CN108879608A - 基于零序电流相空间分布重心幅值变化的变压器零序过电流保护方法 - Google Patents

Abstract

基于零序电流相空间分布重心幅值变化的变压器零序过电流保护方法，在一定采样率下获取变压器中性线电流互感器(TA)测量零序电流序列I₀；判断零序电流幅值是否大于零序过电流保护动作整定值，若大于则启动本发明所提的新方法，否则持续对该不等式进行判别；对零序电流进行归一化处理，在确定的时间窗内提取电流的最大值和最小值，以此为基准，对序列中各点进行幅值压缩，获得归一化后的零序电流序列，使电流序列各点落在[‑1,1]的变化范围内；对归一化后的零序电流序列I₀′进行相空间重构。得到判据启动之后的重心序列G和重心到原点的距离序列R。判断R>Rset是否成立。本发明能够有效防止在空载合闸和外部故障切除产生的励磁涌流和恢复性涌流导致零序过电流保护误动。

Description

基于零序电流相空间分布重心幅值变化的变压器零序过电流 保护方法

技术领域

本发明一种基于零序电流相空间分布重心幅值变化的变压器零序过电流保护方法，涉及变压器零序过电流保护领域。

背景技术

变压器零序过流保护是变压器中性点直接接地运行时网侧绕组、网侧引出线和母线接地故障的后备保护以及相邻输电线路接地故障的后备保护。

在变压器充电瞬间和外部故障切除时，时有发生零序过电流保护误动的现象，如在2011年6月对宝鸡换流站极1换流变进行空充时，换流变零序过电流保护误动作，造成直流系统闭锁，2006年6月，500kV罗平变电站发生故障，波及天广直流系统，导致天生桥换流站双极换流变中性点零序过流保护动作，启动双极紧急停运，2012年11月某变电站线路侧发生间歇性单相接地故障时，线路保护正确识别间歇性故障而无动作，但变压器零序过电流保护误动作。

目前针对防止零序过流保护误动解决方法主要有：不投入零序过电流保护、采取抑制励磁涌流的措施、加入空充标志制进行闭锁保护等，上述方法虽具有一定效果，但具有一定的局限性，不投入零序过电流保护会降低保护的可靠性，加入空充标志和采用抑制励磁涌流措施并没有考虑切除故障零序过电流保护误动的情况。

在空载合闸和故障发生前零序电流都几乎为0，在发生暂态扰动后，零序电流明显上升，且出现涌流现象均偏向时间轴一侧。零序电流的峰值可观达到，将导致零序过电流保护误动。并且，很显然地，以前述的闭锁等方式均无法有效闭锁零序过电流保护。因此，需要考虑构建基于新原理的零序过电流保护策略。

对传统涌流相空间轨迹进行分析，发现励磁涌流相轨迹图与故障电流相轨迹图有着明显的差别，且相空间重构后对间断角区域有放大作用。空载合闸和外部故障切除时零序电流波形也具有涌流波形特性，采用合理的重构，可以对涌流特征进行放大，易于提取和量化。因此利用相空间重构法对换流变中性线零序电流进行重构，并形成可靠的闭锁判据。

发明内容

针对变压器零序电流的相空间分布重心的特征，本发明提供一种基于零序电流相空间分布重心幅值变化的变压器零序过电流保护方法，该方法采用合理的重构，可以对涌流特征进行放大，便于提取和量化，能有效的解决励磁涌流和恢复性涌流给零序过电流保护带来误动的风险问题。

本发明采取的技术方案为：

基于零序电流相空间分布重心幅值变化的变压器零序过电流保护方法，包括以下步骤：

步骤1：在一定采样率下，获取变压器中性线电流互感器(TA)测量零序电流序列I₀，在一个采样周期内(采样点数为N)，I₀＝{I₀(1),I₀(2),...I₀(i),...I₀(N)},i＝1,2,...N；

步骤2：判断零序电流幅值是否大于零序过电流保护动作整定值，若大于则启动本发明所提的新方法，至步骤3；否则持续对该不等式进行判别；

步骤3：对零序电流进行归一化处理，在确定的时间窗内提取电流的最大值和最小值，以此为基准，对序列中各点进行幅值压缩，获得归一化后的零序电流序列，使电流序列各点落在[-1,1]的变化范围内。具体方法为：在一个周期内分别求出零序电流序列中的最大值和最小值，即max(I₀)及min(I₀)，对零序电流序列作如下运算：得到测量零序电流序列I₀的归一化序列I′₀，在一个采样周期内(采样点数为N)， I′₀＝{I′₀(1),I′₀(2),...I′₀(i),...I′₀(N)},i＝1,2,...N；

步骤4：对归一化后的零序电流序列I′₀进行相空间重构。在一个周期内的相空间重构方法为：二维相空间中第i个数据点，其x轴坐标为归一化后零序电流序列中第i点的幅值，即I′₀(i)，y轴坐标取归一化后零序电流序列中延迟于第i点后N/4个点的幅值，即I′₀(i+N/4)，最后取遍N个采样点，即k为计算开始对应的起始采样点的序号。得到一个周期的相空间轨迹分布，求该周期内的相空间轨迹分布的重心G(k)，并进一步求其到原点的距离R(k)。随着时间窗的移动，即可得到判据启动之后的重心序列G和重心到原点的距离序列R。

步骤5：判断R>Rset是否成立，其中Rset为闭锁判据整定值；若成立，则零序过电流保护闭锁；否则计算终止，返回步骤3。

采用相空间重构技术对变压器零序电流序列进行重心幅值求解。

本发明一种基于零序电流相空间分布重心幅值变化的变压器零序过电流保护新方法，技术效果如下：

1：本发明算法比较一个周期的重心到原点的距离，零序电流序列中个别数据点的丢失，并不影响其对周期内的重心的判别，该方法具有很强的抗数据丢失能力。

2：本发明保证与传统的零序过电流保护相同的保护范围，且能有效防止空载合闸和外部故障切除时励磁涌流和恢复性励磁涌流引起零序过电流保护误动，具有高可靠性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1(a)为空载合闸时变压器零序电流波形图。

图1(b)为外部故障切除时变压器零序电流波形图。

图2为内部故障时变压器零序电流波形图。

图3(a)为空载合闸时变压器零序电流相空间轨迹图。

图3(b)为外部故障切除时变压器零序电流相空间轨迹图。

图3(c)为内部故障时变压器零序电流相空间轨迹图。

图4(a)为空载合闸时相空间轨迹重心分布图。

图4(b)为外部故障切除时相空间轨迹重心分布图。

图4(c)为内部故障时相空间轨迹重心分布图。

图5为本发明基于零序电流相空间分布重心幅值变化的变压器零序过电流保护方法的流程图。

图6(a)为本发明空载合闸时相空间轨迹重心幅值图。

图6(b)为本发明外部故障切除时相空间轨迹重心幅值图。

图7为本发明的内部故障时相空间轨迹重心幅值图。

具体实施方式

如图5所示，基于零序电流相空间分布重心幅值变化的变压器零序过电流保护方法，包括以下步骤：

步骤1：在一定采样率下，以采样频率4kHz为例，即每周波80个采样点。获取变压器中性线电流互感器TA测量零序电流序列I₀，在一个采样周期内，采样点数为N＝80， I₀＝{I₀(1),I₀(2),...I₀(i),...I₀(N)},i＝1,2,...N；

步骤2：判断零序电流幅值是否大于零序过电流保护动作整定值，若大于则启动本发明所提的新方法，至步骤3；否则持续对该不等式进行判别；

步骤3：对零序电流进行归一化处理，在确定的时间窗内，提取电流的最大值和最小值，以此为基准，对序列中各点进行幅值压缩，获得归一化后的零序电流序列，使电流序列各点落在[-1,1]的变化范围内。

具体方法为：在一个周期内分别求出零序电流序列中的最大值和最小值，即max(I₀)及 min(I₀)，对零序电流序列作如下运算：得到测量零序电流序列I₀的归一化序列I′₀，在一个采样周期内(采样点数为N)， I′₀＝{I′₀(1),I′₀(2),...I′₀(i),...I′₀(N)},i＝1,2,...N；

步骤4：对归一化后的零序电流序列I′₀进行相空间重构。在一个周期内的相空间重构方法为：二维相空间中第i个数据点，其x轴坐标为归一化后零序电流序列中第i点的幅值，即I′₀(i)，y轴坐标取归一化后零序电流序列中延迟于第i点后N/4个点的幅值，即 I′₀(i+N/4)＝20，最后取遍N个采样点，即 k为计算开始对应的起始采样点的序号。得到一个周期的相空间轨迹分布，求该周期内的相空间轨迹分布的重心G(k)，并进一步求其到原点的距离R(k)。随着时间窗的移动，即可得到判据启动之后的重心序列G和重心到原点的距离序列R。

步骤5：判断R>Rset是否成立，其中Rset为闭锁判据整定值；若成立，则零序过电流保护闭锁；否则计算终止，返回步骤3。

1、变压器空载合闸和外部故障切除时零序电流特征：

对于零序过电流保护而言，零序电流幅值大于保护整定值且到达延时时保护即动作，在系统发生暂态扰动时，中性线零序电流超过整定值且持续时间较长，此时保护误动。原判据无法区分空载合闸、外部故障切除和内部故障时零序电流幅值过大的情况，但是此时的零序电流波形有较大差异，利用该差异进行判别。

图1(a)、图1(b)为空载合闸和故障切除后变压器零序电流的变化情况。在0.2s 进行空载合闸和在0.2s发生外部A相接地故障且0.05s后切除。图2为内部A相接地故障时的变压器零序电流波形图。在0.2s发生内部A相接地故障，持续时间为7s。

可以看出，空载合闸和外部故障切除时的零序电流具有涌流特性，且偏向坐标轴一边，而内部故障的零序电流类似于正弦波。

2、相空间重构法：

相空间能反应系统运行过程中每个可能状态对应在相空间的轨迹，对采样点序列进行相空间重构，可以保持原系统的完整信息。对传统涌流相空间轨迹进行分析，发现励磁涌流相轨迹图与故障电流相轨迹图有着明显的差别，且相空间重构后对间断角区域有放大作用。根据前文分析，在励磁涌流和恢复性涌流情况下，因零序电流为三相涌流的合成，其波形中具有涌流波形特性，采用合理的重构，可以对特征进行放大，便于提取和量化。

相空间是动力系统中由坐标是状态变量或状态相量的分量组成的空间，系统的每个可能的状态都有一相对应的相空间的点。将系统中不同时刻的状态所对应的点，在相空间中按照时间顺序连接形成一条曲线，该曲线即为系统运行过程对应在相空间的轨迹。

对于M个状态变量的时间序列x＝x₁,x₂…,x_M，其轨迹的d_E维矩阵延迟τ后可以构建如下：

其中τ为延迟时间，本发明采用1/4工频周期；d_E为相空间维数，本发明采用2维相空间； x_i为动力系统的某一分量的时间序列，本发明采用变压器差动保护两侧电流互感器二次电流差流的时间序列。

该算法具有抗数据丢失的能力。个别数据的丢失并不影响其对整体特征的判断。电流数据是由传感器采集之后，以二维点集的形式存在的。因此电流可以看作一个以时间为横坐标，电流大小为纵坐标的离散时间序列，每一个电流数据点都相当于图形的某个特征点。而该算法利用一个周期的数据点，当一个点出现异常时，对一个周期的重心影响并不大。

利用相空间重构法，空载合闸、外部故障切除和内部故障时一个周期内的变压器零序电流相空间轨迹图和相空间轨迹重心分布图分别如图3(a)、图3(b)、图3(c)、和图4(a)、图4(b)、图4(c)所示。

从如图3(a)、图3(b)、图3(c)可以看出，在空载合闸和外部故障切除时，在一个采样周期内，处于间断角的采样电流很小接近为0，反应到相空间轨迹中即为坐标轴附近的集中分布的采样点，而内部故障时，零序电流则趋近稳态的正弦波形，归一化后的零序电流的相空间轨迹分布，接近于以原点为圆心半径为1的圆。

从判据启动后得到一系列的重心分布图如图4(a)、图4(b)、图4(c)所示。可以看到，空载合闸和外部故障切除时，因归一化后零序电流存在大量特征点分布在横纵坐标轴附近，其相空间分布的重心落在在斜率为1的直线上，而内部故障时，因归一化后的零序电流的相空间轨迹接近于对称的圆，其相空间分布重心会落在坐标原点附近。

3、基于零序电流相空间分布重心幅值变化的变压器零序过电流保护方法：

在一定采样率下获取变压器中性线电流互感器(TA)测量零序电流序列I₀，在一个采样周期内(采样点数为N)，I₀＝{I₀(1),I₀(2),...I₀(i),...I₀(N)},i＝1,2,...N。判断零序电流幅值是否大于零序过电流保护动作整定值，若大于则启动本发明所提的新方法。

首先对零序电流进行归一化处理，在确定的时间窗内提取电流的最大值和最小值，以此为基准，对序列中各点进行幅值压缩，获得归一化后的零序电流序列，使电流序列各点落在[-1,1]的变化范围内。具体方法为：在一个周期内分别求出零序电流序列中的最大值和最小值，即max(I₀)及min(I₀)，对零序电流序列作如下运算：得到测量零序电流序列I₀的归一化序列I′₀，在一个采样周期内(采样点数为N)， I′₀＝{I′₀(1),I′₀(2),...I′₀(i),...I′₀(N)},i＝1,2,...N；

对归一化后的零序电流序列I′₀进行相空间重构。在一个周期内的相空间重构方法为：二维相空间中第i个数据点，其x轴坐标为归一化后零序电流序列中第i点的幅值，即I′₀(i)， y轴坐标取归一化后零序电流序列中延迟于第i点后N/4个点的幅值，即I′₀(i+N/4)，最后取遍N个采样点，即k为计算开始对应的起始采样点的序号。得到一个周期的相空间轨迹分布，求该周期内的相空间轨迹分布的重心G(k)，并进一步求其到原点的距离R(k)。随着时间窗的移动，即可得到判据启动之后的重心序列G和重心到原点的距离序列R。

通过设置合理的Rset，可以有效的区分内部故障和利用情况。判断R>Rset是否成立，其中Rset为闭锁判据整定值；满足闭锁判据R>Rset时，判定为涌流，闭锁保护；当不满足闭锁条件时，判定为故障，闭锁保护开放。结合原零序过电流保护判据，能够有效防止因涌流导致保护误动。基于零序电流相空间分布重心幅值变化的变压器零序过电流保护新方法的流程如图5所示。

对图1和图2所示的变压器空载合闸、外部故障切除和内部故障时利用所提方法进行的R值计算，结果图如图6(a)、图6(b)和图7所示。Rset取0.25。

可以很明显看到：

(1)：在空载合闸和外部故障切除时，经归一化处理后的零序电流的相空间轨迹重心幅值明显大于0.25的门槛值。此时保护能可靠闭锁，而不会误动。

(2)：而内部故障时，重心幅值基本接近于0，能可靠识别内部故障，而持续开放保护。

本发明基于零序电流相空间分布重心幅值变化的变压器零序过电流保护方法，在保证原零序过电流保护的动作性能的同时能有效防止因涌流引起的保护误动。

Claims (3)

1.基于零序电流相空间分布重心幅值变化的变压器零序过电流保护方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：在一定采样率下获取变压器中性线电流互感器TA测量零序电流序列I₀，在一个采样周期内，采样点数为N，I₀＝{I₀(1),I₀(2),...I₀(i),...I₀(N)},i＝1,2,...N；

步骤2：判断零序电流幅值是否大于零序过电流保护动作整定值，若大于则至步骤3；否则持续对该不等式进行判别；

步骤3：对零序电流进行归一化处理，在确定的时间窗内提取电流的最大值和最小值，以此为基准，对序列中各点进行幅值压缩，获得归一化后的零序电流序列，使电流序列各点落在[-1,1]的变化范围内；

步骤4：对归一化后的零序电流序列I₀′进行相空间重构，在一个周期内的相空间重构方法为：二维相空间中第i个数据点，其x轴坐标为归一化后零序电流序列中第i点的幅值，即I₀′(i)，y轴坐标取归一化后零序电流序列中延迟于第i点后N/4个点的幅值，即I₀′(i+N/4)，最后取遍N个采样点，即k为计算开始对应的起始采样点的序号；得到一个周期的相空间轨迹分布，求该周期内的相空间轨迹分布的重心G(k)，并进一步求其到原点的距离R(k)；随着时间窗的移动，即可得到判据启动之后的重心序列G和重心到原点的距离序列R；

步骤5：判断R>Rset是否成立，其中Rset为闭锁判据整定值；若成立，则零序过电流保护闭锁；否则计算终止，返回步骤3。

2.根据权利要求1所述基于零序电流相空间分布重心幅值变化的变压器零序过电流保护方法，其特征在于：步骤3具体方法为：在一个周期内分别求出零序电流序列中的最大值和最小值，即max(I₀)及min(I₀)，对零序电流序列作如下运算：得到测量零序电流序列I₀的归一化序列I₀′，在一个采样周期内(采样点数为N)，I₀′＝{I₀′(1),I₀′(2),...I₀′(i),...I₀′(N)},i＝1,2,...N。

3.相空间重构技术在变压器零序过电流保护零序电流进行重心幅值的应用。