（电力系统及其自动化专业论文）变压器励磁涌流多判据的模糊识别.pdf

华北电力人学硕十学位论文摘要 摘要 电力变压器是电力系统中重要的电气设备，它的安全性和稳定性对整个电力系 统的运行是很重要的也是必须的。 本文首先分析了几种鉴别励磁涌流方法的优缺点，然后从涌流的整体特征出发 提出了三种新的识别判据：基于模糊贴近度原理判据，基于改进型波形间断角原理 判据以及基于波形正弦特征判据。文章应用模糊数学理论对各个判据进行统一的模 糊化处理，最终选出四个判据对励磁涌流进行模糊识别，同时采用模糊层次分析法 来确定各判据的权重。 仿真结果表明：采用模糊层次分析法来确定各判据的权重，有效地解决了模糊 逻辑中权重系数的确定问题；模糊理论能够克服传统保护中的某些不足，使各个判 据优势互补，有效的鉴别变压器的内部故障和励磁涌流，改善了变压器保护的性能， 具有一定的实用价值。 关键词：差动保护，励磁涌流，模糊理论，模糊层次分析法 a bs t r a c t p o w e rt r a n s f o r m e r sa r ek e yc o m p o n e n t si np o w e rs y s t e m ，s e c u r i t ya n ds t a b i l i t yo f t r a n s f o r m e r sa r eb o t hi m p o r t a n ta n dn e c e s s a r yt op o w e rs y s t e mo p e r a t i o n i nt h i st h e s i s ，t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fs e v e r a lm e t h o d sf o rc h e c k i n g i n r u s hc u r r e n ta r ed i s c u s s e d a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r so ft h ei n r u s hc u r r e n ta n dt h e f e a t u r eo ft h ei d e n t i f i c a t i o nm e t h o d s ，t h i st h e s i sp r o p o s e st h r e en e wc r i t e r i o n st oi d e n t i f y t h ei n r u s hc u r r e n t ，w h i c hi n c l u d e f u z z yd e g r e eo fn e a r n e s sp r i n c i p l e ，i m p r o v e d i n t e r r u p t i v ea n g l ep r i n c i p l ea n ds i n ep r i n c i p l e t h i st h e s i sa d o p t sf u z z yt h e o r yt om a k e a l lc r i t e r i o n sf u z z y , a n ds e l e c t sf o u rc r i t e r i o n st oi d e n t i f yt h ei n r u s hc u r r e n t a tl a s t ，t h e y a r ec o n n e c t e db yt h ef u z z ys e tt h e o r yt oi d e n t i f yt h ei n r u s hc u r r e n tf u z z i l y t h i st h e s i sv e r i f i e st h es c h e m eb yd y n a m i ca n a l o gt e s t t h er e s u l t so fd y n a m i c s i m u l a t i o ns h o wt h a tt h es c h e m ec a nd i m i n i s hal o to fd e f e c t so ft r a n s f o r m e rp r o t e c t i o n a n di m p r o v et h ep e r f o r m a n c e i ta l s om a k e st h e s ec r i t e r i o n s d o m i n a n c ec o m p l e m e n t a r y a n dd i s t i n g u i s h e si n t e r n a lf a u l tc u r r e n tf r o mi n r u s hc u r r e n te f f e c t i v e l y l ux u e f e n g ( p o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f iw a n gz e n g - p i n g k e yw o r d s ：d i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n ，i n r u s hc u r r e n t ，f u z z yt h e o r y , f u z z ya n a l y t i c a l h i e r a r c h yp r o c e s s 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文变压器励磁涌流多判据的模糊识 别，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： 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) 日期：日 期： 华北电力大学硕七学位论文 1 1课题的背景 第一章绪论 电力变压器是电力系统中极其重要的电气设备，它在整个电力系统中起着能量 和电压转换的作用，其安全运行直接关系到整个电力系统能否连续稳定地工作。 近年来，我国的超高压、大容量变压器不断投产，远距离输电系统越来越多的 建成、运行，电力工业已有了可喜的发展。但是，变压器保护的发展却远远落后， 其保护正确动作率长期偏低。 我国2 2 0 k v 及以上变压器保护正确动作率一直徘徊在7 0 8 0 之间。2 0 0 4 年 变压器保护的运行中，2 2 0 k v 及以上变压器保护动作2 5 3 次，正确动作2 0 0 次，不 正确动作5 3 次( 误动5 2 次，拒动1 次) ，正确动作率为7 9 0 5 ，远低于线路保 护的正确动作率( 9 9 以上) 。 以2 0 0 4 年为例，2 2 0 k v 变压器发生的3 6 次本体故障按故障类型统计如下：匝 间故障11 次，占2 2 0 k v 变压器本体故障的3 0 5 6 ；铁心故障1 次，占2 7 8 ； 相间接地故障8 次，占2 2 2 2 ；套管故障1 2 次，占3 3 3 3 ；分接开关故障4 次， 占1 1 4 4 。3 3 0 k v 变压器全年发生过1 次匝间故障，还有1 次外部故障。5 5 0 k v 变压器发生5 次本体故障：匝间故障2 次，占4 0 ；套管故障1 次，占2 0 ；分 接开关故障2 次，占4 0 ；3 次外部故障。 变压器保护正确动作率偏低的原因是多方面的，如现场运行人员将c t 极性接 反，保护的整定有误，运行维护不良等等，但另一方面，对变压器保护的原理了解 不够，尤其对变压器保护中励磁涌流鉴别方法认识不清，未充分理解各种涌流制动 方法的优缺点，导致原理上的缺陷也是一个重要因素。 现场运行的绝大部分电力变压器均采用纵联差动保护作为其主保护，其理论根 据是基尔霍夫电流定律，对于纯电路设备，纵差保护无懈可击。但是，对变压器而 言，由于内部磁路的联系，本质上不再满足基尔霍夫电流定律，变压器励磁涌流成 了纵差保护不平衡电流的一种来源。由于电力变压器运行条件复杂，过励磁时励磁 电流可达到额定电流的水平，空载合闸或外部故障被突然切除而端电压突然恢复 时，暂态励磁电流( 即励磁涌流) 的大小有时可与短路电流相比拟。这样大的不平 衡电流必然导致纵差保护误动，为此，变压器纵差保护的主要矛盾一直集中在准确 鉴别励磁涌流和内部故障电流上。 华北电力大学硕士学位论文 围绕这一主题，世界各国的科技工作者先后提出了许多方法，但仍不能很好的 满足当前电力变压器保护的需求一一可靠( 不拒动) 、安全( 不误动) 以及快速的 动作速度。目前，国内外投运的变压器保护基本上都是采用二次谐波制动方法实现。 二次谐波制动比常取1 5 2 0 。然而，二次谐波的制动原理的变压器差动保护 本身存在着一定的缺陷：励磁涌流中二次谐波分量受系统合闸角、变压器铁心剩磁 大小、原边绕组的阻抗大小等因素的影响：另外，变压器的连接方式也影响励磁涌 流中的二次谐波分量的大小。近年来，随着电网电压等级的升高和规模的扩大，变 压器容量的增大和制造技术的提高，使二次谐波制动面临以下几个新问题： 对于大型变压器，由于其电压等级高而且在其端部连接较长的输电线，输电线 的分布电容效应十分明显。因此当大型变压器内部严重故障时，由于电感和电容的 谐振使短路电流中的谐波分量明显增加，有可能引起二次谐波制动保护延时动作。 随着电力系统的发展，超高压长线对地电容的增大，增设无功补偿设备等，变 压器内部短路时，由于电感和电容的谐振使短路电流中的谐波含量明显增加，差动 保护受n - - 次谐波的制动作用，可能导致拒动；现代变压器励磁特性的变化，使得 涌流时的二次谐波的含量变低，可能导致保护误动。 大型变压器差动保护中1 5 2 0 的制动比是按照一般饱和磁通为1 4 倍额定磁 通幅值时合闸涌流的大小来考虑的，但由于变压器制造技术的提高和制造材料的改 进，现代变压器的饱和磁通倍数经常在1 2 到1 3 ，甚至低于1 1 5 ，在此情况下涌 流的最d * - - 次谐波含量有时可能低至l o 以下，此时差动保护会误动作。 上述情况说明，变压器保护面临的复杂性和不确定因素增多了。因此，研究性 能更加完善、可靠性更高、能够满足现代电力系统要求的继电保护装置，无论在理 论还是在实际应用方面都具有重要的意义。 1 2 变压器保护的研究现状 国内外都在探索新的变压器保护原理，如上所述，其重点都在励磁涌流的识别 上。在当前的应用研究中，根据鉴别原理的不同特点，按照判别励磁涌流所用的信 号特征，将其分为以下几类【2 】：( 1 ) 谐波含量识别法；( 2 ) 波形特征识别法；( 3 ) 磁通特性识别法；( 4 ) 等值电路法；( 5 ) 功率差动法。 另外，随着工程新技术手段的不断发展与完善，国内外的许多科学工作者将其 引入励磁涌流的识别中，这些新技术应用【2 】有小波分析应用、神经网络应用、模糊 技术应用、自适应理论以及数学形态学等。 华北电力大学硕士学位论文 1 2 1 谐波含量识别方法 l 二次谐波电流制动原理 与短路电流相比，励磁涌流中二次谐波的含量比例较大，并在初始阶段中对基 波的比例还有所增加。通过计算差动电流中的二次谐波电流与基波电流的幅值之比 可判别是否存在励磁涌流。当出现励磁涌流时，有i d ： k d ，式中l ：和l 。分别为 差动电流中的二次谐波电流和基波电流的方均根值，k 为二次谐波制动比。 由于二次谐波电流制动原理简单，因此在电力系统中得到广泛的应用。二次谐 波的应用现状已经在节1 1 中阐述，此处不再重复。 2 谐波电压制动原理 当变压器因励磁涌流出现严重饱和时，端电压就会发生严重畸变，其中包含较 大的谐波分量。谐波电压制动的应用与系统阻抗的大小关系密切，因此应用该原理 的保护必然要求对系统阻抗有比较精确的了解。这就使整定变得比较复杂，而且在 系统阻抗较小时，基于该原理的保护的动作特性有可能变坏。 3 虚拟三次谐波制动原理 文献 3 】提出的虚拟三次谐波制动方案是利用励磁涌流中信息量最为丰富的以 尖脉冲为中心的半周期波形作为前半周信息，利用“平移、变号 原则虚拟构成后 半周信息，前后合起来构成一个完整的周波信息。它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丰富的三次谐波分量。因 此可以避免二次谐波制动原理在对称性涌流的情况下合闸时，由于二次谐波含量过 低而引起保护误动的情况。 1 2 2 波形特征识别方法 波形特征识别法是根据变压器在励磁涌流和内部故障时差动电流波形所具有 的不同特征对其进行区分。间断角原理是利用短路电流波形连续变化，而励磁涌流 具有明显的间断角特征作为鉴别判据。间断角原理是以精确测量电流接近于零的范 围为基础，在现场运行中受到采样精度、采样率等硬件影响，同时由于c t 饱和在 传变过程中可能引起二次侧涌流间断角发生畸变甚至消失。 近年来，随着微机保护技术的发展，涌现出许多关于波形特征识别励磁涌流的 新方法。 1 波形对称原理 文献 4 】中介绍的波形对称原理是利用差电流导数的前半波与后半波的对应值 华北电力大学硕士学位论文 作对称比较以区别励磁涌流和故障电流。如果数值满足 l 掣哇幽l k ( 1 - 1 ) i i ( f ) 一io + 丁2 ) l 则称为对称。式中，f ( f ) 为前半波某一点差流导数值，f o + t 2 ) 为后半波对应点的 导数值。连续比较半个周波，对于故障电流式( 1 1 ) 恒成立，对于励磁涌流有1 4 周波以上的点不满足此式，以此来区分故障和涌流。 2 波形叠回原理 文献 5 】中作者提出的半波叠加涌流制动法是对差动电流f ( f ) 进行求导后，令 彳= 1 2 i ( f ) + f o + t 2 ) p t ( 1 2 ) d = 2 i ( f ) 伽 ( 1 3 ) 定义识别特征量k k ：一a ( 1 - 4 ) 当f ( f ) 为理想正弦波形故障电流时，k = 0 ；而在励磁涌流情况下，由于间断角 的存在，k 0 ，特别是在涌流间断角大于1 8 0 。时，k = 1 。因此，选择适当的k 值 就可以区分励磁涌流和故障电流。 不对f ( f ) 求导可类似的构成如式( 1 5 ) 的判别式： i i ( t ) + i ( t + t 2 ) l k = 卫可f 一 ( 1 - 5 ) 肌) l 3 波形相关法原理 波形相关法原理是利用数字信号处理中的相关函数的基本概念，对采样数据进 行分析，计算采样数据在不同时段上的自相关系数，利用自相关系数的大小来区分 变压器故障电流和励磁涌流的新方法。其基本思想是将一周波数据窗内的波形用适 当的方法重组为两个部分求其自相关系数，通过比较这两部分波形的相关性实现对 故障和涌流的区分【7 1 。波形相关法实现的关键是如何确定被比较的两段波形。 文献 8 】中采用最大面积法确定波形比较的起点。其基本思想是：将一周波的采 样信号等周期延拓一周，形成一个两周波的观察窗。在 o ，t 】内逐点向后截取1 周波 的采样信号，将其后半周波取反，与前半周波信号做相关分析。 华北电力大学硕士学位论文 4 波形相似原理 文献 1 l 】中提出了“利用电压和电流相似程度识别变压器内部故障”的方法。 文章对电源侧电压和电流在一个特定的时间段进行采样并计算相似系数。在变压器 内部故障时电压与电流的波形相似系数较大，而在空载合闸且铁心饱和时，电压与 电流的波形有较大的差别，利用相似系数小的特点来区分励磁涌流与内部故障电 流。 1 2 3 磁通特性识别原理 铁心中磁通是表征变压器饱和的一个重要物理量，磁通特性识别原理就是利用 磁通量的变化来识别励磁涌流的新方法。 文献 1 2 中介绍的方法是利用变压器的磁通一电流关系构成制动特性，其基础 是变压器绕组的电压回路方程，如式( 1 6 ) ： u l 一堕：坐( 1 - 0 一) 一一= 二 ll ， d td t 式中忽略了绕组电阻r ，绕组的漏感为，且近似为常数，为互感磁链。在变压 器正常运行时，磁通对电流的导数d y l d i 一直较大。在励磁涌流状态下，由于变压 器交替工作在磁化曲线的饱和段和非饱和段上，所以d l d i 的值是变化的。而变压 器内部故障时，d 沙击比正常值小，利用这些特点可以判定变压器的运行状态。 基于磁通特性的识别方法与传统的差动保护迥然不同，完全摆脱了励磁涌流和 过励磁电流的困扰，不再以励磁电流的波形特征来区分内部短路和空载合闸异常工 况，是一次有益的探索。但是该方法需要用到具体变压器漏感参数，这些参数可能 因测量不准或发生变化对励磁涌流鉴别产生不利的影响，同时门槛值的设定需要实 验来确定，也增加了保护整定的复杂性。 文献【1 3 】对上述方法进行了改进，提出了采用电压与电流微分比值原理的方法 来区分故障电流和励磁涌流。 1 2 4 等效瞬时电感鉴别原理 文献 1 4 ，15 】中定义了等效瞬时电感的概念一一从原边绕组看进去的基于原边 电压及原、副边差流的瞬时电感。变压器励磁铁芯所处状态的不同是励磁涌流与内 部故障的本质区别，基于此，文献 1 6 】给出了基于等效瞬时电感鉴别励磁涌流的方 法，并给出了两种具体的判别方案，即利用等效瞬时电感有无基频分量来鉴别励磁 涌流和故障电流以及利用等效瞬时电感的变化量来鉴别励磁涌流和故障电流，这两 种方案都必须和变压器的差动保护相配合。 华北电力大学硕十学位论文 该方法的缺点是受电流互感器饱和的影响，以及门槛值的整定随变压器的不同 而不同，应用不方便。 1 2 5 等值电路法鉴别原理 文献【1 7 】的作者提出了一种基于变压器导纳型等值电路中检测对地导纳参数变 化来鉴别变压器内外故障的方法，构成了另一种与励磁电流无关的变压器主保护方 案。 该方法是通过检测对地等值导纳的参数变化，鉴别变压器的内部故障。铁芯绕 组的漏抗和空心绕组的漏抗相近，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、短路匝数比无关。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大。当铁芯严重饱和时，变压器 各侧对地导纳几乎与空芯变压器的对地导纳一致，且是_ 二个不等于零的常量。 因此，可以计算出变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。这种算法计算速度快，即使在内部故障叠加励磁涌流的情况下，也能 迅速的识别是否发生故障。等值电路法存在的不足是要求测量各侧绕组电流，因此 对于d 联结，这些电流无法取得，因而对三相变压器无法判别。 1 2 6 功率差动原理 k y a b e 提出的功率差动保护【1 7 】利用有每个端口处的电压和电流计算的平均功 率来鉴别励磁涌流。正常状况或励磁涌流条件下，变压器消耗的有功功率很小，因 为变压器负载损耗及空载损耗不到变压器容量的1 。在空载合闸产生励磁涌流时， 瞬时功率可能会比较大，但是在其一段时间内的平均有功功率依然比较小；而在变 压器内部故障的情况下，变压器将消耗大量的有功功率。因此，可以根据变压器消 耗的平均有功功率与预先设定的门槛值进行比较来判断是否发生内部故障。 以双绕组变压器为例， l 一十 1 p ( f ) = 言【( u l ，l u 2 j 2 + ，l r ? 一1 2 r ；) a t ( 1 7 ) f 叫 p ( t ) 是一个周期内流入变压器的平均功率，u 、，。、u ：、j ：是变压器两端测得的电 压、电流的瞬时值，蜀、尺：是一次侧、二次侧绕组的电阻。在正常情况和励磁涌流 条件下，以f ) 为空载损耗与杂散损耗之和：当变压器发生内部故障时，流入变压器 的平均功率p ( t ) 随着故障的严重程度成比例增加，当p ( t ) 大于设定的门槛值时，就 认为保护区内发生了故障。 功率差动原理基于能量守恒定律，可以较真实的反映变压器的实际运行工况。 华北电力大学硕士学位论文 但变压器功率差动保护原理有不足之处，主要是在反映变压器区内故障时，尤其是 内部小匝数发生匝间接地短路时存在死区，因此该原理应用于现场时还需要不断完 整 日0 1 2 7 新技术手段识别变压器励磁涌流 l 小波理论在识别变压器励磁涌流中的应用 小波分析是近年来迅速发展起来的新兴数学方法。f o u r i e r 变换是一种纯频域的 分析方法，它无法反映局部时域中的对应特征。对于具有突变性质的、非稳定变化 的信号，人们尤其关心该信号在不同时刻的频率，换言之，需要用时间和频率两个 指标刻画信号。显然，在这方面f o u r i e r 变换无能为力。 小波变换分析方法具有多分辨分析和时一频局部化特征，特别适合于边缘和峰 值信号的处理与特征抽取。变压器励磁涌流信号就属于上述奇异信号。 小波理论在涌流识别方面的应用之一就是基于波形识别法的判别。它利用小波 包变换进行分析，得到涌流波形与各种故障电流小波包变换结果在奇异度大小方面 存在显著差异：涌流波形的变换结果呈现出明显的奇异性，而各类故障波形的变换 相对平缓，由此而构成判据。 采用小波变换测量涌流波形的间断角是小波理论在识别励磁涌流中的又一应 用。文献 1 8 1 探讨了用小波变换局部极大值测量间断角的一种新方法。此方法只测 量间断角两侧( 边缘) 对应的局部极大值位置，因此有效的解决了由于随即噪声干 扰造成的a d 在零点附近误差较大的问题，提高了测量精度，且计算量较小。但是， 该方法对间断角局部极大值位置的测量精确度仍不能跳出传统方法依赖于a d 采 样速率的局限，即如果采样精度不够高，无法捕捉到信号间断角突变位置的准确信 息，对于间断角位置的精确测量也是无能为力的，同时在t a 饱和出现间断角消失 或发生反向涌流情况时也没有很好的解决方法。 小波变换在继电保护研究领域中有着独特的优势。小波分析理论只是一种识别 或提取原物理系统在不同状态下差别的数学工具，如果脱离了客观物理现象应用小 波理论是不科学的。另外，小波变换的计算量较传统的傅氏分析等方法增加了很多， 由此在保护算法的实时性能否得到满足的问题上仍需探讨。 2 神经网络在识别变压器励磁涌流中的应用 人工神经网路是采用计算系统模拟人脑神经细胞的结构和功能，并将其应用于 工程和其他领域。它具有高度神经计算能力、极强的自适应性、容错性及自学习能 力等特点。 华北电力大学硕士学位论文 神经网络应用于变压器保护中的优势在于其强大的计算能力和容错性。其在保 护方面的发展使得采用多种判据综合应用于差动保护方面成为可能，对于保护的可 靠性是有利的。应用于神经网络的训练样本的选取尤为关键，它关系着神经网络训 练样本能否可靠动作。不同变压器的涌流与故障特点不尽相同，一种权值网络能否 适合不同类型的变压器以确保保护正确动作仍值得怀疑。而每种变压器的合闸与故 障样本的获得又非常困难。优势与不足共存，正是神经网络式保护的发展现状，如 何扬长避短的将神经网络用于保护中仍需进一步研究。 3 模糊理论在识别变压器励磁涌流中的应用 模糊数学将数学引入模糊想象领域，用严格的数学方法研究和处理模糊现象。 其核心是用数学手段仿效人脑思维，对复杂事物进行模糊度量、模糊识别、模糊推 理、模糊控制和模糊决策。在继电保护方面表现为，利用模糊数学的理论和方法对 输入的电气量、开关量等信息更有效的进行综合决策，从而得出更加精确和符合实 际情况的输出结果。模糊理论具体应用到涌流识别方面的一般判据为： = 缈，i ( 1 - 8 ) j = l 式中为模糊判据综合隶属度的输出结果，是第i 种具体判据隶属度；q 是第i 种 判据隶属度对应的权重，满足y c o ；= 1 。 一 一 i = l 将与某一整定值比较，得到最终判别结果。 文献【1 9 】在分析了大量的变压器保护判据的基础上，提出了将二次谐波含量、 铁芯饱和程度、变压器端电压的高低及差流波形是否对称来识别励磁涌流。并且分 别就单一判据的具体情况详细分析、阐述了隶属函数的构建过程，并对其进行了数 字仿真，结果证明该算法比常规算法有很大的优越性。 文献【2 0 】在基于波形对称原理的基础上，提出利用模糊贴近度原理区分变压器 内部故障和励磁涌流。文中作者利用实际采集电流的对称隶属函数么( x ( 尼) ) 与零线 a 。( x ( 后) ) = l 计算其贴近度。其中，彳( x ( 尼) ) 取偏小型半梯形分布。此文献采用了贴 近度类型中的海明贴近度： n ( a ，a o ) = 1 一三i 彳( x ( 后) ) 一1 i ( 1 - 9 ) ，lt 根据n ( a ，, 4 0 ) 值的大小判断采样电流为故障电流的可信度。n ( a ，, 4 0 ) 的值处于 0 ，l 】区间，其值越大，则判别采样电流为故障电流的可信度就越大。 模糊理论应用于变压器差动保护方面，使得多判据保护能够做到优势互补。由 于故障类型的多种多样，涌流情况也不尽相同，显然固定权值的判据是不妥的。如 华北电力人学硕士学位论文 何自适应调整权重，提高保护的可靠性是模糊理论在保护应用中一个可能的发展方 向。模糊保护的计算量不小，在保证实时性方面仍需探究。 4 自适应理论在识别变压器励磁涌流中的应用 自适应继电保护是2 0 世纪8 0 年代提出的研究课题，其基本思想是使保护装置 尽可能的适应电力系统的各种变化，改善保护性能，即能够适应电力系统各种运行 方式和复杂故障类型，有效处理故障信息，从而获得更可靠的保护。此外，继电保 护装置还可以根据现场的情况，完成在线调整判据计算方法，校对接线极性等任务， 使保护装置能够适应各种现场条件，减少因接线或整定错误而引起的保护误动或拒 动，降低工作人员的劳动强度。 文献【2 1 】提出在数字式变压器差动保护中，自适应调整电流通道变化、自适应 判别c t 接线极性和零序差动保护的自适应方案。 文献【2 2 】提出了一种基于模糊集理论的多判据算法，将传统数字式变压器保护 的各种动作判据通过模糊处理分别赋予一定的隶属度；再根据故障信息的实际测量 值确定各种动作判据的隶属度，经过模糊运算，由模糊决策系统自适应的确定变压 器的运行工况并发出动作指令。 5 数学形态学在识别变压器励磁涌流中的应用 数学形态学方法是基于积分几何和随机集理论建立起来的有别于基于时域、频 域的数学方法。该方法进行信号处理时只取决于待处理信号的局部形状特征，要比 传统的数字滤波更为有效，在诸如图像处理、形状分析、模式识别等方面已得到广 发的应用。 应用数学形态学区分波形的形状需要选取结构元素进行分析。结构元素的方 向、高度和窗宽使其适应能力受到影响【2 3 1 。 新技术应用为变压器差动保护的发展提供了新的动力，但是应该清楚的认识到 新技术应用必须与工程实际情况紧密结合，基于新技术的应用判据的提出应该基于 其基本物理特征。每种应用新技术手段的保护距离投入实际运行阶段还有一定的差 距，需要进一步的研究探索。 如何扬长避短、综合利用各种新技术手段以确保继电保护动作的可靠性、快速 性、灵敏性和选择性将是一个重要的发展方向。 1 3 本文的主要工作 本文的主要工作有： 华北电力大学硕士学位论文 分析励磁涌流产生的原因，并对现有的一些鉴别励磁涌流与内部故障电流的方 法进行介绍和分析。 从变压器励磁涌流整体特征出发，提出新的识别方法，为具体励磁涌流多判据 模糊识别方案的实现提供理论支撑。同时利用动模实验得到录波数据，用c 语言编 制保护算法得到仿真结果，对各判据识别涌流的优缺点进行总结。 针对应用单一判据识别涌流的局限性，文章运用模糊数学理论，从采用识别励 磁涌流的多个判据入手，对各判据进行模糊化处理。然后根据各个判据的特点，并 考虑到涌流识别的现状、保护算法的实时性以及采用多判据算法时间处理方面的问 题，对判据进行选取。最后引入模糊层次分析法来确定各判据的权重，将多个判据 进行有机结合，以期更准确的判断变压器的运行状态。 将传统微机保护中励磁涌流识别程序改成多判据模糊识别程序，并进行动模仿 真，将其与传统励磁涌流识别方案进行对比，得到一个较为客观的结论，为变压器 励磁涌流多判据的模糊识别实用化打下良好的基础。 华北电力大学硕士学位论文 第二章识别变压器励磁涌流的硬件和软件平台介绍 2 1 装置的硬件结构乜4 1 l 平台概述 装置硬件系统采用中力电力科技发展有限公司w f b i c a 装置，该保护装置采用 以m o t o r o l a 公司的嵌入式微处理器为核心构成的多处理器并行工作结构，单一装 置中，通常含有1 个监控管理单元，1 个启动录波单元，2 - 3 个保护单元。监控管 理单元执行人机交互、网络通信等功能，启动录波单元执行故障和保护启动开放出 口功能，保护单元实现故障识别、逻辑判断及出口操作的保护功能，各部分的关系 如图所示。 2 功能插件说明 装置采用了标准化、模块化设计思想，开发有通信管理插件、交流交换插件、 直流交换插件、保护c p u 插件、启动录波插件、告警插件、开入插件、跳闸插件、 信号插件、电源插件共计1 0 种插件。下面对几种主要插件做介绍： 保护c p u 插件 保护c p u 插件包含模数转换、开关量输出、开关量输入和定值存储等电路。其 中包括分辨率为1 6 位，同步采集的3 0 路模拟信号，2 0 路经光电隔离的开入信号， 3 8 路经光电隔离的开关量输出信号。 开关量输出回路经过告警继电器闭锁，包含保护出口、信号共3 8 路，其中出 口经告警闭锁，并有定时自检。 e 2 p r o m 芯片用来存放定值和故障报告，定值经密码确认可在线修改。 c p u 能够对内部r a m 、e e p r o m 、开出量输出回路定时自检，根据自检情况，在 异常状况下，闭锁饱和及硬件出口回路。其逻辑框图如图2 1 所示。 启动录波插件 启动录波插件设计有4 2 路1 6 位分辨率的同步模数转换器，2 ms r a m 和8 m f l a s h ，记录保护动作时故障数据，一次录波数据包括0 4 s ( 故障前0 1 s ，故障后 0 3 s ) 的采样值，如果0 4 s 后，故障还存在，则记录间隔为o 2 s 的有效值，如果 5 s 后故障还存在，则记录间隔为0 1 s 有效值，最长1 5 分钟。 在j 下常情况下，实时进行故障判断，当故障发生后，开放各保护的出口回路。 华北电力人学硕七学位论文 管理通信插件 该插件完成人机交互和网络通信功能。提供了c a n 和以太网两种网络通信方 式。 带g p s 对时的硬件时钟电路，确保了保护装置事件时间记录的精确性。保护的 事件记录可通过本地和网络打印机打印。 u s b 串口与 图2 - 1c p u 的逻辑框图 2 2 基于多任务实时操作系统的软件平台 2 2 1 多任务实时操作系统的特点 实时操作系统r t o s 是事件驱动的，能对外界的作用和信号在限定的时间内做出响 应的系统平台。它具有实时性、可靠性和灵活性等特点。在此平台上可以有多个并行的 程序在运行，每个运行的程序，称之为任务。作为核心的r t o s 为多任务创建运行环境， 并完成任务间的切换、调度、通信、同步、互斥，以及管理时钟、中断等功能。系统中 每项任务都被编制成无限循环的程序，等待特定的事件，然后执行相应的任务。以这样 的系统为平台，可开发出实时、准确、可靠地完成各种复杂功能的实时多任务系统。 实时操作系统的使用使得实时应用程序的设计和扩展变得容易，不需要大的改动就 可以增加新的功能。复杂的应用程序可以分解为若干独立的任务，每个任务的调试、修 改几乎不影响其它模块，r t o s 使得应用程序的设计过程大为简化。基于r t o s 上的c 语 言程序具有极大的可移植性，优秀r t o s 上跨处理器平台的程序移植只需要修改1 5 的 内容。不仅如此，r t o s 还是一个可靠性和可信度很高的实时内核，从根本上保证了软 件的可靠性和实时性。 华北电力大学硕十学位论文 目前市场上商业化的r t o s 很多如n u c l e u sp l u sq n xv r t xv x w o r k s 等它们各有特 色，用户可根据自身的软硬件要求选择合适的操作系统。经过多方面的分析比较本装置 选用了美国a t i 公司的n u c l e u sp l u s 多任务实时操作系统多任务适时操作系统。 2 2 2n u c i e u sp l u s 多任务实时操作系统 n u c l e u sp l u s 是为实时嵌入式应用而设计的一个抢先式多任务操作系统内核，其 9 5 的代码是用a n s ic 写成的，因此非常便于移植并能够支持大多数类型的处理器。 从实现角度来看，n u c l e u sp l u s 是一组c 函数库，应用程序代码与核心函数库连接在 一起，生成一个目标代码，下载到目标板的r a m 中或直接烧录到目标板的r o m 中执行。 在典型的目标环境中，n u c l e u sp l u s 核心代码区一般不超过2 0 k 字节大小。n u c l e u sp l u s 采用了软件组件的方法。每个组件具有单一而明确的目的，通常由几个c 及汇编语言模 块构成，提供清晰的外部接口，对组件的引用就是通过这些接口完成的。除了少数一些 特殊情况外，不允许从外部对组件内的全局进行访问。由于采用了软件组件的方法， n u c l e u sp l u s 各个组件非常易于替换和复用。n u c l e u sp l u s 的组件包括任务控制、内 存管理、任务间通信、任务的同步与互斥、中断管理、定时器及i o 驱动等n 4 。埔1 。 n u c l e u sp l u s 具有如下特点： ( 1 ) 提供源代码 n u c l e u sp l u s 注释严格的c 源级代码给每一个用户。这样用户能够深入地了解底 层内核的运作方式，并可根据自己的特殊要求删减或改动系统软件，这对软件的规范化 管理及系统软件的测试都有极大的帮助。另外，由于提供了r t o s 的源级代码，用户不 但可以进行r t o s 的学习和研究，而且产品在量产时也不必支付l i c e n s e ，可以省去大 量的费用。对于军方来说，由于提供了源代码，用户完全可以控制内核而不必担心操作 系统中可能会存在异常任务导致系统崩溃。 ( 2 ) 性价比高 n u c l e u sp l u s 由于采用了先进的微内核( m i c r o k e r n e l ) 技术，因而在优先级安排、 任务调度、任务切换等各个方面都有相当大的优势。另外，对c + + 语言的全面支持又使 得n u c l e u sp l u s 的k e r n e l 成为名副其实的面向对象的实时操作系统内核。同时其价格 也比较合理，所以容易被广大的研发单位接受。 ( 3 ) 易学易用 n u c l e u sp l u s 能够结合p a r a d i g m ，s d s 以及a t i 自己的多任务调试器组成功能强 大的集成开发环境，配合相应的编译器和动态联结库以及各类底层驱动软件，用户可以 轻松地进行r t o s 的开发和调试。另外，由于这些集成开发环境( i d e ) 为所有的开发工程 华北电力大学硕七学位论文 师所熟悉，因而容易学习和使用。 ( 4 ) 功能模块丰富 n u c l e u sp l u s 除提供功能强大的内核操作系统外，还提供种类丰富的功能模块。 例如用于通讯系统的局域和广域网络模块，支持图形应用的实时化w i n d o w s 模块，支持 i n t e r n e t 网的w e b 产品模块，工控机实时b i o s 模块，图形用户接口以及应用软件性能 分析模块等。用户可以根据自己的应用来选择不同的应用模块。 n u c l e u sp l u s 的r t o s 内核可支持如下类型的c p u x 8 6 ，6 8 x x x ，6 8 h c x x ，n e cv 2 5 ， c o l d f i r e ，2 9 k ，i 9 6 0 ，m i p s ，s p a r c l i t e ，t id s p ，a r m 6 7 ，s t r o n g a r i ，h 8 3 0 0 h ，s h i 2 3 ， p o w e r p c ，v 8 x x ，t r i c o r e ，m c o r e ，p a n a s o n i c 删1 0 2 0 0 ，t r i c o r e ，m c o r e 等。可以说 n u c l e u sp l u s 是支持c p u 类型最丰富的实时多任务操作系统。 针对各种嵌入式应用，n u c l e u sp l u s 还提供相应的网络协议( 如t c p i p ，s n i p 等) ， 以满足用户对通讯系统的开发要求。另外，可重入的文件系统、可重入的c 函数库以及 图形化界面等也给开发者提供了方便。 针对不同的c p u 类型，n u c l e u sp l u s 还提供编译器、动态连接库、多任务调试器 等相应的工具来配置用户的开发环境。值得提出的是a t i 公司最近还发表了基于 m i c r o s o f td e v e l o p e r ss t u d i o 的嵌入式集成开发环境- - n u c l e u se d e 。从而率先将嵌 入式开发工具与m i c r o s o f t 的强大开发环境结合起来，提供给工程师们强大的开发手 段。 基于以上n u c l e u sp l u s 的显著优点，我们的软件平台选择了n u c l e u sp l u s 多任 务实时操作系统。 华北电力人学硕十学位论文 第三章变压器励磁涌流判据研究 3 1 励磁涌流的产生及特点 正常运行情况下，变压器铁芯未饱和，相对导磁率很大，变压器绕组的励磁电 感也很大，因而励磁电流很小，一般不超过额定电流的3 5 。当变压器空投入 或外部故障切除后电压恢复时，由于磁通不能突变，铁芯内除稳态磁通外，还有随 时间衰减的磁通分量，在这两者的作用下，铁芯有时会高度饱和，使励磁电流剧增， 甚至可能达到变压器额定电流的6 8 倍，产生所谓的励磁涌流。 3 1 1 单相变压器的励磁涌流 考虑空载合闸最严重的条件，电源内阻及合闸回路阻抗为零，设合闸电压为： 甜= u 。s i n ( a ) t + 口) ( 3 - 1 ) 为分析方便，不考虑非周期分量衰减，并将铁芯磁化曲线简化为如图3 1 所示 的两段折线。 o 鳙t o 图3 - 1 变压器近似磁化曲线 此时，将变压器合闸于工频无穷大电源，电流表达式如下： 当变压器铁芯不饱和时，i = 0 ； 当变压器铁芯饱和时， 江v 础m a x 卜一s c 斛咖警j 2 ) 式中，砒是饱和后的励磁电抗，只是饱和磁密，毋是剩磁密，既是工作磁密。 另外，由分析可知，如果令 华北电力大学硕士学位论文 彳：c o s 口一盟 b 。 e l = 2 a r c c o s a ( 3 3 ) ( 3 4 ) 并且，可以导出当口= 0 。时，9 ，取最小值。 3 1 2 三相变压器的励磁涌流 设常见的k ，d 接线的三相变压器由三个单相变压器组成，由于三个铁芯的磁路 完全独立，所以前面单相变压器励磁涌流的分析方法也适用于这种三相变压器。尽 管如此，分析三相变压器的励磁涌流仍是一个相当复杂的问题。 三相励磁涌流的特点： 励磁涌流是尖顶波，其中含有非周期分量和高次谐波分量，并且在最初的几个 周期内完全偏于时间轴一侧，饱和磁通值越低，剩磁越大，则励磁涌流的峰值越高。 励磁涌流的幅值与变压器空投时的电压初相角有关，最大相电流的涌流出现在 0 。的合闸相角( 即电压过零点时) ，最大线电流涌流出现在3 0 。合闸相角。 励磁涌流波形最初几个周期呈间断状态。单相变压器涌流在一个周期内有1 2 0 。 左右的间断角，三相变压器是励磁涌流两相差电流的间断角。三个间断角大小不等， 一般最大在1 0 0 。左右，并且小于单相变压器涌流的间断角。另外，剩磁增大和饱和 磁通减小时，将使励磁涌流间断角的最小值减小。 三相变压器涌流中往往有一相不包含非周期分量，因此形成周期性衰减的励磁 涌流。 励磁涌流对于额定电流幅值的倍数与变压器容量的大小有关。变压器容量越 大，励磁涌流对额定电流幅值的倍数越小。 励磁涌流衰减的时间常数与变压器至电源问阻抗的大小、变压器的容量和铁芯 材料等因素有关。一般情况下，变压器的容量越大，或越靠近电源，其衰减时间越 长。铁芯越饱和，电抗值越小，衰减越快。励磁涌流的起始部分衰减很快( 此时铁 芯深度饱和) ，一般经过o 5 s l s 后，其值不超过o 2 5 0 5 倍的额定电流。 3 2 变压器励磁涌流传统判据介绍 3 2 1 二次谐波判据 二次谐波制动法的判据为： 华北电力大学硕士学位论文 ，d 2 i d l k ( 3 5 ) 式中i d 。和l ：分别为差流中的基波和二次谐波分量幅值，k 为二次谐波制动比。若 二次谐波含量和基波含量比值满足式( 3 - 5 ) 则判断为涌流。 二次谐波原理简单明了，在常规保护中有较多的运行经验，用微机实现比常规 保护实现更容易，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，用二次谐波制动法存在着许多问题： ( 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，傅里叶级数的周期延拓将导致错误的结果； ( 2 ) 很难适当选择制动比。美国西屋公司的制动比为7 0 - 7 5 ，但a b b 公司 取1 0 ，我国和大部分国家则取1 5 9 6 ，谁更科学较难评判； (