基于小波能量熵的换流变压器差动保护故障判断方法与流程

本发明涉及换流变压器差动保护技术领域，具体为一种基于小波能量熵的换流变压器差动保护故障判断方法。

背景技术

换流变压器(以下简称换流变)是电力系统中重要的设备之一，一旦发生故障将会引发严重的经济损失。目前，换流变差动保护是实际工程应用中常用的保护方式，保护任何的误动或者拒动都将造成设备严重的损害，甚至导致系统出现不稳定的现象。

与传统变压器相比，换流变压器所处环境谐波分量成分更为复杂。有研究表明，由于直流系统的非线性特性，使得励磁涌流或者直流偏磁现象发生时，二次谐波分量所占比例缩小，但是幅值高，衰减缓慢。因此，若换流变区内故障发生于换流变空载合闸或者直流偏磁期间，传统纵差保护会因谐波分量而长时间闭锁，保护拒动，进而造成设备严重损坏。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种能够保证换流变区内故障时准确动作，提高了传统纵差保护的可靠性的基于小波能量熵的换流变压器差动保护故障判断方法。技术方案如下：

一种基于小波能量熵的换流变压器差动保护故障判断方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：数据采集与预处理：

故障录波装置从换流变两侧出口端以采样频率fs采集一二次侧a、b、c三相的信号iak(t)、ibk(t)、ick(t)传送至继电器，其中k＝1表示换流变一次侧电气量，k＝2表示换流变2次侧电气量；t表示采样时刻；

步骤2：故障分量求解：

实时计算两侧电流相量差值，若两侧电流相量差值大于0，则计算换流变一二次侧a、b、c三相电流故障分量ifpk：

ifpk＝ipk(tf)-ipk(tf-△t)(1)

其中p＝a,b,c，分别表示a,b,c三相；tf对应故障时刻，△t为采样间隔时刻；

步骤3：提取小波高频系数：

将所述电流故障分量进行小波变换，提取对应高频系数：

dpk(j,i)＝<ψj,i|ifpk>＝∫ifpk(t)·ψj,idt(2)

其中ψj,i为母小波；

步骤4：计算小波能量熵：

根据所述小波高频系数，计算各尺度下高频能量：

epk_j＝dpk(j,k)²(3)

根据式(3)计算特定时间窗内能量总和：

根据式(3)及式(4)，计算特定时间窗内各尺度能量与总能量之比：

根据式(5)，计算信号能量熵为：

即得到一二次侧三相电流故障分量能量熵：weea1、weea2、weeb1、weeb2、weec1、weec2；

步骤5：进行保护故障判断：

根据一二次侧三相电流故障分量能量熵weea1，weea2，weeb1,weeb2,weec1,weec2计算一二次侧能量熵比值：

取a,b,c三相能量熵比值中的最大值记为rwee＝max(rweea,rweeb,rweec)，取故障后10ms内的数据计算rwee，记为max{rwee}；判据标准为：

其中，ε为预定的能量熵比值阈值。

进一步的，所述步骤5中，还包括根据换流变一二次侧故障分量能量熵比值判断故障位置：当区内故障发生时，一次侧故障分量电流方向发生相对变化，二次侧故障分量电流方向不变，两侧故障分量能量熵出现明显差异；区外故障，或者仅发生励磁涌流，或出现直流偏磁等其他干扰现象时，两侧故障分量电流方向保持不变，两侧故障分量能量熵近似相等。

本发明的有益效果是：本发明利用换流变一二次侧电流故障分量小波能量熵区内外故障下的差异性构建保护判据，能够保证换流变区内故障时准确动作，提高了传统纵差保护的可靠性；1)保证了系统在正常运行情况下，保护不误动；2)当系统仅发生励磁涌流或出现直流偏磁现象时，保护不误动；3)区内故障时，保护可靠动作；与传统纵差保护相比，其优势在于：1)区内故障发生于换流变空载合闸情况下，保护可靠动作；2)区内故障发生于直流偏磁现象时，保护可靠动作；3)电流传感器(ct)饱和时，保护不误动。

附图说明

附图1为本发明基于小波能量熵的换流变压器差动保护故障判断方法流程图。

附图2为仿真算例运用的系统模型图。

图3为区内故障a相时，一二次侧三相故障分量小波能量熵示意图。

图4为区内a相故障于换流变空载合闸时两侧a相小波能量熵结果示意图。

图5为区内a相故障于直流偏磁现象时两侧a相小波能量熵结果示意图。

图6为ct饱和时两侧a相小波能量熵示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。图1为本实施例基于小波能量熵的换流变压器差动保护故障判断方法流程图，具体步骤如下：

步骤1：数据采集与预处理：

故障录波装置从换流变两侧出口端以采样频率fs采集一二次侧a、b、c三相的信号iak(t)、ibk(t)、ick(t)传送至继电器，其中k＝1表示换流变一次侧电气量，k＝2表示换流变2次侧电气量；t表示采样时刻。

步骤2：故障分量求解：

根据步骤1中所得电气量，实时计算两侧电流相量差值，若两侧电流相量差值大于0，则计算换流变一二次侧a、b、c三相电流故障分量ifpk：

ifpk＝ipk(tf)-ipk(tf-△t)(9)

其中p＝a,b,c，分别表示a,b,c三相；tf对应故障时刻，△t为采样间隔时刻。

步骤3：提取小波高频系数：

将所述电流故障分量进行小波变换，提取对应高频系数：

dpk(j,i)＝<ψj,i|ifpk>＝∫ifpk(t)·ψj,idt(10)

其中ψj,i为母小波。

步骤4：计算小波能量熵：

根据所述小波高频系数，计算各尺度下高频能量：

epk_j＝dpk(j,k)²(11)

根据式(3)计算特定时间窗内能量总和：

根据式(3)及式(4)，计算特定时间窗内各尺度能量与总能量之比：

根据式(5)，计算信号能量熵为：

即得到一二次侧三相电流故障分量能量熵：weea1、weea2、weeb1、weeb2、weec1、weec2。

步骤5：进行保护故障判断：

根据一二次侧三相电流故障分量能量熵weea1，weea2，weeb1,weeb2,weec1,weec2计算一二次侧能量熵比值：

取a,b,c三相能量熵比值中的最大值记为rwee＝max(rweea,rweeb,rweec)，取故障后10ms内

的数据计算rwee，记为max{rwee}；判据标准为：

其中，ε为预定的能量熵比值阈值。

还可根据换流变一二次侧故障分量能量熵比值判断故障位置：当区内故障发生时，一次侧故障分量电流方向发生相对变化，二次侧故障分量电流方向不变，两侧故障分量能量熵出现明显差异；区外故障，或者仅发生励磁涌流，或出现直流偏磁等其他干扰现象时，两侧故障分量电流方向保持不变，两侧故障分量能量熵近似相等。

仿真实验

为验证基于小波能量熵的换流变压器差动保护新判据的可行性，基于pscad/emtdc，文章参照云广±800kv特高压直流输电工程的实际参数搭建了交直流混联输电系统模型，如附图2所示。正常运行时，系统整流侧采用定电流控制，并包含低压限流(voltagedependentcurrentorderlimit,vdcol)环节。交流侧采用定熄弧角控制。模型中所有控制采用pi控制器。

图3为区内故障a相时，一二次侧三相故障分量小波能量熵示意图。从图中可以看出，区内a相故障时，两侧a相小波能量熵差异明显，而两侧b、c两相小波能量熵近似相等。表1给出了区内外故障时三相小波能量熵比值。从表中也可看出区内外故障时，保护判据皆可靠动作。

表1区内外故障两侧小波能量熵比值结果

图4给出了区内a相故障于换流变空载合闸时两侧a相小波能量熵结果示意图。此时最大小波熵比值为147.2172，保护准确可靠动作。

图5给出了区内a相故障于直流偏磁现象时两侧a相小波能量熵结果示意图。此时最大小波熵比值为158.8241，保护准确可靠动作。

图6给出了ct饱和时两侧a相小波能量熵示意图，从图中可看出，新判据不受ct饱和的影响。