基于模糊信息檢索的變壓器故障識別新判據(jù)

0模糊理論在變壓器識別法中的應(yīng)用在保護壓力差動的情況下，如何識別磁體和內(nèi)部故障是一個技術(shù)難題。許多學者曾對此進行了大量的研究。在實際的變壓器保護中均使用單一的判據(jù),采用定量的門檻區(qū)分勵磁涌流和內(nèi)部故障。但由于參數(shù)的模糊性,可能會造成誤判。文獻采用了模糊理論來識別變壓器勵磁涌流,但是其采用的均是單一判據(jù),常規(guī)定值保護中存在的問題在該類單一模糊判據(jù)識別法中依然存在。文獻雖然考慮的是綜合判據(jù),但其直接采用綜合加權(quán)的方法則對很多特殊情況依然會考慮不周,甚至有可能對于單一判據(jù)能識別的情況而用該綜合判據(jù)可能識別不出正確的結(jié)果。同時,模糊理論應(yīng)用于變壓器保護中面臨的問題之一是如何調(diào)整權(quán)重值,通常情況下權(quán)重的確定都是基于經(jīng)驗確定,存在人為因素。本文在對差流形成的原因及其各自的特征進行詳細分析的基礎(chǔ)上,利用信息檢索和模糊數(shù)學的有關(guān)理論,對變壓器保護中勵磁涌流的識別方法進行了研究。1導致這種情況的原因和幾個特點1.1元變壓故障當變壓器發(fā)生內(nèi)部故障時,變壓器差流為勵磁電流和內(nèi)部故障電流的疊加。內(nèi)部故障時變壓器運行在磁化曲線的線性區(qū),因而勵磁電流很小。由于內(nèi)部故障電流遠大于勵磁電流,因而故障電流波形為正弦波。三相變壓內(nèi)部故障時有以下特點:1)電流中二次諧波含量較小;2)故障電流波形比較對稱,無間斷角;3)端電壓降低較大;4)五次諧波分量較小。1.2勵磁涌流的波形和間斷角變壓器勵磁涌流包括非對稱涌流和對稱涌流。非對稱涌流是由剩磁方向相反的兩相涌流相減而成。對稱性涌流是由剩磁方向相同的兩相涌流相減而成,這使進入差動保護的涌流瞬時值為零的時間縮短,即涌流波形的間斷角減小了,嚴重情況下對稱性涌流的間斷角有可能小于30°。結(jié)合上述及仿真試驗分析,三相變壓器勵磁涌流有以下特點:l)涌流幅值比較大,其中二次諧波含量較高。2)某相勵磁涌流可能不再偏離時間軸的一側(cè),變成了對稱性涌流。其他兩相仍為偏離時間軸一側(cè)的非對稱性涌流。對稱性涌流的數(shù)值比較小。非對稱性涌流仍含有大量的非周期分量,但對稱性涌流中無非周期分量。3)三相勵磁涌流中有一相或兩相二次諧波含量比較小,但至少有一相比較大。4)勵磁涌流的波形是間斷的,但其中對稱性涌流的間斷角可能小于30°。5)端電壓沒有顯著變化。6)鐵心磁通量達到飽和值。1.3變壓器過勵磁特征當出現(xiàn)過電壓時,會造成鐵芯磁通飽和,引起勵磁電流劇增。當過電壓20%~30%時,勵磁電流可達額定勵磁電流的10~100倍,差動保護就可能誤動。通過對變壓器過電壓的勵磁電流幅值及其奇次諧波的大小進行了仿真研究和分析,可將過勵磁的特征歸納如下:1)變壓器鐵芯會出現(xiàn)飽和,從而引起勵磁電流劇增。2)勵磁電流中三次和五次諧波分量電流十分顯著。但由于三次諧波經(jīng)常大量地出現(xiàn)在其他場合(如內(nèi)部短路),所以通常采用五次諧波作為差動保護的過勵磁誤動閉鎖判據(jù)。其中,差流中五次諧波分量幅值與基波分量幅值之比大于30%。3)變壓器端電壓無顯著變化。4)過勵磁電流無偶次諧波,波形對稱。1.4變壓器恢復(fù)性涌流的特征當變壓器區(qū)外故障切除電壓恢復(fù)到正常的過程中,由于磁通不能突變,磁通中將出現(xiàn)非周期性的暫態(tài)分量,與鐵芯剩磁一起使變壓器鐵芯飽和,導致勵磁電流瞬時值很大,出現(xiàn)勵磁涌流,此涌流稱為恢復(fù)性涌流。變壓器區(qū)外故障切除后的電壓恢復(fù)過程被認為與變壓器的空載合閘過程很相似,但其也具有自身的特點。結(jié)合文獻[10-11]及仿真試驗分析,可將其特征歸納如下:1)二次諧波含量依然比較大,可能大于50%,但電流幅值較小;2)變壓器鐵芯出現(xiàn)飽和;3)勵磁涌流波形間斷的特征可能消失,使得所有根據(jù)涌流波形特征制定的閉鎖判據(jù)失效。2基于模棱兩可的信息保護假設(shè)2.1查詢對象的檢索信息檢索,系指從給定的某些特征出發(fā)來判別該對象與哪一類信息元最為匹配。設(shè)對象X大概分為m類:X1、X2、???、Xm,即有m類信息元,其可用n個特征項d1、d2、???、dn來描述。檢索步驟如下:1)對于該對象我們可以用一個n維行矢量來表示:這樣我們就可以用一個m行n列的矩陣K來表示信息元集合X,K中的元素為0或1。2)借助信息的特征進行檢索,根據(jù)各個特征的隸屬度函數(shù)寫出n維查詢行矢量Q。3)事先規(guī)定好信息與查詢行矢量Q的符合函數(shù)f(X,Q),將信息元Xj代入,計算得rj=f(Xj,Q),哪一類rj最大,則可判定該查詢對象屬于rj≥L這一類;或者設(shè)定一個門檻值L,如果計算出的rj大于該門檻值,則可判斷該查詢對象屬于Xj這一類,這樣最后得出的結(jié)果有可能是查詢對象同時屬于幾類信息元。2.2每個資源量屬于函數(shù)的選擇2.2.1勵磁涌流的范圍根據(jù)長期的運行經(jīng)驗及理論推算,二次諧波含量超過7%時則有可能為勵磁涌流,而當其大于15%時則一定為勵磁涌流。由此二次諧波含量的隸屬度函數(shù)表達式為:式(3)中:I2表示二次諧波分量;I1表示基波分量。一般取a1=7%,b1=15%。2.2.2電流的局部變換勵磁涌流波形具有間斷角特征,在間斷角部分曲線與時間軸包圍的面積很小,幾乎趨近于零。而把經(jīng)過絕對值變換的一個周期的故障電流在任意位置分為兩個部分,曲線與時間軸包圍的面積都不會很小。仿真實驗表明在最小值附近有連續(xù)四個數(shù)量級相對較小的數(shù)值時可判為勵磁涌流。構(gòu)造其隸屬函數(shù)為:2.2.3采樣周期和采樣間隔均為不對稱時的采樣波形不對稱算法的具體方法如下:首先將流入繼電器的差流進行微分,將微分后差流的前半波和后半波作對稱比較。設(shè)差流導數(shù)前半波某一點的數(shù)值為Ii′,后半波對應(yīng)點的數(shù)值為Ii+′180,如果滿足式(5)為對稱,否則為不對稱。連續(xù)比較半個周波,這樣可以區(qū)分故障電流和勵磁涌流。采樣周期為1ms,每周期采樣20個點,采樣間隔為18°。當有4個采樣間隔的波形不對稱時,認為勵磁涌流的可能性是0.5;低于4個時,可能性是0;達到10個時可能性是1;在4~10個采樣間隔之間采用正態(tài)分布曲線。構(gòu)造其隸屬函數(shù)為:2.2.4采樣間隔與鐵芯飽和的關(guān)系如果每個工頻周期選取20個采樣點,發(fā)生勵磁涌流時,至少有4個采樣間隔(最多可達18個采樣間隔,大部分情況為13個采樣間隔)中可計算出達到飽和。如果有5個采樣間隔鐵芯飽和,則可能發(fā)生了勵磁涌流;如果13個采樣間隔鐵芯飽和,則發(fā)生勵磁涌流的可能性為1。構(gòu)造其隸屬函數(shù)為:2.2.5隸屬度函數(shù)構(gòu)造當變壓器發(fā)生內(nèi)部短路時,故障相電壓會變得很小,而發(fā)生勵磁涌流時變壓器的電壓不會低于額定值的70%。為了防止保護誤動,我們也可以把整定值定得低一點,用隸屬度函數(shù)來解決這一問題。構(gòu)造其隸屬度函數(shù)表達式為:根據(jù)前述分析,可取a5=0.1,b5=0.7。當變壓器的端電壓U<10%Un時,屬于低電壓的隸屬度為1,當U>70%Un時,屬于低電壓的隸屬度為0。2.2.6次諧波的0.只有在變壓器過勵磁或過電壓情況下,變壓器的電流中才會有較高的五次諧波,其他情況下都不會出現(xiàn)很大的五次諧波。當電壓達到115%~120%Un時,電流中五次諧波成份將達到最大值(與基波電流的幅值之比將達到50%)。當過電壓更大時,五次諧波成份又明顯減少。當過電壓為140%Un時,五次諧波與基波電流的幅值之比約為35%。構(gòu)造其隸屬函數(shù)為:根據(jù)前述分析,一般取a6=5%,b6=35%。2.3k矩陣提取將第一節(jié)所分析的引起差流的四種原因作為四個信息元,即內(nèi)部故障(X1)、勵磁涌流(X2)、過勵磁(X3)、變壓器外部故障切除后的恢復(fù)性涌流(X4)。其特征項為二次諧波(d1)、波形間斷角(d2)、波形不對稱度(d3)、鐵心飽和度(d4)、低電壓(d5)、五次諧波(d6)。根據(jù)前面的分析,可以寫出表示信息元與其特征項關(guān)系的矩陣K如下:K矩陣表明了各個信息元所具有的特征項。當差動電流大于啟動電流時,提取變壓器相關(guān)的電氣量的特征,然后按照2.1節(jié)所介紹的步驟進行計算,從而判斷該差流是否屬于內(nèi)部故障。其中,符合函數(shù)采用式中:(X,Q)表示信息元行向量X與查詢行矢量Q的內(nèi)積:||X||、||Q||分別表示X,Q的模:3模擬測試3.1仿真系統(tǒng)模型本文利用PSCAD對Yn/Δ型三相變壓器進行了仿真試驗,獲得了變壓器在各種運行狀態(tài)下的大量數(shù)據(jù),仿真系統(tǒng)接線如圖1所示。系統(tǒng)中三相變壓器為Yn,d11接線方式,它的相關(guān)參數(shù)是:(1)容量:100MVA;(2)低壓側(cè)額定電壓:10.5kV;(3)高壓側(cè)額定電壓:220kV;(4)空載電流:1.45%;(5)短路損耗:0.35%;(6)短路電壓:9%~15%。3.2仿真結(jié)果分析由于篇幅所限,表1只列出了比較典型的各判據(jù)判別變壓器差動電流的符合程度和綜合判別結(jié)果,各序號分別代表如下故障:1為空載合閘,2為外部故障切除后電壓恢復(fù),3為過電壓(過勵磁),4為5%匝間短路,5為匝地短路,6為空投于5%匝間短路,7為空投于單相接地故障,8為空投于相間短路。從仿真試驗的結(jié)果可知,本文所介紹的方法不但可以準確地判斷出匝間短路等輕微故障,而且對于一些特殊情況下的勵磁涌流也能準確的判別,如:試驗1在剩磁為0.9Bm時,發(fā)生了對稱性涌流,其間斷角小于30°,而且其二次諧波含量小于15%,因此如果單獨使用二次諧波含量或者基于間斷角特征的判據(jù)則很可能會發(fā)生誤判;對于試驗2,外部故障切除電壓恢復(fù)時,勵磁涌流波形間斷的特征消失,如果只采用波形間斷角特征的判據(jù)則必然會出現(xiàn)誤判。大量實驗數(shù)據(jù)分析表明,當變壓器差動保護在勵磁涌流情況下時,本文提出的方法能可靠閉鎖差動保護,而當變壓器空投到內(nèi)部故障和匝間故障時,該方法能保證快速地開放差動保護,并且克服了其他制動原理在某些工況下的誤判和延時動作問題?？梢?本文所介紹的方法可使識別變壓器故障的可靠性大為提高。4恢復(fù)性涌流的識別本文基于模糊數(shù)學理論,將信息檢索法應(yīng)用于判別變壓器是否發(fā)生故障。仿真試驗結(jié)果表明:1)利用模糊理論識別勵磁涌流,使多種判據(jù)做到優(yōu)勢互補,算法可靠性高;2)利用信息檢索法,不僅能識別涌流,還可以比較明確地區(qū)分出是屬于何種工況,更有利于對涌流進行