CN113049990B - 基于改进符号序列熵法的变压器励磁涌流识别方法 - Google Patents

Abstract

基于改进符号序列熵法的变压器励磁涌流识别方法，在一定的采样频率下，对变压器差动保护两侧电流互感器二次电流进行采集，并形成差流信号序列，同时判别差流序列幅值是否超过差动保护启动元件的整定值，若超过，则启动判据进行故障差流和励磁涌流的判别。首先对差流初始信号序列进行归一化处理形成归一化后的差流信号序列，比较一个周波数据窗内相邻两个采样点之间大小变化的方向，形成新的符号序列，采用滑动窗构造宽度为2的向量符号序列，只保留00、11和22三种模式来计算符号熵值并与设定的门槛值进行比较，低于该门槛值，则判为内部故障，保护动作；高于该门槛值，则被判断为励磁涌流或非内部故障，保护闭锁。

Description

基于改进符号序列熵法的变压器励磁涌流识别方法

技术领域

本发明属于变压器差动保护技术领域，尤其涉及一种基于改进符号序列熵法的变压器励磁涌流识别方法。

背景技术

近年来，电力工业已取得了长足发展。随着我国的超高压、特高压、大容量电力变压器不断投产，远距离输电系统越来越多地建成、运行，因此对电力系统安全、稳定、可靠性的要求越来越高。而电力变压器是电力系统中最为关键的电力设备之一，尤其是大型电力变压器不仅造价昂贵，故障损失严重，而且它的正常运行与否将波及整个电力系统的安全稳定运行。

在现场工作中，运行的变压器大多数都是采用纵联差动保护作为主保护，但是它被应用于变压器保护时却会遇到很多困难。例如由于励磁支路的存在，会使得变压器的等值电路在原理上不再满足差动保护必须要满足的基尔霍夫定律，同时变压器的励磁支路又表现为明显的非线性特性，因此在变压器空载合闸、外部故障切除电压恢复的过程中或线路带非线性负荷时，都将会产生很大的励磁涌流，此励磁涌流是实现变压器差动保护的障碍之一。所以，变压器保护主要面临的问题是如何正确地识别励磁涌流和故障电流。传统方案中主要以二次谐波制动原理和间断角原理为主来识别励磁涌流。但随着电压等级的提高和电网规模的扩大，以及变压器单机容量的增大，当大型变压器内部出现严重故障时，由于谐振时短路电流中的二次谐波含量会明显增加，有可能引起基于二次谐波制动的差动保护延时动作，特别是对变压器端部接长线的情况尤为突出。并且随着变压器铁芯材料的改进，导致其磁饱和点降低，当有剩磁较高且合闸角满足一定条件时，三相励磁涌流中二次谐波的含量可能均小于15％，其中最小的某一相二次谐波含量有可能在7％以下，其对应的间断角将会小于30°～60°。此时无论是采用二次谐波制动还是采用按相制动的间断角原理，变压器纵联差动保护均无法避免误动作，因此，寻找新的方法解决问题十分必要。

发明内容

本发明提供了一种基于改进符号序列熵法的变压器励磁涌流识别方法，该方法主要是将电流信息借助改进的符号序列熵技术对差流信号重新进行整合分析，转化为熵值的大小来实现变压器励磁涌流和故障电流的判别。该方法能对区内故障、励磁涌流、区内区外故障CT饱和等工况做出正确的判断，保证变压器差动保护的正确动作。

本发明采取的技术方案为：

基于改进符号序列熵法的变压器励磁涌流识别方法，包括以下步骤：

步骤1：在一定的采样频率下，按每周波N个点，对变压器差动保护两侧电流互感器的二次电流进行采集，并形成差流信号序列I₁＝{I₁(1),I₁(2),…,I₁(k),…I₁(N)}，k＝1,2,…,N；

步骤2：判别步骤1中差流信号序列I₁的值是否超过差动保护启动元件的整定值，若超过，则启动判据进行故障差流和励磁涌流的判别；

步骤3：对差流初始信号序列I₁进行归一化处理，使得所有采样点落在[0,1]区间内，得到差流信号序列I₂＝{I₂(1),I₂(2),…,I₂(k),…I₂(N)}，k＝1,2,…,N，比较一个周波数据窗内相邻两个采样点所对应的值标幺化后的大小变化，形成新的符号序列；

步骤4：采用滑动窗的方法对符号序列进行改造，将新的符号序列中每两个相邻的符号组合成一组指定长度的序列；

步骤5：获取概率p_j的计算公式，p_j为第j种模式出现的概率；

步骤6：获取符号序列熵的计算公式，并获取指定长度的序列的符号序列熵；

步骤7：将步骤6得到的熵值与设定的门槛值进行比较，以判断故障类型。

在步骤3中，在得到差流信号序列后，比较一个周波数据窗内差流信号序列I₂的相邻两个采样点之间大小变化的方向：

其中，I₂为第k个采样点标幺化后对应的值，k＝1,2,…,N，a为信号序列均方根作为阈值因子。

使用3种符号代表差流信号序列I₂的变化方向，形成以符号“0”、“1”和“2”表示的新的符号序列X＝{x(1),x(2),…,x(m),…x(N-1)}，m＝1,2,…,N-1。其中，x(m)＝0表示相邻两采样点所对应的电流标幺化后呈现下降趋势，x(m)＝1表示相邻两采样点所对应的电流标幺化后保持不变，x(m)＝2表示相邻两采样点所对应的电流标幺化后呈现上升趋势，仅保留电流变化方向信息。

在步骤4中，采用滑动窗的方法对符号序列X进行改造，构造宽度为2的向量Y，即Y＝{y(1),y(2),…,y(q),…y(N-2)}，q＝1,2,…,N-2；将符号序列X中每两个相邻的符号组合成一组长度为2的新序列Y。

在步骤5中，根据采集到的新的差流信号序列Y进行分析，概率p_j的计算公式为：

其中，p_j为第j种模式出现的概率，N_j为此周波内第j种模式出现的次数，N^*为00、11、22三种模式总个数。

在步骤6中，序列Y的符号序列熵的计算公式为：

其中，M为所有模式数，即M＝9。

在步骤7中，将步骤6得到的熵值S_SE与设定的门槛值S_set进行比较，低于该门槛值，则判为内部故障，保护动作；高于该门槛值，则被判断为励磁涌流或非内部故障，保护闭锁。

与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：

1)本发明方法是根据改进的符号序列熵对故障电流和励磁涌流的波形进行处理，再根据处理后的电流序列计算相应的熵值，只依据00、11、22三种模式的个数计算符号序列熵，忽略转折部分的模式，因为它们表示序列变化方向的转折，个数较少，计算简便；

2)改进后的计算方式还具有了抗异常数据的能力。因为，若某个数据由原来的01转化为02，采用改进后的方法，这个数据还是会删去，最后对结果没有任何影响，优于常用的差动算法；

3)本发明方法在CT饱和的情况下同样适用，能防止它引起的误动；

4)本发明方法能对区内外故障、励磁涌流、区内外故障伴随一侧CT饱和等多种工况做出准确判断，保证差动保护的可靠性。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1为本发明的流程图。

图2为本发明在变压器二次侧发生三相接地故障的采样电流和符号序列。

图3为本发明在区内故障伴随一次侧CT饱和的采样电流和符号序列。

图4为本发明在区外故障伴随一次侧CT饱和的采样电流和符号序列。

图5为本发明在空载合闸单向典型励磁涌流的采样电流和符号序列。

图6为本发明在对称性涌流的采样电流和符号序列。

图7为本发明在空载合闸伴随CT饱和的采样电流和符号序列。

图8为本发明在变压器二次侧出口发生三相接地故障的变压器一次侧电流。

图9为本发明在变压器二次侧出口发生三相接地故障的变压器二次侧电流。

图10为本发明在变压器二次侧出口发生三相接地故障的A相差流。

图11为本发明在变压器二次侧出口发生三相接地故障的符号熵值图。

图12为本发明在区内故障伴随一次侧CT饱和的变压器一次侧电流。

图13为本发明在区内故障伴随一次侧CT饱和的变压器二次侧电流。

图14为本发明在区内故障伴随一次侧CT饱和的A相差流。

图15为本发明在区内故障伴随一次侧CT饱和的符号熵值图。

图16为本发明在区外故障伴随一次侧CT饱和的变压器一次侧电流。

图17为本发明在区外故障伴随一次侧CT饱和的变压器二次侧电流。

图18为本发明在区外故障伴随一次侧CT饱和的A相差流。

图19为本发明在区外故障伴随一次侧CT饱和的符号熵值图。

图20为本发明在空载合闸单向典型励磁涌流的波形图。

图21为本发明在空载合闸单向典型励磁涌流的符号熵值图。

图22为本发明在对称性涌流的波形图。

图23为本发明在对称性涌流的符号熵值图。

图24为本发明在空载合闸伴随CT饱和的差流波形图。

图25为本发明在空载合闸伴随CT饱和的符号熵值图。

具体实施方式

基于改进符号序列熵法的变压器励磁涌流识别方法，包括以下步骤：

步骤1：在一定的采样频率下，按每周波N个点，对变压器差动保护两侧电流互感器的二次电流进行采集，并形成差流信号序列I₁＝{I₁(1),I₁(2),…,I₁(k),…I₁(N)}，k＝1,2,…,N；

步骤2：判别步骤1中差流信号序列I₁的值是否超过差动保护启动元件的整定值，若超过，则启动判据进行故障差流和励磁涌流的判别；

步骤3：对差流初始信号序列I₁进行归一化处理，使得所有采样点落在[0,1]区间内，得到差流信号序列I₂＝{I₂(1),I₂(2),…,I₂(k),…I₂(N)}，k＝1,2,…,N，比较一个周波数据窗内差流信号序列I₂的相邻两个采样点之间大小变化的方向：

其中，I₂为第k个采样点标幺化后对应的值，k＝1,2,…,N，a为信号序列均方根作为阈值因子，实现对干扰信号的过滤，使得符号序列能够更好地挖掘电流波形内部的模式规律。使用3种符号代表差流信号序列I₂的变化方向，形成以符号“0”、“1”和“2”表示的新的符号序列X＝{x(1),x(2),…,x(m),…x(N-1)}，m＝1,2,…,N-1。其中，x(m)＝0表示相邻两采样点所对应的电流标幺化后呈现下降趋势，x(m)＝1表示相邻两采样点所对应的电流标幺化后保持不变，x(m)＝2表示相邻两采样点所对应的电流标幺化后呈现上升趋势。电流的具体变化被粗略化，仅保留其变化方向信息。

其中，引入的阈值因子a，使计算后的熵值更真实的反应信号复杂度。将电流初始信号归一化，使所有采样点落在[0,1]区间内，考虑到误差的影响，取区间长度的0.2％作为阈值因子，即a＝0.002。

步骤4：采用滑动窗的方法对符号序列X进行改造，构造宽度为2的向量Y，即Y＝{y(1),y(2),…,y(q),…y(N-2)}，q＝1,2,…,N-2。由于向量宽度为2，Y中每个向量共有M＝3²＝9种可能的模式(00，01，02，10，11，12，20，21，22)，即将符号序列X中每两个相邻的符号组合成一组长度为2的新序列Y；

步骤5：为了有效识别CT饱和的情况，对算法进行了改进。根据采集到的新的差流信号序列Y进行分析，由于00、11和22三种模式占多数，而其他变化模式表示方向的转折，个数较少，因此将转折部分的模式全部忽略，只保留00、11和22三种模式来计算。

改进后的概率p_j的计算公式为：

其中，p_j为第j种模式出现的概率，N_j为此周波内第j种模式出现的次数，N^*为00、11和22三种模式总个数。

步骤6：序列Y的符号序列熵的计算公式为：

其中，M为所有模式数，即M＝9。

步骤7：将步骤6得到的熵值S_SE与设定的门槛值S_set进行比较，低于该门槛值时，则判为内部故障，保护动作；高于该门槛值时，则被判断为励磁涌流或非内部故障，保护闭锁。

由说明书附图中图2、图3、图4、图5、图6、图7所截取的一个采样周波的归一化后的电流及其对应的符号序列图可以看出，无论CT状态如何，发生故障时的差动电流的符号序列中00和22两种模式占绝大数，而励磁涌流中00、11和22三种模式占多数，因此利用符号序列熵的计算公式可知故障时，与故障模式相比，出现励磁涌流时的模式种类增加了，熵值结果随之升高，利用公式计算出上述6种类型的熵值S_SE分别对应为：0.3433、0.3154、0.4997、0.4541、0.4983、0.4905。

综上所述，可以将改进的符号序列熵作为变压器励磁涌流和故障差流识别的判据。整定原则S_SE＞S_set＝0.4，判定为出现励磁涌流或者非内部故障，保护闭锁；反之判定为内部故障，开放保护。

3.基于改进符号序列熵法的变压器励磁涌流识别新判据：

基于改进符号序列熵法的变压器励磁涌流识别新判据的具体流程图如图1。

图11、图15、图19、图21、图23、图25给出了变压器经历几种典型扰动时使用该新方法的熵值S_SE计算结果判别图。图8-图11的算例在0.1s设置了扰动，并且持续时长为1s；图12-图19的算例在0.12s设置了扰动，并且持续时长为1s；图20-图21、图24-图25的算例都在0.15s设置了扰动，并且持续时长为1s；图22-图23的算例在0.1133s设置了扰动，并且持续时长为1s。给出了各个算例的差流波形以及熵值S_SE的计算值序列。

图10、图11为t＝0.1s时Y/△变压器二次侧出口处发生三相短路接地故障的差流波形和对应的熵值S_SE序列值，在判据启动后，可以看出在此工况下对应的对应的熵值S_SE迅速低于S_set的制动门槛值，保护能够可靠动作。

图14、15，图18、19分别为t＝0.12s时发生区内、区外故障以及伴随变压器一次侧CT饱和的差流波形和对应的熵值S_SE序列值。从中可以看出发生区内故障伴随一次侧CT饱和时，差流波形出现轻微畸变，对应的熵值S_SE迅速低于S_set的制动门槛值，保护能够可靠动作。而当发生区外故障伴随一次侧CT饱和时，差流序列出现明显的畸变，熵值S_SE迅速高于S_set的制动门槛值，保护能够可靠闭锁。

图20、21，图22、23为变压器空载合闸单向典型励磁涌流和对称性涌流差流波形以及它们相对应的熵值S_SE序列值。当出现对称性涌流时，间断角消失，因此不能采用传统的间断角原理来鉴别励磁涌流，同时也不能采用传统的二次谐波制动判据，因为变压器差动保护会由于二次谐波含量较低而启动，导致保护出现误动作。在采用本发明方法时，在出现扰动之后，熵值S_SE迅速高于S_set的制动门槛值，保护能够可靠闭锁，因此能够有效地防止差动保护出现误动作。

图24、25为变压器空载合闸伴随变压器一次侧CT饱和的差流波形和对应的熵值S_SE序列值。由图可知，在0.15s出现CT饱和的扰动之前，波形是典型的单向涌流特征，波形存在明显的间断角。当出现CT饱和后，一次侧涌流中会有相当大的一部分流入励磁支路，在励磁支路中发生磁能储藏，尽管存在间断区域，但此时CT励磁支路却开始向负载回路释放磁能，产生反向二次电流，导致二次涌流波形中间断角消失，因此采用间断角来判断的方法失效。因此采用本发明方法，可以看出计算得到的熵值S_SE迅速高于S_set的制动门槛值，保护能够可靠闭锁，能够防止差动保护出现误动作。

综上所述，本发明基于改进的符号序列熵法的变压器励磁涌流和故障差流识别方法，在应对变压器经历各种区内外故障、励磁涌流伴随CT饱和等情况时，均能够做出正确判断。

Claims (3)

1.基于改进符号序列熵法的变压器励磁涌流识别方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：在一定的采样频率下，按每周波N个点，对变压器差动保护两侧电流互感器的二次电流进行采集，并形成差流信号序列I₁＝{I₁(1),I₁(2),L,I₁(k),L I₁(N)}，k＝1,2,L,N；

步骤2：判别步骤1中差流信号序列I₁的值是否超过差动保护启动元件的整定值，若超过，则启动判据进行故障差流和励磁涌流的判别；

步骤3：对差流初始信号序列I₁进行归一化处理，使得所有采样点落在[0,1]区间内，得到差流信号序列I₂＝{I₂(1),I₂(2),L,I₂(k),LI₂(N)}，k＝1,2,L,N，比较一个周波数据窗内相邻两个采样点所对应的值标幺化后的大小变化，形成新的符号序列；

步骤4：采用滑动窗的方法对符号序列进行改造，将新的符号序列中每两个相邻的符号组合成一组指定长度的序列；

步骤5：获取概率p_j的计算公式，p_j为第j种模式出现的概率；

步骤6：获取符号序列熵的计算公式，并获取指定长度的序列的符号序列熵；

步骤7：将步骤6得到的熵值与设定的门槛值进行比较，以判断故障类型；

在步骤3中，具体的，在得到差流信号序列后，比较一个周波数据窗内差流信号序列I₂的相邻两个采样点之间大小变化的方向：

其中，I₂为第k个采样点标幺化后对应的值，k＝1,2,L,N，a为信号序列均方根作为阈值因子；

使用3种符号代表差流信号序列I₂的变化方向，形成以符号“0”、“1”和“2”表示的新的符号序列X＝{x(1),x(2),L,x(m),L x(N-1)}，m＝1,2,L,N-1，其中，x(m)＝0表示相邻两采样点所对应的电流标幺化后呈现下降趋势，x(m)＝1表示相邻两采样点所对应的电流标幺化后保持不变，x(m)＝2表示相邻两采样点所对应的电流标幺化后呈现上升趋势，仅保留电流变化方向信息；

在步骤4中，采用滑动窗的方法对符号序列X进行改造，构造宽度为2的向量Y，即Y＝{y(1),y(2),L,y(q),L y(N-2)}，q＝1,2,L,N-2；将符号序列X中每两个相邻的符号组合成一组长度为2的新序列Y；

在步骤5中，根据采集到的新的差流信号序列Y进行分析，概率p_j的计算公式为：

其中，p_j为第j种模式出现的概率，N_j为此周波内第j种模式出现的次数，N^*为00、11、22三种模式的总个数。

2.根据权利要求1所述的基于改进符号序列熵法的变压器励磁涌流识别方法，其特征在于，在步骤6中，序列Y的符号序列熵的计算公式为：

其中，M为所有模式数。

3.根据权利要求2所述的基于改进符号序列熵法的变压器励磁涌流识别方法，其特征在于，在步骤7中，将步骤6得到的熵值S_SE与设定的门槛值S_set进行比较，低于该门槛值，则判为内部故障，保护动作；高于该门槛值，则被判断为励磁涌流或非内部故障，保护闭锁。

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