CN103683198A - 一种基于差动电流相邻阶次差分构成的平面上相邻点距离的励磁涌流快速识别方法 - Google Patents

一种基于差动电流相邻阶次差分构成的平面上相邻点距离的励磁涌流快速识别方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于差动电流相邻阶次差分构成的平面上相邻点距离的励磁涌流快速识别方法，属于电力系统继电保护技术领域。当变压器发生内部故障或产生励磁涌流时，保护测量装置立即启动，测量单元测得变压器的三相差流，提取测量单元记录的三相差流数据，通过三相差流数据求取各相差流的一阶差分和二阶差分；分别以三相的二阶差分为横轴，以对应相的一阶差分为纵轴，构造三个平面；求取所构造的三个平面上所有相邻点距离的平方和，再求取三个平方和中的最大值dist2sum，然后求取dist2sum所对应相的相邻点距离平方的标准差与平均值；将所得的平均值与标准差进行积分得到Th1sum，通过比较dist2sum和Th1sum来进行变压器内部故障和励磁涌流的判别。

Description

一种基于差动电流相邻阶次差分构成的平面上相邻点距离的励磁涌流快速识别方法
技术领域
本发明涉及一种基于差动电流相邻阶次差分构成的平面上相邻点距离的励磁涌流快速识别方法，属于电力系统继电保护技术领域。
背景技术
目前变压器的主保护为利用电气量的纵联差动保护和非电气量的瓦斯保护。其中纵差保护利用变压器一次侧电流与二次侧电流的差作为差流，差流超过某个整定值，即判断为内部故障。变压器差动保护是建立在变压器稳态磁路平衡的基础上，在暂态过程中这种平衡关系可能被打破：在变压器空载合闸、过励磁或故障切除后电压恢复过程中等情况下，由磁路饱和产生的数值很大的励磁涌流会引起差动保护误动作。因而，变压器差动保护的难点就在于对涌流和内部故障的可靠、迅速识别，以确保保护正确动作。
围绕电力变压器励磁涌流的判别, 先后涌现出许多方法，包括二次谐波原理、间断角原理和波形对称原理等。二次谐波制动法是根据励磁涌流产生的二次谐波远大于内部故障情况的特点，计算差流中的二次谐波含量，若其值较大则判定为涌流。但是二次谐波制动法存在如下缺点：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，傅里叶级数法的周期延拓将导致错误的计算结果；现代变压器励磁特性的变化，使得发生涌流时二次谐波含量低，导致保护易误动。间断角原理利用了涌流波形有较大间断角的特征，通过检测差流间断角的大小实现鉴别涌流的目的，但是面临着因电流互感器传变引起的间断角变形问题，同时为了提高相角比较的正确性，必须提高采样率，并抑制A/D转换芯片在零点附近的转换误差。波形对称原理是利用差电流导数的前半波与后半波进行对称比较以区别励磁涌流和内部故障。该原理基于对励磁涌流导数波宽及间断角的分析，是间断角原理的推广。但是, 涌流波形与许多因素有关, 具有不确定性、多样性，波形对称的判定存在一定困难；在故障初瞬，故障电流并非标准正弦波, 实际系统中必须考虑故障情况的多样性和故障波形的复杂性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有的对变压器内部故障和励磁涌流辨识方法的不足，提出一种基于差动电流相邻阶次差分构成的平面上相邻点距离的励磁涌流和变压器内部故障快速判别方法。
本发明的技术方案是：一种基于差动电流相邻阶次差分构成的平面上相邻点距离的励磁涌流快速识别方法，当变压器发生内部故障或产生励磁涌流时，保护测量装置立即启动，测量单元测得变压器的三相差流，提取测量单元记录的三相差流数据，通过三相差流数据求取各相差流的一阶差分和二阶差分；分别以三相的二阶差分为横轴，以对应相的一阶差分为纵轴，构造三个平面；求取所构造的三个平面上所有相邻点距离的平方和，再求取三个平方和中的最大值dist2sum，然后求取dist2sum所对应相的相邻点距离平方的标准差与平均值；将所得的平均值与标准差进行积分得到Th1sum，通过比较dist2sum和Th1sum来进行变压器内部故障和励磁涌流的判别。
所述方法具体步骤为：
（1）当变压器发生内部故障或产生励磁涌流时，保护测量装置立即启动，通过测量单元检测并记录三相差流；
（2）提取变压器内部故障或励磁涌流发生后短时窗内的三相差流数据iA(n)、iB(n)、iC(n)，A、B、C为变压器三相的编号，n为离散信号第n个采样点；
（3）对提取的三相差流分别利用下式求取各相的一阶差分函数d[1]                                                
Figure 2013106358171100002DEST_PATH_IMAGE001
(n)、二阶差分函数d[2](n)：
d[1]
Figure 343205DEST_PATH_IMAGE001
(n)=i
Figure 455779DEST_PATH_IMAGE001
(n)-i
Figure 606138DEST_PATH_IMAGE001
(n-1)
d[2]
Figure 935488DEST_PATH_IMAGE001
(n)= d[1]
Figure 868809DEST_PATH_IMAGE001
(n)- d[1](n-1)
式中，n为离散信号第n个采样点；
Figure 419800DEST_PATH_IMAGE002
=A、B、C，为变压器三相的编号；
（4）分别以各相d[2]
Figure 908550DEST_PATH_IMAGE001
(n)为横轴，以同相的d[1]
Figure 973458DEST_PATH_IMAGE001
(n)为纵轴构造三个相邻阶次差分平面，求取各平面上相邻点距离的平方和dist2
Figure 559160DEST_PATH_IMAGE001
(n)2：
Figure 2013106358171100002DEST_PATH_IMAGE003
 
再通过下式，分别算出每相在所构平面上的各相邻点距离的平方和dist2
Figure 785742DEST_PATH_IMAGE001
,sum，并通过最大值函数得到三个平方和中的最大值，记为dist2sum：
Figure 591149DEST_PATH_IMAGE004
dist2sum =max(dist2A,sum，dist2B,sum，dist2C,sum)
式中，N为短时窗内的采样点数目；
（5）求取dist2sum所对应相的相邻点距离平方dist2
Figure 2013106358171100002DEST_PATH_IMAGE005
(n)的标准差σ
Figure 194169DEST_PATH_IMAGE005
,dist2(n) 和平均值μ
Figure 634378DEST_PATH_IMAGE005
,dist2(n)，利用标准差σ
Figure 235123DEST_PATH_IMAGE005
,dist2(n) 和平均值μ
Figure 760783DEST_PATH_IMAGE005
,dist2(n)通过计算得到Th1
Figure 660169DEST_PATH_IMAGE006
(n)：
Th1(n) =μ ,dist2(n)+2σ
Figure 942749DEST_PATH_IMAGE006
,dist2(n)
式中
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为选取的dist2sum所对应相的相序；
通过下面的求和公式，得到阈值Th1sum：
（6）根据下面的判据进行变压器内部故障和励磁涌流的判别：
若dist2sum≤Th1sum，则为变压器内部故障；
若dist2sum＞Th1sum，则为励磁涌流。
本发明的原理是：
一、一阶差分和二阶差分的求取
提取发生变压器内部故障或产生励磁涌流后10ms时窗内的三相差流数据iA(n)、iB(n)、iC(n)，A、B、C为变压器三相的编号，n为离散信号第n个采样点；
对提取的三相差流可以分别利用下式求取各相的一阶差分d[1]
Figure 302372DEST_PATH_IMAGE001
(n)、二阶差分d[2]
Figure 605439DEST_PATH_IMAGE001
(n)：
d[1]
Figure 43374DEST_PATH_IMAGE001
(n)=i(n)－i(n-1)                         (1)
d[2]
Figure 174644DEST_PATH_IMAGE001
(n)= d[1]
Figure 660727DEST_PATH_IMAGE001
(n)－d[1](n-1)                     (2)
式中
Figure 274428DEST_PATH_IMAGE002
=A、B、C，为变压器三相的编号。
二、相邻阶次差分平面上相邻点距离平方和计算及最大值求取
分别以各相d[2]
Figure 621095DEST_PATH_IMAGE001
(n)为横轴，以同相的d[1]
Figure 768043DEST_PATH_IMAGE001
(n)为纵轴构造三个相的相邻阶次差分平面，求取各平面上相邻点距离的平方dist2
Figure 858359DEST_PATH_IMAGE001
(n)2：
Figure DEST_PATH_IMAGE009
          (3)
对变压器发生内部故障或产生励磁涌流后10ms时窗内各相的dist2
Figure 603723DEST_PATH_IMAGE001
(n)按下式分别求取每一相所构平面上相邻点距离平方和：
Figure 58975DEST_PATH_IMAGE004
                         (4)
利用下式，选取dist2A,sum，dist2B,sum，dist2C,sum的最大值，并记为dist2sum：
dist2sum =max(dist2A,sum，dist2B,sum，dist2C,sum)
三、在构造的平面上相邻点距离的平均值和标准差的求取
由平均值的定义，在所构造平面上各相邻点距离的平均值μ
Figure 21115DEST_PATH_IMAGE001
,dist2(n)由下式求得:
Figure 649542DEST_PATH_IMAGE010
                    (5)
式中
Figure 747948DEST_PATH_IMAGE002
=A、B、C，为变压器的三相的编号；
由于标准差是指统计结果在某一时段内误差上下波动的幅度，在所构造平面上各相邻点距离的标准差σ
Figure 374102DEST_PATH_IMAGE001
,dist2 (n)由下式求得:
Figure DEST_PATH_IMAGE011
        (6)
四、变压器内部故障和励磁涌流的判别
发生内部故障情况下，在一定时窗内，dist2(n)2与x轴围成的面积小于等于Th1
Figure 494471DEST_PATH_IMAGE012
(n)与x轴围成的面积，而产生励磁涌流的情况下，在一定时窗内，dist
Figure 712963DEST_PATH_IMAGE012
2(n)2与x轴围成的面积大于Th1
Figure 572335DEST_PATH_IMAGE012
(n)与x轴围成的面积：将dist2sum与同相的阈值Th1sum进行比较： 
若dist2sum≤Th1sum，则判为变压器内部故障；
若dist2sum＞Th1sum，则判为励磁涌流。
本发明的有益效果是：
1、采用变压器内部故障或励磁涌流后的数据相邻点之间距离进行判别，阈值由差流信号计算得到，无需预先设置阈值；
2、所需采样率较低，仅需1kHz；
3、采用短时窗进行判定分析，所需时窗较短。
附图说明
图1为本发明实施例变压内部故障与励磁涌流仿真系统模型；
图2为变压器低压侧发生A相1.5%绕组接地故障dist2A(n)和Th1A(n)的比较图；
图3为变压励磁涌流时dist2A(n)和Th1A(n)的比较图；
图4为本发明的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。
实施例1：一种基于差动电流相邻阶次差分构成的平面上相邻点距离的励磁涌流快速识别方法，当变压器发生内部故障或产生励磁涌流时，保护测量装置立即启动，测量单元测得变压器的三相差流，提取测量单元记录的三相差流数据，通过三相差流数据求取各相差流的一阶差分和二阶差分；分别以三相的二阶差分为横轴，以对应相的一阶差分为纵轴，构造三个平面；求取所构造的三个平面上所有相邻点距离的平方和，再求取三个平方和中的最大值dist2sum，然后求取dist2sum所对应相的相邻点距离平方的标准差与平均值；将所得的平均值与标准差进行积分得到Th1sum，通过比较dist2sum和Th1sum来进行变压器内部故障和励磁涌流的判别。
所述方法具体步骤为：
（1）当变压器发生内部故障或产生励磁涌流时，保护测量装置立即启动，通过测量单元检测并记录三相差流；
（2）提取变压器内部故障或励磁涌流发生后10ms时窗内的三相差流数据iA(n)、iB(n)、iC(n)，A、B、C为变压器三相的编号，n为离散信号第n个采样点；
（3）对提取的三相差流分别利用下式求取各相的一阶差分函数d[1]
Figure 744952DEST_PATH_IMAGE001
(n)、二阶差分函数d[2]
Figure 652865DEST_PATH_IMAGE001
(n)：
d[1]
Figure 725864DEST_PATH_IMAGE001
(n)=i
Figure 756137DEST_PATH_IMAGE001
(n)-i
Figure 852269DEST_PATH_IMAGE001
(n-1)
d[2]
Figure 626189DEST_PATH_IMAGE001
(n)= d[1]
Figure 317809DEST_PATH_IMAGE001
(n)- d[1]
Figure 456666DEST_PATH_IMAGE001
(n-1)
式中，n为离散信号第n个采样点；
Figure 836832DEST_PATH_IMAGE002
=A、B、C，为变压器三相的编号；
（4）分别以各相d[2]
Figure 414443DEST_PATH_IMAGE001
(n)为横轴，以同相的d[1]
Figure 399717DEST_PATH_IMAGE001
(n)为纵轴构造三个相邻阶次差分平面，求取各平面上相邻点距离的平方和dist2
Figure 771793DEST_PATH_IMAGE001
(n)2：
Figure 576937DEST_PATH_IMAGE003
 
再通过下式，分别算出每相在所构平面上的各相邻点距离的平方和dist2
Figure 194126DEST_PATH_IMAGE001
,sum，并通过最大值函数得到三个平方和中的最大值，记为dist2sum：
dist2sum =max(dist2A,sum，dist2B,sum，dist2C,sum)
式中，N为10ms时窗内的采样点数目；
（5）求取dist2sum所对应相的相邻点距离平方dist2
Figure 576883DEST_PATH_IMAGE005
(n)的标准差σ
Figure 197220DEST_PATH_IMAGE005
,dist2(n) 和平均值μ
Figure 788738DEST_PATH_IMAGE005
,dist2(n)，利用标准差σ ,dist2(n) 和平均值μ
Figure 462482DEST_PATH_IMAGE005
,dist2(n)通过计算得到Th1
Figure 820649DEST_PATH_IMAGE006
(n)：
Th1
Figure 215859DEST_PATH_IMAGE006
(n) =μ
Figure 92548DEST_PATH_IMAGE005
,dist2(n)+2σ
Figure 977327DEST_PATH_IMAGE006
,dist2(n)
式中
Figure 244361DEST_PATH_IMAGE007
为选取的dist2sum所对应相的相序；
通过下面的求和公式，得到阈值Th1sum：
Figure 505578DEST_PATH_IMAGE008
（6）根据下面的判据进行变压器内部故障和励磁涌流的判别：
若dist2sum≤Th1sum，则为变压器内部故障；
若dist2sum＞Th1sum，则为励磁涌流。
实施例2：建立如图1所示的变压器故障与励磁涌流仿真系统模型，其中变压器为三台单相三绕组变压器，采用Yd11接法,把它的高压绕组接入110kV系统为变压器原边，中压绕组与低压绕组级联构成变压器副边，所构成的等效双绕组变压器的参数如下：额定容量为250MVA，额定变比为110kV/10.5kV，等效电阻为0.002pu，等效电抗为0.08pu。其磁化参数如表1所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE013
表1
现假设变压器低压侧发生A相1.5%绕组接地故障，采样频率为1kHz，在该模型下， dist2A(n)和Th1A(n)的比较图如图2所示，对采样结果利用下式可以求得A相在所构平面上的各相邻点距离的平方dist2A(n)2：
Figure 738238DEST_PATH_IMAGE014
对其求和得dist2A,sum=1.304，大于B相的dist2B,sum和C相的dist2C,sum。记dist2A,sum为dist2sum，根据Th1A(n) =μA,dist2(n)+2σA求得Th1A(n)，对Th1A(n)进行积分得出Th1sum=1.767。
根据判据，因为dist2sum＜Th1sum故判为变压器内部故障，与假设一致，判断正确。
实施例2：建立如图1所示的变压器故障与励磁涌流仿真系统模型，其参数在实施例1中做了详细说明，这里不再累述。现假设系统中变压器产生励磁涌流，采样频率为1kHz，在该模型下，dist2A(n)和Th1A(n)的比较图如图3所示。
同理可以由采样点的数据求得对应的dist2sum=0.032，Th1sum=0.027。因为dist2sum＞Th1sum，根据判据，判定为励磁涌流。与假设一致，判断正确。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (2)

1.一种基于差动电流相邻阶次差分构成的平面上相邻点距离的励磁涌流快速识别方法，其特征在于：当变压器发生内部故障或产生励磁涌流时，保护测量装置立即启动，测量单元测得变压器的三相差流，提取测量单元记录的三相差流数据，通过三相差流数据求取各相差流的一阶差分和二阶差分；分别以三相的二阶差分为横轴，以对应相的一阶差分为纵轴，构造三个平面；求取所构造的三个平面上所有相邻点距离的平方和，再求取三个平方和中的最大值dist2sum，然后求取dist2sum所对应相的相邻点距离平方的标准差与平均值；将所得的平均值与标准差进行积分得到Th1sum，通过比较dist2sum和Th1sum来进行变压器内部故障和励磁涌流的判别。
2.根据权利要求1所述的基于差动电流相邻阶次差分构成的平面上相邻点距离的励磁涌流快速识别方法，其特征在于所述方法具体步骤为：
（1）当变压器发生内部故障或产生励磁涌流时，保护测量装置立即启动，通过测量单元检测并记录三相差流；
（2）提取变压器内部故障或励磁涌流发生后短时窗内的三相差流数据iA(n)、iB(n)、iC(n)，A、B、C为变压器三相的编号，n为离散信号第n个采样点；
（3）对提取的三相差流分别利用下式求取各相的一阶差分函数d[1]                                                
Figure 591950DEST_PATH_IMAGE001
(n)、二阶差分函数d[2]
Figure 890207DEST_PATH_IMAGE001
(n)：
d[1]
Figure 713545DEST_PATH_IMAGE001
(n)=i
Figure 21029DEST_PATH_IMAGE001
(n)- i
Figure 849308DEST_PATH_IMAGE001
(n-1)
d[2]
Figure 584046DEST_PATH_IMAGE001
(n)= d[1]
Figure 634959DEST_PATH_IMAGE001
(n)- d[1]
Figure 683818DEST_PATH_IMAGE001
(n-1)
式中，n为离散信号第n个采样点；
Figure 694499DEST_PATH_IMAGE002
=A、B、C，为变压器三相的编号；
（4）分别以各相d[2](n)为横轴，以同相的d[1]
Figure 132489DEST_PATH_IMAGE001
(n)为纵轴构造三个相邻阶次差分平面，求取各平面上相邻点距离的平方和dist2
Figure 719459DEST_PATH_IMAGE001
(n)2：
 
再通过下式，分别算出每相在所构平面上的各相邻点距离的平方和dist2
Figure 661187DEST_PATH_IMAGE001
,sum，并通过最大值函数得到三个平方和中的最大值，记为dist2sum：
Figure 680833DEST_PATH_IMAGE004
dist2sum =max(dist2A,sum，dist2B,sum，dist2C,sum)
式中，N为短时窗内的采样点数目；
（5）求取dist2sum所对应相的相邻点距离平方dist2
Figure 868232DEST_PATH_IMAGE005
(n)的标准差σ
Figure 791189DEST_PATH_IMAGE005
,dist2(n) 和平均值μ ,dist2(n)，利用标准差σ
Figure 545573DEST_PATH_IMAGE005
,dist2(n) 和平均值μ
Figure 536663DEST_PATH_IMAGE005
,dist2(n)通过计算得到Th1
Figure 314126DEST_PATH_IMAGE006
(n)：
Th1
Figure 732469DEST_PATH_IMAGE006
(n) =μ
Figure 478706DEST_PATH_IMAGE005
,dist2(n)+2σ
Figure 273487DEST_PATH_IMAGE006
,dist2(n)
式中
Figure 905457DEST_PATH_IMAGE007
为选取的dist2sum所对应相的相序；
通过下面的求和公式，得到阈值Th1sum：
Figure 494701DEST_PATH_IMAGE008
（6）根据下面的判据进行变压器内部故障和励磁涌流的判别：
若dist2sum≤Th1sum，则为变压器内部故障；
若dist2sum＞Th1sum，则为励磁涌流。
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