CN116231586A - 基于瞬时差动功率时频能量提取的风电场升压变保护方法及系统 - Google Patents

基于瞬时差动功率时频能量提取的风电场升压变保护方法及系统 Download PDF

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徐彬
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Abstract

本发明提出了基于瞬时差动功率时频能量提取的风电场升压变保护方法及系统，包括：实时获取变压器各侧的电压电流瞬时值；根据当前时刻设定周期波前的电流瞬时值，计算变压器的三相差动电流幅值；当三相差动电流均大于设定值时，发送变压器内部故障跳闸信号，否则，基于获取的变压器各侧的电压电流瞬时值计算变压器各侧瞬时功率及瞬时差动功率；对当前时刻前的变压器瞬时差动功率进行时频分析，提取不同频率对应的瞬时差动功率时频能量；累加设定频率范围内时频能量，并与整定的频率能量阈值作比较，若大于整定的频率能量阈值则判断变压器内部故障发生，发送变压器内部故障跳闸信号。

Description

基于瞬时差动功率时频能量提取的风电场升压变保护方法及 系统
技术领域
本发明属于电力系统继电保护技术领域，尤其涉及基于瞬时差动功率时频能量提取的风电场升压变保护方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
作为风电场接入电网的关键设备之一，升压变的稳定运行直接影响系统供电的可靠性。而差动保护作为变压器故障时的主保护，无法区分励磁涌流与内部故障，通常利用二次谐波含量鉴别涌流进行闭锁。
关于变压器内部故障是指变压器油箱内或油箱外的短路故障，发生内部故障时由两侧流入变压器内部的电流之和(即差动电流)通常数值较大，且不含二次谐波分量，若不迅速切除，易导致变压器油箱爆炸或人身伤亡。通常依赖差动保护识别内部故障发生，并跳开变压器两侧开关，切除故障。
关于励磁涌流是对变压器空载合闸或外部切除故障恢复供电后，由于变压器铁心磁路饱和产生非线性变化的暂态过电流，其在波形上表现出一定的间断特性，通常二次谐波含量较高，会随时间的延长而衰减，其本身对变压器或人身的危害较小，无需像内部故障时跳开变压器两侧的开关，但是也会使差动电流增加，可能引起变压器差动保护的误动。
当前现场中，主要依靠二次谐波含量>15％(或20％)识别励磁涌流，满足条件后，差动保护制动，使变压器差动保护不因励磁涌流而误动。
现有研究已提出了较多可区分励磁涌流的变压器内部故障识别方法，但多依据差动电流的外在波形特征或采用人工智能/机器学习的手段进行区分。基于波形特性的方法包括虚拟三次谐波、波形对称性、波形相关系数、形态梯度等，此类方法无法反映变压器励磁涌流与内部故障的本质区别；采用的人工智能或机器学习手段包括人工神经网络、模糊逻辑、支持向量机、决策树等，此类方法需要大量的数据进行训练，且缺乏原理支撑，不适合应用于现场。
此外，基于磁通、等效励磁电感的识别方法也被提出，但是剩磁及励磁电感的准确获取较为困难。特别地，就风电场接入导致故障时差动电流波形发生畸变问题而言，差动电流波形发生畸变后，二次谐波含量增加，可能超过整定的15％或20％阈值，导致将内部故障误判为励磁涌流，使保护拒动。现有研究缺乏针对性的解决方法，是新能源电力系统继电保护的技术难题之一。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提供了基于瞬时差动功率时频能量提取的风电场升压变保护方法，利用同步压缩小波变换的时频分析手段提取变压器瞬时差动功率的二倍频能量，为风电场升压变内部故障的识别提供可靠依据。
为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：
第一方面，公开了基于瞬时差动功率时频能量提取的风电场升压变保护方法，包括：
实时获取变压器各侧的电压电流瞬时值；
根据当前时刻设定周期波前的电流瞬时值，计算变压器的三相差动电流幅值；
当三相差动电流均大于设定值时，发送变压器内部故障跳闸信号，否则，基于获取的变压器各侧的电压电流瞬时值计算变压器各侧瞬时功率及瞬时差动功率；
对当前时刻前的变压器瞬时差动功率进行时频分析，提取不同频率对应的瞬时差动功率时频能量；
累加设定频率范围内时频能量，并与整定的频率能量阈值作比较，若大于整定的频率能量阈值则判断变压器内部故障发生，发送变压器内部故障跳闸信号。
作为进一步的技术方案，变压器各侧瞬时功率为变压器各侧电压瞬时值与电流瞬时值的乘积；
对变压器各侧的瞬时功率求和，计算变压器的瞬时差动功率。
作为进一步的技术方案，基于同步挤压小波变换对当前时刻Tdata时间前的变压器瞬时差动功率pdif(t)进行时频分析，提取不同频率对应的瞬时差动功率时频能量T(ωl)时，具体公式为：
T(ωl)＝fωl(pdif(t))
其中，Tdata为时频能量提取的数据窗大小，fωl表示以ωl为中心频率进行同步挤压小波变换。
作为进一步的技术方案，基于同步挤压小波变换对当前时刻Tdata时间前的变压器瞬时差动功率pdif(t)进行时频分析，具体为：
选择母小波函数对瞬时差动功率进行连续小波变换，获取连续小波系数；
在中心频率处利用连续小波系数对信号进行同步挤压小波变换，获取同步挤压小波系数。
作为进一步的技术方案，当三相差动电流均大于设定值时，其中，设定值为3倍变压器的额定电流。
作为进一步的技术方案，累加|ωl-100|<δ范围内的时频能量T(ωl)，并与整定的100Hz频率能量阈值E100作比较，ωl为中心频率，δ为阈值。
作为进一步的技术方案，上述方法用于在变压器励磁涌流发生时，累加时频能量的阈值并未满足，即变压器内部故障的判别条件未能满足，用于将励磁涌流与变压器内部故障进行区分，变压器保护不误动。
第二方面，公开了基于瞬时差动功率时频能量提取的风电场升压变保护系统，包括：
数据获取模块，被配置为：实时获取变压器各侧的电压电流瞬时值；
数据计算模块，被配置为：根据当前时刻设定周期波前的电流瞬时值，计算变压器的三相差动电流幅值；
第一判断模块，被配置为：当三相差动电流均大于设定值时，发送变压器内部故障跳闸信号，否则，基于获取的变压器各侧的电压电流瞬时值计算变压器各侧瞬时功率及瞬时差动功率；
时频能量提取模块，被配置为：对当前时刻前的变压器瞬时差动功率进行时频分析，提取不同频率对应的瞬时差动功率时频能量；
第二判断模块，被配置为：累加设定频率范围内时频能量，并与整定的频率能量阈值作比较，若大于整定的频率能量阈值则判断变压器内部故障发生，发送变压器内部故障跳闸信号。
以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
本发明方法利用内部故障时瞬时差动功率的二倍频分量较高，而励磁涌流时瞬时差动功率二倍频分量较低的特点，基于同步挤压小波变换对100Hz附近的瞬时差动功率进行时频能量提取，抗噪声、抗频谱混叠能力强，可精准分析功率中二倍频分量的存在，并用于区分内部故障与励磁涌流。
本发明方法能在有效地识别内部故障，防止变压器差动保护的误动及拒动，且不受风电场逆变器控制而导致差动电流畸变的影响。
本发明方法利用瞬时功率作为变压器保护的识别依据，综合电压电流量全面地展示变压器特征，可充分反映变压器作为一个能量变换工具的本质，且不受三相故障时电压跌落程度较低的影响，在三相金属性故障时不存在死区。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的流程图；
图2为本发明实施例1、2中风电场升压变连接结构示意图；
图3为本发明实施例1中的瞬时差动功率时频能量图；
图4为本发明实施例2中的瞬时差动功率时频能量图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
本实施例公开了基于瞬时差动功率时频能量提取的风电场升压变保护方法，参见附图1所示，包括以下步骤：
步骤一、实时获取变压器各侧的电压电流瞬时值uj(t)和ij(t)，其中j表示变压器的端侧数，t表示获取电压电流的时刻，电流正方向为母线流向变压器；
步骤二、根据当前时刻一周波前的电流瞬时值，计算变压器的三相差动电流幅值Idif，当三相差动电流均满足Idif>Iset时，则转入步骤六，否则转入步骤三；
步骤三、计算变压器各侧瞬时功率及瞬时差动功率；
瞬时功率pj为变压器电压瞬时值与电流瞬时值的乘积，计算公式为：
pj(t)＝uj(t)*ij(t)
对变压器各侧的瞬时功率求和，计算变压器的瞬时差动功率pdif：
Figure BDA0004031153320000061
步骤四、基于同步挤压小波变换对当前时刻Tdata时间前的变压器瞬时差动功率pdif(t)进行时频分析，提取不同频率ωl对应的瞬时差动功率时频能量，即同步挤压小波系数：
Figure BDA0004031153320000062
其中，Tdata为时频能量提取的数据窗大小，
Figure BDA0004031153320000063
表示以ωl为中心频率进行同步挤压小波变换；
在本实施例子中，利用同步挤压小波变换对暂态信号具有很强的特征提取能力，具有抗噪、抗频谱混叠的优点。该方法通过对连续小波系数在频率方向的挤压，使得所提取频率分量的精度较高，时频能量更加集中。
步骤五、累加|ωl-100|<δ范围内的时频能量T(ωl)，并与整定的100Hz频率能量阈值E100作比较，δ为用于计算二倍频能量的频率半径，当满足下式时，则认为内部故障发生，并转入步骤六：
Figure BDA0004031153320000064
当不满足时，转入步骤一；
需要说明的是，由于内部故障时，瞬时差动功率二倍频分量较高，励磁涌流时，该二倍频分量较低，基频是50Hz，二倍频即100Hz，故提取瞬时差动功率在100Hz附近的频率对应的能量，并用100Hz附近频率段的能量，进行二倍频分量大小的区分。
步骤六、发送变压器内部故障跳闸信号，流程结束。
为了更好的说明本公开上述方法的技术方案，下面结合附图2对本发明的具体实施方式做进一步描述。附图2为风电场经升压变接入155kV电力系统的接线结构示意图。风电场升压变的变比为155kV/34.5/34.5kV，额定容量SN为200MVA。
变压器低压侧开关CB2、CB3断开时，t＝1s时，对CB1进行合闸操作，产生励磁涌流，所提方法的具体实施方式图下：
步骤一、获取变压器各侧的电压电流瞬时值u1(t)、u2(t)、u3(t)和i1(t)、i2(t)、i3(t)，t表示获取电压电流的时刻，电流的参考方向如附图2所示。
步骤二、根据当前时刻一周波前的电流瞬时值，计算变压器的三相差动电流幅值Idif，由于三相差动电流均不满足Idif>Iset，故转入步骤三，其中Iset＝3IN,IN为变压器的额定电流。针对本实例选取的经验值，当风电场升压变压器发生三相短路故障时，其内部故障时差动电流水平约在3IN以上，此步骤主要是针对此类故障。
步骤三、计算变压器各侧瞬时功率及瞬时差动功率；
瞬时功率p1、p2、p3为变压器各侧电压瞬时值与电流瞬时值的乘积，对p1、p2、p3求和，计算变压器的瞬时差动功率pdif:
pdif(t)＝u1(t)i1(t)+u2(t)i2(t)+u3(t)i3(t)
步骤四、基于同步挤压小波变换对当前时刻Tdata时间前的变压器瞬时差动功率pdif(t)进行时频分析，提取不同频率ωl对应的瞬时差动功率时频能量，即同步挤压小波系数：
Figure BDA0004031153320000071
其中，Tdata为时频能量提取的数据窗大小，取2个周期值大小，即40ms。fωl表示以ωl为中心频率进行同步挤压小波变换，附图3所示为瞬时差动功率的时频分析结果，颜色越浅，表示时频能量越集中，可看出本例的时频能量主要集中于50Hz。
步骤五、累加|ωl-100|<δ范围内的时频能量T(ωl)，并与整定的100Hz频率能量阈值E100作比较，取δ＝10，E100＝2SN，由于累加时频能量不满足
Figure BDA0004031153320000072
故转入步骤一。
在变压器CB1合闸以后，循环以上步骤，累加时频能量的阈值并未满足，即变压器内部故障的判别条件未能满足，以上实施例可以看出，本方法在励磁涌流发生时，可有效将其与内部故障进行区分，保证变压器保护不误动。
关于步骤三的同步挤压小波变换过程如下：
选择母小波函数Ψ(t)为Morlet小波对瞬时差动功率pdif(t)进行连续小波变换，获取连续小波系数Wf(a,b)：
Figure BDA0004031153320000081
其中a为连续小波变换的尺度因子，b为连续小波变换的平移因子。连续小波系数对应的瞬时频率为：
Figure BDA0004031153320000082
由于Morlet小波在时间与频率的局部化之间平衡性较好，包含丰富的振动信息，一般用于实信号分析，实信号即现实中真实可测的信号。
设pdif(t)信号中的采样点个数n＝2L+1，采样时间间隔为Δt，nv＝32，令na＝Lnv，ω0＝1/(nΔt)，ωl＝2lΔωω0，其中信号的频率间隔
Figure BDA0004031153320000083
l＝0,1,…,na-1,则将信号的频率范围划分为不同的区间/>
Figure BDA0004031153320000084
在中心频率ωl处利用连续小波系数对信号进行同步挤压小波变换，获取同步挤压小波系数：
Figure BDA0004031153320000085
/>
其中，(Δa)k＝ak-ak-1。
需要说明的是，同步挤压小波变换对暂态信号具有很强的特征提取能力，具有抗噪、抗频谱混叠的优点。该方法通过对连续小波系数在频率方向的挤压，使得所提取频率分量的精度较高，时频能量更加集中。
在另一实施例子中，变压器低压侧开关CB1、CB2、CB3均处于闭合时，t＝1.5s时，变压器高压侧发生内部A相接地故障，所提方法的具体实施过程重复上述步骤一至步骤五，直至t＝1.504s时累加频率超过定值，发出跳闸信号。附图4为本实施例中瞬时差动功率的时频分析结果。
本发明上述方法解决了风电场升压变内部故障的识别问题。该方法根据变压器各侧的电压及电流计算差动电流及瞬时差动功率，并利用同步压缩小波变换对瞬时差动功率的时频能量进行提取，将二倍频附近的时频能量进行累加并与设定阈值进行对比，步骤五即为选定进行累加的频率半径，并对该频率半径内的时频能量进行求和(100Hz附近的T(ωl)，实现二倍频附近的时频能量进行累加，当累加时频能量超过阈值或三相差动电流同时超过设定阈值时则判别内部故障发生。本发明能在精准分析瞬时差动功率中二倍频分量的基础上，可有效地识别内部故障，防止变压器差动保护的误动及拒动，且不受风电场逆变器控制而导致差动电流畸变的影响，在三相金属性故障时不存在死区。
实施例二
本实施例的目的是提供一种计算机装置,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述方法的步骤。
实施例三
本实施例的目的是提供一种计算机可读存储介质。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时执行上述方法的步骤。
实施例四
本实施例的目的是提供了基于瞬时差动功率时频能量提取的风电场升压变保护系统，包括：
数据获取模块，被配置为：实时获取变压器各侧的电压电流瞬时值；
数据计算模块，被配置为：根据当前时刻设定周期波前的电流瞬时值，计算变压器的三相差动电流幅值；
第一判断模块，被配置为：当三相差动电流均大于设定值时，发送变压器内部故障跳闸信号，否则，基于获取的变压器各侧的电压电流瞬时值计算变压器各侧瞬时功率及瞬时差动功率；
时频能量提取模块，被配置为：对当前时刻前的变压器瞬时差动功率进行时频分析，提取不同频率对应的瞬时差动功率时频能量；
第二判断模块，被配置为：累加设定频率范围内时频能量，并与整定的频率能量阈值作比较，若大于整定的频率能量阈值则判断变压器内部故障发生，发送变压器内部故障跳闸信号。
以上实施例二、三和四的装置中涉及的各步骤与方法实施例一相对应，具体实施方式可参见实施例一的相关说明部分。术语“计算机可读存储介质”应该理解为包括一个或多个指令集的单个介质或多个介质；还应当被理解为包括任何介质，所述任何介质能够存储、编码或承载用于由处理器执行的指令集并使处理器执行本发明中的任一方法。
本领域技术人员应该明白，上述本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.基于瞬时差动功率时频能量提取的风电场升压变保护方法，其特征是，包括：
实时获取变压器各侧的电压电流瞬时值；
根据当前时刻设定周期波前的电流瞬时值，计算变压器的三相差动电流幅值；
当三相差动电流均大于设定值时，发送变压器内部故障跳闸信号，否则，基于获取的变压器各侧的电压电流瞬时值计算变压器各侧瞬时功率及瞬时差动功率；
对当前时刻前的变压器瞬时差动功率进行时频分析，提取不同频率对应的瞬时差动功率时频能量；
累加设定频率范围内时频能量，并与整定的频率能量阈值作比较，若大于整定的频率能量阈值则判断变压器内部故障发生，发送变压器内部故障跳闸信号。
2.如权利要求1所述的基于瞬时差动功率时频能量提取的风电场升压变保护方法，其特征是，变压器各侧瞬时功率为变压器各侧电压瞬时值与电流瞬时值的乘积；
对变压器各侧的瞬时功率求和，计算变压器的瞬时差动功率。
3.如权利要求1所述的基于瞬时差动功率时频能量提取的风电场升压变保护方法，其特征是，基于同步挤压小波变换对当前时刻Tdata时间前的变压器瞬时差动功率pdif(t)进行时频分析，提取不同频率对应的瞬时差动功率时频能量T(ωl)时，具体公式为：
Figure FDA0004031153310000011
其中，Tdata为时频能量提取的数据窗大小，
Figure FDA0004031153310000021
表示以ωl为中心频率进行同步挤压小波变换。
4.如权利要求3所述的基于瞬时差动功率时频能量提取的风电场升压变保护方法，其特征是，基于同步挤压小波变换对当前时刻Tdata时间前的变压器瞬时差动功率pdif(t)进行时频分析，具体为：
选择母小波函数对瞬时差动功率进行连续小波变换，获取连续小波系数；
在中心频率处利用连续小波系数对信号进行同步挤压小波变换，获取同步挤压小波系数。
5.如权利要求1所述的基于瞬时差动功率时频能量提取的风电场升压变保护方法，其特征是，当三相差动电流均大于设定值时，其中，设定值为3倍变压器的额定电流。
6.如权利要求1所述的基于瞬时差动功率时频能量提取的风电场升压变保护方法，其特征是，累加|ωl-100|<δ范围内的时频能量T(ωl)，并与整定的100Hz频率能量阈值E100作比较，ωl为中心频率，δ为阈值。
7.如权利要求1-6任一所述的基于瞬时差动功率时频能量提取的风电场升压变保护方法，其特征是，上述方法用于在变压器励磁涌流发生时，累加时频能量的阈值并未满足，即变压器内部故障的判别条件未能满足，用于将励磁涌流与变压器内部故障进行区分，变压器保护不误动。
8.基于瞬时差动功率时频能量提取的风电场升压变保护系统，其特征是，包括：
数据获取模块，被配置为：实时获取变压器各侧的电压电流瞬时值；
数据计算模块，被配置为：根据当前时刻设定周期波前的电流瞬时值，计算变压器的三相差动电流幅值；
第一判断模块，被配置为：当三相差动电流均大于设定值时，发送变压器内部故障跳闸信号，否则，基于获取的变压器各侧的电压电流瞬时值计算变压器各侧瞬时功率及瞬时差动功率；
时频能量提取模块，被配置为：对当前时刻前的变压器瞬时差动功率进行时频分析，提取不同频率对应的瞬时差动功率时频能量；
第二判断模块，被配置为：累加设定频率范围内时频能量，并与整定的频率能量阈值作比较，若大于整定的频率能量阈值则判断变压器内部故障发生，发送变压器内部故障跳闸信号。
9.一种计算机装置,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征是，所述处理器执行所述程序时实现上述权利要求1-7任一所述的方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征是，该程序被处理器执行时执行上述权利要求1-7任一所述的方法的步骤。
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CN116683411A (zh) * 2023-08-01 2023-09-01 华北电力大学 一种交流线路保护方法、系统及电子设备

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