CN112039021A - 基于差分波形参量的变压器励磁涌流鉴别方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于差分波形参量的变压器励磁涌流鉴别方法，属于电力系统继电保护技术领域，所要解决的技术问题是变压器保护中的励磁涌流识别问题。本发明所述方法包括以下步骤：对变压器差动电流进行采样，求取差分数据；通过矩阵运算，求取差分波形的自偏差系数P；如果自偏差系数P小于阈值P_set，则判定为正弦故障电流；否则，找出排序后的差分波形的拐点，求取拐点前、后的面积比系数B；如果面积比系数B小于阈值B_set，则判定为励磁涌流，将对差动保护实施闭锁；否则，仍判定为故障电流，将允许差动保护动作。本发明所述方法能够有效应对饱和的励磁涌流、饱和的故障电流、电弧故障电流等，具有很高的可靠性。

Description

基于差分波形参量的变压器励磁涌流鉴别方法

技术领域

本发明涉及一种基于差分波形参量的变压器励磁涌流鉴别方法，属于电力系统继电保护技术领域。

背景技术

在电力系统中，电力变压器是实施电能变换与分配的重要部件。电力变压器普遍配置的差动保护，在变压器发生短路故障时，将快速动作，切除故障。然而，变压器产生的励磁涌流，本身并不属于故障电流，却容易渗透到变压器差动回路中，成为一个数值很大的不平衡电流。这导致，励磁涌流容易被认定为故障电流，从而导致差动保护误动作。

为了消除励磁涌流对变压器差动保护的不利影响，需要在差动保护动作之前，对变压器差动回路中的电流进行鉴别。若变压器差动回路中的电流经鉴别属于励磁涌流，则闭锁差动保护，避免保护误动作；若变压器差动回路中的电流经鉴别不属于励磁涌流，则判定发生了短路故障，将开放差动保护，使保护可靠动作。

现有的励磁涌流鉴别方法并不是尽善尽美的。实际工程中应用最多的二次谐波判据和间断角识别法，受变压器铁芯材料改进和生产工艺升级的影响，可靠性已逐年降低；并且，此二种方法在短路故障电流导致CT饱和的情况下，可能失效。新近提出的方法，如波形对称性原理、数学形态学法、人工神经网络法、支持向量机法等，在某些特定的方面实现了改进。但是，它们难以有效应对变压器正常运行或故障情况下的所有类型的电流。例如，饱和的励磁涌流、饱和的故障电流、电弧故障电流等。变压器差动回路中出现这些电流时，可能导致已有的励磁涌流鉴别方法产生误判。

因此，有必要革新变压器励磁涌流鉴别方法，提升变压器保护的动作可靠性。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术易受饱和的励磁涌流、饱和的故障电流、电弧故障电流干扰的缺点，提供一种可靠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：

步骤1：对变压器差动回路中的差动电流进行采样，得到差动电流信号数据；

步骤2：根据式(1)求取差分数据；

X(k)＝i(k)-i(k-3) (1)

式(1)中，i(k)和i(k-3)为差动电流信号的采样值，k和k-3为采样序号，X(k)为所求得的差分数据；

步骤3：根据差分数据得到差分波形，求取差分波形的自偏差系数P；如果自偏差系数P小于阈值P_set，则判定变压器差动回路中的差动电流为正弦故障电流，将允许差动保护动作；否则，进入步骤4；

步骤4：将差分数据取绝对值后按照从小到大排序，并得到排序后的差分波形；找出排序后的差分波形的拐点，根据拐点前、后的差分数据，求取面积比系数B；如果面积比系数B小于阈值B_set，则判定变压器差动回路中的差动电流为励磁涌流，将对差动保护实施闭锁；否则，判定变压器差动回路中的差动电流为饱和的故障电流或电弧故障电流，将允许差动保护动作。

优选的，其中步骤3中的自偏差系数P根据以下步骤求得：

第1步：根据式(2)、式(3)、式(4)、式(5)，分别求取矩阵Q、U、V、W：

式中，N为一个工频周期的采样次数；

第2步：将矩阵Q、U、V、W代入式(6)，求取矩阵E、F、G、H：

式(6)中，矩阵Z1、Z2、Z3、Z4由差分数据组成，且

第3步：根据式(7)求取中间系数θ₁、θ₂、θ₃、θ₄：

式(7)中，

第4步：根据式(8)求取自偏差系数P：

式(8)中，P为自偏差系数。

优选的，其中步骤4中排序后的差分波形的拐点为距离斜边最远的点，具体通过以下步骤求得：

第1步：将{X(k)}取绝对值后按照从小到大排序，然后依照从小到大的次序赋值给{Y(k)}；

第2步：根据式(9)，求取排序后的差分波形中的每个点与斜边之间的距离D(k)；

第3步：找出{D(k)}中数值最大的元素，{D(k)}中数值最大的元素的序号对应于所求拐点。

优选的，其中步骤4中面积比系数B根据式(10)求得：

式(10)中，β为{D(k)}中数值最大的元素的序号。

优选的，其中阈值P_set的取值为0.4。

优选的，其中阈值B_set的取值为0.35。

本发明所述方法主要基于以下原理与技术：

1)基于矩阵运算的自偏差系数

变压器故障电流信号属于正弦信号。正弦信号的正弦特性体现在，经差分运算后，其差分波形仍然呈现很强的正弦性。而励磁涌流却不然。励磁涌流信号本身便呈现较强的畸变性，经差分运算后，其差分波形畸变性更为显著；从波形上看，其差分波形完全不具备正弦形态。

本发明所述方法，对一个周期内的差分波形进行均等的四分段。这四个等分段波形对应的数据分别为矩阵Z1、Z2、Z3、Z4。

利用这四个等分段波形，分别派生出四个全周期的正弦波形。如前述矩阵运算所示，所派生出的这四个正弦波形的参数分别为矩阵E、F、G、H。矩阵E、F、G、H均为3行1列的矩阵。其中，矩阵的第1行元素代表所派生波形的正弦分量；第2行元素代表所派生波形的实部；第3行元素代表所派生波形的虚部。根据这四个参数矩阵，可以求得所派生出的这四个正弦波形对应的数据分别为矩阵OE、OF、OG、OH。

根据式(7)，可求得四个偏差系数θ₁、θ₂、θ₃、θ₄。对这四个偏差系数求平均，即可求得本发明所述的自偏差系数P。

故障电流差分波形的正弦特性导致所求得的自偏差系数P必然很小；而励磁涌流差分波形不具备正弦形态，所求得的自偏差系数P必然很大。选取合适的阈值P_set，则可通过自偏差系数P识别(或排除)正弦的故障电流。

2)基于距离判据的波形拐点识别技术

为了克服已有的励磁涌流鉴别方法易受饱和的励磁涌流、饱和的故障电流、电弧故障电流干扰的缺点，本发明所提方法通过技术手段对励磁涌流、饱和的励磁涌流、饱和的故障电流、电弧故障电流进行区分。

励磁涌流、饱和的励磁涌流、饱和的故障电流、电弧故障电流的波形示例分别如附图中图2(a)～2(d)所示；它们的差分波形示例分别如图2(e)～2(h)所示；经排序后的差分波形示例分别如图2(i)～2(l)中实线波形所示。图2(i)～2(l)中虚线代表斜边。

在图2(i)～2(l)中，实线波形(即排序后的差分波形)在斜边的下方存在拐点。实线波形的拐点为距离斜边最远的点。通过上述式(9)可求取实线波形中的每个点与斜边之间的距离D(k)。然后，找出{D(k)}中数值最大的元素，该元素的序号即对应于所求拐点。

3)识别畸变类别的面积比系数

在本发明中，把排序后的差分波形定义(或命名)为预波形。附图中图3(a)～3(d)分别展示了励磁涌流、饱和的励磁涌流、饱和的故障电流、电弧故障电流的预波形。这四个波形的拐点也被标记在图中。并且，从拐点向横坐标轴做了一条垂线。把预波形中拐点之前的波形与横坐标轴、纵坐标轴、拐点垂线围成的图形定义为S1，把预波形中拐点之后的波形与横坐标轴、纵坐标轴、拐点垂线围成的图形定义为S2。在图3(a)～3(d)中，也已标记出S1和S2的位置。

根据预波形(即排序后的差分波形)中拐点前、后的差分数据，求取S1和S2的面积比系数B。具体求解公式见式(10)。

对于饱和的故障电流、电弧故障电流，此二种电流的波形中畸变相对整体波形而言较为急剧。这种畸变急剧性体现在差分波形中，也体现在预波形(即排序后的差分波形)中，最终导致所求得的面积比系数B的数值很大。另一方面，对于励磁涌流、饱和的励磁涌流，此二种电流的波形中畸变相对整体波形而言较为平缓，最终所求得的面积比系数B的数值也将很小。

选取合适的阈值B_set，则可通过面积比系数B做进一步区分：如果面积比系数B小于阈值B_set，则判定变压器差动回路中的差动电流为励磁涌流(包括普通的励磁涌流和饱和的励磁涌流)，将对差动保护实施闭锁；否则，判定变压器差动回路中的差动电流为饱和的故障电流或电弧故障电流，将允许差动保护动作。

基于以上原理和技术，本发明所述方法能够可靠区分励磁涌流与故障电流。并且，相比于已有的励磁涌流鉴别方法，本发明所述方法能够有效应对饱和的励磁涌流、饱和的故障电流、电弧故障电流等，避免这些电流信号所导致的误判。

附图说明

图1为本发明所述方法的实施流程图。

图2为励磁涌流、饱和的励磁涌流、饱和的故障电流、电弧故障电流的波形对比图。

图3为排序后的差分波形及其拐点位置的示意图。

图4为本发明实施例中励磁涌流波形及所求得的系数值变化图。

图5为本发明实施例中饱和的励磁涌流波形及所求得的系数值变化图。

图6为本发明实施例中短路故障电流波形及所求得的系数值变化图。

图7为本发明实施例中饱和的故障电流波形及所求得的系数值变化图。

图8为本发明实施例中电弧故障电流波形及所求得的系数值变化图。

具体实施方式

下文结合附图和实施例对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地解释本发明的实施方式，但本发明的实施方式不限于此。

实施例：

在MATLAB\Simulink仿真平台上建立仿真模型，进行仿真测试。仿真模型包括一台220/110kV、20MVA的电力变压器，用以产生励磁涌流和内部短路故障电流。设置4kHz的采样频率，采集电力变压器差动回路中的电流。仿真产生励磁涌流、饱和的励磁涌流、短路故障电流、饱和的故障电流、电弧故障电流分别如附图中图4(a)、图5(a)、图6(a)、图7(a)、图8(a)所示。根据本发明所述方法的实施步骤，对电流信号进行鉴别。

具体鉴别步骤如下：

步骤1：对变压器差动回路中的差动电流进行采样，得到差动电流信号数据。

步骤2：通过差动电流信号数据，根据式(1)求取差分数据。

步骤3：根据差分数据得到差分波形。当差动电流属于励磁涌流、饱和的励磁涌流、短路故障电流、饱和的故障电流、电弧故障电流时，他们的差分波形分别如附图中图4(b)、图5(b)、图6(b)、图7(b)、图8(b)所示。

在差分波形基础上，根据式(2)～式(8)，求取差分波形的自偏差系数P。

当差动电流属于励磁涌流、饱和的励磁涌流、短路故障电流、饱和的故障电流、电弧故障电流时，所求得的自偏差系数P的实时变化值分别如附图中图4(c)、图5(c)、图6(c)、图7(c)、图8(c)所示。令阈值P_set等于0.4。

容易发现：图6(c)中自偏差系数P的实时变化值始终小于阈值P_set，因此可判定图6(a)中的差动电流为正弦故障电流，将允许差动保护动作；图4(c)、图5(c)、图7(c)、图8(c)中自偏差系数P的实时变化值始终大于阈值P_set，将进入步骤4，做进一步鉴别。

步骤4：将差分数据取绝对值后按照从小到大排序，并得到排序后的差分波形；然后，找出排序后的差分波形的拐点，根据拐点前、后的差分数据，求取面积比系数B。

对于励磁涌流、饱和的励磁涌流、饱和的故障电流、电弧故障电流，所求得的面积比系数B的实时变化值分别如附图中图4(d)、图5(d)、图7(d)、图8(d)所示。令阈值B_set等于0.35。

容易发现：图4(d)和图5(d)中面积比系数B的实时变化值始终小于阈值B_set，因此可判定图4(a)和图5(a)中的差动电流为励磁涌流，将对差动保护实施闭锁；图7(d)和图8(d)中面积比系数B的实时变化值始终大于阈值B_set，因此可判定图7(a)和图8(a)中的差动电流为饱和的故障电流或电弧故障电流，将允许差动保护动作。

综合上述鉴别结果，本发明所述方法将图4(a)和图5(a)中所示的电流判定为励磁涌流，并且将图6(a)、图7(a)、图8(a)中所示电流判定为故障电流。这与预设电流类别相符。这表明，本发明所述方法能够正确鉴别励磁涌流。

以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出：本发明的保护范围并不限于上述实施例；在本技术领域范围内，在不脱离本发明原理的前提下，所做出的若干简单改变、润饰、简化、替代和组合，都应落在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于差分波形参量的变压器励磁涌流鉴别方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

步骤1：对变压器差动回路中的差动电流进行采样，得到差动电流信号数据；

步骤2：根据式(1)求取差分数据；

X(k)＝i(k)-i(k-3) (1)

式(1)中，i(k)和i(k-3)为差动电流信号的采样值，k和k-3为采样序号，X(k)为所求得的差分数据；

步骤3：根据差分数据得到差分波形，求取差分波形的自偏差系数P；如果自偏差系数P小于阈值P_set，则判定变压器差动回路中的差动电流为正弦故障电流，将允许差动保护动作；否则，进入步骤4；

步骤4：将差分数据取绝对值后按照从小到大排序，并得到排序后的差分波形；找出排序后的差分波形的拐点，根据拐点前、后的差分数据，求取面积比系数B；如果面积比系数B小于阈值B_set，则判定变压器差动回路中的差动电流为励磁涌流，将对差动保护实施闭锁；否则，判定变压器差动回路中的差动电流为饱和的故障电流或电弧故障电流，将允许差动保护动作。

2.根据权利要求1所述的基于差分波形参量的变压器励磁涌流鉴别方法，其特征在于，所述步骤3中的自偏差系数P根据以下步骤求得：

第1步：根据式(2)、式(3)、式(4)、式(5)，分别求取矩阵Q、U、V、W：

式中，N为一个工频周期的采样次数；

第2步：将矩阵Q、U、V、W代入式(6)，求取矩阵E、F、G、H：

式(6)中，矩阵Z1、Z2、Z3、Z4由差分数据组成，且

第3步：根据式(7)求取中间系数θ₁、θ₂、θ₃、θ₄：

式(7)中，

第4步：根据式(8)求取自偏差系数P：

式(8)中，P为自偏差系数。

3.根据权利要求1所述的基于差分波形参量的变压器励磁涌流鉴别方法，其特征在于，所述步骤4中排序后的差分波形的拐点为距离斜边最远的点，具体通过以下步骤求得：

第1步：将{X(k)}取绝对值后按照从小到大排序，然后依照从小到大的次序赋值给{Y(k)}；

第2步：根据式(9)，求取排序后的差分波形中的每个点与斜边之间的距离D(k)；

第3步：找出{D(k)}中数值最大的元素，{D(k)}中数值最大的元素的序号对应于所求拐点。

4.根据权利要求1所述的基于差分波形参量的变压器励磁涌流鉴别方法，其特征在于，所述步骤4中面积比系数B根据式(10)求得：

式(10)中，β为{D(k)}中数值最大的元素的序号。

5.根据权利要求1所述的基于差分波形参量的变压器励磁涌流鉴别方法，其特征在于，所述步骤3中阈值P_set的取值为0.4。

6.根据权利要求1所述的基于差分波形参量的变压器励磁涌流鉴别方法，其特征在于，所述步骤4中阈值B_set的取值为0.35。

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