（电力系统及其自动化专业论文）变压器暂态故障仿真及基于支持向量机的故障辨识.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 进行比较，结果说明支持向量机具有很好的分类能力。 关键词：变压器；励磁涌流；内部故障电流；支持向量机 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 | i 页 a b s t r a c t p o w e rt r a n s f o r m e ri se s s e n t i a la n di m p o r t a n te l e m e n to fp o w e rs y s t e m i tp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h et r a n s m i s s i o no f p o w e r s u p p l y t h er e l i a b i l i t y o fp o w e rt r a n s f o r m e rd i r e c t l yd e t e r m i n e sw h e t h e rt h ep o w e rs y s t e mw o r k s s a f e l y o r n o t e s p e c i a l l y f o re x t r ah i g hv o l t a g e ( e h 、，) t r a n s f o r m e ri s e x p e n s i v e ，g r e a te c o n o m i cb e n e f i t sw o u l db el o s ta sar e s u l to ft h ef a u l to f e h vt r a n s f o r m e r d i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o ni st h em a s t e rp r o t e c t i o nf o r t r a n s f o r m e r sa l la l o n g t h e r ea r em a n yp r o b l e m sn e e dt os o l v e l o n g t e r m r u ne x p e r i e n c e sm a k ei tc l e a rt h a td i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o nc a nd i s t i n g u i s h b e t w e e ni n t e r n a lf a u l ta n de x t e r n a lf a u l to ft r a n s f o r m e r s ot h ek e yo f t r a n s f o r m e rp r o t e c t i o ni st od i s t i n g u i s hb e t w e e nm a g n e t i ci n r u s ha n di n t e m a l f a u l tc u r r e n t s d e c a d e sl a t e l y , m a n yd o m e s t i ca n df o r e i g ns c h o l a r sp u tf o r w a r dn e w t h e o r ya n dm e t h o d st o d i f f e r e n t i a t em a g n e t i ci n r u s ha n di n t e r n a lf a u l t c u r r e n t s n om a t t e rt h et r a d i t i o n a lm e t h o d so rn e wi n t e l l i g e n tm e t h o d sa r e b a s e d o ne f f e c t i v ed a t af o rr e s e a r c h t h et r a n s f o r m e r sa r es oe x p e n s i v et h a ti t i si m p o s s i b l et od of a u l te x p e r i m e n t s i ti sa l s ov e r ye x p e n s i v et od od y n a m i c s i m u l a t i v ee x p e r i m e n t s ，a n dt h ee x p e r i m e n t sc a n ts i m u l a t em a n yc o n d i t i o n s 0 fs h u t o f f s oc o m p u t e rs i m u l a t i o ni s af e a s i b l ew a yt og e tt h ed a t ao f r e s e a r c h e m t d c ( e l e c t r o m a g n e t i ct r a n s i e n t si n c l u d i n gd c ) i sat r a n s i e n t s i m u l a t i o ns o f t w a r ew i d e l yu s e di np o w e rs y s t e ma tp r e s e n t t h i ss o f t w a r e c a ns e t 叩s o u r c e q r a n s f o r m e r - t r a n s f o r m e rc u r r e n t ( c 1 ) m o d ea c c o r d i n gt o a p p o i n t e dd i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o nt r a n s f o r m e r s oi tc a ns i m u l a t ei n t e g r a l l yt h e t r a n s i e n to ft r a n s f o r m e r i nt h i sp a p e rt h em a g n e t i ci n r u s ha n di n t e m a lf a u l t a n n e n t so f t r a n s f o r m e ra r ee n t i r e l ys i m u l a t e db ye m t d c a n d a n a l y s e sa l e g i v e nt ot h ec r ss e c o n d a r yd i f f e r e n t i a lc u r r e n t s t h ec h a r a c t e r i s t i c sa b o u t2 ” h a r m o n i ca n dg a pa n g l ea l eg o t t r a d i t i o n a ls t a t i s t i c a lt h e o r ya i m sa tt h ea s y m p t o t i ct h e o r yw h e ns a m p l e s i z ei st e n dt oi n f i n i t y h o w e v e r , i nm a n y p r a c t i c a lc a s e s ，s a m p l e sa r el i m i t e d 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 v 页 m o s to fe x i s t i n gm e t h o db a s e do nt r a d i t i o n a ls t a t i s t i c a lt h e o r ym a yn o tw o r k w e l lf o r t h es i t u a t i o no f l i m i t e ds a m p l e s s t a t i s t i c a ll a m i n gt h e o r y ( s l t ) i s an e ws t a t i s t i c a lt h e o r yf r a m e w o r ke s t a b l i s h e df r o m 血i t cs a m p l e sb yd r v l a d i m i rn v a p n i k s l tp m v i d e sap o w e r f u lt h e o r yf u n d a m e n tt os o l v e m a c h i n el e a r n i n gp r o b l e mw i t hs m a l ls a m p l e s s u p p o r tv e c t o rm a c h i n e ( s v m ) i san o v e lp o w e r f u lm a c h i n el e a r n i n gm e t h o db a s e do ns l t s v m s o l v e sp r a c t i c a lp r o b l e m ss u c ha sl a r g es a m p l e s ，n o n l i n e a r i t y , o v e rl e a r n i n g , h i g hd i m e n s i o na n dl o c a lm i n i m a , w h i c he x i s ti nm o s to fl e a r n i n gm e t h o d s ， a n dh a sh i g hg e n e r a l i z a t i o n i nt h i sp a p e r , t h ec o r r e l a t i v es t a t i s t i c a ll e a r n i n g t h e o r ya n ds u p p o r tv e c t o rm e t h o d sa r ed i s s e r t a t e d t h e nu s es v mm e t h o dt o d i s t i n g u i s hb e t w e e nm a g n e t i ci n r u s ha n di n t e r n a lf a u l tc u r r e n t s c o m p a r i s o n t h ei d e n t i f i e dr e s u l tw i t ht h ee f f e c tb y2 ”h a r m o n i cp r i n c i p l es h o w st h e e f f i c i e n c yo fs v m k e yw o r d s ：t r a n s f o r m e r , m a g n e t i ci n r u s h ；i n t e r n a l f a u l tc u r r e n t ；s u p p o r t v e c t o rm a c h i n e 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究 工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的 个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法 律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 用电磁暂态仿真软件e m t d c 建立系统仿真模型对变压器励磁涌流 和内部故障进行全面仿真； 2 用支持向量机进行励磁涌流的识别。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 引言 第1 章绪论 随着我国国民经济的快速发展和人民群众物质文化生活的不断提高，电力 用户对电能的需求越来越大，对供电质量的要求也越来越高。如何保证供电质 量，如何保证电力系统运行的安全性、可靠性是电力部门的核心问题。电力系 统继电保护是用来保护电网及其设备的一门综合性学科，而电力系统的快速发 展对电力系统继电保护不断提出新的要求，这使得电力系统继电保护总是充满 生机和活力，一直处于蓬勃发展之中。电力系统继电保护特别注重理论与实践 并重，与基础理论、新理论、新技术的发展紧密联系在一起，同时也与电力系 统的运行和发展息息相关，电力系统自身的发展是促进继电保护发展的内因， 是继电保护发展的源泉和动力，而相关新理论、新技术、新材料的发展是促进 继电保护发展的外因，是电力系统继电保护发展的客观条件和技术基础【l 】。 1 2 课题的背景与意义 电力变压器是电力系统中使用相当普遍和十分重要的电气设备，电力系统 由发电、输电、变电和用电四个环节组成，其中变电这一环节就是由变压器完 成的。变压器的运行状态直接影响着供电的可靠性，变压器的损坏轻则意味着 与之相连的输电线路无法正常工作，造成区域性停电，重则有可能使整个变电 站断电，影响系统功率平衡，造成系统失稳或解列，引起大面积停电。因此变 压器的运行安全与否，直接关系到整个电力系统能否正常、稳定地工作【2 】。同 时，变压器本身造价昂贵，若因故障而遭到破坏，经济上的损失也很大。 近十多年来，随着超高压电力系统的发展，大容量的变压器大量投入电网。 2 2 0 k v 变压器由1 9 9 0 年的1 3 0 2 台发展到2 0 0 2 年的3 2 6 9 台，增加了将近两倍； 3 3 0 k v 变压器由由1 9 9 0 年的3 4 台发展到2 0 0 2 年的1 2 2 台，增加了三倍；5 0 0 k v 变压器由由1 9 9 0 年的6 6 台发展到2 0 0 2 年的2 9 5 台，增加了三倍多；可见， 随着电力系统总装机容量的增加，超高压大型电力变压器台数增加尤其明显。 预计我国2 0 2 0 年电网的总装机容量将达到9 亿k w ，其中西电东送达l 亿k w ， 全国互联已是必然趋势，将会有更多的超高压大型电力变压器投入系统运行， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 因此，对电网安全稳定运行的要求也更高。然而大型电力变压器保护的正确率 一直很低，1 9 8 1 年以来每年2 2 0 k v 及以上变压器保护运行情况如下表所示【3 l 。 表1 - 18 0 年代2 2 0 k v 及以上变压器保护正确动作率统计 总动作 不正确动作次数 年份次数正确动作次数 误动拒动 正确动作率 1 9 8 11 0 26 63 6o6 4 7 1 1 9 8 21 3 68 45 206 1 7 6 1 9 8 31 2 17 73 956 3 6 4 1 9 8 41 4 58 35 575 7 2 4 1 9 8 51 6 61 2 34 03 7 4 1 0 1 9 8 61 8 81 2 75 56 7 3 5 3 1 9 8 71 9 5 1 2 16 7 7 6 2 9 0 1 9 8 81 7 3 9 87 326 6 5 l 1 9 8 9 2 1 21 2 97 766 6 9 9 总计 1 4 3 89 0 84 9 43 66 3 1 4 表l - 29 0 年代2 2 0k v 及以上变压器保护正确动作率统计 总动作不正确动作次数 年份正确动作次数正确动作率 次数 误动拒动 1 9 9 0 2 2 71 5 96 357 0 0 0 1 9 9 12 3 11 7 06 107 3 6 0 1 9 9 2 2 5 51 7 08 246 6 7 0 1 9 9 32 7 31 8 88 106 8 9 0 1 9 9 42 8 12 0 08 137 1 2 0 1 9 9 53 2 02 2 29 5 26 9 4 0 1 9 9 63 0 62 2 57 9 17 3 5 3 1 9 9 72 1 31 3 47 886 2 9 0 1 9 9 82 1 81 4 56 516 6 5 1 1 9 9 92 0 61 3 86 716 6 9 9 2 0 0 02 0 11 5 14 9 l 7 5 1 2 2 0 0 12 5 22 0 84 3l8 2 5 4 2 0 0 22 1 41 6 05 3 l 7 4 7 7 总计 3 1 9 7 2 2 7 08 9 72 7 7 1 0 0 由上述统计结果可以看出，在过去的二十多年里，与电力系统的规模不断 扩大，大容量，超高压的大型电力变压器不断投产相比，变压器保护的发展却 相对滞后，保护技术虽然有一定的提高，但提高的速度太慢，拒动情况多有发 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 生，误动情况尤其严重。变压器保护不正确动作的原因是多方面的，有运行和 维护管理方面的责任，有制造部门的责任，有设计部门、基建部门的责任等等。 其中运行维护管理方面的责任造成变压器保护不正确动作的比例达到4 8 6 5 ， 其次是制造部门责任和原因不明的责任，分别达到2 0 6 7 和1 2 0 7 吲。由此 可见，一方面变压器由于工作原理复杂，给运行维护带来了困难，另一方面， 保护本身还存在着缺陷，新型的保护方案有待进一步研究。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薪理 论、新技术，才能促进变压器保护的发展，为电力系统的安全运行提供基本保 障。 1 3 国内外研究现状 长期以来，差动保护被公认为电力变压器最完善的主保护。在电力系统中 得到了广泛应用，它通过比较已折算到变压器同一基准值的两侧电流向量的相 位及幅值来判别是否发生故障。长期的运行经验表明，差动保护能很好地区别 区内和区外故障。但是，当变压器空载合闸或外部故障切除后电压恢复时，在 变压器一侧可能产生峰值很大、波形严重畸变的励磁涌流，其特征与内部故障 时非常相似。励磁涌流的出现，干扰了差动保护的正确动作。因此，电力变压 器保护研究的主要问题集中在鉴别励磁涌流和内部故障电流上。 1 3 1 励磁涌流识别的现状 近十几年来，国内外学者提出了许多识别变压器内部短路电流和励磁涌流 的新原理和新方法。总结前人的工作，按照判别励磁涌流所用信号特征，将其 分为以下四类： ( 1 ) 波形特征识别法 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来 区分是内部故障还是励磁涌流。利用波形特征识别励磁涌流最早主要有两种， 一种是广为大家熟悉的间断角原理【4 】；另一种是由文献 5 】提到的差动电流峰一 峰间距判别法。峰峰间距判别法十分类似于间断角原理，是用两个相继峰值 之间的时间差来区分内部故障和励磁涌流，即判断两个相邻的正、负峰值之间 的时间间隔，当超过或小于某一范围时，就认为是励磁涌流。h k v e r m a 和 a m b a s h a 提出在下列情况下判为励磁涌流：零电流时间持续1 4 周波以上： 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 检查连续的两个正、负峰值之间的时间超过2 7 点或低于2 2 点( 一周波采样 4 8 点) ；去掉直流分量后，两个连续的正、负峰值之差仍大于2 5 ；在半 波内发现两个同极性的峰值。但是峰一峰间距判别法存在着如何捕捉暂态过程 中的峰值问题，如果直接用采样值来捕捉暂态过程中的峰值，则必然需要很高 的采样率；而间断角原理是利用涌流间断角的大小来区分内部故障电流和励磁 涌流的，间断角原理中间断角的大小，实际上也是一个时间量。因此两者本质 是相通的。但间断角原理对涌流的具体波形和幅值是不敏感的。理论分析和实 践证明间断角原理比峰一峰间距判别法来讲，本身是较为完善可靠的。但在用 间断角原理来实现微机变压器保护时可能会遇到一些问题。如多大的采样率才 能准确地进行间断角大小的判别? 多小的电流可以认为己进入“间断”范围? 分析表明为准确地进行间断角大小的判断，需要较高的采样率，这样留给微机 的故障处理时问就极其有限。同时，为提高灵敏度，可能需要分辨率更高的1 6 位a d 。此时，硬件的复杂性和成本都将提高。 通过以上分析可以看出，在利用波形特征识别法实现微机变压器差动保护 时，差动电流峰一峰间距判别法和间断角原理面临着计算方法和实现手段两方 面的问题。差流峰一峰间距判别法，在原理上仍有缺陷，需要进一步作深入的 研究。间断角原理在实现过程中的主要问题在于实现手段上，在采用高性能的 主机和高精度a d 时才值得采用。 近些年来，通过分析励磁涌流和短路电流的波形特征，得出了很多种相关 的识别方法，如波形对称原理识别方法 6 h s l 、波形相关法1 9 1 、波形拟合法1 0 】、 相移比较鉴别法【l l 】、自相关函数波形相似原理 1 刁和波形比较澍1 3 1 等，它们都 直接或间接地利用了励磁涌流具有间断角这个特征进行涌流和故障的鉴别。 ( 2 ) 谐波含量识别法 通过电流或电压中谐波含量的多少来区分内部故障和励磁涌流。谐波含量 识别法大体可以分为两种，一是利用二次谐波电流鉴别励磁涌流的方法；二是 通过分析变压器端电压中的谐波分量丽形成的电压制动式保护。 ( a ) - - 次谐波电流鉴别涌流的方法 励磁涌流中含有较大的二次谐波分量，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。当出现励磁涌流时应有 l 2 k i a l ( 1 - 1 ) 式中，。和l ：分别为差动电流中基波和二次谐波电流有效值；k 是二次谐 波制动比，可调整。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 目前国内外投运的微机变压器保护基本上都是采用该原理来实现的。二次 谐波制动比常取1 5 1 7 。但是，随着电网电压等级的提高和规模的扩大以及 变压器单台容量豹增大，大型变压器内部严重故障时，由于谐振使短路电流中 二次谐波制动的差动保护延时动作。特别是对变压器端部接长线的情况更是如 此。文献 1 4 】也通过实验分析发现，在与超高压长距离输电线路相联系的变压 器发生内部故障时，由于分布电容的影响会增大变压器内部故障电流中二次谐 波分量成分，导致二次谐波判据的保护延时动作或拒动，为了解决这个问题， 提出了增加差动电流速断保护功能和低电压解除二次谐波闭锁功能。文献 1 5 】 研究了电流互感器饱和时，三绕组变压器内、外部故障时保护的动作行为。提 出可以利用外部故障时先出现制动电流，由于c t 饱和之后才出现差动电流的 特点来防止保护误动作：在变压器内部故障时，c t 饱和会增大差动电流中的 二、五次谐波分量电流，为防止保护延时动作或拒动，可以加入差动电流速断 功能和采用差动电流间断角判别功能。因此，有必要在二次谐波制动判据的基 础上找到有效的加速判据。目前提出的加速判据中典型的有低电压加速【1 4 】和大 电流加速判据【l6 】，这两种加速判据可以较为有效地克服内部故障的误闭锁问 题。 值得指出的是以上加速判据仅在内部严重故障提出的，1 5 1 7 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【1 ”。 但现代变压器的饱和磁通倍数经常在1 2 到1 3 甚至低至1 1 5 ，在此情况下涌 流的最小二次谐波含量有可能低至1 0 以下。因此有必要继续对二次谐波涌流 判据进行更深入的研究。 ( b ) 谐波电压鉴别励磁涌流的方法 文献 5 】提出了一种利用谐波电压鉴别励磁涌流的方法。其基本思想是，当 变压器因励磁涌流出现严重饱和时，端电压会发生严重畸变，其中包含较大的 谐波分量，可以用来鉴别励磁涌流。其原理简述如下： 如果变压器的三相电压满足 巧 或k 瓦 ( 1 - 2 ) 时，判为励磁涌流，保护闭锁。 式中k 是变压器端电压的基波分量幅值； 和瓦分别为门坎值； k 称为“m o n i t o r ”，是为克服在涌流时端电压畸变引起电压k 的下 降导致保护误动作。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 = 愿，r k = i 一圪l ( 1 - 3 ) t = l 其中k 是电压原始采样值，k 。是k 中基波分量计算采样值。据分析和试 验表明：在涌流情况下，虽然某些相别可能出现k 瓦 可靠制动。对于各种内部短路，一般总有巧 1 0 0 。当变压器 空投或区外故障切除，电压恢复正常的过程中，由于磁通不能突变，磁通中出 现了非周期性的暂态分量，与铁芯剩磁一起使变压器铁芯饱和，同时由于电压 是交变的，因而在一个周波内变压器铁芯周期性地进入饱和区和退出饱和区： 当进入饱和区时，励磁电流的瞬时值很大，可能达到变压器额定电流的5 1 0 倍甚至更大，而退出饱和区时，只有正常的励磁电流，其瞬时值很小，在涌流 的间断角区间，z 。则变得相当大，因此在励磁涌流时期，z 。的最大值与最小 值，可能相差几百倍甚至上千倍。通过检测这种剧烈变化就可以进行励磁涌流 的鉴别。 文献 2 0 】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 来鉴别变压器内外部故障的方法。原文作者在解析分析和实验观测的基础上得 到如下结论：铁芯线圈的漏抗近似相等，此时在变压器导纳型等值电路中， 各节点的互导纳几乎与变压器的铁芯饱和无关；铁芯未饱和时，各节点的对 地导纳几乎为零。当铁芯饱和时，对地导纳又与空心变压器的对地导纳几乎一 致，且是一不等于零的常数。与上述两个结论对应的有：内部匝问短路时， 故障绕组的对地导纳是该绕组短路匝数的一个非线性函数，且随内部故障匝数 的增大而变大。非故障绕组的导纳与故障匝数无关，仍为一接近于零的常数； 涌流时高压侧绕组的对地导纳和低压侧的对地导纳都大于零，而中压侧对地 导纳接近于零或略小于零；各绕组的互导纳与铁芯的磁通密度无关，也与内 部匝问短路数无关。这种算法的优点是快速，即使内部故障叠加涌流，一般可 以在半个周波内给出正确的判断结果，同时鉴别励磁涌流时，将不再用谐波判 别，而对内部故障却可以快速识别。但是它的不足之处在于：由于判据中要 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 用到各侧绕组的电流，对于接线来说，这些电流无法取得，因而对三相变压 器无法判别；需要的电气量较多，计算量较大。 通过以上分析可以发现，为满足电力系统不断发展的要求，近十多年来国 内外学者对变压器保护的原理从各方面进行了深入的研究和实验，提出了许多 不同的方案，其中大多数方案经动模实验证明具有较高的灵敏度和可靠性。而 原来已用于实际的一些方法随着电力系统的发展也面临着新的考验。为适应未 来电力系统的要求，在对以上原理和方案进一步分析和研究的基础上，尽快研 制新原理的微机变压器保护成为非常现实的要求。 1 3 2 变压器保护的智能化发展趋势 随着科学技术的发展，广泛的信息交流，为变压器保护新原理装置的开发 与研究开辟了更加广阔的天地。计算机技术的发展和应用给保护提供了功能更 强大的平台，使许多以前受硬件限制的保护原理也得到了广泛的应用，大大的 提高了变压器保护的整体性能。同时各种新型的数学理论也被用于变压器保 护。从8 0 年代至今，不少学者把模糊理论、人工神经网络、自适应理论、专 家系统等技术引入到电力系统中，为电力系统继电保护的发展开辟了新的方 向。 ( 1 ) 模糊理论在变压器保护中的应用 经典数学的突出特点是其精确性，在此基础上建立的逻辑推理就是我们在 继电保护中判别故障常用的推理形式，然而，在继电保护领域和其它学科中， 还客观存在着另一类不便于用精确值来表征的现象即模糊现象，这一类现象必 须用模糊数学的理论来进行计算和分析。模糊数学并不是要将数学变成模模糊 糊的东西，而是要将数学引入模糊现象这个领域，用严格的数学方法研究和处 理模糊现象。模糊数学的核心思想就是要用数学手段，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。 以继电保护为例，应用了模糊数学后，并不是要使输出的跳闸命令变得含 含糊糊，而是要利用模糊数学的理论和方法，对输入的各电气量、开关量等信 息更有效地进行综合决策，从而得出更加精确和符合实际情况的输出。 将模糊数学引入变压器差动保护的研究中【2 i 2 2 1 ，其基本思想都是将多个 输入量及相关保护判据给予不同置信度，然后通过模糊推理得到最终的跳闸决 策。例如对变压器励磁涌流的识别，文献c 2 1 可以将差动电流的二次谐波含量， 变压器端电压水平，差流波形对称性等几种常用判据根据实际情况分别置于不 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 同的置信度，然后综合判别，从而提高涌流识别的可靠性。 ( 2 ) 人工神经网络在变压器保护中的应用 人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，a n n ) 是目前继电保护领域中研究 较活跃的方向之一。人工神经网络是由众多神经元广泛互联而成的网络，信息 存储体现在神经元之间的连接权上，存储区与操作区合二为一，a n n 具高度 并行计算能力以及极强的自适应性、鲁棒性和容错性。利用a n n 的并行计算 能力，可以实时实现常规保护难以作到的最优算法；利用a n n 的并行处理和 近似推理，可以实现对电力系统运行方式和故障类型的准确诊断和识别；而 a n n 的高度容错能力可以使继电保护具有更高的可靠性。 文献 2 3 提出了一种基于a n n 的通用自适应保护和控制方案，其中三个 a n n 分别用于故障类别和方向判断、故障定位和重合闸。文献【2 3 】是较早提出 用人工神经网络来实现变压器保护的文章之一，该文采用b p 型前馈神经网络 作为一个涌流鉴别模块，通过对电流波形的识别来区分励磁涌流和内部故障电 流。涌流的训练样本是在实验室的小型变压器上随机投切来产生的，故障样本 由软件仿真产生。文中还讨论了不同的人工神经网络对输出的影响，但未提及 某些较复杂的情况，如短路与涌流同时存在的情况，文献【2 4 】详细介绍了将人 工神经网络用于单相变压器差动保护的实现过程。该神经网络是一多层感知器 m l p ( m a c h i n el a n g u a g ep r o g r a m ) ，用来作为分类工具区分故障类型。该文说 明了用人工神经网络实现变压器保护所面临的3 个难题：( a ) 确定训练样本的数 量：( b ) 确定神经网络的层数；( c ) 确定神经网络输入向量的维数。文献 2 5 】从实 用的角度论证了人工神经网络已达到能应用到变压器保护的阶段。文章指出， 由于神经网络具有自适应学习能力，从而使得整个保护的阀值可调整。同时， 在变压器保护中使用人工神经网络可以快速检测出内部故障，而不需要制动判 据反复整定。对电流互感器的要求低，对外部故障及涌流具有较好的稳定性。 文章还阐述了基于人工神经网络的保护装置易于调节、安装和操作，并指出神 经网络的学习过程的难点在于获得一个对各因素考虑较全面的规格合理的知 识库。以上这些应用都是直接建立在保护的基本输入信号与保护动作的输入结 果之间的非线性映射关系。作者认为这种映射在反映继电保护专业知识的能力 上有很大不足，如果能建立在对不同状态的各种判据的非线性映射的基础上将 可能进一步改进应用的效果。 ( 3 ) 自适应技术在变压器保护中的应用 自适应继电保护是一种根据电力系统运行方式和故障状态的变化而实时 改变保护性能、特性或整定值的保护1 2 6 j 。电力系统在运行过程中，其状态、参 西南交通大学硕士研究生学位论文第”页 数及网络结构会随着运行方式的改变而变化。传统的继电保护为了达到这个要 求，往往采用抬高整定值、增加闭锁判据等措施，另外也有限地使用了一些自 适应原理，例如反时限原理的过流、加热、过激磁等保护方案，有比例制动特 性的差动保护判据等等。 八十年代以来，随着微机继电保护的应用和发展，计算机的高速计算、逻 辑判断能力，强大的数据记忆功能，为自适应原理在继电保护中的应用创造了 良好的条件。在变压器保护中，已经有自适应二次谐波电压定子接地保护【2 ”、 自适应原理的零序差动保护郾】等多种自适应原理的保护方案得到应用。 由于自适应保护在不改变保护原理的同时大大提高了保护的灵敏度和准 确性，突破了常规保护的限制，并且往往可以减少整定值的数量，降低整定难 度，因此，在多年的研究和运行中，取得了长足的发展。随着继电保护的发展 和相关技术的进步，自适应保护将会拥有更加广阔的前景。 ( 4 ) 小波分析理论在变压器保护中的应用 小波分析是八十年代后期才真正兴起的一种新型时频变换理论，它与传统 的傅立叶变换最大的不同在于给待处理信号加上了一个自适应时频窗口，根据 信号频率高低自动调整窗口的大小，以确保捕捉到信号中希望获得的有用信 息。同时小波变换非常适合分析信号的突变过程，又较传统的微分算子具有更 为优越的抗干扰能力，因此，是一种检测突发性故障的良好工具【2 9 3 0 】。 由于变压器铁芯的高度非线性特征，导致励磁涌流波形出现明显的突变特 征，利用二进小波变换可以有效地检测这个突变，可以获得优良的差动保护动 作性能。文献【2 9 】提出了一种识别变压器励磁涌流的方法，通过小波变换以后 的多尺度比较和计算可以得到代表变压器涌流的显著判据特征，这个方法可以 在小于5m s 的时间内判定出励磁涌流。文献 3 0 】利用小波理论进行涌流特征提 取，通过小波变换的模局部极大值的特性提取励磁涌流的间断角特征，在此基 础上定性地区分励磁涌流和内部故障电流。先对输入的c t 二次电流波形进行 小波变换，如果存在相邻模极大值同号的现象，则此时为对称性涌流，将该相 闭锁：如果没有相邻模极大值同号的现象，则把输入电流差分再次进行小波变 换，如果存在相邻模极大值同号的现象，则此时输入的是非对称性涌流，将该 相闭锁。 小波分析在故障检测和微机保护中获得较好的应用效果，还需在提高实时 性和可靠性方面做进一步的工作。 另外，专家系统是人工智能领域中的一个重要分支，在各学科中得到广泛 应用，继电保护也不例外，但由于继电保护对实时性的严格要求，限制了其应 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 用范围。 智能技术发展迅速，分支众多，除了模糊逻辑、人工神经网络、专家系统 等技术被众多人应用于继电保护外，也有人尝试将混沌、分形 3 l3 2 1 等技术应用 于继电保护中，还有将具有不同特性的智能技术结合起来应用于继电保护中， 例如：模糊神经网络【3 3 】、小波神经网络嗍、模糊专家系统。总之，人工智能技 术在继电保护领域的研究越来越普遍，理论也越来越成熟，将人工智能方法与 微机保护适当结合可以提高保护的动作速度以及动作的可靠性，使保护的性能 得到的提高。 1 4 本论文的主要工作 在大量阅读了有关变压器差动保护文献的基础之上，针对现有传统的差动 保护所而临的问题，尤其是大容量变压器励磁涌流和内部故障电流的特点差别 较小而导致保护延时动作甚至误动这一问题，运用新的数据挖掘方法支持 向量机理论，采用多个特征量进行励磁涌流和内部故障的识别。论文的主要工 作如下： ( 1 ) 介绍电磁暂态仿真软件e m t d c ，分析变压器和电流互感器的建模原理； ( 2 ) 利用p s c a d ( p o w e rs y s t e mc a d ) 对变压器的励磁涌流及内部短路故障 进行仿真，并对励磁涌流和内部故障电流提取二次谐波含量和间断角； ( 3 ) 支持向量机是在统计学习理论基础上发展起来的一种新型机器学习方 法，在第四章中对统计学习基础理论及支持向量机理论作了介绍： ( 4 ) 利用支持向量机的多特征的综合分类能力建立励磁涌流和内部故障电 流的识别方法。将其结果与传统二次谐波制动方法对比，得出支持向量 机识别励磁涌流有很高的识别率。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 第2 章电磁暂态仿真软件p s c a d e m t d c 2 1 引言 变压器纵差保护方案的正确选择和定值的正确整定，从某种意义上来说， 依赖于充分掌握变压器励磁涌流和内部故障电流的特征。由于大型变压器的造 价昂贵且连续运行的特点，不可能拿来做实验对象，若依靠动模试验，虽然可 以获得励磁涌流的资料，但在动模试验中很难充分考核在变压器空载合闸时影 响励磁涌流大小的各种因素，如变压器剩磁大小和方向、合闸初相角等。而且 动模试验成本非常高，现在很多研究单位还没有动模试验的设备。用数字计算 机来进行的数字仿真具有方便改变网络结构、系统参数和系统工况，造价低廉， 试验费用低等优点，因此对变压器的励磁涌流和内部故障电流进行数字仿真具 有重要的意义。 目前常用的一些仿真分析软件有n e t o m a c ，e m t p ，m a t l a b 等，但这 些都无法直接建立电源一变压器一互感器的系统电路模型。如果通过系统建模 来仿真，需要考虑的参数非常多，而有的参数也只能通过估计，所以也不是非 常准确，而且程序运行的时间一般比较长。e m t d c 是目前世界上被广泛使用 的一种电力系统仿真分析软件，该软件能结合某一具体的变压器差动保护建立 电源一变压器一互感器的系统仿真模型，可以较系统地仿真和分析变压器暂态 过程。 2 。2 电磁暂态仿真软件p s c a d e m t d c 简介 p s c a d e m t d c 3 5 是由加拿大m a n i t o b a 大学高压直流输电研究中心推 出的大型电磁暂态仿真软件。1 9 7 5 年，为了研究高压直流输电系统，d e n n i s w o o d f o r d 博士在加拿大曼尼托巴水电局开发完成了e m t d c 的第一版，随后在 曼尼托巴大学( u n i v e r s i t yo f m a n i t o b a ) t ! j j 建高压直流输电研究中心。多年来，在 其领导下的直流输电研究中心不断完善e m t d c 的元件模型库和功能，使之发 展成为既可以研究交直流输电系统问题，又能够完成电力电子仿真以及非线性 控制的多功能工具。该软件具有精确的直流元件模型、方便的数据输入方式以 及强大的数据分析功能，是进行直流系统分析和工程研究的有力工具。特别是 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 其图形界面p s c a d 的开发成功，使得用户能更方便地使用e m t d c 以进行电 力系统仿真计算，而且该软件可以作为实时数字仿真器的前置端。现在新版的 p s c a d e m t d c 不但有工作站版，而且有微机版( p c 版) ，已经被世界各国的 科研机构、学校和电气工程师所广泛使用。 图2 - 1e m t d