基于小波分析的變壓器涌流識別研究碩士論文

At h e s i ss u b m i t t e dt o Z h e n g z h o uU n i v e r s i t y f o rt h ed e g r e eo fM a s t e r R e s e a r c ho nD i s t i n g u i s h i n gI n r u s hC u r r e n to fP o w e r T r a n s f o r m e rB a s e do nW a v e l e t A n a l y s i s B y T a oJ i S u p e r v i s o r ：A s s o c i a t eP r o f M i n g d o n gW a n g E l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g 一一 S c h o o lo fE l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g O c t o ，2 0 1 5 萬方數(shù)據(jù) 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研 究所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人 或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的科研成果。對本文的研究作出重要貢獻(xiàn)的個人和集 體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本聲明的法律責(zé)任由本人承擔(dān)。 學(xué)位論文作者：紀(jì)手舀 日期：年月 日 學(xué)位論文使用授權(quán)聲明 本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下完成的論文及相關(guān)的實(shí)物作品，知識產(chǎn)權(quán)歸屬鄭州大學(xué)。 根據(jù)鄭州大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留或向國家有關(guān)部 門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱；本人授權(quán)鄭州 大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、 縮印或者其他復(fù)制手段保存論文和匯編本學(xué)位論文。本人離校后發(fā)表、使用學(xué) 位論文或與該學(xué)位論文直接相關(guān)的學(xué)術(shù)論文或成果時，第一署名單位仍然為鄭 州大學(xué)。保密論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定。 學(xué)位論文作者：鄉(xiāng)己喪參 萬方數(shù)據(jù) 摘要 摘要 近些年以來，隨著電力事業(yè)的發(fā)展，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)我們的生活中已經(jīng)離不開 電了，無論是各種電子產(chǎn)品的應(yīng)用，還是互聯(lián)網(wǎng)、多媒體的傳播過程中，都離 不開電的作用。在這個高速發(fā)展的社會，沒有電力事業(yè)的支持，我們就無法如 此輕松地獲取各種知識，這對于我們的生活的影響無疑是巨大的。隨之而來與 電力相關(guān)的問題就出現(xiàn)了，其中為了使電力系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)可以安全穩(wěn)定地運(yùn) 行，電力變壓器的選擇及保護(hù)成了一個大問題。一旦變壓器出現(xiàn)問題將對系統(tǒng) 的正常運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重的后果，又由于變壓器造價高、檢修困難等等原因，做好 電力變壓器的保護(hù)工作很重要。人們使用差動保護(hù)的方法來提高變壓器的可靠 性和靈敏性，防止其出現(xiàn)故障。而勵磁涌流所導(dǎo)致的差動保護(hù)誤動作問題是差 動保護(hù)過程中最難解決的。圍繞著上述問題，繼電保護(hù)研究人員提出了很多勵 磁涌流的識別方法。 本文綜述了國內(nèi)外典型的勵磁涌流識別方法，簡單闡述了其優(yōu)缺點(diǎn)。分析 了變壓器涌流暫態(tài)過程的復(fù)雜問題，并且科學(xué)地分析研究了產(chǎn)生變壓器各種涌 流的機(jī)制，以及相關(guān)的影響因素，并且綜合展示了各種涌流的波形特征。在理 解小波分析理論的基礎(chǔ)上，闡述了小波包分析方法的基本原理及其實(shí)現(xiàn)算法。 論文從能量的角度出發(fā)，闡述了測量小波包的新方法，通過仿真系統(tǒng)模擬變壓 器涌流和內(nèi)部故障電流在不同情況下的狀態(tài)，得到全新的數(shù)據(jù)進(jìn)行小波包的數(shù) 據(jù)分析，求得頻帶W ( 4 ，3 ) 的能量時譜。又因?yàn)閯畲庞苛鲹碛胁煌臋C(jī)理，所以 可以得到不同的能量時譜，通過對不同時譜的對比，就可以得出相應(yīng)的數(shù)據(jù)， 并將所有數(shù)據(jù)整合成合理的判據(jù)。這種方法是通過大量的實(shí)驗(yàn)總結(jié)出來的，所 以這種方法可以被廣泛地應(yīng)用于各種小波分析中。 關(guān)鍵詞：勵磁涌流；內(nèi)部故障；小波包變換；變壓器差動保護(hù)；能量時譜 萬方數(shù)據(jù) A b s t r a c t I nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n t o fe l e c t r i cp o w e r , w eh a v ef o u n dt 1 1 a tw e c a nn o tl i v ew i 廿1 0 u te l e c t r i c i t y , w h e t h e ri t i sav a r i e t yo fe l e c 廿o m cp r o d u c t s ，o r 廿l e h a t e m e t , t h et r a n s m i s s i o no fm u l t i m e d i a , a r en o ts e p a r a t e d f r o mt h er 0 1 eo fe l e c t r i c i “ mt h j sl l i 曲。s P e e dd e v e l o p m e n to f t h ec o m m u n i t yw i t h o u tt h es u p p o no f e l e c t r i c p o w 玳c 趾n o tb eS Oe a s yt oo b t a i na v a r i e t yo fk n o w l e d g e ，w h i c hi su 1 1 d o u b t e d l v ag r e a t1 1 n p a c to no u r l i f e F o l l o w e dw i t hp o w e rr e l a t e dp r o b l e m s ，w h i c hi n o r d e rt 0 m a k et h ep o w e rs y s t e mc a nb ea s a f ea n ds t a b l eo p e r a t i o no f t 1 1 ep o w e r s y s t 鋤，p o w e r 訂a n s 士- 0 m e rs e l e c t i o na n d p r o t e c t i o nh a sb e c o m eab i gp r o b l e m ，o n c et h e 衄l s f 0 衄e r p m b l e m sw i l lh a v es e r i o u sc o n s e q u e n c e sf o rt h en o r m a lo p e r a t i o no f t h es y s t e m ，a n d d u et ot h eM g hc o s Io ft r a n s f o r m e r s ，m a i n t e n a n c e d i f f i c u l t i e sa n ds oo n ，s od om e p o w e r s f o r m e rp r o t e c t i o ni sv e r yi m p o r t a n t P e o p l el l s et h em e t h o do f d i 丘e r e n t i a J p r o t e c t l o nt o1 n l p r o V et h er e l i a b i l i t ya n ds e n s i t i v i t yo ft h et r a n s f o r m e r t op r e v e n t 血e t a j l mo ft h et r a n s f c I r m e r T h ed i f f e r e n t i a l p r o t e c t i o nc a u s e db ym a g n e t i z 魄m s h c u 玎e n t1 8t h em o s td i f f i c u l tt oc o n t r o li nt h ep r o c e s so f d i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n A m u I l d t h e s ep r o b l e m s ，t h er e l a yp r o t e c t i o nr e s e a r c h e r sh a v ep r 叩o s e da l o to fm e t h o d sf o r t h ei d e n t i f i c a t i o no f i n r u s hc u r r e n t I nt h i s p a p e r ，ar e v i e wi sm a d eo nt h e t y p i c a le x c i t a t i o ni n r u s hc u 玎e n t 1 d e n t l f i c a t i o nm e t h o d ，a n di t sa d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e sa r eb r i e f l yd e s c 曲e d n e c o m p I e x p r o b l e mo ft r a n s f o r m e ri n r u s hc u r r e n tt r a n s i e n t p r o c e s si sa n a l y z e d ，a 1 1 d 血e s c l e n t l f i ca n a l y s i Sa n dR e s e a r c ho nt h em e c h a n i s ma n dt h er e l a t e d f a c t o r so ft 1 1 e t r a n s 士o m 叭I l m s hc u r r e n t ，a n dt h er e l a t e df a c t o r s ，a n dt h ec o m p r e h e n s i v e d i s p l a yo f m ew 州e f o mc h 雒a c t e r i s t i c so ft h ec u r r e n t O nt h eb a s i so f u n d e r s t a z l d 魄t I l et h e o r y o fw a y e l e ta n a l y s i s ，t h eb a s i cp r i n c i p l eo fw a v e l e t p a c k e ta n a l y s i sm e t h o da 1 1 di t s 1 m p l e m e m a t l o na l g o r i t h ma led e s c r i b e d F r o mt h ev i e w p o i n to f e n e r g y ，an e wm e t l l o d o tm e a S u m gt h ew a v e l e tp a c k e ti s p r o p o s e d T h es t a t eo ft h et r a n s f o m e ri 咖s h c 岍e n ta 1 1 dt h ei n t e r n a lf a u l tc u r r e n ta r es i m u l a t e di nd i f f e r e n t c o n d i t i o n s T h en e w d a t ai s0 b t a i n e d b yt h en e w d a t aa n a l y s i s T h ee n e r g y s p e c t r u mo f4 ，3 ( i so e d T T 萬方數(shù)據(jù) A b s t r a c t B e c a u s et h ei n r u s hc u r r e n th a sd i f f e r e n tm e c h a n i s m ，S Oi tC a l lg e td i f f e r e n te n e r g y s p e c t r u m T h r o u g ht h ec o m p a r i s o no fd i f f e r e n tt i m es p e c t r u m ，w eC a l ld r a wt h e c o r r e s p o n d i n gd a t a , a n di n t e g r a t ea l lt h ed a t ai n t oar e a s o n a b l ec r i t e r i o n T h i sm e t h o d i sc o n c l u d e db yal o to fe x p e r i m e n t s ，S Ot h i sm e t h o dc a r lb ew i d e l yu s e di nv a r i o u s w a v e l e ta n a l y s i s K E YW O R D S ：i n r u s hc u r r e n t ；i n t e r n a lf a u l t ；w a v e l e tp a c k e tt r a n s f o r m ；t r a n s f o r m e r d i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n ；e n e r g ys p e c t r u m I I I 萬方數(shù)據(jù) 目錄 目錄 摘要I A b s t r a c t I I 1 緒論1 1 1 課題的背景和意義1 1 2 變壓器涌流國內(nèi)外研究現(xiàn)狀3 1 2 1 勵磁涌流研究現(xiàn)狀3 1 2 2 和應(yīng)涌流的研究現(xiàn)狀1 0 1 2 3 恢復(fù)性涌流的研究現(xiàn)狀1 0 1 3 論文的主要工作1 1 2 變壓器涌流分析1 3 2 1 變壓器勵磁涌流的分析1 3 2 2 變壓器和應(yīng)涌流的分析1 7 2 3 變壓器恢復(fù)性涌流的分析2 1 2 4 本章小結(jié)。2 5 3 小波分析理論2 7 3 1 小波分析的基本概念2 7 3 1 1 小波變換理論的提出2 7 3 1 2 連續(xù)小波變換2 8 3 1 3 離散小波變換。2 9 3 2 多分辨率分析2 9 3 3 小波包分析3 0 3 3 1 小波包基本原理31 3 3 2 小波包能量3 2 3 4 小波函數(shù)與分解尺度的選取3 2 3 4 1 小波函數(shù)的選取3 2 3 4 2 分解尺度的確定3 4 I V 萬方數(shù)據(jù) 目錄 3 5 本章小結(jié)3 9 4 應(yīng)用小波包分析識別變壓器涌流4 0 4 1 建立電力系統(tǒng)仿真模型4 0 4 2 基于小波包的變壓器勵磁涌流識別研究4 1 4 2 1 仿真結(jié)果分析4 1 4 2 2 算法設(shè)計4 3 4 3 算法驗(yàn)證4 5 4 4 本章小結(jié)5 4 5 結(jié)論5 5 參考文獻(xiàn)5 6 致謝6 1 作者簡介6 2 V 萬方數(shù)據(jù) 緒論 1 緒論 1 1 課題的背景和意義 近年來，我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高速發(fā)展，導(dǎo)致電力工業(yè)迅猛發(fā)展，進(jìn)而使得電 網(wǎng)總裝機(jī)容量大幅上升。整個電力系統(tǒng)也變得越來越復(fù)雜多樣化，所以對電網(wǎng) 安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求也越來越高。變壓器是電力系統(tǒng)的重要設(shè)備，在電力系統(tǒng) 中起著不可磨滅的作用，一旦發(fā)生故障而遭受破壞時，會造成電力系統(tǒng)的嚴(yán)重 損失。為了提高電力系統(tǒng)的安全保障性，變電器的運(yùn)行可靠性必須得到保障。 相對來說，變壓器的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，其故障影響范圍就越大，檢修的難度和所消 耗的時間也都有所提升，所以對于現(xiàn)代大型高等級高容量的變壓器來說，擁有 良好性能的繼電保護(hù)裝置非常重要。所以我們要進(jìn)一步深入對于保護(hù)變電器相 關(guān)的研究和探索，以提高電力變電器的速動性及靈敏性。 在電路保護(hù)方面，人們一直以來在尋找一種原理簡單易懂，靈敏程度高， 反應(yīng)迅速的方法，特別是在大型電力設(shè)施上，比如大型的發(fā)電機(jī)和變壓器。經(jīng) 過長時間的研究，在純電路電氣設(shè)備保護(hù)方面，人們提出了電流差動保護(hù)的理 論和方法，并應(yīng)用于大型電力設(shè)施，得到了良好的效果。但是在變壓器保護(hù)方 面，由于電生磁、磁生電的相互克制性，基爾霍夫電流定律無法很好的應(yīng)用其 中。在變壓器的內(nèi)部，由電壓變動產(chǎn)生的故障電流打破了純電路的電流平衡。 在一些特殊情況下，比如斷電的重啟、新的設(shè)備投入或切除等都會出現(xiàn)驟大驟 小的電流變化。變壓器勵磁涌流便屬于這種情況。當(dāng)變壓器空載合閘，或外部 故障切除后電壓恢復(fù)過程中，差動回路將出現(xiàn)很大的勵磁涌流( 為額定電流的 仁8 倍) 。噸1 ，可能會引發(fā)差動保護(hù)裝置誤動作。因此，快速、準(zhǔn)確地識別勵磁 涌流和內(nèi)部故障電流直接決定著差動保護(hù)的性能，開展相關(guān)研究十分必要。 從近年來的繼電保護(hù)動作情況統(tǒng)計中我們可以看出，其實(shí)我國的繼電保護(hù) 發(fā)展的整體技術(shù)還是比較快的，屬于國際的先列水平，尤其是其中的正確動作 率一直屬于上升趨勢。但是相比較來說，繼電保護(hù)技術(shù)中的變壓器差動保護(hù)的 正確率卻遲遲上升不起來，一直處于一個偏低的水平。接下來我們來對比一下 近幾年的保護(hù)動作情況( 如表1 1 、表1 2 所示) 。這份數(shù)據(jù)是由國家電網(wǎng)總局在 2 0 1 3 年所進(jìn)行的統(tǒng)計分析提供的來的。 萬方數(shù)據(jù) 緒論 表1 12 0 0 9 2 0 1 3 年2 2 0 k V 及以上系統(tǒng)變壓器保護(hù)動作情況 T a b 1 12 0 0 9 - 2 013p o w e rs y s t e mo fm o r et h a n2 2 0 k Vt r a n s f o r m e rp r o t e c t i o nm o v e m e n ts i t u a t i o n 表1 22 0 1 3 年2 2 0 k V 及以上電網(wǎng)元件保護(hù)動作情況 T a b 1 22 0 1 3p o w e rs y s t e mc o m p o n e n t so f m o r et h a n2 2 0 k Vp r o t e c t i o nm o v e m e n ts i t u a t i o n 由表對比得知，其實(shí)我國的繼電保護(hù)發(fā)展水平一直在穩(wěn)步上升的階段，是 一個整體進(jìn)步的狀態(tài)?？墒俏ㄒ怀霈F(xiàn)不同的就是關(guān)于變壓器保護(hù)的正確率改變 情況，一直處于上升緩慢的狀態(tài)。這一事實(shí)也說明目前我們國家對于變壓器保 護(hù)相關(guān)的研究并不完善，總是存在一些無法解決的問題，所以我們要著力于研 究變壓器保護(hù)的相關(guān)問題。在已有的理論和技術(shù)中去其糟粕，更好的完善變電 器保護(hù)原理，提高其繼電保護(hù)的能力。 在人們發(fā)現(xiàn)勵磁涌流會影響差動保護(hù)后，又逐漸發(fā)現(xiàn)了另一種可以影響差 動保護(hù)的涌流，它的原理就是在兩臺變壓器之間產(chǎn)生相互影響的作用，運(yùn)行在 變壓器中，就會產(chǎn)生和應(yīng)涌流現(xiàn)象，導(dǎo)致變壓器之間的縱差保護(hù)誤動。這種操 作就會導(dǎo)致變壓器差動保護(hù)裝置誤動，使間斷角消失，使二次諧波變少。 在此過程中，變壓器本身并沒有發(fā)生故障，故障是發(fā)生在變壓器間完成空 投之后的經(jīng)過空投的一段時間，就會使很多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)消失，或者產(chǎn)生誤差， 2 萬方數(shù)據(jù) 緒論 使人們很難尋找得到變壓器發(fā)生故障的原因。在繼電保護(hù)中和應(yīng)涌流的問題過 去一直被人們忽略，目前這方面的研究才剛剛起步，所以對于和應(yīng)涌流全方面 的研究還有待深入。由此我們可知，對和應(yīng)涌流進(jìn)行全面的分析研究，以提高 變壓器的保護(hù)程度，是一件非常重要的事情。我們應(yīng)該尋找到一種具有實(shí)踐與 理論都過關(guān)的措施，對變壓器的發(fā)展會有很大的意義。 近年來，偶然會有變壓器差動保護(hù)區(qū)外故障切除后誤動的現(xiàn)象出現(xiàn)。這一 誤動現(xiàn)象的產(chǎn)生與電壓恢復(fù)性涌流有關(guān)。但長期以來，我們還是會把變壓器的 空載合閘現(xiàn)象與其電壓的恢復(fù)過程混為一談。但事實(shí)上，卻有另一種特性在影 響著這種電壓的恢復(fù)，那就是其電磁暫態(tài)的過程，這種特性不能被忽略，同樣 應(yīng)該對其進(jìn)行分析，以進(jìn)一步的尋找涌流與變壓器保護(hù)之間的聯(lián)系。 隨著現(xiàn)代社會的發(fā)展，越來越多的保護(hù)原理被應(yīng)用起來，其中包含曾經(jīng)因 為沒有足夠硬件支持所不得不放棄的保護(hù)方法，也有一些新的數(shù)學(xué)理論方法。 雖然這些被應(yīng)用于變壓器保護(hù)的全新的理論方法大多都屬于實(shí)驗(yàn)期，并不能大 量的運(yùn)用，但是它們對保護(hù)研究的影響卻還是可以帶給研究人員新的靈感的， 同時也會更加地促進(jìn)變壓器保護(hù)的發(fā)展。 1 2 變壓器涌流國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 2 1 勵磁涌流研究現(xiàn)狀 為了防止變壓器差動保護(hù)誤動，國內(nèi)外學(xué)者做了很多的研究，根據(jù)勵磁涌 流與內(nèi)部短路電流的差別，找到了很多的方法。而這些方法是否可行，是否可 以因此實(shí)現(xiàn)對這兩種電流的區(qū)分，我們要加以論證： 1 ) 基于電流量的勵磁涌流判別技術(shù) ( 1 ) 二次諧波制動原理口咱1 通過多種數(shù)據(jù)我們可以發(fā)現(xiàn)勵磁涌流中存在比內(nèi)部短路電流更多的二次諧 波分量，所以通常我們會用這種特性來區(qū)分勵磁涌流和短路電流。只要是通過 計算，滿足了公式( 1 1 ) ，就可以判斷出來哪一個才是勵磁涌流，哪一個是正 常的短路電流，并對因?yàn)閯畲庞苛鞫鸬牟顒颖Ｗo(hù)進(jìn)行閉鎖，防止勵磁涌流 破壞系統(tǒng)的運(yùn)作。 1 d 2 K ，( 1 1 ) J d l r 3 萬方數(shù)據(jù) 緒論 式中，I d l 、I d 2 分別為差動電流中的基波和二次諧波的幅值；K 2 為二次諧波制動 系數(shù)。 二次諧波制動原理已被應(yīng)用在國內(nèi)外各個變壓器領(lǐng)域，這種簡單的容易在 微機(jī)保護(hù)中實(shí)現(xiàn)的原理，非常適用于當(dāng)今的社會。但是，隨著大型變壓器越來 越廣泛使用，采用二次諧波制動原理區(qū)分涌流和故障電流也有其局限性： a 對于超高壓、大容量變壓器，由于制造工藝和材料以及結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)等 方面的原因，尤其是對于廣泛采用高導(dǎo)磁冷軋晶粒硅鋼材料的現(xiàn)代變壓器鐵芯， 剩磁較大并且飽和點(diǎn)低，勵磁涌流中二次諧波含量就會很小，使得二次諧波制 動原理無法準(zhǔn)確識別勵磁涌流，從而誤動差動保護(hù)系統(tǒng)。 b 因?yàn)槎沃C波會使差動保護(hù)的系統(tǒng)不能夠按照正常的時間進(jìn)行運(yùn)作，會 發(fā)生延時。而現(xiàn)代的遠(yuǎn)距離輸電變壓器多數(shù)以容量大著稱，所以這樣就會使其 內(nèi)部故障時出現(xiàn)大容量的二次諧波，出現(xiàn)上述情況。 C 二次諧波的制動原理通常采用一相制動三相的方案，即采用或I - J N 動。 當(dāng)變壓器空載合閘時的二次諧波不明顯，則會導(dǎo)致保護(hù)誤動。有的時候，其中 一相的二次諧波過大也會發(fā)生不一樣的后果，當(dāng)出現(xiàn)匝間故障的時候，這種情 況同樣會使保護(hù)的動作發(fā)生延時的情況。因此，勵磁涌流二次諧波“含量高” 的特征，由于運(yùn)行方式的增多和系統(tǒng)的擴(kuò)大已不再是其獨(dú)有的。 d 一般來說，當(dāng)變壓器的飽和磁通為額定磁通的1 4 倍時二次諧波最小。 考慮這種情況，二次諧波制動比通常取1 5 1 7 。然而現(xiàn)代的變壓器達(dá)到飽和 狀態(tài)時的磁通倍數(shù)卻更低，導(dǎo)致其二次諧波的最小含量也會下降，同比例的下 降很多，可能會因此誤動變壓器的差動保護(hù)模式。 ( 2 ) 間斷角原理n “1 根據(jù)這個特別的角度，對勵磁涌流進(jìn)行判斷。其依據(jù)為 以 6 5 0 ： o o 6 5 0 就判定電流為勵磁涌流，閉鎖差動保護(hù)。 在勵磁涌流的二次諧波比較小的情況下，間斷角原理也可以簡單可靠地識 別勵磁涌流，但當(dāng)應(yīng)用微機(jī)保護(hù)實(shí)現(xiàn)間斷角原理時，由于該方法是以精確測量 間斷角為基礎(chǔ)的，因此有以下難點(diǎn)： 4 萬方數(shù)據(jù) 緒論 a 用微機(jī)實(shí)現(xiàn)間斷角原理時，由于A D 轉(zhuǎn)換芯片可以使零點(diǎn)附近的轉(zhuǎn)換誤 差升到最大值，同樣也可以使涌流間斷角處的電流降到最小，因此，需要高分 辨率的A D 轉(zhuǎn)換芯片。硬件成本越高，C P U 的質(zhì)量越高，相應(yīng)高的計算速度可 以提高A D 采樣率，為間斷角的測量提供幫助。 b 當(dāng)電流互感器飽和時，內(nèi)部故障電流的差動電流的間斷角增大，而且差 動電流的間斷角隨著電流互感器飽和嚴(yán)重度變化，飽和越嚴(yán)重，其間斷角越大； 對于勵磁涌流而言，由于涌流將在電流間斷角區(qū)域內(nèi)的電流方向會發(fā)生變化， 所以會導(dǎo)致間斷角消失的局面。而電流互感器飽和度越嚴(yán)重就會加劇這種局面 的形成。變壓器差動保護(hù)在前一種內(nèi)部故障情況拒動，而在后一種情況產(chǎn)生涌 流使得差動保護(hù)誤動。 ( 3 ) 基于波形對稱性的識別原理 我們都知道在一個周期內(nèi)的勵磁涌流它的前后半波形是不同的，而一個周 期內(nèi)的內(nèi)部故障電路的前后半波形卻是對稱的，所以我們所研究出的各種各樣 的方法都是根據(jù)這個原理構(gòu)建出來的。根據(jù)這個差異找出勵磁涌流，并立即對 其作出相應(yīng)的活動。波形對稱原理的判別式如下： K K 。， ( 1 3 ) 式中，K 塒為整定值，K 為波形不對稱系數(shù)。 利用波形對稱性特征的識別原理從本質(zhì)上來講，是由間斷角原理的衍生和 改進(jìn)而成，也是利用涌流波形存在間斷而造成波形不對稱的特點(diǎn)，但間斷角原 理與其算法相比不易實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際應(yīng)用中，K 值只能根據(jù)大量試驗(yàn)的方式以及實(shí) 際情況來確定，而涌流波形卻很難確定，因?yàn)闀艿胶芏嘁蛩氐闹萍s。并且并 沒有嚴(yán)格的理論和公式可以證實(shí)，所以很有可能會發(fā)生誤判斷。 a 波形比較法阻3 數(shù)據(jù)窗為差動電流的一個周波，數(shù)據(jù)窗內(nèi)的差流可用適當(dāng)?shù)姆椒ǚ纸獬捎?明顯差異的兩段波形x O ) 和y O ) ( 每段長度為1 2 周波) ，不對稱度K 可通過計算 兩段波形的相關(guān)系數(shù)來得到： K ：C 0 1 v ( 可x , 廣y ) ( 1 4 ) 盯( x 廠 5 萬方數(shù)據(jù) 緒論 式中，盯( f ) 為x ( f ) 的均方差，C o v ( x ，y ) 為x O ) 與y O ) 的協(xié)方差。由于采用積分方 法計算不對稱度K ，此算法抗飽和能力強(qiáng)且具有較好的穩(wěn)定性。 b 波形擬合法”0 、 首先選取一個標(biāo)準(zhǔn)正弦波作為參照波形，通過其與實(shí)際電流波形之間的差 異比較，反映出波形的不對稱度。其中，標(biāo)準(zhǔn)正弦波是利用差動電流的實(shí)時采 樣值擬合而成的。即： K = ( 1 5 ) 式中，l y 0 】為濾除直流分量后的差流離散值，l y7 b ) l 為擬合正弦波的離散值。該 方法具有較短的數(shù)據(jù)窗，因此特征明顯且識別速度快。 c 波形對稱原理“幻 首先通過微分算法濾除差動電流中的直流分量，然后根據(jù)分析處理后差流 的前半波與后半波作對稱性的結(jié)果來判斷差流是否為勵磁涌流。設(shè)f ( 甩) 為差動電 流采樣值序列，f ( 甩) 為其導(dǎo)數(shù)序列，計算K 值如下： K=I麗i(n)碉+i(n-N2)I ( 1 6 ) 當(dāng)K K 刪時判斷為波形對稱，K K 卵，時判斷為波形不對稱。該方法充分 地利用了差動電流中二次諧波以上的偶次諧波分量來制動，因此，差動保護(hù)的 勵磁涌流制動能力有了提高。 ( 4 ) 虛擬三次諧波制動原理 虛擬三次諧波制動式變壓器差動保護(hù)通過半周傅氏算法計算擬合波形中基 波以及三次諧波含量構(gòu)成鍆。擬合波形的前半周為勵磁涌流波形中的半個周波。 它是以尖脈沖為中心形成的，但是后半周則是通過其他的原則擬合而成的。由 于對稱性涌流和單側(cè)尖脈沖性涌流含有較多的三次諧波分量，且該原理僅利用 半個周波就可做出判斷，因此可以有效地防止保護(hù)誤動。雖然虛擬三次諧波制 動原理是非常簡單的保護(hù)算法，但很難在模擬式保護(hù)中實(shí)現(xiàn)，而由于數(shù)據(jù)窗位 置的影響，保護(hù)整定值的選取和直流分量的影響等因素的存在，其在微機(jī)保護(hù) 中實(shí)現(xiàn)也存在一些問題需要解決。 t 6 萬方數(shù)據(jù) 緒論 2 ) 基于電流量和電壓量的勵磁涌流判別技術(shù) ( 1 ) 磁通特性保護(hù)原理。帕 磁通特性保護(hù)原理利用變壓器空載合閘和內(nèi)部短路時變壓器差動電流與 磁鏈y 曲線的差別來識別勵磁涌流。 圖1 1 單相變壓器空載合閘運(yùn)行 F i g 1 1U n l o a d e dT r a n s f o r m e rO p e r a t i o n 圖1 1 為雙繞組單相變壓器空載運(yùn)行時的情況，忽略變壓器繞組電阻，則流 入繞組的電流與該變壓器磁鏈y 之間的關(guān)系為： “，一厶墮：坐 ( 1 7 ) d td t 式中，厶為變壓器原邊繞組的漏電抗；y 為繞組回路磁鏈：U ，為原方繞組端電 壓：屯為變壓器差動電流( 空載合閘時為勵磁電流) 。 變壓器各種運(yùn)行情況下的一屯曲線如圖1 2 所示，曲線1 和2 是變壓器產(chǎn) 生涌流時的狀態(tài)，其中曲線2 還考慮了剩磁的影響。隨著毛的變化d y d i d 發(fā)生 周期性的變化，變壓器進(jìn)入飽和區(qū)域時的斜率d y d i d 要小于變壓器未飽和時的 d g d i d 。曲線3 對應(yīng)于變壓器內(nèi)部故障狀態(tài)，d g , , d i d 數(shù)值較小且基本不變。 勵磁涌流識別可以通過對d y d i d 所落區(qū)域的判斷來實(shí)現(xiàn)。 J。多 氣 i紗3 。 I 斫j(luò) 0 7 - 一 萬方數(shù)據(jù) 緒論 圖1 2y 一屯勵磁特性曲線 F i g 1 2y 一屯M a g n e t i z i n gC u r v e ( 2 ) 基于勵磁阻抗或瞬時勵磁電感的變壓器保護(hù)原理”朝 根據(jù)變壓器鐵芯磁路飽和的機(jī)理，即勵磁涌流產(chǎn)生的本質(zhì)原因，可得到基 于瞬時勵磁電感的識別方法。由于基頻特性不同，所以在處理空載合閘和內(nèi)部 短路勵磁電感時，應(yīng)用傅里葉分解的方法來區(qū)分，并通過判斷分解后是否存在 基頻分量實(shí)現(xiàn)對勵磁涌流的識別。 定義瞬時勵磁電感三。如下： 朋= 孚 ( 1 8 ) a t ” 式中，f 。、y 分別表示變壓器的勵磁電流和勵磁磁鏈。因?yàn)樗矔r勵磁電感難以 盡或缺的獲得，所以實(shí)際應(yīng)用中常借助從變壓器原邊繞組端口看進(jìn)去的瞬時電 感來代替。但是卻具有一定的局限性，這只是通過實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瞳@得結(jié)果，并不精 準(zhǔn)。 ( 3 ) 功率差動原理n 6 ”3 從能量守恒角度考慮電流、電壓綜合信息的功率差動原理是一種全新的不 依賴勵磁涌流波形特征的保護(hù)方法。通過研究可知：在正常運(yùn)行時和在絕緣損 壞時變壓器所消耗的有功是不同的，在絕緣損壞時將消耗大量的功，所以為了 更好地判斷變壓器是否發(fā)生內(nèi)部故障，我們可以根據(jù)他消耗的有功進(jìn)行判斷。 但是這種方法仍存在一些不足，需要解決： a 變壓器采用Y A 接線方式時無法獲取側(cè)繞組內(nèi)部電流，保護(hù)的靈敏度 由于無法確定銅損耗而降低。 b 由于勵磁涌流的存在鐵損耗增加，整定變困難，銅損耗難以精確計算。 3 ) 現(xiàn)代信號處理技術(shù)在涌流識別中的應(yīng)用 ( 1 ) 小波分析在勵磁涌流識別方面的應(yīng)用 小波分析是2 0 世紀(jì)8 0 年代后期發(fā)展起來的新理論。小波分析可以準(zhǔn)確地 提取頻帶寬、持續(xù)時間短的電力系統(tǒng)故障暫態(tài)信號，更好地識別勵磁涌流和內(nèi) 部故障電流。他完全的克服了其他信號的處理缺陷。 8 萬方數(shù)據(jù) 緒論 目前小波分析在勵磁涌流的識別方面已取得了一定的成果”H 們。文獻(xiàn)幢刀提出 了一種新的方法，用于區(qū)分勵磁涌流和內(nèi)部短路電流，這種方法就是有小波分 析得出的。 通過僅流經(jīng)變壓器一側(cè)且小波變換后一側(cè)無故障跳，以及內(nèi)部故障兩側(cè)具 有符號相反故障跳等特點(diǎn)，構(gòu)建了勵磁涌流新的算法，并利用仿真證明了所提 出的判據(jù)簡單，計算量小，且能在故障或是空載合閘瞬間迅速做出判斷。文獻(xiàn)洶3 提出了一種可以識別勵磁涌流和內(nèi)部短路電流的新方法，這種方法是通過多分 辨率和小波分析共同得出。通過一種特殊的小波分解故障電流和勵磁涌流，并 找出經(jīng)過小波分解后的各層小波系數(shù)的差異，即故障電流的高頻成分在初始階 段逐漸減小，而隨著時間的推移，勵磁涌流的高頻成分逐漸增大，該方法可以 有效識別輕微匝間短路，可靠性和靈敏度都較高。文獻(xiàn)隆們的方法則是用小波變換 來識別匝間的兩種電流。該方法對仿真波形采用B 樣條小波進(jìn)行分析，通過李氏 指數(shù)值的大小識別故障電流和勵磁涌流，李氏指數(shù)值可用來表征信號奇異度大 小，可利用分解后的局部模極大值處對應(yīng)的小波系數(shù)求得。 以上的文獻(xiàn)都表明了小波分析的發(fā)展已經(jīng)逐漸成熟，已經(jīng)逐漸被應(yīng)用到各 個領(lǐng)域。它在分析領(lǐng)域的優(yōu)勢被逐漸放大。它給人們帶來的結(jié)果也是滿意的， 無疑是一個成功的科學(xué)案例。 ( 2 ) 模糊理論在勵磁涌流識別方面的應(yīng)用m 、3 將模糊理論有機(jī)的融入到變壓器保護(hù)中，利用各種模糊的識別、控制、決 策理論對涌流識別進(jìn)行模擬應(yīng)用，以提高涌流識別的可靠性。將不同置信度給 予多個輸入量及相關(guān)保護(hù)判據(jù)，通過模糊推理得到最終的動作決策，按照這個 基本思想，可以根據(jù)實(shí)際情況分別置于不同的置信度，綜合判別差動電流間斷 角特征、波形對稱度、二次諧波含量等幾種常用判據(jù)。這種方法是一種新的嘗 試，可以解決變壓器勵磁涌流的識別問題，但是它所存在的弊端還是有許多， 有很多問題待解決。 ( 3 ) 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在勵磁涌流識別方面的應(yīng)用 1 9 9 4 年，變壓器差動保護(hù)首次利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)秀的模式識別能力判別 勵磁涌流口羽，之后便越來越多地出現(xiàn)此類應(yīng)用3 叫3 。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已被多處的 9 萬方數(shù)據(jù) 緒論 用在識別勵磁涌流和內(nèi)部故障電流中，但是國內(nèi)外學(xué)者并不局限于此，他們想 要可以實(shí)現(xiàn)的更多就像文獻(xiàn)口踟不僅考慮了勵磁涌流和內(nèi)部故障電流的識別問題， 還將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于區(qū)別變壓器的外部故障和內(nèi)部故障。 1 2 2 和應(yīng)涌流的研究現(xiàn)狀 雖然變壓器的和應(yīng)涌流現(xiàn)象很早就已經(jīng)被國內(nèi)外學(xué)者發(fā)現(xiàn) 3 6 】，但學(xué)者們近 些年才逐漸重視起和應(yīng)涌流。N 夕I - 早在1 9 4 1 年就有和應(yīng)涌流現(xiàn)象的報道。通過 對變壓器差動保護(hù)誤動原因的分析，學(xué)者們發(fā)現(xiàn)不僅在變壓器剛合閘時會出現(xiàn) 較大暫態(tài)激勵電流，在與其并網(wǎng)運(yùn)行的變壓器中也會出現(xiàn)該電流口刀。至此，學(xué)者 們開始了對和應(yīng)涌流的深入研究。文獻(xiàn)帕對兩臺并聯(lián)運(yùn)行的變壓器進(jìn)行仿真，其 中一臺為帶負(fù)荷、有并聯(lián)電容器或空載的變壓器而另外一臺變壓器空載合閘， 在對兩組數(shù)據(jù)的對比分析，確實(shí)得出了變壓器和應(yīng)涌流之間存在聯(lián)系口9 、刪。 國內(nèi)對和應(yīng)涌流的認(rèn)識著重點(diǎn)在于電流波動變化和其自身特點(diǎn)，如文獻(xiàn)H 觀察記錄兩個相同效率的電路模型輸出的磁通數(shù)據(jù)分析變壓器和應(yīng)涌流存在的 聯(lián)系和特點(diǎn)。而文獻(xiàn)H 幻通過建立了級聯(lián)和并聯(lián)運(yùn)行的兩臺單相變壓器模型，在簡 化線性化的基礎(chǔ)上，對正在運(yùn)行的變壓器和應(yīng)涌流產(chǎn)生機(jī)理及影響因素做了定 性分析。文獻(xiàn)H 3 3 就指出偏磁也是影響和應(yīng)涌流的重大原因之一。闡述了和應(yīng)涌流 在并聯(lián)和串聯(lián)兩種情況下對變壓器差動保護(hù)、其他相關(guān)保護(hù)變壓器及后備保護(hù) 的影響。文獻(xiàn)m 1 之所以電路會出現(xiàn)和應(yīng)涌流是因?yàn)樾虏⑷腚娐返淖儔浩魍蝗还ぷ?會有勵磁涌流，而這股電流會通過整個電力系統(tǒng)的電阻，在整個電路系統(tǒng)中并 聯(lián)或串聯(lián)的正在工作的變壓器電線路電壓不正常，這一產(chǎn)生的原因和特點(diǎn)全是 基于勵磁涌流偏向時間軸一側(cè)，這就是和應(yīng)涌流出現(xiàn)的根本原因。 目前雖然和應(yīng)涌流的問題受到了廣大專家學(xué)者的重視，但是由于整個電力 系統(tǒng)的復(fù)雜和龐大，以及變壓器自身內(nèi)部電流的復(fù)雜因素，還不能很清楚的知 道其中影響電力系統(tǒng)保護(hù)的原因，所以，對于這一重要問題還需要更加深入的 研究才能更好地保護(hù)電力系統(tǒng)。 1 2 3 恢復(fù)性涌流的研究現(xiàn)狀 1 0 萬方數(shù)據(jù) 緒論 在以往的研究中，當(dāng)變壓器出現(xiàn)故障并且修復(fù)后的回復(fù)工作的過程中和變 壓器剛剛并入電路系統(tǒng)中的變化是一樣的，這也是被世界學(xué)者所認(rèn)同的【枷。但是 近幾年，隨著研究難題的突破，學(xué)者們發(fā)現(xiàn)以往認(rèn)同的過程出現(xiàn)差異并且各自 有些自身特征。文獻(xiàn)H 朝里提到了分析變壓器從故障開始到排除的整個過程，記錄 了期間的所有數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)H 町中也提到的了在通過對仿真電路變壓器模型的分析， 并且提出了在變壓器出現(xiàn)故障和排除故障并入電路的過程中有可能會出現(xiàn)電路 系統(tǒng)的過載狀態(tài)，保護(hù)誤動的概念由此提出。對于這個國內(nèi)外都為之頭疼的問 題，人們主要都是集中于對勵磁涌流的研究，而忽略了對其他涌流的重視。雖 然得到了很多的成果，但是卻仍然不全面。目前對變壓器和應(yīng)涌流及恢復(fù)性涌 流的研究還較少，對和應(yīng)涌流及恢復(fù)性涌流的產(chǎn)生機(jī)理和影響因素研究結(jié)論還 沒有得到廣泛的共識，因此還需要更加深入的研究這個項(xiàng)目，以得到系統(tǒng)化的 結(jié)論。 1 3 論文的主要工作 通過之前的論述，我們可以發(fā)現(xiàn)由于短路電流和勵磁涌流的差別很小，所 以當(dāng)繼電器中出現(xiàn)該涌流時，并不易識別，造成差動保護(hù)的偏差。所以如何正 確的識別這兩種電流成為人們關(guān)于變壓器差動保護(hù)的重點(diǎn)問題。雖然現(xiàn)存的識 別方法有很多，但是大多數(shù)都沒有得到驗(yàn)證，還是處于研究的階段。然而隨著 電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，即使變壓器差動保護(hù)過程中精準(zhǔn)度已經(jīng)有所提高， 但是出現(xiàn)誤動拒動的情況還是有的，所以本文的目的就是為了要尋找正確的識 別方法，通過小波分析的理論進(jìn)行分析與前人研究的成果相結(jié)合，組合成一種 暫態(tài)保護(hù)的判斷依據(jù)。 本文介紹的主要內(nèi)容概述為： ( 1 ) 簡要分析目前變壓器保護(hù)面臨的主要問題，綜述目前國內(nèi)外涌流識別 技術(shù)的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀，通過這些分析闡明了論文的研究意義和研究目標(biāo)。 ( 2 ) 分析變壓器勵磁和應(yīng)恢復(fù)性涌流的暫態(tài)機(jī)理，明確了三種涌流各自 的產(chǎn)生原理、影響因素、各自特征。 萬方數(shù)據(jù) 緒論 ( 3 ) 在小波分析理論基礎(chǔ)上提出了基于小波包能量的涌流識別方法。通過 M A T L A B 軟件建立變壓器仿真模型，分析了經(jīng)小波包分解的涌流及故障電流暫 態(tài)信號的能量變化情況，根據(jù)能量變化趨勢的不同，制定新的涌流識別方法和 保護(hù)判據(jù)，并驗(yàn)證其準(zhǔn)確性。 1 2 萬方數(shù)據(jù) 變壓器涌流分析 2 變壓器涌流分析 2 1 變壓器勵磁涌流的分析 在正常情況下，變壓器繞組的勵磁電感會很大，所以所帶來的勵磁電流就 會很小很小，不會出現(xiàn)勵磁涌流的情況，這也是由于變電器在正常情況下是不 處于飽和狀態(tài)的，所以它的導(dǎo)磁率就會很大。但是每當(dāng)出現(xiàn)外部故障需要檢修， 檢修切除過后恢復(fù)原本電壓的過程中或者空載合閘變壓器的時候都有可能出現(xiàn) 數(shù)值很大的勵磁電流，成為勵磁涌流。出現(xiàn)該涌流的原因時由于變壓器鐵芯中 的磁通量突變，使鐵芯瞬時飽和，變壓器繞組的電感就會隨之下降，勵磁電流 也會出現(xiàn)改變，會比額定電流的值大很多。 由于短路電流和勵磁涌流的差別很小，所以當(dāng)繼電器中出現(xiàn)該涌流時，并 不易識別，造成差動保護(hù)的偏差。所以如何正確的識別這兩種電流成為人們關(guān) 于變壓器差動保護(hù)的重點(diǎn)問題。因此我們要通過對這種涌流全方面的分析，加 深加深對勵磁涌流的進(jìn)一步認(rèn)識，以減少差動保護(hù)的錯誤率。 圖2 1 空載合閘時單相變壓器的等效電路 F i g 2 1S i n g l e - p h a s et r a n s f o r m e rn o l o a dc l o s i n gw h e nt h ee q u i v a l e n tc i r c u i t 圖2 1 中，為系統(tǒng)側(cè)等效電感，0 為系統(tǒng)側(cè)等效電阻，厶。為變壓器勵磁 電感，l 用為變壓器勵磁電阻，厶盯為變壓器的一次繞組漏電感，1 口為變壓器的 一次繞組漏電阻。變壓器T 1 在t = O 時空載合閘，口為電壓初始合閘角，可列寫 合閘回路電壓方程為t U s ( ，) = U ，s i n ( c o t + a ) = 腫譬 ( 2 1 ) “f 式中，甲為合閘回路的總磁鏈，= + r l 。+ r l m 為回路的電阻，同時滿足： 13 萬方數(shù)據(jù) 變壓器涌流分析 = ( 厶+ L w ) f + 5 c ，r = ( L 。+ 厶口+ L l 。) f = L i ( 2 2 ) 式中，變壓器鐵芯磁鏈g r = 】r ，1 為變壓器原方繞組匝數(shù)，r 為變壓器鐵芯 磁通。勵磁電感厶。產(chǎn)生的磁鏈可用等效，即g r = 厶。i ，勵磁電感厶。是一個 非線性電感。為了定性分析勵磁涌流暫態(tài)過程，將非線性方程式( 2 1 ) 進(jìn)行線 性化處理，得到的微分方程以磁鏈沙為變量： U 朋s i n ( o ) t + c t ) = 導(dǎo)y + 譬 ( 2 3 ) 求解微分方程( 2 3 ) 得： y = y ，s i n ( c o t + 口一伊) + y ，一y 。s i n ( a - q 0 e 叫“ ( 2 4 ) 式中，y 朋為磁鏈穩(wěn)態(tài)分量最大值，且滿足 一L U 。 4 r 2 + ( c o L ) 2 一= = = = = = = = = = = = = = = = = ”為鐵芯剩磁鏈， r = L r 為變壓器一次側(cè)合閘回路時間常數(shù)，伊= a r c t a n ( c o L r ) 。 公式( 2 4 ) 表明，變壓器的暫態(tài)磁鏈杪由穩(wěn)態(tài)交流分量和衰減的暫態(tài)直流 分量兩部分組成。一般情況下，合閘回路的電抗遠(yuǎn)大于電阻，因此可以忽略回 路電阻，公式( 2 4 ) 可簡化為： y = 一y 。c o s ( o ) t + 口) + y ，+ C O S t z ( 2 5 ) 得出變壓器磁鏈的公式以后，依據(jù)變壓器鐵芯磁化特性曲線y = f ( i ) ( 或 B = 廠( H ) 曲線) 及空載合閘的鐵芯磁通就可以求出勵磁涌流，如圖2 2 所示。 ( a ) 鐵芯磁化曲線( b ) 鐵芯磁鏈與勵磁涌流 圖2 2 變壓器鐵芯磁化特性曲線及勵磁涌流說明圖 F