基于emd分解的变压器励磁涌流识别

基于emd分解的变压器励磁涌流识别

0基于hct的励磁涌流识别电力压力设备是能源系统的重要设备之一。最新统计资料表明,2001~2005年220kV及以上变压器的平均正确动作率为79.794%,仍然低于发电机及线路保护约20个百分点。目前变压器保护的难题仍是如何正确识别励磁涌流和故障电流。近年来,国内外学者提出的诸多鉴别原理大体可分为基于模型和基于波形两种。基于模型的原理,有基于磁通特性、基于等值电路方程、基于功率差动方法等。因某些参数在测量上存在技术上的困难,此类方法在应用时多采用人为假设,且用到了较多的电气量。这增加了保护配置的复杂性,故待于理论上的进一步突破。基于波形特征的方法以励磁涌流和内部故障电流波形特征的差异为依据,主要利用二次谐波制动原理和间断角原理,是运用于实践的主流。新近提出的原理,如波形对称原理、波形相关性分析法、采样值差动原理等,是基于间断角原理及其改进或者其衍生。基于该原理的识别方案存在着受CT传变影响等问题。事实上,励磁涌流波形除了具有间断特征外,还具有尖顶波的特征。利用励磁涌流的尖顶波特征进行励磁涌流的鉴别是提高变压器差动保护速度及可靠性的一个新的研究方向[8~10]。HHT是全新的信号处理方法。近几年该法已经被应用于地球物理学、生物医学、工学等领域的研究,并取得了较好的效果。本文根据励磁涌流波形具有尖顶波这一特性,把HHT方法应用于变压器的励磁涌流识别当中,将差流数据用EMD分解为有限个IMF分量,然后再提取涌流及故障电流不同的IMF分量组成特征,从而达到涌流识别目的。理论分析及动模仿真表明了该方法的正确有效性。1fpga的下包络经验模态分解原理(EMD)及Hilbert变换的分析方法统称为Hilbert-Huang变换(HHT)。本文根据HHT的EMD分解进行差流识别。EMD分解方法思想是从原信号中提取的固有模态函数——IMF,从而突出了原信号的局部特征信息。IMF具有如下特点:(1)其极值点和过零点的数目应该相等或至多差1。(2)分别连接其局部极大值和局部极小值所形成的两条包络线的均值在任一点处为零。提取IMF过程为:根据信号s(t)的局部极大值和局部极小值求出其上包络v1(t)及下包络v2(t)之平均值然后考察s(t)与m11的差,即为h11,若h11不是IMF,将h11视为新的s(t),重复式(2)k次式中h1k为第k次筛选所得数据;为第1次筛选所得数据;m1k为上下包络之平均值;利用SD的值判断每次筛选结果是否为IMF分量:SD的值常取0.2~0.3。若h1k满足SD值的要求,则令c1视为一个IMF。作视r为新的s(t),重复以上过程,依次得到第2个IMF分量c2,第3个IMF分量c3…,直到r(t)基本呈单调趋势或者|r(t)|很小并可视为测量误差时停止。于是式(7)表明了EMD分解的完备性。2基于end的能源保护新原理2.1loc、lcp的耦合问题当变压器空载合闸时,由于铁心饱和具有非线性磁特性,从而可能产生与短路电流可比拟的励磁涌流。图1(a)中曲线OABP为变压器的基本励磁曲线。如果用两段近似磁化特性折线OC及CP来替代曲线OABP,设合闸时电源电压为=sin+,并忽略变压器漏抗,可以得到变压器空载合闸(t=0)时励磁涌流的近似表达式如式(8)所示。式(8)中为变压器铁心磁通;r为变压器剩磁;m为稳态磁通幅值,额定工况下为额定磁通幅值;LOC和LCP依次为折线段OC及CP对应的励磁电感。由公式(8)知,当变压器磁化曲线采用简化的两段折线模型时,由于LOC和LCP均为常数,励磁涌流由两段正弦曲线构成(对应图1(b)中的实曲线OAC和实曲线CBP)。但是,图1(a)中的励磁电感采用的简化折线模型在AC段比实际的偏大,而在CB段偏小;从公式(8)可以看出,对应时间的图1(b)中涌流在AC段偏小(如实曲线AC大于虚曲线AC),而在CB段偏大(如实曲线CB小于虚曲线CB)。因此,励磁涌流存在类似图1(b)中虚曲线CB的凹弧,而虚曲线AC向外凸,这样使涌流的尖顶特性更加明显。对于故障电流,波形基本保持正弦特性。通过对大量差流波形作EMD分解知(如图2所示):当差流近似为正弦电流时,分解出来的IMF仅有一个主导IMF(如图2(a)中的c3);当差流为尖顶特性的涌流时,分解出来的IMF含有2个及以上的主导IMF(如图2(b)中的c2和c3)。所以本文采用识别原理的基本思路是:读取一段差动波形数据f,对f作EMD分解得到IMF,然后从分解得到的IMF中寻找所有的主导IMF。若主导IMF的个数为1,则判定为故障电流;若大于1,则判定为励磁涌流。2.2具体措施和保护体系的实现2.2.1emd分解和波的选择问题在对数据进行EMD分解时会遇到以下问题:(1)样条插值的次数选择及边界处理问题。本文按照参考文献,选择了3次样条,并采用了对称延拓法与端值延拓法相结合的边界处理方法。(2)数据窗长短的选择问题。EMD分解的边界问题始终还没有办法解决。过短的数据可能导致EMD无法分解,因此不能够选择过短的数据窗;同时,过长的数据窗会导致原理的判断时间上升。经过大量数据仿真,本文选择了20ms的数据窗。(3)对于某些波形无法进行EMD分解问题。当数据窗内数据的极值点少于2个时,EMD分解无法进行。文中采用的方法是:在原有的数据上叠加一小幅值正弦谐波信号,即在“大波”的上面加“小波”的方法来增加局部极值点。一般来说,迭加“小波”的幅值以“大波”的1/30~1/20为宜。文中采用的是1/20。2.2.2fps的确定及求解从图2中可以看出,主导IMF分解出来的是幅值很大的IMF分量。为了方便寻找主导IMF,本文定义IMF分量ci在横轴上的投影面积Sci为根据式(10),求取主导IMF的方法为:计算各个IMF分量ci的Sci及Smax=max{Sci,i=1,…,n}。如果ci的Sci最大或者与Smax相差在20%以内,则可认为IMF分量ci为主导IMF。2.2.3计算三相动电流时的算法根据本文的识别原理,定义IMF分量ci的比重系数Kci为式中Sr为式(7)中的剩余项r在横轴上的投影面积。设各个IMF中最大的比重系数为Kmax,则从式(12)可以看出,Kmax值在0~1。当差流为故障电流时,由于其仅含有一个主导IMF,所以其Kmax值很大,一般都在0.9以上;当差流为涌流时,由于存在2个或者2个以上比重系数相近的主导IMF,所以其Kmax值一般在0.5左右。另外,当数据窗内差流的幅值不大于最大不平衡电流时,可取Kmax值为0。因此,可得保护判据如式(13)所示Kzd的整定原则见3.2.6节,取Kzd=0.8。分别计算三相差动电流的Kmax值。如果有两相不满足式(13),则判断为励磁涌流;否则判断为内部故障。3实验的结果和分析3.1动模试验系统为验证上述方法的实用性和可行性,本文利用动模试验获得了变压器在各种运行状况下的大量真实数据对保护判据进行验证,其采样频率为5kHz。动模试验系统接线如图3所示。此系统中的试验变压器为三单相变压器组,采用Y,d11接线。单相变压器参数如下:额定容量为10kVA;低压侧额定电压为380V;低压侧额定电流为25.3A;高压侧额定电压为1kV;高压侧额定电流为10A;空载电流为1.45%;空载损耗为1%;短路损耗为0.35%;短路电压为9.0%~15.0%。3.2航天部化后的算法检测图4(a)为DF1024波形分析系统中导出的空投时A,B,C三相差动波形,图4(b)为A,B,C三相差流的Kmax值变化曲线。在图4(b)中,前20ms内由于数据不够一个数据窗,没有输出。当检测到有尖顶的涌流波形时,Kmax值的输出比较小(A相为0.925,B相为0.64,C相为0.575)。在t=20ms时,检测到AC相均不满足式(13),因此判断为励磁涌流。3.3做差流前三提出图5(a)为B相32%的位置和C相32%的位置发生了相间短路时的三相差动波形。由于做差流前,Y侧取的电流依次为A,B相,B,C相,C,A相之差,因此B,C相的故障将反映到最后的三相差流上。由图中可以看出,三相差流均接近于正弦曲线,各相的Kmax值始终大于0.8(A,B,C三相最小值依次为0.808,0.811,0.809)。3.4a、b反差流故障图6(a)为B相32%处发生接地故障时的三相差动波形,B相故障将反映到A,B相差流上,C相差流小于最大不平衡电流,因此C相差流的Kmax输出为0.0。由图6(b)中可以看出,A,B两相差流均接近正弦电流,其Kmax值均在0.8以上。3.5涌流故障的判定图7(a)为变压器空投于A相39%处发生接地故障时的三相差动波形,A相故障将反映到A、C相差流上,B相出现比较大幅值的差动电流是由于合闸过程中涌流的影响。由图中可以看出,A,C两相差流均接近正弦电流,其Kmax值均在0.8以上,反映了故障差流,而反映涌流的差流(B相)的Kmax值比较小,A,C两相同时满足式(13),因此判定为内部故障。图8(a)为变压器空投于A相9%处发生匝间短路时的三相差动波形,A相故障将反映到A,C相差流上,B相出现比较大幅值的差动电流是由于合闸过程中涌流的影响,相对故障差流,此时B相涌流幅值较大。由图8(b)中同样可以看出,A,C相反映故障差流,其值均在0.8以上,两相同时满足式(13),因此判定为内部故障。3.6变化范围表经过多次动模实验,获取Kmax值在各种状态下的变化范围如表1所示。从表1中可以看出,当变压器处于故障状态时,Kmax值至少有两相大于0.8,此时应该开放保护,因此可以取Kzd=0.8。4变压器保护原理基于变压器励磁涌流波形畸变严重,会出现尖顶凹凸,而故障电