（電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)論文）小波變換在變壓器差動保護(hù)中的應(yīng)用.pdf

a b s t r a e t n o v e lw a v e l e ta p p r o a c ht ot 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 a b s t r a c t s e c o n d - h a r m o m cr e s t r a i n i n gt e c h n i q u ea n dg a p d e t e c t i n gt e c h n i q u ea r e w i d e l y u s e dt o d i s t i n g u i s hm a g n e t i z i n gi n r u s hc u r r e n ta n di n t e r n a lf a u l t c u r r e n t h o w e v e r ，r e c e n t l ym o r eb i g g e rt h et r a n s f o r m e rc a p a b i l i t yi s ，m o r e l o n g e r t h et r a n s m i s s i o nl i n e sa r ea n d c t s s a t u r a t i o n ，m o r e b i g g e r s e c o n d - h a r m o n i cc o n t e n to fi n t e r n a lf a u l t si se v e ns o m e t i m e sm o r et h a nt h a t o fm a g n e t i z i n gi n r u s hc u r r e n t w h i l e ，d u et om o d e r na d v a n c e dm a n u f a c t u r e a r t sa n dm a t e r i a lo ft r a n s f o r m e r ，t h ec o n t e n to fs e c o n d h a r m o n i ci ni n r u s h c u r r e n td e c r e a s e s r e l a yw i t hs e c o n d h a r m o n i cr e s t r a i n i n g t e c h n i q u em a y m a l o p e r a t ea n dd e l a yt h eo p e r a t et i m e t h ec o s to fr e l a yp r o t e c t i o nw i t h g a p d e t e c t i n gt e c h n i q u ei sv e r yh i g ha n dt h i st e c h n i q u em a yb ea f f e c t e db y c t s s a t u r a t i o n t h e r e f o r e ，s o m e n e wt r a n s f o r m e r p r o t e c t i o np r o j e c t s a r e p r o p o s e dr e s e n t l y t h i s p a p e r i n t r o d u c e ss o m e t e c h n i q u e s s u c ha s f u z z yl o g i c a l g o r i t h m ，e x p e r ts y s t e m ，a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，w a v e l e tt r a n s f o r m a t i o n a n dt h e i r a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s e s p e c i a l l y ，k i n d s o fw a v e l e t t r a n s f o r m a t i o n a p p l i c a t i o n i nt r a n s f o r m e r p r o t e c t i o n a r e c o m p a r e d a n d a n a l y z e d ，o n l yt of i n dt h a tw a v e l e t t r a n s f o r m a t i o ni sam o s t p r o m i s i n g t o o li n t r a n s f o r m e rp r o t e c t i o n t h i sp a p e rp r e s e n t san e wa p p r o a c ho ft r a n s f o r m e rp r o t e c t i o nb a s e do n w a v e l e t t r a n s f o r m a t i o n f i r s t l y ，s y s t e mm o d e li sc o n s t r u c t e db yr t d s ( r e a l - - t i m ed i g i t a ls i m u l a t o r ) r t d si su s e dt os i m u l a t ek i n d so fm a g n e t i z i n g i n r u s hc u r r e n ta ta n ys w i t c h e dm o m e n ta n dk i n d ss t y l eo f f a u l t ，f a u l tc u r r e n t s a b s t r a c t u n d e rc t ss a t u r a t i o na n di n r u s hc u r r e n tw h e n e n e r g i z e dt r a n s f o r m e rw i t h o u t l o a d s t h e n ，t h eo u t p u td a t af r o mr t d si sa n a l y z e db yw to fm a t l a bt oa n a l y z e s a m p l ec u r r e n ts i g n a l so fb o t hs i d e so ft r a n s f o r m e ra n dg e tt h ep r o d u c to f f a u l t - j u m pi no r d e rt od i s t i n g u i s hb e t w e e ni n r u s hc u r r e n ta n di n t e r n a lf a u l t c u r r e n to n l yt og e tt h en e wa r i t h m e t i c f i n a l l y ，t h e a r i t h m e t i ci st e s t e d b yr t d sa n dm a t l a b t h ea r i t h m e t i c p r o v e dt ob ef a s t ，r e l i a b l e ，a c c u r a t ea n ds i m p l e ，w h a t sm o r e ，i ti sn o ta f f e c t e d b yc t ss a t u r a t i o na n dt h ew o r s tf a u l t s k e yw o r d s ：i n t e r n a lf a u l t ：e x t e r n a lf a u l t ：m a g n e t i z i n gi n r u s h ：r t d s ； w a v e l e tt r a n s f o r m 1 1 1 關(guān)于學(xué)位論文使用授權(quán)的說明 本人完全了解廣西大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即： 廣西大學(xué)擁有在著作權(quán)法規(guī)定范圍內(nèi)學(xué)位論文的使用權(quán)，其中包 括：( 1 ) 已獲學(xué)位的研究生必須按學(xué)校規(guī)定提交學(xué)位論文，學(xué)?？梢?采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存研究生上交的學(xué)位論文；( 2 ) 為 教學(xué)和科研目的，學(xué)校可以將公開的學(xué)位論文作為資料在圖書館、資 料室等場所供校內(nèi)師生閱讀，或在校園網(wǎng)上供校內(nèi)師生瀏覽部分內(nèi) 容。 本人保證遵守上述規(guī)定。 ( 保密的論文在解密后遵守此規(guī)定) 作者簽名：三瑚 日期：巡：6 ：【g 導(dǎo)師簽名： 日期： 第1 章緒論 第1 章緒論 1 1 課題的背景和意義 變壓器是電力系統(tǒng)中最重要的也是最昂貴的電氣設(shè)備之一，因此根據(jù) 變壓器的容量和重要程度，及各種可能的故障和不正常的運行狀態(tài)應(yīng)安裝 性能優(yōu)良，可靠性好的保護(hù)設(shè)備。變壓器的內(nèi)部故障可分為油箱內(nèi)故障和 油箱外故障兩種。油箱內(nèi)敵障具有很大的危害性，短路電流產(chǎn)生的高溫電 弧不僅會損壞繞組的絕緣，燒毀鐵芯，而且會使絕緣材料和變壓器油受熱 分解而產(chǎn)生大量氣體，有可能會引起變壓器油箱的爆炸。而修理或替換變 壓器是昂貴的，費時的。因此，在變壓器內(nèi)部故障時，必須迅速切除變壓 器。 變壓器設(shè)備主保護(hù)的首選一般是電流差動保護(hù)，它基于基爾霍夫定律， 具有靈敏度高、選擇性好的特點。但是變壓器電流差動保護(hù)有時無法區(qū)別 勵磁電流和內(nèi)部故障電流。勵磁涌流是在變壓器空載合閘時或是外部故障 清除后電壓恢復(fù)時引起的，由于鐵芯飽和，相對導(dǎo)磁率接近于1 ，變壓器 繞組的電感降低，原邊側(cè)電流很少部分轉(zhuǎn)化為二次電流大部分轉(zhuǎn)化為勵磁 電流，因此勵磁涌流只流過變壓器的一側(cè)，由c t 變換過去的差動電流就 是不平衡的與內(nèi)部故障電流的表現(xiàn)相似。在變壓器正常運行時，勵磁電流 很小不超過額定電流的2 1 0 。但是當(dāng)空載合閘或是外部故障清除后 電壓恢復(fù)時，勵磁電流甚至于可能達(dá)到額定電流的8 倍以上，繼電器會產(chǎn) 生誤動。 為了避免由于勵磁涌流使繼電器誤動作，早期學(xué)者們利用勵磁涌流固 有的特征研究了很多方法來區(qū)分勵磁涌流，例如二次諧波制動原理、間斷 角原理、波形對稱原理、電壓制動、磁通特性制動以及等值電路法。這些 鑒別機制有的獲得了一些運用，有的還仍處于實驗研究階段。其中比較實 用的方法是采用電流差動保護(hù)作為主保護(hù)，利用二次諧波制動原理來躲避 勵磁涌流。 二次諧波制動電流差動保護(hù)是應(yīng)用很成熟的保護(hù)技術(shù)。在7 0 9 0 年 代它的及其優(yōu)良的靈敏性和可靠性完全滿足電力系統(tǒng)的要求，故障率低， 第1 章緒論 可靠性高。但是進(jìn)入2 i 世紀(jì)后，隨著變壓器容量越來越大，越來越長的 輸電線路引起的分布電容，及電流互感器飽和等因素使得內(nèi)部故障電流也 含有較大的二次諧波甚至于有時超過勵磁涌流，再加上現(xiàn)代先進(jìn)的變壓器 制造工藝和材料，使勵磁涌流所含的二次諧波分量減少，有時低于1 0 甚 至于8 。這導(dǎo)致了基于二次諧波制動的變壓器差動保護(hù)必須經(jīng)過一定延 時才能做出判斷，破壞了變壓器保護(hù)要求的快速性。間斷角法保護(hù)硬件成 本很高并受c t 飽和的影響，使得該原理在微機保護(hù)的實際應(yīng)用受到限制。 因此迫切需要研究出更完備的變壓器保護(hù)新原理，于是大量的專家學(xué)者把 人工智能控制技術(shù)應(yīng)用于其中，開發(fā)了包括模糊邏輯法、專家系統(tǒng)、人工 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波交換等變壓器保護(hù)新算法。 1 2 勵磁涌流鑒別方案的歷史與發(fā)展 為了避免由于勵磁涌流使繼電器誤動作，國內(nèi)外許多學(xué)者致力于變壓 器繼電保護(hù)的研究，提出了不少判別勵磁涌流的原理和方法。 1 2 1 傳統(tǒng)的四種算法 早期學(xué)者們利用勵磁涌流固有的特征，根據(jù)判別勵磁涌流所用信號特 征，將傳統(tǒng)算法分為以下四類：波形特征識別法；諧波識別法；磁通特性 識別法：等值電路法 1 波形特征識別法 波形特征識別法就是根據(jù)變壓器在勵磁涌流和內(nèi)部故障時差流波形 所具有的不同特征來區(qū)分內(nèi)部故障和勵磁涌流的方法。這里分析兩種：一 種是間斷角原理；另一種是文獻(xiàn)里提出的波形對稱性來區(qū)分；第三種是 由文獻(xiàn)“1 提出的差動電流峰一峰間距判別法。 間斷角原理已為大家所熟悉，且已成功地運用于實踐，因此不再重復(fù)。 主要討論目前用微機實現(xiàn)間斷角時存在的問題： 1 )為準(zhǔn)確地測量間斷角大小，滿足采樣定理，并考慮一定的裕度， 必須達(dá)到很高的采樣率。高采樣率使得微機進(jìn)行故障計算的時間就非常 有限。因此必須減少計算量并采用功能較強的3 2 位微機。減少計算量的 一個有效方法是采用分相差動原理，即多c p u 分別計算a 、b 、c 三相的 2 第1 章緒論 電流。這樣硬件復(fù)雜性和成本就大大提高了： 2 )涌流間斷角處電流的特點是絕對值非常小且接近于零，而a d 轉(zhuǎn)換芯片剛好在零點附近的轉(zhuǎn)換誤差最大，因此為正確判斷電流是否已 進(jìn)入“間斷”范圍，提高保護(hù)靈敏度，需采用高分辨率的1 4 位，甚至 1 6 位a d 。這樣又加大了硬件的成本； 3 )由于c t 傳變引起的涌流間斷角變形的問題一直沒有得到很好 的解決。在模擬式保護(hù)中的解決辦法是在c t 副方加接一電抗器，在微機 中可通過對電流進(jìn)行一次微分來近似。但由于電抗器特性比較復(fù)雜這 種方法的效果還須實踐來檢驗。 文獻(xiàn)中提出方法是：首先將流入繼電器的差流進(jìn)行微分，將微分后 差流的前半波和后半波作對稱比較。設(shè)差流導(dǎo)數(shù)前半波某一點的數(shù)值為，| 后半波對應(yīng)點的數(shù)值為 + l g o ，如果數(shù)值滿足式 等等k 稱為對稱，否則不對稱。連續(xù)比較半個周波，對于故障電流， 恒成立；對于勵磁涌流有i 4 周波以上的點不滿足式( i - 1 ) 的采樣頻率和計算門坎，這樣可以區(qū)分故障和涌流。 ( 1 一1 ) 式( 卜i ) 設(shè)定恰當(dāng) 該方法用單片機實現(xiàn)了微機變壓器保護(hù)裝置，在電力自動化研究院動 模中心作了動模試驗，證明了波形對稱原理變壓器差動保護(hù)動作可靠，抗 干擾能力強，變壓器發(fā)生任何故障，都能瞬時出口，可作為變壓器的主保 護(hù)。裝置于1 9 9 5 年8 月在1 l o k v 變壓器上投入運行，經(jīng)受了合閘涌流考 驗，運行良好。該方案只是在低壓小型變壓器進(jìn)行了應(yīng)用，在進(jìn)行高壓大 容量變壓器應(yīng)用時還有待于進(jìn)一步的測試。 文獻(xiàn)“1 中分析內(nèi)部故障電流和勵磁涌流波形得出：內(nèi)部故障時波形的 峰值之間相差i z 周波左右且符號相反；勵磁涌流波形的峰值之間相差 l 4 周波或一個周波左右。利用兩個相繼峰之間的時間差來區(qū)分內(nèi)部故障 和勵磁涌流，類似于微機型間斷角原理( 都是利用時間量) 。該方法需要 獲得暫態(tài)過程中的峰值，因此需要很高的采樣率；而且兩種波形不能完全 概括現(xiàn)實中各種暫態(tài)因素的干擾。 2 諧波識別法 3 第1 章緒論 諧波含量鑒別法，是通過電流或電壓中諧波含量的多少來區(qū)分內(nèi)部故 障和勵磁涌流。大體可以分為兩種，一是利用= 次諧波電流鑒別勵磁涌流 的方法；二是通過分析變壓器端電壓中的諧波分量而形成的電壓制動式保 護(hù)。 目前國內(nèi)外投運的微機變壓器保護(hù)最常用的是二次諧波制動原理。因 此在論文里不給出具體的二次諧波制動基本原理，只是給出二次諧波制動 法存在的問題。二次諧波比常取1 5 1 7 。但是，隨著電網(wǎng)電壓等級的提 高和規(guī)模的擴大、變壓器單機容量的增大和制造技術(shù)的提高，二次諧波原 理將面臨以下幾個問題： 1 ) 對大型變壓器，特別是5 0 0 k v 的大型變壓器，由于其電壓等級高 且常在端部接較長的輸電線，輸電線的分布電容效應(yīng)十分明顯。因此當(dāng)大 型變壓器內(nèi)部嚴(yán)重故障時，由于電感與電容的諧振使短路電流中的諧波含 量明顯增加，有可能引起二次諧波制動的差動保護(hù)延時動作； 2 ) 對5 0 0 k v 系統(tǒng)，為提高系統(tǒng)穩(wěn)定性采取無功就地自然補償措施， 往往在變壓器低壓側(cè)裝有( 1 4 l 3 ) 倍額定容量的電力電容器組。在低 壓側(cè)出口范圍內(nèi)故障時，電容的反饋電流將流向故障點。電容的反饋電流 中含有幅值較大的諧波成分，該反饋電流作為差流的一部分對差動保護(hù)有 影響，可能使差動保護(hù)延時動作： 3 ) 大型變壓器差動保護(hù)中1 5 1 7 的制動比是按照一般飽和磁通 為卜4 倍額定磁通幅值時合閘涌流時的大小來考慮的，但由于變壓器制造 技術(shù)的提高和制造材料的改進(jìn)，現(xiàn)代變壓器的飽和磁通倍數(shù)經(jīng)常在1 - 2 到 卜3 ，甚至低至卜1 5 ，此時涌流的最小二次諧波含量有時可能低至1 0 以 下，此時差動保護(hù)會誤動。 對于1 ) 、2 ) 兩個問題可以通過采用合適的加速判據(jù)可以有效地克服 內(nèi)部故障的誤閉鎖問題。目前提出的典型的加速判據(jù)有低電壓加速和大電 流加速或者二者合之的判據(jù)。對于問題3 ) ，雖然目前國內(nèi)大型變壓器保 護(hù)的實踐表明，我國現(xiàn)有運行中的大型變壓器勵磁涌流中的二次諧波一般 在1 2 以上，但也應(yīng)引起足夠重視，對二次諧波原理繼續(xù)進(jìn)行研究和改進(jìn)。 3 磁通特性識別法 4 第1 章緒論 它是利用衡量變壓器飽和的一個重要物理量：變壓器的磁通。而現(xiàn)在 如何利用磁通量以鑒別勵磁涌流是一個比較活躍的研究方向。主要有兩種 磁通制動方案： 方案1 ：文獻(xiàn)【3 1 給出變壓器兩側(cè)繞組回路的基爾霍夫電壓方程的積分 公式： 矗( f ) 2 p ，魯西+ p 等出一p 出 z ， 乞( ，) 2 乎百d i 2 出十r ，2 塑d t 講一野田 ( 1 3 ) 若l 卜f ，則為內(nèi)部故障； 若瞄卜f 。則為勵磁涌流：f 為某一門坎值通過實驗確定。 這一保護(hù)方案思路簡單，但存在一些困難：1 ) 空載特性的三折線圖 不能概括所有實際情況的特性圖：2 ) 繞組漏感的原始數(shù)據(jù)不易獲得。因 此要真正實際應(yīng)用時，必須作迸一步的實驗來驗證。 方案2 ：在1 9 8 3 年，a g p h a k e 和j s t h o r p t 4 】提出一種基于計算機 的磁通制動的電流差動保護(hù)，利用從c t ，p t 得到的電流電壓來計算磁通， 若磁通和差動電流的關(guān)系落于變壓器的空載磁化曲線內(nèi)則判為勵磁涌流。 否則判為故障動作出口跳閘。該算法中只用到個遞推公式，減少了計算 量有利于早期計算機有限的容量和計算能力。由于剩磁的作用作者又利用 d p l d i 。一吼面確定了兩個區(qū)域，落于區(qū)間1 保持不動的是飽和內(nèi)部故障區(qū)， 落于區(qū)間2 是正常情況，而在區(qū)間1 、2 擺動不定的是勵磁涌流。區(qū)間1 、 2 如下圖所示： 5 第1 章緒論 y _ 厲i 彩 l 鼬f 奴 2 區(qū) 1 區(qū) 圖1 1圖1 2 f i g 1 1f i g i 2 圖1 1 ：折線l 代表具有一定剩磁的空載磁化特性曲線；折線2 代表理想空 載磁化特性曲線；折線3 代表內(nèi)部故障時磁化曲線。 f i 9 1 1 ：l i n e l ：n o - l o a dm a g n e t i z e d c h a r a c t e rc u r v ew i t hr e m n a n t m a g n e t i s m ； l i n e 2 ：i d e a ln o - l o a dm a g n e t i z e dc h a r a c t e rc u r v e ；l i n e 3 ：i n t e r n a lf a u l t m a g n e t i z e dc h a r a c t e r c u r v e 圖1 2 ：l 區(qū)是飽和內(nèi)部故障區(qū)；2 區(qū)是非飽和區(qū) f i 9 1 2 ：a r e a l ：s a t u r a t e do ri n t e r n a lf a u l ta r e a ；a r e a 2 ：n 0 一s a t u r a t e da r e a 該方法不受剩磁的影響，在2 1 3 3 2 周波內(nèi)做出判斷。但也存在一些 不足； 1 1為得到磁化曲線折線的斜率，需要具體變壓器精確的磁化曲線，因這 些參數(shù)的測量不準(zhǔn)會影響判據(jù)的動作。 2 )卻d d 一奶曲面上的兩個區(qū)間的確定可能會困難，因為內(nèi)部輕微故障 時，差流較小，端口電壓較高，卻奶較大，這樣要求區(qū)間1 很大， 有可能會與區(qū)間2 重合。 4 等值電路法 文獻(xiàn)5 1 提出了一種基于變壓器導(dǎo)納型等值電路的勵磁涌流的判別方 法。該方法通過檢測對地導(dǎo)納參數(shù)變化來鑒別變壓器內(nèi)外故障，作者分析 6 第1 章緒論 得出如下結(jié)論： 1 )鐵芯線圈飽和時的漏抗和空心線圈的漏抗相近，故此時變壓器導(dǎo)納型 等值電路中，各節(jié)點的互導(dǎo)納幾乎與變壓器的鐵芯飽和無關(guān)； 2 )鐵芯未飽和時，變壓器各側(cè)對地導(dǎo)納幾乎均為零：當(dāng)鐵芯飽和時，變 壓器各側(cè)對地導(dǎo)納明顯增大；嚴(yán)重飽和時變壓器各側(cè)對地導(dǎo)納與空心 變壓器的對地導(dǎo)納幾乎一致，且是一不等于零的常量。 因此，可以計算變壓器各側(cè)對地導(dǎo)納，通過其值的大小變化來判別故 障與否。給出了用于區(qū)別內(nèi)部故障與勵磁涌流的判據(jù)和在模擬變壓器上的 試驗結(jié)果。 等值電路原理雖然理論上十分完美且快速，即使內(nèi)部故障疊加涌流， 一般在半個周波內(nèi)也可以給出正確的判斷結(jié)果。但它需要知道變壓器兩側(cè) 的漏抗，由于獲取漏電感參數(shù)較難由漏感誤差帶來的靈敏度下降是致命的 弱點，且計算瞬時導(dǎo)納量大，整定計算復(fù)雜，很難得到廣泛應(yīng)用。 1 2 2 新興的四種原理 近二十多年來，隨著現(xiàn)代人工智能技術(shù)的快速迅猛的發(fā)展，這些技 術(shù)已經(jīng)滲透入變壓器差動保護(hù)，用來辨別勵磁涌流并進(jìn)行快速閉鎖已經(jīng)展 現(xiàn)出誘人的前景。主要技術(shù)有以下四類： 1 模糊邏輯控制 模糊邏輯算法是把現(xiàn)代智能控制技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)的繼電保護(hù)方案中。 1 9 9 5 年a n d r z e jw i s z n i e w s k i 和b o g d ak a s z e n n y l 6 l 提出基于模糊邏輯的多 判據(jù)電流差動保護(hù)，繼電器在做出口跳閘之前，分別用判斷規(guī)則排除了勵 磁涌流、過勵磁情況、c t 飽和下的外部故障以及c t 和變壓器變比不匹配 下的過負(fù)荷或外部故障的情況。該算法的優(yōu)點是對計算機的硬件及繼電器 的內(nèi)存要求不高。但是不足的是沒有進(jìn)行各種情況的系統(tǒng)測試，所以對于 算法的有效性和可實用性沒有可靠的依據(jù)。 2 0 0 3 年文獻(xiàn)1 7 1 的模糊邏輯算法就是由磁通對電流求導(dǎo)的微分曲線， 諧波制動及比率差動特性曲線組成的。從s a l f o r de m t p 仿真包里獲得數(shù) 據(jù)，然后進(jìn)行模糊化，利用規(guī)則庫里的1 9 個模糊推論規(guī)則來判斷區(qū)分勵 磁涌流和內(nèi)部故障，顯示了快速和精確的跳閘動作行為。所有應(yīng)用的模糊 邏輯算法都存在一個問題：模糊邏輯中隸屬函數(shù)與權(quán)重應(yīng)當(dāng)如何選擇? 這 7 第1 章緒論 個問題需要建立在原有認(rèn)識的基礎(chǔ)上，需要技術(shù)人員對問題有深入而細(xì)致 的研究，因此模糊邏輯推論規(guī)則還是受人們經(jīng)驗和知識的限制。 2 專家系統(tǒng)1 目前專家系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)在電力系統(tǒng)設(shè)計的許多領(lǐng)域表現(xiàn)得非?；钴S， 譬如電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計、廠站一次電氣接線輔助設(shè)計及變電站接地網(wǎng)絡(luò)設(shè) 計等；而在繼電保護(hù)方面只是電網(wǎng)保護(hù)整定受到重視，尤其在后備保護(hù)中 應(yīng)用的很成功，并且已經(jīng)投入實用。直到1 9 9 1 年1 1 月，k a l m a n a 提出 了變壓器保護(hù)繼電器選型的專家系統(tǒng)之后，1 9 9 4 年劉立豐，高中德，楊奇 遜等人設(shè)計套電力變壓器繼電保護(hù)專家系統(tǒng)。1 9 9 5 年提出了一個可用于 變壓器保護(hù)輔助設(shè)計的專家系統(tǒng)，不僅可以實現(xiàn)保護(hù)系統(tǒng)配置、保護(hù)方式 選擇、保護(hù)裝置選型及繼電器產(chǎn)品確定，還能表示保護(hù)設(shè)備之間、保護(hù)系 統(tǒng)與一次系統(tǒng)之間的關(guān)系。專家系統(tǒng)由于速度較模糊控制慢，所以一般不 能滿足變壓器主保的要求，現(xiàn)在主要是在輸電線路后備保護(hù)上應(yīng)用。 3 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)( a n n ) 在負(fù)荷預(yù)測的應(yīng)用中取得了巨大的成功， 然而繼電保護(hù)要求故障時記錄所有的數(shù)據(jù)以及繼電器的可靠的動作特性， 而人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種基于大量樣本的經(jīng)驗式算法存在以下些問題：一 是a n n 需要訓(xùn)練大量的樣本耗時費力；二是a n n 不能囊括所有實際故障 的樣本，難以保證樣本集的完備性：三是它的動作過程是不透明的，故障 后我們無法分析事故原因。 利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實現(xiàn)電網(wǎng)的繼電保護(hù)目前已有了小的工業(yè)應(yīng)用， 在變壓器保護(hù)領(lǐng)域里也取得了一定的理論成果。文獻(xiàn)【9 】中通過觀察整個輸 入空間來優(yōu)化信號分類的運算。先進(jìn)行自適應(yīng)學(xué)習(xí)，對信息進(jìn)行在線自動 獲取和確認(rèn)，然后凍結(jié)該網(wǎng)絡(luò)，執(zhí)行保護(hù)功能。運算是透明的，具有確定 性。該文章的算法是上海施奈德s e p a m 2 0 0 0 數(shù)字式繼電器的部分，硬件 主要是1 6 位單片機。文獻(xiàn)1 0 】1 1 1 】【1 2 1 分別對變壓器保護(hù)中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)保護(hù)的 訓(xùn)練樣本、改進(jìn)方法及實驗測試進(jìn)行了進(jìn)一步深入的研究。但是人工神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有其自身缺點：一、訓(xùn)練樣本難以獲得，且需要很長的訓(xùn)練周期； 二、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)保護(hù)還沒有十分有效的仿真工具，可靠性得不到保證，所以 沒有得到廣泛應(yīng)用。 4 小波變換分析 8 第1 章緒論 小波變換是一個有力的分析工具，它既具有f o u r i e r 的變換和反變換 的性質(zhì)，同時又具備時間窗和頻率窗性質(zhì)，且相應(yīng)的時頻窗又是可調(diào)的。 它的多尺度分析和時一頻局部化特性，特別適用于邊緣和峰值突變信號的 處理和特征抽取。 小波分析作為一門學(xué)科，誕生于2 0 世紀(jì)8 0 年代末，經(jīng)過近2 0 年的 發(fā)展，已經(jīng)取得了許多理論成果和應(yīng)用成果，充分顯示了小波分析本身強 大的威力。文獻(xiàn)【1 3 】【1 4 】f 1 5 1 里給出了利用不同小波分析結(jié)果作為判據(jù)，得到 了一系列的可靠快速的算法。 19 9 9 年m o i s 6 sg 6 m e z m o r a n t e ，d e n i s ew n i e o l e t t i t “1 提出用 d a u b e c h i e s6 作為母小波，用小波系數(shù)的平方加權(quán)之和算出信號的能量， 再把信號的能量小波分解到時域和頻域，涌流和內(nèi)部故障的能量分布是不 同的。該算法是用信號的能量作為判據(jù)來區(qū)分勵磁涌流和內(nèi)部故障所需 要的計算量是很少的，只需要進(jìn)行小波分解和判別函數(shù)w ( x ) 的實時計 算。但是該文提出算法，沒有對算法做進(jìn)一步的仿真和驗證，所以進(jìn)行應(yīng) 用時還需要進(jìn)行測試。 2 0 0 1 年p e i l i n gl - m a o 1 4 1 等人又對上面算法做了大的改進(jìn)把小波變換 后的結(jié)果作為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入數(shù)據(jù)聯(lián)合起來判別變壓器勵磁涌流和 內(nèi)部故障。首先用小波變換把變壓器差動電流信號分解為一系列的細(xì)節(jié)小 波分量，但是直接用加窗小波信號作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入是不實際的會增加 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)換困難，因此可以計算信號的能量譜，這樣既減少了神經(jīng)網(wǎng) 絡(luò)的規(guī)模也保持了小波信號的重要特征。該算法用e m t p 軟件對不同內(nèi)部 故障類型和不同合閘相角時的勵磁涌流以及c t 飽和時的外部故障時算法 的可靠性進(jìn)行了驗證，在9 9 的暫態(tài)狀態(tài)下該聯(lián)合算法有很高的精確度， 還驗證了不同變壓器系統(tǒng)下算法的魯棒性。國內(nèi)文獻(xiàn)【1 5 l 也是聯(lián)合了小波和 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來區(qū)分。這些算法大都比較好地解決了涌流和內(nèi)部短路的識 別，但在計算量方面和實際系統(tǒng)的訓(xùn)練樣本的獲得上都存在一些問題，且 采樣用的是一次側(cè)電流，而保護(hù)處理的是c t 傳變的二次側(cè)電流。不適于 實際應(yīng)用。 2 0 0 3 年o m a r a s y o u s s e f t t 6 1 仍然用傳統(tǒng)的二次諧波制動，但是加入 了小波技術(shù)，在勵磁涌流單獨作用時，以及在發(fā)生勵磁涌流同時發(fā)生單相 接地內(nèi)部故障或兩相及兩相接地故障時，小波交換后顯示出明顯的區(qū)別。 9 第l 章緒論 這個算法兩個最大的優(yōu)點一是當(dāng)勵磁涌流和內(nèi)部故障同時發(fā)生時，算法仍 然能半個周波內(nèi)給出正確的判斷；二是相對別的小波應(yīng)用該方案的計算量 減小了。 文【l7 】利用小波分析提取勵磁涌流的間斷角特征來識別涌流和短路電 流，但是對于干擾較嚴(yán)重的現(xiàn)場，可靠性較低。文【1 8 】【”】構(gòu)造了新的基本 小波利用小波變換結(jié)果的能量值與原始電流波形的能量值之比作為判據(jù)， 但計算量較大。 2 0 0 3 年文獻(xiàn)【20 】提出一種利用小波分析來保護(hù)傳輸線路的算法，不僅 可以區(qū)分內(nèi)部故障和外部故障，而且可以區(qū)分故障相別，以及故障類型， 具有高度靈敏度。其基本思想是： 論文里定義幅值超過一個給定的定值的奇異點為故障跳。以電流差動 保護(hù)作為主保護(hù)，以小波分析后的故障跳乘積的符號作為判據(jù)避免不平衡 電流時繼電器誤動作。當(dāng)發(fā)生內(nèi)部故障時，線路兩端的c t 傳變的二次電 流的方向是相反的，小波分析后的波形奇異點也是方向相反的：而當(dāng)發(fā)生 外部故障時，線路兩端的c t 傳變的二次電流的方向是相同的，小波分析 后也是同向。若是三相中b 、c 相沒有故障跳且a 相故障跳的乘積的符號 是負(fù)值，則表明是發(fā)生a 相故障。同時文中增加了零序電流的小波變換檢 測，若是檢測到故障跳，那么表示發(fā)生了a 相接地故障。這個簡單的判據(jù) 既可給出故障，并給出那故障類別和類型，便于工作人員及時清除故障。 文中用i e e e1 4 一b u ss y s t e m 測試在不同故障地點，不同故障類型，不同 故障相角，不同故障阻抗，該判據(jù)都成功得檢測到了故障的突變。該方法 可以簡單快速精確地從故障電流中區(qū)分出勵磁涌流，在變壓器差動保護(hù)中 顯示出巨大的潛力。 1 3 本文研究的主要內(nèi)容 由前面幾節(jié)的論述可知，小波變換作為新型信號處理工具，其理論研 究及在各行業(yè)的應(yīng)用都已漸趨成熟。而在繼電保護(hù)上的應(yīng)用還具有很大的 開發(fā)前景。因此本文在文【2 0 l 的啟發(fā)下，把線路保護(hù)的小波分析應(yīng)用于變壓 器差動保護(hù)中構(gòu)成新的算法，把新的小波算法與其他小波算法進(jìn)行比較， 其不受c t 飽和的影響，且簡單快速。本文的主要工作包括如下幾個部分： l o 第1 章緒論 1 )采用電力系統(tǒng)的實時數(shù)字仿真系統(tǒng)r t d s 建立系統(tǒng)模型。對變壓器各 種合閘時刻下的勵磁涌流和各種類型的內(nèi)外部故障進(jìn)行仿真，輸出并 保存算法所需的變壓器兩側(cè)電流信號數(shù)據(jù)。 2 )載入m a t l a b 軟件進(jìn)行編程，利用小波變換對兩側(cè)信號進(jìn)行五尺度分 解，提取第五尺度一維小波變換高頻系數(shù)，得到勵磁涌流和內(nèi)外部故 障跳，取變壓器兩側(cè)故障跳進(jìn)行相乘，用乘積符號來區(qū)分勵磁涌流和 內(nèi)外部故障。 3 )變換測試了各種小波函數(shù)例如d a u b e c h i e s 小波系以及c o i e 小波系， 并且比較多個尺度下的一維小波變換高頻系數(shù)，得到d a u b e c h i e s 4 小 波比其他小波分解結(jié)果更顯著。變壓器兩側(cè)信號在d a u b e c h i e s 4 小波 第五尺度下的一維小波變換高頻系數(shù)下的分解具有獨特的明顯的特 征。 4 )通過分析小波變換結(jié)果提取新特征，構(gòu)建了新的算法。 5 )通過使用r t d s 改變變壓器低壓測出口不同類型的故障電流及各種合 閘相角下的勵磁涌流涌流，并且測試了各種空投變壓器時發(fā)生故障的 最惡劣情況以及c t 飽和的影響，對算法進(jìn)行檢驗。 第2 章小波理論概述 第2 章小波理論概述 本章首先闡述了小波變換的定義，在第二節(jié)具體化了多分辨率的概念 并詳細(xì)給出了一維多分辨率的思想和公式，為后續(xù)章節(jié)提供數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。 小波分析屬于時頻分析的一種。傳統(tǒng)的信號分析是建立在傅立葉( f o u r i e r ) 變換的基礎(chǔ)之上的，由于傅立葉分析使用的是一種全局的變換，要么完全 在時域，要么完全在頻域，因此無法表述信號的時頻局域性質(zhì)，而這種性 質(zhì)恰恰是非平穩(wěn)信號最根本和最關(guān)鍵的性質(zhì)。為了分析和處理非平穩(wěn)信 號，人們對傅立葉分析進(jìn)行了推廣乃至根本性的革命，提出并發(fā)展了一系 列新的信號分析理論：短時傅立葉變換、g a b o r 變換、時頻分析、小波變 換、r a n d o n - - w i g n e r 變換、分?jǐn)?shù)階傅立葉變換、循環(huán)統(tǒng)計量理論和調(diào)幅 一調(diào)頻信號分析等。其中，短時傅立葉變換分析的基本思想是：假定非平 穩(wěn)信號在分析窗函數(shù)g 的一個短時間間隔內(nèi)是平穩(wěn)( 偽平穩(wěn)) 的，并移 動分析窗函數(shù)，使f ( t ) g ( t 甜在不同的有限時間寬度內(nèi)是平穩(wěn)信號，從而計 算出各個不同時刻的功率譜。但從本質(zhì)上講，短時傅立葉變換在信號分析 上還是存在著不可逾越的缺陷。 小波變換是一種信號的時間一尺度( 時間頻率) 分析方法，它具有 多分辨率分析( m u l t i r e s o l u t i o na n a l y s i s ) 的特點，而且在時頻兩域都具有 表征信號局部特征的能力，是一種窗口大小固定不變但其形狀可改變，時 間窗和頻率窗都可以改變的時頻局部化分析方法。即在低頻部分具有較高 的頻率分辨率和較低的時間分辨率，在高頻部分具有較高的時間分辨率和 較低的頻率分辨率，很適合于探測正常信號中夾帶的瞬態(tài)反?，F(xiàn)象并展示 其成分，所以被譽為分析信號的顯微鏡，利用連續(xù)小波變換進(jìn)行動態(tài)系統(tǒng) 故障檢測與診斷具有良好的效果 2 u 。 當(dāng)電力系統(tǒng)故障時。其暫態(tài)信號具有持續(xù)時間短、所占頻帶寬等特點， 傳統(tǒng)的付里葉和加窗付里葉變換均難以對其進(jìn)行有效的分析。而小波變換 是一個有力的分析工具，它既具有f o u r i e r 的變換和反變換的性質(zhì)，同時 又具備時間窗和頻率窗性質(zhì)，且相應(yīng)的時頻窗又是可調(diào)的。它的多尺度分 析和時一頻局部化特性，特別適用于邊緣和峰值突變信號的處理和特征抽 取。下面對小波變換進(jìn)行簡單介紹。 1 2 第2 章小波理論概述 2 1 小波變換定義【2 1 l 設(shè)妒( r ) 2 ( 足) ( l 2 ( r ) 表示平方可積的實數(shù)空間，即能量有限的信號空 間) ，其傅里葉變換為礦( 曲) 。當(dāng)?shù)V( ) 滿足允許條件( a d m i s s i b l ec o n d i t i o n ) ： q = 斛 k ( 6 - 2 ) s = i i 屯( f ) o ( 6 - 3 ) 公式中( r ) ，i 2 ( f ) 表示在t 時刻兩側(cè)c t 二次側(cè)電流的小波變換后的電流 值。 判據(jù)解釋如下： 對變壓器兩側(cè)c t 的二次側(cè)電流數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，載入m a t l a b 里得到兩 側(cè)電流的小波變換。 1 )當(dāng)兩側(cè)電流值滿足判據(jù)式( 6 - 1 ) 、( 6 - 2 ) 為故障跳，取兩側(cè)的故障 跳的值進(jìn)行相乘，若滿足判據(jù)式( 6 - 3 ) ，則為內(nèi)部故障，不滿足為 外部故障。 2 )當(dāng)兩側(cè)滿足滿足判據(jù)式( 6 - 1 ) 、( 6 - 2 ) 其中一個，則令不滿足的一 側(cè)為零，此時一定不滿足判據(jù)式( 6 - 3 ) ，則為勵磁涌流。 3 )當(dāng)兩側(cè)均不滿足判據(jù)式( 6 - 1 ) 、( 6 - 2 ) ，則為正常運行。 判據(jù)對三相的故障跳乘積取邏輯或，有一相滿足判據(jù)式( 6 - 1 ) 、( 6 - 2 ) 、 ( 6 - 3 ) 即是內(nèi)部故障。 算法流程圖如下： 4 3 第6 章特征提取及算法 圖6 1 算法流程圖 f i g 6 1 f l o w c h a r to ft h ep r o p o s e dt e c h n i q u e 本文分析測試了變壓器內(nèi)、外部各種故障類型，變壓器在空載投入時 勵磁涌流的小波變換，以及c t 飽和時故障電流小波變換結(jié)果。該判據(jù)均 可精確地區(qū)分勵磁涌流和內(nèi)部故障以及外部故障。表6 1 給出了變壓器兩 側(cè)三相電流故障跳乘積測試結(jié)果。 第6 章特征提取及算法 表6 1兩側(cè)勵磁涌流和各種故障類型的故障跳乘積 t a b 6 1t h e p r o d u c t so f f a u l tj u m po fi n r u s ha n dk i n d so ff a u l t s a tt h ee n d so ft r a n s f o r m e r 4 5 第7 章仿真過程分析 第7 章仿真過程分析 7 1變壓器單相故障時的相位移 由于變壓器連接方式不同導(dǎo)致變壓器二次側(cè)或是三次側(cè)發(fā)生相偏移， 例如連接方式為y a 時變壓器內(nèi)部發(fā)生a g 故障，兩側(cè)電流分布如圖7 1 。 w i n d i n g a w i n d i n g b 圖7 1 連接方式為y i a 時變壓器內(nèi)部發(fā)生a g 故障兩側(cè)電流分布 f i g 7 1b o t hs i d e s c u r r e n t sd i s t r i b u t i o ni nc a s eo f a gf a u l tw i t hy a c 8 a 圖中變壓器二次側(cè)發(fā)生相位偏移，a 相和b 相出現(xiàn)了幅值大的故障電 流。 當(dāng)為a y 時，c 相和a 相應(yīng)有大的故障電流幅值，而r t d s 變壓器模 型給出b 相和a 相有大的故障電流幅值，是不合理的。發(fā)生內(nèi)部a g 故 障仿真不同連接方式時，相位偏移圖如圖7 2 ，圖中a l 、b l 、c l 表示變壓 器原邊側(cè)c t 變換后電流，a 2 、b 2 、c 2 表示變壓器二次側(cè)c t 變換后電流， 橫軸表示時間f 俐，縱軸表示電流，( k a ) 。 第7 章仿真過程分析 ( a )( b ) o -1 do to 瑚 ，00 辯 o 1 5o ，o 瑚j ( c )f d ) 不同連接方式時二次側(cè)a - g 故障電流的相偏移( a ) a y 連接 ( b ) y 連接( c ) a a 連接( d ) y y 連接 f i g 7 2 p h a s es h i f to ff a u l tc u r r e n t sa ts e c o n d a r ys i d ef a u l ti nc a s eo f d i f f e r e n tc o n n e c t i o nm o d e s ( a ) a y ( b ) y a ( c ) a a ( d ) y y 當(dāng)發(fā)生內(nèi)部單相接地故障時，由于變壓器連接方式不同，導(dǎo)致的a 相 4 7 2， 隧 第7 章仿真過程分析 或者b 相或者c 相相位偏移，流過大的故障電流，小波變換后都會檢測到 故障跳。由于變壓器三相出口跳閘，因此該偏移不影響新算法的判斷，但 是使新算法無法辨別故障相。 7 2 改變采樣率對算法的影響 仿真測試過程中t = 5 0 u s ，采樣率為4 0 0 點周波。若改變采樣周期為 t = l o o o u s ，采樣率為2 0 點周波，a g 故障時兩側(cè)故障電流的小波變換結(jié) 果如圖7 2 。圖中左側(cè)a 、c 、e 代表原邊側(cè)，右側(cè)b 、d 、f 代表二次側(cè)。 、門。 1 m 氧a ) l a l l n1 ： ， i “k a ；( c ) i b l l n1 e，： 。八 八卜，、p 1 “k 且d b ) l a 2 4 n1 ；， 八1 i 他a 氳m i b 2 1 n1 ； v o _ 圖7 2 采樣周期t = 1 0 0 0 u s 時a - g 兩側(cè)故障電流的小波變換 f i g 7 2 a - gf a u l te u r r e n tw a v e l e tt r a n s f o r m a t i o na ts a m p l i n gp e r i o dt = 1 0 0 0 u s 從圖中我們可以很明顯地看出當(dāng)采樣率減小( 4 0 0 點周波一2 0 點周 波) 的時候，經(jīng)過m a t l a b 小波變換后的故障電流具有很多連續(xù)不規(guī)則的突 變模極大值，而不是僅僅在故障合閘時刻出現(xiàn)突變模極大值，此時區(qū)分勵 磁涌流和內(nèi)外部故障電流的新算法不再成立。因此新算法對硬件的采樣率 具有較高的要求。 2 0 2 2 0 2 5 d 5 第8 章結(jié)論與展望 第8 章結(jié)論與展望 8 1 結(jié)論 小波分析具有多尺度分析和良好的時頻局部化特性，可以準(zhǔn)確地捕捉 突變信號特征。越來越廣泛地應(yīng)用于繼電保護(hù)上。本文提出了基于小波變 換來區(qū)分變壓器勵磁涌流和內(nèi)部短路電流的新方法。根據(jù)勵磁涌流具有僅 流經(jīng)變壓器一側(cè)且小波變換后一側(cè)無故障跳，內(nèi)部故障具有兩側(cè)符號相反 的故障跳以及外部故障具有兩側(cè)符號相同的故障跳的特點，構(gòu)建了新的算 法，并利用優(yōu)秀的實時數(shù)字仿真系統(tǒng)r t d s 進(jìn)行仿真，得到的主要結(jié)論如 下： 1 )仿真證明了與其他小波變換在變壓器保護(hù)應(yīng)用算法進(jìn)行比較，本文所 提出的判據(jù)快速，可靠，簡單。 2 1判據(jù)能在故障或是空載合閘瞬間迅速做出判斷，并且不受帶故障空載 合閘和嚴(yán)重c t 飽和的影響。 3 )在仿真實驗過程中，提出r t d s 實時數(shù)字仿真系統(tǒng)的變壓器元件模型 不夠準(zhǔn)確且功能不完善，其中包括變壓器元件模型未給出組別選項以 及未提供匝間故障的功能。 4 )從測試結(jié)果中也可看出判據(jù)有兩點不足：其一，當(dāng)發(fā)生c t 飽和或者 連接方式不同導(dǎo)致的相位偏移時，該方法不能完全判斷出故障相，但 由于變壓器故障一般都是三相出口跳閘，因此不影響判據(jù)本身。其二， 硬件采樣頻率偏高。由于小波變換要求采樣率是4 0 0 點周波，因此對 處理器要求較高。 8 2 展望 對予結(jié)論3 ) 所提出的問題，隨著實時數(shù)字仿真器r t d s 元件庫里變 壓器模型進(jìn)行改正和完善，將會為驗證新算法提供更可靠和準(zhǔn)確的實驗環(huán) 境。 而結(jié)論4 ) 中由于c t 飽和引起的故障跳畸變，還需要在現(xiàn)場測試中 4 9 第8 章結(jié)論與展望 進(jìn)一步進(jìn)行檢驗或者利用檢測c t 飽和的方法來閉鎖保護(hù)裝置等方法進(jìn)一 步完善判據(jù)。 對于結(jié)論4 ) 中采樣率偏高的問題，隨著日后硬件的發(fā)展會逐步得到 解決。 5 0 莖耋壅莖 【2 】 【3 1 【4 】 【5 】 【6 】 7 【8 】 9 】 1 0 】 【1 2 】 【1 3 】 1 4 】 參考文獻(xiàn) 孫志杰，陳云侖波形對稱原理的變壓器差動保護(hù)電力系統(tǒng)自動化， 19 9 6 ，2 0 ( 4 ) ：4 2 4 6 g dr o c k e f e l l a f a u l tp r o t e c t i o nw i t had i g i t a lc