基于波形分区重构的变压器励磁涌流与故障电流识别方法_栗磊.pdf

第39卷 第2期2023年2月电网与清洁能源Power System and Clean EnergyVol.39No.2Feb.2023智能电网Smart Grid基金项目：宁夏自然科学基金项目（2020AAC03484）；国网宁夏电力有限公司科技项目（5229DK190055）。Project Supported by the Natural Science Foundation of Ningxia（2020AAC03484）；the Science and Technology Research Program ofthe State Grid Ningxia Company（5229DK190055）.ABSTRACT：Inrushcurrentoftenoccursinpowertransformers and it is an important factor affecting the correctoperation rate of differential protection.Whats more，thesaturation of the current transformer（CT）caused by a largefault current also affects the differential protection.In order toimprove the reliability of transformer differential protection，thispaper proposes an inrush current and fault current identificationmethod based on waveform partition and reconstruction.Firstly，the waveform characteristics of inrush current and fault currentwith CT saturation are analyzed，and the idea of partition andreconstruction of differential current is raised.Based on thisidea，the differential current is divided into the linear region andthe saturation region and reconstructed by using waveletcoefficient energy and second derivative energy as a jointcriterion.Next，the absolute value ratio of the amplitude isconstructed according to the waveform trend，and the ratio isapplied to determine whether the transformer is fault or not.Finally，through a large number of simulation tests，waveformanalysisinvariousscenarios，andcomparisonwiththetraditional method，the effectiveness and superiority of theproposed method are verified.KEY WORDS：transformer differential protection；inrushcurrent；CT saturation；wavelet energy；waveform partition andreconstruction摘要：励磁涌流是影响差动保护正确动作率的重要因素，在电力变压器中时常发生，而大故障电流导致的电流互感器饱和也会对差动保护造成影响。为了提高差动保护的可靠性，该文提出一种基于波形分区重构的变压器励磁涌流与故障电流识别方法。首先分析了变压器励磁涌流和电流互感器饱和的波形特性，提出了将差动电流分区和重构的思想。基于此，采用小波系数能量与二阶导数能量作为联合判据，将差动电流划分为线性区和饱和区并重构。然后根据波形趋势构造了幅值的绝对值之比，利用该比值决定判断变压器是否发生了故障。最后，通过大量的仿真测试、各场景下的波形分析以及与传统方法的对比，证明了所提方法的有效性、优越性。关键词：变压器差动保护；励磁涌流；电流互感器饱和；小波能量；波形分区重构电力变压器是输电网中的关键设备，负责分配和传输电能，其运行状态关系着电力系统的安全稳定性。变压器的主保护通常是采用以基尔霍夫电流定律为理论基础的差动保护，在大多数情况下简单有效。然而在变压器空载合闸或是外部故障切除的过程中，变压器两端电压突变可能会使得铁芯饱和，产生幅值为额定电流 68 倍的励磁涌流，这就可能导致变压器在无故障情况下错误动作。因此，目前绝大多数变压器均采用二次谐波制动的方法来抵御励磁涌流的干扰1-2。然而，当故障严重时，流过电流互感器（current transform，CT）的电流过大，并可文章编号：1674-3814（2023）02-0016-08中图分类号：TM41文献标志码：A基于波形分区重构的变压器励磁涌流与故障电流识别方法栗磊1，赫嘉楠1，熊军辉2，林泽暄2，郝治国2，满在领2（1.国网宁夏电力有限公司电力科学研究院，宁夏 银川750001；2.西安交通大学电气工程学院，陕西 西安710049）An Identification Method of Inrush Current and Fault Current Based onWaveform Partition and ReconstructionLI Lei1，HE Jianan1，XIONG Junhui2，LIN Zexuan2，HAO Zhiguo2，MAN Zailing2（1.State Grid Ningxia Electric Power Research Institute，Yinchuan 750001，Ningxia，China；2.School of Electrical Engineering，Xi an Jiaotong University，Xi an 710049，Shaanxi，China）第39卷第2期电网与清洁能源智能电网Smart Grid能伴随着直流分量，很容易导致 CT 饱和。CT 饱和会使测量电流与实际电流有较大的偏差，而且测量电流中包含了较高的二次谐波含量，若采用谐波判据容易与励磁涌流混淆，导致故障不能被及时发现3。因此，有必要提出一种能够不受 CT 饱和干扰并正确区分励磁涌流与故障电流的识别方法。目前国内外对励磁涌流的研究主要包含 3类。首先是基于模型的方法，主要是根据变压器的物理模型或电气参数的耦合关系来检测内部参数的变化情况，以此判断变压器是否发生故障4-5。这类方法受系统运行方式影响小，但需要已知内部参数以及加装额外的电压互感器，可能面临电压互感器断线的风险。第二种方法是基于波形特征，传统的谐波制动与间断角检测就属于此类方法。许多学者还通过各种信号处理技术来提取波形中的时频域信息，例如谐波分析6-9、小波变换10-11、经验傅里叶变换12、卡尔曼滤波器13-14等。这些算法在检测励磁涌流提取特征准确，且其中的经验傅里叶算法经验证也对于 CT 轻微饱和有效，但均没有针对电流互感器饱和导致的畸变故障波形进行专门的分析，也缺乏对严重 CT 饱和的验证。第三种方法是近年来比较流行的人工智能技术，其应用的主要思想是挖掘大量数据中的特征实现分类包括支持向量机15-16、人工神经网络17、概率神经网络18等。人工智能技术在拟合非线性问题上具有显著的优势，然而，其缺乏可解释性以及泛化能力有待考量，这些都是其应用于保护所面临的问题。为了保证差动保护在励磁涌流或故障电流下可靠动作，本文提出一种基于波形分区重构的变压器励磁涌流与故障电流识别方法。首先分析了变压器饱和和电流互感器饱和的波形特性，利用小波系数能量与二阶导数能量结合的联合判据对差动电流进行分区并重构；比起原始电流，重构后的电流波形在故障和非故障情况下具有明显的特征差异，然后采用重构波形幅值的绝对值之比来判断是否为故障电流。该算法具有准确率高、抗 CT 饱和等优点，且计算复杂度低，有望投入实际应用。1变压器涌流识别问题分析变压器的铁芯在较高的磁通下容易发生饱和现象，铁芯一旦饱和其对应的励磁支路阻抗将迅速减小，导致励磁电流激增。以空载合闸为例，其对应的励磁电流简化公式如下19：i=|UmL|-cos(t+)+cos+r-sms0s（1）式中：Um为作用在变压器一次绕组与励磁支路的总电压；L表示一次绕组与励磁支路的总电抗（忽略了电阻的影响）；为合闸相位角；m是由电压引起的稳态磁通；r是铁芯的剩余磁通；s表示铁芯的饱和磁通。由式（1）可知，励磁电流的产生取决于铁芯总磁通与饱和磁通的大小，变压器正常状态下磁通较低，励磁支路阻抗近似于无穷大，此时的励磁电流几乎为零；而当s时，铁芯进入饱和阶段，产生较大幅值的励磁涌流。因此，变压器铁芯是否进入饱和阶段可以通过电流波形体现。图 1 为典型的励磁涌流波形，如上文分析的，只有当变压器铁芯进入饱和区时的波形才是影响差动保护动作准确率的根源；而铁芯未饱和时励磁阻抗趋于无穷大，一、二次电流的线性传变并未受到影响，其差流很小，该时段电流不会导致差动保护误动，可称之为“线性区”。图1空载合闸的差动电流波形Fig.1Differential current waveform of no-load closing目前差动保护中主要使用快速傅里叶变换对差动电流的基波分量进行计算，但由于线性区和饱和区是依次、混合出现，因此直接对整体电流的计算势必会导致在励磁涌流情况下基波分量的估计值过大，导致保护误动。由于变压器的线性区和饱和区是真实存在且理论可分的，而两个区域的电流特征差异明显，若能将两者进行划分并利用各自的波形特征，或许能够更准确地识别出励磁涌流和故障电流。故障电流的表达式如下i=Acos(2ft+)+Dexp(-t/T)（2）式中：A表示故障电流基频分量的幅值；f为工频；D为故障电流直流分量的幅值；T为衰减时间常数，17智能电网Smart Grid该值由系统阻抗决定。故障电流并不会引起变压器饱和，可以视为故障全过程均处于线性区，此时故障电流与励磁涌流的波形差异从对称性、连续性等角度都能较容易地区分。然而，当故障电流很大时可能引起电流互感器饱和，这种情况下给故障电流和励磁涌流的区分带来了极大的困难。图 2 为 CT 饱和时实际故障电流与测量值间的对比，一次电流为“基波分量+直流分量”的实际故障波形，该电流经过电流互感器时由于 CT 饱和后的分流作用，传送到二次侧后的测量电流便出现“缺损”。当 CT 饱和较严重时缺损部分的波形呈现为类似励磁涌流的间断角，从图 2 中可以看到，CT的饱和区波形反而与变压器的线性区波形相近；从频域角度分析，CT 饱和后的故障电流和励磁涌流一样，也具有较高的二次谐波和直流分量，因此传统保护中的二次谐波制动方案可能会在 CT 饱和后的故障下错误闭锁，导致保护延迟动作。图2CT饱和下的故障电流Fig.2Fault current with CT saturation2电流波形的分区与重构2.1分区及重构思想经变压器铁芯饱和产生的励磁涌流与经 CT 饱和后的故障电流都要经历“线性区饱和区线性区”这一周期过程，按照这一顺序，励磁涌流的波形分布可描述为“间断尖顶波间断”，而饱和故障电流可描述为“连续基波缺损连续基波”。根据上文的分析，CT 的饱和区波形与变压器的线性区波形相近，因此在不同区域波形交替出现的情况下两者难以分辨