CN109490729A - 一种基于电压衰减过程变区域积分的剩磁评估方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电压衰减过程变区域积分的剩磁评估方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：S1：通过检测变压器端口电压突变时刻，确定变压器间隔断路器开断时刻；S2：变压器间隔断路器开断时刻为起点，通过选取积分区间，对铁芯端电压进行积分,计算变压器铁芯剩磁；S3：对积分时产生的外部干扰进行去噪，为通过电压互感器二次侧电压重构一次侧电压，可对CVT输出电压经过其传递函数反向处理，进行电压波形重构后再用于剩磁预估。在实际操作时，开断变压器或对变压器进行一些预防性试验时，由于变压器铁芯具有磁滞特性，在铁芯中会残留磁通，即变压器剩磁。一般情况下，剩磁一旦产生，便会长时间存在于铁芯中，不会自然消失。
Description
技术领域
本发明涉及一种电压衰减评估方法，具体涉及一种基于电压衰减过程变区域积分的剩磁评估方法及系统。
背景技术
由于电力变压器铁芯的磁滞特性，在变压器切除过程中，铁芯往往会留有剩磁。致使变压器空载合闸时产生励磁涌流，危害设备和系统安全，甚至造成停电和垮网。相关研究发现，如图1所示，变压器切除后铁芯剩磁越大，合闸时产生的励磁涌流越强，过电压现象越严重。准确的剩磁评估，对于系统制定有效的励磁涌流应对措施和保障设备与系统的安全运行起着十分重要的作用。
近年来，剩磁评估问题受到了国内外学者的广泛关注，但因其涉及材料、热力、电磁等多方面理论，学术界还未形成统一的理论方法和计算标准，在工程上也没有成熟的应用产品。现有的剩磁评估方法主要包括经验分析法、剩磁比算法和模型计算法。经验分析法依据实际操作经验，以饱和磁通的20％～80％估算剩磁。经验分析法虽广泛运用于各大变压器厂家出厂检测空载合闸前的剩磁预测，但过分依赖人为主观，估算精度较差。剩磁比算法从变压器铁芯磁场能量释放的角度推导剩磁比，进而估算剩磁。但该方法估计结果粗略，在使用时励磁电流存在严重干扰，估算误差较大。模型计算法基于剩磁或磁场的经典计算模型计算剩磁。学术界广泛采用的计算模型包括Preisach模型、Product模型和Stoner-Wohlfarth模型等，但以上模型均涉及部分不可直接测量的参数，实用性较差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是通过检测变压器端口电压突变时刻，确定变压器断路器开断时间，利用磁通与感应电压的数学关系，以及变压器不同运行状态的磁通变化规律，进行变区域积分剩磁评估。同时，为减小积分误差，本发明提出在精确计及电压互感器频谱特性的基础上重构一次侧电压，提高剩磁评估精度。
本发明通过下述技术方案实现：
一种基于电压衰减过程变区域积分的剩磁评估方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：所述方法包括如下步骤：S1：通过检测变压器端口电压突变时刻，确定变压器间隔断路器开断时刻；S2：变压器间隔断路器开断时刻为起点，在预先选取的积分区间，对铁芯端电压进行积分,计算变压器铁芯剩磁。进一步包括：S3：对积分时产生的外部干扰进行去噪，重构电压波形后再次预估变压器铁芯剩磁。。
在实际操作时，开断变压器或对变压器进行一些预防性试验时，由于变压器铁芯具有磁滞特性，在铁芯中会残留磁通，即变压器剩磁。一般情况下，剩磁一旦产生，便会长时间存在于铁芯中，不会自然消失。空载变压器合闸时的励磁涌流与铁芯中剩磁的大小和方向有很密切的联系，对剩磁的有效并且准确的计算就成为研究削减励磁涌流的重要前提。
进一步地，所述步骤S1在变压器一次侧断路器分闸之后，由于存在端口耦合电容的作用，变压器绕组上的电压不会立即降到零，而是有一个衰减的过程，电能和磁能转换过程结束之后，变压器绕组上的电压才会降到零。
进一步地，所述步骤S2所述铁芯端电压进行积分时，由于断路器开断后，变压器电压存在暂态振荡，为了减小电压测量误差对于剩磁测量值的影响，电压积分只能在几个系统周期的合理时间窗[t1，t2]内进行。
进一步地，所述步骤S3采用的去噪方式为GIS电容分压，通过GIS电容分压进行电压变换。
进一步地，通过GIS电容分压，利用电容分压原理实现电压变换，将柱状电容环套在导电线路外，柱状电容环及其等效接地电容构成了电容分压的基本回路。
由于变压器铁芯磁通与绕组电压存在积分关系，因此变压器铁芯剩磁可通过变压器断开前后铁芯端电压积分获得，具体实现方法为：
通过检测变压器端口电压突变时刻，确定变压器间隔断路器开断时刻。以变压器间隔断路器开断时刻为起点，合理选取积分区间，对铁芯端电压进行积分。得到的计算结果即为变压器铁芯剩磁。需要注意的是，由于断路器开断后，变压器电压存在暂态振荡，为了减小电压测量误差对于剩磁测量值的影响，电压积分只能在几个系统周期的合理时间窗[t1，t2]内进行。变压器空载并且处于稳态时，设一次侧绕组匝数为N，一次侧绕组的端电压为U(t)，剩磁为为叙述方便，令N＝1，并忽略一次侧的电阻压降和漏抗压降，由电磁感应定律可得一次侧端电压与主磁通的关系：
其中是变压器铁芯绕组交链的主磁通，为表述方便，主磁通可视为电源电压激励的磁通与剩磁之和：
其中是电源电压激励的磁通，为剩磁，变压器处于稳态时，铁芯内无剩磁，即在应用电压积分法计算剩磁的时间窗内，可将视为与之和。
由(1)和(2)可得：
电压的测量与积分在断电瞬间附近几个系统周期的时间窗[t1，t2]内完成，对式(3)两端在[t1，t2]上进行定积分，得：
由于为电源激励变压器产生的磁通，因此可将波形视为理想正弦波。设t＝t’时刻，变压器一次侧断路器分闸，选取中的积分下限t1满足：
式中：Up为端口电压峰值。
由于U(t1)＝Up，因此在t1时刻铁芯磁通为零，即同时由于该时刻变压器尚处于稳态，故剩磁而在变压器一次侧断路器分闸之后，由于存在端口耦合电容的作用，变压器绕组上的电压不会立即降到零，而是有一个衰减的过程，电能和磁能转换过程结束之后，变压器绕组上的电压才会降到零。
式(4)中的积分上限t2的选择原则为在t2时刻需满足该时刻电能和磁能转换过程已结束，即变压器绕组上的电压已稳定为零，不再波动，即满足：
均有U(t2)+ε→0
由于t2时刻变压器的电源已断开，故依据以上原则确定积分区间[t1，t2]之后，由式(4)可得：
则即为变压器在t1时刻断开后，变压器绕组上的电压已稳定为零，不再波动时的铁芯剩磁。
还需要对剩磁评估算法中实测电压进行修正，变压器失电后的铁芯剩磁可以通过对绕组电压进行积分来测量和计算，然而由于该剩磁评估算法存在积分过程，在积分时如果受外界干扰，可能会产生较大误差。
目前高压电力系统中常使用的电压互感器是电容式电压互感器(CVT)，由于CVT的二次侧电压抑制了几乎所有的低频分量，因此CVT测量的电压事实上并不完全对应于实际电压，直接使用CVT二次电压进行积分计算会引入显著的瞬态误差。
以GIS普遍应用的阻容分压电压互感器为例，它利用电容分压原理实现电压变换，将柱状电容环套在导电线路外，柱状电容环及其等效接地电容构成了电容分压的基本回路。须重建一次侧电压信号的波形。根据等效电路，可得出一次电压输入和二次电压输出间的幅值、传递函数为：
Δθ＝90°-arctan[ωR(C1+C2)] (8)
为通过电压互感器二次侧电压重构一次侧电压，可对CVT输出电压经过其传递函数反向处理，进行电压波形重构后再用于剩磁预估。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
发明一种基于电压衰减过程变区域积分的剩磁评估方法，变压器铁芯存在磁滞特性，变压器切除时铁芯中会残留剩磁，导致变压器空载合闸时产生励磁涌流，危害电力设备和系统的安全。因此，需要对变压器铁芯剩磁进行准确评估，据此提前制定有效的励磁涌流抑制措施。前人提出的方法在工程运用中暴露出精度差、不实用等问题。为此，本文提出了一种基于电压衰减过程中的变区域积分剩磁评估方法来计算变压器剩磁的大小。该方法利用变压器端口的电压数据，通过磁通与感应电压的数学关系积分计算铁芯剩磁，实用性较强。在此基础上计及了主变铁芯磁化特性以及断路器动作离散特性，并利用二次侧电压波形重构的方法弥补了常规电压互感器低频分量测量不准的缺陷，极大提高了剩磁评估精度。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明剩磁对励磁涌流的影响示意图；
图2为本发明铁芯磁滞回线图；
图3为本发明掉电后磁场瞬变示意图；
图4为本发明阻容分压电压互感器原理图；
图5本发明阻容分压电压互感器频率响应图；
图6为本发明具体实施例二中电网示意图；
图7为本发明具体实施例二中500kV乡城站主变母线电压曲线图；
图8为本发明具体实施例二中500kV乡城站主变母线实测电压及重构电压曲线图；
图9为本发明具体实施例二中500kV乡城站母线实测电压及重构电压曲线图；
图10为本发明具体实施例二中500kV乡城站主变磁链变化曲线图；
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例一
如图1～5所示，一种基于电压衰减过程变区域积分的剩磁评估方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：S1：通过检测变压器端口电压突变时刻，确定变压器间隔断路器开断时刻；S2：变压器间隔断路器开断时刻为起点，通过选取积分区间，对铁芯端电压进行积分,计算变压器铁芯剩磁；S3：对积分时产生的外部干扰进行去噪，为通过电压互感器二次侧电压重构一次侧电压，可对CVT输出电压经过其传递函数反向处理，进行电压波形重构后再用于剩磁预估。
在实际操作时，开断变压器或对变压器进行一些预防性试验时，由于变压器铁芯具有磁滞特性，在铁芯中会残留磁通，即变压器剩磁。一般情况下，剩磁一旦产生，便会长时间存在于铁芯中，不会自然消失。空载变压器合闸时的励磁涌流与铁芯中剩磁的大小和方向有很密切的联系，对剩磁的有效并且准确的计算就成为研究削减励磁涌流的重要前提。
进一步地，所述步骤S1在变压器一次侧断路器分闸之后，由于存在端口耦合电容的作用，变压器绕组上的电压不会立即降到零，而是有一个衰减的过程，电能和磁能转换过程结束之后，变压器绕组上的电压才会降到零。
进一步地，所述步骤S2所述铁芯端电压进行积分时，由于断路器开断后，变压器电压存在暂态振荡，为了减小电压测量误差对于剩磁测量值的影响，电压积分只能在几个系统周期的合理时间窗[t1，t2]内进行。
所述步骤S3采用的去噪方式为GIS电容分压，通过GIS电容分压进行电压变换。通过GIS电容分压，利用电容分压原理实现电压变换，将柱状电容环套在导电线路外，柱状电容环及其等效接地电容构成了电容分压的基本回路。
在开断变压器或对变压器进行一些预防性试验时，由于变压器铁芯具有磁滞特性，在铁芯中会残留磁通，即变压器剩磁。一般情况下，剩磁一旦产生，便会长时间存在于铁芯中，不会自然消失。空载变压器合闸时的励磁涌流与铁芯中剩磁的大小和方向有很密切的联系，对剩磁的有效并且准确的计算就成为研究削减励磁涌流的重要前提。变压器铁芯在失电后铁芯磁通的变化过程称为反磁化过程。在交变磁场中磁性材料的交变磁化过程可用磁滞回线来描述，如图2所示。磁滞回线是由两条相互对称的反磁化曲线组成。由于磁滞回线是对称的，可仅取曲线上半部分(即1、2象限)进行说明。图2中，ab段是可逆段，当磁势H由0上升至Hm时，磁通沿ab升至峰值；同样当变电压失电后，当磁势H由Hm下降至0，磁通沿ab曲线下降，并保持为Br，这便是剩磁。根据上述原理，当给变压器绕组施加交流电压时，由于电压极性正负交变，于是磁路中的磁通极性也在磁滞回线上来回变化，如在1、2象限时撤除磁势，则剩磁为正或零，在3、4象限撤除磁势则剩磁为负或零。当铁磁体在外加磁势撤除之后磁通降到Br后即到达平衡态。
图3描述了掉电后磁场瞬变的示意路径。实际情况下，掉电后磁场并不是立即从B0变化到Br，而是先立即降到B’，然后才逐渐达到平衡态Br。其中从B0到B’与时间无关，几乎是瞬间完成的。而从B’到Br称为磁后效阶段，该阶段的过渡也在短时间内完成，过渡时间通常情况下以毫秒计。由此可见，变压器剩磁的产生主要出现在变压器失电的几个毫秒内，而这种失电操作则往往是通过电力系统交流断路器动作实现的，本文后续分析即根据断路器动作后的电气量变化展开。
实施例二
如图6～10所示，本实施例在实施例一基础上进行具体列举，本节将该方法应用到联网调试现场，针对乡城站空充主变操作进行仿真验证，试验电网拓扑如图6所示，电网负荷情况约为35MW，各发电厂出力及乡城主变参数如表1、表2所示：表1相关发电厂出力情况
| 电厂 | 电场A | 电场B | 电场C | 电场D | 电场E |
| 出力/MW | 60 | 60 | 12 | 16 | 60 |
| 电厂 | 电场F | 电场G | 电场H | 电场I | 电场J |
| 出力/MW | 150 | 120 | 114 | 120 | 21 |
表1相关发电厂出力情况
| 容量(MVA) | 绕组连接方式 | P12(kW) | P23(kW) | P31(kW) |
| 1000/1000/300 | YG/YG/D | 898.2 | 317.4 | 316.2 |
| V12(％) | V23(％) | V31(％) | P0(kW) | I0(％) |
| 12.8 | 28.54 | 43.45 | 177.1 | 0.07 |
表2乡城主变参数
步骤1：将现场操作录波结果导出，检测变压器端口电压突变时刻，确定变压器间隔断路器开断时刻，如图7所示，A相断开时间为65.8ms，B相断开时间为64.2ms，C相断开时间为70.9ms。
步骤2：基于CVT的频谱特性，将变压器母线输出电压经过其传递函数反向处理，并对电压波形进行重构，重构前后电压波形如图8所示；
步骤3：根据乡城站变压器断路器开端时间以及重构电压波形，确定剩磁变积分计算区域，如图9所示；
步骤4：根据A、B、C三相剩磁变积分区域进行剩磁估算，可以得到主变三相磁链变化，如图10所示，A、B、C三相剩磁分别为额定磁通的15.7％、-7.8％、-0.03％。
步骤5：为验证剩磁评估结果的正确性，对主变空载合闸后的励磁涌流进行全电磁暂态仿真，并与实测涌流值进行对比。变压器剩磁按照图10所示计算结果，分别为A相15.7％、B相-7.8％、C相-0.03％，结果如表3所示。分析可知，仿真出的励磁涌流与实际录波较为吻合，A、B、C三相涌流最大值和实测结果误差可以控制在5％以内，从而验证该方法应用在剩磁测量的正确性和实用性。
| A相最大 | B相最大 | C相最大 | |
| 计算值 | 1062 | 352 | 1510 |
| 实测值 | 1070 | 406 | 1508 |
表3励磁涌流计算结果(单位：A)
一种基于电压衰减过程变区域积分的剩磁系统，，包括：检测单元，用于检测变压器端口电压，确定变压器间隔短路器开断时刻；积分单元，用于以变压器间隔断路器开断时刻为起点，在预先设定的积分区间内对铁芯端电压进行积分，获取变压器铁芯端剩磁数据。进一步包括：重构单元，用于对积分单元积分时产生的外部干扰进行去噪，进行电压波形重构后，反馈至积分单元进行剩磁预估。所述重构单元，包括：电压重构子单元，用于为通过电容式电压互感器的二次侧电压重构一次侧电压；计算子单元，用于根据重构的一次侧电压的等效电路，得出一次侧电压输入和二次侧电压输出间的幅值、传递函数；波形重构子单元，用于对电容式电压互感器输出电压经过的传递函数进行反向处理，结合所述幅值进行电压波形重构。
以GIS普遍应用的阻容分压电压互感器为例，它利用电容分压原理实现电压变换，将柱状电容环套在导电线路外，柱状电容环及其等效接地电容构成了电容分压的基本回路，如图4所示。图中C1、C2分别为高、低压电容，U1为被测一次电压，U2为二次输出电压。利用220kV电压互感器的实际参数，对图4所示的互感器进行频谱分析，得到频率响应如图5中所示。由图可知，CVT对低频信号具有较强的衰减特性，会影响输入信号的直流分量。因此直接对CVT的测量输出进行积分不能获得正确的剩磁。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于电压衰减过程变区域积分的剩磁评估方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
S1：通过检测变压器端口电压突变时刻，确定变压器间隔断路器开断时刻；
S2：变压器间隔断路器开断时刻为起点，在预先选取的积分区间，对铁芯端电压进行积分,计算变压器铁芯剩磁。
2.根据权利要求1所述的一种基于电压衰减过程变区域积分的剩磁评估方法，其特征在于，进一步包括：
S3：对积分时产生的外部干扰进行去噪，重构电压波形后再次预估变压器铁芯剩磁。
3.根据权利要求2所述的一种基于电压衰减过程变区域积分的剩磁评估方法，其特征在于，所述重构电压波形，包括：
为通过电容式电压互感器的二次侧电压重构一次侧电压；
根据重构的一次侧电压的等效电路，得出一次侧电压输入和二次侧电压输出间的幅值、传递函数；
对电容式电压互感器输出电压经过的传递函数进行反向处理，结合所述幅值进行电压波形重构。
4.根据权利要求1所述的一种基于电压衰减过程变区域积分的剩磁评估方法，其特征在于，所述步骤S2所述铁芯端电压进行积分时，在断路器开断后，变压器电压存在暂态振荡，，电压积分在设定的时间窗[t1，t2]内进行。
5.根据权利要求2所述的一种基于电压衰减过程变区域积分的剩磁评估方法，其特征在于，所述步骤S3采用的去噪方式为GIS电容分压，通过GIS电容分压进行电压变换。
6.根据权利要求5所述的一种基于电压衰减过程变区域积分的剩磁评估方法，其特征在于，通过GIS电容分压，利用电容分压原理实现电压变换，将柱状电容环套在导电线路外，柱状电容环及其等效接地电容构成了电容分压的基本回路。
7.根据权利要求1所述的一种基于电压衰减过程变区域积分的剩磁评估方法，其特征在于，所述步骤S2中的测量积分在时间窗[t1，t2]内完成，在时刻点t1，t2上进行定积分，得其中为电源激励变压器产生的磁通，U(t)为端口电压峰值。
8.一种基于电压衰减过程变区域积分的剩磁系统，其特征在于，包括：
检测单元，用于检测变压器端口电压，确定变压器间隔短路器开断时刻；
积分单元，用于以变压器间隔断路器开断时刻为起点，在预先设定的积分区间内对铁芯端电压进行积分，获取变压器铁芯端剩磁数据。
9.根据权利要求8所述的一种基于电压衰减过程变区域积分的剩磁系统，其特征在于，进一步包括：
重构单元，用于对积分单元积分时产生的外部干扰进行去噪，进行电压波形重构后，反馈至积分单元进行剩磁预估。
10.根据权利要求9所述的一种基于电压衰减过程变区域积分的剩磁系统，其特征在于，所述重构单元，包括：
电压重构子单元，用于为通过电容式电压互感器的二次侧电压重构一次侧电压；
计算子单元，用于根据重构的一次侧电压的等效电路，得出一次侧电压输入和二次侧电压输出间的幅值、传递函数；
波形重构子单元，用于对电容式电压互感器输出电压经过的传递函数进行反向处理，结合所述幅值进行电压波形重构。
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