CN113346457B - 一种变压器跳闸保护方法、系统、存储介质及计算设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种变压器跳闸保护方法、系统、存储介质及计算设备，本发明实现了一种早期故障精准辨识的跳闸保护方法，先获取绕组首端和末端的稳定频段电流，通过变压器差动平衡方程判断是否为变压器内部放电，在完成内部放电判别后，通过放电发生时间和放电参数，判别是否进行跳闸保护，有效利用了从放电到电弧击穿的故障发展过程中的脉冲电流的特征变化规律，在即将产生高能量电弧故障前跳闸，避免变压器发生起火爆炸等重大事故。

Description

一种变压器跳闸保护方法、系统、存储介质及计算设备
技术领域
本发明涉及一种变压器跳闸保护方法、系统、存储介质及计算设备，属于继电保护中变压器保护领域。
背景技术
作为电力系统中最重要的设备之一，变压器的安全运行对整个电力系统具有非常重要的意义。目前已有的继电保护方法，仅能在变压器端部电流发生明显变化的情况下动作，无法检测变压器内部早期轻微故障。因此变压器一旦发生内部贯穿性的高能量电弧故障，形成高温、高压力，即使保护快速跳闸，也无法避免变压器爆裂，发生起火爆炸事故。
近年来，国内特高压变压器起火爆炸事故频发，在线监测无法给与变压器轻微故障阶段的有效信息，导致未能成功预警或预警不及时，严重威胁了现场维修人员的生命安全与设备安全。针对上述情况，现在急需一种实现早期故障精准辨识的跳闸保护方法。
发明内容
本发明提供了一种变压器跳闸保护方法、系统、存储介质及计算设备，解决了背景技术中披露的问题。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种变压器跳闸保护方法，包括，
获取运行时变压器各相绕组首端和末端的稳定频段电流；
若首端和末端的稳定频段电流不满足预先构建的变压器差动平衡方程，则判定变压器发生内部放电，获取放电发生时间和放电参数；其中，变压器差动平衡方程为各相绕组差流为零时的电流传递函数构成，每相绕组差流为零时的电流传递函数包括电流从该相绕组首端传递到末端情况下差流为零时的电流传递函数、以及电流从该相绕组末端传递到首端情况下差流为零时的电流传递函数；
若放电发生时间在端部电压过零点两侧、并且各放电参数均大于各自的阈值，则进行跳闸保护。
变压器差动平衡方程为变压器频域差动平衡方程，变压器频域差动平衡方程为各相绕组差流为零时的频域电流传递函数构成，每相绕组差流为零时的频域电流传递函数包括电流从该相绕组首端传递到末端情况下差流为零时的频域电流传递函数、以及电流从该相绕组末端传递到首端情况下差流为零时的频域电流传递函数。
构建变压器频域差动平衡方程的具体过程为，
采用变压器离线、且外部注入脉冲信号的方式，构建变压器各相绕组时域电流传递函数；其中，每相绕组时域电流传递函数包括电流从该相绕组首端传递到末端情况下的时域电流传递函数、以及电流从该相绕组末端传递到首端情况下的时域电流传递函数；
根据变压器各相绕组时域电流传递函数，将首端和末端电流进行逆卷积，获得差流为零时各时域电流传递函数中的平衡系数；
对平衡系数进行离散傅里叶变换，构建变压器频域差动平衡方程。
绕组时域电流传递函数，
Id1(n)＝IS(n)hSM(n)+IM(n)
Id2(n)＝IM(n)hMS(n)+IS(n)
其中，n为采样点；IS(n)为首端S时域电流；IM(n)为末端M时域电流；hSM(n)为电流从首端S传递到末端M情况下的平衡系数；hMS(n)为电流从末端M传递到首端S情况下的平衡系数；Id1(n)为电流从首端S传递到末端M情况下的差流；Id2(n)为电流从末端M传递到首端S情况下的差流。
变压器频域差动平衡方程中差流为零时的频域电流传递函数为，
0＝IS(jω)HSM(jω)+IM(jω)
0＝IM(jω)HMS(jω)+IS(jω)
其中，IS(jω)为首端S频域电流；IM(jω)为末端M频域电流；HSM(jω)为hSM(n)经过离散傅里叶变换后的频域形式；HMS(jω)为hMS(n)经过离散傅里叶变换后的频域形式；ω为频率。
若至少一相绕组首端和末端的稳定频段电流满足相应的差流为零时的电流传递函数，则判定该变压器发生外部扰动。
放电参数包括一个工频周期内的放电次数和放电强度。
一种变压器跳闸保护系统，包括，
稳定电流获取模块：获取运行时变压器各相绕组首端和末端的稳定频段电流；
内部放电判断模块：若首端和末端的稳定频段电流不满足预先构建的变压器差动平衡方程，则判定变压器发生内部放电，获取放电发生时间和放电参数；其中，变压器差动平衡方程为各相绕组差流为零时的电流传递函数构成，每相绕组差流为零时的电流传递函数包括电流从该相绕组首端传递到末端情况下差流为零时的电流传递函数、以及电流从该相绕组末端传递到首端情况下差流为零时的电流传递函数；
保护判断模块：若放电发生时间在端部电压过零点两侧、并且各放电参数均大于各自的阈值，则进行跳闸保护。
一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行变压器跳闸保护方法。
一种计算设备，包括一个或多个处理器、一个或多个存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述一个或多个存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行变压器跳闸保护方法的指令。
本发明所达到的有益效果：本发明实现了一种早期故障精准辨识的跳闸保护方法，先获取绕组首端和末端的稳定频段电流，通过变压器差动平衡方程判断是否为变压器内部放电，在完成内部放电判别后，通过放电发生时间和放电参数，判别是否进行跳闸保护，有效利用了从放电到电弧击穿的故障发展过程中的脉冲电流的特征变化规律，在即将产生高能量电弧故障前跳闸，避免变压器发生起火爆炸等重大事故。
附图说明
图1为本发明方法的流程图；
图2a为电流从中性点流出情况下电流测量示意图；
图2b为电流从中性点流入情况下电流测量示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种变压器跳闸保护方法，包括以下步骤：
步骤1，获取运行时变压器各相绕组首端和末端的稳定频段电流；
步骤2，若首端和末端的稳定频段电流不满足预先构建的变压器差动平衡方程，则判定变压器发生内部放电，获取放电发生时间和放电参数；
其中，变压器差动平衡方程为各相绕组差流为零时的电流传递函数构成，每相绕组差流为零时的电流传递函数包括电流从该相绕组首端传递到末端情况下差流为零时的电流传递函数、以及电流从该相绕组末端传递到首端情况下差流为零时的电流传递函数；
若至少一相绕组首端和末端的稳定频段电流满足相应的差流为零时的电流传递函数，则判定该变压器发生外部扰动，控制不进行跳闸保护；
步骤3，若放电发生时间在端部电压过零点两侧、并且各放电参数均大于各自的阈值，则进行跳闸保护。
该方法为一种早期故障精准辨识的跳闸保护方法，先获取绕组首端和末端的稳定频段电流，通过变压器差动平衡方程判断是否为变压器内部放电，在完成内部放电判别后，通过放电发生时间和放电参数，判别是否进行跳闸保护，有效利用了从放电到电弧击穿的故障发展过程中的脉冲电流的特征变化规律，在即将产生高能量电弧故障前跳闸，避免变压器发生起火爆炸等重大事故。
上述方法中的变压器差动平衡方程为变压器频域差动平衡方程，变压器频域差动平衡方程(后续简称“频域差动平衡方程”)为各相绕组差流为零时的频域电流传递函数构成，每相绕组差流为零时的频域电流传递函数包括电流从该相绕组首端传递到末端情况下差流为零时的频域电流传递函数、以及电流从该相绕组末端传递到首端情况下差流为零时的频域电流传递函数。
频域差动平衡方程需要进行预先构建，具体方法如下：
1)采用变压器离线、且外部注入脉冲信号的方式，构建变压器各相绕组时域电流传递函数；其中，每相绕组时域电流传递函数包括电流从该相绕组首端传递到末端情况下的时域电流传递函数、以及电流从该相绕组末端传递到首端情况下的时域电流传递函数；
在离线状态下，绕组的一端注入脉冲信号，另一端就会接收到信号，由于仅能采集时域信号，因此可以构建出变压器各相绕组时域电流传递函数；
以被试变压器一相绕组为例，信号采集及故障判别保护装置执行上述方法，如图2a所示，A相流入电流，即定义该端为首端S，流出电流的中性点N为末端M，两端的电流通过高频电流互感器(HFCT)测量获得，那么电流从首端S传递到末端M情况下时域电流传递函数为：
Id1(n)＝IS(n)hSM(n)+IM(n)
其中，n为采样点；IS(n)为首端S时域电流，IM(n)为末端M时域电流；hSM(n)为电流从首端S传递到末端M情况下的平衡系数，Id1(n)为电流从首端S传递到末端M情况下的差流。
若为外部干扰，那么差流就为0，由于干扰可从各端进入，因此还需调换电流输入端和输出端，即如图2b所示，电流从末端M输入，从首端N输出，此时可得到相应的时域电流传递函数为：
Id2(n)＝IM(n)hMS(n)+IS(n)
其中，hMS(n)为电流从末端M传递到首端S情况下的平衡系数，Id2(n)为电流从末端M传递到首端S情况下的差流，同理若为外部干扰，那么差流就为0。
变压器的每一相绕组均可获得上述两个方程，即各相绕组时域电流传递函数。
2)根据变压器各相绕组时域电流传递函数，将首端和末端电流进行逆卷积，获得差流为零时各时域电流传递函数中的平衡系数；
定义变压器为外部干扰，即Id1(n)和Id2(n)均为0，将首端和末端电流进行逆卷积，获得各时域电流传递函数中的平衡系数，具体如下：
以Id1(n)＝IS(n)hSM(n)+IM(n)为例，设在一个周期内采样点为n，将IS(n)、hSM(n)、IM(n)表达为如下的矩阵形式：
hSM(n)＝[h1 h2 … hn]
IS(n)＝[r1 r2 … rn]T
IM(n)＝[c1 c2 … cn]T
由于差流为0，则，
IM(n)＝-IS(n)hSM(n)
可以构建矩阵H(n)，其值为：
Figure BDA0003140803060000071
此时可得，
IM(n)＝-hSM(n)H(n)
因此hSM(n)可表示为hSM(n)＝-IM(n)H-1(n)；
同理可获得差流为零时各时域电流传递函数中的平衡系数。
3)对平衡系数进行离散傅里叶变换，构建变压器频域差动平衡方程；
对hSM(n)进行离散傅里叶变换，即可获得其频域形式HSM(jω)，因此可获得相应频域电流传递函数：
0＝IS(jω)HSM(jω)+IM(jω)
其值，IS(jω)为首端N频域电流，IS(jω)为末端M频域电流，ω为频率；
因此同理可获得：
0＝IM(jω)HMS(jω)+IS(jω)
其中，HMS(jω)为hMS(n)经过离散傅里叶变换后的频域形式；
0＝IS(jω)HSM(jω)+IM(jω)
0＝IM(jω)HMS(jω)+IS(jω)即构成了差流为零时的频域电流传递函数；
以三相变压器为例，可获得变压器频域差动平衡方程：
Figure BDA0003140803060000081
其中，方程中上面两个函数为差流为零时的A相频域电流传递函数，中间两个为差流为零时的B相频域电流传递函数，最后两个为差流为零时的C相频域电流传递函数。
若A相绕组首端和末端的稳定频段电流满足相应的差流为零时的电流传递函数，如满足
Figure BDA0003140803060000082
则判定该变压器发生外部扰动；若所有稳定频段电流不满足上述方程，那么则可判定该变压器发生内部放电，即各相的稳定频段电流带入相应的函数，均不等于0，那么则可判定该变压器发生内部放电，获取放电发生时间和放电参数，其中，放电参数包括一个工频周期内的放电次数和放电强度。
若放电发生在端部电压过零点两侧(即端部电压过零点的时间窗内过零点两侧发生放电)、一个工频周期内的放电次数大于阈值N0、且放电强度大于阈值Im0(主要为脉冲电流幅值大于Im0)，那么判定即将发生贯穿性的高能量电弧故障，进行跳闸保护。
上述方法相应的软件系统，即一种变压器跳闸保护系统，包括：
稳定电流获取模块：获取运行时变压器各相绕组首端和末端的稳定频段电流；
内部放电判断模块：若首端和末端的稳定频段电流不满足预先构建的变压器差动平衡方程，则判定变压器发生内部放电，获取放电发生时间和放电参数；其中，变压器差动平衡方程为各相绕组差流为零时的电流传递函数构成，每相绕组差流为零时的电流传递函数包括电流从该相绕组首端传递到末端情况下差流为零时的电流传递函数、以及电流从该相绕组末端传递到首端情况下差流为零时的电流传递函数；
保护判断模块：若放电发生时间在端部电压过零点两侧、并且各放电参数均大于各自的阈值，则进行跳闸保护。
一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行变压器跳闸保护方法。
一种计算设备，包括一个或多个处理器、一个或多个存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述一个或多个存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行变压器跳闸保护方法的指令。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明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，本发明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。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、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。
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，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，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (8)

1.一种变压器跳闸保护方法，其特征在于：包括，
获取运行时变压器各相绕组首端和末端的稳定频段电流；
若首端和末端的稳定频段电流不满足预先构建的变压器差动平衡方程，则判定变压器发生内部放电，获取放电发生时间和放电参数；其中，变压器差动平衡方程为变压器频域差动平衡方程，变压器频域差动平衡方程为各相绕组差流为零时的频域电流传递函数构成，每相绕组差流为零时的频域电流传递函数包括电流从该相绕组首端传递到末端情况下差流为零时的频域电流传递函数、以及电流从该相绕组末端传递到首端情况下差流为零时的频域电流传递函数；
构建变压器频域差动平衡方程的具体过程为：采用变压器离线、且外部注入脉冲信号的方式，构建变压器各相绕组时域电流传递函数；其中，每相绕组时域电流传递函数包括电流从该相绕组首端传递到末端情况下的时域电流传递函数、以及电流从该相绕组末端传递到首端情况下的时域电流传递函数；根据变压器各相绕组时域电流传递函数，将首端和末端电流进行逆卷积，获得差流为零时各时域电流传递函数中的平衡系数；对平衡系数进行离散傅里叶变换，构建变压器频域差动平衡方程；
若放电发生时间在端部电压过零点两侧、并且各放电参数均大于各自的阈值，则进行跳闸保护。
2.根据权利要求1所述的一种变压器跳闸保护方法，其特征在于：绕组时域电流传递函数，
Id1(n)＝IS(n)hSM(n)+IM(n)
Id2(n)＝IM(n)hMS(n)+IS(n)
其中，n为采样点；IS(n)为首端S时域电流；IM(n)为末端M时域电流；hSM(n)为电流从首端S传递到末端M情况下的平衡系数；hMS(n)为电流从末端M传递到首端S情况下的平衡系数；Id1(n)为电流从首端S传递到末端M情况下的差流；Id2(n)为电流从末端M传递到首端S情况下的差流。
3.根据权利要求2所述的一种变压器跳闸保护方法，其特征在于：变压器频域差动平衡方程中差流为零时的频域电流传递函数为，
0＝IS(jω)HSM(jω)+IM(jω)
0＝IM(jω)HMS(jω)+IS(jω)
其中，IS(jω)为首端S频域电流；IM(jω)为末端M频域电流；HSM(jω)为hSM(n)经过离散傅里叶变换后的频域形式；HMS(jω)为hMS(n)经过离散傅里叶变换后的频域形式；ω为频率。
4.根据权利要求1所述的一种变压器跳闸保护方法，其特征在于：若至少一相绕组首端和末端的稳定频段电流满足相应的差流为零时的电流传递函数，则判定该变压器发生外部扰动。
5.根据权利要求1所述的一种变压器跳闸保护方法，其特征在于：放电参数包括一个工频周期内的放电次数和放电强度。
6.一种变压器跳闸保护系统，其特征在于：包括，
稳定电流获取模块：获取运行时变压器各相绕组首端和末端的稳定频段电流；
内部放电判断模块：若首端和末端的稳定频段电流不满足预先构建的变压器差动平衡方程，则判定变压器发生内部放电，获取放电发生时间和放电参数；其中，变压器差动平衡方程为变压器频域差动平衡方程，变压器频域差动平衡方程为各相绕组差流为零时的频域电流传递函数构成，每相绕组差流为零时的频域电流传递函数包括电流从该相绕组首端传递到末端情况下差流为零时的频域电流传递函数、以及电流从该相绕组末端传递到首端情况下差流为零时的频域电流传递函数；
构建变压器频域差动平衡方程的具体过程为：采用变压器离线、且外部注入脉冲信号的方式，构建变压器各相绕组时域电流传递函数；其中，每相绕组时域电流传递函数包括电流从该相绕组首端传递到末端情况下的时域电流传递函数、以及电流从该相绕组末端传递到首端情况下的时域电流传递函数；根据变压器各相绕组时域电流传递函数，将首端和末端电流进行逆卷积，获得差流为零时各时域电流传递函数中的平衡系数；对平衡系数进行离散傅里叶变换，构建变压器频域差动平衡方程；
保护判断模块：若放电发生时间在端部电压过零点两侧、并且各放电参数均大于各自的阈值，则进行跳闸保护。
7.一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，其特征在于：所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行根据权利要求1至5所述的方法中的任一方法。
8.一种计算设备，其特征在于，包括：
一个或多个处理器、一个或多个存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述一个或多个存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行根据权利要求1至5所述的方法中的任一方法的指令。
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