CN107765076A - 一种励磁涌流识别方法及识别装置 - Google Patents

一种励磁涌流识别方法及识别装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种励磁涌流识别方法及识别装置，其方法包括设定时间间隔基准；计算变压器高压侧和中压侧出口断路器电流的谐波畸变率；对变压器出口断路器电流数据进行逻辑判断，辨识出励磁涌流与故障电流，确保变压器差动保护动作的正确率；该识别装置包括数字仿真单元、电流测量单元、数据处理单元、判据制定单元和识别单元。本发明提供的技术方案所需测量数据少、简单易实现，并且三相独立判别、按相制动，且不受电流互感器饱和影响，确保变压器差动保护正确动作，在变压器出口断路器未加装合闸电阻的应用场景下可靠有效。

Description

一种励磁涌流识别方法及识别装置
技术领域
本发明涉及励磁涌流识别领域，具体讲涉及一种励磁涌流识别方法及识别装置。
背景技术
作为超高压以及特高压输电系统的核心元件之一的变压器，对其主保护的可靠性和速动性都提出了很高的要求。长期以来，变压器保护的正确动作率一直偏低，对于目前普遍应用的变压器差动保护，励磁涌流是其不正确动作的重要原因，如何防止励磁涌流造成误动是变压器保护的重要研究课题之一。
目前，现场运行的变压器差动保护主要采用二次谐波制动原理和间断角原理来识别励磁涌流，其中应用最广泛的二次谐波制动在原理上存在着较大的局限性：随着现代变压器的发展，铁磁材料传电性能的充分利用，铁芯饱和点提前，在剩磁较多时，励磁涌流中二次谐波的特征变得不再明显；此外，若变压器的端部接入静补电容或者长线，其内部故障所产生的暂态电流也会含有较大的二次谐波；另外电流互感器饱和也会产生很大的二次谐波分量；因此受以上因素影响使得二次谐波不再是励磁涌流独有的特征。
间断角原理的局限性在于：首先，间断角原理需要较高的采样率以提高采样精度，对CPU的处理速度提出了更高要求；其次，电流互感器有时会出现暂态饱和，为了防止变压器二次侧涌流发生畸变或者消失，必须采取相应措施来恢复间断角，因此对硬件的保护性能提出了更高的要求；且在间断角处励磁涌流的电流非常小，接近于零，如果A/D转换芯片的分辨率较低，则在信号转换时会产生较大的误差，使数据准确度下降。
现有技术方案中励磁涌流识别准确性不足，为提高对变压器励磁涌流识别的准确性，需要一种新的励磁涌流识别方法，保障变压器的安全运行。
发明内容
为克服现有励磁涌流识别技术中的识别准确性不足，二次谐波测量影响因素较多，间断角测量对硬件要求高的缺点，本发明提供一种基于变压器电流谐波畸变率衰减特性的励磁涌流识别方法，准确区分变压器的故障电流和励磁涌流，确保变压器差动保护动作的正确率。
本发明提供的基于变压器电流谐波畸变率衰减特性的励磁涌流识别方法，其改进之处在于，所述识别方法包括：
(1)设定时间间隔基准；
(2)计算变压器出口断路器电流的谐波畸变率；
(3)制定识别励磁涌流判据；
(4)根据制定的识别判据识别励磁涌流。
进一步的，由设立的数字仿真系统仿真计算数据取样时间间隔T，获得所述步骤(1)的时间间隔基准。
进一步的，所述步骤(2)谐波畸变率的计算包括：
(2-1)测量变压器出口断路器的电流波形，检测判断电流幅值大于动作电流整定值；
(2-2)用傅里叶变换求不同时间间隔内电流基波及各次谐波电流有效值；
(2-3)按下式计算不同时间间隔T内谐波畸变率THD：
其中，n＝2…,N；I1：基波电流有效值，In：n次谐波电流有效值。
进一步的，所述步骤(3)中识别励磁涌流的判据为变压器出口断路器电流的谐波畸变率的衰减速率。
进一步的，识别励磁涌流的所述判据的制定方法包括：
(S1)仿真计算短路故障时流经变压器出口断路器的短路电流，并计算其基波及各次谐波电流有效值、谐波畸变率；
(S2)仿真计算变压器合闸空载主变时流经变压器出口断路器的励磁涌流，并计算其基波及各次谐波电流有效值、谐波畸变率；
(S3)基于步骤(S1)和(S2)的电流数据特征，选择最小的数据取样时间间隔T；
(S4)计算每一间隔时间T的短路电流和励磁涌流中谐波畸变率THDn；
(S5)根据计算的谐波畸变率的衰减速率Kn确定衰减速率阈值Kset，若K1＜0，则为励磁涌流；
若K1>0且K2>Kset，则为故障电流，否则为励磁涌流；
(S6)根据实际工程合闸空载主变时的励磁涌流与故障时短路电流的测量值，修正仿真计算的数据取样时间间隔T和衰减速率阈值Kset。
进一步的，所述判据的选取原则是：变压器故障电流电气特征是否满足判据要求，励磁涌流电气特征是否满足判据要求。
进一步的，用傅里叶算法分别计算步骤(S1)和(S2)中基波及各次谐波电流有效值、谐波畸变率。
进一步的，所述步骤(4)的励磁涌流的识别包括：
(4-1)电流谐波畸变率的衰减速率Kn如下式所示：
Kn＝(THD0-THDn)/THD0
其中，n＝1,2；THD0和THDn分别表示第0个和第n个取样时间间隔T内的谐波畸变率；
(4-2)设置衰减速率阈值Kset，若K1＜0，则为励磁涌流；
若K1>0且K2>Kset，则为故障电流，否则为励磁涌流。
一种励磁涌流识别装置，所述装置包括电流测量单元、数字仿真单元、数据判别单元、数据处理单元、判据制定单元和电流识别单元；
所述电流测量单元将获得的变压器出口断路器的电流传输至数据判别单元；
所述数字仿真单元将计算得到的动作电流整定值传输至数据判别单元；和，
所述数字仿真单元将计算的取样时间间隔T传输至数据处理单元；
所述数据判别单元对变压器出口断路器电流幅值与动作电流整定值的大小作出判定，并传输至数据处理单元；
所述数据处理单元把计算的不同时间间隔T内的谐波畸变率传输至判据制定单元；
所述判据制定单元把定义的衰减速率和设置的阈值传输至电流识别单元；
所述电流识别单元识别变压器出口断路器输出电流。
进一步的，所述数字仿真单元根据工程所在电网条件计算动作电流整定值和取样时间间隔T，并根据现场调试运行结果对动作电流整定值和取样时间间隔T进行修正。
进一步的，根据所述数据判别单元对变压器出口断路器电流幅值与动作电流整定值的大小作出判别，确定是否将数据传输至数据处理单元。
进一步的，所述数据处理单元用傅里叶计算不同时间间隔内的谐波畸变率。
进一步的，所述判据制定单元设置衰减速率阈值Kset，并按下式计算谐波畸变率的衰减速率Kn：
Kn＝(THD0-THDn)/THD0
其中，n＝1,2。
进一步的，所述电流识别单元根据衰减速率和衰减速率阈值Kset判定变压器出口断路器输出电流是否为励磁涌流：
若K1＜0，则为励磁涌流；
若K1>0且K2>Kset，则为故障电流；若K1>0且K2＜Kset，则为励磁涌流。
与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下优异效果：
1、本发明提供的技术方案采用变压器出口断路器电流谐波畸变率的衰减速率作为识别励磁涌流的判别依据，弥补了二次谐波制动“三相或门制动”方案中合闸于故障相保护延迟动作的缺陷，显著提高了励磁涌流识别的准确性，有效避免了变压器保护误动与拒动情况的发生，有效提升了变压器差动保护动作的正确性和可靠性，具有良好的工程应用前景。
2、本发明提供的技术方案能准确地区分变压器故障电流与励磁涌流，具有测量数据少、简单易实现的优点，并且三相独立判别、按相制动，且不受电流互感器饱和影响，可以确保变压器差动保护正确动作，在变压器出口断路器未加装合闸电阻的应用场景下可靠有效。
附图说明
图1为本发明提供的励磁涌流识别方法流程图；
图2为本发明提供的技术方案研究用双端网络简化接线示意图；
图3为仿真得到的合闸空载主变时励磁涌流典型波形示意图；
图4为仿真得到的变压器出口故障时的短路电流典型波形示意图；
图5为不同情况下变压器三相短路电流谐波畸变率衰减示意图；
图6为不同情况下变压器励磁涌流谐波畸变率衰减示意图。
具体实施方式
为进一步介绍本发明提出的基于变压器电流谐波畸变率衰减特性的励磁涌流识别方法，以下将结合说明书附图和具体实施例对技术方案详细介绍。
谐波畸变率是在电气工程学科中表征波形相对正弦波畸变程度的一个性能参数，缩写为THD(Total Harmonics Distortion)。其定义为全部谐波含量均方根值与基波均方根值之比，用百分数表示，如下式所示：
其中，In--n次谐波电流有效值,n＝2,3,…,N；I1--基波电流有效值。
断路器未加装合闸电阻的情况下，变压器励磁涌流谐波畸变率衰减速度慢，而故障电流谐波畸变率衰减快的特点，以变压器高压侧和中压侧出口断路器电流作为识别励磁涌流与故障电流的检测信号，据此将变压器出口断路器的三相电流分别接入控制保护装置，通过设置谐波畸变率的衰减速率作为判据，对变压器出口断路器电流数据进行逻辑判断，辨识出励磁涌流与故障电流，以确保变压器差动保护动作的正确率。
如图1所示的基于变压器电流谐波畸变率衰减特性的励磁涌流识别方法流程图，本发明提供的励磁涌流识别方法具体内容如下：
(1)对应用场景建立数字仿真系统，通过数字仿真计算，得到数据取样时间间隔T，作为分析时间的间隔基准值；
(2)当变压器出口断路器电流幅值大于动作电流整定值时，测量记录变压器的中压侧电流波形，利用傅里叶变换求得不同时间间隔T内3组电流谐波畸变率THD0、THD1、THD2；
(3)对3组数据进行逻辑判断：电流谐波畸变率的衰减速率Kn如下式所示：
Kn＝(THD0-THDn)/THD0
其中，n＝1,2；设置衰减速率阈值Kset，若所求得的衰减速率K1<0，则直接认定该电流为励磁涌流，尽量满足快速性；再将所求得的衰减速率K2与衰减速率阈值Kset进行比较，若K2＞Kset，则认定该电流为故障电流，否则为励磁涌流，确保了识别结果的可靠性，按该方法来辨识励磁涌流与故障电流，可以确保变压器差动保护动作的正确率。
本发明提出的基于变压器出口断路器电流谐波畸变率衰减特性的励磁涌流识别判据的制定步骤如下：
(1)提出制定动作判据的原则，即：确保变压器故障电流电气特征可以满足判据要求，而励磁涌流的电气特征不满足判据要求；
(2)基于工程所处系统条件建立数字仿真模型，考虑不同故障时刻因素，对变压器发生单相或多相短路故障时流经变压器出口断路器的短路电流进行仿真计算，并采用傅里叶变换计算其谐波畸变率；
(3)基于工程所处系统条件建立数字仿真模型，考虑不同合闸时刻、不同剩磁情况，对变压器合闸空载主变时流经变压器出口断路器的励磁涌流进行仿真计算，并采用傅里叶变换计算其谐波畸变率；
(4)根据仿真计算得到的短路电流、励磁涌流数据特征，在保证可靠性的前提下，分析筛选出最小的数据取样时间间隔T，以满足快速性要求；
(5)针对选定的数据取样时间间隔T，分析间隔0、T、2T时变压器励磁涌流、短路电流中谐波畸变率THD0、THD1、THD2；
(6)计算谐波畸变率的衰减速率Kn＝(THD0-THDn)/THD0(n＝1，2)，在留取足够裕度的前提下，确定衰减速率阈值Kset；
(7)若K1<0，则直接认定该电流为励磁涌流；再将K2与Kset进行比较，若K2＞Kset，则认定该电流为故障电流，否则为励磁涌流；
(8)根据实际工程现场合闸空载主变时的励磁涌流和主变出口故障时短路电流的测试结果，对仿真计算提出的数据取样时间间隔T和衰减速率阈值Kset进行修正。
本发明提供的应用励磁涌流识别方法的识别装置，该装置包括数字仿真单元、电流测量单元、数据处理单元、判据制定单元和识别单元；
所述数字仿真单元和所述电流测量单元将数据传输至所述数据处理单元；
所述数据处理单元将处理结果传输至所述判据制定单元和所述识别单元；
所述判据制定单元调用所述数字仿真单元和所述数据处理单元制定判据并传输至所述识别单元；
所述识别单元将判别结果传输至所述判据制定单元。
所述判据制定单元的功能包括制定判据的原则是变压器故障电流电气特征满足判据要求，且励磁涌流电气特征不满足判据要求；
所述判据制定单元的功能包括：
(1)用数字仿真系统仿真计算变压器短路故障时流经变压器出口断路器的短路电流，并计算不同时间间隔内的谐波畸变率；
(2)用数字仿真系统仿真计算变压器合闸空载主变时流经变压器出口断路器的励磁涌流，并计算不同时间间隔内的谐波畸变率；
(3)根据实际工程现场合闸空载主变时的励磁涌流和主变出口故障时的短路电流的测试结果，修正仿真计算提出的数据取样时间间隔T和衰减速率阈值Kset。
所述识别单元根据衰减速率和衰减速率阈值判别变压器出口断路器输出的励磁涌流和故障电流：
若K1＜0，则为励磁涌流；
若K1>0且K2>Kset，则为故障电流，否则为励磁涌流。
所述数据处理单元根据电流测量单元记录的电流波形计算直流分量与基波分量幅值比；
所述识别单元根据判据制定单元制定的判据识别变压器出口断路器的电流；
所述判据制定单元根据数字仿真单元、电流测量单元和数据处理单元的数据以及识别单元的判定结果制定判据并修正数据。
实施例
如图2所示的双端网络简化接线示意图，针对额定电压为 的特高压三绕组变压器，对其500kV侧发生三相短路故障时的短路电流与500kV侧合闸空载主变时的励磁涌流之间的特征差异进行仿真计算，并分析本发明提出的基于变压器电流谐波畸变率衰减特性的励磁涌流识别方法的应用效果，变压器1000kV侧、500kV侧断路器均未加装合闸电阻。
经数字仿真单元仿真得到的合闸空载主变时励磁涌流及变压器出口故障时的短路电流典型波形示意图如附图3和附图4所示。
以A相为例，以变压器电流幅值大于动作电流整定值时波形前一个过零点为0时刻，表1列出了数据处理单元计算出的不同情况下，变压器三相短路电流与励磁涌流谐波畸变率衰减情况的计算结果。
表1不同情况下变压器三相短路电流与励磁涌流的谐波畸变率(A相)
如表1所示，三相短路故障时，电流中谐波畸变率呈衰减趋势，而励磁涌流中谐波畸变率则呈增加或者缓慢衰减趋势，但衰减速度明显慢于短路电流。绘成折线图如图5和图6所示，且由折线图明显得出，三相短路电流谐波畸变率衰减幅度较大，而励磁涌流谐波畸变率衰减幅度较小，或者有所增长。
为了便于量化与分析，现定义Kn＝(THD0-THDn)/THD0(n＝1，2)为谐波畸变率衰减率，统计结果如表2所示。
表2不同情况下变压器三相短路电流与励磁涌流谐波畸变率的衰减比率(K值)
由表2中可知，以变压器出口断路器电流大于动作电流整定值时波形前一个过零点为0时刻，5ms时三相短路电流谐波畸变率的衰减比率均为正值，即衰减，而励磁涌流谐波畸变率的衰减比率则均为负值，即增长到10ms时，衰减比率间的差值则更加明显。对于该示例中，数字仿真单元可取T＝5ms，Kset值取10％。
因此本发明提供的技术方案，在断路器未加装合闸电阻的应用场景下，电流识别单元能够准确地区分变压器的故障电流与励磁涌流，从而确保变压器差动保护动作的可靠有效。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (14)

1.一种励磁涌流识别方法，其特征在于，其方法包括：
(1)设定时间间隔基准；
(2)计算变压器出口断路器电流的谐波畸变率；
(3)制定识别励磁涌流的判据；
(4)根据制定的识别判据识别励磁涌流。
2.如权利要求1所述的识别方法，其特征在于，由设立的数字仿真系统仿真计算数据取样时间间隔T，获得所述步骤(1)的时间间隔基准。
3.如权利要求1所述的识别方法，其特征在于，所述步骤(2)谐波畸变率的计算包括：
(2-1)测量变压器出口断路器的电流波形，检测判断电流幅值大于动作电流整定值；
(2-2)用傅里叶变换求不同时间间隔内电流基波及各次谐波电流有效值；
(2-3)按下式计算不同时间间隔T内谐波畸变率THD：
<mrow> <mi>T</mi> <mi>H</mi> <mi>D</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <msqrt> <mrow> <msup> <msub> <mi>I</mi> <mn>2</mn> </msub> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup> <msub> <mi>I</mi> <mn>3</mn> </msub> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <mn>...</mn> <mo>+</mo> <msup> <msub> <mi>I</mi> <mi>n</mi> </msub> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </msqrt> <msqrt> <mrow> <msup> <msub> <mi>I</mi> <mn>1</mn> </msub> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </msqrt> </mfrac> </mrow>
其中，n＝2…,N；I1：基波电流有效值，In：n次谐波电流有效值。
4.如权利要求1所述的识别方法，其特征在于，所述步骤(3)中识别励磁涌流的判据为变压器出口断路器电流的谐波畸变率的衰减速率。
5.如权利要求4所述的识别方法，其特征在于，识别励磁涌流的所述判据的制定方法包括：
(S1)仿真计算短路故障时流经变压器出口断路器的短路电流，并计算其基波及各次谐波电流有效值、谐波畸变率；
(S2)仿真计算变压器合闸空载主变时流经变压器出口断路器的励磁涌流，并计算其基波及各次谐波电流有效值、谐波畸变率；
(S3)基于步骤(S1)和(S2)的电流数据特征，选择最小的数据取样时间间隔T；
(S4)计算每一间隔时间T的短路电流和励磁涌流中谐波畸变率THDn；
(S5)根据计算的谐波畸变率的衰减速率Kn确定衰减速率阈值Kset，若K1<0，则为励磁涌流；
若K1>0且K2>Kset，则为故障电流，否则为励磁涌流；
(S6)根据实际工程合闸空载主变时的励磁涌流与故障时短路电流的测量值，修正仿真计算的数据取样时间间隔T和衰减速率阈值Kset。
6.如权利要求5所述的识别方法，其特征在于，所述判据的选取原则是：变压器故障电流电气特征是否满足判据要求，励磁涌流电气特征是否满足判据要求。
7.如权利要求5所述的识别方法，其特征在于，用傅里叶算法分别计算步骤(S1)和(S2)中基波及各次谐波电流有效值、谐波畸变率。
8.如权利要求1所述的识别方法，其特征在于，所述步骤(4)的励磁涌流的识别包括：
(4-1)电流谐波畸变率的衰减速率Kn如下式所示：
Kn＝(THD0-THDn)/THD0
其中，n＝1,2；THD0和THDn分别表示第0个和第n个取样时间间隔T内的谐波畸变率；
(4-2)设置衰减速率阈值Kset，若K1<0，则为励磁涌流；
若K1>0且K2>Kset，则为故障电流，否则为励磁涌流。
9.一种励磁涌流识别装置，其特征在于，所述装置包括电流测量单元、数字仿真单元、数据判别单元、数据处理单元、判据制定单元和电流识别单元；
所述电流测量单元将获得的变压器出口断路器的电流传输至数据判别单元；
所述数字仿真单元将计算得到的动作电流整定值传输至数据判别单元；
所述数字仿真单元将计算的取样时间间隔T传输至数据处理单元；
所述数据判别单元对变压器出口断路器电流幅值与动作电流整定值的大小作出判定，并传输至数据处理单元；
所述数据处理单元把计算的不同时间间隔T内的谐波畸变率传输至判据制定单元；
所述判据制定单元把定义的衰减速率和设置的阈值传输至电流识别单元；
所述电流识别单元识别变压器出口断路器输出电流。
10.如权利要求9所述的识别装置，其特征在于，所述数字仿真单元根据工程所在电网条件计算动作电流整定值和取样时间间隔T，并根据现场调试运行结果对动作电流整定值和取样时间间隔T进行修正。
11.如权利要求9所述的识别装置，其特征在于，根据所述数据判别单元对变压器出口断路器电流幅值与动作电流整定值的大小作出判别，确定是否将数据传输至数据处理单元。
12.如权利要求9所述的识别装置，其特征在于，所述数据处理单元用傅里叶计算不同时间间隔内的谐波畸变率。
13.如权利要求9所述的识别装置，其特征在于，所述判据制定单元设置衰减速率阈值Kset，并按下式计算谐波畸变率的衰减速率Kn：
Kn＝(THD0-THDn)/THD0
其中，n＝1,2。
14.如权利要求9所述的识别装置，其特征在于，所述电流识别单元根据衰减速率和衰减速率阈值Kset判定变压器出口断路器输出电流是否为励磁涌流：
若K1<0，则为励磁涌流；
若K1>0且K2>Kset，则为故障电流；若K1>0且K2<Kset，则为励磁涌流。
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