阅读说明：本技术 基于二维空间重构电流特征轨迹的变压器差动保护方法 () 是由 翁汉琍 贾永波 王胜 黄景光 李振兴 于 2019-07-15 设计创作，主要内容包括：基于二维空间重构电流特征轨迹的变压器差动保护方法,在一定采样频率下,采集变压器两侧电流互感器TA测量的电流序列I<Sub>1</Sub>和I<Sub>2</Sub>,在一个周期数据窗内,采样点数为N,I<Sub>1</Sub>＝{I<Sub>1</Sub>(1),I<Sub>1</Sub>(2),…,I<Sub>1</Sub>(i),…,I<Sub>1</Sub>(N)},I<Sub>2</Sub>＝{I<Sub>2</Sub>(1),I<Sub>2</Sub>(2),…,I<Sub>2</Sub>(i),…,I<Sub>2</Sub>(N)},将采集的两组电流序列I<Sub>1</Sub>和I<Sub>2</Sub>在二维坐标系中重构轨迹,形成重构轨迹序列L,L＝{L(1),L(2),…,L(i),…,L(N)},i＝1,2,…,N。计算重构轨迹序列L中的点落入二维坐标系第一、三象限的个数占总数的百分比K。将计算得到的K值与K<Sub>set</Sub>比较,其中,K<Sub>set</Sub>为保护动作整定值,若K>K<Sub>set</Sub>,则判定为区内故障,保护动作；若K<K<Sub>set</Sub>则判定为区外故障,保护闭锁。该方法将两侧电流信息在二维坐标系中重构特征轨迹,对不同故障类型下轨迹的象限特征进行量化分析,以识别伴随TA饱和情况下的故障类型。()

基于二维空间重构电流特征轨迹的变压器差动保护方法

技术领域

本发明一种基于二维空间重构电流特征轨迹的变压器差动保护方法，涉及变压器差动保护技术领域。

背景技术

变压器作为电力系统传输中的重要设备，其保护动作的正确性尤为重要。一直以来，变压器差动保护因为其原理简单，仅使用电流量区分故障类型，而广泛运用于实际现场作为变压器的主保护。变压器差动保护能否正确动作取决于两侧TA能否正确的传输电流信息。当一侧TA饱和时，它传变的错误电流信息会引起差动保护异常动作。

目前，变压器差动保护普遍采用比率制动法、二次谐波制动法、时差法、小波法、形态学法、虚拟制动电流法等，来应对TA饱和对差动保护带来的影响。这些方法在识别TA饱和及提高差动保护动作性能方面取得了不错的效果，但仍然存在一些不足：使用比率制动法，制动系数过高或过低都会对保护造成影响；采用时差法对故障时刻与差流出现时刻的精确定位难以实现，因而可靠性无法保障；二次谐波制动法可能会因为出现大量的谐波分量而延时动作；小波法是检测TA二次电流极大值的差异性，但是在某些临界处或者过零点会出现较大偏差；形态学法提供的判据需要大量的计算时间，可能会延误保护动作；虚拟制动电流法需要结合其他的判据。因此探究新的方法解决TA饱和对变压器差动保护的影响是非常必要的。

对不同工况下的重构轨迹的象限特征进行分析，发现其受TA状态的影响较小，并且故障特征易于量化。因此利用二维空间重构电流特征轨迹对变压器两侧电流进行重构，并形成新的变压器差动保护判据。

发明内容

在故障电流的影响下，变压器差动保护用两侧TA易发生饱和，使传变的电流波形发生畸变，严重影响到变压器差动保护的动作性能。针对TA饱和造成的变压器差动保护误动或拒动这一问题，本发明提供一种基于二维空间重构电流特征轨迹的变压器差动保护方法，该方法将两侧电流信息在二维坐标系中重构特征轨迹，对不同故障类型下轨迹的象限特征进行量化分析，以识别伴随TA饱和情况下的故障类型。

本发明采取的技术方案为：

基于二维空间重构电流特征轨迹的变压器差动保护方法，包括以下步骤：

步骤1：在一定采样频率下，采集变压器两侧电流互感器TA测量的电流序列I₁和I₂，在一个周期数据窗内，采样点数为N，

I₁＝{I₁(1),I₁(2),…,I₁(i),…,I₁(N)}，I₂＝{I₂(1),I₂(2),…,I₂(i),…,I₂(N)}，

其中，i为采样点数的计数符号，i＝1,2,…,N。

步骤2：将步骤1中采集的两组电流序列I₁和I₂在二维坐标系中重构轨迹，形成重构轨迹序列L，L＝{L(1),L(2),…,L(i),…,L(N)},i＝1,2,…,N。

步骤3：计算重构轨迹序列L中的点落入二维坐标系第一、三象限的个数占总数的百分比K。

步骤4：将计算得到的K值与K_set比较，其中，K_set为保护动作整定值，若K>K_set，则判定为区内故障，保护动作；若K<K_set则判定为区外故障，保护闭锁。

步骤2中，以某个采样时刻第i个采样点为例，将电流序列I₁的采样值I₁(i)作为二维空间的横坐标，对应同时刻第i个采样点电流序列I₂的采样值I₂(i)作为该二维空间的纵坐标，在二维坐标系中形成重构轨迹L的第i个特征点L(i)，那么一个周期数据窗内，采样点数为N，在二维坐标系中形成重构轨迹序列L＝{L(1),L(2),…,L(i),…,L(N)},i＝1,2,…,N。

步骤3中，在一个周期时长数据窗内，采样点数为N，设定K为重构后的特征轨迹点出现在二维空间坐标系第一、三象限的点数占数据窗内总点数的百分比，即：式中，n₁₃表示重构轨迹序列L中的点在第一、三象限的个数，N表示重构轨迹序列L在数据窗内的总点数；

通过实时提取变压器两侧TA的二次电流序列，以及数据窗伴随着实时重构的特征轨迹的推移，形成K值的计算序列。

基于二维空间重构电流特征轨迹的变压器差动保护方法，将变压器两侧电流序列在二维空间坐标系中重构轨迹，利用重构轨迹的象限特征识别故障类型。

本发明一种基于二维空间重构电流特征轨迹的变压器差动保护方法，技术效果如下：1、本发明方法是计算重构轨迹中位于第一、三象限的点占总数的百分比，个别数据点的丢失对计算结果的影响微乎其微，该方法具有较强的抗数据丢失能力。

2、本发明数据窗选取灵活，用较少的数据即可计算出重构轨迹的象限特征。

3、本发明作为变压器差动保护判据，能够有效防止因TA饱和引发的保护误动或拒动问题，具有高可靠性。

附图说明

图1(a)为本发明的变压器区内故障时重构后的特征轨迹图。

图1(b)为本发明的变压器区外故障时重构后的特征轨迹图。

图1(c)为本发明的变压器区内故障伴随TA饱和时重构后的特征轨迹图。

图1(d)为本发明的变压器区外故障伴随TA饱和时重构后的特征轨迹图。

图2(a)为区内故障时两侧电流波形图。

图2(b)为本发明的区内故障时判据K值计算结果图。

图3(a)为区外故障时两侧电流波形。

图3(b)为本发明的区外故障时判据K值计算结果图。

图4(a)为区内故障TA饱和时两侧电流波形图。

图4(b)为本发明的区内故障TA饱和时判据K值计算结果图。

图5(a)为区外故障TA饱和时两侧电流波形图。

图5(b)为本发明的区外故障TA饱和时判据K值计算结果图。

图6为本发明二维空间重构电流特征轨迹的变压器差动保护算法的流程图。

具体实施方式

基于二维空间重构电流特征轨迹的变压器差动保护方法，利用变压器两侧电流在不同扰动情况下的相位特性差异，通过将两侧电流在二维空间坐标系中进行重构，得到两侧电流重构后的特征轨迹，利用重构特征轨迹在不同扰动下二维空间象限的特征差异，构造变压器差动保护新判据。新判据能够克服传统的差动保护区内故障时TA饱和引起的拒动以及区外故障时TA饱和引起的误动问题。

如图6所示，包括以下步骤：

步骤1：在一定采样频率下，采集变压器两侧电流互感器TA测量的电流序列I₁和I₂，

在一个周期数据窗内，采样点数为N，

I₁＝{I₁(1),I₁(2),…,I₁(i),…,I₁(N)}，I₂＝{I₂(1),I₂(2),…,I₂(i),…,I₂(N)}，

其中，i为采样点数的计数符号，i＝1,2,…,N。

步骤2：将步骤1中采集的两组电流序列I₁和I₂在二维坐标系中重构轨迹，形成重构轨迹序列L。

以某个采样时刻第i个采样点为例，将电流序列I₁的采样值I₁(i)作为二维空间的横坐标，对应同时刻第i个采样点电流序列I₂的采样值I₂(i)作为该二维空间的纵坐标，在二维坐标系中形成重构轨迹L的第i个特征点L(i)，那么一个周期数据窗内(采样点数为N)在二维坐标系中形成重构轨迹序列L＝{L(1),L(2),…,L(i),…,L(N)},i＝1,2,…,N。

步骤3：计算一个周期内重构轨迹序列L中的点落入二维坐标系第一、三象限的个数占总数的百分比K。

在一个周期时长数据窗内，采样点数为N，设定K为重构后的特征轨迹点出现在二维空间坐标系第一、三象限的点数占数据窗内总点数的百分比。即：

式中，n₁₃表示重构轨迹序列L中的点在第一、三象限的个数，N表示重构轨迹序列L在数据窗内的总点数。通过实时提取变压器两侧TA的二次电流序列，以及数据窗伴随着实时重构的特征轨迹的推移，形成K值的计算序列。

步骤4：将计算得到的K值与K_set比较，其中K_set为保护动作整定值，若K>K_set则判定为区内故障，保护动作；若K<K_set则判定为区外故障，保护闭锁。

1、二维空间重构电流特征轨迹：

变压器发生区内故障时，两侧电流的波形序列基本同相；而在发生区外故障时，两侧电流的波形序列反相。那么可将区内故障时两侧电流波形序列的同相特性视为正相关，而区外故障时两侧电流波形序列的反相特性视为负相关。依此，可将一侧电流某个时刻的采样值作为二维空间横坐标，而对应同时刻另一侧电流采样值作为该二维空间的纵坐标，两侧电流相关性可用该二维空间中重构的轨迹特征来表征。即，区内故障两侧电流为正相关时，两者重构特征轨迹应基本落于二维空间的第一、三象限；而区外故障两侧为负相关时，两者重构的特征轨迹应基本落于二维空间的第二、四象限。

2、不同工况下二维空间重构电流特征轨迹：

对于变压器差动保护而言，当差动电流大于保护整定值时保护动作。当系统发生暂态扰动时，差动保护用TA发生饱和会产生虚假差流，易造成保护误动。传统的差动保护判据易受TA状态的影响，但TA饱和时对电流波形的相位特性影响较小，使得区内故障与区外故障的电流相位特性仍然存在较大差异，因此可以利用该差异对故障进行判别。

图1(a)为变压器区内故障时重构后的特征轨迹；图1(b)为变压器区外故障时重构后的特征轨迹；图1(c)为变压器区内故障伴随TA饱和时重构后的特征轨迹；图1(d)为变压器区外故障伴随TA饱和时重构后的特征轨迹。

由图1(a)、图1(b)、图1(c)、图1(d)可以看出：变压器区内故障时，由于两侧电流基本同相，使得重构至坐标系中的特征轨迹基本出现在第一、三象限，而第二、四象限所含点数较少；而发生区外故障时，两侧电流基本反相，重构后的特征轨迹基本仅出现在第二、四象限。而区内故障伴随一侧TA饱和时，重构后少量的特征点落入到第二象限，但在一周波内其偏移的特征点占总数的比例较低，仍能维持大部分点处于第一、三象限的特性；区外故障伴随一侧TA饱和的情况类似，饱和TA一侧的电流畸变，导致部分点落入到第一象限，但一周波内大部分的特征点仍然位于第二、四象限。

3、二维空间重构电流特征轨迹的变压器差动保护算法：

在一定采样频率下，采集变压器两侧电流互感器(TA)测量的电流序列I₁和I₂，在一个周期数据窗内(采样点数为N)，I₁＝{I₁(1),I₁(2),…,I₁(i),…,I₁(N)}，I₂＝{I₂(1),I₂(2),…,I₂(i),…,I₂(N)}，其中i为采样点数的计数符号，i＝1,2,…,N。将采集的两组电流序列I₁和I₂在二维坐标系中重构轨迹，形成重构轨迹序列L。以某个采样时刻第i个采样点为例，将电流序列I₁的采样值I₁(i)作为二维空间的横坐标，对应同时刻第i个采样点电流序列I₂的采样值I₂(i)作为该二维空间的纵坐标，在二维坐标系中形成重构轨迹L的第i个特征点L(i)，那么一个周期数据窗内(采样点数为N)在二维坐标系中形成重构轨迹序列L＝{L(1),L(2),…,L(i),…,L(N)},i＝1,2,…,N。计算一个周期内重构轨迹序列L中的点落入二维坐标系第一、三象限的个数占总数的百分比K。通过实时提取变压器两侧TA的二次电流序列，以及数据窗伴随着实时重构的特征轨迹的推移，形成K值的计算序列。

通过设置合理的K_set，可以有效区分故障类型且不受TA状态的影响。通过判断K>K_set是否成立，以完成故障判别，其中K_set为保护动作整定值。当满足K>K_set时，判定为区内故障，保护动作；当不满足时，判定为区外故障，保护闭锁。二维空间重构电流特征轨迹的变压器差动保护算法的流程如图6所示。

变压器发生区内故障、区外故障、区内故障TA饱和以及区外故障TA饱和时两侧的电流波形如图2(a)、3(a)、4(a)和5(a)所示，故障均在t＝0.4s时发生，其中，实线表示高压侧电流I₁，虚线表示低压侧电流I₂。利用所提算法对上述几种情况下重构轨迹的K值进行计算，结果如图2(b)、3(b)、4(b)和5(b)所示，其中K_set取50％。

可以很明显看出：

(1)、发生区内故障时，计算得到的K值在故障发生后的11ms(约半周波)超过50％的整定值，保护能够快速且可靠动作。

(2)、发生区外故障时，计算得到的K值始终接近于0，远小于动作整定值，保护能够可靠闭锁。

(3)、区内故障TA饱和时，虽然判据K值较区内故障TA正常传变时降低，但仍然在故障发生后11ms(约半周波)超过了50％的整定值，使保护能够正确动作。

(4)、区外故障TA饱和时，即使K值在故障发生时有所上升，但仍然没有超过50％的整定值，使得保护依然能够被可靠闭锁。

本发明二维空间重构电流特征轨迹的变压器差动保护算法，能够克服传统的变压器差动保护区外故障时TA饱和引起的误动以及区内故障时TA饱和引起的拒动问题。