专利名称：基于四点算法和比相原理的变压器内外部故障识别技术的制作方法
技术领域：
本发明涉及电力系统微机继电保护领域，尤其涉及识别变压器区内外故障的方法。
背景技术：
变压器是电力系统中重要的电气设备之一，随着超高压远距离输电系统越来越多地投入运行，大容量变压器日益增多，对变压器保护的可靠性和快速性提出了更高的要求。传统的变压器保护采用电流差动原理，其在实际运行中也发挥了重要的作用。但由于电流差动保护对于通过磁路耦合的双绕组或多绕组变压器在原理上存在缺陷(即对于非纯电路，基尔霍夫电流定律并不适用)，导致在变压器空载合闸或外部故障切除后电压恢复过程中产生励磁涌流时，差动保护误动；另外，由于变压器各侧额定电压和额定电流的不一致，使得变压器各侧的CT在结构形式和传变特性等方面均存在较大的差异，难免会带来一定的负面影响。一方面在正常运行情况下差动回路中的不平衡电流较大，另一方面在变压器外部故障情况下由于某侧CT饱和而产生大量的不平衡电流时，有可能影响变压器差动保护的正确动作行为。现有的变压器差动保护利用比率制动特性来避免由于某侧CT饱和而可能引起的误动，但如何合理地整定各段折线的拐点和斜率，尚缺乏很好的理论依据，经验值占有很大的成份。
改善现有变压器差动保护的性能和探索基于新原理的变压器主保护方案已成为当前的迫切需要。
发明内容
本发明主要用于解决变压器区内外故障的识别问题。对于变压器角型接线一侧，通过引入角-星变换，将变压器角型侧的线电流转换为等效的(不含零序分量)绕组电流，变压器星型侧扣除相应的零序电流分量。分析经上述变换后变压器各侧的电流向量(以双绕组变压器为例，规定电流的正方向为一进一出)，当变压器正常运行和发生区外故障时，两侧电流向量的相位相差0°，这是十分明确的，与区外故障形式无关；而当变压器发生区内故障时，如果是油箱外部故障，例如套管和引出线上发生相间或接地故障，则两侧电流向量相位相差近似为180°，如果是油箱内部故障，例如绕组的接地短路或匝间、匝地故障等，则两侧电流向量的相位差与内部故障的形式、位置和严重程度等因素有关，其值大多位于[90°，270°]。本发明是利用经变换后各侧故障电流分量在变压器区外故障时相位差具有明确的0°这一特点，构成了一种可以有效区分变压器内外部故障的方法。
图1显示了仿真系统结构图；图2显示了变压器Yn/D-1接线方式；图3显示了变压器角型侧ab相间短路情况下的相量图，其中(a)为星型侧线电流；(b)为角型侧绕组电流；(c)为角型侧线电流。
具体实施例方式
首先描述本发明的理论基础。
图2给出变压器Yn/D-1接线方式，各电流的正方向如图所示，其中I&α，I&β，I&γ表示变压器角型侧与abc三相对应的绕组电流。假设变压器的变比为1，即有nT=UABUab=3UAUa=3WYWΔ=1----(1)]]>从而有WYWΔ=13----(2)]]>WY，WΔ分别表示变压器星型侧和角型侧的绕组匝数。假设变压器角型侧发生ab两相短路，分析此时故障电流的分布情况。根据电力系统故障分析课程中的相关知识，不难得到变压器角型侧的线电流如下 变压器角型侧发生ab两相短路，无零序分量，得到角型侧绕组电流为 从而可以进一步得到变压器星型侧的线电流如下 图3给出了在此种故障情况下，变压器星型侧的线电流和角型侧的线电流和绕组电流的相量图。
由图3可见，变压器星型侧的线电流与角型侧对应相的绕组电流保持同相位。
其余故障类型具有类似的特征，在此不再赘述。
现以双绕组变压器为例详述本发明保护启动判据动作后，利用经变换后(变压器角型侧的线电流转换为等效的(不含零序分量)绕组电流，变压器星型侧扣除相应的零序电流分量)变压器两侧三相电流的采样值，按照ik-ik-N计算出各自的故障电流分量(其中k表示第k个采样点，N表示一周波的采样点数)，并求取故障电流分量的相位。构造判据如下·算式
如果至少有两个成立，则判为外部故障·算式如果至少有两个成立，则判为内部故障Arg(ΔI&1A/ΔI&2A)表示变压器原副边的A相故障电流分量的相位差，其余类推。δ是为提高判别的可靠性而设置的一个冗余角度，可整定为60°。
为提高保护的动作速度，在该项技术方案中还设计了四点算法，具体方法如下设待求向量为Y&，连续4点的采样值可以表示如下 其中a，b，Y，θ为未知量，Ts表示一个采样间隔(单位是秒)，ω表示角频率(单位是弧度/秒)。通过引入at+b表达式可以完全滤除信号中的直流分量，并最大限度地抑制衰减直流分量的影响。对(1)式进行化简，并令Ysin(wTs+θ)＝M，Ycos(wTs+θ)＝N，则可以得到 定义系数K，J分别为 由(2)式可得
从而可有tg(wTs+θ)=MN----(5)]]>同理对于未知向量X&，连续4点的采样值表示如下 令Xsin(wTs+η)＝M′，Xcos(wTs+η)＝N′，采用同样的方法可以求得 从而可有tg(wTs+η)=M′N′----(8)]]>由(5)，(8)式可得tg(θ-η)=MN′-M′NMM′+NN′----(9)]]>考虑到正切曲线的性质，0°与180°附近具有相同的值，补充判据ifMN′-M′NMM′+NN′≈0]]>and MM′+NN′＜0，thenθ-η≈180°；ifMN′-M′NMM′+NN′≈0]]>and MM′+NN′＞0，thenθ-η≈0°配合前述区外故障的识别判据，取δ为60°，则有
ifMN′-M′NMM′+NN′∈[-1.732,1.732]]]>and MM′+NN′＞0，thenθ-η∈[-60°，60°]本发明能够快速有效地区分变压器内外部故障，即使对于变压器绕组内部的匝间故障也具有一定的识别能力。另外，在该项技术方案中首次提出并采用了四点算法，使得保护的动作速度大为提高，理论上最快动作速度可以达到2ms(对于40点采样)，较传统的傅氏算法(20ms)在动作速度上提高了一个数量级。为保证可靠性，可在一定的数据窗长内应用四点算法重复计算，并采用N取M的方案(即在N次计算结果中，是否有M次及以上满足给定条件)以提高识别的可靠性。采用该项技术能够在故障后四分之一周波内动作出口，因而不受TA饱和的影响(母差保护中TA饱和一般发生在四分之一周波之后，在变压器差动保护中TA饱和没有母差保护严重，故障后的四分之一周波内TA可以保证线性传变)，这也是该方案较传统变压器差动保护的优势所在。另外，对于变压器端口发生的严重故障应用该技术可以准确识别，并快速动作出口，进一步提高了变压器保护装置的性能。本发明还具有不需要设置定值的优势。
下面描述本发明的仿真计算结果为验证该项技术的有效性和可靠性，在华北电力大学(北京)智能保护与控制部级重点实验室进行了有关变压器的仿真实验，实验平台是加拿大魁北克TEQSIM公司生产的HYBRISIM(Hybrid Simulator)，即电力系统数字/模拟混合实时仿真系统，其中发电机、无穷大电源、动态负荷等元件采用数字模型；而输电线、变压器、电抗器、补偿电容器等均为物理模型。需要特别说明的是其中变压器模型采用的是物理元件，可以进行变压器的内外部故障实验、空载合闸的励磁涌流实验以及变压器绕组内部的匝间匝地短路实验等，可以真实反映出实际变压器在上述条件下的物理现象，其实验结果与物理动模实验的结果是极为接近的，可以有效验证保护算法的性能。构建的仿真系统结构如图1所示，其中变压器采用Yn/D-1的接线形式。
1.变压器区外故障在仿真系统接线图中的F1点模拟各类短路故障，表1给出了在不同区外故障情况下应用傅氏算法和四点算法的计算结果。
表1在变压器发生区外故障情况下的傅氏算法与四点算法的计算结果 由表1可以看出，对于变压器区外故障，转换后的变压器两侧三相故障电流分量的相位差接近0°，应用四点算法可以快速准确的识别。需要特别注意的是，当变压器星型侧发生两相相间短路时，无零序分量，非故障相的故障电流分量很小，近似为0，所计算出的相位差误差很大，没有参考价值。表中Arg_Ia，Arg_Ib，Arg_Ic分别表示a，b，c三相故障电流分量的相位差，单位为“度”。
2.变压器区内故障2.1变压器星型侧区内故障在仿真系统接线图中的F2点模拟不同短路故障，表2给出了在不同区外故障情况下应用傅氏算法和四点算法的计算结果。
表2在变压器星型侧发生区内故障情况下的傅氏算法与四点算法的计算结果
由表2可以看出，对于变压器星型侧区内故障，转换后的变压器两侧三相故障电流分量的相位差接近180°，应用四点算法也可以快速准确的识别。同样，需要说明的是，当变压器星型侧发生两相相间短路时，由于非故障相的故障电流分量很小，计算得到的相位差误差很大，没有参考价值。
2.2变压器角型侧区内故障在仿真系统接线图中的F3点模拟不同短路故障，表3给出了在不同区内故障情况下应用傅氏算法和四点算法的计算结果。
表3在变压器角型侧发生区内故障情况下的傅氏算法与四点算法的计算结果
由表3可以看出，对于变压器角型侧区内故障，转换后的变压器两侧三相故障电流分量的相位差接近180°，应用四点算法可以快速准确的识别。
2.3变压器星型侧绕组内部故障表4在变压器星型侧绕组内部发生故障情况下的傅氏算法与四点算法的计算结果 根据表4数据，对于星型侧绕组内部故障，应用四点算法不能准确识别，易判为区外故障，但等待数据窗长度满一周波后应用傅氏算法仍可以正确识别，保护性能不会因此受到影响。
2.4变压器角型侧绕组内部故障表5在变压器角型侧绕组内部发生故障情况下的傅氏算法与四点算法的计算结果
由表5数据可见对于角型侧绕组内部故障，应用四点算法可以正确识别。
综合上述，本发明设计并采用四点算法来计算未知相量的幅值和相位，该方法可以完全滤除信号中的直流分量，并能最大限度地抑制衰减非周期分量对计算结果的影响。该方法可以简单准确快速地计算出待求相量之间的相位差，适用于任意基于比相原理的保护方案，由于其在理论上仅需要4个点的采样数据，具有高速性，因而不受TA饱和影响也是该方法的一大优势。
权利要求
1.一种用于识别变压器区内外故障的方法，其特征在于对于变压器角型接线一侧，通过引入角—星变换，将变压器角型侧的线电流转换为等效的(不含零序分量)绕组电流，变压器星型侧扣除相应的零序电流分量；分析经上述变换后变压器各侧电流的故障分量；利用两侧电流故障分量的相位差对变压器区内外故障进行识别。
2.如权利要求1的方法，其中利用经变换后变压器两侧三相电流的采样值，按照ik-ik-N计算出各自的电流故障分量，并求取电流故障分量的相位差。
3.如权利要求1或2的方法，其中利用两侧电流向量的相位差对变压器区内外故障进行识别包括●算式 如果至少有两个成立，则判为外部故障●算式 如果至少有两个成立，则判为内部故障其中上述算式可按3取2的方式进行，即三个条件中有两个满足，就进行判定；Arg(ΔI1A&/ΔI2A&)表示变压器原副边的A相故障电流分量的相位差，其余类推；δ是为判别而设置的一个冗余角度，可整定为60°。
4.如上述任一权利要求的方法，其中计算电流相量的幅值和相位采用四点算法。
全文摘要
本发明涉及一种识别变压器区内外故障的方法。对于变压器角型接线一侧，通过引入角—星变换，将变压器角型侧的线电流转换为等效的(不含零序分量)绕组电流，变压器星型侧扣除相应的零序电流分量，通过分析经上述变换后变压器各侧电流的故障分量，利用两侧电流故障分量的相位差对变压器区内外故障进行识别。该方法可以简单准确快速地计算出待求相量之间的相位差，适用于任意基于比相原理的保护方案，由于其在理论上采用四点算法，仅需要4个点的采样数据，具有高速性，因而不受TA饱和影响。
文档编号G01R31/02GK1560644SQ20041003915
公开日2005年1月5日 申请日期2004年2月16日 优先权日2004年2月16日
发明者郑涛, 刘万顺, 刘建飞, 焦邵华, 肖仕武, 郑 涛 申请人:华北电力大学(北京)