CN111342428A - 一种基于温度特性的变压器保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于温度特性的变压器保护方法，其步骤包括：1构建PSO算法的适应值；2构建变压器的等效模型；3将等效模型输入PSO算法中，得到最优参数；4根据最优参数得到最优等效模型，再根据最优等效模型中磁场强度H的最优值，计算变压器励磁涌流中的二次谐波差流；5根据二次谐波差流ΔI与二次谐波制动比的比较结果，执行保护开关动作。本发明能准确获取变压器二次谐波，并利用二次谐波进行开关运行判断，从而能实现变压器的保护开关正确动作，并提高电网运行的可靠性。

Description

一种基于温度特性的变压器保护方法

技术领域

本发明涉及基于温度特性的变压器保护方法领域，尤其涉及一种基于温度特性的变压器保护方法。

背景技术

电能质量引起的线路设备温升问题得到越来越广泛的关注。变压器作为电力系统中能量传输、安全隔离的重要一环，在电网中承担着重要作用。变压器的保护问题是保证电网安全运行的重要一环，变压器发生励磁涌流时会采用二次谐波制动。二次谐波制动是指在变压器在空载合闸时会发生励磁涌流，利用励磁涌流中的二次谐波含量与基波做差流比，大于整定值时制动。电网运行中变压器二次谐波制动会因为采样时二次谐波含量较低导致保护失败。

J-A模型可以描述变压器内部磁通的变化，但模型未考虑建模过程中损耗等影响因素，同时不能反映磁化过程中的温度特性。在进行二次谐波制动时，利用J-A模型构造的变压器模型往往忽略了温度在其中的影响，会导致构造的变压器精度不足。利用J-A模型构建的变压器等效模型中，参数识别目前有GA遗传算法、差分进化算法识别模型参数。针对变压器等效模型的参数识别，以上非线性算法对初始值的要求较高，从而导致计算过程较为复杂。

发明内容

本发明是为了克服现有技术的不足，提出一种基于温度特性的变压器保护方法，以期能准确获取变压器二次谐波，并利用二次谐波进行开关运行判断，从而能实现变压器的保护开关正确动作，并提高电网运行的可靠性。

本发明为达到上述发明目的，采用如下技术方案：

本发明一种基于温度特性的变压器保护方法的特点在于，包括如下步骤：

步骤1、分别采样运行中变压器的N个磁感应强度{M_n|n＝1,2,…,N}和温度T₀；M_n表示第n个磁感应强度；

步骤2、利用式(1)构建PSO算法的适应值F：

式(1)中，M′为PSO算法计算的磁感应强度；

步骤3、利用式(2)构造变压器的温度系数T_i：

式(2)中，β₁为临界指数，T_c为居里温度；

步骤4、结合所述温度系数T_i和J-A模型，利用式(3)构建变压器的等效模型：

式(3)中，M表示变压器实际的磁化强度，H表示磁场强度，P_e为变压器的涡流损耗，P_ex为变压器的额外损耗，μ₀为变压器材料的磁导率，δ为变压器磁化的方向系数，A表示中间变量，并有：

式(4)中，α表示平均场参数，H_e表示有效磁场强度，c为可逆磁化系数，k为变压器材料的磁畴间牵引系数；

式(3)中，M_an表示变压器无磁滞磁化强度，并有：

M_an＝M_s[coth(H_e/a)-(a/H_e)] (5)

式(5)中，M_s表示变压器饱和磁化强度，a表示变压器无磁滞磁化强度时的形状参数，coth(·)表示双曲余切函数；

步骤5、将所述等效模型输入PSO算法中，得到最优参数：

步骤5.1、定义循环变量为n，并初始化n＝1；

步骤5.2、利用PSO算法随机生成初始参数并作为第n次循环的参数，所述初始参数包括：Ms、a、k、c、α、T_i；

步骤5.3、将第n次循环的参数传递给所述等效模型，并利用式(1)计算第n次循环的适应值J_n；

步骤5.4、判断第n次循环的适应值J_n是否满足精度要求，若满足，则输出第n次循环的参数并作为最优参数，否则，将n+1赋值给n后，返回步骤5.2；

步骤6、将所述最优参数带入所述等效模型中，从而得到最优等效模型，再根据所述最优等效模型中磁场强度H的最优值，得到变压器涌流中二次谐波含量的幅值I₁和变压器励磁涌流中基波分量的幅值I₂；从而利用式(6)计算变压器励磁涌流中的二次谐波差流ΔI：

ΔI＝I₁/I₂ (6)

步骤7、比较二次谐波差流ΔI与二次谐波制动比K：若ΔI＞K，则变压器执行保护开关动作；否则，变压器不执行保护开关动作。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明针对变压器运行中的温度状态不同，对变压器实际过程中电压、电流、温度进行采样，基于采样值结合J-A模型、PSO算法、温度系数共同构建变压器模型，利用等效模型计算出变压器励磁涌流中的二次谐波，进行二次谐波制动保护，克服了在电网二次谐波保护中二次谐波含量过低的问题，从而能使变压器的保护开关正确动作，提高了电网运行的可靠性。

2、本发明在J-A模型中考虑了损耗问题，采用在J-A模型中添加涡流损耗与额外损耗的方法，克服了变压器等效模型无法完整描述损耗的问题，提高了变压器等效模型对损耗的描述精度。

3、本发明在J-A模型中考虑了温度特性，采用温度系数调整变压器等效模型的方法，得到在不同温度情况下变压器的二次谐波电流情况，克服了变压器等效模型无法反映温度的问题，提高了变压器模型的精度。

4、本发明采用PSO算法对等效模型的参数进行识别的方法，克服了其他算法在计算时存在的对初始值要求过高问题，降低了计算的复杂度。

附图说明

图1是本发明保护方法流程图。

具体实施方式

本实施例中，一种基于温度特性的变压器保护方法包括如下步骤：

步骤1、分别采样运行中变压器的N个磁感应强度{M_n|n＝1,2,…,N}和温度T₀；M_n表示第n个磁感应强度；在短时间内多次进行磁感应强度的测量，避免了采样精度问题而影响建模。

步骤2、利用式(1)构建PSO算法的适应值F：

式(1)中，M′为PSO算法计算的磁感应强度；

PSO算法从动物的运动捕食为出发点，模拟鱼群等生物的捕食特性，使结果具有遗传性、共享性。PSO算法的标准计算方法为，由PSO随机产生一组数值，数值在空间中搜寻问题的最优解，在寻优的过程中，数值集合为一个点，该点不断调整速度和位置，确定粒子的P_t、G_t，其调整式如式(2)所示：

式(2)中，x为粒子位置；v为粒子的速度；ω为惯性因子；t为迭代次数；c₁、c₂为加速因子；P_t为第t次迭代的最优位置；G_t为第t次迭代的最优值。

目前的算法有GA遗传算法识别模型参数、利用差分进化算法识别模型参数、利用最小二乘法识别模型参数、利用测量值耦合识别模型参数、利用确定函数识别模型参数、利用模拟退火算法识别模型参数、蛙跳模糊算法识别模型参数。针对J-A模型的参数识别，以上非线性算法对初始值的要求较高，PSO采用粒子群算法识别模型参数，有效避免参数的初始值选取问题。

算法中适应值的精度可根据实际状况选取，一般选取0-0.01，在进行多数据处理时一般选取0.01进行。进行变压器模型参数识别时，可将其设为0.01。

步骤3、利用式(3)构造变压器的温度系数T_i：

式(3)中，β₁为临界指数，T_c为居里温度；

步骤4、结合温度系数T_i和J-A模型，利用式(4)构建变压器的等效模型：

式(4)中，M表示变压器实际的磁化强度，H表示磁场强度，P_e为变压器的涡流损耗，P_ex为变压器的额外损耗，μ₀为变压器材料的磁导率，δ为变压器磁化的方向系数，A表示中间变量，并有：

式(5)中，α表示平均场参数，H_e表示有效磁场强度，c为可逆磁化系数，k为变压器材料的磁畴间牵引系数；

式(4)中，M_an表示变压器无磁滞磁化强度，并有：

M_an＝M_s[coth(H_e/a)-(a/H_e)] (6)

式(6)中，M_s表示变压器饱和磁化强度，a表示变压器无磁滞磁化强度时的形状参数。coth(·)表示双曲余切函数；

J-A模型内部机理为磁畴壁的运动过程，磁滞现象即为磁畴壁在阻力下的运动过程，无磁滞磁化时磁畴壁在运动中不受阻碍。无磁滞磁化时，内部磁场能量与外部施加能量相同。

具体实施中，变压器等效动态磁化模型实际磁化强度可由式(7)表示：

M＝M_irr+M_rev (7)

式(7)中，M_irr为不可逆磁化部分，M_rev为可逆量。能量守恒等式如式8)：

式(8)中，δ为方向系数，当

当

可逆量用式(9)表示：

M_rev＝c(M_an-M_irr) (9)

具体实施中，为了避免J-A模型中能量不平衡，引入涡流损耗P_e和额外损耗P_ex：

式(10)和式(11)中，σ为电导率，e为叠片厚度，β为结构参数，S为横截面积，G为耦合常数，V₀为耦合场参数。通过温度系数对最大磁化强度和损耗进行调整，通过在p_e、p_ex、Ms前添加温度系数调整其温度特性。

步骤5、将等效模型输入PSO算法中，得到最优参数，如图1中所示。

步骤5.1、定义循环变量为n，并初始化n＝1；

步骤5.2、利用PSO算法随机生成初始参数并作为第n次循环的参数，初始参数包括：Ms、a、k、c、α、T_i；

步骤5.3、将第n次循环的参数传递给等效模型，并利用式(1)计算第n次循环的适应值J_n；

步骤5.4、判断第n次循环的适应值J_n是否满足精度要求，若满足，则输出第n次循环的参数并作为最优参数，否则，将n+1赋值给n后，返回步骤5.2；

步骤6、将最优参数带入等效模型中，从而得到最优等效模型，再根据最优等效模型中磁场强度H的最优值，得到变压器涌流中二次谐波含量的幅值I₁和变压器励磁涌流中基波分量的幅值I₂；从而利用式(6)计算变压器励磁涌流中的二次谐波差流ΔI：

ΔI＝I₁/I₂ (12)

步骤7、比较二次谐波差流ΔI与二次谐波制动比K：若ΔI＞K，则变压器的保护开关动作；否则，变压器的保护开关不动作。

Claims (1)

1.一种基于温度特性的变压器保护方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、分别采样运行中变压器的N个磁感应强度{M_n|n＝1,2,…,N}和温度T₀；M_n表示第n个磁感应强度；

步骤2、利用式(1)构建PSO算法的适应值F：

式(1)中，M′为PSO算法计算的磁感应强度；

步骤3、利用式(2)构造变压器的温度系数T_i：

式(2)中，β₁为临界指数，T_c为居里温度；

步骤4、结合所述温度系数T_i和J-A模型，利用式(3)构建变压器的等效模型：

式(3)中，M表示变压器实际的磁化强度，H表示磁场强度，P_e为变压器的涡流损耗，P_ex为变压器的额外损耗，μ₀为变压器材料的磁导率，δ为变压器磁化的方向系数，A表示中间变量，并有：

式(4)中，α表示平均场参数，H_e表示有效磁场强度，c为可逆磁化系数，k为变压器材料的磁畴间牵引系数；

式(3)中，M_an表示变压器无磁滞磁化强度，并有：

M_an＝M_s[coth(H_e/a)-(a/H_e)] (5)

式(5)中，M_s表示变压器饱和磁化强度，a表示变压器无磁滞磁化强度时的形状参数，coth(·)表示双曲余切函数；

步骤5、将所述等效模型输入PSO算法中，得到最优参数：

步骤5.1、定义循环变量为n，并初始化n＝1；

步骤5.2、利用PSO算法随机生成初始参数并作为第n次循环的参数，所述初始参数包括：Ms、a、k、c、α、T_i；

步骤5.3、将第n次循环的参数传递给所述等效模型，并利用式(1)计算第n次循环的适应值J_n；

步骤5.4、判断第n次循环的适应值J_n是否满足精度要求，若满足，则输出第n次循环的参数并作为最优参数，否则，将n+1赋值给n后，返回步骤5.2；

步骤6、将所述最优参数带入所述等效模型中，从而得到最优等效模型，再根据所述最优等效模型中磁场强度H的最优值，得到变压器涌流中二次谐波含量的幅值I₁和变压器励磁涌流中基波分量的幅值I₂；从而利用式(6)计算变压器励磁涌流中的二次谐波差流ΔI：

ΔI＝I₁/I₂ (6)

步骤7、比较二次谐波差流ΔI与二次谐波制动比K：若ΔI＞K，则变压器执行保护开关动作；否则，变压器不执行保护开关动作。

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