CN112487742B - 适用于配电变压器低压侧脉冲信号注入的变压器建模方法 - Google Patents

适用于配电变压器低压侧脉冲信号注入的变压器建模方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种适用于配电变压器低压侧脉冲信号注入的变压器建模方法，属于电力变压器建模技术领域。本发明首先从三相变压器磁路的角度出发，考虑单相或者两相注入时各相之间的磁耦合关系，基于对偶原理建立变压器的三相整体模型；再考虑注入脉冲时变压器的高频特性，根据一定的原则分别建立高、低压绕组单元模型，由绕组单元模型组成高、低压绕组的全绕组模型，再由高、低压绕组的全绕组模型组成单相变压器，最终由单相变压器构成三相整体模型。本方法考虑了三相变压器相与相之间的磁耦合关系，而且考虑了注入脉冲时的高频特性以及模型建立的高效性，所得模型较常用模型更加精细和准确，适用于配电变压器低压侧单相或者两相注入脉冲信号的情况。

Description

适用于配电变压器低压侧脉冲信号注入的变压器建模方法
技术领域
本发明属于电力变压器建模技术领域，具体涉及一种适用于配电变压器低压侧脉冲信号注入的变压器建模方法。
背景技术
在配电变压器低压侧注入脉冲信号，利用配变的电磁传递功能，注入信号在配网线路中传播，可通过相应的特征信号实现配电线路故障定位。其中，首先要进行高低压侧脉冲信号的传递分析，建立低压侧注入脉冲信号、进而耦合到高压侧的配电变压器电磁暂态传输模型。
目前研究过程中对电力变压器进行建模的方法主要分为以下几种：（1）等值电路模型；（2）基于黑盒方法的端口模型；（3）其他模型（多导体传输线模型等）。存在的主要问题是：（1）目前三相变压器的高频模型在一些文献里面是直接考虑为由三个独立的单相变压器模型组成，没有体现相与相之间的磁耦合关系，可能不适用于单相、两相注入脉冲的情况；（2）体现了三相磁耦合关系的由对偶原理得出的变压器模型多应用于低频，常用一个集中的电容参数来表达电容耦合关系，可能对高频脉冲来说不太精确；（3）对于三相变压器来说，基于黑盒方法的端口模型需要测量多次，函数拟合也需要多次，过于复杂和繁琐。因此如何克服现有技术的不足是目前电力变压器建模技术领域亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种适用于配电变压器低压侧脉冲信号注入的变压器建模方法。本发明首先从三相变压器磁路的角度出发，考虑单相或者两相注入时各相之间的磁耦合关系，基于对偶原理建立变压器的三相整体模型；再考虑注入脉冲时变压器的高频特性，根据一定的原则分别建立高、低压绕组单元模型，由绕组单元模型组成高、低压绕组的全绕组模型，再由高、低压绕组的全绕组模型组成单相变压器，最终由单相变压器构成三相整体模型。本方法考虑了三相变压器相与相之间的磁耦合关系，而且考虑了注入脉冲时的高频特性以及模型建立的高效性，所得模型较常用模型更加精细和准确，适用于配电变压器低压侧单相或者两相注入脉冲信号的情况。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
适用于配电变压器低压侧脉冲信号注入的变压器建模方法，包括如下步骤：
步骤（1），以磁路为基础，考虑三相变压器相与相之间的磁耦合关系，通过对偶原理建立三相变压器的三相整体模型；其中，三相整体模型包括三个单相变压器模型；
步骤（2），建立单相变压器模型中高压绕组单元模型和低压绕组单元模型；
步骤（3），将高压绕组单元模型串联组成高压绕组的全绕组模型；将低压绕组单元模型串联组成低压绕组的全绕组模型；
步骤（4），采用高压绕组的全绕组模型、低压绕组的全绕组模型建立单相变压器模型；
步骤（5），将单相变压器模型按照步骤（1）中三相整体模型的连接方式连接构成三相变压器模型。
进一步，优选的是，步骤（1）中，三相整体模型包括三个单相变压器模型，相与相之间通过铁轭磁通路的等效电路和零序磁通通路等效的电路连接体现磁耦合关系；其中单相变压器模型又由高压全绕组模型和低压全绕组模型组成。
进一步，优选的是，步骤（1）中，建立三相整体模型时，当配电变压器任一侧有三角形连接情况时，铁轭磁通路的等效电路和零序磁通通路等效的电路直接忽略，被视为断路状态；当两侧均为星形连接时，需要通过实验测量铁轭磁通路的等效电路和零序磁通通路等效的电路的数值。
进一步，优选的是，步骤（1）中，以磁路为基础，考虑三相变压器相与相之间的磁耦合关系，通过对偶原理建立三相变压器的三相整体模型，其具体方法为：包括三个单相变压器模型；相与相之间通过铁轭磁通路的等效电路R y//L y和零序磁通通路等效的电路R 0//L 0连接以体现磁耦合关系；对于一端为三角形连接的变压器，铁轭磁通路的等效电路和零序磁通通路等效的电路视为断路状态；对于星形联结变压器，铁轭磁通路的等效电路中等效电阻R y和等效电感L y以及零序磁通通路等效电路中的等效电阻R 0和等效电感L 0通过实验测量即可。所述的实验测量按照常规实验测量方法即可，本发明对此不做限制。
进一步，优选的是，步骤（2）中，建立单相变压器模型中高压绕组单元模型的具体方法为：理想变压器某一侧的一个端口同时接入和上层之间的层间电容以及和下层之间的层间电容，两个端口间接入匝间电容、高压绕组电感和高压绕组电阻，其中高压绕组电感和高压绕组电阻串联后与匝间电容并联；理想变压器另外一侧两个端口间接入铁耗电阻；各个电容参数、高压绕组电感、高压绕组电阻参数通过变压器绕制和尺寸结构来进行计算；铁耗电阻参数通过变压器铭牌计算获取。所述的计算按照常规计算方法即可，本发明对此不做限制。
进一步，优选的是，步骤（2）中，建立单相变压器模型中低压绕组单元模型的具体方法为：理想变压器某一侧的一个端口同时接入和上层之间的层间电容以及和下层之间的层间电容，两个端口间接入高压绕组电感和高压绕组电阻，其中高压绕组电感和高压绕组电阻串联；理想变压器另外一侧两个端口间接入铁耗电阻；各个电容参数、高压绕组电感、高压绕组电阻参数通过变压器绕制和尺寸结构来进行计算；铁耗电阻参数通过变压器铭牌计算获取。所述的计算按照常规计算方法即可，本发明对此不做限制。
进一步，优选的是，步骤（3）中，将高压绕组单元模型串联组成高压绕组的全绕组模型，所用高压绕组单元模型个数按照高压绕组层数来确定，高压绕组有n层就由n个高压绕组单元模型串联组成高压绕组的全绕组模型；将低压绕组单元模型串联组成低压绕组的全绕组模型，所用低压绕组单元模型个数按照低压绕组层数来确定，低压绕组有n层就由n个低压绕组单元模型串联组成低压绕组的全绕组模型。
进一步，优选的是，步骤（4）中，建立单相变压器模型的具体方法为：由一个高压绕组的全绕组模型和一个低压绕组的全绕组模型级联组成。
进一步，优选的是，步骤（5）的具体方法为：对于一端为三角形连接的变压器来说，铁轭磁通路的等效电路和零序磁通通路等效的电路视为开路状态，仅需按照变压器联结组号在单相变压器模型的端口进行连接；对于星形联结变压器来说，相与相之间通过铁轭磁通路的等效电路R y//L y和零序磁通通路等效的电路R 0//L 0连接体现磁耦合关系，除了将单相变压器端口按照连接组号进行连接外还需要按照图1进行铁轭磁通路的等效电路R y//L y和零序磁通通路的等效电路R 0//L 0的连接。
进一步，优选的是，将高压绕组单元模型中理想变压器或低压绕组单元模型中理想变压器的变比设置为实际变比k，其余理想变压器的变比设置为1。
本发明中高、低压绕组单元模型个数根据变压器的实际结构来设置。一般情况下，配电变压器绕组为层式绕组，为简化计算，因此高、低压绕组各有多少层就各设置多少个高、低压绕组单元模型。
本发明与现有技术相比，其有益效果为：
传统的方法基本只体现了三相变压器相与相之间的电容耦合关系，适用于三相同时注入信号的情况；高频特性常采用集中电容参数来体现，高频下模型准确度欠佳。本方法考虑了三相变压器相与相之间的磁耦合关系，而且考虑了注入脉冲时的高频特性以及模型建立的高效性，所得模型较常用模型更加精细和准确，适用于配电变压器低压侧单相或者两相注入脉冲信号的情况。
附图说明：
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明适用于配电变压器低压侧脉冲信号注入的变压器建模方法的三相整体模型结构示意图；
图2为本发明中高压绕组单元模型结构示意图；
图3为本发明中低压绕组单元模型结构示意图；
图4为本发明适用于配电变压器低压侧脉冲信号注入的变压器建模方法的建模流程示意图；
图5为仿真结果图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。
本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用材料或设备未注明生产厂商者，均为可以通过购买获得的常规产品。
适用于配电变压器低压侧脉冲信号注入的变压器建模方法，包括如下步骤：
步骤（1），以磁路为基础，考虑三相变压器相与相之间的磁耦合关系，通过对偶原理建立三相变压器的三相整体模型；其中，三相整体模型包括三个单相变压器模型；
步骤（2），建立单相变压器模型中高压绕组单元模型和低压绕组单元模型；
步骤（3），将高压绕组单元模型串联组成高压绕组的全绕组模型；将低压绕组单元模型串联组成低压绕组的全绕组模型；
步骤（4），采用高压绕组的全绕组模型、低压绕组的全绕组模型建立单相变压器模型；
步骤（5），将单相变压器模型按照步骤（1）中三相整体模型的连接方式连接构成三相变压器模型。
其中：
步骤（1）中，三相整体模型包括三个单相变压器模型，相与相之间通过铁轭磁通路的等效电路和零序磁通通路等效的电路连接体现磁耦合关系；其中单相变压器模型又由高压全绕组模型和低压全绕组模型组成。
步骤（1）中，建立三相整体模型时，当配电变压器任一侧有三角形连接情况时，铁轭磁通路的等效电路和零序磁通通路等效的电路直接忽略，被视为断路状态；当两侧均为星形连接时，需要通过实验测量铁轭磁通路的等效电路和零序磁通通路等效的电路的数值。
步骤（1）中，以磁路为基础，考虑三相变压器相与相之间的磁耦合关系，通过对偶原理建立三相变压器的三相整体模型，其具体方法为：包括三个单相变压器模型；相与相之间通过铁轭磁通路的等效电路R y//L y和零序磁通通路等效的电路R 0//L 0连接以体现磁耦合关系；对于一端为三角形连接的变压器，铁轭磁通路的等效电路和零序磁通通路等效的电路视为断路状态；对于星形联结变压器，铁轭磁通路的等效电路中等效电阻R y和等效电感L y以及零序磁通通路等效电路中的等效电阻R 0和等效电感L 0通过实验测量即可。所述的实验测量按照常规实验测量方法即可，本发明对此不做限制。
步骤（2）中，建立单相变压器模型中高压绕组单元模型的具体方法为：理想变压器某一侧的一个端口同时接入和上层之间的层间电容以及和下层之间的层间电容，两个端口间接入匝间电容、高压绕组电感和高压绕组电阻，其中高压绕组电感和高压绕组电阻串联后与匝间电容并联；理想变压器另外一侧两个端口间接入铁耗电阻；各个电容参数、高压绕组电感、高压绕组电阻参数通过变压器绕制和尺寸结构来进行计算；铁耗电阻参数通过变压器铭牌计算获取。所述的计算按照常规计算方法即可，本发明对此不做限制。
步骤（2）中，建立单相变压器模型中低压绕组单元模型的具体方法为：理想变压器某一侧的一个端口同时接入和上层之间的层间电容以及和下层之间的层间电容，两个端口间接入高压绕组电感和高压绕组电阻，其中高压绕组电感和高压绕组电阻串联；理想变压器另外一侧两个端口间接入铁耗电阻；各个电容参数、高压绕组电感、高压绕组电阻参数通过变压器绕制和尺寸结构来进行计算；铁耗电阻参数通过变压器铭牌计算获取。所述的计算按照常规计算方法即可，本发明对此不做限制。
步骤（3）中，将高压绕组单元模型串联组成高压绕组的全绕组模型，所用高压绕组单元模型个数按照高压绕组层数来确定，高压绕组有n层就由n个高压绕组单元模型串联组成高压绕组的全绕组模型；将低压绕组单元模型串联组成低压绕组的全绕组模型，所用低压绕组单元模型个数按照低压绕组层数来确定，低压绕组有n层就由n个低压绕组单元模型串联组成低压绕组的全绕组模型。
步骤（4）中，建立单相变压器模型的具体方法为：由一个高压绕组的全绕组模型和一个低压绕组的全绕组模型级联组成。
步骤（5）的具体方法为：对于一端为三角形连接的变压器来说，铁轭磁通路的等效电路和零序磁通通路等效的电路视为开路状态，仅需按照变压器联结组号在单相变压器模型的端口进行连接；对于星形联结变压器来说，相与相之间通过铁轭磁通路的等效电路R y//L y和零序磁通通路等效的电路R 0//L 0连接体现磁耦合关系，除了将单相变压器端口按照连接组号进行连接外还需要按照图1进行铁轭磁通路的等效电路R y//L y和零序磁通通路的等效电路R 0//L 0的连接。
将高压绕组单元模型中理想变压器或低压绕组单元模型中理想变压器的变比设置为实际变比k，其余理想变压器的变比设置为1。
参见图4，为本申请一种适用于配电变压器低压侧脉冲信号注入的变压器建模方法的建模流程示意图。
由图4可知，本申请实施例提供了一种适用于配电变压器低压侧脉冲信号注入的变压器建模方法，所述方法包括：
建立三相变压器的整体模型；具体的，以磁路为基础，考虑三相变压器相与相之间的磁耦合关系，通过对偶原理建立三相变压器的三相整体模型；三相整体模型特征为：由三个单相变压器模型组成，相与相之间通过铁轭磁通路的等效电路R y//L y和零序磁通通路等效的电路R 0//L 0连接体现磁耦合关系；其中单相变压器模型又由高压全绕组模型和低压全绕组模型组成，三相整体模型如图1所示；
根据实际变压器的联结组号，判断变压器是否包含三角形连接；
若变压器不含三角形连接，则整体模型中相与相之间通过铁轭磁通路的等效电路R y//L y和零序磁通通路等效的电路R 0//L 0连接体现磁耦合关系；若变压器含三角形连接，则整体模型中无需考虑铁轭磁通路的等效电路R y//L y和零序磁通通路等效的电路R 0//L 0；具体的，考虑相与相之间通过铁轭磁通路的等效电路R y//L y和零序磁通通路等效的电路R 0//L 0连接体现磁耦合关系时，参数需要根据实验测量获得；
进一步考虑分布电容的影响，建立单相变压器的高、低压绕组单元模型；具体的，高、低压绕组单元模型如图2和图3所示，其中两个单元模型中的理想变压器只需要有一个为实际变比n，另一个则设置为1:1；
高、低压绕组单元模型分别构成高、低压绕组全绕组模型；具体的，由多个图2和图3所示的高、低压绕组单元模型分别串联构成高、低压绕组全绕组模型；组成高、低压全绕组模型的高、低压绕组单元模型个数根据变压器的实际结构来设置，一般情况下，配电变压器绕组为层式绕组，为简化计算，因此高、低压绕组各有多少层就各设置多少个高、低压绕组单元模型；
由一个高压绕组和低压绕组的全绕组模型，组成单相变压器模型，如图1中单相变压器所示；
单相变压器按照三相变压器整体模型的连接方式连接构成三相变压器；具体如图1所示，包含三个单相变压器；当任一侧有三角形连接时，去掉其中的R y//L y和R 0//L 0，将其视为开路，仅将端口按照实际的联结组号进行连接即可。
仿真实例
以Dyn11连接的S13-M-200/10配电变压器实际结构来按照本发明的方法进行建模。该配电变压器的高压绕组共13层，低压绕组线圈一共有三段，每段分别包含11层、11层和12层线圈。于是高压线圈的全绕组模型有13个高压绕组单元模型串联组成，低压线圈的全绕组模型有34个低压绕组单元模型串联组成。层间电容、匝间电容、高低压绕组电感和电阻可以根据实际结构计算得到，铁耗电阻可以根据铭牌计算得到。将参数分别带入高压绕组单元模型和低压绕组单元模型，然后将13个高压绕组单元模型串联组成1个高压全绕组模型，将34个低压绕组单元模型串联组成1个低压全绕组模型。之后，将1个高压全绕组模型和1个低压全绕组模型级联组成1个单相变压器模型，最后由3个单相变压器模型按照联结组号组成Dyn11配电变压器。由于包含三角形连接，因此忽略铁轭磁通路的等效电路R y//L y和零序磁通通路等效的电路R 0//L 0。模型建立后，通过对0.6μF脉冲电容进行400V恒压充电，再通过充电后的脉冲电容对建立的Dyn11配电变压器模型B相低压侧放电，B相和C相高压侧检测到的波形如图5所示。
由仿真结果可知，B相低压侧注入脉冲后，B相和C相高压侧均能检测到衰减振荡的电压信号，且B相和C相电压信号始终保持大小相等，方向相反的特征，和实际实验得到的结果差别不大。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.适用于配电变压器低压侧脉冲信号注入的变压器建模方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤（1），以磁路为基础，考虑三相变压器相与相之间的磁耦合关系，通过对偶原理建立三相变压器的三相整体模型；其中，三相整体模型包括三个单相变压器模型；
步骤（2），建立单相变压器模型中高压绕组单元模型和低压绕组单元模型；
步骤（3），将高压绕组单元模型串联组成高压绕组的全绕组模型；将低压绕组单元模型串联组成低压绕组的全绕组模型；
步骤（4），采用高压绕组的全绕组模型、低压绕组的全绕组模型建立单相变压器模型；
步骤（5），将单相变压器模型按照步骤（1）中三相整体模型的连接方式连接构成三相变压器模型；
步骤（1）中，以磁路为基础，考虑三相变压器相与相之间的磁耦合关系，通过对偶原理建立三相变压器的三相整体模型，其具体方法为：包括三个单相变压器模型；相与相之间通过铁轭磁通路的等效电路R y//L y和零序磁通通路等效的电路R 0//L 0连接以体现磁耦合关系；对于一端为三角形连接的变压器，铁轭磁通路的等效电路和零序磁通通路等效的电路视为断路状态；对于星形联结变压器，铁轭磁通路的等效电路中等效电阻R y和等效电感L y以及零序磁通通路等效电路中的等效电阻R 0和等效电感L 0通过实验测量即可；
步骤（5）的具体方法为：对于一端为三角形连接的变压器来说，铁轭磁通路的等效电路和零序磁通通路等效的电路视为开路状态，仅需按照变压器联结组号在单相变压器模型的端口进行连接；对于星形联结变压器来说，相与相之间通过铁轭磁通路的等效电路R y//L y和零序磁通通路等效的电路R 0//L 0连接体现磁耦合关系，除了将单相变压器端口按照连接组号进行连接外还需要进行铁轭磁通路的等效电路R y//L y和零序磁通通路的等效电路R 0//L 0的连接。
2.根据权利要求1所述的适用于配电变压器低压侧脉冲信号注入的变压器建模方法，其特征在于，步骤（1）中，三相整体模型包括三个单相变压器模型，相与相之间通过铁轭磁通路的等效电路和零序磁通通路等效的电路连接体现磁耦合关系；其中单相变压器模型又由高压全绕组模型和低压全绕组模型组成。
3.根据权利要求1所述的适用于配电变压器低压侧脉冲信号注入的变压器建模方法，其特征在于，步骤（1）中，建立三相整体模型时，当配电变压器任一侧有三角形连接情况时，铁轭磁通路的等效电路和零序磁通通路等效的电路直接忽略，被视为断路状态；当两侧均为星形连接时，需要通过实验测量铁轭磁通路的等效电路和零序磁通通路等效的电路的数值。
4.根据权利要求1所述的适用于配电变压器低压侧脉冲信号注入的变压器建模方法，其特征在于，步骤（2）中，建立单相变压器模型中高压绕组单元模型的具体方法为：理想变压器某一侧的一个端口同时接入和上层之间的层间电容以及和下层之间的层间电容，两个端口间接入匝间电容、高压绕组电感和高压绕组电阻，其中高压绕组电感和高压绕组电阻串联后与匝间电容并联；理想变压器另外一侧两个端口间接入铁耗电阻；各个电容参数、高压绕组电感、高压绕组电阻参数通过变压器绕制和尺寸结构来进行计算；铁耗电阻参数通过变压器铭牌计算获取。
5.根据权利要求1所述的适用于配电变压器低压侧脉冲信号注入的变压器建模方法，其特征在于，步骤（2）中，建立单相变压器模型中低压绕组单元模型的具体方法为：理想变压器某一侧的一个端口同时接入和上层之间的层间电容以及和下层之间的层间电容，两个端口间接入高压绕组电感和高压绕组电阻，其中高压绕组电感和高压绕组电阻串联；理想变压器另外一侧两个端口间接入铁耗电阻；各个电容参数、高压绕组电感、高压绕组电阻参数通过变压器绕制和尺寸结构来进行计算；铁耗电阻参数通过变压器铭牌计算获取。
6.根据权利要求1所述的适用于配电变压器低压侧脉冲信号注入的变压器建模方法，其特征在于，步骤（3）中，将高压绕组单元模型串联组成高压绕组的全绕组模型，所用高压绕组单元模型个数按照高压绕组层数来确定，高压绕组有n层就由n个高压绕组单元模型串联组成高压绕组的全绕组模型；将低压绕组单元模型串联组成低压绕组的全绕组模型，所用低压绕组单元模型个数按照低压绕组层数来确定，低压绕组有n层就由n个低压绕组单元模型串联组成低压绕组的全绕组模型。
7.根据权利要求1所述的适用于配电变压器低压侧脉冲信号注入的变压器建模方法，其特征在于，步骤（4）中，建立单相变压器模型的具体方法为：由一个高压绕组的全绕组模型和一个低压绕组的全绕组模型级联组成。
8.根据权利要求1所述的适用于配电变压器低压侧脉冲信号注入的变压器建模方法，其特征在于，将高压绕组单元模型中理想变压器或低压绕组单元模型中理想变压器的变比设置为实际变比k，其余理想变压器的变比设置为1。
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