張小釩，蘭生

(福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建 福州 350108)

變壓器勵(lì)磁涌流的識(shí)別方法綜述

張小釩，蘭生

(福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建 福州 350108)

變壓器差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作的正確率一直以來(lái)都受到勵(lì)磁涌流的影響，近年來(lái)大量國(guó)內(nèi)外繼電保護(hù)工作者進(jìn)行了深入的研究，并提出許多新的勵(lì)磁涌流識(shí)別方法。本文將國(guó)內(nèi)外各文獻(xiàn)提出的識(shí)別勵(lì)磁涌流與區(qū)內(nèi)故障電流的方法進(jìn)行整理歸納，分析總結(jié)出各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)及實(shí)用性，最后對(duì)將來(lái)解決勵(lì)磁涌流問(wèn)題的研究方向進(jìn)行了展望。

變壓器；勵(lì)磁涌流；差動(dòng)保護(hù)

1 引言

電力變壓器在電力系統(tǒng)中承擔(dān)著至關(guān)重要的作用，是發(fā)電廠和變電站中不可或缺的電氣設(shè)備。電力系統(tǒng)能否正常、穩(wěn)定的運(yùn)行，其中一個(gè)非常重要的前提是大型變壓器要先能正常、穩(wěn)定的工作。此外，由于大型變壓器本身的造價(jià)就十分昂貴，若因差動(dòng)保護(hù)裝置不能準(zhǔn)確、及時(shí)的對(duì)發(fā)生嚴(yán)重內(nèi)部故障的變壓器動(dòng)作跳閘，導(dǎo)致變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)嚴(yán)重?fù)p壞，經(jīng)濟(jì)上也將造成巨大的損失。而且大型變壓器損壞后，檢修難度大，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，大范圍區(qū)域的長(zhǎng)時(shí)間停電，將給人民的經(jīng)濟(jì)帶來(lái)巨大的損失。因此，必須準(zhǔn)確、有效的控制變壓器差動(dòng)保護(hù)裝置的動(dòng)作，既不能誤動(dòng)作，也不能拒動(dòng)作。

變壓器差動(dòng)保護(hù)作為變壓器的主保護(hù)，一直受到勵(lì)磁涌流問(wèn)題的困擾，在2002～2006年間，220kV及以上變壓器保護(hù)的正確動(dòng)作率僅為81.912%，遠(yuǎn)不如100MW及以上發(fā)電機(jī)保護(hù)的98.476%[1]。因此，必須提高變壓器縱差保護(hù)動(dòng)作的正確率。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外繼電器保護(hù)工作者進(jìn)行了大量研究，并取得了一定的進(jìn)展。文中將各文獻(xiàn)提出的識(shí)別勵(lì)磁涌流，以防止差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作的方法進(jìn)行整理歸納。通過(guò)分析比較各方法的優(yōu)缺點(diǎn)，指出其實(shí)用性，并展望了將來(lái)研究解決勵(lì)磁涌流問(wèn)題的主要方向。

2 勵(lì)磁涌流的識(shí)別方法

目前，實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)的變壓器差動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)，主要采用以差動(dòng)電流波形特性為依據(jù)的二次諧波制動(dòng)原理和間斷角原理來(lái)識(shí)別勵(lì)磁涌流。并且，由于二次諧波制動(dòng)原理因?yàn)樗惴ê?jiǎn)單，且易于在微機(jī)中實(shí)現(xiàn)，所以應(yīng)用得最為廣泛，已具有多年的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)[2]。此外，利用變壓器電流量判別勵(lì)磁涌流的方法還有波形對(duì)稱原理[3]、積分型波形對(duì)稱原理[4]、半波疊加制動(dòng)原理[5]、波形正弦度特征判別法[6]、波形相似原理[7]、波形相關(guān)性分析法[8]、波形擬合法[9]、虛擬三次諧波原理[10]和峰—峰間距判別法[11]等。利用變壓器電壓量判別勵(lì)磁涌流的方法有低電壓制動(dòng)原理和諧波電壓制動(dòng)原理。綜合利用變壓器電流量和電壓量判別勵(lì)磁涌流的方法有功率差動(dòng)原理和基于變壓器模型法(包括基于等效瞬時(shí)漏電感和基于等值回路方程等)。

隨著研究領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，研究層次不斷深入，許多科研人員將多學(xué)科相互結(jié)合，從而提出諸多新的勵(lì)磁涌流識(shí)別方法，如：基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、基于小波變換和基于模糊邏輯算法的變壓器勵(lì)磁涌流識(shí)別法。此外還有：基于支持向量機(jī)[12]、基于雙曲線S變換[13]、基于希爾伯特-黃變換[14]、基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)[15]的勵(lì)磁涌流識(shí)別法等。這些新方法也為勵(lì)磁涌流的識(shí)別增添了新的思路。

2.1 利用變壓器電流量判別勵(lì)磁涌流

2.1.1 二次諧波制動(dòng)原理[16-17]

變壓器勵(lì)磁涌流與區(qū)內(nèi)故障電流相比，含有較高的二次諧波分量。利用這一差異性作為勵(lì)磁涌流的制動(dòng)判據(jù)如式(1)所示：

(1)

式中Id1、Id2分別為差動(dòng)電流的基波幅值和二次諧波幅值；K為二次諧波制動(dòng)比，通常取15%～20%。

由于二次諧波制動(dòng)原理算法簡(jiǎn)單，并且對(duì)微機(jī)處理器要求不高，容易在微機(jī)中實(shí)現(xiàn)，因此在實(shí)際差動(dòng)保護(hù)裝置中得到了非常廣泛的應(yīng)用。但如今由于制造變壓器的鐵磁材料不斷改進(jìn)，使得勵(lì)磁涌流中的二次諧波含量有所降低；另一方面，在高壓輸電線路中，由于長(zhǎng)線路和電纜線分布式電容的存在以及受到電網(wǎng)中日益增多的無(wú)功補(bǔ)償裝置的影響，引起區(qū)內(nèi)故障電流的二次諧波含量較以往有所升高，從而二次諧波制動(dòng)比的取值難以整定，導(dǎo)致傳統(tǒng)二次諧波制動(dòng)原理的正確動(dòng)作率下降[18]。

又由于為了保證變壓器差動(dòng)保護(hù)制動(dòng)的可靠性，目前對(duì)于二次諧波制動(dòng)系數(shù)的整定現(xiàn)場(chǎng)一般采用最大相制動(dòng)方式(“或”門(mén)制動(dòng)方式)。但當(dāng)變壓器空投于區(qū)內(nèi)故障時(shí)，差動(dòng)保護(hù)會(huì)因無(wú)故障相的勵(lì)磁涌流制動(dòng)而延遲動(dòng)作，在某些情況下延遲將達(dá)2s以上，這嚴(yán)重降低了變壓器差動(dòng)保護(hù)的速動(dòng)性。

為了解決傳統(tǒng)二次諧波制動(dòng)原理所面臨的困境，近年來(lái)已有大量科研人員在原有算法的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)。

駱建等[19]利用變壓器區(qū)內(nèi)故障電流的基波幅值不衰減，而勵(lì)磁涌流的基波幅值表現(xiàn)出衰減趨勢(shì)，在檢測(cè)到這一特性時(shí)，通過(guò)設(shè)置浮動(dòng)門(mén)檻，適當(dāng)降低二次諧波制動(dòng)比，而發(fā)生區(qū)內(nèi)故障電流時(shí)仍保持高制動(dòng)比，這樣可以進(jìn)一步提高變壓器差動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)識(shí)別勵(lì)磁涌流的能力。但該方法在面對(duì)和應(yīng)涌流時(shí)將失效，因?yàn)楹蛻?yīng)涌流的基波幅值也長(zhǎng)時(shí)間不衰減。

袁宇波等[20]研究發(fā)現(xiàn)勵(lì)磁涌流的基波相位與二次諧波相位相差0°或180°。利用這一特性，在相位相差大約為0°或180°時(shí)適當(dāng)降低二次諧波制動(dòng)比，而在設(shè)定的相位范圍外仍保持高制動(dòng)比，這樣也進(jìn)一步提高了變壓器差動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)識(shí)別勵(lì)磁涌流的能力。雖然該方法在應(yīng)對(duì)和應(yīng)涌流時(shí)，能起到較好自適應(yīng)效果，但在應(yīng)對(duì)對(duì)稱性勵(lì)磁涌流時(shí)，由于相位差波動(dòng)劇烈，不利于實(shí)際應(yīng)用。

若能將上述兩種二次諧波自適應(yīng)方法合理的相結(jié)合，組成的變壓器差動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)在集合兩種方法的優(yōu)點(diǎn)后，適用范圍將更加全面。

2.1.2 間斷角原理[21]

間斷角原理由我國(guó)率先提出并應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)，現(xiàn)已得到廣泛的應(yīng)用。它是利用勵(lì)磁涌流有很大的間斷角，而區(qū)內(nèi)故障電流沒(méi)有，這一差異性來(lái)判別的。其判據(jù)如下：

(2)

若間斷角θJ>65°，則判定為勵(lì)磁涌流，閉鎖差動(dòng)保護(hù)；若間斷角θJ≤65°，且波寬θW≥140°，則判定為非勵(lì)磁涌流，解鎖差動(dòng)保護(hù)，一旦θJ>65°，則立即閉鎖差動(dòng)保護(hù)。

其優(yōu)點(diǎn)是可采用分相制動(dòng)方式，在空投于變壓器區(qū)內(nèi)故障時(shí)能迅速跳閘，并且具有一定的過(guò)勵(lì)磁能力。缺點(diǎn)是受電流互感器飽和時(shí)引起二次側(cè)波形畸變的影響。當(dāng)電流互感器進(jìn)入飽和狀態(tài)時(shí)，差動(dòng)電流的間斷角區(qū)域波形會(huì)往負(fù)值延伸，且電流互感器飽和越嚴(yán)重，延伸程度越大，致使勵(lì)磁涌流情況下檢測(cè)不到間斷角的存在；而區(qū)內(nèi)故障電流情況下卻反而可能由于電流互感器的飽和而產(chǎn)生間斷角，這樣必然會(huì)導(dǎo)致差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作或拒動(dòng)作。此外，只有采用很高的采樣頻率才能準(zhǔn)確的測(cè)得間斷角的值，這就要求使用性能更高的微機(jī)處理器。并且，由于勵(lì)磁涌流間斷角區(qū)域的電流值處于零點(diǎn)附近，普通精度的A/D轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換后會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，因此需要使用高精度的A/D轉(zhuǎn)換芯片才能準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換，這些要求都提高了間斷角原理所需的硬件成本。

2.1.3 波形對(duì)稱度原理[3]

波形對(duì)稱原理是利用區(qū)內(nèi)故障電流波形基本對(duì)稱，而勵(lì)磁涌流一般不對(duì)稱的特點(diǎn)來(lái)判別。將差動(dòng)電流波形求導(dǎo)后所得波形一周期內(nèi)的前半波和后半波作對(duì)稱比較來(lái)進(jìn)行判別。對(duì)稱度的定義式為：

(3)

當(dāng)Ksym≤Kset時(shí)認(rèn)為差動(dòng)電流波形對(duì)稱，否則認(rèn)為不對(duì)稱。若連續(xù)半個(gè)周波以上的數(shù)值都成立則判定為故障電流，否則判定為非故障電流。

該原理對(duì)硬件的要求較低，容易實(shí)現(xiàn)，但同樣受電流互感器飽和問(wèn)題和電力系統(tǒng)諧波等原因的影響，很可能使得差動(dòng)電流波形發(fā)生變形，這就使得區(qū)分勵(lì)磁涌流與區(qū)內(nèi)故障電流的對(duì)稱度系數(shù)Kset的取值不能找到明確的邊界，Kset的取值難以整定。取得太大，在勵(lì)磁涌流情況下，可能誤動(dòng)作；而取得太小，在區(qū)內(nèi)故障情況下，又可能拒動(dòng)作。

另外，區(qū)內(nèi)故障電流也并非時(shí)刻都對(duì)稱，可能在某個(gè)時(shí)間段受到較大不平衡電流的影響，而使式(3)在發(fā)生故障后仍長(zhǎng)時(shí)間不成立，導(dǎo)致差動(dòng)保護(hù)延遲動(dòng)作。因此，波形對(duì)稱原理還需要進(jìn)一步深入研究。

在波形對(duì)稱原理的基礎(chǔ)上，許多科研工作者相繼提出了積分型波形對(duì)稱原理、半波疊加制動(dòng)原理、波形正弦度特征判別法、波形相似原理、波形相關(guān)性分析法、波形擬合法等等，這些方法其實(shí)都是利用勵(lì)磁涌流和內(nèi)部故障電流的波形存在某種差異性來(lái)判別，其實(shí)都是間斷角原理的推廣。

2.1.4 小結(jié)

勵(lì)磁涌流的大小和持續(xù)時(shí)間，受下列各種因數(shù)的影響：①大電源和變壓器之間電力系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)L/R值，該值越大，勵(lì)磁涌流衰減越慢；②變壓器額定容量的大小，容量較大的變壓器L值相對(duì)較大；③變壓器安裝的位置和大電源之間的阻抗值R，安裝距離越近，則R值越??；④電力系統(tǒng)容量的大??；⑤變壓器選用的鐵芯材料以及飽和磁通密度值的大??；⑥加壓操作前變壓器剩磁的大小；⑦斷路器合閘瞬間電壓的相位角度[22]。因此，利用變壓器差動(dòng)電流波形特征為依據(jù)的勵(lì)磁涌流識(shí)別方法均不能完全保證有100%的正確動(dòng)作率，差別僅是正確動(dòng)作率的高低。

2.2 利用變壓器電壓量判別勵(lì)磁涌流

2.2.1 低電壓制動(dòng)原理[23]

低電壓制動(dòng)原理提出利用變壓器的端口電壓作為識(shí)別變壓器勵(lì)磁涌流與區(qū)內(nèi)故障電流的輔助判據(jù)。當(dāng)變壓器發(fā)生勵(lì)磁涌流時(shí)，其端電壓不但不會(huì)降低，而且還可能升高。而發(fā)生接地故障時(shí)，故障相電壓會(huì)變得很小，當(dāng)相電壓低于額定電壓的70%時(shí)將二次諧波制動(dòng)判據(jù)解鎖。但為了防止變壓器區(qū)外故障清除后產(chǎn)生的電壓復(fù)原涌流造成保護(hù)誤動(dòng)作，在一定條件下閉鎖差動(dòng)保護(hù)。

該輔助判據(jù)有助于識(shí)別變壓器接地故障，但如果變壓器低壓側(cè)安裝了無(wú)功補(bǔ)償裝置，當(dāng)發(fā)生接地故障時(shí)，變壓器的端口電壓需要等電容器釋放大部分電量才會(huì)明顯下降，這必然會(huì)引起變壓器保護(hù)裝置延遲動(dòng)作。

2.2.2 諧波電壓制動(dòng)原理

在勵(lì)磁涌流情況下，由于變壓器的鐵芯嚴(yán)重飽和，導(dǎo)致變壓器的輸出電壓波形發(fā)生畸變，因此含有較大的諧波分量，而內(nèi)部故障時(shí)的電壓波形諧波含量低，因此可利用這一差異性進(jìn)行判別。

諧波電壓制動(dòng)原理幾乎LC不受振蕩的影響，并且采用分相制動(dòng)方式，挺高了差動(dòng)保護(hù)的速動(dòng)性。但文獻(xiàn)[24]指出該方法與電源阻抗的大小密切相關(guān)，必須對(duì)系統(tǒng)阻抗值有準(zhǔn)確的了解后才能對(duì)閥值進(jìn)行整定。

2.3 差有功法

變壓器在正常運(yùn)行情況下的有功損耗一般小于其額定容量的1%，而在發(fā)生勵(lì)磁涌流情況下，剛開(kāi)始時(shí)會(huì)損耗較大的有功轉(zhuǎn)為磁能存儲(chǔ)在繞組中，隨后進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)就變得很小了；而當(dāng)變壓器內(nèi)部絕緣被擊穿時(shí)，電弧放電瞬間將會(huì)損耗大量有功。因此，可以利用變壓器有功損耗的大小，來(lái)判別變壓器是否正常工作。為了提高保護(hù)的靈敏度將銅損耗去除，對(duì)于單相雙繞組變壓器有：

(4)

式中：u1、u2、i1、i2、r1、r2分別為變壓器原邊和副邊繞組的瞬時(shí)電壓、電流及電阻。

該方法的判據(jù)為：若W(t)>ζ，則判定為內(nèi)部故障，否則認(rèn)為無(wú)故障發(fā)生。設(shè)置閾值ζ是為了防止采樣時(shí)延導(dǎo)致電壓、電流相位誤差，從而引起W(t)誤差。

差有功法同時(shí)利用了變壓器電壓量和電流量的信息，能更準(zhǔn)確的反應(yīng)變壓器的運(yùn)行狀態(tài)。然而，該方法需要避開(kāi)勵(lì)磁涌流的第1周波，延遲了判別時(shí)間；此外，勵(lì)磁涌流情況下的鐵耗有所增加，并且因?yàn)椴荒軠?zhǔn)確的計(jì)算銅耗，導(dǎo)致難以確定的取值。而且，在外部故障情況下，因?yàn)橛休^大的穿越電流流過(guò)變壓器，有功損耗明顯增大，所以ζ的取值需要躲過(guò)變壓器外部故障時(shí)的最大有功損耗，這樣便降低了保護(hù)的靈敏度。

馬靜等[25]在差有功法的基礎(chǔ)上，提出將變壓器等值回路方程中的非線性項(xiàng)消去，構(gòu)造出僅含有漏電感和繞組電阻的二端口網(wǎng)絡(luò)。利用勵(lì)磁涌流和內(nèi)部故障情況下輸入端口的廣義瞬時(shí)功率直流分量的大小來(lái)判別。古斌等[26]提出一種利用變壓器三相差有功功率與差無(wú)功功率直流分量比值的大小，來(lái)判別勵(lì)磁涌流和區(qū)內(nèi)故障電流。

2.4 等值回路方程識(shí)別法

如圖1所示的單相雙繞組變壓器，有式(5)方程：

圖1 雙繞組單相變壓器

(5)

式中：u1、u2、i1、i2、r1、r2、L1、L2、ψm分別是變壓器原邊和副邊繞組的瞬時(shí)電壓、電流、電阻、漏感及互感磁鏈。設(shè)變壓器的變比為nT=1。將式(5)中的dψm/dt消去得：

(6)

由于式(6)是根據(jù)變壓器正常運(yùn)行時(shí)的等效模型求得的，因此在變壓器未發(fā)生內(nèi)部故障時(shí)都成立，而當(dāng)發(fā)生內(nèi)部故障時(shí)，等效模型產(chǎn)生了變化，式(6)才不再成立。因此，通過(guò)判別式(6)是否成立就能知道是否有內(nèi)部故障發(fā)生。此原理不受勵(lì)磁涌流、過(guò)勵(lì)磁和外部故障情況的影響，但漏感參數(shù)L1、L2難以精確計(jì)算。

郝治國(guó)等[27]也對(duì)等值回路方程原理進(jìn)行了深入的分析，推導(dǎo)出了三相雙繞組Y/Y和Y/Δ接法變壓器的保護(hù)動(dòng)作方程。馬靜等[28]利用變壓器內(nèi)部故障時(shí)，短路電動(dòng)力會(huì)使繞組變形，導(dǎo)致漏感參數(shù)發(fā)生變化；而非內(nèi)部故障時(shí)，變壓器的漏感參數(shù)不會(huì)發(fā)生變化，利用這一差異性可以有效地判別變壓器是否發(fā)生內(nèi)部故障。

2.5 等值參數(shù)識(shí)別法

Keizo Inagaki等[29]提出通過(guò)檢測(cè)變壓器對(duì)地等值導(dǎo)納參數(shù)的變化，來(lái)判別勵(lì)磁涌流和內(nèi)部故障電流。三繞組變壓器導(dǎo)納型等值電路，如圖2所示。

圖2 三繞組變壓器導(dǎo)納型等值電路

圖中導(dǎo)納僅Y10、Y20、Y30與變壓器運(yùn)行狀態(tài)有關(guān)，其余無(wú)關(guān)。

變壓器運(yùn)行狀態(tài)與各側(cè)對(duì)地導(dǎo)納的關(guān)系如表1所示。

表1 對(duì)地導(dǎo)納參數(shù)與變壓器的運(yùn)行狀態(tài)關(guān)系

通過(guò)表1可設(shè)置閥值ξi(i=1，2，3,分別與Y10、Y20、Y30對(duì)應(yīng))來(lái)判別變壓器的運(yùn)行狀態(tài)，具體取值的整定需要經(jīng)過(guò)試驗(yàn)和分析后才能確定。

該方法的優(yōu)點(diǎn)是：判別速度快，且不受電流互感器飽和的影響；缺點(diǎn)是：導(dǎo)納的計(jì)算需要使用變壓器漏感參數(shù)，而漏感參數(shù)無(wú)法精確求得，致使導(dǎo)納計(jì)算產(chǎn)生誤差，另外，ξi也不易整定。

2.6 磁通特性識(shí)別法

Phadke A G等[30]提出利用ψ-id曲線(磁鏈-差動(dòng)電流曲線)在勵(lì)磁涌流和區(qū)內(nèi)故障情況下變化的差異性來(lái)判別。在勵(lì)磁涌流情況下，計(jì)算得到的ψ-id曲線即為變壓器的空載磁化曲線；而在內(nèi)部故障情況下，ψ-id曲線開(kāi)始偏離空載磁化曲線，并且故障越嚴(yán)重偏離越遠(yuǎn)。通過(guò)這一特性，可以判別勵(lì)磁涌流與內(nèi)部故障電流。但該方法在實(shí)際應(yīng)用中受變壓器不確定剩磁的影響，所得到的ψ-id曲線產(chǎn)生了誤差，從而導(dǎo)致誤判。

為了避開(kāi)不確定剩磁的影響，文獻(xiàn)[30]又做了改進(jìn)，用斜率dψ/did曲線代替ψ-id曲線來(lái)進(jìn)行判別。但在變壓器發(fā)生輕微內(nèi)部故障時(shí)，dψ/did的值幾乎與正常運(yùn)行時(shí)相等，無(wú)法準(zhǔn)確識(shí)別。

李富強(qiáng)等[31]提出虛擬磁通的概念，利用虛擬磁通在勵(lì)磁涌流情況下不對(duì)稱，而在內(nèi)部故障情況下對(duì)稱來(lái)識(shí)別變壓器的運(yùn)行狀態(tài)。趙永斌等[32]利用磁通斜率波形前后半波的對(duì)稱度來(lái)判別，當(dāng)三相中任一相對(duì)稱度低于整定系數(shù)則判定為區(qū)內(nèi)故障，只有三相對(duì)稱度均高于整定系數(shù)才判定為勵(lì)磁涌流。趙曉坦等[33]提出采用差動(dòng)電流一周波內(nèi)最大、最小值處，對(duì)應(yīng)的磁通軌跡曲線傾角的正弦值之差作為判別勵(lì)磁涌流和區(qū)內(nèi)故障的判據(jù)。

2.7 勵(lì)磁涌流智能識(shí)別算法

2.7.1 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別法

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)ANN(Artificial Neural Networks)具有自學(xué)習(xí)、聯(lián)想存儲(chǔ)功能和高速尋找優(yōu)化解的能力。Perez L G等[34]最早將ANN應(yīng)用于變壓器保護(hù)，隨后大量科研工作者在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了深入的研究。

段玉倩等[35]較早的建立了一個(gè)包含輸入層、隱含層和輸出層的三層前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并以變壓器兩側(cè)的電流量做為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入信號(hào)，用來(lái)實(shí)現(xiàn)變壓器的微機(jī)保護(hù)。MingJie Chen等[36]利用ANN來(lái)逼近變壓器的電磁關(guān)系，構(gòu)建了可以替代變壓器物理模型的ANN模型，在線識(shí)別變壓器的內(nèi)部參數(shù)來(lái)判別其運(yùn)行狀態(tài)。

ANN有著智能高速尋找優(yōu)化解處理復(fù)雜問(wèn)題的能力，文獻(xiàn)[35]和[36]都表明基于ANN的變壓器保護(hù)系統(tǒng)能在10ms內(nèi)響應(yīng)動(dòng)作。但其設(shè)計(jì)過(guò)程繁瑣，具體步驟如下：①選擇合適的ANN類(lèi)型；②輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)目確定，即有多少特征量需要輸入；③經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)后確定隱含層中的節(jié)點(diǎn)數(shù)；④選擇合適的傳遞函數(shù)；⑤取得作為訓(xùn)練樣本的原始數(shù)據(jù)；⑥樣本原始數(shù)據(jù)的篩選及特征量的提??；⑦訓(xùn)練。

上述訓(xùn)練過(guò)程需反復(fù)進(jìn)行，一旦不滿足設(shè)計(jì)要求則需調(diào)整后重新訓(xùn)練。并且需要大量的輸入數(shù)據(jù)來(lái)作為訓(xùn)練樣本，而每臺(tái)變壓器的參數(shù)及其所處的系統(tǒng)環(huán)境不同，實(shí)際中難以事先獲取大量訓(xùn)練樣本，即難以保證訓(xùn)練樣本的完備性，潛伏著誤判的可能。

2.7.2 小波變換識(shí)別法

小波變換具有多尺度分析和良好的時(shí)頻局部細(xì)化特點(diǎn)，因此能能夠充分突出信號(hào)某些方面的特征。Zhang Chuanli等[37]最早將小波變換用于識(shí)別勵(lì)磁涌流與內(nèi)部故障電流。

在變壓器差動(dòng)保護(hù)中，小波變換主要集中于高次諧波檢測(cè)[38]和奇異點(diǎn)檢測(cè)[39]。高次諧波檢測(cè)中，勵(lì)磁涌流的高頻細(xì)節(jié)會(huì)呈周期性突變，而內(nèi)部故障電流僅突變一次，之后便會(huì)衰減為零。奇異點(diǎn)檢測(cè)則是將勵(lì)磁涌流通過(guò)小波變換后，所得的波形有周期性奇異點(diǎn)出現(xiàn)，而內(nèi)部故障電流變換后的波形無(wú)奇異點(diǎn)來(lái)判別。

在實(shí)際應(yīng)用中，為了準(zhǔn)確的獲得高頻分量以及突變特征量，需要提高采樣頻率，從而需要使用運(yùn)算速度更快的微機(jī)處理器。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，如今的ARM和DPS微機(jī)處理器已經(jīng)完全可以滿足微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。

然而，電力系統(tǒng)中高頻諧波以及周?chē)h(huán)境中高頻噪聲容易對(duì)小波變換產(chǎn)生干擾，因此需要進(jìn)一步研究，以提高小波變換的抗干擾能力。

2.7.3 模糊邏輯多判據(jù)識(shí)別法[40-42]

變壓器勵(lì)磁涌流具有不確定性與復(fù)雜性，卻又和故障電流有著諸多共性。每種識(shí)別判據(jù)都存在著自己的局限性，單一的判據(jù)無(wú)法準(zhǔn)確識(shí)別所有情況，因此需要綜合利用各判據(jù)的優(yōu)點(diǎn)，而模糊邏輯多判據(jù)識(shí)別法正是為了實(shí)現(xiàn)這一目的而提出的。

黃登峰等[41]將二次諧波制動(dòng)原理、波形比較原理、功率差動(dòng)原理和低電壓判別法綜合模糊化后，用一個(gè)總的隸屬度來(lái)綜合上述多判據(jù)，如式(7)所示：

μ=ω1μ1+ω2μ2+ω3μ3+ω4μ4

(7)

其中ω1、ω2、ω3、ω4是該判據(jù)的權(quán)重，并且滿足ω1+ω2+ω3+ω4=1。當(dāng)μ大于整定值時(shí)，判定為區(qū)內(nèi)故障，否則判定為勵(lì)磁涌流。

該方法仍是一個(gè)新的探索方向，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，如何選擇各判據(jù)的“隸屬函數(shù)”和“權(quán)重”仍是較難解決的問(wèn)題。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，王增平等[42]建立了基于Choquet積分的k可加模糊測(cè)度的計(jì)算模型，k可加模糊測(cè)度在測(cè)度的復(fù)雜性和表示能力方面做了折中，通過(guò)較小的計(jì)算量就能得到能夠反映各判據(jù)關(guān)系的重要性測(cè)度。

3 總結(jié)與展望

盡管識(shí)別變壓器勵(lì)磁涌流與區(qū)內(nèi)故障電流的方法種類(lèi)繁多，近年來(lái)許多科研工作者又相繼提出諸多新的判別方法或是在原有方法的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)。但由于勵(lì)磁涌流受多種因數(shù)的影響，因而具有不確定性和復(fù)雜性?，F(xiàn)有的識(shí)別方法都還不夠完善，因此必須尋求更有效的勵(lì)磁涌流識(shí)別方法。該途徑應(yīng)能盡可能完全的提取和利用變壓器發(fā)生勵(lì)磁涌流及內(nèi)部故障時(shí)所存在的差異性，例如深度學(xué)習(xí)算法。

另外，僅以一種識(shí)別方法難以應(yīng)對(duì)實(shí)際運(yùn)行中的所有情況，即存在誤動(dòng)作或拒動(dòng)作的可能性。而將現(xiàn)有的多種性能較好的識(shí)別方法有機(jī)的組成一個(gè)具有更高性能的變壓器差動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)，綜合利用各種識(shí)別方法的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)各自的缺點(diǎn)，將使變壓器差動(dòng)保護(hù)具有更高的正確動(dòng)作率，因此可以進(jìn)一步深入研究模糊邏輯算法在變壓器保護(hù)中的應(yīng)用。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，相信在不久的將來(lái)，變壓器受勵(lì)磁涌流困擾的問(wèn)題將得到徹底解決。

[1] 沈曉凡,舒治淮,呂鵬飛,等.2006年國(guó)家電網(wǎng)公司繼電保護(hù)裝置運(yùn)行情況[J].電網(wǎng)技術(shù),2008,3:18-21.

[2] 馬靜,王增平.基于標(biāo)準(zhǔn)化網(wǎng)格曲線時(shí)頻域分析的勵(lì)磁涌流鑒別新方法[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2007,9:159-166.

[3] Lin X N,Liu P,Malik O P.Studies for identification of the inrush based on Improved Correlation Algorithm[J].IEEE Trans on Power Delivery,2002,17(4):901-907.

[4] 焦邵華,劉萬(wàn)順.區(qū)分變壓器勵(lì)磁涌流和內(nèi)部短路的積分型波形對(duì)稱原理[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),1999,8:35-38.

[5] 董潔,于莉萍,焦志先,等.變壓器差動(dòng)保護(hù)涌流制動(dòng)原理的研究[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,1997,12:30-33.

[6] 和敬涵,李靜正,姚斌,等.基于波形正弦度特征的變壓器勵(lì)磁涌流判別算法[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2007,4:54-59.

[7] Shang G C,Yu D C.Identifying internal faults of transformers through the similarity degree between voltage and current[C].IEEE PES Winter Meeting,2000:1868-1872.

[8] 李貴存,劉萬(wàn)順,滕林,等.基于波形相關(guān)性分析的變壓器勵(lì)磁涌流識(shí)別新算法[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2001,17:25-28.

[9] 李貴存,劉萬(wàn)順,劉建飛,等.用波形擬合法識(shí)別變壓器勵(lì)磁涌流和短路電流的新原理[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2001,14:15-18.

[10] 陳德樹(shù),尹項(xiàng)根,張哲,等.虛擬三次諧波制動(dòng)式變壓器差動(dòng)保護(hù)[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2001,8:20-24.

[11] 尤夏,張艷霞.波動(dòng)誤差結(jié)合峰-峰間距法識(shí)別變壓器勵(lì)磁涌流[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2012,14:36-40+45.

[12] 郝文斌,李群湛,黃詠容,等.基于支持向量機(jī)的勵(lì)磁涌流識(shí)別算法[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào),2007,4:490-493.

[13] 焦尚彬,黃璜,趙黎明,等.基于雙曲S變換的變壓器勵(lì)磁涌流和內(nèi)部故障識(shí)別新方法[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2011,16:114-120+138.

[14] 邊鐵.基于希爾伯特黃變換的變壓器勵(lì)磁涌流識(shí)別新原理[D].華北電力大學(xué)(河北),2009.

[15] 鄭濤,劉萬(wàn)順,肖仕武,等.一種基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)提取電流波形特征的變壓器保護(hù)新原理[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2004,7:22-28.

[16] Armando Guzman,Stan Zocholl,Gabriel Benmouyal,et al.A Current Based Solution for Transformer Differential Protection-Part I:Problem Statement[J].IEEE Transaction On Power Delivery,2001,16(10):485-491.

[17] Armando Guzman,Stan Zocholl,Hector J Altuve.A Current Based Solution for Transformer Differential Protection-Part II:Relay description and evaluation[J].IEEE Transaction On Power Delivery,2002,17(4):886-893.

[18] 王立大,段周朝.變壓器勵(lì)磁涌流引起保護(hù)誤動(dòng)分析[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2010,10:138-140+144.

[19] 駱健,吳罡明,丁大德.一種高可靠的自適應(yīng)勵(lì)磁涌流制動(dòng)方法[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2010,2:80-83.

[20] 袁宇波,陸于平,李澄,等.三相涌流波形特征分析及差動(dòng)保護(hù)中采用二次諧波相位制動(dòng)的原理[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2006,19:23-28.

[21] 王祖光.間斷角原理變壓器差動(dòng)保護(hù)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,1979,1:18-30.

[22] 李宏任.實(shí)用繼電保護(hù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002.

[23] 黃登峰,郁惟鏞,趙亮,等.基于模糊多判據(jù)的變壓器勵(lì)磁涌流識(shí)別新算法[J].繼電器,2000,12:4-7+12.

[24] Thorp J S,Phadkel A G.A microprocessor based voltage restraint there phase transformer differential relay[J].Proceeding of the south eastern symposium on system theory,1982,4:312-316.

[25] 馬靜,王增平,吳劼.基于廣義瞬時(shí)功率的新型變壓器保護(hù)原理[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2008,13:78-83.

[26] 古斌,譚建成.基于有功無(wú)功直流分量比值的變壓器涌流新判據(jù)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2007,20:65-69.

[27] 郝治國(guó),張保會(huì),褚云龍,等.基于等值回路平衡方程的變壓器保護(hù)原理[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2006,10:67-72.

[28] 馬靜,王增平,王雪.基于等效瞬時(shí)漏電感的變壓器保護(hù)新原理[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2006,23:64-68+103.

[29] Keizo Inagaki,Masaru Higaki,Yoshiaki Matsui,et al.Digital Protection Method for Power Transformers Based on an Equivalent Circuit Composed of Inverse Inductance.IEEE Trans on Power Delivery,1988,3(4):1501-1510.

[30] Phadke A G,Thorp J S.A New Computer Based Flux Restrained Current Differential Relay for Power Transformer Protection.IEEE Trans on Power Apparatus and Systems,1983,102(11):3624-3629.

[31] 李富強(qiáng),劉秀成,李東霞,等.基于虛擬磁通與差動(dòng)電流特性識(shí)別變壓器勵(lì)磁涌流[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2004,23:45-49.

[32] 趙永彬,陸于平.基于磁通對(duì)稱特性的變壓器勵(lì)磁涌流判別新算法[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2007,12:66-71.

[33] 趙曉坦,柴建云,蘇鵬聲,等.利用磁通軌跡特征識(shí)別變壓器勵(lì)磁涌流[J].繼電器,2004,2:1-5.

[34] Perez L G,Flechsig A J,Meador J L,et al.Training an Artificial Neural Network to Discriminate Between Magnetizing Inrush and Internal Faults[J].IEEE Trans on Power Delivery,1994,9(1):434～441.

[35] 段玉倩,賀家李,賀繼紅.基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法的微機(jī)變壓器保護(hù)[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),1998,03:190-194.

[36] MingJie Chen,Xin Zeng,Gonghua Li,et al.A new transformer protection based on the artificial neural network model[C].IEEE Automation Congress(WAC),2008:1- 4.

[37] Zhang Chuanli,Huang Yizhuang,Ma Xiaoxu,et al.A new approach to detect transformer inrush current by applying wavelet transform[J].Power System Technology,1998,2:1040-1044.

[38] Yang Long,Ning Jingdong.A Wavelet Transform Based Discrimination Between Internal Faults and Inrush Currents in Power Transformers[J].IEEE Electric Information and Control Engineering(ICEICE),2011,10:1127- 1129.

[39] 蔡義明,李澤,王巨豐,等.小波分析在變壓器勵(lì)磁涌流識(shí)別中的研究[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012,02:371-375.

[40] Ramesh K,Sushama M.Power transformer protection using fuzzy logic based-relaying[C].IEEE Advances in Electrical Engineering(ICAEE),2014:1-7.

[41] 黃登峰,郁惟鏞,趙亮,等.基于模糊多判據(jù)的變壓器勵(lì)磁涌流識(shí)別新算法[J].繼電器,2000,12:4-7+12.

[42] 王增平,王雪.基于k可加模糊測(cè)度的變壓器勵(lì)磁涌流識(shí)別方法[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2011,21:45-48+54.

Review of the Methods to Identify Transformer Inrush Current

ZHANGXiao-fan，LANSheng

(College of Electrical Engineering and Automation,Fuzhou University,Fuzhou 350108,China)

The correct action rate of transformer differential protection has been affected by the inrush current,in recent years a large number of domestic and foreign relay protection workers conducted in-depth research,put forward many new excitation inrush current identification methods.In this paper,the methods of domestic and foreign each proposed to identify inrush current and internal fault current were collected,analyzed and summed up the advantages and disadvantages.Finally,future research direction to solve the inrush current problem were proposed.

transformer;magnetizing inrush current;differential protection

1004-289X(2016)03-0001-06

TM41;TM771

B

2015-03-27

張小釩(1989-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)； 蘭生(1971-)，男，博士，副教授，研究方向?yàn)榈入x子體、特高壓輸電和電磁生物效應(yīng)。