CN104133144A - 一种基于差动电流小波包分解的励磁涌流判别方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于差动电流小波包分解的励磁涌流判别方法，属电力系统继电保护技术领域。当变压器发生内部故障或者产生励磁涌流时，提取故障或励磁涌流后5ms时窗内的三相差流数据进行小波包分解和重构，利用计算得到的频率最高的重构系数部分计算判断值R_indN，通过判断值R_indN与阈值Th_N的大小关系，对变压器内部故障和励磁涌流进行判别。本发明采用变压器内部故障或励磁涌流后的小波包分解的差流数据进行判断，阈值由差流信号计算得到，无需预先设置阈值。

Description

一种基于差动电流小波包分解的励磁涌流判别方法

技术领域

本发明涉及一种基于差动电流小波包分解的励磁涌流判别方法，属于电力系统继电保护技术领域。

背景技术

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的复杂性。

利用小波包分析进行信号的特征提取，选用db1小波母函数对电力系统变压器空载合闸及内部故障时差流进行分析，提取其最高频分量后计算判断值与阈值，判断值超过阈值时，即判断为励磁涌流。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。

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小波包分解的励磁涌流判别方法。

本发明的技术方案是：一种基于差动电流小波包分解的励磁涌流判别方法，当变压器发生内部故障或者产生励磁涌流时，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，对各相差流进行小波包分解和重构，提取重构后的最高频分量cfsD₃，计算cfsD₃的判断值R_indN，将R_indN与阈值Th_N进行比较：若R_indN<Th_N，则K_N＝0，若R_indN≥Th_N，则K_N＝1，N＝A，B，C，表示A、B、C三相，当时，判为励磁涌流，当时，则判为变压器内部故障。

具体步骤为：

(1)当变压器发生内部故障或者产生励磁涌流时，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5ms时窗内的三相差流数据i_dA、i_dB、i_dC，A、B、C为变压器三相的编号；

(3)对提取的三相差流进行小波包分解与重构，小波包分解公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{p}_0^1\left(t\right)=f\left(t\right)\\ p_j^{2i-1}=\underset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}H(k-2t)p_{j-1}^i\left(t\right)\\ p_j^{2i}=\underset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}G(k-2t)p_{j-1}^i\left(t\right)\end{array}\right.$

式中：f(t)为一时间信号，表示第j层上的第i个小波包，称为小波包系数；G，H为小波分解滤波器，H与尺度函数有关，G与小波母函数有关；

重构算法为：

$p_j^i\left(t\right)=2[\underset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}h(t-2k)p_{j+1}^{2i-1}\left(t\right)+\underset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}g(t-2k)p_{j+1}^{2i}\left(t\right)]$

式中：j＝J-1,J-2,…,1，0；i＝2^j,2^j-1,…,2,1；J＝log₂N，h，g为小波重构滤波器，h与尺度函数有关，g与小波母函数有关；

(4)提取重构后的最高频分量cfsD₃，通过下式计算判断值：

$R_{\mathrm{indN}}=\frac{{\mathrm{cfs}}_{\max ,D3}}{\mathrm{\&Sigma;}{\left|{\mathrm{cfsD}}_3\right|}^2\mathrm{\&Delta;t}}$

上式中，cfs_max,D3是小波包重构后最高频分量中的最大值，Δt是以5ms为间隔的采样周期；

(5)通过下面公式得到阈值Th_N：

Th_N＝k₁×i_dN

式中k₁为敏感特性系数，差流i_dN中N＝A，B，C，表示A、B、C三相，Th_N为对应A，B，C三相各线路的阈值；

(6)对是变压器内部故障或是励磁涌流进行判别：

若R_indN<Th_N，则K_N＝0，若R_indN≥Th_N，则K_N＝1，N＝A，B，C，表示A、B、C三相；

当时，判为励磁涌流；

当时，则判为变压器内部故障。

本发明的原理是：

一、差值电流的小波分解和重构

提取变压器内部故障或励磁涌流发生后5ms时窗内的三相差流数据i_dA、i_dB、i_dC，A、B、C为变压器三相的编号；

对提取的三相差流分别利用下式求取各相的进小波包分解、重构后的最高频谱分量：

$\left\{\begin{array}{c}{p}_0^1\left(t\right)=f\left(t\right)\\ p_j^{2i-1}=\underset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}H(k-2t)p_{j-1}^i\left(t\right)\\ p_j^{2i}=\underset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}G(k-2t)p_{j-1}^i\left(t\right)\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中：f(t)为一时间信号，表示第j层上的第i个小波包，称为小波包系数。G，H为小波分解滤波器，H与尺度函数有关，G与小波母函数有关。重构算法为：

$p_j^i\left(t\right)=2[\underset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}h(t-2k)p_{j+1}^{2i-1}\left(t\right)+\underset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}g(t-2k)p_{j+1}^{2i}\left(t\right)]---\left(2\right)$

式中：j＝J-1,J-2,…,1，0；i＝2^j,2^j-1,…,2,1；J＝log₂N，h，g为小波重构滤波器，h与尺度函数有关，g与小波母函数有关。

二、取重构后的最高频分量cfsD₃，通过下式计算判断值：

下式中，cfs_max,D3是小波包重构后最高频分量中的最大值，Δt是以5ms为间隔的采样周期。

$R_{\mathrm{indN}}=\frac{{\mathrm{cfs}}_{\max ,D3}}{\mathrm{\&Sigma;}{\left|{\mathrm{cfsD}}_3\right|}^2\mathrm{\&Delta;t}}---\left(3\right)$

三、计算阈值Th_N：

通过敏感特性系数与各相的差流求取与之对应的阈值

Th_N＝k₁×i_dN   (4)式中k₁为敏感特性系数，差流i_dN中N＝A，B，C，表示A、B、C三相，Th_N为A，B，C三相对应的阈值。

四、变压器内部故障和励磁涌流的判别

若R_indN<Th_N，则K_N＝0，若R_indN≥Th_N，则K_N＝1，N＝A，B，C，表示A、B、C三相，当时，判为励磁涌流，当时，则判为变压器内部故障；

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小波包分解的差流数据进行判断，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20kHz；

3、采用5ms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28.6％绕组接地故障时A，B，C各相差流图；

图3为变压励磁涌流时A，B，C各相差流图；

图4为本发明的流程图。

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。

当变压器发生内部故障或者产生励磁涌流时，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，设置门限电流，若差流值大于或等于门限电流，对各相差流进行小波包分解和重构，提取重构后的最高频分量cfsD₃，计算cfsD₃的判断值R_indN，将R_indN与相应阈值Th_N进行比较：若R_indN<Th_N，则K_N＝0，若R_indN≥Th_N，则K_N＝1，N＝A，B，C，表示A、B、C三相，当时，判为励磁涌流，当时，则判为变压器内部故障。

实施例1：建立如附图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。

表1

现假设变压器低压侧发生A相28.6％绕组接地故障，采样频率为20kHz，在该模型下，原副边差流值波形图如附图2所示。

i_dN＝i_pN-i_sN

式中i_dN为各相的差流，i_pN为各相的原边电流，i_sN为各相的副边电流。对其求判断值R_indA＝652，R_indB＝0，R_indC＝0，根据Th_N＝k₁×i_dN，k₁取0.2，求得Th_A＝864，Th_B＝0，Th_C＝0。

因为R_indA<Th_A，R_indB＝Th_B，R_indC＝Th_C，根据判据设K_A＝0，K_B＝0，K_C＝0。N＝A，B，C，表示A、B、C三相，故判为变压器内部故障，与假设一致，判断正确。

实施例2：建立如附图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20kHz，在该模型下，原副边差流值波形图如附图3。

同理可以由采样点的数据求得对应的R_indA＝247，R_indA＝259，R_indA＝324，Th_A＝67.48，Th_B＝78.9，Th_C＝114.3。因为R_indN>Th_N，根据判据设K_N＝1。N＝A，B，C，表示A、B、C三相，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小波包分解的励磁涌流判别方法，其特征在于：当变压器发生内部故障或者产生励磁涌流时，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，对各相差流进行小波包分解和重构，提取重构后的最高频分量cfsD₃，计算cfsD₃的判断值R_indN，将R_indN与阈值Th_N进行比较：若R_indN<Th_N，则K_N＝0，若R_indN≥Th_N，则K_N＝1，N＝A，B，C，表示A、B、C三相，当时，判为励磁涌流，当时，则判为变压器内部故障。

2.根据权利要求1所述的基于差动电流小波包分解的励磁涌流判别方法，其特征在于具体步骤为：

(1)当变压器发生内部故障或者产生励磁涌流时，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5ms时窗内的三相差流数据i_dA、i_dB、i_dC，A、B、C为变压器三相的编号；

(3)对提取的三相差流进行小波包分解与重构，小波包分解公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{p}_0^1\left(t\right)=f\left(t\right)\\ p_j^{2i-1}=\underset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}H(k-2t)p_{j-1}^i\left(t\right)\\ p_j^{2i}=\underset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}G(k-2t)p_{j-1}^i\left(t\right)\end{array}\right.$

式中：f(t)为一时间信号，表示第j层上的第i个小波包，称为小波包系数；G，H为小波分解滤波器，H与尺度函数有关，G与小波母函数有关；

重构算法为：

$p_j^i\left(t\right)=2[\underset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}h(t-2k)p_{j+1}^{2i-1}\left(t\right)+\underset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}g(t-2k)p_{j+1}^{2i}\left(t\right)]$

式中：j＝J-1,J-2,…,1，0；i＝2^j,2^j-1,…,2,1；J＝log₂N，h，g为小波重构滤波器，h与尺度函数有关，g与小波母函数有关；

(4)提取重构后的最高频分量cfsD₃，通过下式计算判断值：

$R_{\mathrm{indN}}=\frac{{\mathrm{cfs}}_{\max ,D3}}{\mathrm{\&Sigma;}{\left|{\mathrm{cfsD}}_3\right|}^2\mathrm{\&Delta;t}}$

上式中，cfs_max,D3是小波包重构后最高频分量中的最大值，Δt是以5ms为间隔的采样周期；

(5)通过下面公式得到阈值Th_N：

Th_N＝k₁×i_dN

式中k₁为敏感特性系数，差流i_dN中N＝A，B，C，表示A、B、C三相，Th_N为对应A，B，C三相各线路的阈值；

(6)对是变压器内部故障或是励磁涌流进行判别：

若R_indN<Th_N，则K_N＝0，若R_indN≥Th_N，则K_N＝1，N＝A，B，C，表示A、B、C三相；

当时，判为励磁涌流；

当时，则判为变压器内部故障。