CN105262051A - 基于采样序列绝对值偏态分布的变压器励磁涌流鉴别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于采样序列绝对值偏态分布的变压器励磁涌流鉴别方法，步骤包括：以设定的采样频率对变压器差动保护的差动电流进行采样；对采样数据做差分运算和取绝对值运算后，取最新的一个工频周期的采样数据，计算其偏态系数；如果所计算的偏态系数大于0，则判定差动电流是励磁涌流；否则，判定差动电流不是励磁涌流。本发明具有判据清晰，计算量小，区分明显，动作迅速、准确，对装置的硬件要求低，不需人为整定值，实现方便等优点。

Description

基于采样序列绝对值偏态分布的变压器励磁涌流鉴别方法

技术领域

本发明涉及变压器继电保护技术领域，具体涉及一种基于采样序列绝对值偏态分布的变压器励磁涌流鉴别方法。

背景技术

变压器是电力系统中十分重要的电气设备，电网中的电力变压器往往容量巨大，造价昂贵，必须由继电保护装置保证其安全、可靠运行。纵联差动保护灵敏度高，选择性好，工程中常作为变压器的主保护。但是，变压器的纵联差动保护需要避开流过差动回路的不平衡电流。

当变压器空载投入或外部故障切除后电压恢复时，差动回路中可能出现数值很大的励磁涌流。某些情况下，励磁涌流的大小甚至可与故障电流相比拟，变压器纵联差动保护难以通过比率制动避开此电流，保护将误动作。因此，正确鉴别励磁涌流，对纵联差动保护进行准确制动是保证变压器保护可靠动作的关键之一。

工程中主要利用二次谐波判据制动、间断角闭锁原理来防止励磁涌流造成差动保护误动作。但是，随着电力系统快速发展，长距离高压输电线路串补电容和各种新型无功补偿装置广泛存在，当发生严重内部故障时，谐振可能使故障电流中的二次谐波含量显著增大，容易导致二次谐波制动装置阻止差动保护的正确动作；现代变压器铁心材料的磁饱和点已大幅降低，励磁涌流的二次谐波分量最少仅为7％，此时，二次谐波判据将难以有效闭锁差动保护。此外，变压器铁芯材料不断改进，新型电力电子装置大量接入，也会使特定情况下的励磁涌流波形间断角变得很小，严重影响了间断角闭锁方法的可靠性。

针对上述问题，专家、学者们进行了广泛的研究，并提出了许多新型的励磁涌流鉴别方法。但是，这些方法种类繁多，性能各异，理论上还不够完善，性能上有待实践检验。例如，电感参数识别法、磁通特性法等，原理清晰，效果优良，但需获取电压信息，使保护硬件配置复杂，且容易受电压互感器饱和或二次回路断线影响而退出运行；小波分析法、波形分布特征法等，仅依据电流波形信息即可正确区分励磁涌流与故障电流，但对采样率要求高，对数据的处理过程复杂，不利于现场装置实现；积分面积比较法辨识励磁涌流，拥有计算简单、不受高次谐波影响的优点，但需测算变压器投入时刻，且投入时刻的计算误差容易导致方法失效。

事实上，变压器励磁涌流与非励磁涌流的采样数据取绝对值后，其数值分布存在很大差异：

(1)变压器的非励磁涌流(内部故障电流、外部故障电流、负荷电流等)为正弦信号或准正弦信号，其导数为余弦函数，所以，在波峰处其导数为零，在过零点处其导数达到最大，并且导数随信号波形缓慢变化。不难发现，正弦曲线波峰附近，导数较小，采样点分布也较为稠密；而正弦曲线过零点附近，导数较大，采样点分布较为稀疏。如图2(a)所示，正弦(或准正弦)电流信号波形采样数据取绝对值后，其数值分布稠密区位于数值分布稀疏区的上方，呈负偏态。对变压器差动电流进行以指定的采样频率进行采样，取1个工频周期(即0.02秒)内的采样数据进行分析、处理，根据偏态分布系数计算公式计算的偏态分布系数小于0。

(2)励磁涌流波形有多种显著特征，都影响着采样点的分布。间断角特征将使采样点数据在间断角处分布十分稠密；涌流波形也往往偏向时间轴的一侧，使波形在靠近时间轴处变化缓慢，形成了另一个采样点稠密分布区。此外，涌流具有尖顶波特征，虽然在波峰处导数也为零，但因其为尖顶波，导数急剧变化，采样点也会较为稀疏；从机理方面也可以得到印证，因为涌流尖顶波归根到底是由正弦信号经非线性励磁曲线传导而来的，而励磁曲线过拐点后斜率变得很小，形成涌流的尖顶波，所以涌流尖顶波处采样点可看作正弦信号采样点的分散(或稀释)，涌流信号在尖顶波处采样点分布自然比较稀疏。如图2(b)所示，变压器励磁涌流信号波形采样数据取绝对值后，其数值分布稠密区位于数值分布稀疏区的下方，呈正偏态。取差动电流1个工频周期内的采样数据进行分析、处理，根据偏态分布系数计算公式计算的偏态分布系数大于0。

总之，变压器励磁涌流和非励磁涌流的采样数据绝对值的偏态分布系数分别大于和小于零，差异显著，可以利用差动电流采样数据绝对值的偏态分布系数的符号来鉴别励磁涌流与非励磁涌流(故障电流等)。

基于上述原理，本专利提出基于采样序列绝对值偏态分布的变压器励磁涌流鉴别方法，采用该方法能够有效鉴别变压器励磁涌流与其它电流，保证变压器差动保护的可靠性。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术的缺点与不足，提供一种判据清晰，区分明显、鉴别正确率高、可靠性强、对装置的硬件要求低，不需要人为整定值，实现方便的基于采样序列绝对值偏态分布的变压器励磁涌流鉴别方法。

本发明通过以下技术方案实现：

一种基于采样序列绝对值偏态分布的变压器励磁涌流鉴别方法，包括以下步骤：

步骤1：以设定的采样频率f_s＝50N赫兹(N为正整数)对变压器差动保护的差动电流x(t)进行采样，得到差动电流的采样值序列{x(i)}，i为正整数；

步骤2：对差动电流的采样值序列{x(i)}进行差分运算，得到差动电流的采样值差分序列{y(i)}，i为正整数；

步骤3：对差动电流的采样值差分序列{y(i)}的各元素取绝对值，形成样本数据序列{z(i)}，i为正整数；

步骤4：计算样本数据序列{z(i)}的最新N个元素的偏态分布系数S；

步骤5：如果所计算的样本数据序列{z(i)}的最新N个元素的偏态分布系数S大于0，则判定当前变压器差动保护的差动电流是励磁涌流；否则，判定当前变压器差动保护的差动电流不是励磁涌流。

优选地，所述步骤1中N为一个工频周期内差动电流的采样点数，N取大于等于24、小于等于100的整数值。

优选地，所述步骤2中的差动电流的采样值差分序列{y(i)}由式(1)计算获得：

y(i)＝x(i)-x(i-b)(1)

式(1)中，i为正整数；y(i)为差动电流的采样值差分序列{y(i)}的第i个元素；b＝[N/4]，其中[]为取整符号；x(i)、x(i-b)分别为差动电流的采样值序列{x(i)}的第i个元素和第i-b个元素。

优选地，所述步骤4中样本数据序列{z(i)}的最新N个元素的偏态分布系数S根据式(2)进行计算：

$S=\underset{i=k-N+1}{\overset{k}{\Σ}}{\[z\left(i\right)-\stackrel{\‾}{z}\]}^3---\left(2\right)$

式(2)中，S表示样本数据序列{z(i)}的最新N个元素的偏态分布系数；k表示样本数据序列{z(i)}中最新一个元素的序号；z(i)表示样本数据序列{z(i)}的第i个元素；表示样本数据序列{z(i)}的最新N个元素的平均值，的计算公式如式(3)所示：

$\stackrel{\‾}{z}=\frac{1}{N}\underset{i=k-N+1}{\overset{k}{\Σ}}z\left(i\right)---\left(3\right)$

式(3)中，表示样本数据序列{z(i)}的最新N个元素的平均值；k表示样本数据序列{z(i)}中最新一个元素的序号；z(i)表示样本数据序列{z(i)}的第i个元素。

本发明基于采样序列绝对值偏态分布的变压器励磁涌流鉴别方法具有下述优点：

(1)发明依据变压器差动电流的采样数据的数值分布特征，利用差动电流波形在变压器励磁涌流状态与内部故障状态下采样序列绝对值偏态分布系数的不同来鉴别励磁涌流。在变压器内部故障情况下，差动电流波形为正弦波或准正弦波，其采样序列绝对值偏态分布系数的值为负；变压器发生励磁涌流时，其差动电流波形明显偏离正弦波，呈现出偏向时间轴一侧、间断角、尖顶波等特点，其采样序列绝对值偏态分布系数的值为正。本发明利用这一原理鉴别变压器励磁涌流与内部故障电流，判据清晰，区分明显，鉴别正确率高、可靠性高。

(2)发明针对变压器差动电流的采样值序列，并不刻意限定所提取数据的起始时刻，不需要同步采样，只提取最新的连续一个工频周波的差动电流采样值进行数据处理，因此励磁涌流鉴别时间为1个工频周期(即20毫秒)，判断时间短、实时性好，有利于变压器保护的快速性，工程实用价值高。

(3)本发明对继电保护装置的AD转换器分辨率和采样频率的要求都不高；励磁涌流鉴别过程计算量小，所需存储量也较小。因此，实施本发明方法对硬件装置要求低，简单实用，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。

图2(a)与图2(b)分别为本发明方法中励磁涌流与正弦电流采样数值分布聚集区域分析图。

图3为本发明实施例1中所搭建的仿真模型。

图4(a)与图4(b)分别为本发明实施例1中所仿真的励磁涌流波形图与其采样序列绝对值偏态分布系数变化图。

图5(a)与图5(b)分别为本发明实施例1中所仿真的故障电流波形图与其采样序列绝对值偏态分布系数变化图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例基于采样序列绝对值偏态分布的变压器励磁涌流鉴别方法的步骤包括：

步骤1：以设定的采样频率f_s＝50N赫兹(N为正整数)对变压器差动保护的差动电流x(t)进行采样，得到差动电流的采样值序列{x(i)}，i为正整数；

本实施例中，所述N为一个工频周期内差动电流的采样点数，N取大于等于24、小于等于100的整数值。

步骤2：对差动电流的采样值序列{x(i)}进行差分运算，得到差动电流的采样值差分序列{y(i)}，i为正整数；

本实施例中，所述的差动电流的采样值差分序列{y(i)}由式(1)计算获得：

y(i)＝x(i)-x(i-b)(1)

式(1)中，i为正整数；y(i)为差动电流的采样值差分序列{y(i)}的第i个元素；b＝[N/4]，其中[]为取整符号；x(i)、x(i-b)分别为差动电流的采样值序列{x(i)}的第i个元素和第i-b个元素。

步骤3：对差动电流采样值差分序列{y(i)}的各元素取绝对值，形成样本数据序列{z(i)}，i为正整数；

步骤4：计算样本数据序列{z(i)}的最新N个元素的偏态分布系数S；

本实施例中，所述样本数据序列{z(i)}的最新N个元素的偏态分布系数S根据式(2)进行计算：

$S=\underset{i=k-N+1}{\overset{k}{\Σ}}{\[z\left(i\right)-\stackrel{\‾}{z}\]}^3---\left(2\right)$

式(2)中，S表示样本数据序列{z(i)}的最新N个元素的偏态分布系数；k表示样本数据序列{z(i)}中最新一个元素的序号；z(i)表示样本数据序列{z(i)}的第i个元素；表示样本数据序列{z(i)}的最新N个元素的平均值，的计算公式如式(3)所示：

$\stackrel{\‾}{z}=\frac{1}{N}\underset{i=k-N+1}{\overset{k}{\Σ}}z\left(i\right)---\left(3\right)$

式(3)中，表示样本数据序列{z(i)}的最新N个元素的平均值；k表示样本数据序列{z(i)}中最新一个元素的序号；z(i)表示样本数据序列{z(i)}的第i个元素。

步骤5：如果所计算的样本数据序列{z(i)}的最新N个元素的偏态分布系数S大于0，则判定当前变压器差动保护的差动电流是励磁涌流；否则，判定当前变压器差动保护的差动电流不是励磁涌流。

参见前述步骤1～步骤5，基于采样序列绝对值偏态分布的变压器励磁涌流鉴别方法依据变压器差动电流采样数值分布特征，利用变压器励磁涌流波形与其它非涌流性质电流波形的采样序列绝对值偏态分布系数正负不同，通过分析、处理变压器差动电流信号在一个周波内的采样数据，计算其偏态分布系数，来区分变压器励磁涌流与其它电流，从而提高变压器差动保护的性能，具有判据清晰，计算量小，区分明显，动作迅速、准确，对装置的硬件要求低，不需人为整定值，实现方便等优点。

以下将结合附图和实施例1对本发明做进一步详细说明：

实施例1：

按图3所示搭建仿真系统。三相变压器模块设置如下：连接组别为YNd11，额定容量60MVA，额定电压220kV/110kV，高低压绕组电阻0.02(pu)，漏感0.08(pu)，勾选饱和铁心，励磁曲线设为0，0；0.0024，1.2；1，1.5(pu)。使用三相电源M来等效左侧系统，其线电压设置为220kV，设置A相初始相角为10°，无穷大系统也可使用三相电源代替。分别于20ms时刻设置空投变压器和AB相间故障进行仿真。通过变压器两侧测量装置，获取两侧的电流信息，折算到一次侧后，运算形成差动电流，对两种运行状况仿真产生的差动电流分别如图4(a)和图5(a)(为表述清楚，仅以A相波形进行分析)。

步骤1：以设定的采样频率f_s＝2000赫兹对变压器差动保护的差动电流进行采样，得到差动电流的采样值序列；

步骤2：对差动电流的采样值序列进行差分运算，得到差动电流的采样值差分序列；

步骤3：对差动电流采样值差分序列的各元素取绝对值，形成样本数据序列；

步骤4：取图4(a)和图5(a)中20ms～40ms时刻所对应的样本数据序列，分别设为样本数据序列1和样本数据序列2，按照式(2)和式(3)计算，得到样本数据序列1的偏态分布系数为2.7876×10⁸，样本数据序列2的偏态分布系数为9.0807×10¹²。

步骤5：由于样本数据序列1的偏态分布系数大于0，可以判定图(4)中电流为变压器励磁涌流；而样本数据序列2的偏态分布系数小于0，可以判定图(5)中电流为非励磁涌流(故障电流、负荷电流等)。

图4(b)和图5(b)分别是基于图4(a)和图5(a)中电流波形计算的偏态分布系数实时变化曲线图。从以上图中可以看出，励磁涌流采样数据经处理后所计算的偏态系数恒大于零；故障电流采样数据经处理后所计算的偏态系数在短暂的过渡过程后恒小于零。验证了以上分析，证明了基于采样序列绝对值偏态分布的励磁涌流鉴别方法能够有效鉴别变压器励磁涌流与内部故障电流。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，但本发明的保护范围并不局限于上述实施例，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，在本技术领域范围内，不脱离本发明原理前提下，对本发明所做的润饰、简化、改进、替代和组合，都应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于采样序列绝对值偏态分布的变压器励磁涌流鉴别方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：以设定的采样频率f_s＝50N赫兹(N为正整数)对变压器差动保护的差动电流x(t)进行采样，得到差动电流的采样值序列{x(i)}，i为正整数；

步骤2：对差动电流的采样值序列{x(i)}进行差分运算，得到差动电流的采样值差分序列{y(i)}，i为正整数；

步骤3：对差动电流的采样值差分序列{y(i)}的各元素取绝对值，形成样本数据序列{z(i)}，i为正整数；

步骤4：计算样本数据序列{z(i)}的最新N个元素的偏态分布系数S；

步骤5：如果所计算的样本数据序列{z(i)}的最新N个元素的偏态分布系数S大于0，则判定当前变压器差动保护的差动电流是励磁涌流；否则，判定当前变压器差动保护的差动电流不是励磁涌流。

2.根据权利要求1所述的基于采样序列绝对值偏态分布的变压器励磁涌流鉴别方法，其特征在于，所述的N为一个工频周期内差动电流的采样点数，N取大于等于24、小于等于100的整数值。

3.根据权利要求1所述的基于采样序列绝对值偏态分布的变压器励磁涌流鉴别方法，其特征在于，所述步骤2中的差动电流的采样值差分序列{y(i)}由式(1)计算获得：

y(i)＝x(i)-x(i-b)(1)

式(1)中，i为正整数；y(i)为差动电流的采样值差分序列{y(i)}的第i个元素；b＝[N/4]，其中[]为取整符号；x(i)、x(i-b)分别为差动电流的采样值序列{x(i)}的第i个元素和第i-b个元素。

4.根据权利要求1所述的基于采样序列绝对值偏态分布的变压器励磁涌流鉴别方法，其特征在于，所述步骤4中样本数据序列{z(i)}的最新N个元素的偏态分布系数S根据式(2)进行计算：

$S=\underset{i=k-N+1}{\overset{k}{\Σ}}{\[z\left(i\right)-\stackrel{\‾}{z}\]}^3---\left(2\right)$

式(2)中，S表示样本数据序列{z(i)}的最新N个元素的偏态分布系数；k表示样本数据序列{z(i)}中最新一个元素的序号；z(i)表示样本数据序列{z(i)}的第i个元素；表示样本数据序列{z(i)}的最新N个元素的平均值，的计算公式如式(3)所示：

$\stackrel{\‾}{z}=\frac{1}{N}\underset{i=k-N+1}{\overset{k}{\Σ}}z\left(i\right)---\left(3\right)$

式(3)中，表示样本数据序列{z(i)}的最新N个元素的平均值；k表示样本数据序列{z(i)}中最新一个元素的序号；z(i)表示样本数据序列{z(i)}的第i个元素。