CN103683198B - 一种基于差动电流相邻阶次差分构成的平面上相邻点距离的励磁涌流快速识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于差动电流相邻阶次差分构成的平面上相邻点距离的励磁涌流快速识别方法，属于电力系统继电保护技术领域。当变压器发生内部故障或产生励磁涌流时，保护测量装置立即启动，测量单元测得变压器的三相差流，提取测量单元记录的三相差流数据，通过三相差流数据求取各相差流的一阶差分和二阶差分；分别以三相的二阶差分为横轴，以对应相的一阶差分为纵轴，构造三个平面；求取所构造的三个平面上所有相邻点距离的平方和，再求取三个平方和中的最大值dist2_sum，然后求取dist2_sum所对应相的相邻点距离平方的标准差与平均值；将所得的平均值与标准差进行积分得到Th1_sum，通过比较dist2_sum和Th1_sum来进行变压器内部故障和励磁涌流的判别。

Description

一种基于差动电流相邻阶次差分构成的平面上相邻点距离的 励磁涌流快速识别方法

技术领域

本发明涉及一种基于差动电流相邻阶次差分构成的平面上相邻点距离的励磁涌流快速识别方法，属于电力系统继电保护技术领域。

背景技术

目前变压器的主保护为利用电气量的纵联差动保护和非电气量的瓦斯保护。其中纵差保护利用变压器一次侧电流与二次侧电流的差作为差动电流，差动电流超过某个整定值，即判断为内部故障。变压器差动保护是建立在变压器稳态磁路平衡的基础上，在暂态过程中这种平衡关系可能被打破：在变压器空载合闸、过励磁或故障切除后电压恢复过程中等情况下，由磁路饱和产生的数值很大的励磁涌流会引起差动保护误动作。因而，变压器差动保护的难点就在于对涌流和内部故障的可靠、迅速识别，以确保保护正确动作。

围绕电力变压器励磁涌流的判别,先后涌现出许多方法，包括二次谐波原理、间断角原理和波形对称原理等。二次谐波制动法是根据励磁涌流产生的二次谐波远大于内部故障情况的特点，计算差动电流中的二次谐波含量，若其值较大则判定为涌流。但是二次谐波制动法存在如下缺点：励磁涌流是暂态电流，不适合用傅里叶级数的谐波分析方法。因为对于暂态信号而言，傅里叶级数法的周期延拓将导致错误的计算结果；现代变压器励磁特性的变化，使得发生涌流时二次谐波含量低，导致保护易误动。间断角原理利用了涌流波形有较大间断角的特征，通过检测差动电流间断角的大小实现鉴别涌流的目的，但是面临着因电流互感器传变引起的间断角变形问题，同时为了提高相角比较的正确性，必须提高采样率，并抑制A/D转换芯片在零点附近的转换误差。波形对称原理是利用差电流导数的前半波与后半波进行对称比较以区别励磁涌流和内部故障。该原理基于对励磁涌流导数波宽及间断角的分析，是间断角原理的推广。但是,涌流波形与许多因素有关,具有不确定性、多样性，波形对称的判定存在一定困难；在故障初瞬，故障电流并非标准正弦波,实际系统中必须考虑故障情况的多样性和故障波形的复杂性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有的对变压器内部故障和励磁涌流辨识方法的不足，提出一种基于差动电流相邻阶次差分构成的平面上相邻点距离的励磁涌流和变压器内部故障快速判别方法。

本发明的技术方案是：一种基于差动电流相邻阶次差分构成的平面上相邻点距离的励磁涌流快速识别方法，当变压器发生内部故障或产生励磁涌流时，保护测量装置立即启动，测量单元测得变压器的三相差动电流，提取测量单元记录的三相差动电流数据，通过三相差动电流数据求取各相差动电流的一阶差分和二阶差分；分别以差动电流三相的二阶差分为横轴，以对应相差动电流的一阶差分为纵轴，构造三个平面；求取所构造的三个平面上所有相邻点距离的平方和，再求取三个平方和中的最大值dist2_sum，然后求取dist2_sum所对应的相的相邻点距离平方的标准差与平均值；将所得的平均值与标准差进行积分得到Th1_sum，通过比较dist2_sum和Th1_sum来进行变压器内部故障和励磁涌流的判别。

所述方法具体步骤为：

(1)当变压器发生内部故障或产生励磁涌流时，保护测量装置立即启动，通过测量单元检测并记录三相差动电流；

(2)提取变压器内部故障或励磁涌流发生后短时窗内的三相差动电流数据i_A(n)、i_B(n)、i_C(n)，A、B、C为变压器三相的编号，n为离散信号第n个采样点；

(3)对提取的三相差动电流分别利用下式求取各相的一阶差分函数二阶差分函数

式中，n为离散信号第n个采样点；为变压器三相的编号；

(4)分别以各相为横轴，以同相的为纵轴构造三个相邻阶次差分平面，求取各平面上相邻点距离的平方和

再通过下式，分别算出每相在所构平面上的各相邻点距离的平方和并通过最大值函数得到三个平方和中的最大值，记为dist2_sum：

dist2_sum＝max(dist2_A,sum，dist2_B,sum，dist2_C,sum)

式中，N为短时窗内的采样点数目；

(5)求取dist2_sum所对应相的相邻点距离平方dist2_φ(n)的标准差σ_φ,dist2(n)和平均值μ_φ,dist2(n)，利用标准差σ_φ,dist2(n)和平均值μ_φ,dist2(n)通过计算得到Th1_φ(n)：

Th1_φ(n)＝μ_φ,dist2(n)+2σ_φ,dist2(n)

式中φ为选取的dist2_sum所对应相的相序；

通过下面的求和公式，得到阈值Th1_sum：

$Th{1}_{sum}=\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}Th{1}_{\mathrm{\φ}}\left(n\right)$

(6)根据下面的判据进行变压器内部故障和励磁涌流的判别：

若dist2_sum≤Th1_sum，则为变压器内部故障；

若dist2_sum＞Th1_sum，则为励磁涌流。

本发明的原理是：

一、一阶差分和二阶差分的求取

提取发生变压器内部故障或产生励磁涌流后10ms时窗内的三相差动电流数据i_A(n)、i_B(n)、i_C(n)，A、B、C为变压器三相的编号，n为离散信号第n个采样点；

对提取的三相差动电流可以分别利用下式求取各相的一阶差分二阶差分

式中为变压器三相的编号。

二、相邻阶次差分平面上相邻点距离平方和计算及最大值求取

分别以各相为横轴，以同相的为纵轴构造三个相的相邻阶次差分平面，求取各平面上相邻点距离的平方

对变压器发生内部故障或产生励磁涌流后10ms时窗内各相的按下式分别求取每一相所构平面上相邻点距离平方和：

利用下式，选取dist2_A,sum，dist2_B,sum，dist2_C,sum的最大值，并记为dist2_sum：

dist2_sum＝max(dist2_A,sum，dist2_B,sum，dist2_C,sum)

三、在构造的平面上相邻点距离的平均值和标准差的求取

由平均值的定义，在所构造平面上各相邻点距离的平均值由下式求得:

式中为变压器的三相的编号；

由于标准差是指统计结果在某一时段内误差上下波动的幅度，在所构造平面上各相邻点距离的标准差由下式求得:

四、变压器内部故障和励磁涌流的判别

发生内部故障情况下，在一定时窗内，与x轴围成的面积小于等于与x轴围成的面积，而产生励磁涌流的情况下，在一定时窗内，与x轴围成的面积大于与x轴围成的面积：将dist2_sum与同相的阈值Th1_sum进行比较：

若dist2_sum≤Th1_sum，则判为变压器内部故障；

若dist2_sum＞Th1_sum，则判为励磁涌流。

本发明的有益效果是：

1、采用变压器内部故障或励磁涌流后的数据相邻点之间距离进行判别，阈值由差动电流信号计算得到，无需预先设置阈值；

2、所需采样率较低，仅需1kHz；

3、采用短时窗进行判定分析，所需时窗较短。

附图说明

图1为本发明实施例变压内部故障与励磁涌流仿真系统模型；

图2为变压器低压侧发生A相1.5％绕组接地故障dist2_A(n)和Th1_A(n)的比较图；

图3为变压励磁涌流时dist2_A(n)和Th1_A(n)的比较图；

图4为本发明的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。

实施例1：一种基于差动电流相邻阶次差分构成的平面上相邻点距离的励磁涌流快速识别方法，当变压器发生内部故障或产生励磁涌流时，保护测量装置立即启动，测量单元测得变压器的三相差动电流，提取测量单元记录的三相差动电流数据，通过三相差动电流数据求取各相差动电流的一阶差分和二阶差分；分别以差动电流三相的二阶差分为横轴，以对应相差动电流的一阶差分为纵轴，构造三个平面；求取所构造的三个平面上所有相邻点距离的平方和，再求取三个平方和中的最大值dist2_sum，然后求取dist2_sum所对应的相的相邻点距离平方的标准差与平均值；将所得的平均值与标准差进行积分得到Th1_sum，通过比较dist2_sum和Th1_sum来进行变压器内部故障和励磁涌流的判别。

所述方法具体步骤为：

(1)当变压器发生内部故障或产生励磁涌流时，保护测量装置立即启动，通过测量单元检测并记录三相差动电流；

(2)提取变压器内部故障或励磁涌流发生后10ms时窗内的三相差动电流数据i_A(n)、i_B(n)、i_C(n)，A、B、C为变压器三相的编号，n为离散信号第n个采样点；

(3)对提取的三相差动电流分别利用下式求取各相的一阶差分函数二阶差分函数

式中，n为离散信号第n个采样点；为变压器三相的编号；

(4)分别以各相为横轴，以同相的为纵轴构造三个相邻阶次差分平面，求取各平面上相邻点距离的平方和

再通过下式，分别算出每相在所构平面上的各相邻点距离的平方和并通过最大值函数得到三个平方和中的最大值，记为dist2_sum：

dist2_sum＝max(dist2_A,sum，dist2_B,sum，dist2_C,sum)

式中，N为10ms时窗内的采样点数目；

(5)求取dist2_sum所对应相的相邻点距离平方dist2_φ(n)的标准差σ_φ,dist2(n)和平均值μ_φ,dist2(n)，利用标准差σ_φ,dist2(n)和平均值μ_φ,dist2(n)通过计算得到Th1_φ(n)：

Th1_φ(n)＝μ_φ,dist2(n)+2σ_φ,dist2(n)

式中φ为选取的dist2_sum所对应相的相序；

通过下面的求和公式，得到阈值Th1_sum：

$Th{1}_{sum}=\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}Th{1}_{\mathrm{\φ}}\left(n\right)$

(6)根据下面的判据进行变压器内部故障和励磁涌流的判别：

若dist2_sum≤Th1_sum，则为变压器内部故障；

若dist2_sum＞Th1_sum，则为励磁涌流。

实施例2：建立如图1所示的变压器故障与励磁涌流仿真系统模型，其中变压器为三台单相三绕组变压器，采用Yd11接法,把它的高压绕组接入110kV系统为变压器原边，中压绕组与低压绕组级联构成变压器副边，所构成的等效双绕组变压器的参数如下：额定容量为250MVA，额定变比为110kV/10.5kV，等效电阻为0.002pu，等效电抗为0.08pu。其磁化参数如表1所示：

表1

现假设变压器低压侧发生A相1.5％绕组接地故障，采样频率为1kHz，在该模型下，dist2_A(n)和Th1_A(n)的比较图如图2所示，对采样结果利用下式可以求得A相在所构平面上的各相邻点距离的平方dist2_A(n)²：

dist2_A(n)²＝[d[2]_A(n)-d[2]_A(n-1)]²+[d[1]_A(n)-d[1]_A(n-1)]²

对其求和得dist2_A,sum＝1.304，大于B相的dist2_B,sum和C相的dist2_C,sum。记dist2_A,sum为dist2_sum，根据Th1_A(n)＝μ_A,dist2(n)+2σ_A求得Th1_A(n)，对Th1_A(n)进行积分得出Th1_sum＝1.767。

根据判据，因为dist2_sum＜Th1_sum故判为变压器内部故障，与假设一致，判断正确。

实施例2：建立如图1所示的变压器故障与励磁涌流仿真系统模型，其参数在实施例1中做了详细说明，这里不再累述。现假设系统中变压器产生励磁涌流，采样频率为1kHz，在该模型下，dist2_A(n)和Th1_A(n)的比较图如图3所示。

同理可以由采样点的数据求得对应的dist2_sum＝0.032，Th1_sum＝0.027。因为dist2_sum＞Th1_sum，根据判据，判定为励磁涌流。与假设一致，判断正确。

上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (2)

1.一种基于差动电流相邻阶次差分构成的平面上相邻点距离的励磁涌流快速识别方法，其特征在于：当变压器发生内部故障或产生励磁涌流时，保护测量装置立即启动，测量单元测得变压器的三相差动电流，提取测量单元记录的三相差动电流数据，通过三相差动电流数据求取各相差动电流的一阶差分和二阶差分；分别以差动电流的二阶差分为横轴，以对应相差动电流的一阶差分为纵轴，构造三个平面；求取所构造的三个平面上所有相邻点距离的平方和，再求取三个平方和中的最大值dist2_sum，然后求取dist2_sum所对应的相的相邻点距离平方的标准差与平均值；将所得的平均值与标准差进行积分得到Th1_sum，通过比较dist2_sum和Th1_sum来进行变压器内部故障和励磁涌流的判别。

2.根据权利要求1所述的基于差动电流相邻阶次差分构成的平面上相邻点距离的励磁涌流快速识别方法，其特征在于所述方法具体步骤为：

(1)当变压器发生内部故障或产生励磁涌流时，保护测量装置立即启动，通过测量单元检测并记录三相差动电流；

(2)提取变压器内部故障或励磁涌流发生后短时窗内的三相差动电流数据i_A(n)、i_B(n)、i_C(n)，A、B、C为变压器三相的编号，n为离散信号第n个采样点；

(3)对提取的三相差动电流分别利用下式求取各相的一阶差分函数二阶差分函数

式中，n为离散信号第n个采样点；为变压器三相的编号；

(4)分别以各相为横轴，以同相的为纵轴构造三个相邻阶次差分平面，求取各平面上相邻点距离的平方

再通过下式，分别算出每相在所构平面上的各相邻点距离的平方和并通过最大值函数得到三个平方和中的最大值，记为dist2_sum：

dist2_sum＝max(dist2_A,sum，dist2_B,sum，dist2_C,sum)

式中，N为短时窗内的采样点数目；

(5)求取dist2_sum所对应相的相邻点距离平方的标准差σ_φ,dist2(n)和平均值μ_φ,dist2(n)，利用标准差σ_φ,dist2(n)和平均值μ_φ,dist2(n)通过计算得到Th1_φ(n)：

Th1_φ(n)＝μ_φ,dist2(n)+2σ_φ,dist2(n)

式中φ为选取的dist2_sum所对应相的相序；

通过下面的求和公式，得到阈值Th1_sum：

$Th{1}_{sum}=\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}Th{1}_{\mathrm{\φ}}\left(n\right)$

(6)根据下面的判据进行变压器内部故障和励磁涌流的判别：

若dist2_sum≤Th1_sum，则为变压器内部故障；

若dist2_sum＞Th1_sum，则为励磁涌流。