基于小波包能量譜的變壓器和應涌流識別方法

摘 要：變壓器、發電機的差動保護可能會因為和應涌流的出現而發生差動保護誤動作，從而影響變壓器和發電機的正常運行。小波包是一種新型的多尺度分析方法，在小波的高頻部分分析具有良好的效果。文章根據小波包分析、小波包-能量譜的原理，建立變壓器和應涌流二次、三次諧波綜合小波包-能量譜識別邏輯，對多種情況下的變壓器和應涌流和變壓器內部故障進行MATLAB仿真，對仿真信號采用了小波包-能量譜分布分析。仿真分析結果表明，小波包-能量譜分布分析能夠準確地區分出變壓器和應涌流與故障電流的二次、三次諧波特征，通過二次、三次諧波綜合小波包-能量譜分布識別邏輯可以有效地防止和應涌流引起的變壓器差動保護誤動作。

關鍵詞：變壓器 和應涌流 小波包能量譜 二次 三次諧波

中圖分類號：TM4文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2012）09（b）-0004-02

1 引言

近年來因為和應涌流造成變壓器差動保護誤動作的情況[1-3]，國內外都出現過，并引起了許多學者關注。當電網中空投一臺變壓器并產生勵磁涌流時，與之相并聯或串聯的運行變壓器也會相應地產生和應涌流，和應涌流的產生大致可以分為兩種情況：一種是串聯和應涌流，它是合閘變壓器和運行變壓器分別在兩個變電站，處于末端的變壓器合閘時引起上級變壓器產生的和應涌流，發電廠的級聯情況下產生和應涌流也可認為是串聯和應涌流的一種；另一種是并聯和應涌流，它是在同一個變電站中的一臺變壓器空載合閘時，在與其并聯的另一臺處于運行狀態中的變壓器產生的和應涌流。

對于和應涌流的產生機理文獻的分析認為：和應涌流的非周期分量流經系統電阻導致公共節點電壓波動，產生和應涌流。文獻通過對實際現場以及仿真對和應涌流進行研究發現，和應涌流出現時直流分量、二次諧波分量以及三次諧波分量都有顯著增大，但是在某些情況下，和應涌流中二次諧波含量卻很小，造成變壓器差動保護誤動。

小波分析具有良好的時頻分析特性，它對時變信號可以有效地進行分解；小波包分析能夠將信號在多層次上進行高頻與低頻劃分，因此具有對于非平穩信號進行局部化分析的能力。

本文在文獻對和應涌流特征分析研究的基礎上，建立變壓器和應涌流二次、三次諧波綜合小波包-能量譜分布識別邏輯，使用MATLAB仿真軟件建立變壓器串聯、級聯、并聯以及內部故障時的仿真模型，并對變壓器兩端信號進行小波包-能量譜分析，提取其中的二次和三次諧波小波包-能量譜分布特征量，根據二次、三次諧波的能量分布特征，進行變壓器和應涌流識別。

2 小波包能量譜原理

2.1 小波包方法理論

設、分別為小波函數和尺度函數

在MATLAB小波包分析中，信號在經過低通分解濾波器（LP）分解時排列不會產生高低順序變化，高通分解濾波器（HP）分解時排列會產生高低順序變化。本文需提取二次諧波和三次諧波頻帶信息所以取采樣率為2880Hz的信號進行i=5的小波包分解，按照MATLAB小波包分解頻帶排列規則，其排列順序如圖1所示。

2.3 小波包能量譜

按能量方式表示的小波包分解結果稱為小波包-能量譜。將經過小波包分解得到不同頻帶信號的分解序列表示為（其中），表示小波包第層序號，表示小波包第個頻帶信號。定義小波包第層第個頻帶的能量時譜為

3 和應涌流的識別邏輯和仿真模型的建立

3.1 二次、三次諧波綜合小波包-能量譜分布識別和應涌流邏輯流程圖

3.2 仿真模型

為了研究和應涌流對差動保護的影響，在文獻[1，4]中和應涌流研究的基礎上，建立變壓器串聯、級聯以及并聯模型。

圖1（a）為兩臺變壓器級聯情況；圖1（b）為兩臺變壓器串聯情況；圖1（c）為兩臺變壓器并聯情況。圖1（a）中的兩臺變壓器參數相同：容量為360MVA；額定電壓為20kV/121kV；高、低繞組電阻為0.002（pu），漏感為0.08（pu），磁阻為500（pu），基本勵磁曲線0，0；0.0024，1.2；1.0，1.52（pu）。圖1（b）中兩臺變壓器參數：T1容量為150MVA，T2容量為50MVA；T1額定電壓為220kV/116kV，T2額定電壓為110kV/38.5kV；T1和T2高、低繞組電阻為0.002（pu），漏感為0.08（pu），磁阻為500（pu），基本勵磁曲線0，0；0.0024，1.2；1.0，1.52（pu）。圖1（c）中的兩臺變壓器參數相同：容量為150MVA；額定電壓為220kV/121KV；高、低繞組電阻為0.002（pu），漏感為0.08（pu），磁阻為500（pu），基本勵磁曲線0，0；0.0024，1.2；1.0，1.52（pu）。

對和應涌流波形的采樣頻率定為2880Hz，由奈奎斯特定理知道分析上限為1440Hz，在經過5層db3小波包分解后，本文所需使用的頻帶對應各個序列如表1所示：

4 變壓器和應涌流小波包-能量譜識別方法與仿真驗證

4.1 級聯情況下變壓器和應涌流小波包-能量譜分布仿真

當二次及三次諧波小波包-能量譜保護整定值=3.6、=2.9，如圖2（a）變壓器級聯，T2合閘時對應發電機G電流相位分別為0、30、60、90、120°，T1和應涌流的小波包-能量譜分布情況如表2～表6。

4.2 串聯情況下變壓器和應涌流小波包-能量譜分布仿真

當二次及三次諧波小波包-能量譜保護整定值=3.6、=2.9，如圖2（b）變壓器串聯，T2合閘時對應系統側S電流相位分別為0、30、60、90、120°，T1的和應涌流的小波包-能量譜分布情況如表7～表10。

4.3 并聯情況下變壓器和應涌流小波包-能量譜分布仿真

當二次及三次諧波小波包-能量譜保護整定值=3.6、=2.9，如圖2（c）變壓器并聯，T2合閘時對應系統側S電流相位分別為0、30、60、90、120°，T1的和應涌流的小波包-能量譜分布情況。

T2合閘系統側S電流相位60、90、120°時電流很小不會引起保護啟動。

仿真數據可知，對變壓器和應涌流識別采用二次、三次諧波小波包-能量譜綜合制動方法，能夠有效地識別各種情況下的和應涌流，準確區分和應涌流與變壓器內部故障。

5 結語

本文對空載變壓器在各種初相角情況下合閘產生的和應涌流特征進行分析，討論在多種情況下產生的和應涌流對變壓器差動保護的影響。對各種情況下的和應涌流進行仿真，并對和應涌流信號和內部故障信號進行小波包-能量譜分析，建立相應的和應涌流邏輯識別過程，結果表明采用該方法可以準確地檢測出多種情況下的變壓器和應涌流，能夠有效地區分變壓器和應涌流與內部故障，防止差動保護誤動作發生。

參考文獻

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[3]余高旺，畢大強，王志廣，等.2005變壓器和應涌流現象及實例分析[J].電力系統自動化，2005.

[4]張雪松，何奔騰.變壓器和應涌流對繼電保護影響的分析[J].中國電機工程學報，2006.