Rogowski线圈电流互感器故障的早期诊断研究_王中.pdf

Rogowski线圈电流互感器故障的早期诊断研究王中1，2，李振华1，3，成俊杰1，吴琳4，李振兴1，李红斌5（1.三峡大学电气与新能源学院，湖北 宜昌443002；2.国网重庆市电力公司江津区供电分公司，重庆402260；3.三峡大学梯级水电站运行与控制湖北省重点实验室，湖北 宜昌443002；4.国网湖北省电力有限公司技术培训中心，武汉430014；5.华中科技大学电气与电子工程学院，武汉430074）摘要：Rogowski线圈电子式电流互感器（RECT）因其动态范围宽、绝缘性能好等方面的优势，逐渐成为智能变电站主流的电流计量设备，对其长期运行后的准确度评估也显得尤为重要。针对RECT早期表现出测量数据异常的故障，提出了一种基于样本自相关函数图和ADF单位根检验（augmented dickeyfuller test）的早期测量故障诊断方法。依据相位差不变原理和实测频率分布建立比对标准，通过相位差序列的平稳性检验实现RECT故障早期的测量误差诊断，为现场故障预警和调度决策提供参考，并通过实验验证了该方法的可行性。关键词：Rogowski线圈电子式电流互感器；故障诊断；相位差；平稳性检验Research on Early Diagnosis of Fault of Current Transformer with Rogowski CoilWANG Zhong1，2，LI Zhenhua1，3，CHENG Junjie1，WU Lin4，LI Zhenxing1，LI Hongbin5（1.College of Electrical Engineering&New Energy，China Three Gorges University，Hubei Yichang 443002，China；2.State GridChongqing Electric Power Company Jiangjin District Power Supply Branch，Chongqing 402260，China；3.Hubei ProvincialKey Laboratory for Operation and Control of Cascaded Hydropower Station，China Three Gorges University，Hubei Yichang443002，China；4.State Grid Hubei Electric Power Company Technology and Training Center，Wuhan 430014，China；5.School of Electrical and Electronic Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China）Abstract:Rogowski coil electronic current transformers（RECT）have gradually become the mainstream currentmetering equipment in smart substations due to their such advantages as dynamic range and good insulation performance.It s accuracy evaluation after longterm operation is of also particularly importance.In view of the fault of abnormal data of RECR in the early stage，a kind of early measurement fault diagnosis method based on sample autocorrelation function graph and ADF（augmented dickeyfuller test）unit root test is proposed.The comparison standardis established based on the principle of constant phase difference and the measured frequency distribution，and themetering error diagnosis of the early fault of the Rogowski coil electronic current transformer is realized through thestationarity test of the phase difference sequence，which provides a reference for onsite fault warning and schedulingdecisionmaking.The feasibility of this method is also verified by experiment.Key words:Rogowski coil electronic current transformer；fault diagnosis；phase difference；stationarity test0引言Rogowski线圈电子式电流互感器(RECT)是由均匀密绕在非铁磁性材料上的空心线圈作为传感单元和数字积分器作为数据处理单元组成的新型电流计量设备，为数字化继电保护、电网快速状态估计等提供可靠保证1。相较于传统的电磁式电流互感器，RECT在体积、成本、绝缘等方面具有较大的优势，因此被广泛应用于智能变电站的关键计量设备2-3。目前，RECT如何实现长期稳定运行已经成为亟需解决的问题。在实际运行中，RECT会受到振动、温度、频率、磁场、湿度等因素不同程度的综合影响4-5，运行一段时间过后可能发生测量数据异常，例如某省110 kV变电站的2台RECT发生故第59卷第2期：016201682023年2月16日High Voltage ApparatusVol.59，No.2：01620168Feb.16，2023DOI:10.13296/j.10011609.hva.2023.02.022_收稿日期：20220825；修回日期：20221027基金项目：湖北省教育厅重点项目(D20201203)；三峡大学学位论文培优基金项目资助(2021SSPY071)。Project Supported by the Key of Science and Technology Research Plan of Education Department of Hubei Under Grant(D20201203)，Research Fund for Excellent Dissertation of China Three Gorges University(2021SSPY071).障导致测量数据突然变大并逐渐减小，进而引起变压器的差动速断保护采用突变量算法而跳闸6。根据中国电力科学研究院对RECT的试验结果表明，测量故障一般会有一个渐变过程，且故障早期的表现形式为测量误差异常7。为评估RECT是否发生异常而进行早期诊断成为可能，即可通过测量数据的误差分析为提前进行故障诊断提供参考依据。目前，评估电子式电流互感器状态的方法可分为两大类：一类是使用标准互感器进行的定期校验和长期监测，文8-9对包含标准互感器的电子式互感器离线校验方法进行了研究，检修周期一般为12年，无法及时发现两次检验之间出现的问题，文10提出了以包含标准互感器和升降装置的校验装置对电子式电流互感器在线检验的方法，文11提出了含有标准电容器的校验平台进行在线检验，但长期在高压以及强磁场环境下，高精度的校验装置也会有准确度退化的问题，不能满足RECT早期渐变的实时故障诊断；另一类是不依赖标准互感器的在线评估，文12用小波变换的方法把电子式互感器输出与经验输出进行比对，实现某些突变性故障的识别，文13把光学电压互感器故障模式下的特征参数作为人工神经网络的输入来预测故障类型，文14提出了一种基于非线性简化Volterra模型的CVTs状态监测技术，文15对相同时间间隔的全光纤电流互感器输出电流的相位差进行平稳性分析，从而对全光纤电流互感器故障的早期诊断，文16采用测量的真实值与搭建输电系统模型预测得到的电流值构建残差，从而对电子式电流互感器的渐变性故障进行诊断。这些方法能够有效地监测电子式电流互感器测量误差状态，对提前诊断RECT故障具有指导意义。总结上述评估方法，对RECT故障进行早期诊断，若是没有标准互感器进行比对评估，就必须构建一个“虚拟”比对标准。因此，文中研究了一种基于相位差不变差原理的RECT早期测量误差诊断方法，将采集到的相位等时间间隔差分求解相位差，然后根据样本自相关函数和ADF单位根检验进行平稳性分析，实现RECT故障早期的测量误差诊断，为现场调度决策提供参考。1Rogowski线圈电子式电流互感器RECT主要是由均匀密绕在非铁磁性材料上的线圈作为传感单元和数字积分器组成的有源型电流计量设备，其结构见图1。图1Rogowski线圈电子式电流互感器原理图Fig.1Schematic diagram of Rogowski coil electroniccurrent transformer设罗氏线圈dl处的磁场强度为H，线圈单位匝数和横截面积分别为n、s，那么整个罗氏线圈在dl处的磁链为=l0snHdl(1)式(1)中，0为真空磁导率。如果罗氏线圈处处均匀，则可根据全电流定律进一步化简=l0snHdl=0sni(2)设载流导体与罗氏线圈间存在的互感系数M，则M=0sn(3)因此，当被测电流i(t)穿过导体时，罗氏线圈的感应电动势为u(t)=-ddt=-Mdi(t)dt(4)结合图1可以看出，将感应电动势u(t)通过A/D转换器之后再进行数字积分即可计算出与被测电流成比例的电流值。由于RECT的传感部分不存在磁路饱和，输出线性度极好，加上其动态范围大、频带宽、安全性能好等优点被智能变电站广泛采用17-18。但RECT的性能易受磁场、振动等因素影响19-22，因此，研究其故障早期测量诊断方法颇为重要，对提前预警故障显得尤为重要。2Rogowski线圈电流互感器诊断方法2.1相位差不变原理在理想情况下，即电力系统运行在无扰动条件时，截取相同时间间隔的电流或电压初相位差相等，而与被截取信号的初始相位和起始截取时刻无关，这种特性被定义为相位差不变性。假设电网电流波形信号理想条件下的幅值归一化解析式为f1(t)=cos(0t+0)(5)式(5)中，0、0分别为电流信号的频率和初始相位。那么t+t时刻的电流归一化解析式为f1(t+t)=cos0(t+t)+0(6)因此，时间间隔为t的电流相位差为0t，且研究与分析王 中，李振华，成俊杰，等.Rogowski线圈电流互感器故障的早期诊断研究 1632023年2月第59卷第2期只与系统频率和时间间隔有关，则可得出图2所示的2-1=3-2，进一步地直观说明理想状态下等时间间隔的相位差特性，即相位差保持不变。图2相位不变差特性原理图Fig.2Schematic diagram of phase invariance characteristic但实际运行的电网信号波形等参数是连续波动的，尤其当电网频率不断变化时，相同时间间隔的相位差也会在一定范围内波动。实验室模拟电力系统所采集的电网频率统计图见图3，呈现出左高右低的双峰分布。为了能够使用相位差不变特性进行互感器“虚拟”标准量的研究，需要对电网频率分布特性进行分析，以补偿频率波动给相位差带来的影响。图3实测频率分布直方图Fig.3Measured