CN102269785A - 在线铁磁共振检测的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及高电压电分配网络中的在线铁磁共振检测的方法和系统。所述方法包括:超通量检测(23),其作为开始要素,如果在规定的时间段内通量大于阈值,则设置超通量,模式验证(26),用于识别所述铁磁共振的模式,使用模糊逻辑方法区分所述铁磁共振模式。
Description
技术领域
本发明涉及在线铁磁共振检测的方法和系统,特别是电力变压器的在线铁磁共振检测的方法和系统。
背景技术
铁磁共振是在存在不稳定高电压时发生的一种现象,通常在三相电系统中发生,并且仅在特定条件下发生。
铁磁共振对于变压器馈线或者存在双架空线部分的网状拐角(meshcorner)和T形连接构造是尤其危险的现象。
确实,当将变压器馈线与电力系统的剩余部分断开时,由于被隔离系统的电容接地的放电,变压器被驱动为饱和。然后会在反应部件之间发生铁磁共振,所述铁磁共振由从保留在负载上的并行线的耦合电容传输的能量维持。在存在铁磁共振时,再激励(re-energized)的变压器能够引起严重的操作过电压。因此铁磁共振检测和警报设备是必需的。
铁磁共振是复杂的非线性电共振现象,由与系统电容耦合的变压器的饱和电感产生。对于电力系统中的大范围情形都会发生的该现象,由于其带来的过电压、过电流以及谐波的异常率,对于电力系统很危险,会导致介电和热损坏、绝缘体的性能和寿命降低、设备故障(例如保护设备的不时跳闸)、电子设备的提前老化,甚至整个系统的崩溃。
铁磁共振的主要特点在于其对系统参数和初始条件高度敏感,这使得很难预测。
根据铁磁共振电压的形状和频率,存在铁磁共振的四种不同模式,所述模式是基波模式、分谐波模式、拟周期模式和混乱模式。在电力系统中,基波模式和分谐波模式比其它两种模式更频繁。
传统的UK实践已经适合铁磁共振检测,其通过在铁磁共振开始时通过打开终端断路器的操作自动初始化变压器与去激励线路的隔离:在去激励时,如果三相电压中的两相维持高电压,则将发出警报。
说明书的结尾处的参考文献[1]描述了由Reyrolle公司制造的保护继电器(XR 309)。在特大功率系统中,在直接连接的变压器去激励之后会出现铁磁共振。可以通过来自激励的并联电路的电感维持铁磁共振。在铁磁共振状态下再激励变压器能够引起严重的操作过电压的风险,因此在存在这样的铁磁共振风险的情况下,警报继电器是必需的。因此,在系统激励或者去激励时,继电器XR309按照如下方式检测铁磁共振:
-在系统去激励时,次级电压下降到低于复位电平,并且三个元件急下降(drop off)。在发生铁磁共振的情况下,三个元件中的两个元件将保持激励。
-如果在去激励系统上感应铁磁共振,则继电器仅在铁磁共振的幅度高于40VAC的继电器元件吸合(pick-up)电平时才做出响应。
-连线继电器触点以初始化定时器,该定时器将顺次初始化警报。
该现有技术方法不能覆盖所有的铁磁共振情形:例如电轨道电路中仅一个相位高电压的情况。该继电器的另一缺点在于其不是数字的而是模拟的。因而,其不能被结合到新的保护继电器中。
本发明涉及铁磁共振的检测以及所述铁磁共振的模式的确定,特别是在电压器馈线连接条件下,或者诸如存在双电路架空线部分的网状拐角和电路T形连接的等同条件下。
本发明的目的在于获得铁磁共振的精确检测和模式识别,集中于其最明显的特征及其谱性能,其最明显的特征为变压器铁心饱和。
发明内容
本发明涉及一种高电压电分配网络中的在线铁磁共振检测的方法,其特征在于所述方法包括:
-超通量(overflux)检测,其作为开始要素(start element),如果在规定的时间段内通量大于阈值,则设置超通量,
-模式验证,用于识别所述铁磁共振的模式,使用模糊逻辑方法区分所述铁磁共振模式。
有利的是,本发明方法是用于电力变压器馈线条件的铁磁共振检测方法。
有利的是,在所述方法中,对于铁磁共振检测来说,根据去除DC分量的电压的积分得到所述通量,然后将所述通量与自适应阈值进行比较以确定是否存在超通量。
有利的是,在检测到超通量时计算许多频率分量,然后存储所述频率分量的许多(例如20)最新值,通过对每一个频率分量的标准偏差的和与每一个频率分量的期望值的和进行比较首先确定稳定状态或不稳定状态。如果所述状态不稳定并且持续规定的时间段,则验证混乱模式,并且如果所述状态稳定,则应用模糊逻辑区分所述铁磁共振模式。
有利的是,所述频率分量是:1/5分谐波分量、1/3分谐波分量、1/2分谐波分量、基波分量和三次谐波分量。
有利的是,所述模糊逻辑使用自定义的“大”成员函数,通过所述函数对相同情况下的每一个分量的值进行模糊,规则如下:
-如果C1很大并且C3也很大,则其是基波模式;
-如果C1很大并且C3不大,则其是正常状态;
-如果C1不大并且C1/2很大,则其是1/2分谐波模式;
-如果C1不大并且C1/3很大,则其是1/3分谐波模式;
-如果C1不大并且C1/5很大,则其是1/5分谐波模式;
C1、C3分别是基波和三次谐波的分量,C1/2、C1/3、C1/5分别是1/2、1/3、1/5分谐波的分量,其中所述“不大”的值等于“1-很大”,其中通过“最小”算子计算所述规则的前项(antecedent)。通过以具有最高前项的所述规则的相应模式实现去模糊作为结果;如果多余一个的规则具有最高前项,则所述结果是混乱模式。
有利的是,如果模式发生多于所述最新值中的15个,则验证所述模式。
有利的是,始终监控所述通量,并且如果三相通量中的两个下降到低于阈值,则认为所述变压器馈线被去激励。在这样的情形下,用于超通量和模式验证的所述阈值减半。
有利的是,所述方法包括下列步骤:
·采样电压,并且
-在第一方式中:
·通量计算,
·阈值调节,
·超通量检测,
·超通量警报,
-在第二方式中:
·分量计算,
·模式验证,
然后:
-计数,
-报告。
本发明还涉及一种用于高电压电分配网络中的在线铁磁共振检测的系统,其特征在于所述系统包括:
-超通量检测装置,其作为开始要素,如果在规定的时间段内通量大于阈值,则设置超通量,
-模式验证装置,用于识别所述铁磁共振的模式,其包括用于区分所述铁磁共振模式的模糊逻辑装置。
有利的是,所述系统包括用于根据去除DC分量的电压的积分得到所述通量的装置,以及用于将所述通量与自适应阈值进行比较以确定是否存在超通量的装置。
有利的是,所述系统包括用于在检测到超通量时计算许多频率分量的装置,以及用于存储许多(例如20)最新值的装置,通过对每一个频率分量的标准偏差的和与每一个频率分量的期望值的和进行比较首先确定稳定状态或不稳定状态。如果所述状态不稳定并且持续规定的时间段,则验证混乱模式,并且如果所述状态稳定,则应用模糊逻辑区分所述铁磁共振模式。
有利的是,所述频率分量是:1/5分谐波分量、1/3分谐波分量、1/2分谐波分量、基波分量和三次谐波分量。
有利的是,所述模糊逻辑使用自定义的“大”成员函数,通过所述函数对相同情况下的每一个分量的值进行模糊,规则如下:
-如果C1很大并且C3也很大,则其是基波模式;
-如果C1很大并且C3不大,则其是正常状态;
-如果C1不大并且C1/2很大,则其是1/2分谐波模式;
-如果C1不大并且C1/3很大,则其是1/3分谐波模式;
-如果C1不大并且C1/5很大,则其是1/5分谐波模式;
C1、C3分别是基波和三次谐波的分量,C1/2、C1/3、C1/5分别是1/2、1/3、1/5分谐波的分量,其中所述“不大”的值等于“1-很大”。通过“最小”算子计算所述规则的前项。通过以具有最高前项的所述规则的相应模式实现去模糊作为结果;如果多余一个的规则具有最高前项,则所述结果是混乱模式。
有利的是,如果模式发生多于所述最新值中的15个,则验证所述模式。
有利的是,始终监控所述通量,其中如果三相通量中的两个下降到低于阈值,则认为所述变压器馈线被去激励。在这样的情形下,用于超通量和模式验证的所述阈值减半。
有利的是,所述系统依次包括:
-接收电压输入的滤波器,
-A/D转换器,
-数据存储器,
-处理器,
-放大器,
-警报输出设备,用于输出警报输出。
并且还包括连接到所述处理器的用户接口。
本发明能够在线检测铁磁共振的发生,可应用于电力变压器。本发明使用超通量作为开始要素,其中使用模糊逻辑方法评估不同的特征频率分量以验证铁磁共振的发生同时确定其模式。基于超通量检测和模式验证的组合,本发明能够克服传统继电器算法的困难并且填充数字铁磁共振检测方法的空白。
有利的是,本发明能够结合到新的数字保护继电器中。其在覆盖特别是电力变压器上的铁磁共振的所有情况和模式方面更加敏感和精确。
附图说明
图1是本发明系统的方框图。
图2是“大”成员函数。
图3是本发明方法的组织图。
图4是模式验证的组织图。
具体实施方式
本发明方案以超通量检测和频率分量评估为基波。铁心电感的饱和是铁磁共振的前提。因此超通量是铁磁共振的优秀指示器。基于电压的150Hz、50Hz、25Hz、162/3Hz、10Hz分量,其中50Hz作为基波系统频率(或者基于电压的180Hz、60Hz、30Hz、20Hz和12Hz分量,其中60Hz作为基波系统频率),使用模糊逻辑方法确定铁磁共振的模式。如果在规定的时间段内通量保持为高,并且具有失真的电压波形,则假设已经发生了铁磁共振。
1)超通量检测
存在几种方式来检测超通量,例如检测V/f>Vn/fn(V:电压,f:频率)或者检测五次谐波。但是,由于波形的失真以及铁磁共振的分谐波模式,这样的方法在铁磁共振条件下不能用于超通量检测。本发明方案采取另一种方法,通过对电压的积分直接计算通量。
通量的初始值是未知的,通过下面的公式去除通量的DC分量:
Flux=flux-fluxDC (3)
该运算还能够避免流入电流对超通量的干扰。
可以通过下面公式获得通量的幅度:
当通量大于阈值(缺省值是1.2)时,认为是超通量。开始计算分量。如果这种情况持续规定的时间段,则发出一个超通量警报以初始化模式验证部分。
2)模式验证
存在几种铁磁共振模式:基波模式、分谐波模式、拟周期模式和混乱模式。模式验证确定铁磁共振的模式。通过DFT(离散傅里叶变换)计算基波频率、三次谐波、1/2分谐波、1/3分谐波和1/5分谐波分量。模式验证基于对这些频率分量的评估。
由于铁磁共振不可预测和可改变的特征,使用模糊逻辑确定模式。
利用所计算的每一个频率分量的最新20个值,形成具有下面形态的5*20矩阵:
分量/时间 | T0+Δt | T0+2Δt | …… | T0+20Δt |
基波 | C1(1) | C1(2) | …… | C1(20) |
三次谐波 | C3(1) | C3(2) | …… | C3(20) |
1/2分谐波 | C1/2(1) | C1/2(2) | …… | C1/2(20) |
1/3分谐波 | C1/3(1) | C1/3(2) | …… | C1/3(20) |
1/5分谐波 | C1/5(1) | C1/5(2) | …… | C1/5(20) |
对于每一行或者分量,计算期望值和标准偏差。如果五行的标准偏差之和除以五行的期望值之和大于预定阈值,则认为所考虑的状态是不稳定的预混乱状态。如果该不稳定的预混乱状态持续规定的时间段,则将其认为是混乱铁磁共振。否则,如果所考虑的状态是稳定的,则应用简单的模糊逻辑算法以获得模式信息。
通过如图2所示的“大”成员函数模糊每一个值。
下面是定义的一个这样的函数:
M是Cn的“很大”值,并且K1和K2是该函数的两个转折点。对于基波频率,不同的频率分量具有不同的K1和K2,K1可以是大致0.7~0.9,K2可以是1.2~1.4;三次谐波分量的相应K1可以是0.2~0.4,K2可以是0.3~0.5;1/2、1/3、1/5分谐波的相应K1、K2将是基波分量相应K1、K2的值的1/2、1/3、1/5。这是因为,在处于相同幅度时,通过积分,由1/2、1/3、1/5分谐波得到的分量将是由基波频率电压得到的分量的2、3、5倍。
对于不同的分量,这样的函数的参数是不同的。对于上面矩阵的每一列:
-如果C1很大并且C3也很大,则其是铁磁共振基波模式;
-如果C1很大并且C3不大,则其是正常状态;
-如果C1不大并且C1/2很大,则其是铁磁共振1/2分谐波模式;
-如果C1不大并且C1/3很大,则其是铁磁共振1/3分谐波模式;
-如果C1不大并且C1/5很大,则其是铁磁共振1/5分谐波模式;
“不大”的值等于“1-很大”。使用最小模糊算子获得前项。例如,如“C1很大”等于0.2,“C3很大”等于0.5,“C1/3很大”等于0.9,则第一个“如果-则”规则的前项是0.2,第二个规则是0.5,并且第三个规则是0.8。
进行这样的去模糊工作以将列设置为与最高前项相对应的模式;如果多于一个规则具有最高前项,则将列设置为混乱模式。
在20个列中,如果存在属于相同模式的多于15个列,则验证该模式。
3)自适应设置
根据幅度/功率条件,自适应阈值进行自我调节。如果两相的通量明显下降,则表明该条线正在被去激励。将超通量阈值调节到很小的值以增加灵敏度。
优选实施例的详细描述
本发明实现为如图1所示的采样和报警系统。本发明系统的方框图依次包括:
-接收电压输入的滤波器10,
-A/D转换器11,
-数据存储器12,
-处理器13,
-放大器14,
-输出警报输出的警报输出设备15。
还包括连接到处理器13的用户接口16。
基本上,本发明系统保持采样三相电压。而且该系统实时执行算法或者本发明的方法。在该实施例中,每半个功率周期执行该算法。该系统能够以精确到每个功率周期N点的速率进行采样(例如N=24)。将系统频率设置在50Hz或者60Hz。
该系统能够在每一个执行点处获取历史采样值。
该算法存在四个阶段:准备,空闲,开始和报警:
-准备阶段是首先使能输入以完全填充电压缓冲器时,
-空闲阶段是正常运行阶段,监控通量。
-开始阶段是检测到超通量时。
-报警阶段是验证铁磁模式并且发出警报时。
图3示出了本发明方法的整个过程。其包括下列步骤:
·采样电压20,并且
-在第一种方式中:
·通量计算21,
·阈值调节22,
·超通量检测23,
·超通量报警24,
-在第二种方式中:
·分量计算25,
·模式验证26
然后:
-计数27
-报告28。
1)超通量检测
为了最小化分谐波之间的相互作用,通量缓冲器利用与6个基波功率周期相对应的144点阵列。当5分谐波铁磁共振发生时,基于144个点计算的通量产生可接受的一些偏差。
实际上,通过离散形式计算通量flux(n)、其DC分量fluxDC以及幅度Mag:
flux(n)=flux(n-1)+u(n)Δt (5)
flux(n)=flux(n)-fluxDC (7)
为了简化计算,由等式(9)和(10)代替等式(5)和(8)。
flux(n)=flux(n-1)+u(n) (9)
其中,u(n)是标称电压,并且将flux的初始值设置为0。
其中,常数Kn用于归一化。
Kn=(1/Ncycle/Frequency/tB)^3/π=0.0057155766
当Ncycle=24并且系统频率是50Hz时,
tB是时间的基值,等于1/2π/Frequency。
当Magflux大于阈值时,算法进入开始阶段。
2)模式验证
一旦进入到开始阶段,本发明方法开始通过DFT计算基波频率、三次分谐波、1/2分谐波、1/3分谐波以及1/5分谐波的分量。
使用三个144点阵列存储用于计算5个频率分量的三个电压信号:基波分量、三次谐波分量、1/2分谐波分量、1/3分谐波分量、1/5分谐波分量。为了在通过DFT的计算中最小化不同频率分量的相互作用,以81/3Hz为基础计算150Hz、50Hz、25Hz和162/3Hz的分量,这需要6个基波周期的数据,即,144点。仅以与5个基波周期相对应的10Hz,即,120点,为基础计算1/5分谐波频率分量。由于1/3、1/2、1/5分谐波计算之间的相互作用不大同时铁磁共振消耗的带宽可接受,因此可以采取这种折中。
超通量警报开始模式验证。每10个功率周期执行模式验证。除非模式验证获得了正常结果,发出铁磁共振警报(FRD-警报)。如图4所示,模式验证包括下列步骤:
-通过超通量警报触发(30),
-获得5*20矩阵(31),
-计算每一行的偏差和期望值(32),
-验证是否和(偏差)/和(期望值)>值K(33),
1)如果“是”
-混乱定时器运行(34),
-验证是否混乱定时器完成(35),
a)如果“是”
将FRD-模式(铁磁共振模式)设置为混乱(34),
2)如果“否”
-检查每一列的模式情况(37),
-验证任一模式出现多于15种情况(38),
a)如果“否”,进行到标题为“混乱定时器运行”的先前步骤,
b)如果“是”
-将RFD-模式设置为搜索模式(39),
-复位混乱定时器(40),
然后
-验证RFD-模式是否正常(41),
a)如果否
-将状态设置到FRD-警报(42)。
3)自适应设置
始终监控通量。如果三相通量中的两相下降到低于阈值,则认为变压器馈线被去激励。在这样的情况下,用于超通量和模式验证的阈值减半。
参考文献
[1]“Ferroresonance alarm relay type XR 309”(Fact sheet,Reyrolleprotection,1996,Roll-Royce)
Claims (18)
1.一种高电压电分配网络中的在线铁磁共振检测方法,其特征在于所述方法包括:
-超通量检测(23),其作为开始要素,如果在规定的时间段内通量大于阈值,则设置超通量,
-模式验证(26),用于识别所述铁磁共振的模式,使用模糊逻辑方法区分所述铁磁共振模式。
2.根据权利要求1所述的方法,其中,所述方法是用于电力变压器铁磁共振的在线铁磁共振检测方法。
3.根据权利要求1所述的方法,其中,根据去除DC分量的电压的积分得到所述通量,然后将所述通量与自适应阈值进行比较以确定是否存在超通量。
4.根据权利要求1所述的方法,其中,在检测到超通量时计算许多频率分量,然后存储所述频率分量的许多最新值,通过对每一个频率分量的标准偏差的和与每一个频率分量的期望值的和进行比较首先确定稳定状态或不稳定状态,其中,如果所述状态不稳定并且持续规定的时间段,则验证混乱模式,并且其中如果所述状态稳定,则应用模糊逻辑区分所述铁磁共振模式。
5.根据权利要求4所述的方法,其中,所述频率分量是:1/5分量、1/3分量、1/2分谐波分量、基波分量和三次谐波分量。
6.根据权利要求4所述的方法,
其中,所述模糊逻辑使用大成员函数,通过所述函数对相同情况下的每一个分量的值进行模糊,规则如下:
-如果C1很大并且C3也很大,则其是基波模式;
-如果C1很大并且C3不大,则其是正常状态;
-如果C1不大并且C1/2很大,则其是1/2分谐波模式;
-如果C1不大并且C1/3很大,则其是1/3分谐波模式;
-如果C1不大并且C1/5很大,则其是1/5分谐波模式;
C1、C3分别是基波和三次谐波的分量,C1/2、C1/3、C1/5分别是1/2、1/3、1/5分谐波的分量,其中,所述“不大”的值等于“1-很大”,其中,通过“最小”算子计算所述规则的前项,其中,通过以具有最高前项的所述规则的相应模式实现去模糊作为结果;并且其中,如果多余一个的规则具有最高前项,则所述结果是混乱模式。
7.根据权利要求4所述的方法,其中,如果所述模式发生在多于所述最新值中的15个,则验证所述模式。
8.根据权利要求2所述的方法,其中,始终监控所述通量,其中,如果三相通量中的两个下降到低于阈值,则认为所述变压器馈线被去激励,并且其中,在这样的情形下,用于超通量和模式验证的所述阈值减半。
9.根据权利要求1所述的方法,包括下列步骤:
·采样电压(20),并且
-在第一方式中:
·通量计算(21),
·阈值调节(22),
·超通量检测(23),
·超通量警报(24),
-在第二方式中:
·分量计算(25),
·模式验证(26),
然后:
-计数(27),
-报告(28)。
10.一种用于高电压电分配网络中的在线铁磁共振检测的系统,其特征在于所述系统包括:
-超通量检测装置,其作为开始要素,如果在规定的时间段内通量大于阈值,则设置超通量,
-模式验证装置,用于识别所述铁磁共振的模式,其包括用于区分所述铁磁共振模式的模糊逻辑装置。
11.根据权利要求10所述的系统,其中,所述系统是用于电力变压器铁磁共振的在线铁磁共振检测系统。
12.根据权利要求10所述的系统,包括用于根据去除DC分量的电压的积分得到所述通量的装置,以及用于将所述通量与自适应阈值进行比较以确定是否存在超通量的装置。
13.根据权利要求10所述的系统,包括用于在检测到超通量时计算许多频率分量的装置,用于存储所述频率分量的许多最新值的装置,通过对每一个频率分量的标准偏差的和与每一个频率分量的期望值的和进行比较首先确定稳定状态或不稳定状态,其中,如果所述状态不稳定并且持续规定的时间段,则验证混乱模式,并且其中,如果所述状态稳定,则应用模糊逻辑以区分所述铁磁共振模式。
14.根据权利要求13所述的系统,其中,所述频率分量是:1/5分量、1/3分量、1/2分谐波分量、基波分量和三次谐波分量。
15.根据权利要求13所述的系统,
其中,所述模糊逻辑装置使用大成员函数,通过所述函数对相同情况下的每一个分量的值进行模糊,规则如下:
-如果C1很大并且C3也很大,则其是基波模式;
-如果C1很大并且C3不大,则其是正常状态;
-如果C1不大并且C1/2很大,则其是1/2分谐波模式;
-如果C1不大并且C1/3很大,则其是1/3分谐波模式;
-如果C1不大并且C1/5很大,则其是1/5分谐波模式;
C1、C3分别是基波和三次谐波的分量;C1/2、C1/3、C1/5分别是1/2、1/3、1/5分谐波的分量,其中,所述“不大”的值等于“1-很大”,其中,通过“最小”算子计算所述规则的前项,其中,通过以具有最高前项的所述规则的相应模式实现去模糊作为结果;并且其中,如果多余一个的规则具有最高前项,则所述结果是混乱模式。
16.根据权利要求13所述的系统,其中,如果所述模式发生在多于所述最新值中的15个,则验证所述模式。
17.根据权利要求11所述的系统,其中,始终监控所述通量,其中如果三相通量中的两个下降到低于阈值,则认为所述变压器馈线被去激励,并且其中,在这样的情形下,用于超通量和模式验证的所述阈值减半。
18.根据权利要求10所述的系统,依次包括:
-接收电压输入的滤波器(10),
-A/D转换器(11),
-数据存储器(12),
-处理器(13),
-放大器(14),
-输出警报输出的警报输出设备15。
并且还包括连接到所述处理器(13)的用户接口16。
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