专利名称：基于虚拟磁通－差动电流特性的变压器差动保护方法
技术领域：
本发明涉及一种变压器差动保护方法，该方法依据变压器的虚拟磁通-差动电流曲线的中心对称性好坏判别励磁涌流和内部故障，属变压器继电保护技术领域。
背景技术：
在变压器继电保护领域，主保护通常采用差动保护，差动保护是基于比较变压器各侧电流的幅值及相位，应用基尔霍夫电流定律的原理实现的，而变压器两侧差动电流指一次侧电流与折合后的二次侧电流之差，正常运行的变压器差动电流为零，而励磁涌流与内部故障电流都对应了较大的差动电流。这就需要迅速而准确地区分励磁涌流和内部故障，使得发生内部故障时保护灵敏动作，而出现励磁涌流时保护能够可靠制动。
根据文献《电气主设备继电保护原理与应用》及《几种变压器励磁涌流判别方法的特点及其内在联系的分析》的相关内容，识别励磁涌流与内部故障的方法中，多数方案根据波形(电压或电流)特征进行识别，如二次谐波制动原理、间断角原理、波形相关性分析、波形拟合法等等，其中二次谐波制动原理实际应用最为广泛。另外一些方案综合分析变压器参数与波形信息，主要包括磁通特性识别原理、等值电路原理等等。
从实践经验来看各种方案仍有很多问题有待解决，就磁通特性原理而言，虽然从变压器主磁通的特征可以从根本上区分励磁涌流和内部故障，但往往会在准确获得变压器漏电感等关键参数上遇到困难，特别是内部故障情况下变压器漏磁场仍需要进行深入研究，因此实际应用受到一定局限。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于虚拟磁通——差动电流特性的差动保护的保护方案，此方法只需要监测变压器一次侧电压和两侧的电流，与磁通特性方案相比无需变压器内部参数，对硬件采样频率要求不高，反应迅速，且制动门槛有较大的裕度；由于实际主磁通计算需要精确的变压器内部参数，因而难以实现；本发明提出了虚拟磁通的概念，即将漏磁通一并折合为固定绕组匝数的主磁通之后得到的磁通计算量，包含虚拟磁通的一次侧的支路电压方程如下u=Ri+WdΦvdt]]>其中u，i分别为该侧的端电压和电流；R为总电阻；W为该侧绕组的匝数；Φv为虚拟磁通Φv=1W∫(u-Ri)dt≈1W∫udt≈1W∫U1msin(ωt+α)dt=-U1mWωcos(ωt+α)]]>其中U1m为相电压的幅值，ω为工频角速度，α为相电压初相角；因此虚拟磁通近似于端电压的积分，而无需进行准确的变压器内部故障建模，比较适合继电保护的实际需求；区分励磁涌流和内部故障的判据则从虚拟磁通-差动电流曲线的中心对称性中提取，在内部故障情况下，由于短路差动电流暂态分量很小，可以近似用正弦形式表示短路差动电流，并结合前面分析，得 其中β为将短路差动电流近似认为正弦形所对应的初相角；对应的Φv～id曲线形状近似椭圆，中心对称性好；而励磁涌流波形畸变严重，因此对应的曲线中心对称性较差。根据虚拟磁通-差动电流曲线的中心对称性可以整定出制动的判据，定义不对称度Esym反映图形的中心对称性的好坏并用于励磁涌流和内部故障的判别；本发明的保护方案的特征在于它依次含有以下步骤1)设定以下参数及公式并存入计算机差动电流的动作阈值，差动电流是指变压器一次侧电流与把二次侧电流折合到一次侧以后的电流这两者之间的差值，动作阈值是指所述保护制动动作启动时的差动电流值；不对称度即Esym的制动阈值即ke，ke是指在差动电流过动作阈值后的第1.5到2.0个周期即决策时间内测得的第1个周期内变压器三相中任何一相的Esym平均值的阈值，当某相的Esym平均值大于ke时，计算机便判定为励磁涌流，输出保护制动的控制信号；否则便判定为内部故障，输出动作的控制信号Esym=k1(x0′-x0Dx)2+k2(y0′-y0Dy)2]]>其中x是差动电流的瞬时值，y是虚拟磁通的瞬时值；x0＝(xt+xt+T/2)/2，x0是指根据差动电流对时间t的曲线，在差动电流于t时刻过动作阈值后的第一个周期内，t和t+T/2时刻两个差动电流的平均值，T为工频周期，下同；y0＝(yt+yt+T/2)/2，y0是指根据虚拟磁通对时间t的曲线，在差动电流于t时刻过动作阈值后的第一个周期内，t和t+T/2时刻两个虚拟磁通的平均值；同理，x′0＝(xt+T/4+xt+3T/4)/2；y′0＝(yt+T/4+yt+3T/4)/2；Dx＝Max(|xt-xt+T/2|，|xt+T/4-xt+3T/4|)；Dy＝Max(|yt-yt+T/2|，|yt+T/4-yt+3T/4|)；k1，k2是根据经验对Esym的制动阈值进行调节时用的权重系数，应用中通常k1，k2各取值于区间
，应满足k1+k2＝2.0；上述虚拟磁通用Φv表示，其近似表达式为Φv≈-U1mWωcos(ωt+α)]]>U1m为相电压的幅值，W为一次侧绕组的匝数，ω为工频角速度，α为相电压初相角；上述差动电流用id表示，励磁涌流的差动电流非线性很强，而在发生内部故障时其近似表达式为id≈Idmsin(ωt+β)；Idm为差动电流幅值，β为初相角，采样频率为fs；2)本发明所述方法在计算机控制下依次按以下步骤进行2.1)计算机按采样频率分别通过三个电压互感器和与其串接的A/D转换器持续监测变压器一次侧的三相电压，同时分别通过三个电流互感器和与其相串的A/D转换器持续监测变压器一次侧的三相电流，还同时分别通过另外三个电流互感器和与其相串的A/D转换器持续监测变压器二次侧的三相电流，当差动电流达到动作阈值时，记录时刻t，并执行以下步骤；2.2)在差动电流过动作阈值后的第1.5倍工频周期内，按频率fs逐点计算该点所对应的Φv和id，并存入内存；2.3)在接下来的半个工频周期即1.5～2.0倍工频周期内按fs逐点计算Φv和id并存入内存，并计算该点前一个周期内的Esym值，这段时间之后在各相分别对所有采样点的Esym值取平均值；2.4)把上述三个各相平均Esym值分别与ke作比较，只要有一个值大于或等于ke，计算机判定为励磁涌流；否则，判定为内部故障，随后根据判定的结果发出相应的控制信号；本发明的制动方案相比磁通特性方案由于不需精确的漏感等参数，容易实现，方案所使用判别的特征量为不对称度Esym平均值，而目前最通用的二次谐波制动方案所使用的特征量为差动电流中二次谐波分量与基波分量的比值Id2/Id1。大量实验证明本方案的区分效果能够达到二次谐波之制动方案的水平，如对某一励磁涌流数据，本方案计算得到的三相Esym平均值分别为0.44，1.10，0.49，事后采用二次谐波制动方案原理计算的三相Id2/Id1为0.57，0.66，0.50；而对于某一A相匝间短路数据，本方案计算得到的三相Esym平均值分别为1.9e-4，1.1e-3，2.7e-3，事后采用二次谐波制动方案原理计算的三相Id2/Id1为1.7e-3，5.8e-3，6.0e-3。可见在内部故障特性识别上本方案的效果在一定程度上甚至优于二次谐波制动方案。
图1为不对称度一种定义方法的原理图。
图2为本发明保护方案的程序流程图。
图3为本发明保护方案硬件框图。
图4为典型无载三相励磁涌流的三相差动电流波形。
图5为此无载涌流情况下的三相虚拟磁通波形。
图6为此无载涌流情况下差流过动作阈值后两工频周期内的虚拟磁通-差动电流曲线。
图7为变压器运行中发生内部故障的典型三相差动电流波形。
图8为此内部故障情况下的三相虚拟磁通波形。
图9为此内部故障情况下差流过动作阈值后两工频周期内的虚拟磁通-差动电流曲线。
具体实施例方式
如果图4为监控所得的差动电流波形(三相无载涌流，Y0/Y0接法的三相三柱式实验变压器)，保护制动实施步骤如下1.以采样频率fs持续监测差动电流，无载涌流发生以后，差动电流超过了动作阈值，保护方案启动；2.在差流过阈值之后的为1.5倍工频周期内(数据准备时间t0)，按频率fs逐点计算该点所对应的三相差动电流和虚拟磁通(如图5)，存储备用；3.步骤2完成后的半个工频周期内(Esym计算时间t1内)，按频率fs继续逐点计算该点所对应的三相差动电流和虚拟磁通，并计算该点之前的一个工频周期内的Esym值，再将Esym计算时间内各相所有采样点对应的Esym值取平均值，计算所得三相各Esym平均值分别为0.51、0.71和0.47；差流过动作阈值后两工频周期内的虚拟磁通-差动电流曲线如图6所示；
4.将以上三个值分别与选定的制动阈值0.2比较，均大于制动阈值，因此三相判定结果均为“涌流”，取“或”以后，最终输出保护制动的控制信号；5.返回步骤1，循环本算法；而对于图7所示的差动电流波形(运行中A相0～10％匝间短路，Y0/Y0接法的三相三柱式实验变压器)，保护动作的实施步骤如下1.以采样频率fs持续监测差动电流，发生内部故障发生以后，差动电流超过了动作阈值，保护方案启动；2.在差流过阈值之后的为1.5倍工频周期内(数据准备时间t0)，按频率fs逐点计算该点所对应的三相差动电流和虚拟磁通(如图8)，存储备用；3.步骤2完成后的半个工频周期内(Esym计算时间t1)，按频率fs继续逐点计算该点所对应的三相差动电流和虚拟磁通，并计算该点之前的一个工频周期内的Esym值，再将Esym计算时间内各相所有采样点对应的Esym值取平均值，计算所得三相各Esym平均值分别为2.9e-05、1.4e-4和2.4e-4；差动电流过动作阈值后两工频周期内的虚拟磁通-差动电流曲线如图9所示；4.将以上三个值分别与选定的制动阈值0.2比较，均小于制动阈值，因此三相判定结果均为“故障”，取“或”以后，最终输出保护动作的控制信号；5.返回步骤1，循环本算法；则得到的三相各Esym平均值，都远远小于制动阈值，三相判定结果都为“故障”，因此最终输出保护动作的控制信号。
权利要求
1.基于虚拟磁通-差动电流特性的变压器差动保护制动方法，其特征在于它依次含有以下步骤1)设定以下参数及公式并存入计算机差动电流的动作阈值，差动电流是指变压器一次侧电流与把二次侧电流折合到一次侧以后的电流这两者之间的差值，动作阈值是指所述保护制动动作启动时的差动电流值；不对称度即Esym的制动阈值即ke，ke是指在差动电流过动作阈值后的第1.5到2.0个周期即决策时间内测得的第1个周期内变压器三相中任何一相的Esym平均值的阈值，当某相的Esym平均值大于ke时，计算机便判定为励磁涌流，输出保护制动的控制信号；否则便判定为内部故障，输出动作的控制信号Esym=k1(x0′-x0Dx)2+k2(y0′-y0Dy)2]]>其中x是差动电流的瞬时值，y是虚拟磁通的瞬时值；x0＝(xt+xt+T/2)/2，x0是指根据差动电流对时间t的曲线，在差动电流于t时刻过动作阈值后的第一个周期内，t和t+T/2时刻两个差动电流的平均值，T为工频周期，下同；y0＝(yt+yt+T/2)/2，y0是指根据虚拟磁通对时间t的曲线，在差动电流于t时刻过动作阈值后的第一个周期内，t和t+T/2时刻两个虚拟磁通的平均值；同理，x0′＝(xt+T/4+xt+3T/4)/2；y0′＝(yt+T/4+yt+3T/4)/2；Dx＝Max(|xt-xt+T/2|，|xt+T/4-xt+3T/4|)；Dy＝Max(|yt-yt+T/2|，|yt+T/4-yt+3T/4|)；k1，k2是根据经验对Esym的制动阈值进行调节时用的权重系数，应用中通常k1，k2各取值于区间
，应满足k1+k2＝2.0；上述虚拟磁通用Φv表示，其近似表达式为Φv≈-U1mWωcos(ωt+α)]]>U1m为相电压的幅值，W为一次侧绕组的匝数，ω为工频角速度，α为相电压初相角；上述差动电流用id表示，励磁涌流的差动电流非线性很强，而在发生内部故障时其近似表达式为id≈Idmsin(ωt+β)；Idm为差动电流幅值，β为初相角，采样频率为fs；2)本发明所述方法在计算机控制下依次按以下步骤进行2.1)计算机按采样频率分别通过三个电压互感器和与其串接的A/D转换器持续监测变压器一次侧的三相电压，同时分别通过三个电流互感器和与其相串的A/D转换器持续监测变压器一次侧的三相电流，还同时分别通过另外三个电流互感器和与其相串的A/D转换器持续监测变压器二次侧的三相电流，当差动电流达到动作阈值时，记录时刻t，并执行以下步骤；2.2)在差动电流过动作阈值后的第1.5倍工频周期内，按频率fs逐点计算该点所对应的Φv和id，并存入内存；2.3)在接下来的半个工频周期即1.5～2.0倍工频周期内按fs逐点计算Φv和id并存入内存，并计算该点前一个周期内的Esym值，这段时间之后在各相分别对所有采样点的Esym值取平均值；2.4)把上述三个各相平均Esym值分别与ke作比较，只要有一个值大于或等于ke，计算机判定为励磁涌流；否则，判定为内部故障，随后根据判定的结果发出相应的控制信号；
全文摘要
基于虚拟磁通－差动电流特性的变压器差动保护方法属于变压器继电保护技术领域，其特征在于它提出了虚拟磁通的概念，即把漏磁通一并折合到一次侧成为一个固定绕组匝数的主磁通，再根据内部故障的虚拟磁通－差动电流曲线形状近似椭圆，中心对称性好的特点，同时定义一个不对称度来反映图形的中心对称性的好坏，以便在计算机控制下当差动电流过动作阈值后，用前两个工频周期内若干连续采样点的不对称度的平均值与一个预定的制动阈值相比较，只要任何一相的不对称度平均值大于或等于制动阈值，判定为励磁涌流，反之则判定为内部故障，计算机据此发出相应的控制指令，它具有简单、方便而且灵活性大等优点。
文档编号H02H7/045GK1571230SQ200410009088
公开日2005年1月26日 申请日期2004年5月14日 优先权日2004年5月14日
发明者李富强, 刘秀成, 王赞基, 李东霞, 唐起超 申请人:清华大学