励磁涌流检测方法、励磁涌流制动方法及其装置

技术领域

本发明总体涉及变压器保护技术，尤其涉及一种用于检测变压器空载合闸时产生的励 磁涌流的方法及装置，以及励磁涌流制动方法及装置。

背景技术

在电力系统中，当变压器空载合闸时会出现瞬间的大电流，例如6~8倍于变压器的额 定电流。这种在变压器合闸时出现的瞬间大电流就是本领域所称的“励磁涌流”。由此， 当变压器空载合闸时，励磁涌流的出现很可能误触发变压器的差动保护动作，从而在合闸 后的瞬间内变压器立即自动跳闸。

“励磁涌流”的出现主要原因在于变压器在空载合闸时其铁芯迅速达到严重饱和，同 时励磁阻抗大幅度降低，由此出现了大幅值的励磁涌流。励磁涌流的特点是涌流的数值很 大，可达到变压器额定电流的6～8倍，甚至达到变压器额定电流的10倍。再者，励磁涌 流中含有大量的直流分量及高次谐波分量，其波形多为偏向时间轴一侧，而且励磁涌流的 波形可能是间断的。此外，励磁涌流的衰减特性与变压器的时间常数有关。励磁涌流一般 在出现0.5～1s之后减小到通常不超过0.25～0.5倍的额定电流，但是对于大容量变压器， 其全部衰减时间可能达到几十秒。

为了避免变压器的差动保护因励磁涌流而误动作，当前电力系统中配置的变压器主保 护一般包括与励磁涌流相关的二次谐波制动的差动保护。在主保护双重化的要求下，很多 厂家除配置二次谐波制动的差动保护外，还利用波形特征，配置了如基于间断角原理、波 形对称原理等实现涌流制动的差动保护。其中，间断角原理用在微机保护时因对硬件要求 高，实现方法较困难。基于波形对称原理的涌流制动判据，由于构成简单，对硬件要求相 对不高，较适宜以此作为有别于二次谐波制动的、且与差动保护相配合的变压器主保护的 基础。

中国专利申请CN1182297A公开了一种基于波形对称的励磁涌流判别方法。该方法通 过比较前后两个半波的采样点值来确定电流的波形是否对称。如果对称则为故障电流；如 果不对称则为励磁涌流。

发明内容

本发明的一个目的在于提出一种新型的变压器励磁涌流检测方法和装置，以及相应的 变压器差动保护闭锁方法和装置，以便较为准确地识别出励磁涌流。

根据本发明一个方面，本发明提出了一种用于变压器的励磁涌流检测方法，包括：获 得变压器每一个交流相的差动电流ix(n)；判断所述三个交流相中是否有任一相的差动电流 ix(n)超过预定的电流阈值；如果存在任一交流相的差动电流ix(n)超过预定的电流阈值， 则针对每一交流相，基于一个周期内所获得的该交流相的差动电流，计算出用于波形对称 判别的至少两个因子（Ax,Bx）；针对每一种因子，获取三个交流相所对应的三个因子中的 最大值，作为该因子的最大相因子；基于所获得的最大相因子，利用波形对称判别算法， 计算出相应的波形对称系数kmax；若波形对称系数kmax符合波形不对称要求且存在任一交 流相的差动电流ix(n)超过预定的电流阈值，则确定为出现励磁涌流。优选地，所述计算 至少两个因子的步骤还包括：滤除采样的差动电流ix(n)的直流分量，得到差动电流的差分 值i’x(n)。

根据本发明一个优选实施例，所述用于波形对称判别的因子包括：第一因子（Ax），其 为相差半个周期的两个差动电流差分值之和的函数；第二因子（Bx），其为相差半个周期 的两个差动电流差分值之差的函数。优选地，所述用于第一因子（Ax）的函数为所述之和 的模值在半个周期内的累积值；所述用于第二因子（Bx）的函数为在半个周期内所述之差 的模值的累积。更为优选地，所述波形对称系数kmax为所述第一因子（Ax）的最大相因子 除以所述第二因子（Bx）的最大相因子。其中，所述差动电流差分值i’x(n)由向前差分法求 得。

根据本发明另一个方面，本发明提出一种用于变压器的励磁涌流制动方法，包括：按 照上述方法确定流过所述变压器的当前电流是否为励磁涌流；如果是励磁涌流，则闭锁所 述变压器的差动保护。

根据本发明又一个方面，本发明还提出用于实现上述方法的变压器保护装置。该装置 包括：获取单元，用于获得流过变压器每一个交流相的差动电流ix(n)；第一判断单元，判 断所述三个交流相中是否有任一相的差动电流ix(n)超过预定的电流阈值；因子计算单元， 用于针对每一交流相，基于一个周期内与采样的差动电流ix(n)，计算出用于波形对称判别 的至少两个因子；求最大值单元，用于针对每一种因子，获取三个交流相所对应的三个因 子中的最大值，作为该因子的最大相因子（Amax，Bmax）；对称系数获取单元，用于基于 所获得的最大相因子（Amax，Bmax），依照所述波形对称判别，计算出相应的波形对称系 数kmax；第二判断单元，用于在波形对称系数kmax符合波形不对称要求且所述第一判断单 元为肯定结果时，确定为出现励磁涌流。优选地，所述因子计算单元还包括：滤波单元， 用于滤除采样的差动电流中的直流分量，以得到差动电流的差分值；且所述因子计算单元 基于所述差动电流的差分值计算所述至少两个因子。

优选地，所述用于波形对称判别的因子包括：第一因子，其为相差半个周期的两个差 动电流的差分值之和在整个半个周波内的累积和；第二因子，其为相差半个周期的两个差 动电流的差分值之差在整个半个周波内的累积和。优选地，该装置还包括闭锁单元，用于 在所述判断单元判确定出出现了励磁涌流时，闭锁所述变压器的差动保护。

根据本发明又一个方面，本发明提出了一种用于变压器保护的装置，包括：微处理器， 用于按照指令进行运算或处理；存储器，用于存储可由所述微处理器执行的指令，所述指 令在由所述微处理器执行时用于实现如所述的方法。13、一种计算机程序产品，包括：

可由机器执行的代码，所述代码在由所述机器执行时用于实现如权利要求1-7中任一 所述的方法。14、一种计算机记录介质，包括：

一种机器可记录、读取的介质，所述介质上存储有可由机器执行的代码，所述代码在 由机器执行时用于实现如上所述的方法。

本发明提出的励磁涌流检测方法，由于充分考虑了三个交流相之间的相互关系，因而 采用这种方法作出的涌流判别更为准确。其次，在本发明中采用了基于采样的差动电流（优 选为差动电流的差分值）的波形对称算法，相较于其他算法，这一算法能够在较短时间内 正确判断出是否为励磁涌流。再者，由于本发明优选采用了滤除直流分量的差动电流来进 行波形对称因子的计算，因而避免了直流分量的干扰，从而判别的准确度更高。此外，本 发明是在确定励磁涌流时闭锁差动保护，否则允许差动保护，这种逻辑能够更为有效地确 保差动保护可靠动作。另外，采用本发明的方法；各种故障时，能在一个周波内快速切除。 并且在某一相励磁涌流二次谐波含量低于15%时，同样能够发出闭锁标志。本发明提出的 方法由于故障相的存在使得分母保持较大值，故使得波形对称系数k_max迅速下降到闭锁定 值以下。系统阻抗很大时，若发生星形侧单相接地或三角侧两相相间故障，本发明提出的 方法仍然能够动作，因此保护依然能正确动作。

综上所述本判据在各种故障时能快速正确动作，励磁涌流时能可靠置闭锁标志。因此 本方案具有较好的涌流识别和故障判别性能。

附图说明

本发明的目的、特点、特征和优点通过以下结合附图的详细描述将变得更加显而易见。 其中：

图1A-1C示例性地示出了在三个交流相A、B和C上出现的励磁涌流的典型波形图；

图2示例性地示出了根据本发明一个实施例的励磁涌流检测流程图；

图3示例性地示出了根据本发明一个实施例的励磁涌流制动的逻辑图；

图4A-4C示例性地示出了根据本发明一个实施例的励磁涌流的波形、相应的波形对称 系数的变化以及二次谐波的变化；

图5A-5C示例性地示出了根据本发明另一个实施例的故障涌流的波形、相应的波形对 称系数的变化以及二次谐波的变化；

图6示例性地示出了根据本发明又一个实施例的变压器保护装置的结构框图。

具体实施方式

以下将结合附图描述本发明的各个实施例。通过以下描述，本发明的上述优势将会更 容易理解。

图1A~1C示例性地示出了在三相变压器的三个交流相a、b和c上出现的励磁涌流的 典型波形。通过研究励磁涌流的波形特点，以及参考图1，可以得出励磁涌流具有如下特 点。

（1）在变压器空载合闸时，涌流是否产生以及涌流的大小与合闸时的相角有关，合闸 相角α＝0和α=π时励磁涌流最大。

（2）由于三相电压之间有120°的相位差，因而三相励磁涌流不会相同。

（3）某相励磁涌流可能不再偏离时间轴的一侧，变成了所谓的“对称性”涌流。其他两 相仍为偏离时间轴一侧的非对称性涌流。对称性涌流的数值比较小。非对称性涌流仍含有 大量的非周期衰减分量，但对称性涌流中非周期分量比较小。

（4）变压器的运行记录表明，三相励磁涌流中可能有一相二次谐波比的数值比较小， 低于15%。

（5）三相励磁涌流的波形仍然是间断的，但其间断角相比单相变压器涌流显著减小， 其中又以对称性涌流的间断角最小。

（6）从以上三个图可见，励磁涌流一般有1/4周波以上不对称。

基于以上对励磁涌流的分析，本申请的发明人提出了一种新型的励磁涌流检测方法， 即，基于波形对称的最大相分析方法。总体而言，考虑到励磁涌流在三个相上表现的差异， 本申请的发明人指出应总体考量三相上电流的特点，而不是仅仅单独考量每个相的波形是 否对称。基于这一思想，本申请的发明人提出，在评估波形是否对称的过程中，用于计算 波形对称系数k的各个因子（例如，Ax和Bx）中的每一个应取三个相的相应因子中的最 大相。采用这种方法计算出的波形对称系数Kmax可全面体现励磁涌流在三个相上的表现， 从而防止因单独检测每一相而带来的误判。这里，波形对称系数k_max是一个用于描述电流 波形的不对称性的参量，k_max越大波形不对称性越明显。

图2示例性地示出了根据本发明一个优选实施例的涌流检测方法的流程图。

如图2所示，涌流检测方法从步骤S210开始。在步骤S210中，首先获得一个三相变压 器的每一个交流相的差动电流i_x(n),x=a,b,c，其中a,b和c分别代表一个交流相。在步骤 S220中，优选地，对每个交流相的采样差动电流滤波，以滤除采样电流中的直流分量。这 里，步骤S220是可选的。当波形对称的判断条件不同时，步骤S220可以省去。执行步骤S220 的目的在于获得电流的变化量。

具体地，步骤S220可以采用向前差分方式。例如，在一个实施例中，假定数据窗宽度 为一个周期加上1个采样点，N+1个点的数据窗宽度，其中N为每周期采样点数。如此，滤 波后的差动电流为差动电流的差分值，其可以表示成：

i_x'(n)=i_x(n)-i_x(n-1)…………………………………………(1)

根据实际情况，如果一个周期内采用点数足够大，则上述向前差分也可以选择用当前差动 电流的采样值i(n)减去前向间隔一个或多个采样点的值如i(n-M),M=2,3......。在一些情况 下，也可以使用后向差分方式。

在步骤S230中，针对每一交流相a、b和c，计算出两个用于波形对称判别的因子A_x和B_x。 在这个实施例中，设数据窗内当前半个周期第n点的数值为i′(n)，前半个周期对应点的数 值为$i_x^{\prime }(n-\frac{N}{2}),$则

$A_x\left(n\right)=i_x^{\prime }\left(n\right)+i_x^{\prime }(n-\frac{N}{2})...\left(2\right)$

$B_x\left(n\right)=i_x^{\prime }\left(n\right)-i_x^{\prime }(n-\frac{N}{2})...\left(3\right)$

A_x(n)和B_x(n)是一种波形对称判别算法的因子。按照公式（2）和（3），如果波形对称（正 弦波），则从而A_x(n)≈0，同时B_x(n)≈2i′_x(n)，也就是说相反，如果波形不对称，则远大于零。在本实施例中，为了使得叛别更加准确，

优选地，还需要对A_x(n)和B_x(n)进行如下处理，得到：

$A_x=\underset{n=0}{\overset{\frac{N}{2}-1}{\Sigma }}\left|A_x\left(n\right)\right|,$$B_x=\underset{n=0}{\overset{\frac{N}{2}-1}{\Sigma }}\left|B_x\left(n\right)\right|,$x=a，b,c

这里因子A_x和B_x的形式是示意性的。根据波形对称性判别方法的不同，因子的个数和 形式均可以有所变化。比如，或者累积操作例如在整个周期内进行。再比 如，如果用差动电流采样中的高频分量所占比例大小来作为波形畸变的评价基础，则因子 A_x可以由高频分量的大小来替换，而因子B_x可以替换为差动电流中的基波分量大小。在其 他情况下，因子的数目也可以多于两个。

步骤S240中，针对A_x和B_x中的每一种因子，求三个交流相所对应的三个因子中的最大 相，即，求：Max(A_a,A_b,A_c)和Max(B_a,B_b,B_c)。针对每一种因子所获得的最大值称为最大 相因子，如A_max或B_max。

在步骤S250中，基于计算出的各个最大相因子，计算波形对称系数。在本实施例中，

$k_{\max }=\frac{A_{\max }}{B_{\max }}=\frac{\mathrm{Max}\left\{\underset{n=0}{\overset{\frac{N}{2}-1}{\Sigma }}\right|A_a\left(n\right)|,\underset{n=0}{\overset{\frac{N}{2}-1}{\Sigma }}|A_b\left(n\right)|,\underset{n=0}{\overset{\frac{N}{2}-1}{\Sigma }}|A_c\left(n\right)\left|\right\}}{\mathrm{Max}\left\{\underset{n=0}{\overset{\frac{N}{2}-1}{\Sigma }}\right|B_a\left(n\right)|,\underset{n=0}{\overset{\frac{N}{2}-1}{\Sigma }}|B_b\left(n\right)|,\underset{n=0}{\overset{\frac{N}{2}-1}{\Sigma }}|B_c\left(n\right)\left|\right\}}...\left(4\right)$

公式（4）仅仅示例性地示出了一种波形对称系数k_max的计算方法。根据波形对称的判 别方法不同，该波形对称系数的计算方法也有所不同。例如，在上述的基于高频分量所占 比例来评价波形畸变的例子中，波形对称系数k_max还可以是例如其中I₂为二次谐波分量，I₁为基波分量。当然，在本实施例的公式4中仅使用了差动电流的差分值， 而没有考虑二次谐波分量。

步骤S260中的，判断k_max是否大于一个预定的阈值k_asmy。如果k_max≥k_asmy，则表明 波形不对称，否则表明波形对称，即不是励磁涌流。这里，K_asmy可以根据经验值加以设定。 根据实际需要，K_asmy设定为任何合适的不同于零的值。在本实施例中，K_asmy优选为0.2~0.8 的值，更为优选地为0.3~0.4。K_asmy的确定可以采用多种方法来实现。例如，可以利用仿 真模型，通过控制不同的空载合闸相角，算出最大比值k_max，以此作为K_asmy的上限。然后， 对变压器内部的各种故障进行仿真计算，来验证选取的K_asmy值能否满足要求。

图3示例性地示出了基于图2所示的涌流检测方法实现涌流制动的逻辑图。如图3所示， 优选地，判断三相差动电流中是否存在至少一相的电流大于一个给定的电流阈值I_set。I_set例如优选为0.1*I_N~0.3*I_N，其中I_N为变压器的额度电流。如果有任一相差动电流大于I_set， 而且k_max≥K_asmy的波形非对称条件也得到满足，则表明是励磁涌流，从而发出闭锁信号 BLOCK，以闭锁差动保护的动作。具体到图3给出的逻辑图。如图3所示，检测到的三相的 差动电流i_a，i_b和i_c经过或（“OR”）逻辑器件送入比较器320，以便与I_set进行比较。比较 器320的比较结果输出给一个与逻辑器件（“AND”）。同时，在模块310中按照图2所示 方法计算出波形对称系数k_max。计算出的波形对称系数k_max送入比较器330，以与阈值K_asmy进行比较。比较器330的比较结果输送给与逻辑器件（“AND”）。如果与逻辑器件（“AND”） 的两个输入均为有效，即k_max≥K_asmy且有至少一相差动电流大于I_set，则与逻辑器件（“AND”） 输出有效的闭锁信号BLOCK，该信号可用于闭锁变压器的差动保护。由此，可以避免变压 器在空载合闸时因励磁涌流的出现而顺时跳闸。在图3所示的例子中，该比较器320和330 优选为迟滞比较器。

图4A-C和图5A-C分别示例性地示出了励磁涌流和故障电流的波形、波形对称系数k_max以及其二次谐波分量比率。图4A示出了在空载合闸时变压器的电流波形，其中有一个交流 相的二次谐波比率低于15%，即励磁涌流的波形。由图4A可见励磁涌流的波形在至少两个 相上出现非对称性。图4B示出了基于图4A所示的采样差动电流按照图2所示方法计算出的 波形对称系数k_max如图4B所示，k_max为一个大于0.4的值。图4C示出了励磁涌流的二次谐 波比例的情况。如图4C所示，有一个交流相的二次谐波比率低于15%。换言之，如果仅仅 依据二次谐波比率是否低于15%来判断是否为励磁涌流，则容易出现误判，但是基于波形 对称系数k_max的判别方法就能够正确叛别出图4A所示为励磁涌流。由此，可以进一步闭锁 变压器的差动保护，使其正确工作。

图5A示出了在空载合闸时变压器的电流波形，其中b和c相在二次侧发生了短路故障。 由图5A可见，故障电流的波形基本上表现出对称性。图5B示出了基于图5A所示的采样差 动电流按照图2所示方法计算出的波形对称系数k_max。如图5B所示，k_max在一个周波之后迅 速下降到低于0.3。也就是说，如果K_asmy设定为大约0.3，则在开始判别的一个周期后即可 正确判别出故障电流。图5C示出了故障电流的二次谐波比例的情况。如图5C所示，二次谐 波比率在故障出现后的2个周期后才低于15%。比较图5B和图5C可见，采用本发明提出的 检测方法，可以在较短时间内准确做出判断，从而使得变压器的差动保护及时且正确地动 作。

以上图2和图3所示出的方法和逻辑可以采用软件来实现也可以采用硬件来实现，还 可以采用软件、硬件相结合的方式来实现。附图6给出了才用硬件实现的一个实施例的硬 件结构框图。如图6所示，用于变压器保护的装置包括：获取单元610、第一判断单元615、 因子计算单元620、求最大值单元630、对称系数获取单元640、第二判断单元650、闭锁 信号生成单元660。其中因子计算单元620还优选包括滤波单元621。

如图6所示，获取单元610采样变压器每一个交流相的差动电流i_x(n)，送入第一判断 单元615和因子计算单元620。第一判断单元615判断三个交流相中是否有任一相的差动 电流i_x(n)超过预定的电流阈值。针对每一交流相，因子计算单元620，基于一个周期内所 获得的差动电流的，计算用于波形对称判别的因子Ax和Bx。针对每一种因子（Ax或Bx）， 求最大值单元630，获取三个交流相所对应的三个因子中的最大值，作为该因子的最大相 因子Amax，Bmax。对称系数获取单元640基于所获得的最大相因子Amax，Bmax，计算 出相应的波形对称系数k_max。判断单元650在波形对称系数k_max符合波形对称要求时，判 断为不是励磁涌流，进而如果判断单元650的判断结果为波形不对称且第一判断单元判断 结果为有至少一个交流相的差动电流超过预定的电流阈值，确定为出现励磁涌流。闭锁单 元660在判断单元650确定为出现了励磁涌流时，闭锁所述变压器的差动保护。

图6所示的各个单元可以采用硬件的计算电路来实现，也可以采样例如FPGA、DSP、 可嵌入式编程的微处理器、微控制器等来实现。例如，判断电路可以由例如比较器，优选 为迟滞比较器来实现。对称系数获取单元可以采用基于运放的除法电路等来实现。这些对 于本领域技术人员而言都是显而易见的。

本领域技术人员应当理解，上面所公开的各个实施例可以在不偏离发明实质的情况下 做出各种改变和修改，这些改变和修改都应当落在本发明的保护范围之内。因此，本发明 的保护范围应当由所附的权利要求书来限定。