基于综合负序分量的变压器转换性故障识别系统

周少珍，孙雯雯，王 吉，付 刚，吴明孝

（1.国网河南省电力公司电力科学研究院，河南 郑州 450000；2.国网河南省电力公司检修公司，河南 郑州 450052；3.河南九域恩湃电力技术有限公司，河南 郑州 450000）

变压器在运行过程中一旦出现转换型故障，就会造成电流互感器饱和，从而导致差动保护误动。电磁式电流互感器具有安装过程较为简单，经济性高等优点，被广泛应用于各个领域。但是其容易出现饱和状态，一旦电磁式电流互感器内部的铁芯呈现饱和状态，就会出现非线性特点，一次电流和二次电流之间将从线性关系转换成非线性关系，从而产生电流误差，无法保证正确的差动动作。

文献[1]提出了基于小波分析的变压器转换性故障快速识别方法，通过模极大值确定小波检测原理，分析阈值实现消噪处理，该方法能够较好地实现故障快速识别，但是对于硬件的研究相对较少。还有学者提出了基于改进LS-SVM 的变压器故障识别方法，在确定最小参数的基础上，通过调整和改进参数，实现故障识别，但是该方法对参数的研究较多，同时缺少硬件方面的分析[2]。

综合负序分量在电流互感器发生故障时，不需要引入线路电容参数和电抗器参数，就可以完成识别，且识别过程不会被外界的过渡电阻影响，得到的结果更加稳定。在识别过程中，用户可以根据综合负序分量的特点识别出各种不同的变压器转换性故障，根据故障原理制作故障方案。综上所述，该文基于综合负序分量设计了一种新的变压器转换性故障识别系统。

1 硬件设计

变压器转换性故障识别系统硬件部分主要负责采集变压器表面的信号，并将信号上传到PC 端[3]。系统硬件结构如图1 所示。

根据图1 可知，该文设计的系统硬件的核心芯片为DSP 芯片，通过TMS320F2812 的外设接口处理信号，并将得到的信号传输至上位机，上位机配合C语言完成编辑[4]，从而更好地处理和保存数据，实现故障识别。

1.1 数字信号处理器设计

数字信号处理器设计过程中，选择TI 公司生产的TMS320F2812 核心处理器。该处理器内部拥有32 位定点，工作电压为1.8 V，外部设置I/O 口引脚，工作电压为3.3V，工作频率为150 MHz，通过累计运算完成32 位×32 位的快速计算，外部设置了较多的资源，实现时间管理[5-6]。DSP 串行通信接口如图2所示。

图2 DSP串行通信接口

嵌入式芯片DSP 满足了系统数字信号的处理要求，DSP 内部的哈佛结构能够很好地将信号数据和程序分开，确保不同的内容可以保存在不同的存储空间中，方便用户访问不同的信号和指令[7]。当用户访问时，CPU 可以完成一次加法和乘法，嵌入式RAM 和FLASH 芯片可以同时创建数据搜索空间和程序空间，并将其与IP 地址相结合，提高中断处理速度，让不同的程序同时工作。DSP 能够支持流水线操作，能够同时完成译码、取址和执行等各种操作[8-9]。

1.2 时钟模块设计

通过时钟模块向DSP 提供时钟脉冲，利用时钟模块完成信息的选择。时钟模块如图3 所示。

图3 时钟模块

观察图3 可知，通过无源晶体配合DSP 的内部振荡电路完成信息振荡分析，时钟信号的工作频率为30 MHz，内部芯片为F2812 芯片，采用倍频的方法提高信号的工作频率，内部设置了PLL 时钟模块，能够更好地完成信息编程，确保系统在运行过程中能够得到必需的时钟信号[10]。选择低4 位设置的寄存器，使倍频系数能够实现动态变化，确定CPU 主频率，完成信息分析。

1.3 采集器设计

通过RC60000T-J 加速度传感器，并配合信号调理器完成故障信号采集。由于变换器的转换信号多为振动信号，因此RC60000T-J 加速度传感器可以更好地集中信息，从而更好地简化信号，确保用户的测量精度[11]。

采集器内部的F2812 芯片内部含有16 路ADC，能够在短时间内对信号的模数进行切换，有效减少系统在开发过程花费的成本。ADC 模块信号支持0～3V 的电压输出，为方便信号输入和输出，该文在采集器前端加入了运算放大器，选用由TI 公司生产的OPA2356 放大器，该放大器性能极好，虽然在工作过程中也会输入漂移电流，但是输入的漂移电流较少，可以忽略不计，同时具有高压摆率和快带的优点[12-13]。调理电路如图4 所示。

图4 调理电路

根据图4 可知，F2812 芯片的外设资源十分丰富，通过ADC 模块对信号进行采集，不仅能够缩短信号的开发周期，同时能够降低系统在运行过程中所花费的成本。采集器内部的时钟信号频率可以调节，最大可以调节到25 MHz，因此采样频率最高可以设定为12.5 MHz，确保系统的工作状态。

2 软件设计

电力系统的三相电流计算公式[14]为：

式中，a、b、c分别表 示电路中 的A、B、C相；+表示正序电流；-表示负序电流；i0表示零序电流；n表示谐波次数。

当变压器存在故障时，内部的负序网络如图5所示。

图5 变压器故障负序网络

根据图5 可知，负序产生的综合阻抗Z为各支路阻抗数值的总和，综合电压为各支路电压总和，综合电流为各支路电流总和，可以通过式（2）得出：

其中，Z表示综合阻抗；U表示电压；I表示电流；U1表示分路1 电压；U2表示分路2 电压；I1表示分路1 电流；I2表示分路2 电流[15]。

在确定综合负序分量的工作原理后，对变压器转换性故障进行识别。

利用综合负序分量对变压器的故障进行识别时，只需要考虑故障状态，不需要考虑故障时间，只要系统存在故障，就会产生综合负序分量[16]。

设置运行过程中产生的电流门槛值为iz，比较变压器内部的差动保护电流与门槛值的差距，式（3）为比较依据：

其中，id表示变压器内部的差动保护电流。系统在运行过程中，能够确定初始饱和点，自动实现差动保护闭锁，电流互感器一旦达到饱和状态，系统难以精准地分析出电流的变化情况，无法确定系统电流饱和点出现的时间，因此需要分析变压器外传区域故障的起始点，并判断在进入饱和状态出现的第一个极大值点和活泼极小值点，通过数据识别确定信号周期，使电路互感器能够更好地退出饱和状态。在饱和状态上设置阈值，将故障采样点与阈值相比，如果采样点超过阈值，则证明变压器存在转换性故障，需要迅速进行差动保护，如果采样点小于门槛值，则证明变压器存在区外故障，使用闭锁保护即可[17]。

3 实验研究

为了更好地验证该文提出的基于综合负序分量的变压器转换性故障识别系统的有效性，选用基于小波分析的变压器转换性故障快速识别方法和基于改进LS-SVM 的变压器故障识别方法进行对比实验。

设定实验过程的采样频率为3 600 Hz，在工作状态过程中采样18 个工作点，发电机的额定容量可以达到30 MVA，使用的实验线路总长为52.331 km，可提供不同的正序阻抗和零序阻抗。

随机采样数据特征值，并对其进行分类，通过不断分类数据样本，使数据能够更好地达到平衡状态，分类结果如图6 所示。

图6 分类实验结果

根据图6 可知，由于采集的数据具备不均衡性，因此分类准确率难以保障，基于改进LS-SVM 的变压器故障识别方法的分类准确率会随着不均衡比例的增加而逐渐降低，因此，该方法很难分析数据状态，可能导致故障诊断结果失效。基于小波分析的变压器转换性故障快速识别方法在识别过程中由于分类标准差较大，因此在识别过程中会存在很大的波动。该文提出的基于综合负序分量的变压器转换性故障识别系统的工作性能最好，由于综合负序分量分析方法，因此不需要引入其他参数，只需要确定少量样本数量，就能够达到数据均衡，防止出现过拟合现象，能够很好地保证采样过程的随机性，从而改善识别效果。

同时选取三种系统对变压器转换性能进行检测，检测结果如图7-9 所示。

根据图7-9 可知，基于改进LS-SVM 的变压器故障识别方法在识别过程中对于正常样本数量识别过多，导致正常样本边界过于紧密，使识别结果不具备泛化能力；基于小波分析的变压器转换性故障快速识别方法对于正常样本的识别数量较少，导致边界包裹的空白区域较多，识别方法的准确性也得以降低。该文提出的识别系统能够综合考虑正常样本和故障样本，对函数进行分析，从而提高了故障样本的识别能力。

图7 基于改进LS-SVM的变压器故障识别结果

图8 基于小波分析的变压器转换性故障快速识别结果

图9 该文系统识别结果

4 结束语

该文在分析综合负序分量的工作特点后，设计了一种变压器转换性故障识别系统，该系统能够精准地分析出变压器状态，确定故障发生时间和位置，即使变压器存在CT 中铁芯极度饱和状态，也能够很好地实现故障识别，从而更好地弥补由于其他依据不足而造成的识别结果不准确的问题。该文系统在实际应用中有广阔的应用空间，但是如何在复杂的工程项目中精准地提取故障分量，并确保提取结果适用于复杂工作状况，是未来的研究重点。