变压器区内外故障的目的。为说明方便以 双绕组变压器为例，系统模型如图2 7 所示，保护位于变压器两侧，电流的正方 向如图2 7 所示。 g x 鼢1 变压器始2 赣电蛾 髓3 g y 图2 7 系统仿真模型 对于变压器区外故障，例如在输电线f l 点发生故障，根据故障前后的正序等 值网络可有： 4 u x f 助i 。| = 一z 6 。i ，4 uy l a il = + ( z l + z 。? ) ( 2 1 3 其中u 叱“。，4 u 儿缸，。分别表示故障前后变压器角形侧和星形侧的正序电 压和正序电流的变化量，z 。，k 。分别表示x 侧系统和变压器的正序等值阻抗。同 理，根据故障前后的负序等值网络可得： a ux 2 a i2 = 一z 2 ，n u y ；i 。2 = + f z 。2 + z 一! ) t 2 1 4 ) 其中彳【，m 缸。彳u 儿时，：分别表示故障前后变压器角形侧和星