CN104410044A - 基于峭度和偏度的变压器励磁涌流识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于峭度和偏度的变压器励磁涌流识别方法，步骤包括：初始化设置第一整定值、第二整定值和第三整定值；以指定采样频率对变压器差动电流进行均匀不间断采样得到采样值序列；如果差动电流的当前有效值小于第一整定值，则退出；否则，针对当前的采样值序列，计算最近一个工频周波的差动电流的峭度值和偏度值；如果峭度值大于第二整定值且偏度值大于第三整定值，则判定变压器为励磁涌流运行状态，闭锁变压器差动保护；否则，判定变压器为其它非励磁涌流运行状态；返回继续针对差动电流的当前有效值进行处理。本发明具有判据区分度明显、识别结果正确率高、硬件实现要求低、判断时间短、实时性好、实施装置的硬件要求低的优点。

Description

基于峭度和偏度的变压器励磁涌流识别方法

技术领域

本发明涉及电工技术领域，具体涉及一种基于峭度和偏度的变压器励磁涌流识别方法。

背景技术

电力变压器是电力系统最重要的电气主设备之一，它的可靠运行直接关系到整个电网的安全与稳定。但我国变压器继电保护的正确动作率长期偏低，根据相关文献统计，目前220kV变压器差动保护正确动作率不到80％，远低于其它设备保护的运行水平，迫切需要对变压器差动保护性能做进一步改善和提高。变压器励磁涌流与内部故障识别是变压器差动保护固有的、不可回避的核心问题。国内外学者一直致力于变压器差动保护新原理的研究，提出了很多判别励磁涌流的原理和方法。目前，工程实践中应用最多的是二次谐波制动原理和间断角原理。但是，大容量变压器在某些情况下励磁涌流中的二次谐波含量仅为7％，而在有串补电容的高压系统及高压电缆中变压器发生故障时的故障电流中的二次谐波含量可能超过15％，在这些情况下基于二次谐波原理的涌流识别方法不可靠。间断角原理以准确测量间断角的大小为基础，由于受电流互感器饱和的影响及采样频率的限制，使得该原理在微机差动保护的实际应用效果并不理想。

近年来，科研人员陆续提出了采样值差动法、波形叠加法、波形相关性分析法、波形拟合法、磁通特性识别法、差有功法和等值电路参数鉴别法等许多其它励磁涌流识别方法，这些方法的性能各异，其有效性还有待实践验证。当前存在的励磁涌流与内部故障判别方法虽然种类繁多，但都不够完善，不能很好地满足各种情况下电力变压器继电保护的要求。

与变压器其它运行状态下的差动电流相比，变压器的励磁涌流波形有如下特征：

(1)励磁涌流中含有较大的非周期分量及高次谐波分量(一般二次谐波分量最大)，且最初若干周波内波形偏于时间轴一侧，波形显尖顶状。

(2)三相变压器在空载合闸时，各相励磁电流波形与单相变压器的励磁涌流波形特征基本相同，均偏向于时间轴的一侧，但某一相有可能出现对称性的涌流。

(3)励磁涌流波形在最初若干周期内显间断状态，单相变压器的涌流有120度左右的间断角，三相变压器三个间断角的大小不等，最大的一般在100°左右，且小于单相变压器涌流的间断角。

总之，变压器励磁涌流波形会呈现出非正弦性和不对称性，可以采用波形的峭度和偏度来识别。峭度是描述信号波形陡峭程度的一个有效参数，作为一种量纲指标，不受信号绝对水平的影响。对于高斯噪声信号，其峭度值约为0；对于正弦信号，峭度值约为-1；对于尖顶状的波形，其峭度值大于0。因此，基于励磁涌流的波形特征，其峭度值大于0，而变压器其它运行状态下的差动电流的峭度值会小于0。偏度可描述离散信号分布相对其均值的不对称程度，当信号为正弦波或类似正弦波时，其分布相对于其均值(0或直流分量)是对称的，其偏度近似为0，而对于励磁涌流，其偏度大于0，一般大于1。对于三相变压器，虽然某一相可能出现对称性的涌流，但至少有一相的涌流是不对称的，其偏度大于1。基于上述原理，亟待提出一种基于峭度和偏度的变压器励磁涌流识别方法，以准确识别变压器励磁涌流、提高变压器继电保护的正确动作率，以及保障变压器的安全可靠运行。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有技术的上述问题，提供一种判据区分度明显、识别结果正确率高、可靠性高、硬件实现要求低、判断时间短、实时性好、实施装置的硬件要求低的基于峭度和偏度的变压器励磁涌流识别方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于峭度和偏度的变压器励磁涌流识别方法，步骤包括：

1)初始化设置第一整定值、第二整定值Q_set和第三整定值P_set；

2)以指定采样频率对变压器差动电流进行均匀不间断采样，得到差动电流x(t)的采样值序列{x(n)}，n为整数；

3)如果差动电流的当前有效值小于第一整定值，跳转执行步骤2)，否则跳转执行步骤4)；

4)针对当前的采样值序列{x(n)}，计算最近一个工频周波的差动电流x(t)的峭度值Q和偏度值P；

5)如果峭度值Q大于第二整定值Q_set且偏度值P大于第三整定值P_set，则判定变压器为励磁涌流运行状态，闭锁变压器差动保护；否则，判定变压器为其它非励磁涌流运行状态；

6)跳转执行步骤2)。

优选地，所述步骤4)中计算最近一个工频周波的差动电流x(t)的峭度值Q具体是指根据式(1)所示表达式进行计算；

$Q=\frac{1}{N}\underset{i=k-N+1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{\left[\frac{x\left(i\right)-\mathrm{\μ}}{\mathrm{\σ}}\right]}^4-3---\left(1\right)$

式(1)中，Q表示计算得到的最近一个工频周波的差动电流x(t)的峭度值，k表示最新采样值的序号，x(i)表示第i个差动电流的采样值，μ表示信号x在k时刻的最近一个周期内的均值，μ的表达式如式(2)所示，σ表示信号x在k时刻的最近一个周期内的标准偏差，σ的表达式如式(3)所示，N表示额定工频周期内的采样点数；

$\mathrm{\μ}=\frac{1}{N}\underset{i=k-N+1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}x\left(i\right)---\left(2\right)$

$\mathrm{\σ}=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{i=k-N+1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{[x\left(i\right)-\mathrm{\μ}]}^2}---\left(3\right)$

式(2)和式(3)中，k表示最新采样值的序号，x(i)表示第i个差动电流的采样值，μ表示信号x在k时刻的最近一个周期内的均值，N表示额定工频周期内的采样点数。

优选地，所述步骤4)中计算最近一个工频周波的差动电流x(t)的偏度值P具体是指根据式(4)所示表达式进行计算；

$P=\frac{1}{N}\left|\underset{i=k-N+1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{\left[\frac{x\left(i\right)-\mathrm{\μ}}{\mathrm{\σ}}\right]}^3\right|---\left(4\right)$

式(4)中，P表示计算得到的最近一个工频周波的差动电流x(t)的偏度值，k表示最新采样值的序号，x(i)表示第i个差动电流的采样值，μ表示信号x在k时刻的最近一个周期内的均值，μ的表达式如式(2)所示，σ表示信号x在k时刻的最近一个周期内的标准偏差，σ的表达式如式(3)所示，N表示额定工频周期内的采样点数。

优选地，所述步骤2)中指定采样频率的值为电网额定频率50Hz的N倍，且N取大于等于48、小于等于400的整数。

优选地，所述步骤1)中设置的第一整定值的值为变压器差动保护的最小动作电流值。

优选地，所述步骤1)中设置第二整定值Q_set的值为0。

优选地，所述步骤1)中设置第三整定值P_set的值为1。

本发明基于峭度和偏度的变压器励磁涌流识别方法具有下述优点：

1、发明依据变压器励磁涌流的波形特征，利用差动电流波形在变压器励磁涌流状态与其它运行状态下峭度值的不同来识别励磁涌流，在变压器正常运行、外部短路和内部短路情况下，差动电流波形为正弦波或准正弦波，其峭度和偏度值均小于对应的整定值；变压器空载合闸产生过的励磁涌流，其波形明显偏离正弦波，且关于均值不对称，其峭度和偏度均大于对应的整定值，本发明采用这一原理识别励磁涌流与变压器内部短路故障，判据区分度明显，识别结果正确率高、可靠性高。

2、发明针对当前的采样值序列，计算最近一个工频周波的差动电流x(t)的峭度值Q和偏度值P，因此励磁涌流识别时间为1个工频周期(即0.02秒)，判断时间短、实时性好，有利于变压器保护的快速性，极具工程实用价值。

3、本发明以指定采样频率对变压器差动电流进行均匀不间断采样，采样频率要求较低(2400Hz以上即可)，AD转换器位数达到12位即可，对继电保护装置的AD转换器分辨率和采样频率的要求都不高，便于实现；而且本发明励磁涌流识别的计算量小，识别过程需要的存储量小，不需要存储大量的采样数据和中间处理数据；综上可知，实施本发明方法的装置对AD转换器的分辨率和采样频率、存储器容量、微处理器的计算速度等均要求很低，实现简单，便于微机保护装置的实现。

附图说明

图1为本发明实施例方法的基本流程示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例基于峭度和偏度的变压器励磁涌流识别方法的步骤包括：

1)初始化设置第一整定值、第二整定值Q_set和第三整定值P_set。

本实施例中，步骤1)中设置的第一整定值的值为变压器差动保护的最小动作电流值。

本实施例中，步骤1)中设置第二整定值Q_set的值为0。

本实施例中，步骤1)中设置第三整定值P_set的值为1。

2)以指定采样频率f_S对变压器差动电流进行均匀不间断采样，得到差动电流x(t)的采样值序列{x(n)}，n为整数。

本实施例中，步骤2)中指定采样频率f_S的值为电网额定频率50Hz的N倍，且N取大于等于48、小于等于400的整数。

3)如果差动电流的当前有效值小于第一整定值，跳转执行步骤2)，否则跳转执行步骤4)。

4)针对当前的采样值序列{x(n)}，计算最近一个工频周波的差动电流x(t)的峭度值Q和偏度值P。

本实施例中，步骤4)中计算最近一个工频周波的差动电流x(t)的峭度值Q具体是指根据式(1)所示表达式进行计算；

$Q=\frac{1}{N}\underset{i=k-N+1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{\left[\frac{x\left(i\right)-\mathrm{\μ}}{\mathrm{\σ}}\right]}^4-3---\left(1\right)$

式(1)中，Q表示计算得到的最近一个工频周波的差动电流x(t)的峭度值，k表示最新采样值的序号，x(i)表示第i个差动电流的采样值，μ表示信号x在k时刻的最近一个周期内的均值，μ的表达式如式(2)所示，σ表示信号x在k时刻的最近一个周期内的标准偏差，σ的表达式如式(3)所示，N表示额定工频周期内的采样点数；

$\mathrm{\μ}=\frac{1}{N}\underset{i=k-N+1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}x\left(i\right)---\left(2\right)$

$\mathrm{\σ}=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{i=k-N+1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{[x\left(i\right)-\mathrm{\μ}]}^2}---\left(3\right)$

式(2)和式(3)中，k表示最新采样值的序号，x(i)表示第i个差动电流的采样值，μ表示信号x在k时刻的最近一个周期内的均值，N表示额定工频周期内的采样点数。

本实施例中，步骤3)中计算最近一个工频周波的差动电流x(t)的偏度值P具体是指根据式(4)所示表达式进行计算；

$P=\frac{1}{N}\left|\underset{i=k-N+1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{\left[\frac{x\left(i\right)-\mathrm{\μ}}{\mathrm{\σ}}\right]}^3\right|---\left(4\right)$

式(4)中，P表示计算得到的最近一个工频周波的差动电流x(t)的偏度值，k表示最新采样值的序号，x(i)表示第i个差动电流的采样值，μ表示信号x在k时刻的最近一个周期内的均值，μ的表达式如式(2)所示，σ表示信号x在k时刻的最近一个周期内的标准偏差，σ的表达式如式(3)所示，N表示额定工频周期内的采样点数。

5)如果峭度值Q大于第二整定值Q_set且偏度值P大于第三整定值P_set，则判定变压器为励磁涌流运行状态，闭锁变压器差动保护；否则，判定变压器为其它非励磁涌流运行状态。

6)跳转执行步骤2)。

参见前述步骤1)～步骤6)，本实施例基于峭度和偏度的变压器励磁涌流识别方法依据变压器励磁涌流的波形特征，利用变压器励磁涌流波形的峭度和偏度与正常运行、内部短路、外部短路等情况下电流波形的不同，通过分析并计算变压器差流信号在一个周波内的峭度和偏度，来区分变压器励磁涌流与其它运行状态，从而提高变压器的差动保护性能，具有判据区分度明显、识别结果正确率高、可靠性高、硬件实现要求低、判断时间短、实时性好、实施装置的硬件要求低的优点。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于峭度和偏度的变压器励磁涌流识别方法，其特征在于步骤包括：

1)初始化设置第一整定值、第二整定值Q_set和第三整定值P_set；

2)以指定采样频率对变压器差动电流进行均匀不间断采样，得到差动电流x(t)的采样值序列{x(n)}，n为整数；

3)如果差动电流的当前有效值小于第一整定值，跳转执行步骤2)，否则跳转执行步骤4)；

4)针对当前的采样值序列{x(n)}，计算最近一个工频周波的差动电流x(t)的峭度值Q和偏度值P；

5)如果峭度值Q大于第二整定值Q_set且偏度值P大于第三整定值P_set，则判定变压器为励磁涌流运行状态，闭锁变压器差动保护；否则，判定变压器为其它非励磁涌流运行状态；

6)跳转执行步骤2)。

2.根据权利要求1所述的基于峭度和偏度的变压器励磁涌流识别方法，其特征在于：所述步骤4)中计算最近一个工频周波的差动电流x(t)的峭度值Q具体是指根据式(1)所示表达式进行计算；

$Q=\frac{1}{N}\underset{i=k-N+1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{\left[\frac{x\left(i\right)-\mathrm{\μ}}{\mathrm{\σ}}\right]}^4-3---\left(1\right)$

式(1)中，Q表示计算得到的最近一个工频周波的差动电流x(t)的峭度值，k表示最新采样值的序号，x(i)表示第i个差动电流的采样值，μ表示信号x在k时刻的最近一个周期内的均值，μ的表达式如式(2)所示，σ表示信号x在k时刻的最近一个周期内的标准偏差，σ的表达式如式(3)所示，N表示额定工频周期内的采样点数；

$\mathrm{\μ}=\frac{1}{N}\underset{i=k-N+1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}x\left(i\right)---\left(2\right)$

$\mathrm{\σ}=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{i=k-N+1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{[x\left(i\right)-\mathrm{\μ}]}^2}---\left(3\right)$

式(2)和式(3)中，k表示最新采样值的序号，x(i)表示第i个差动电流的采样值，μ表示信号x在k时刻的最近一个周期内的均值，N表示额定工频周期内的采样点数。

3.根据权利要求2所述的基于峭度和偏度的变压器励磁涌流识别方法，其特征在于：所述步骤4)中计算最近一个工频周波的差动电流x(t)的偏度值P具体是指根据式(4)所示表达式进行计算；

$P=\frac{1}{N}\left|\underset{i=k-N+1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{\left[\frac{x\left(i\right)-\mathrm{\μ}}{\mathrm{\σ}}\right]}^3\right|---\left(4\right)$

式(4)中，P表示计算得到的最近一个工频周波的差动电流x(t)的偏度值，k表示最新采样值的序号，x(i)表示第i个差动电流的采样值，μ表示信号x在k时刻的最近一个周期内的均值，μ的表达式如式(2)所示，σ表示信号x在k时刻的最近一个周期内的标准偏差，σ的表达式如式(3)所示，N表示额定工频周期内的采样点数。

4.根据权利要求3所述的基于峭度和偏度的变压器励磁涌流识别方法，其特征在于：所述步骤2)中指定采样频率的值为电网额定频率50Hz的N倍，且N取大于等于48、小于等于400的整数。

5.根据权利要求4所述的基于峭度和偏度的变压器励磁涌流识别方法，其特征在于：所述步骤1)中设置第一整定值的值为变压器差动保护的最小动作电流值。

6.根据权利要求5所述的基于峭度和偏度的变压器励磁涌流识别方法，其特征在于：所述步骤1)中设置第二整定值Q_set的值为0。

7.根据权利要求6所述的基于峭度和偏度的变压器励磁涌流识别方法，其特征在于：所述步骤1)中设置第三整定值P_set的值为1。