（电力系统及其自动化专业论文）基于涌流识别新判据的变压器差动保护的研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i c a li n d u s t r y , m o r ea n dm o r el a r g ep o w e rt r a n s f o r m e r sw i l lb ew i d e l y u s e di np o w e rs y s t e m l a r g e p o w e rt r a n s f o r m e r sb e l o n gt oac l a s sv i t a la n dv e r ye x p e n s i v ec o m p o n e n t si n e l e c t r i c a lp o w e r s y s t e ma c c o r d i n g l y , h i g hd e m a n d sa r ei m p o s e d o np o w e rt r a n s f o r m e r p r o t e c t i v er e l a y s d i f f e r e n t i a l r e l a y i st h e k e yp r o t e c t i o n f o r p o w e r t r a n s f o r m e r s o f a r , t h ek e yp r o b l e mo f t r a n s f o r m e rd i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o ni ss t i l lh o wt op r e c i s e l yi d e n t i f yt h ei m - u s ho ft h et r a n s f o r m e na m o n g t h o s ea l g o r i t h m sc u r r e n t l yb e i n gu s e d ，t h es e c o n dh a r m o n i cc u r r e n tr e s t r a i n tm e t h o da n dd e a d a n g l em e t h o d a n do t h e r sh a v eb o t ha d v a n t a g e sa n ds h o r t c o m i n g s t om e e tt h ed e m a n do fs p e e d i n e s so ft r a n s f o r m e r r e l a y i n gp r o t e c t i o n ，i ti si m p o r t a n tt os e a r c han e wm e t h o dw h i c h e a r ld i s c r i m i n a t et h ei n r u s hc u r r e n ta n d s h o r tc u r r e n tf a s t e ra n dm o r e r e l i a b l y b a s e do nb r i e fa n a l y s i so ft h ep o w e rt r a n s f o r m e ri n r u s hc u r r e n t sm a dt h o s ek n o w nm e t h o d so f d i s c r i m i n a t i o nb e t w e e ni n r u s hc u r r e n ta n di n t e r n a lf a u l tc u r r e n to ft t a n s f o r m e r s ，an e wm e t h o db a s e do n w a v e f o r m s y m n a e t r yp r i n c i p l e i s p r o p o s e d ，w h i c h i st o a n a l y z e t h ed i f f e r e n t i a l c u r r e n ta n dt h e n d i s c r i m i n a t ei n r u s hc u r r e n tf r o mi n t e r n a lf a u l tc u r r e n tb y u s i n gt h es i m i l a rc o e f f i c i e n t f a u l tc u r r e n tc a nb e d i s c r i m i n a t e df r o mt h ei n r u s hc u r r e n ti ft h es i m i l a rc o e f f i c i e n tb e t w e e nt h ep r e - h a l fa n dt h ep o s t h a l f c y c l e o ft h ed i f f e r e n t i a lc u r r e n ti s l a r g e r t h a nt h e s e t t i n g v a l u e i nt h i st h e s i s ，t h ei n f l u e n c eo ft r a n s i e n t c h a r a c t e r i s t i co f t aa n dd e c a y i n gd c c o m p o n e n to n t h en e wc r i t e r i o ni sa n a l y z e d t h et h e o r ya n a l y s i sa n d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h em e t h o di sc h a r a c t e r i z e dw i t hq u i c ki d e n t i f i c a t i o n ，r e l i a b l eo p e r a t i o na n d l e s sa f f e c t e db yn o i s ei m m u n i t y ac o m p l e t em i c r o p r o c e s s o r - b a s e dt r a n s f o r m e rd i f f e r e n t i a l p r o t e c t i o n s c h e m eb a s e do nt h en e wm e t h o df o ri n r u s hi d e n t i f i c a t i o ni sp r e s e n t t r a n s f o r m e rd i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n p r o g r a mi sd e s i g n e db yu s i n ga s s e m b l yl a n g u a g e t h en e w m e t h o df o ri n r u s hi d e n t i f i c a t i o ni sv a l i d a t e db y t h ee x p e r i m e n t so f s w i t c h i n g o nt h eu n l o a d e dt r a n s f o r m e ra n dt h ef a u l tt r a n s f o r m e r t h e p a p e ra l s op o i n t so u tt h ed i r e c t i o n o f d i f f e r e n t i a lr e l a yd e v e l o p m e n t k e y w o r d s ：t r a n s f o r m e rd i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n ；w a v e f o r ms y m m e t r yp r i n c i p l e ；i n r u s hc u r r e n t ；i n t e r n a lf a u l t ； s i m i l a rc o e f i c i e n t 东南大学硕士学位论文 i i 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得东南大学或其它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。 签名：0 量! ! 玺日期：竺蔓o 以 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相 一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或 部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签名：些导师签名：毒皇堑坠f _ 一 日期： 2 一? ，j 以 第0 章绪论 第0 章绪论 0 1 微机变压器纵差动保护的特点 在微机保护领域，变压器保护是一种重要的元件保护。这是因为变压器在电力系统发电、输电 和配电各个环节中得到了广泛应用，它的故障将对供电可靠性和系统的正常运行带来严重的影响。 同时大容量的电力变压器也是十分昂贵的元件，因此必须根据变压器的容量和重要程度考虑装设性 能良好、工作可靠的继电保护装置。目前，微机变压器保护的研究成果主要集中在变压器纵差动保 护( 以下简称差动保护) 方面。 差动保护是变压器的主保护。变压器差动保护在正常运行和外部短路时，理想情况下流入差动 继电器的电流为零，保护装置不动作。但实际上变压器差动保护与发电机差动保护相比，在正常运 行和外部短路时的工作行为有很大的不同。这是因为变压器差动继电器在保护区外短路时，受到一 些可能引起差动保护误动因素的影响，而这些因素在发电机差动保护中一般不会出现，具体表现在 以下几个方面f 1 】： ( 1 ) 变压器差动保护所用的各侧电流互感器的电压等级不同，变比、容量以及铁芯饱和特性不 一致。而且变压器各侧三相接线方式不尽相同，所以各侧电流的相位也可能不一致，这些都将使外 部短路时不平衡电流增大，所以变压器差动保护的最大制动系数比发电机的大，灵敏度相对较低。 ( 2 ) 变压器高压绕组常有调压分接头，有的还要求带负荷调节，使变压器差动保护已经调整平 衡的二次电流又被破坏，导致不平衡电流增大，这将使变压器差动保护的最小动作电流和制动系数 都要相应增大。 ( 3 ) 变压器差动保护范围除包括各侧绕组外，还包含变压器的铁芯，即变压器差动保护区内不 仅有电路而且还有磁路，存在励磁涌流问题。 0 2 变压器励磁涌流识别的重要性 在实施变压器差动保护时，主要需要解决以下两个重要问题“j ：( 1 ) 为了躲区外故障时的最人 不平衡电流，而导致内部轻微匝间故障时灵敏度低的问题；( 2 ) 正确识别励磁涌流和内部故障时的 短路电流。长期以来，继电保护工作者对上述两个问题进行了大量的分析研究和试验。第一个问题 已经得到了很好的解决，主要措施是采用比率制动原理，此外也可以采用故障分量比率差动原理、 标积制动原理和相角比较式差动原理等。由前面的分析可知，变压器差动保护出现不平衡电流的原 因是多方面的，而其中以变压器空载合闸时或者当外部短路故障被切除后电压恢复时所产生的励磁 涌流的影响最为严重。这是由于一方面励磁涌流的大小将达到变压器额定电流的几倍甚至十几倍： 另一方面励磁涌流只流过变压器的电源侧，而负荷侧因开路并没有电流。励磁涌流将流入纵差保护 的差动回路，使得差动保护承受一个数值非常大的不平衡电流。若差动保护不能够躲过这一电流， 它就会误动作。因此，当前变压器差动保护的核心问题是如何正确地识别励磁涌流和内部故障电流。 由于变压器保护的重要性和励磁涌流的复杂性，促使了对励磁涌流问题的不断研究。目前已有 多种识别励磁涌流的方法。利用变压器的电流量识别励磁涌流与内部故障电流的传统方案有二次谐 波制动原理和间断角闭锁原理。二次谐波制动原理的变压器差动保护，往往采用或门制动方式，即 某一相电流的二次谐波含量超过门槛值，就闭锁三相。这种方式带来的问题是合闸于内部故障时， 差动保护因健全相的涌流制动而拒动或跃延时动作。另一方面，在超高压电力系统中，由于| 吏输电 东南大学硕士学位论文 1 - 第0 章绪论 线( 或电缆) 分布电容以及串补电容谐振的影响，某些故障电流中的二次谐波含量也很大，使得采 用二次谐波制动的保护长延时出口。间断角原理的优点是能够快速切除合闸于内部故障。但是，在 1 1 a 传变间断角可能消失的情况下，必须采取某些措施来恢复间断角，增加了保护的复杂性。同时由 于t a 特性的非线性，要精确恢复间断角存在困难。近年来，国内外学者提出了很多同时利用变压 器的电流量和电压量鉴别励磁涌流的新原理和新方法，如磁通特性鉴别法、等值电路参数鉴别法等， 这些原理需要对变压器的某些参数作人为的假设，其应用前景取决于理论上的进一步突破。因此， 进一步探索快速、准确地区分变压器励磁涌流和内部故障电流的新原理，对提高变压器差动保护的 性能是十分必要的。 0 3 本论文的主要内容 本论文针对变压器差动保护的核心问题( 励磁涌流识别问题) 进行了详细的分析和研究，在分 析了传统励磁涌流识别方法的基础上，提出了一种基于波形对称原理的励磁涌流识别新判据。利用 励磁涌流识别新判据构成了一套完整的微机变压器差动保护方案，详细讨论了其软件的实现方法， 并进行了实际试验验证。论文具体由以下几章构成： 第一章，变压器励磁涌流的基本原理及其特点。分析了变压器励磁涌流的形成机理及其特点， 并在此基础上分析了励磁涌流对变压器差动保护的影响。 第二章，当前变压器励磁涌流识别方法的分析和评价。分析了当前已有的励磁涌流识别方法的 优缺点，并介绍了国内外变压器微机保护装置的现状。 第三章，基于波形对称原理的励磁涌流识别新判据。在引入非参数相似系数基本概念的基础上， 提出了一种基于波形对称原理的变压器励磁涌流识别新判据。利用m a t l a b 仿真软件对新判据进行 了数字仿真，验证了新判据的正确性。 第四章，t a 暂态传变特性对励磁涌流识别判据的影响。介绍了t a 暂态传变特性对间断角闭锁 原理的影响及对策，并分析了t a 传变对本文提出的励磁涌流识别新判据的影响。 第五章，衰减直流分量对保护算法的影响。分析了不同衰减时间常数和不同采样率下，衰减直 流分量对波形对称原理以及本文提出的励磁涌流识别新判据的影响。 第六章，基于涌流识别新判据的变压器差动保护方案及其软件设计。提出了一套基于涌流识别 新判据的变压器差动保护方案，并分析了保护方案的软件实现。 第七章，试验验证。通过大量的空载合闸和短路试验，验证了文中提出的涌流识别新判据的止 确性，试验结果与理论分析相吻合。 第八章，结论和展望。对论文进行总结，并指出变压器差动保护的发展方向。 东南大学硕士学位论文 - 2 - 第一章变压器励磁涌流的基本原理及其特点 第一章变压器励磁涌流的基本原理及其特点 1 1 励磁涌流产生的机理及其特点 变压器空载合闸或外部短路切除后电压恢复时，在暂态过程中可能会出现数值很大的励磁涌流， 其主要原因是由于变压器铁芯饱和所致，在分析时须考虑其非线性特性，因此比较复杂。为了清晰 地说明励磁涌流产生的机理下面先以一台单相变压器空载合闸为例分析励磁涌流形成的物理过程 及其特点，以便进一步分析三相变压器励磁涌流的特性。 1 1 1 单相变压器励磁涌流分析 为了便于分析，同时考虑合闸时的最严重情况，作以下几点假设： ( 1 )合闸电源为无穷大，合闸时母线电压不变化； ( 2 )合闸回路电阻不考虑； ( 3 ) 忽略漏抗压降； ( 4 )铁芯的磁特性处理为两段折线，不考虑磁滞回线的影响。 因为励磁涌流是由铁芯饱和引起的，所以必须首先了解空载合闸时铁芯中磁通中的变化。变压 器空载合闸到系统时，铁芯内即产生磁通。一般情况下，在变压器投入前，铁芯中存在剩余磁通， 再加上电压瞬间磁通不能突变，因此必然要产生暂态磁通，使得投入瞬间的总磁通等于剩磁。这就 使得在暂态过程中的总磁通的最大值比稳态磁通大很多。 设单相变压器合闸电源电压为： “= u 。s i n ( c o t + a ) ( 1 1 ) 式中口为电压合闸初相角。 空载合闸暂态过程方程如下( 令变压器一次绕组匝数n = i ) ： m 竺= u 。s i n ( 耐+ a ) ( 1 2 ) m 由上式可得铁芯磁通为： 中= 一中c o s ( c a t + a ) + o c o s a + 中r ( 1 - - 3 ) 其中： 中，为空载合闸前的铁芯剩磁； 中。为对应电压u 。的稳态磁通的幅值，中。= u 。 式( 1 - - 3 ) 中一中。c o s ( 耐+ 口) 为稳态磁通；o 。c o s a + 中，为暂态磁通。 假设变压器的磁化曲线用两段折线表示，如图1 1 ( a ) 所示，图中s 点的磁通为饱和磁通中，。 一定的磁通必有相应的励磁电流，变压器空载合闸铁芯饱和时，与合闸磁通相对应的励磁涌流的波 形可以通过作图法求得如图1 1 ( b ) 所示。 由文献3 ，4 1 可知单相变压器的励磁涌流可近似表达为： 当中 o 。时， 东南大学硕士学位论文 3 - 一 刊 到 = 谢一半* 第一章变压器励磁涌流的基本原理及其特点 当中 中。) 时，励磁电流的瞬时值很大，对应图1 1 ( b ) 中的r a t = 岛目2 段，这就是励磁涌流： 而退出饱和区( 中sr(2-6) 式中：s 是i , d n ) 的全周积分值，即差动电流的幅值。( i d ( ) 为差动电流的瞬时值，i d ( n n 2 ) 为差动电流半周前的瞬时值，n 为每周波采样点数) s + ；g z i d ( n ) + i d 伽一n 2 ) 的半周积分值，即偶次谐波的幅值。 k 为某一固定常数 s r 是门槛定值，s r = 口，d + o 1 0 式中：j 。为差电流的全周积分值，。为变压器额定电流 口为某一比例常数 s s r 是防止s 和s + 都很小时s k s + 的误判。 满足以上方程后，开放比率差动元件。 励磁涌流时，以上偶次谐波关系式肯定不成立，比率差动元件不会误动。 5 积分型波形对称原理【1 3 东南大学硕士学位论文 - 1 0 - 示昕 2 2 图妇 ，一 牙一2 ：菖 m ，一 峨睁 =lm_i 抽 | i d l 叮 日陛特频幅 。 其 量分波 第二章当前变压器励磁涌流识别方法的分析和评价 积分型波形对称原理的基本思想不于图2 3 。 将一个周期的采样信号3 c 分为两段等长的各半个周波届与品，将后半波品对称于x 轴翻 转得到b 名，将其向前平移半个周波得到d “e 与前半周波岛构成一曲边四边形a b “e d ，令该曲边四 边形的面积为s ，以线段面、丽为上下底的直边梯形面积为s 。，弧盈与线段而围成的面积为 s + ，弧彘与线段而围成的面积为s 一，定义波形对称系数k 。： = 熟( 2 - - 7 ) 铲，一 要o 一 、，、。 图2 3 积分型波形对称原理说明图 对于仅含直流分量的理想正弦周期信号而言，在计算s 时信号盎与6 中的周期分量相互抵 消，使得s = s “，特别地，对纯正弦而言，s ，s “均为零，在以上两种情况f ，k 。均为零：而对 于励磁涌流而言，该值则围绕一正值上下波动，最大可达1 4 以上，最小值也大于零。利用这个特 点就可以来识别故障和涌流。引入模糊识别的方法，设置一个出口计数器k d ，计数器根据不同的世。 值来取不同的计数方式。当k 。大于某阈值时，判为涌流，闭锁该相。 当故障电流谐波分量较小时，采用该原理的保护出口速度还是比较快的。然而，当故障电流畸 变严重时，该方法可能存在延时出口的问题【l ”。为使该方案适应超高压系统的各种复杂情况，还需 要作进一步的研究。 6 基于采样值差动的励磁涌流鉴别方法 1 5 】 采样值芳动保护的依据是k c l 定律，即对于微机差动保护 有差流矢量和为零，同时也有差流瞬时值为零。 对于变压器采样值差动保护，可按以下公式构成动作判据 在被保护设备无内部故障时，不仅 ( 设绕组数n = 2 ) 东南犬学硕士学位论文 - 1 l - 第二章当前变压器励磁涌流识别方法的分析和评价 l i d i d o i i d m r ( 2 8 ) 式中：i d 为差流瞬时值的绝对值，i d = i i i i 2 i ；i r 为制动电流瞬时值，i ，= l i 】i + l i 2 l 。要求i d ， i ，同时满足其等式。 采样值差动鉴别励磁涌流的基本思路为：由励磁涌流和内部故障电流波形比较可知，对于励磁 涌流而言，在1 个周期内，三相差流( 即流入继电器的电流) 波形中有两相由于变压器饱和特性的 影响使得波形总是有几个点靠近x 轴，即电流在数值上趋向于零，这几个采样点，其电流数值不满 足采样值差动的条件，这个规律，实质上是和产生涌流时波形会出现间断角的规律相一致。剩f 的 一相由于变压器绕组接线方式的影响往往呈现出周期性电流的特征，考虑最严重的情况即为产生对 称性涌流，此时该相差流的直流分量为零，完全为周期性电流。但1 个周期内仍然存在一定的间断 角，受这个因素的影响，在1 个周期内，该相电流满足采样值差动条件的点数与标准正弦基波相比 较耍少，而变压器发生内部故障时，差流波形基本上为正弦基波，故一般只在过零点前后才不满足 采样值差动动作条件。利用这个规律，可以用微机保护差流启动后r 个采样点作为所需要的判别数 据窗( r 值对应的角度一般要求小于2 z ) ，寻找1 个定值s ，分相判别，当三相差流中有一相或多相 的r 大于等下s 时，就可以认为发生了内部故障，从而输出动作信号，否则认为是励磁涌流而不动 作。 采样值差动不同于矢量差动，它不但考虑波形幅值的大小，更重要的是它需要考察波形的集散 度，即使波形的幅值很大。若不具备较好的分布均匀性，同样无法满足采样值差动动作判据。正因 为如此，采样值差动可有效地鉴别励磁涌流和制动外部故障t a 饱和的差流，同时还具备抗过激磁 的功能。 2 1 2 波形特征识别与其他技术相结合的方法 数字信号处理技术的飞速发展和一些新兴数学工具的出现，也给励磁涌流的识别提供了新的思 路和新的处理手段。 1 波形对称及模糊贴近度原理【”】 模糊集合定义为：设在论域u 上给定了一个映射a ：u 一【0 ，1 ，u - a ( u ) 则称a 为u 上的模糊 ( f u z z y ) 集，a ( u ) 称为a 的隶属函数。a ( u ) 值越大，u 属于a 的可能性就越大。a ( u ) 的值y c e 0 ，1 z 间。如果a ( u ) 限定为0 或1 ，则a 为非模糊集合( 即普通集合) 。贴近度是对两个模糊子集接近程度 的一种度量。其具体规则视实际需要而定。这里采用了海明贴近度，即对于集合a 和b ，若 u = ( u l ，“2 ，u ，) ，则贴近度为： ，耻一眠) | ( 2 - - 9 ) n ( a b ) 的值在【0 ，1 之间，n ( 凡b ) 的值越大，则模糊集合a 和b 越接近。 其具体实现是：设一个周期内采样点总数为2 n ，将流入继电器的差流进行微分( i ) ，其前半波 某一点的值为f7 ( ) ，k = - i ，2 ，n l 后半波对应点的数值为f ( i + h ) 。 令 x ( ) = 吡) + i7 ( t + n ) 忡( k l + l i7 ( + 酬) ( 2 1 0 ) 前半波与后半波越对称，则x ( k ) 的值越小；若前半波与后半波相应点对称，则x ( k ) = o 。间断角 东南大学硕士学位论文 - 1 2 第二章当前变压器励磁涌流识别方法的分析和评价 较大且前后半波相应点都位于间断角部分时，x ( k ) = o ，但此时不应认为是对称的。 设一个门槛值n i 来识别此种情况，即当v i = 队 ) l + l ( + ”) l s m 时认为两个相应点都位于间断 角部分。 对u = x ( 1 ) ，x ( 2 ) ，x ( n ) ) 给定一个模糊集a ，隶属函数取偏小型半梯形分布： f 1，x ( k ) n ( ( ) ) ： ：! ：篓! - 兰，爿( ) 4 ，v f ， n ( 2 一1 1 ) lo 一口 1 0，x ( ) b ，v i a ( y ) 。将两者结合， 可以定义如下波形系数： j ：c o v ( x , 。y ) ( 2 - - 15 ) 盯( x ) 2 很显然，对仅含有直流分量的故障电流，其前半周与负后半周( 即x ( t ) 与- y ( t ) ) 的波形形状是一 致的，也即完全相关( j = 1 ) ；而对励磁涌流而言，其前后半波的相关性较差，据此可实现对励磁涌 流的判别( j 较小) 。 鉴别故障电流和励磁涌流的判据为： ，：j ，m ，型挈苎篓翌鎏( 2 - - 1 6 ) 。 i ，m ，判为故障电流 式中j 。为波形比较判据的门槛值，通常取0 5 。 该原理在本质上是涌流波形的形状、大小和变化率等多种特征量的综合鉴别。该判据突出的优 点是短路电流在衰减非周期分量的影响下，a ( x ) c a ( y ) ，有利于提高保护的灵敏度。采用分相制动 的方式，即使在涌流与故障并存的情况下也能够正确动作，并且受t a 饱和的影响小，兼有二次谐 波制动原理和间断角闭锁原理的优点。该原理保护动作速度一般在1 5 m s 以内。 3 应用小波变换辨识励磁涌流m ，”2 0 1 近年来从f o u r i e r 变换发展起来的小波变换分析法，具有多尺度分析和良好的时一频局部化特性， 能在不同频带( 尺度) 上考察信号特征的演化，特别适用于边缘和峰值突变信号的处理和特征提取。 文献 1 8 提出了一种利用小波变换来测量间断角的新方法，文中将间断角的起止时刻近似看作边缘跳 跃点，采用反对称小波作小波变换，根据信号小波变换局部极大值及其跨尺度传递，即可较准确地 确定突变点的位置，从而可以测量出间断角的大小。由于间断角对应的局部极大值是跨尺度传递的， 而噪声的局部极大值则迅速减少，因此该方法具有较强的抗干扰能力。文献【1 9 选用二次中心b 样 条小波对变压器差动电流进行分析，然后利用小波分解的小波系数构成保护判据，用来区分励磁涌 流和内部故障电流。因t a 饱和时反向电流变化比较平缓，其平滑后的小波系数很小，故文中采用 小波变换作为信号处理的方法可以减小反向电流对保护性能的影响。此外，也有文献提出利用小波 包变换来识别变压器励磁涌流【2 ，由于篇幅所限，这里不再详述。 4 磁通特性鉴别法2 利用磁通特性判别励磁涌流和短路电流的方案很多，其中较为完善的是用磁通变化率判别。原 作者实验发现变压器在正常状况、内部轻微故障和内部严重故障时中一幻曲线分别由图2 - - 5 中曲线 1 2 ，3 表示，励磁涌流时的中一i d 曲线由图2 - - 6 表示。 东南大学硕士学位论文 1 4 一塑三量兰萱壅里堡壁堕塑鎏望型立鲨塑坌堑塑堡竺 中。 l l 易一 嘞 0 0 jl 中 么 中m 0 “ 图2 5 非励磁涌流时磁特性曲线图2 - - 6 励磁涌流时的磁特性曲线 对于非励磁涌流中一i d 曲线上当前时刻的切线率总是与半周波前时刻的斜率相等；对于励磁涌流 则不满足此条件。 令器= ( f ) ，离散化后定义一个检测函数。为： d=中()一7(一1)(2-17) 舯 ) = 揣 因此，内部故障时，d = 0 ；励磁涌流时，d 0 。 只要确定一个合适的门槛值d n ，并建立一个制动计数器k d 制动计数器k d ： 确定一个门槛值k d 。构成下述涌流判据 ( 2 1 8 ) 就可以实现励磁涌流的判别。对 ( 2 1 9 ) 丘。； ，k d ，裂望警要塞冀 (220)k 一4 l d 判为励磁涌流 “删 该方案判据简捷，检测速度快( t d d d 当当当 + 一 d d d 盯臣k ，j、【 l | d 盯 第二章当前变压器励磁涌流识别方法的分析和评价 发生相间短路或单相绕组部分线匝之间发生匝问短路时，绕组电流通过的绕组匝数会发生变化，漏 电感定会发生变化。基于变压器绕组漏感和电阻在正常运行、外部故障及励磁涌流时不发生改变， 而在变压器内部故障时要发生变化这一特征，可把变压器绕组的漏感和电阻值是否发生变化作为区 分变压器内部故障和正常运行、外部故障、励磁涌流情况的判据。与目前变压器差动保护相比，崩 这种方法构成的保护无需进行涌流识别，判断方法比较简单、迅速。即把变压器两侧绕组的电流作 为输出量，两端绕组的电阻和漏感值作为待辨识的参数，构成系统辨识的“灰箱”模型。为提高辨 识参数的估计精度，减少内存量，提高计算速度以适应在线计算，待辨识的电阻和漏感值可利用最 小二乘参数估计的递推算法( r l s ) 来计算。 6 虚拟三次谐波式涌流制动原理 2 3 文献【2 3 在研究正弦基波与奇次谐波叠加时的特征蛆及基波与偶次谐波叠加时的特征的基础上， 提出了一种虚拟三次谐波式涌流制动原理。 虚拟三次谐波制动方案是利用涌流中信息量最为丰富的以尖脉冲为中心的半周波形作为前半周 信息，利用“平移”和“变号”原则虚拟构成后半周信息，前后台起来构成一个完憨的周波信息， 这一合成信号符合奇对称原则，其原理示意图如图2 7 所示。 0 1 卜 t 图2 7 虚拟三次谐波原理的波形示意图 图中横轴下面部分是对涌流波形进行“虚拟”所得的波形。可以看出，由于波形前后半波沿轴 线对称且为尖顶波，故其三次谐波含量较大；而变压器内部短路电流基本上是正弦波，“虚拟”后的 波形中三次谐波含量较小，故可由此将两者区分开来。研究表明，不仅在单侧尖脉冲性涌流时含有 丰富的三次谐波分量，而且在对称性涌流时，也含有比较多的三次谐波分量。因此，可以避免二次 谐波制动原理在对称性涌流时的合闸情况下，由于有一相谐波比过低引起保护误动的状况。且这种 方案的原理仅用工频半周期信息，可使算法要求的信号窗口缩短，从而加快了保护的动作速度，保 护可在故障后半个周波加一个采样点的时间，约1 0 1 2 m s 即可发出跳闸脉冲，加上山口继电器动作 时间，约1 5 m s 即可跳闸。该方案微机实现时，算法简单，实际上相当于用半周富氏算法计算基波及 三次谐波即可。 该原理在实用化过程中，尚需要注意如下几点：( 1 ) 受直流分量的影响。虚拟三次谐波制动原 理是基于无直流分量的模型提出的，而实际故障电流和涌流中往往含有衰减直流分量，为了克服这 一不利影响，在实用中宜先采取一定的措施滤除直流分量。( 2 ) 数据窗的影响。对涌流信号，川半 工频周期的数据窗截取后进行拟合时，所得的基波及三次谐波的比值将与这个数据窗在信号上的前 后位置有关，需要慎重考虑。( 3 ) 该原理只适用于故障开始后的半周以内，至多顺延1 2 个采样点， 其后，需要将保护功能转交其他方案的差动保护( 如采样值差动保护) 。 7人工神经网络在变压器涌流识别中的应用口4 ，2 5 ，2 6 卸 东南大学硕士学位论文 - 1 6 - 第二章当前变压器励磁涌流识别方法的分析和评价 近年来，人工神经网络因其具有高度神经计算能力、极强的自适应性、容错性以及自学习能力 等特点，受到了人们越来越多的关注。 传统的变压器励磁涌流识别方法基本上都是仅利用变压器的某一个电气量( 电流或电压) 来进 行励磁涌流和故障电流的鉴别，而由于变压器是通过电磁耦合的方式来进行电能传输和转换的，就 其本质而言，是一个时变的非线性系统，因此，仅仅运用单一的电气量难以完整地描述故障电流和 涌流的状态特征。人工神经网络是由大量简单的基本元件神经元相互连接而成的自适应非线性 动态系统。运用人工神经网络来处理非线性问题具有独特的优越性。 文献【2 4 】基于人工神经网络方法，提出并建立了一种新的微机变压器保护原理。该方法利用变压 器两端的电流采样值，对它们进行数据预处理后，结台变压器发生各种故障时的特征，考虑到神经 网络本身所具有的自学习、自组织、白适应及容错能力等优点，建立一个三层( 输入层、隐含层和 输出层) 前向神经网络模型( 如图2 8 所示) ，采用反向学习算法( b p 算法) ，并对此模型进行了 大量的样本训练，使之对变压器的励磁涌流状态和各种故障状态能够给出正确的识别。该方法综台 考虑了变压器励磁涌流和故障电流的各种状态特征，克服了在常规微机变压器保护中识别涌流时所 遇到的问题。文中对该模型进行了故障状态检验，检验结果表明，所建立的神经网络能够对变压器 所发生的故障状态作出正确的响应，响应时间小于l o m s ，这一数据使得将来基于人工神经网络的微 机变压器保护装置的实现及其应用化成为可能，为利用神经网络实现微机变压器保护装置奠定了理 论基础。 套焉专墨糕黼 图2 8 三层前向神经网络 从前面的分析中可以看出，神经网络式的微机变压器保护受训练样本的影响较大，如何获得大 量正确的训练样本是目前阶段值得思考的问题。 另外也应该看到，神经网络的训练需要大量的时间，在工程中可以通过将离线训练后的神经网 络权值和阚值存入保护装置中，但仅仅是神经网络的输出也有很多的运算量，会占用大量的硬什资 源。随着计算机硬件的不断发展和应用，如d s p 芯片、神经网络芯片等，计算速度已不再是问题， 神经网络在继电保护中的应用将越来越成为可能。 8 等值电路参数鉴别法 9 1 等值电路参数鉴别法是一种基于变压器导纳型等值电路的励磁涌流判别方法。该方法是通过检 测对地等值导纳的参数变化来鉴别变压器的内外故障。铁芯线圈的漏抗和空心线圈的漏抗相近，故 此时变压器的等值导纳参数的互导纳几乎与变压器的铁芯饱和程度无关。铁芯未饱和时，变压器各 侧对地导纳几乎为零，当铁芯饱和时，变压器各侧对地导纳明显增火，当铁芯严重饱和时，变压器 各侧对地导纳几乎与空心变压器的对地导纳一致，且是一个不等于零的常景。因此，可以计算出变 东南大学硕士学位论文 1 7 - 一 笙三望兰堕壅堡壁壁堡塑塑望型查鲨塑坌堑塑塑堕 压器的各侧对地导纳，通过其值的变化判别变压器是否发生内部故障。这种算法速度快，即使在内 部故障叠加励磁涌流的情况下，也能快速识别发生故障与否( 一般在半个周波内能给出结果) 。该方 法需要对变压器的某些参数作人为的假设，其应用前景取决于理论上的进一步突破。 9 功率判别法2 r 2 9 1 变压器是通过电磁耦合的方式来进行电能传输和转换的，就其本质而言，是一个时变的非线性 系统，宜同时用电压和电流量来进行描述。文献 2 9 提出了一种功率差动原理的变压器保护。功率判 别法没有让励磁涌流成为动作的因素，通过计算从各个电源端流进变压器的有功功率的总和来区分 内部故障和非内部故障。由于变压器的正常运行、外部故障以及励磁涌流情况下的平均功率几乎为 零，而内部故障时消耗大量功率，通过设置一个流进变压器的平均功率的阈值，便可鉴别内部故障 电流。该方法从过去的单一考虑电流信息转为综合考虑电流和电压信息，从而提高了保护的灵敏度 和速度。 但上述的变压器有功功率差动保护原理也有一些不足之处，主要是在反映变压器区内故障时存 在死区，可以通过增加低压保护与过流保护加以弥补。 2 2 国内外变压器微机保护装置的现状口们 目前国内外生产变压器微机保护的厂家很多，就主保护而言，国外保护装置基本上是以二次谐 波制动为主的比率差动保护，而国内则以= 次谐波制动和间断角闭锁两种原理为主导，以波形对称 原理为补充。 目前国内外变压器保护普遍存在的问题： ( 1 ) 国内外普遍采用二次谐波制动原理的比率差动保护，由于采用或门制动方式，在空投_ i _ 故障 变压器的情况下，健全相励磁涌流中的二次谐波将制