基于小波包能量信息的变压器励磁涌流鉴别方法

司丹淼,侯林源,魏景禹

(1.国网山东电力平度供电公司,山东 平度 266700; 2.山东科技大学 电气与自动化工程学院,青岛 266590)

基于小波包能量信息的变压器励磁涌流鉴别方法

司丹淼1,2,侯林源2,魏景禹2

(1.国网山东电力平度供电公司,山东 平度 266700; 2.山东科技大学 电气与自动化工程学院,青岛 266590)

针对变压器差动保护难以准确地区分励磁涌流与内部故障电流的问题,提出一种基于小波包和能量信息的识别励磁涌流的新算法,即根据二次谐波能量与基频能量的比值,励磁涌流大于内部故障电流这一特点,运用小波包变换提取信号的基频和二次谐波含量及计算能量信息进行鉴别。经过PSCAD/EMTDC和MATLAB软件对大量样本进行仿真实验,结果证明该方法能够快速准确地识别励磁涌流和内部故障电流。

小波包;谐波、基频;能量信息;变压器;励磁涌流

目前,随着中国越来越多特高压、超高压长距离输电线路的建成和投入运行,变压器容量逐渐增大,变压器运行条件也变得越来越复杂,致使保护的正确动作率偏低。而电力变压器使用的差动保护则能有效鉴别变压器区内和区外故障,但很难准确地区分励磁电流和内部故障电流[1]。关于变压器励磁涌流的鉴别,国内外学者提出了许多方法。目前占据主流的是电流波形特征[2-5]识别法,且使用了二次谐波制动原理[6]和间断角原理[7],由于变压器铁芯励磁特性的变化使得二次谐波含量降低,间断角原理则受到CT饱和的影响,因此这两种方法已不能满足保护的可靠性需求。人工神经网络[8](ANN)的模式识别能力强,已被应用于励磁涌流鉴别,但ANN训练过程繁琐且需要大量样本。自小波变换出现以后,因其良好的时频特性,被广泛研究应用并集中在高次谐波和奇异点检测[9-10]。所以,基于小波包变换,本文给出了一种能量计算的表达式,利用这个表达式计算励磁涌流和不同故障信号的基频能量值和各次谐波能量值,根据能量值的不同来进行判断。因励磁涌流和内部故障电流波形在本质上的不同,励磁涌流二次谐波能量与基频能量的比值大于内部故障电流二次谐波能量与基频能量的比值。所以该方法与之前的检测二次谐波含量相比,在二次谐波含量较低的时候,依旧可以通过整定二次谐波能量与基频能量之比的大小来有效的鉴别励磁涌流。

1 小波包简介

小波分析属于时频分析的一种,可以良好的体现出非平稳信号的时频局域性质。在实际应用中,相对于小波变换,小波包变换对上一层的低频部分和高频部分,都进行了再分解,从而进一步提高了时频分辨率,为故障信号和励磁涌流此类暂态信号提供了更加细致的分析方法。

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式中:i为频率指标;n为离散尺度;m为位置指标,i=2l+j；j=0,1,…,2n-1；l=0,1,…,n。小波包具有随尺度n的增大、频谱窗口变宽进一步分割变细的优点。

小波包三层分解树结构如图1所示,其中A表示低频段,D表示高频段。

图1 小波包分解树结构

原始信号经过小波包n层分解重构后用Snj(j=0,1,…,2n-1)2n个频率成分代表第n尺度分解2n个结点的频率范围。以三层分解为例,8个频率成分中,记最低频率成分为0,最高频率成分为1,则提取的S3j对应的频率成分代表的频率范围如表1所示。

表1 各频率成分所代表的频率范围

在不同的频率段内提取到目标频率后,就需要进行对该频段内的能量进行计算。各个频带Snj对应的能量为Enj(j=0,1,…,2n-1),即

(5)

式中,xjk(j=0,1,…,7;k=1,2,…,N)表示重构信号Snj的离散点的幅值。

2 仿真实验及结果分析

2.1 仿真实验

仿真实验首先利用PSCAD/EMTDC软件建立变压器模型如图2所示,变压器变比为10.5 kV/121 kV,容量为31.5 MVA,连接方式选用Yn/d11,系统的仿真步长设为50 μs。在仿真模型中通过添加On-line frequency scanner模块,对采样信号进行傅立叶变换，以提取信号中的基波与谐波含量,从而更加方便、直观的对信号的谐波含量进行分析,得到不同仿真信号的相应特点。

图2 变压器仿真模型

本文在进行仿真实验时主要进行空载合闸(励磁涌流)及内部故障(单相接地、两相短路和短路接地、匝间接地以及短路故障、相间故障、三相短路故障等)两个类别的仿真实验。其中,进行空载合闸实验时,在0.1 s时刻闭合断路器,励磁涌流的图像及其谐波含量如图3所示;内部故障电流以单相接地短路故障为例,故障电流的波形及其谐波含量如图4所示。

图3 励磁涌流波形及谐波含量

图4 故障电流波形及谐波含量

通过对图3及图4的波形和谐波含量进行分析可以发现,励磁涌流与故障电流波形在本质上存在巨大的差异。在变压器铁芯饱和时,励磁涌流出现严重畸变并含有大量谐波,而故障电流除有较高幅值以外,波形大致保持基波频率且谐波含量较低。下面对两种电流类型的谐波含量进行更为细致的分析,断路器合闸后的第1、2、3个周期内的励磁涌流三相基频和谐波含量如图5所示。单相接地短路故障发生后第1、2、3个周期内的故障电流三相基频和谐波含量如图6所示。

图5 励磁涌流第1、2、3周期内谐波含量

图6 故障电流第1、2、3周期内谐波含量

通过对图5和图6的进行对比可知,励磁涌流在产生后的三个工频周期内,二次谐波基本没有衰减;与之形成鲜明对比的是故障电流的二次谐波快速衰减到一个含量较低的水平。根据励磁涌流与故障电流这种本质上的不同,利用小波包提取励磁涌流及故障电流三个周期内二次谐波能量与基波能量的比值进行比较就可以对二者进行区分。

2.2 小波包算法判据

为了提取不同频段上相应频率成分的能量,分析频率选为1000 Hz。dbN小波函数是紧支撑标准正交小波,可以满足离散的小波分析,经过实验结果比较,选用db4小波函数,进行小波包的4层分解,则第四层分解的结点(4,0)的频率范围是(0～62.5)Hz,结点(4,1)的频率范围是(62.5～125)Hz,由此可提取出原始信号的基频和二次谐波成分。利用式(5)可以计算基频能量E40和二次谐波能量E41的值,然后利用E40与E41的比值进行不同信号的区分,该部分计算由MATLAB软件平台完成。利用小波包对励磁涌流和内部故障电流的采样信号进行分析,获得的重构系数分别如图7和图8所示。

图7 原始信号及小波包分解重构系数(励磁涌流)

图8 原始信号及小波包分解重构系数(故障电流)

励磁涌流和故障电流前三个周期的采样信号经过小波包分解重构后,结点(4,0)和结点(4,1)两个频段上的重构系数具有明显的不同,并且验证了不同信号间二次谐波含量的差异。利用式(5)计算E40和E41,得到E40/E41值如表2所示。

表2 不同信号能量比

由表2可得以下判据:

3 结 语

针对励磁涌流与内部故障电流的鉴别问题,首先利用PSACD/EMTDC仿真软件对变压器空载合闸及内部故障模型进行仿真,获取模拟信号进行采样,然后通过MATLAB软件对不同的采样信号进行小波包变换4层分解,提取基频和二次谐波所含能量对其进行分析,从而鉴别出励磁涌流。仿真实验结果表明,该方法能够快速、可靠地区分变压器励磁涌流和内部故障电流。

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(责任编辑 郭金光)

Method for inrush current detection in transformers based onwavelet packet and energy information

SI Danmiao1,2,HOU Linyuan2,WEI Jingyu2

(1.Pingdu Power Supply Company,State Grid Shandong Electric Power Company,Pingdu 266700,China; 2.College of Electrical and Automation Engineering,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590,China)

Aimed at the situation when differential protection can hardly distinguish inrush currents from internal fault currents,this paper proposed a new method to identify inrush current based on wavelet packet and energy information.According to the ratio of basic frequency energy to second harmonic energy,featured with the fact that inrush current is bigger than fault current,detection was made in using wavelet packet transform to extract basic frequency and second component and to calculate energy information.Through simulation to a large number of samples by PSCAD/EMTDC and MATLAB software,the results prove that this method can quickly and accurately identify inrush current and internal fault current.

wavelet packet; harmonic; basic frequency; energy information; transformer; inrush current

2016-06-26。

司丹淼(1991—),女,硕士研究生,主要从事电力系统自动化的研究。

TM407

B

2095-6843(2016)06-0542-04