（电力系统及其自动化专业论文）基于改进数学形态学的快速识别励磁涌流方法研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 如何准确可靠地识别励磁涌流与内部故障，从而保证变压器差动保护的正确动 作，弼柬是继电保护领域研究的热点和难点。 首先，本文在研究结构元素大小与形态学运算过程之间关系的基础上，首次发 现“端点效应”对数学形态学处理结果的影响问题，进而提出了解决这一问题的 数学形态学的改进方法；其次，本文揭示了变压器励磁涌流尖顶凹凸特性的产生机 理，基于此机理以及前述改进后的数学形态学方法，提出了一种利用改进数学形态 学来识别变压器励磁涌流的新原理。该原理的核心是利用形态学开、闭运算的几何 解释来提取波形的尖顶凹凸程度，进而识别变压器励磁涌流和内部故障；第三，据 此推导并给出了变压器保护新判据并做了大量的动模试验，试验结果证明了该方法 的有效性；最后，文中亦给出了c t 饱和、非周期分量、频率变动对该方法的影响。 关键词：励磁涌流，数学形态学，变压器保护，凹凸特性，端点效应 a b s t r a c t h o wt od i s c r i m i n a t eb e t w e e ni n t e m a lf a u l ta 1 1 dm a g n e t i z i n gi 珈m s hc u r r e l r l ti s t 1 1 e d i 衔c u l t yo ft m s f o 肌e rp r o t e “o nw h e na p p l yd i 毹r e i l t i a lr e l a y o nm eb a s eo fs e l e c t e ds t m c t u i a le l e l l l e n t s ，t h i sm e s i si 1 1 m c a t 骼n l er e l a t i o n s l l i pb e 呐e e n t l l es i z eo fs e l e c t 。ds 衲c t i l r a le l 锄锄锄dm o 讪o l o 舀c a le 仃e c t 锄dr e v e a l s “e n d p o 硫 e f r e c t e x i s t si nm a t h e m a t i c a lm o r p h o l o g ya i l di t ss 0 1 u t i o nf o rt l l e6 r s tt i m e i l lt h i st l l e s i s ，t l l e m e c h a i l i s mo fi i l 】m s hc u 【盯to c c u r r i n gi n 仃a n s f o 咖e ri sw e ur e s e a r c h e d an e wa l g o r i t l l 】【n b a s e do ni n l p r 0 v e dm a m e m a t i c a lm o r p h o l o g yi s p r e s e n t o df o rf 瓠td i s 嘶m i n a t i o nb e 铆咖 i n r u s hc l l l t e n ta i l df a u l tc l m 蜘to fp o w e r 咖l s f o r m e r s t h em e m o di sb a s e do nm ep r i n c i p l e 廿l a tt l l ew a v e f o mo ft l l ei m l l s hd i s t o r t ss 谢o u s l y ，w h i l et l l ef a u l tc l l n c n tn e a d yk e e p ss i l l u s o i d u t i l i z i i l gm eg e o m e t r i ce x p l a n a t i o no fo p e l lo p e r a t i o n 锄dd o s eo p 耐i o no fm a m e m a t i c a l m o 叩h o l o 甄t l l i sm e s i sd e f i n e sa 1 1 de x t r a c t st h ec o n c a v o - c o n v e xc h a r a c t 硎s t i co fw a v ew h i c h c a nu s et ob ed i s t i n g u i s h e di 埘1 】s h 饥t e n ta n df a u l tc u r r e n to fp o w e r 饥m s f o n n e r s ，a n d d y n 锄i cs i m u l a t i o ns h o w st h a tt h em e t h o di se f r e c t i v e f i n a l l y t h ea f t i c l ed i s c u s s e st h e i m p a c to fam i m b e ro ff a c t o r s ，s u c ha sc ts a t l l r a t i o n ，n o n c y c l ec o m p o n e n ta n df r e q u e n c y f l u c t u a t i o n s l u ow e i q i a n g ( p o w e rs y s t e m sa n da u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yv i c ep r o fh u a n gj i a d o n g k e yw o r d s ：i n r u s hc u r r e n t ，m a t h e m a t i c a lm o r p h o l o g y ，t r a n s f o r m e rp r o t e c t i o n ， c o n c a v o c o n v e xc h a r a c t e r i s t i c ，e n d p o i n te f f e c t 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于改进数学形态学的快速识别 励磁涌流方法研究，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：、嬲日 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：二邀 日 期：豳：垒： - 导师签名： 日期：五驴z 久t 2p 华北电力人学硕士学位论文 1 1 问题的提出和研究意义 第一章绪论 近些年，为适应工业用电和居民用电不断增长的需要，我国电力工业快速发展， 电力系统规模不断扩大，尤其是越来越多的超高压远距离输电系统投入运行，大容 量变压器应用日益增多。 电力变压器是电力系统中极其重要的电气设备，联系着不同电压等级的网络； 在大型机组中运行的大容量变压器，特别是单机容量与系统容量之比较大的情况 下，更是起到了连接电网与机组的作用；虽然相对于输电线和发电机，变压器的故 障比较少，但是大型变压器一旦发生故障，大机组突然从系统中切除，会给电力系 统造成很大的扰动与危害，因此它们的运行安全与否，直接关系到整个电力系统能 否连续、正常、稳定地工作l i l ；大容量变压器又是十分昂贵的电力元件，一旦其因 故障而遭到破坏，检修难度大、时间长，会给经济造成十分严重的损失。 我国近五年2 2 0 k v 及以上变压器保护正确动作率( 如表1 1 所示) 一直徘徊在 7 4 8 7 之间，远低于线路保护的正确动作率( 9 9 以上) 。 表1 12 0 0 l 2 0 0 5 年全国2 2 0 k v 及以上变压器保护动作情况统计【2 】 造成变压器保护拒动和误动的原因有多方面，如管理的不足、运行维护不当、 设计不合理等，但更主要的是变压器保护在原理上存在一定的缺陷，其关键问题主 要有两个方面【3 j ： ( 1 ) 作为变压器主保护的差动保护在原理上存在不足之处。 差动保护只能用于由纯电路组成的设备( 如线路、母线、发电机、电动机、电 抗器、电容器等) ，不能用于由磁路联系的若干独立电路构成的设备( 如变压器) ， 因为后者不满足理论上的电流基尔霍夫定律。但由于差动保护明确选择性、高灵敏 度和高速动性，在变压器正常运行和外部短路时，各侧电流十分近似满足理论上的 华北电力大学硕士学位论文 基尔霍夫定律。因此，自1 0 0 年前至今，变压器采用差动保护作为其主保护之一【”】。 ( 2 ) 用于识别励磁涌流的方法不十分准确。 励磁涌流识别是一个热点问题，目前研究的方法，不管是基于模型识别，还是 基于波形特征识别，在正确性上都有待进一步改进。目前应用于实际的主流主要是 基于波形特征识别方法。 因此，要提高变压器保护的正确动作率，其当务之急是发现新的保护原理和准 确识别励磁涌流的新方法。 1 2 励磁涌流识别各方法及其局限性 1 2 1 基于模型识别方法 1 2 1 1 磁通特性识别方法 利用内部故障和励磁涌流时变压器磁链一差流( 吵一屯) 曲线的差别，文献 4 】 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，沙一屯曲线即为变压器 的空载磁化曲线；发生内部故障时，i c ，一屯曲线将偏离磁化曲线，且故障越严重则偏 离越严重。所以，通过计算铁心磁链沙和差流可正确判断励磁涌流。 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。 兰兰l d t d 区2 ( 铁心未饱和) 区l ( 内部故障或铁心饱和) 匕 l 0 图1 1 变压器的譬一屯平面 俄d 此判据理论上可行，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y 一将偏离磁化曲线，进而导致误判。为消除剩磁不确定性的影响， 文献 5 】又对上述方法进行了改进，即采用沙一曲线斜率d 沙叱区分励磁涌流和内 部故障电流，如图1 1 所示。变压器正常运行于未饱和时，d y 九数值较大且为一 2 华北电力大学硕士学位论文 常数；铁心饱和时，d y 以数值较小；发生励磁涌流时，铁心交替饱和，d 沙讲d 将 在大值与小值间周期变化；而内部故障时，d 少疥d 数值较小且为常数。 根据图1 1 ，内部故障时d 沙西j 值落于区l ，励磁涌流时d 沙西。值将在区l 和 区2 间摆动。令七，为制动指数，如果d 沙砒值位于区l ，则尼，加l ，当d 讲d 位于 区2 时，尼，减l 。这样，内部故障时尼，几乎单调增加，而励磁涌流时七，将从不大于 1 个阀门值。该方法由于涉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 沙出d 数值较大，几乎 可与正常运行情况相比拟，这样，区1 范围较大，而且可能与区2 重合，最终导致 判据失效。 ( 2 ) 制动指数后，的阀门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 6 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 7 】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 1 2 基于变压器回路方程识别方法 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 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( “，：) 、电 阻( ，2 ) 、电压( ”。，“：) 及电流( “f ：) 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 ) ： 铲”“+ 磅州：+ 乞鲁 据此，引出两条思路： ( 1 ) 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 1 ) 恒等；而内部故障时，式( 1 1 ) 不再成立。定义 占硼飞叫- f i 鲁叫：一，2 鲁 则当h 口时，变压器为内部故障；口为阀门值8 1 。 ( 1 2 ) 华北电力大学硕士学位论文 ( 2 ) 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【9 】。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 1 3 基于功率差动识别方法 差有功法的基本原理【1 0 】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： 从r ) = ；，雾“。+ “z 屯一1 f 一吃f ；) 出 ( 1 3 ) 式中：”。，“：，f ：，厂2 分别是变压器原、副绕组的瞬时电压、电流和电阻。功率 差动法的判据为：如果“f ) f ，则变压器为内部故障。设定阀门值f 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 o 时， 变压器铁芯未饱和，此时铁芯的相对导磁率很高，绕组的励磁电抗也很大，所以励 磁电流很小；当。 中时，f = 0 ； 当当。 1 时，则厂为比正弦波形 尖顶更明显的波形，且亿，值越大则尖顶越明显；当厂的心， l 时，则的尖顶不如 正弦波明显，且局，值越小尖顶越不明显。所以，以乜，值为特征，便可以识别出励 磁涌流和故障电流。 l b 尸i 如2 赫 。 由开闭运算的几何解释可知：原理中滚过厂和w 内侧的小球就是形态学中的结 构元素，滚动过程就是对波形做开运算过程，i b p i 为厂的m a ) 【b t 函数值，而i b p i 为吁的m a x b t 函数值。 从公式( 2 5 ) 、( 2 6 ) 、( 2 7 ) 及图2 5 ( a ) 、2 5 ( c ) 中可以看出，由于“端 点效应”的存在，形态学采用m a x b t 函数提取的i b p i 值就可能在电流曲线的首末位 置，而不是中间位置，这就会使畅，值产生很大误差。采用数据延拓的改进数学形 态学消除了i b p i 值在两端取值的可能性，从而保证了局，值与其物理意义一致。 3 4 新原理具体实现方法及保护判据 华北电力大学硕士学位论文 3 4 1 结构元素及数据窗的选取 分析表明，各种数学形态学算法的应用可分解为形态学运算和结构元素选择两 个基本问题，形态学运算的规则已由定义确定，于是形态学算法的性能就取决于结 构元素的选择，亦即结构元素决定着形态学算法的目的和性能。 根据开运算和闭运算的几何解释及结构元素的选取规则【3 9 1 ，本文选择圆作为结 构元素，为了称呼方便，后面均称呼该圆为“结构圆”。 设图3 6 ( b ) 中，厂的表达式为：f = 彳s i n ( 2 矿+ 万) ，i s t i - 2 f