一种基于压力特征的变压器数字式自适应保护装置及方法与流程

本发明属于电力系统领域，涉及一种基于压力特征的变压器数字式自适应保护装置及方法，用于可靠、快速、灵敏甄别油浸式电力变压器油箱内部故障。

背景技术：

电力变压器作为电能传输的重要元件，一旦发生故障将会对电力系统供电可靠性和运行稳定性带来严重影响。尤其是安装于系统枢纽位置的大型电力变压器，因其电压等级高、容量大、结构复杂、造价高昂，由于故障而损坏势必造成巨大的经济损失。因此，必须根据变压器的容量和重要程度装设性能良好、工作可靠的继电保护装置。

继电保护技术的发展有赖于对故障特征的认识，一般认为变压器内部故障主要有三个特征，一是相电流增加，二是差电流增加，三是故障气体形成。对应前两种电气量特征，广泛应用的保护措施包括过电流保护和电流差动保护，而后者是目前变压器内部短路故障的主要保护方式之一。然而，变压器电流差动保护在原理上主要存在两方面缺陷：其一，变压器空载合闸时励磁回路存在的励磁涌流将可能导致差动保护误动发生；其二，在面对单匝或小匝数短路等弱故障时，差动保护可能因灵敏度不足而发生拒动作。鉴于此，早在上世纪20年代学者们便发明了变压器瓦斯保护以弥补电气量保护的不足。相较于电气量保护，反应于故障气体产生的非电量保护更为全面、直接反应保护对象的运行状态，且在灵敏度等方面独具优势。传统机械式非电量保护在近百年的使用过程中虽然成功保护了数以万计的油浸式变压器，但由于存在理论建模困难、原理性缺陷、凭经验取门槛值以及机械结构动作性能不足等问题，越来越难以满足当前大容量、高电压等级电力变压器的更高要求。因保护拒动、误动事故引起的系统停电、变压器爆炸事故时有发生，严重影响到电力系统的安全、可靠运行，严重威胁变电站运行人员及周围人民群众生命财产安全。

油浸式电力变压器内部发生严重过热或电弧故障时，液态绝缘油将被瞬间汽化、分解形成具有一定体积的高内能气泡。在故障电能的持续注入下，故障气泡内压也不断升高，同时由于故障点附近液态绝缘油存在膨胀惰性，故障气泡与周围液态绝缘油之间的气液相界面必然产生显著的压力升高，并以压力波的形式在变压器油箱内部传播，导致油箱内部油压的整体骤升。此外，由于变压器油箱并非压力容器，箱体往往在内部压力波冲击下发生形变、开裂。另一方面，当变压器发生外部短路故障时，故障点位于变压器出口处，对于油箱内部压力的影响仅体现在短路穿越电流引起的绕组振动上。同时，由于绕组的机械应变将消耗大量能量，因此该过程引起的油压变化有限。与外部故障类似，变压器正常运行、励磁涌流均为电流流过绕组产生振动引发油压变化。因此，利用不同运行条件下变压器内部油压特征的差异便可以有效甄别变压器内部故障状态。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于压力特征的变压器数字式自适应保护装置及方法，该方法的应用能够可靠、灵敏、快速识别油浸式电力变压器内部故障，且不受励磁涌流的影响。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种基于压力特征的变压器数字式自适应保护装置，包括：瞬态油压特征量测量模块、开关量输入模块、信号调理与采集模块、数字核心模块；其中，瞬态油压特征量测量模块与信号调理与采集模块相连，信号调理与采集模块和开关量输入模块均与数字核心模块相连；

瞬态油压特征量测量模块用于测量变压器内部不同位置的油压变化特征，并输出与之相对应的模拟电压/电流信号；

信号调理与采集模块用于接收瞬态油压特征量测量模块输出的模拟电压/电流信号，并将其转换为数字核心模块能够识别的标准数字信号，再输出标准数字信号；

开关量输入模块用于采集需要确知的相关开关量信号，并将其输出为高电平1或低电平0，作为数字核心模块的输入数字信号；

数字核心模块用于将接收到的标准数字信号与输入数字信号执行保护运算，完成标准数字信号处理任务，进而实现继电保护功能。

本发明进一步的改进在于，瞬态油压特征量测量模块由若干个高频动态油压传感器及其通信线缆组成；高频动态油压传感器安装在变压器本体上，高频动态油压传感器端部探头与变压器绝缘油相接触，以测量变压器内部不同位置的油压变化特征。

本发明进一步的改进在于，高频动态油压传感器的测量频率为20khz，测量误差小于1％，工作温度为-45～120℃，量程为-0.1～6mpa。

本发明进一步的改进在于，信号调理与采集模块由接线端子、信号调理电路、低通滤波器、信号采样电路以及模数a/d转换电路组成；接线端子与信号调理电路相连，信号调理电路与低通滤波器相连，低通滤波器与信号采样电路相连，信号采样电路与模数a/d转换电路相连；接线端子还与瞬态油压特征量测量模块相连，模数a/d转换电路还与数字核心模块相连。

本发明进一步的改进在于，数字核心模块由总线、中央处理器、定时器/计数器、随机存储器以及控制电路组成；总线包括数据总线、地址总线以及控制总线，实现数据交换和操作控制；中央处理器利用单片微处理器、通用微处理器或数字信号处理器实时实现数字信号处理；定时器/计数器用来提供定时采样触发信号、形成中断、保护延时动作计时；随机存储器用于暂存临时数据，包括信号调理与采集模块输入的数据信息、计算处理过程的中间结果；控制电路通过复杂可编程逻辑器件或现场可编程门阵列实现整个数字电路的连接和协调工作。

本发明进一步的改进在于，还包括与数字核心模块相连的外部通信接口模块、人机对话模块以及开关量输出模块；

外部通信接口模块用以提供与计算机通信网络以及远程通信网的信息通道；

人机对话模块用于建立数字式保护装置与使用者之间的信息联系；

开关量输出模块通过输出的0或1状态来控制执行跳闸回路的通或断。

本发明进一步的改进在于，开关量输出模块由光电隔离器件以及出口继电器组成，光电隔离器件一端与数字核心模块相连，另一端与出口继电器相连；

人机对话模块包括紧凑键盘、显示屏、指示灯、按钮、打印机接口以及调试通信接口。

一种基于上述压力特征的变压器数字式自适应保护装置的保护方法，包括以下步骤：

(1)瞬态油压特征量测量模块测量变压器内部不同位置的油压变化特征，并输出与模拟电压/电流信号，信号调理与采集模块接收瞬态油压特征量测量模块输出的模拟电压/电流信号，并将其转换为数字核心模块能够识别的标准数字信号，再输出标准数字信号；开关量输入模块用于采集需要确知的相关开关量信号，并将其输出为高电平1或低电平0，作为数字核心模块的输入数字信号；数字核心模块接收到的输入数字信号与标准数字信号后比较当前t时刻各测点瞬态油压值pms.i(t)是否达到预设的保护启动门槛值pst来决定基于压力特征的变压器自适应保护是否启动，若式①成立，启动标志置位，进入步骤(2)；

pms.i(t)≥pst①

式①中，pms.i(t)表示t时刻的变压器内部第i个测点的瞬态油压值，其中i为1,2,…,n；pst表示保护启动门槛值；

(2)判断变压器当前是否处于空载合闸状态，若是，则进行步骤(3)，否则，进行步骤(5)；

(3)利用式②计算空载合闸动作压力pop.k；

式②中，tk为空载合闸数据窗长度；

(4)若计算得到的空载合闸动作压力pop.k大于等于预设的空载合闸保护动作门槛值pth.k，即式③成立，则保护动作，跳闸切除故障，整套装置复归，等待人工复位；

pop.k≥pth.k③

在变压器励磁涌流条件下，动作压力pop.k为一个不为0的不平衡量pub.k，小于保护门槛值pth.k；一旦空投于内部短路故障，故障气体生成及压力波传播将导致油箱内部压强骤升，此时pop.k将大于门槛值pth.k；因此，通过判断式③是否成立，决定保护的动作行为；

(5)利用式④计算当前t时刻的动作压力pop.i：

式④中，t为数据窗长度；

(6)比较计算得到的动作压力pop.i与预设的压力保护动作门槛值pth的大小关系，若计算得到的动作压力pop.i大于等于预设的压力保护动作门槛值pth，即式⑤成立，则保护动作，跳闸切除故障，整套装置复归，等待人工复位；

pop.i≥pth⑤。

本发明进一步的改进在于，步骤(1)中，保护启动门槛值pst定义为：

pst＝krelpnm·max⑥

式⑥中，krel为可靠系数，可靠系数krel为1.2；pnm.max为变压器正常运行条件下瞬态油压值的最大值；

步骤(3)中，空载合闸数据窗长度tk与预设的空载合闸动作门槛值整定时选用的数据窗长度相同；空载合闸数据窗长度tk设置为5ms、10ms或者20ms。

本发明进一步的改进在于，步骤(4)中，设定空载合闸动作门槛值pth.k为：

pth.k＝krelpub.kmax⑦

式⑦中：pub.kmax为励磁涌流产生的最大压力波动情况下油箱内部动作压力的不平衡量，将励磁涌流时变压器内部测点所测瞬态油压值带入式②，此时计算得到的pth.k值即为励磁涌流产生的最大压力波动情况下油箱内部动作压力的不平衡量pub.kmax；

步骤(5)中数据窗长度t设置为5ms、10ms或者20ms；

步骤(6)中，定义压力保护动作门槛值pth为：

pth＝krelpub.max⑧

式⑧中：pub.max为外部最严重短路故障情况下油箱内部动作压力的最大不平衡量，将外部最严重短路故障时变压器内部测点所测瞬态油压值带入式④，此时计算得到的pop.i值即为外部最严重短路故障情况下油箱内部动作压力的最大不平衡量pub.max。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：

本发明利用数字式油压信息构成保护以甄别变压器内部故障相较于以往的机械式非电量保护具有以下优势：其一，油箱内部压力特征在电力变压器正常、非正常及内部故障情况下压力产生、变化的机理完全不同。一旦变压器发生内部故障，故障电能的急剧释放产生具有一定体积及内能的故障气泡，气泡不断受热升压将导致油箱内部压力单边骤升。当发生外部短路时，故障点位于变压器外部，对油箱内部压力的影响仅体现在短路穿越电流引起的绕组振动上，此时压力特征呈现幅值有限、正负振荡的特征。其二，压力波在绝缘油中传播速度高达1.26m/ms，对于几何尺寸在10m的大型电力变压器而言，无论何种原因引起的压力特征变化，保护测量装置捕捉到压力变化只需要数个毫秒。因此，选择压力特征构建保护具有足够的快速性。其三，相较于电气量保护在面对单匝或小匝数短路等一些低能量故障发生时表现出灵敏度不足的问题，非电量保护共有的优点在于更高灵敏反应弱故障。从能量转化的角度分析，电气网络故障将伴随着故障电能的转化，而非电气物理量往往是不同形式能量的直接表征，同时本质上具有累积效应。本发明装置能够在不破坏变压器现有结构完整性的前提下实现对油箱内部油压特征信息的实时数字式测量、采集、运算。

进一步的，本发明中采用测量频率为20khz，测量误差小于1％，工作温度为-45～120℃，量程为-0.1～6mpa的高频动态压力传感器，无论从精度还是使用范围都能满足电力变压器内部高温、油污、强电磁环境；高频动态压力传感器独立于电力网络，压力特征的测量和传输所受干扰较小，亦不向电力系统注入谐波；数据采集、处理元件完全能够满足快速、实时处理多通路、高频数据的要求。

进一步的，传统瓦斯继电器只能通过机械弹簧装置感应油流流速大小且只能输出开关量信息，单一流速幅值往往无法正确区分变压器的区内、外故障，从而导致保护误动或者拒动。本发明装置由瞬态油压特征量测量模块、开关量输入模块、信号调理与采集模块、数字核心模块、外部通信接口模块、人机对话模块以及开关量输出模块组成。利用变压器内部故障时油箱内部油压幅值振荡升高，而正常运行、外部短路或励磁涌流条件下油压呈现振幅有限、周期性振荡的特征，计算基于多个测点瞬态油压值的动作压力，通过与保护动作门槛值比较大小来判断变压器所处运行状态。当判定为内部故障时，发出跳闸信号，切除故障变压器，整套保护装置复归。

本发明按照保护原理及功能要求对保护装置监控、故障处理、人机对话、通信、自检、事故记录与分析报告以及调试功能，利用油箱内部瞬态油压信息及在不同运行条件下出现的压力差异实现了对变压器油箱内部故障的快速、灵敏、可靠甄别，且不受励磁涌流影响。此外，考虑到励磁涌流条件下油压幅值明显小于外部短路故障，且固有时间窗将影响空投故障条件下保护的动作速度，本发明设计了故障状态自适应、门槛值自适应的保护方案以提高保护在面对空投于故障时的动作速度。本发明原理简单、装置易于实现，将以往凭经验和感觉构成的机械式非电量保护提高到定量分析、高可靠性判定、数字化实现的新阶段，从而适应当前及未来大容量、高电压等级电力变压器对非电量保护“四性”的要求。

附图说明

图1为本发明的装置结构原理图。

图2为本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述。

参见图1，本发明中采用的基于压力特征的变压器自适应保护装置，包括：瞬态油压特征量测量模块、开关量输入模块、信号调理与采集模块、数字核心模块、外部通信接口模块、人机对话模块以及开关量输出模块；其中，瞬态油压特征量测量模块与信号调理与采集模块相连，信号调理与采集模块、开关量输入模块、外部通信接口模块、人机对话模块以及开关量输出模块均与数字核心模块相连。

瞬态油压特征量测量模块由若干个高频动态油压传感器及其通信线缆组成，用于测量变压器不同位置的内部油压变化特征，并输出与之相对应的模拟电压/电流信号。高频动态油压传感器安装在变压器本体上，传感器端部探头直接与变压器绝缘油相接触，以测量变压器不同位置的内部油压变化特征。高频动态油压传感器的测量频率为20khz，测量误差小于1％，工作温度为-45～120℃，量程为-0.1～6mpa。

信号调理与采集模块由接线端子、信号调理电路、低通滤波器、信号采样电路以及模数a/d转换电路组成；接线端子与信号调理电路相连，信号调理电路与低通滤波器相连，低通滤波器与信号采样电路相连，信号采样电路与模数a/d转换电路相连；接线端子还与通信线缆相连。信号调理与采集模块用于接收瞬态油压特征量测量模块输出的模拟电压/电流信号，并将其转换为数字核心模块能够识别的标准数字信号，再输出标准数字信号；

开关量输入模块用于采集需要确知的相关开关量信号，并将其输出为高电平1或低电平0，作为数字核心模块的输入数字信号。

数字核心模块由总线、中央处理器、定时器/计数器、随机存储器以及控制电路组成；总线包括数据总线、地址总线以及控制总线，实现数据交换和操作控制；中央处理器利用单片微处理器、通用微处理器或数字信号处理器实时快速实现数字信号处理；定时器/计数器用来提供定时采样触发信号、形成中断、保护延时动作精确计时；随机存储器用于暂存需要快速交换的大量临时数据，包括信号调理与采集模块输入的数据信息、计算处理过程的中间结果；控制电路通过复杂可编程逻辑器件或现场可编程门阵列实现整个数字电路的有效连接和协调工作。

数字核心模块用于将接收到的标准数字信号与输入数字信号执行保护运算，完成数字信号处理任务，指挥相连模块的正常运行，实现数据交换及操作控制，从而实现继电保护功能。

外部通信接口模块用以提供与计算机通信网络以及远程通信网的信息通道，实现信息交互、数据共享、远方操作以及远程维护。

人机对话模块包括紧凑键盘、显示屏、指示灯、按钮、打印机接口以及调试通信接口等，用于建立数字式保护装置与使用者之间的信息联系，以便运行人员对保护装置的人工操作、调试以及得到信息反馈。

开关量输出模块由光电隔离器件以及出口继电器组成，光电隔离器件与出口继电器相连，用于通过输出的0或1状态来控制执行跳闸回路的通或断，实现保护的可靠动作。

参见图2，基于上述保护装置的保护方法，按照保护原理及功能要求对保护装置进行控制，有序地完成数据采集、外部通信、数字运算、逻辑判断以及动作指令执行等各项操作，具体步骤如下：

(1)保护装置在上电或硬件复位(简称复位)后，首先执行系统初始化，使整个保护装置处于正常工作状态；

(2)执行上电后的全面自检，对自身的工作状态进行正确性、完整性检测，若发现装置缺陷则发出告警信号并闭锁整个装置，等待技术人员排除故障、人工复位；

(3)若通过自检，执行数据采集初始化，并启动定时采样中断，以对循环保存采样数据缓冲区进行地址分配，设置标志当前最新数据的动态地址指针，然后按规定的采样周期对控制循环采样的中断定时器赋值并令其启动，开放采样中断；

(4)瞬态油压特征量测量模块测量变压器内部不同位置的油压变化特征，并输出与之相对应的模拟电压/电流信号；信号调理与采集模块接收瞬态油压特征量测量模块输出的模拟电压/电流信号，并将其转换为数字核心模块能够识别的标准数字信号，再输出标准数字信号；开关量输入模块采集需要确知的相关开关量信号，并将其输出为高电平1或低电平0，作为数字核心模块的输入数字信号；数字核心模块接收到的标准数字信号与输入数字信号后，暂时闭锁保护功能，等待采样数据缓冲区存有足够多的数据(一至两个周波的数据)，然后开放保护功能；

(5)整组初始化，在运行状态下进行运行自检，若发现装置缺陷则发出告警信号并闭锁整个装置，等待技术人员排除故障、人工复位；

(6)若未出现故障，则执行通信任务处理，为信息发送和接收进行数据准备；包括：根据保护方法其他部分的数据发送请求而收集相关数据、按通信规约进行通信信息整理和打包、对数据接收缓冲区的数据进行整理分类和任务解释；

(7)执行人机对话处理，进行扫描键盘、控制按钮、在显示屏显示数据的任务，并对各种操作命令进行解释和分类，按任务类别交付相应的任务处理；

(8)判断保护装置是否处于工作运行方式；若非工作运行方式，则进行调试任务处理，调试任务完成后返回步骤(5)；若处于工作运行方式，则进入步骤(9)；

(9)判别启动标志是否置位，若已置位则说明保护装置在之前已检测到可能的事故扰动，进入步骤(11)；否则进入步骤(10)；

(10)比较当前t时刻各测点瞬态油压值pms.i(t)是否达到预设的保护启动门槛值pst来决定基于压力特征的变压器自适应保护是否启动，若式①不成立，返回步骤(5)；若式①成立，启动标志置位，进入步骤(11)；

pms.i(t)≥pst①

式①中，pms.i(t)表示t时刻的变压器内部第i个测点的瞬态油压值，其中i为1,2,…,n；pst表示保护启动门槛值。

为了确保压力保护能够在故障及非正常扰动条件下启动工作，将保护启动门槛值pst定义为：

pst＝krelpnm·max②

式②中，krel为可靠系数，取值为1.2；pnm.max为变压器正常运行条件下瞬态油压值的最大值。

(11)判断变压器当前是否处于空载合闸状态，若是，则进行步骤(12)，否则，进行步骤(14)；

(12)利用式③计算空载合闸动作压力pop.k

式③中，tk为空载合闸数据窗长度，与预设的空载合闸动作门槛值整定时选用的数据窗长度相同，可根据需要选取5ms、10ms或者20ms。

(13)若计算得到的空载合闸动作压力pop.k大于等于预设的空载合闸保护动作门槛值pth.k，即式④成立，则保护动作，跳闸切除故障，整套装置复归，等待人工复位；否则返回步骤(5)；

pop.k≥pth.k④

在变压器励磁涌流条件下，动作压力pop.k为一个不为0的不平衡量pub.k，小于保护门槛值pth.k；一旦空投于内部短路故障，故障气体生成及压力波传播将导致油箱内部压强骤升，此时pop.k将大于门槛值pth.k。因此，通过判断式④是否成立，可以决定保护的动作行为。

为保证基于压力特征的变压器自适应保护在励磁涌流产生的最严重压力波动条件下不误动，设定空载合闸动作门槛值pth.k为：

pth.k＝krelpub.kmax⑤

式⑤中：pub.kmax为励磁涌流产生的最大压力波动情况下油箱内部动作压力的不平衡量，将励磁涌流时变压器内部测点所测瞬态油压值带入式③，此时计算得到的pth.k值即为励磁涌流产生的最大压力波动情况下油箱内部动作压力的不平衡量pub.kmax。

(14)利用式⑥计算当前t时刻的动作压力pop.i：

式⑥中，t为数据窗长度，与预设的保护动作门槛值整定时选用的数据窗长度相同，可根据需要选取5ms、10ms或者20ms

(15)比较计算得到的动作压力pop.i与预设的压力保护动作门槛值pth的大小关系，若计算得到的动作压力pop.i大于等于预设的压力保护动作门槛值pth，即式⑦成立，则保护动作，跳闸切除故障，整套装置复归，等待人工复位；否则返回步骤(5)；

pop.i≥pth⑦

为保证基于压力特征的变压器自适应保护在外部最严重短路故障时产生的最严重压力波动条件下不误动，定义压力保护动作门槛值pth为：

pth＝krelpub.max⑧

式⑧中：pub.max为外部最严重短路故障情况下油箱内部动作压力的最大不平衡量，将外部最严重短路故障时变压器内部测点所测瞬态油压值带入式⑥，此时计算得到的pop.i值即为外部最严重短路故障情况下油箱内部动作压力的最大不平衡量pub.max。

下面以sfsz8-40000/110三相三绕组变压器为例，说明本发明效果，该型变压器主要几何结构及铭牌参数如表1所示。

表1sfsz8-40000/110型变压器主要几何结构及铭牌参数

鉴于变压器正常运行、外部短路及励磁涌流条件下油箱内部压力振荡频率主要集中在100hz、50hz，为兼顾保护可靠性与计算时间，在压力保护元件中选取时间窗长20ms，在空载合闸元件中选取时间窗长20ms。因此，计算得到保护启动门槛为0.226kpa，压力保护元件动作门槛值11.974kpa，空载合闸元件动作门槛值1.832kpa。

表2为变压器不同运行条件下自适应保护的动作情况，可以看到：1)增加有空载合闸保护元件的自适应保护策略同样具有较高的可靠性和灵敏度，能够正确甄别包括单匝短路故障在内的诸多故障状态，且不受励磁涌流影响。2)由于在励磁涌流条件下主动缩短了保护计算的时间窗长，同时按照励磁涌流产生的最大不平衡压力计算保护门槛值，因此自适应保护策略在面对空投于故障这种故障类型时的动作速度显著提高。综上所述，基于压力特征的变压器自适应保护方案具有原理简单、易于实现的特点，同时也满足继电保护对“四性”的要求。

表2变压器不同运行条件下自适应保护的动作情况

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。