（电力系统及其自动化专业论文）数字式变压器差动保护若干问题研究.pdf

浙江大学博士学位论文 试，大大提高了保护的开发速度。 关键词：变压器差动保护；励磁涌流：间断角；尖项波；最小二乘；误差估计； 和应涌流；t a 饱和；磁制动；三次差分 浙江大学博士学位论文 a b s t r a c t a l o n gw i t l lt h ed e v e l o p m e n to ft h em o d e mp o w e rs y s t e m t h er e q u i r e m e n t so f d i g i t a ld i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o no f t r a n s f o r m e ra r eb e c o m i n gh i g h e ra n dh i g h e r a f t e rt h e a n a l y s i so nt h ep r o b l e m s ，w h i c hi n f l u e n c et h ed i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n , t h i sp a p e rm a k e s t h ef o l l o w i n gr e s e a r c hw h i c hi n c l u d e s ： b a s e do nt h ep e a k e dw a v ec h a r a c t e r i s t i ct h i sp a p e rp r o p o s e st w on o v e lm e t h o d s t o i d e n t i f ym a g n e t i ci n r u s h i n t h em e t h o do n e ，i n t e r n a lf a u l tc u r r e n tc a n b e d i s c r i m i n a t e df r o mi n r u s hc u r r e n tb yc o m p a r i n gt h es i m i l a r i t yb e t w e e nt h ea c t u a l w a v ea n dt w or e f e r e n c ew a v e su n d e rt w od i f f e r e n tf r e q u e n c yc o n d i t i o n sp e rh a l fc y c l e t h es e c o n dm e t h o dc a nd i s c r i m i n a t ef a u l tc u r r e n t sf r o mi n r u s hc u r r e n t sb yc o m p a r i n g t w op h a s o r s t h ef o r m e ri sf o r m e db ys h i f t i n gt h ef u n d a m e n t a lp h a s o re v a l u a t e df r o m t h ec u r r e n td a t aw i n d o w t h el a t t e ri sap h a s o re v a l u a t e df r o mt h en e x td a t aw i n d o w t h ed y n a m i ct e s ts h o w st h eh i g hp e r f o r m a n c ea n dp r a c t i c a l i t yo f t h et w om e t h o d s i nt h i sp a p e rt h ep r i n c i p l eo ft r a n s f o r m e rm a g n e t i z i n gi n r u s hc u r r e n t si sa n a l y z e d b a s eo nt h et r a n s f o r m e re q u i v a l e n tc i r c u i t ，t h er e c u r r e n c ec a l c u l a t i o na p p r o a c ho f d e c a yi n r u s hc u r r e n t si sd e r i v e d b yc w - v e sf i t t i n g ，t h ep r a c t i c a lf o r m u l af o rt h e d e p e n d e n c eo fi n t e r m i s s i o na n g l ea n di n r u s hc u r r e n ta m p l i t u d ea sw e l l 鹧t i m ei s p r e s e n t e d t h es i m u l a t i o nt e s ts h o w st h a tt h ep r e c i s i o no ft h ef o r m u l as a t i s f i e st h e r e q u i r e m e n t so f p r a c t i c e i tp r o v i d e sa t o o lo f a n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o nf o rt h er e s e a r c h o nd i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o na n db u c k - u pp r o t e c t i o m b a s eo nt h et r a n s f o r m e re q u i v a l e n tc i r c u i ta n dt h ef l u xv a r i e t y , i nt h i sp a p e rt h e p n n c i p l ea n dc h a r a c t e r i s t i co fs y m p a t h e t i ci n t e r a c t i o ni ss t u d i e di nd e p t hf i r s t l y t h e n , t h ee f f e e t i n gp a r a m e t e r sa r ei n v e s t i g a t e ds u c ha ss y s t e mr e s i s t a n c e ，p a r a l l e lo rs e r i e s o ft r a n s f o r m e r s ，a n dt h el o a do fc o n n e c t e dt r a n s f o r m e r f i n a l l y , b a s e do nt h e s i m u l a t i o na n dc o m b i n e dw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fs y m p a t h e t i ci n t e r a c t i o n ，t h e i n f e c t i o nt ot h ed i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n , b a c k - u pp r o t e c t i o na n do t h e rr e l a t i v ep r o t e c t i o n i se m p h a t i c a l l ys t u d i e di nt h ep a m l l e lc o n n e c t i o na n dt h es e r i e sc o u n e e t i o n ，a n dt h e c o r r e s p o n d i n gs o l u t i o n sa r eg i v e n b a s e do nt h em a g n e t i cr e s t r a i n tp r i n c i p l et od e t e c tc u r r e n tt r a n s f o r m e rs a t u r a t i o n , a ni m p r o v e dc r i t e r i o nf o rd e t e c t i n gt as a t u r a t i o ni sp u tf o r w a r di nw h i c ht h es e c o n d c u r r e n to ft ai s o n l yu s e d t h i sm e t h o de r i e c t i v e l yr e s o l v e st h ei n f h i e n e eo ft h e r e s i d u a lf l u xa n dt h el o a dr e s i s t a n c eo nt h em a g n e t i cr e s t r a i n tp r i n c i p l e a n dt h e p r o p o s e dm e t h o di se a s yt ob ec a r r i e do u ta n dh a sg o o dp r a c t i c a l i t y t os a t i s f yt h er e q u i r e m e n to ft h eq u i c kd e v e l o p m e n to fp r o t e c t i o ns c h e m e ，a d i g i t a lp r o t e c t i o nd e v e l o p i n ga n dt e s t i n gp l a t f o r mi sp u tf o r w a r d b a s e do nt h e e x p e r i e n c eo fd e v e l o p i n gp r o t e c t i o nd e v i c e s ，t h er a p i dd e v e l o p i n ga n dt e s t i n go ft h e 浙江大学博士学位论文 s c h e m ea r er e a l i z e d b yu s i n gt h em o d e ms o f t w a r ee n g i n e e r i n ga n d d a t a b a s e t e c h n o l o g y b yt h ep l a t f o r m ，t h ed e v e l o p i n gc y c l eo ft h ep r o t e c t i o np r o d u c t sc a l lb e s h o r t e n e dg r e a t l ya n dt h ec o s tc a nb er e d u c e d k e yw 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 ；m a g n e t i ci n r u s h ；d e a da n g l e ； p e a k e dw a v e ；l a s te r r o rs q u a r ea l g o r i t h m ；e r r o re s t i m a t i o n ；s y m p a t h e t i ci n r u s h ； c u r r e n tt r a n s f o r m e rs a t u r a t i o n ；m a g n e t i cr e s t r a i n tp r i n c i p l e ；t h et h i r dd i f f e r e n c e 浙江大学博士学位论文 o 1 课题的背景与意义 绪论 改革开放以来，为了适应经济快速发展的要求，我国电力工业一直处于飞速 发展的阶段，特别是国家最近出台的“十一五”计划中，提出要建设超高压直流输 电线路和特高压交流输电线路以加快西电东送步伐，预计我国2 0 2 0 年电网的总 装机容量将达9 亿k w ，其中西电东送达1 亿k w ，整个电力系统的规模越来越 大，全国电网互联已是必然趋势，联网后对电网安全稳定运行的要求也提到了一 个更高的层面。作为电网安全稳定运行的哨兵，继电保护及安全装置将承担更大 的责任，如何提高保护的动作的性能和安全性，给继电保护工作者提出了新的任 务和要求。 电力变压器是电力系统中的重要设备，不仅起本身价格昂贵，而且其安全运 行关系到整个电力系统能否稳定的工作。然而有关电力变压器保护运行情况统计 数据u - 6 1 表明，大型电力变压器保护的正确率一直处于一个较低的水平，这与当 前电网实际安全要求和发展水平是不符合的，表o 1 是1 9 8 1 2 0 0 4 年2 2 0 k v 及以 上变压器保护运行情况统计。 表0 - 11 9 8 1 2 0 0 4 年2 2 0 k v 变压器保护动作情况统计 t a b 0 0 ls t a t i s t i c so f t r a n s f o r m e rp r o t e c t i o na c t i o ns i t u a t i o nf r o m1 9 8 1t o2 0 0 4 不正确动作次数动作正确率 年份动作总次数正确动作次数 误动拒动 ( ) 1 9 8 1 1 9 8 9 总计1 4 3 89 0 84 9 43 66 3 1 4 1 9 9 0 1 9 9 9 总计2 5 3 01 7 5 l7 5 52 46 9 2 1 2 0 0 0 2 0 11 5 14 917 5 1 2 2 0 0 l 2 5 22 0 84 3l8 2 5 4 2 0 0 2 2 1 41 6 0 4 31 7 4 7 7 2 0 0 3 2 0 61 5 74 9o7 6 2 1 2 0 0 4 2 5 3 1 0 0 5 2l 7 9 0 5 2 0 0 1 1 2 0 0 4 总计1 1 2 68 7 62 4 647 7 8 0 从上表可以看到，在过去二十多年里，变压器保护的动作正确率有了较大的 第1 页 浙江大学博士学位论文 提高，但仍处于较低的水平，平均还不到8 0 ，其中由于制造部门的责任( 原理 缺陷、质量不良等) 在保护不正确动作次数中占很大的比例，以2 0 0 3 年为例， 制造部门责任就占到了3 4 6 9 。这说明了变压器保护研究人员需要加倍的努力。 变压器差动保护由于其动作原理简单、灵敏度高，一直作为变压器的主保护， 而电力变压器本身是一个内部模型结构非常复杂的非线性元件，在分析变压器的 运行与故障情况时，必须考虑变压器铁芯的饱和特性，也就是说，在考虑电流状 态方程的同时，还需要考虑磁链的影响。而就目前的研究情况而言，研究人员就 变压器铁芯电磁变化规律的认识还不够深入，相关的理论研究也没有实质性的突 破，这是造成变压器差动保护很多不明原因误动的主要因素，这也同时促使国内 外学者在提高变压器差动保护方面投入的大量的研究，给出很多新方法、新原理， 但都缺乏实际的验证，得到实际应用的很少，传统的基于二次谐波制动和间断角 原理的纵差保护仍是数字变压器保护的首选，随着我国电力系统日益复杂，电压 等级越来越高，这些保护原理暴露出很多不足，已经不能满足现代电力系统对保 护动作快速性的要求。因此，深入研究变压器及其相关二次设备暂态过程，从中 发现一些有价值的特征规律，并利用它们提高变压器差动保护的性能，无疑是很 有实际意义的。 o 2 影响变压器差动保护性能的主要因素 如前面所述，变压器差动保护的动作正确率一直都比较低，下面结合差动保 护原理图( 图o 1 所示，主要由差动速断元件、比率制动元件、涌流识别元件和 过励磁元件等模块组成) 谈一下影响差动保护性能的主要因烈7 ，8 】： 图o _ 1 变压器差动保护原理图 f i g 0 - lc o n n e c t i o ns c h e m eo f t r a n s f o r m e rd i f f e r e n t i a lc u r r e n tp r o t e c t i o n 第2 页 浙江大学博士学位论文 ( 1 )从变压器等效电路模型来看，由于励磁电流的存在，使得正常运行和在 外部故障时，差动回路就存在不平衡电流，而且由于变压器有2 个或更多电压等 级，各侧t a 不同型使得不平衡电流更大。 ( 2 ) 大型电力变压器一般都设有分接头，在运行过程中有时需要进行有载调 压，从而造成不平衡电流增大，影响保护的整定。 ( 3 ) 励磁涌流问题。变压器铁芯为一非线性元件，在空载合闸或故障后切除 线路过程中可能引起铁芯饱和，造成励磁电流增大，其幅值可达1 0 倍额定电流 以上，这么大的电流将流入差动回路，此时只靠比率制动是不行的，必须采取相 应的措施防止其引起的误动。 ( 4 ) 和应涌流问题：近年来，国内出现了多起空投变压器导致相邻变压器或 发电机差动保护和后备保护误动的报道1 9 , 1 0 l ，如2 0 0 5 年1 0 月1 4 日，浙江衢州 1 1 0 k v 模环变样1 号主变检修完毕，复役操作冲样l 主变1 1 0 k v 开关时，舵号主变 差动保护因主变产生和应涌流而误动等。人们很早就发现了这一现象i 儿】，文献【1 2 】 指出系统电阻的存在是和应涌流产生的根本原因，并对涌流产生过程作了描述。 文献【1 3 】对和应涌流的谐波进行了分析，讨论了其对电力系统过电压的影响，但 都对和应涌流的认识还不够深入，只停留在定性的阶段。 ( 5 ) t a 饱和问题。变压器区外故障时，如果故障电流中的非周期分量幅值很 大，如果变压器各侧t a 暂态饱和特性不一致，从而造成一侧发生饱和，则在差 动回路中将产生很大的不平衡电流，容易引起保护的误动，因此必须采取一定的 抗饱和措施。 ( 6 )过励磁问题。系统电压过高可能引起变压器稳态过励磁问题，会导致励 磁电流激增，可能引起差动保护误动。目前一般都采用五次谐波制动来解决。 o 3 变压器差动保护研究现状 一直以来，保护研究人员对上述问题进行了大量的研究，并取得了很多的研 究成果，下面主要对变压器励磁涌流识别、t a 饱和检测方法两个方面国内外的 研究现状做一个综述。 0 3 1 防止变压器励磁涌流引起差动保护误动的方法 本小节内容主要总结了目前用于防止涌流引起保护误动的方法及国内外研 第3 页 浙江大学博士学位论文 究的现状，主要包括下面几类：1 ) 采用速饱和中间变流别14 】；2 ) 利用涌流波 形特征进行识别1 5 删；3 ) 引入电压量判别方法【4 7 - 6 2 ：4 ) 利用智能技术进行涌流 识别f d 郴】； 0 3 1 1 采用速饱和中间变流器防止保护误动 励磁涌流中含有大量的非周期分量，所以可以采用在差动回路中接入具有速 饱和特性的中间变流器的方法【1 4 】来防止差动保护的误动。对于y a 接线方式的 三相变压器，常常有一相是对称性涌流，没有非周期分量，中间变流器不能饱和， 只能通过差动继电器的动作电流来躲过。速饱和原理的纵差动保护动作电流大、 灵敏度低，并且在变压器内部故障时，会因非周期分量的存在而延缓保护的动作， 己逐渐淘汰。 0 3 i 2 利用励磁涌流波形特征识别法 利用励磁涌流与故障电流波形特征上的差异来识别涌流的方法一直是国内 外学者研究的热点，此类方法中，已被广泛应用的有二次谐波制动原理和间断角 原理，近年来提出来的有波形对称识别原理、虚拟三次谐波原理等，另外，随着 各种新兴学科的发展，一些特性提取新技术也被应用到涌流识别中，主要有小波 变换、数学形态学等方法。 ( i ) 二次谐波制动原型7 町 二次谐波制动方法是根据励磁涌流中含有大量二次谐波分量、而故障电流二 次谐波含量较小的特点，当保护检测到差动电流中二次谐波含量大于整定值时就 将差动继电器闭锁，以防止励磁涌流引起的误动。二次谐波制动元件的动作判据 为 厶k2(0-1) 式中，厶、厶分别为差动电流中的基波分m - 弄n - 次谐波分量的幅值，称为二 次谐波制动比，按躲过各种励磁涌流下最小的二次谐波含量整定，整定范围通常 为1 5 2 0 。 二次谐波制动差动保护原理简单、调试方便、灵敏度高，在变压器纵差动保 护中获得了非常广泛的应用，目前国内外数字式变压器保护中的涌流闭锁方案中 大多包括此原理。但随着电力系统的不断发展，对变压器保护性能有了更高的要 第4 页 浙江大学博士学位论文 求，二次谐波制动方法的缺点也凸现出来，主要表现在： 1 ) 目前1 5 0 t , - 一1 7 的二次谐波制动比是按照一般饱和磁通为1 4 倍额定磁通 幅值时空载合闸涌流的大小来考虑的，但现代变压器为充分利用铁芯材料传输电 能，铁芯饱和点提前，其饱和磁通倍数经常在1 2 到1 3 甚至低至1 1 5 ，此时涌流 中最小二次谐波含量可能低至1 0 以下，这使得二次谐波制动比e 很难选择。 2 )现代电力系统中，远距离输电设备及静止无功补偿装置的应用，使得暂 态故障电流中二次谐波含量也比较高，且衰减比较慢，对差动保护动作速度影响 较大，甚至发生拒动。 3 )若空载合闸前变压器已经存在故障，合闸后故障相为故障电流，非故障 相为励磁涌流，采用三相或门制动的方案时，差动保护必将被闭锁。由于励磁涌 流衰减很慢，保护的动作时间可能会长达数百毫秒。 ( 2 ) 间断角原理 由前面对励磁涌流的分析知，励磁涌流的波形中会出现间断角，而变压器内 部故障时流入差动继电器的稳态差电流是正弦波，不会出现间断角。间断角鉴别 的方法就是利用这个特征来鉴别励磁涌流和故障电流，即通过检测差电流波形是 否存在间断角，当间断角大于整定值时将差动保护闭锁。间断角闭锁原理的变压 器差动保护率先由我国于6 0 年代提出并制成样机，其模拟式保护装置已经得到广 泛应用【3 0 3 n ，目前，基于间断角原理的数字式保护也已被应用到系统中【洲。 间断角的整定值一般取6 5 。，当差流的间断角大于整定值时，认为差流是涌 流引起的，闭锁差动保护。对于y a 接线方式的三相变压器，非对称涌流的间 断角比较大，间断角闭锁元件能够可靠的动作，并有足够的裕量；而对称性涌流 的间断角有可能小于3 0 。嗍。迸一步减小整定值并不是好的方法，因为整定值太 小会影响内部故障时的灵敏度和动作速度。由于对称性涌流的波宽等于1 2 0 。，而 故障电流的波宽为1 8 0 0 ，因此在间断角判据的基础上再增加一个反应波宽的辅助 判据，在波宽小于1 4 0 0 ( 有2 0 0 的裕量) 时也将差动保护闭锁。 间断角原理特征明显，且采用按相闭锁的方法，在变压器合闸于内部故障时， 能够快速动作。这是比二次谐波制动( 三相或f l $ l j 动) 方法优越。但由于它是以 精确测量间断角为基础的，因此在实际应用中还应解决几个问题： 1 ) 间断角的精确测量要求较高的采样率，这对保护的硬件提出了更高的要 第5 页 浙江大学博士学位论文 求，影响了其在数字保护中应用。 2 ) 由于励磁涌流中含有大量的非周期分量，很容易造成电流互感器的饱和， 电流互感器饱和会造成二次侧电流间断角的“消失”1 3 h 。因此，必须采取一些 措施来恢复间断角【2 5 ，3 ”，这就增加了保护算法的复杂性。 ( 3 ) 利用波形对称性的识别原理 通过前面的分析，我们知道励磁涌流在每个周期内都会出现间断，这就造成 了涌流波形在一个周期内前后半波的不对称性，人1 f 3 $ u 用这个特征研究出了很多 种涌流识别方法，其中比较典型有：波形对称原理、波形比较法及波形拟合法等。 基于波形对称性原理的基本原理可以概括为：首先对一个周期的差动电流进 行预处理，然后通过一定的算法确定出波形的不对称度k ，最后根据不对称度k 来判别差流是否为涌流，其主判据为： k k “ ( o - 2 ) 式中，k = 厶为波形的不对称度，匕为整定值，算法的数据窗为一个周波。对 于本文前面提到的识别方法，其主要区别就在于对称度计算函数厶不同： 1 ) 波形对称原理1 1 5 1 首先将流入继电器的差流进行微分( 滤除直流分量) ，将微分后的差流的前 半波与后半波作对称比较，求取不对称度k ，即 厶= 剖 m ” 式中，为差电流导数前半波第七点的数值，k o f + 。，：为后半波与第k 点相对应的数 值。 从数字滤波的角度来分析，波形对称判据的构成实质上是差分后差动电流中 偶次谐波的瞬时值与奇次谐波包括基波分量的瞬时值相比。按判据的动作条件， 输入电流中的偶次谐波为动作量，奇次谐波为制动量。与二次谐波制动原理相比， 波形对称判据充分利用3 - - 次谐波以上的偶次谐波分量，提高了保护躲励磁涌流 误动的能力1 8 5 】 2 ) 波形比较法1 1 8 l 设置一个长度为一周波的观测窗，采用适当的方法将观测窗内的差动电流 第6 页 浙江大学博上学位论文 i 分解成差异明显的两段波形x ( t ) 和y ( t ) ，每段的长度为半周波， 波形的相关系数来表征差动电流的不对称度，即 厶= 瓮竽 然后求取两段 ( 0 - 4 ) 式中，c o v ( x ，y ) 为x ( f ) 和y ( f ) 之间的协方差，盯( x ) 为x q ) 的均方差。 此方法中波形系数采用积分运算，算法的稳定性好，特征明显，抗t a 饱和 能力强，并可以实现分相制动。 3 ) 波形拟合法i 圳 基于去除直流分量故障电流基本上为前后对称的正弦波这一特征，利用实际 电流的前几个采样点拟合出的标准正弦波，用这个拟合的标准正弦波作为参照波 形，与实际电流波形相比较，利用两个波形间的差异来反映波形的不对称度，即 厶= ( o 5 ) 式中，威拟合出的正弦波离散值，为实际波形离散值( 去除了直流分量) 。 这种方法具有所用数据窗较短，识别迅速，特征明显等优点。 利用波形对称性特征鉴别涌流方法，从实质上讲都是利用涌流波形会出现间 断角从而造成波形的不对称性这一特点的，都属于间断角原理的衍生和改进，且 较间断角原理易于实现。但由于涌流波形与许多因素有关，对于波形不对称度量 的整定，很难通过严格的理论分析或推导来确定，应用中只能根据实际情况，以 及大量试验的方式来确定，从而潜伏了误判的隐患。 ( 4 ) 虚拟三次谐波原理【3 6 1 变压器励磁涌流除了具有间断角这一特点外，其非间断部分还具有尖项波的 特征，其宽度也较小，一般在半个周期左右。当以尖脉冲为中心的半周期数据窗 为研究对象，并将这半周期的数据信息向后平移半周期并反向，与前半周期数据 组合成完整的数据窗，对其进行频谱分析时，可以发现，拟合后的波形含有丰富 的三次谐波分量：而变压器内部短路电流基本上是正弦波，拟合后的波形中三次 谐波含量较小，故可由此将两者区分开来。由于此时的三次谐波是拟合波形的三 次谐波并非真正涌流波形中的三次谐波，因此被称为“虚拟三次谐波原理”。 该方法的数据窗仅为工频半周期信息，而基于间断角特征的涌流识别方法的 第7 页 一睇 一 一+ k k 浙江大学博士学位论文 理论数据窗为一个工频周期，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，加上出口继电器动 作时间，约1 5 m s 即可跳闸。该方案数字实现时，算法简单，实际上相当于用半 周傅氏算法计算基波及三次谐波的运算量阎。 ( 5 ) 小波变换识别原理 由于傅里叶变换只是一种频域分析方法，只能通过观察信号傅里叶变换的整 体衰减性来判断信号的奇异性。2 0 世纪8 0 年代后期在发展起来的小波变换，具 有可调节的时频分辨能力，能分辨出信号中在不同位置处不同特征的局部行为， 准确地捕捉突变信号的特征，并能在不同频带尺度上考察信号频率的演化，对奇 异点进行准确分析和定位。小波变换在信号奇异性检测上面的优势，引起了大批 保护工作者的关注，很多研究人员都试图利用小波技术来解决涌流的识别问题。 目前，利用小波变换进行涌流识别仍主要集中在奇异点检测上1 1 9 ，2 0 , 3 2 ，4 纠6 1 ，检测 原理比较相似，它主要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。然而，小波方法距离实际应 用还存在着一定的距离，主要表现在： 1 ) 要想获得好的检测效果，则要求信号的采样率较高，同时算法本身计算 量也很大，这对保护的软硬件提出了很高的要求，目前还很难达到。 2 ) 算法本身受系统谐波的影响较大，必须提高其抗干扰能力。 3 ) 相关研究人员对小波变换的认识还不够深入，将其应用到涌流检测还停 留在比较初步的阶段，需要对其进一步的分析研究。 ( 6 ) 基于数学形态学提取涌流特征识别法 数学形态学是一门新兴的学科，它包括两种基本运算：腐蚀和膨胀，并由这 两种运算进一步拓展外开运算和闭运算，这两种运算具有滤波的功能，开运算可 以抑制采样信号中的峰值噪声，而闭运算可以抑制采样信号中的低谷噪声。在此 基础上，利用这两种形态算子的不同组合方式可以构造出不同形式的形态滤波 器，使信号的特征更加明显，目前被广泛应用于数字图像识别和边缘检测中。近 年来，数学形态学也被电力研究人员引入到电力系统相关研究中，文献【2 3 1 提出 了一种利用数学形态学原理识别励磁涌流的新方法，作者数学形态学基本原理的 基础上，利用t o p - h a t 算子和b o t o m h a t 算子构造出一种采样信号峰谷检测器， 第8 页 浙江大学博士学位论文 利用此检测器可以准确的提取采样信号的峰谷点。对于变压器非对称性涌流，一 周波数据窗内只能检测到信号的波峰点，而检测不到波谷点，而对称性涌流和故 障电流能同时检测到峰谷点，这样就可以先将非对称性涌流识别出来，然后再利 用对称性涌流和故障电流在形态梯度上的差异进行区分，具有特征明显、计算量 小、抗t a 饱和能力强等特点。目前此种方法还属于探讨阶段，离实际应用还有 一定的距离。 ( 7 ) 总结： 单纯利用涌流的波形特征进行涌流鉴别目前仍是实际变压器保护装置中的 首选，主要原因在于它接线简单，只需要引入电流量，特征明显，可靠性好。而 传统的单纯依靠涌流的尖断角特征的方法其算法数据窗为一个周波，其动作速度 已经越来越不能满足现代变压器保护的要求，因此，保护工作者必须综合利用涌 流波形的各种特征，才能找到更快更好的识别方法。 0 3 1 3 引入电压量的涌流识别方法 如前面所述，利用差流波形特征来鉴别变压器励磁涌流和内部故障电流方 法，判据中仅利用变压器电流量，而没有引入其他电气量，实现起来比较简单， 保护配置方便。而就变压器本身而言，是一个时变的非线性系统，与电压、电流 并非线性相关，而是系统中独立的两个变量，仅用电流一个电气量很难全面反应 变压器铁芯特性的变化。因此，国内外的学者在这方面做了一系列的研究，主要 包括磁通特性、基于变压器模型、电路参数辨识等方法。 ( 1 ) 基于变压器磁通特性识别法 文献【4 7 】提出了一种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，来构成磁通特性的识别方法。下面描述一下其基本原理：设厶，为变压器原 边漏感，忽略绕组电阻后可得变压器互感磁链与绕组端电压“和绕组电流f 的 关系 d f d t = 甜一上1 ，d i l d t ( 0 - 6 ) 图o - 2 ( a ) 为经试验所得的差动电流与变压器磁链关系曲线，由图可见，当 变压器产生涌流时( 1 、2 曲线) ，无论变压器剩磁大小如何，在变压器未饱和时， 斜率d 奶都比较大，在变压器进入饱和区域时，d 缈，奶很小，因此，d y 奶 第9 页 浙江大学博士学位论文 随着得变化在大值和小值问周期性的变化；而对于变压器内部故障状态( 3 曲 线) ，d 丸基本不变且数值较小。 甲j 膨一 |。 匀。 0 i d ( a ) 妒一0 励磁特性曲线( b ) d q d i , 一关系曲线 图0 - 2 变压器磁链与差流曲线 f i g 0 - 2 c u r v e s o fi f ，一i d 、d q m d kv s ki n t r a n s f o r m e r 根据上述特征，可以确定两个区域，如图0 2 ( b ) 所示，区域b 反应变压 器内部故障和饱和状态；区域a 为非饱和运行状态。变压器故障时，d ，d i a 处 于区域b ，而变压器空载合闸出现涌流是d g 躬则在区域a 与b 间交替出现， 在利用此特征进行涌流检测时，设一个计数器j t ，若d 奶位于区域b 内，则 加1 ；若d l ；f ，丸位于区域a ，则减1 。由前面分析可知，对于变压器故障，单 调增加。因此，得到下面判据： kc 时，判断为变压器内部故障。其中，为整定值。 2 ) 利用变压器在正常运行、励磁涌流以及外部故障时结构及某些参数不变， 而内部故障时结构及参数会改变，来识别变压器内部故斟5 4 , 5 8 1 。变压器在正常 第1 i 页 浙江丈学博士学位论文 运行、外部故障、发生励磁涌流及过励磁时，变压器绕组的匝数和漏磁通所经过 的磁路均未发生变化，变压器绕组的漏磁亦不会发生变化；但当变压器绕组发生 单相接地故障、各相绕组之间发生相问短路或单相绕组部分线匝之间发生匝间短 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内部故障和正常运 行、外部故障、励磁涌流情况的判据。当然，也可以把变压器两侧绕组的电流、 电压作为输出量，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，然后利用相关系统辨识手段在线实时的进行计算，此时对辨识函 数的要求比较高，需要计算量少、运行速度快。 目前变压器差动保护相比，基于变压器模型保护新原理无需进行涌流识别， 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。但要将其应 用到实际中还有一定的困难： 1 ) 变压器内部结果非常复杂，其等效电路参数只能通过外部试验获得，对 于原、副边的漏电感厶，、上2 ，我们只能得到厶，+ 岛一而判据中一般都是利 用假设厶，= 厶，来获得漏感，而对于此假设的科学性，还有待于进一步的研究。 2 ) 判据的整定比较困难，受多种因素的影响，一般都需要通过试验来确定。 ( 3 ) 总结： 引入电压量使得用于涌流检测的信息量增加，将有利于涌流的检测，然而， 这也带来了另一方面的问题，实际的保护装置接线将比较复杂，同时保护装置中 还需要添加t v 断线的监视环节，增加了保护的复杂性，进而影响到保护的安全 性和可靠性，影响了其在变压器保护中的应用。 0 3 1 4 智能技术在涌流识别中的应用 近年来，智能技术在信息处理方面有了越来越广泛的应用，特别是对于不确 定性的模型、非线性模型、复杂的任务，它有着无可比拟的优势。变压器励磁涌 流问题直到今天仍是变压器保护要解决的难点之一，这与变压器本身就就是一个 非线性、复杂的系统有关，人们对其内部结构与运行规律很难进行准确的把握， 这也是导致涌流识别技术一直没有得到彻底解决的根本原因。国内外学者将智能 技术应用到涌流识别中主要目的也就是想利用其相关技术模拟变压器内部结构， 从而希望能够找到好的识别方法，目前出现的智能识别涌流的方法中主要应用的 第1 2 页 浙江大学博士学位论文 技术主要有：人工神经网络技术和模糊技术。 ( 1 ) 神经网络技术在变压器涌流识别中的应用 目前，人工神经网络技术已经广泛应用于各个研究领域，它是生物神经网络 的一种近似和模拟，具有很强的自学、容错及适应能力。神经网络的一个重要应 用就是模式识别，而励磁涌流识别就是模式识别的一个典型例子，将其用于涌流 识别是非常合适的，国内外学者也因此进行了很多研究【6 3 圳】，就目前已出现的方 法来看，通过神经网络进行涌流识别都需要经历如下几个过程：1 ) 神经网络类 型的确定；2 ) 确定输入输出节点，输入节点为足够表征变压器运行状态的信息 点，如原副边电流、电压等，输出节点则要根据网络要实现的功能有关，如果只 进行涌流识别则只需要1 个二进制输出就好，如果需要鉴别涌流、内部故障及外 部故障，则需要2 个二进制输出；3 ) 确定网络隐层及各层的节点数，需要根据实 际的情况确定；4 ) 传递函数的选择；5 ) 挑选训练样本，并对数据进行预处理； 6 ) 对网络进行训练，并达到训练目标；7 ) 对已经训练好的网络进行测试。整个 过程需要反复的进行，直到满足要求。 然而，基于神经网络的识别方法目前还存在较多问题： 1 ) 样本选择问题。神经网络要得到好的性能则要求其训练样本一定要典型、 全面，然而，变压器励磁涌流的形成与变压器结构、制造工艺，铁芯特性，系统 工况等多种因素有关，这就使得训练样本的选择及其困难，完备性得不到保证， 应用此种方法似乎还有很多不确定因素。 2 )目前已出现的检测方法基本上都在网络类型的选择的类型上下功夫，而 其他方面考虑的还不够深入。 ( 2 ) 模糊技术在涌流识别中的应用7 3 - 7 5 , 8 1 舶l 目前，实际的变压器保护中的涌流判据一般都采用定量门槛区分涌流和内部 故障，为了保护的安全性，其整定值都是比较保守的，从而在运行中缺乏相应的 灵活性，保护不能根据实际的情况自动调整相应的整定值，而基于模糊技术的涌 流识别算法，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，综合各判据的优点，使各判据之间取长补短，体现了智能化特点。如文 献1 7 5 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；取得了很好的效果。模糊技 第1 3 页 浙江大学博士学位论文 术应用的涌流识别需要解决的问题主要有两个方面：1 ) 多判据的选择，虽然大 家的选择都不尽相同，但原则上应该选取那些实用性好且比较成熟的判据，才能 保证判别的正确性；2 ) 模糊逻辑中隶属函数与权重的选择应该建立在原有认识 的基础上，而且需要技术人员对该问题有很深入的认识，不然很难令人信服。 ( 3 ) 总结 智能技术在数字信号处理中得到广泛的应用，而科研人员在将其用到保护中 时，则需要考虑更多的问题，比如可靠性、安全性等，因此要求其对相关技术的 理解要非常的深入，只有这样，基于智能技术的保护方法才能够真正在保护领域 得到应用。 0 3 1 5 总结 本小节对目前已经出现的变压器励磁涌流识别技术的原理、优缺点、技术关 键及发展现状作了比较详细的分析和评价，识别方法仍集中在三个方面：单纯依 靠电流波形进行判别、多种电气量信息相结合判别和利用智能技术进行判别。实 践证明，对于现代变压器保护，仅靠一种判别方法还不能做到1 0 0 检测正确， 因此在实际应用中，需要将多种检测方法结合起来使用，取长补短。同时我们相 信，随着科技的不断发展和人们对变压器模型认识的逐步深入，变压器励磁涌流 问题一定会得到彻底的解决。 0 3 2 差动保护抗t a 饱和措施及发展现状 电流互感器饱和是差动保护另一个需要解决的重要问题，除了提高电流互感 器本身的暂态性能之外，还必须采取相应的抗饱和措施，为此，国内外学者提出 了很多的解决办法，主要包括： 0 3 2 1 利用制动曲线 比率制动是使用最广泛的防止差动保护误动的措施【蛔。设差动电流 l = l 豇i ，制动电流= e l i , i ，保护的动作条件为 i id i“(0-12) 【l k 其中：1 。：最小动作电流；k ：比例制动系数 采用比率制动的初衷是穿越短路电流越大，电流互感器误差形成的差流也越 第1 4 页 浙江大学博士学位论文 大，需要相应增大制动电流，以防止差动保护误动。实际上由于短路电流非周期 分量的影响，即使短路电流值不大，也可能产生严重暂态饱和而形成很大误差。 差动保护两侧即使特性相同，但如果剩磁不同，也可能饱和程度差别很大，极端 情况下一侧t a 完全饱和，则流入差动保护的动作电流与制动电流几乎相等，如 要保证差动保护不动作，则要求制动系数k 1 ，而这显然是无法接受的，此时 区内也将无法动作，因此，仅靠比率制动是难以保证互感器饱和时保护不误动的。 0 3 2 2 提高差动继电器的阻抗 提高差动继电器阻抗可以使电流互感器饱和时引起的不平衡电流大部分从 互感器励磁回路分流，抗饱和能力比较强，采用高阻抗或中阻抗的差动保护在国 外普遍采用【8 7 - 矧，如a b b 公司的r a d s s 母线保护，它采用中阻抗原理，巧妙地 利用了t a 的暂态过程又考虑了稳态过程，具有较强的抗t a 饱和能力，能够保证 母线保护可靠正确地动作。 0 3 2 3 相位比较方法 相位比较法1 8 6 是根据元件内部故障时，各支路故障电流相位基本相同：而 外部故障，至少有一个支路相位相反。实际应用中一般选取9 0 。作为门槛值以区 别时内部故障还是外部故障。然而此种方法在应用中仍有一些问题需要解决，如 在内部故障时，可能由于负荷电流的流出影响保护正确动作；一个半开关接线内 部故障时可能由于短路电流的迂回使得相位相反造成保护拒动；互感器饱和时电 流相位有可能发生较大误差。 0 3 2 4 时差法 时差法是目前数字保护在目前应用比较广泛 9 0 , 9 1j 。它利用故障启动时间和 保护启动时间的时间差，就可判断t a 饱和的时间差。在区外故障时，变压器某 侧t a 可能会饱和，使差动保护误动，但在故障发生初始时刻和线路电流过零点 附近存在一个线性传变区；这说明差动动作与实际故障在时间上是不同步的，而 是滞后实际故障一段时间。而在区内故障时，因为差动电流就是故障电流的实际 反映，因此差动动作和故障同步发生。利用这个鲜明的特点就构成了时差法t a 饱和判据。故障后可以快速判别，随后周期性开放差动，即可以有效地克服t a 饱和的影响，并且在区外转区内故障时，也能够正确地快速动作。实践证明， t a 严重饱和引起的启动与动作之间的时间差大约