基于綜合負(fù)序分量的變壓器轉(zhuǎn)換性故障識別系統(tǒng)

周少珍，孫雯雯，王 吉，付 剛，吳明孝

（1.國網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院，河南 鄭州 450000；2.國網(wǎng)河南省電力公司檢修公司，河南 鄭州 450052；3.河南九域恩湃電力技術(shù)有限公司，河南 鄭州 450000）

變壓器在運(yùn)行過程中一旦出現(xiàn)轉(zhuǎn)換型故障，就會造成電流互感器飽和，從而導(dǎo)致差動保護(hù)誤動。電磁式電流互感器具有安裝過程較為簡單，經(jīng)濟(jì)性高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。但是其容易出現(xiàn)飽和狀態(tài)，一旦電磁式電流互感器內(nèi)部的鐵芯呈現(xiàn)飽和狀態(tài)，就會出現(xiàn)非線性特點(diǎn)，一次電流和二次電流之間將從線性關(guān)系轉(zhuǎn)換成非線性關(guān)系，從而產(chǎn)生電流誤差，無法保證正確的差動動作。

文獻(xiàn)[1]提出了基于小波分析的變壓器轉(zhuǎn)換性故障快速識別方法，通過模極大值確定小波檢測原理，分析閾值實(shí)現(xiàn)消噪處理，該方法能夠較好地實(shí)現(xiàn)故障快速識別，但是對于硬件的研究相對較少。還有學(xué)者提出了基于改進(jìn)LS-SVM 的變壓器故障識別方法，在確定最小參數(shù)的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整和改進(jìn)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)故障識別，但是該方法對參數(shù)的研究較多，同時缺少硬件方面的分析[2]。

綜合負(fù)序分量在電流互感器發(fā)生故障時，不需要引入線路電容參數(shù)和電抗器參數(shù)，就可以完成識別，且識別過程不會被外界的過渡電阻影響，得到的結(jié)果更加穩(wěn)定。在識別過程中，用戶可以根據(jù)綜合負(fù)序分量的特點(diǎn)識別出各種不同的變壓器轉(zhuǎn)換性故障，根據(jù)故障原理制作故障方案。綜上所述，該文基于綜合負(fù)序分量設(shè)計了一種新的變壓器轉(zhuǎn)換性故障識別系統(tǒng)。

1 硬件設(shè)計

變壓器轉(zhuǎn)換性故障識別系統(tǒng)硬件部分主要負(fù)責(zé)采集變壓器表面的信號，并將信號上傳到PC 端[3]。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

根據(jù)圖1 可知，該文設(shè)計的系統(tǒng)硬件的核心芯片為DSP 芯片，通過TMS320F2812 的外設(shè)接口處理信號，并將得到的信號傳輸至上位機(jī)，上位機(jī)配合C語言完成編輯[4]，從而更好地處理和保存數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)故障識別。

1.1 數(shù)字信號處理器設(shè)計

數(shù)字信號處理器設(shè)計過程中，選擇TI 公司生產(chǎn)的TMS320F2812 核心處理器。該處理器內(nèi)部擁有32 位定點(diǎn)，工作電壓為1.8 V，外部設(shè)置I/O 口引腳，工作電壓為3.3V，工作頻率為150 MHz，通過累計運(yùn)算完成32 位×32 位的快速計算，外部設(shè)置了較多的資源，實(shí)現(xiàn)時間管理[5-6]。DSP 串行通信接口如圖2所示。

圖2 DSP串行通信接口

嵌入式芯片DSP 滿足了系統(tǒng)數(shù)字信號的處理要求，DSP 內(nèi)部的哈佛結(jié)構(gòu)能夠很好地將信號數(shù)據(jù)和程序分開，確保不同的內(nèi)容可以保存在不同的存儲空間中，方便用戶訪問不同的信號和指令[7]。當(dāng)用戶訪問時，CPU 可以完成一次加法和乘法，嵌入式RAM 和FLASH 芯片可以同時創(chuàng)建數(shù)據(jù)搜索空間和程序空間，并將其與IP 地址相結(jié)合，提高中斷處理速度，讓不同的程序同時工作。DSP 能夠支持流水線操作，能夠同時完成譯碼、取址和執(zhí)行等各種操作[8-9]。

1.2 時鐘模塊設(shè)計

通過時鐘模塊向DSP 提供時鐘脈沖，利用時鐘模塊完成信息的選擇。時鐘模塊如圖3 所示。

圖3 時鐘模塊

觀察圖3 可知，通過無源晶體配合DSP 的內(nèi)部振蕩電路完成信息振蕩分析，時鐘信號的工作頻率為30 MHz，內(nèi)部芯片為F2812 芯片，采用倍頻的方法提高信號的工作頻率，內(nèi)部設(shè)置了PLL 時鐘模塊，能夠更好地完成信息編程，確保系統(tǒng)在運(yùn)行過程中能夠得到必需的時鐘信號[10]。選擇低4 位設(shè)置的寄存器，使倍頻系數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)變化，確定CPU 主頻率，完成信息分析。

1.3 采集器設(shè)計

通過RC60000T-J 加速度傳感器，并配合信號調(diào)理器完成故障信號采集。由于變換器的轉(zhuǎn)換信號多為振動信號，因此RC60000T-J 加速度傳感器可以更好地集中信息，從而更好地簡化信號，確保用戶的測量精度[11]。

采集器內(nèi)部的F2812 芯片內(nèi)部含有16 路ADC，能夠在短時間內(nèi)對信號的模數(shù)進(jìn)行切換，有效減少系統(tǒng)在開發(fā)過程花費(fèi)的成本。ADC 模塊信號支持0～3V 的電壓輸出，為方便信號輸入和輸出，該文在采集器前端加入了運(yùn)算放大器，選用由TI 公司生產(chǎn)的OPA2356 放大器，該放大器性能極好，雖然在工作過程中也會輸入漂移電流，但是輸入的漂移電流較少，可以忽略不計，同時具有高壓擺率和快帶的優(yōu)點(diǎn)[12-13]。調(diào)理電路如圖4 所示。

圖4 調(diào)理電路

根據(jù)圖4 可知，F(xiàn)2812 芯片的外設(shè)資源十分豐富，通過ADC 模塊對信號進(jìn)行采集，不僅能夠縮短信號的開發(fā)周期，同時能夠降低系統(tǒng)在運(yùn)行過程中所花費(fèi)的成本。采集器內(nèi)部的時鐘信號頻率可以調(diào)節(jié)，最大可以調(diào)節(jié)到25 MHz，因此采樣頻率最高可以設(shè)定為12.5 MHz，確保系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

2 軟件設(shè)計

電力系統(tǒng)的三相電流計算公式[14]為：

式中，a、b、c分別表 示電路中 的A、B、C相；+表示正序電流；-表示負(fù)序電流；i0表示零序電流；n表示諧波次數(shù)。

當(dāng)變壓器存在故障時，內(nèi)部的負(fù)序網(wǎng)絡(luò)如圖5所示。

圖5 變壓器故障負(fù)序網(wǎng)絡(luò)

根據(jù)圖5 可知，負(fù)序產(chǎn)生的綜合阻抗Z為各支路阻抗數(shù)值的總和，綜合電壓為各支路電壓總和，綜合電流為各支路電流總和，可以通過式（2）得出：

其中，Z表示綜合阻抗；U表示電壓；I表示電流；U1表示分路1 電壓；U2表示分路2 電壓；I1表示分路1 電流；I2表示分路2 電流[15]。

在確定綜合負(fù)序分量的工作原理后，對變壓器轉(zhuǎn)換性故障進(jìn)行識別。

利用綜合負(fù)序分量對變壓器的故障進(jìn)行識別時，只需要考慮故障狀態(tài)，不需要考慮故障時間，只要系統(tǒng)存在故障，就會產(chǎn)生綜合負(fù)序分量[16]。

設(shè)置運(yùn)行過程中產(chǎn)生的電流門檻值為iz，比較變壓器內(nèi)部的差動保護(hù)電流與門檻值的差距，式（3）為比較依據(jù)：

其中，id表示變壓器內(nèi)部的差動保護(hù)電流。系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，能夠確定初始飽和點(diǎn)，自動實(shí)現(xiàn)差動保護(hù)閉鎖，電流互感器一旦達(dá)到飽和狀態(tài)，系統(tǒng)難以精準(zhǔn)地分析出電流的變化情況，無法確定系統(tǒng)電流飽和點(diǎn)出現(xiàn)的時間，因此需要分析變壓器外傳區(qū)域故障的起始點(diǎn)，并判斷在進(jìn)入飽和狀態(tài)出現(xiàn)的第一個極大值點(diǎn)和活潑極小值點(diǎn)，通過數(shù)據(jù)識別確定信號周期，使電路互感器能夠更好地退出飽和狀態(tài)。在飽和狀態(tài)上設(shè)置閾值，將故障采樣點(diǎn)與閾值相比，如果采樣點(diǎn)超過閾值，則證明變壓器存在轉(zhuǎn)換性故障，需要迅速進(jìn)行差動保護(hù)，如果采樣點(diǎn)小于門檻值，則證明變壓器存在區(qū)外故障，使用閉鎖保護(hù)即可[17]。

3 實(shí)驗(yàn)研究

為了更好地驗(yàn)證該文提出的基于綜合負(fù)序分量的變壓器轉(zhuǎn)換性故障識別系統(tǒng)的有效性，選用基于小波分析的變壓器轉(zhuǎn)換性故障快速識別方法和基于改進(jìn)LS-SVM 的變壓器故障識別方法進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。

設(shè)定實(shí)驗(yàn)過程的采樣頻率為3 600 Hz，在工作狀態(tài)過程中采樣18 個工作點(diǎn)，發(fā)電機(jī)的額定容量可以達(dá)到30 MVA，使用的實(shí)驗(yàn)線路總長為52.331 km，可提供不同的正序阻抗和零序阻抗。

隨機(jī)采樣數(shù)據(jù)特征值，并對其進(jìn)行分類，通過不斷分類數(shù)據(jù)樣本，使數(shù)據(jù)能夠更好地達(dá)到平衡狀態(tài)，分類結(jié)果如圖6 所示。

圖6 分類實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)圖6 可知，由于采集的數(shù)據(jù)具備不均衡性，因此分類準(zhǔn)確率難以保障，基于改進(jìn)LS-SVM 的變壓器故障識別方法的分類準(zhǔn)確率會隨著不均衡比例的增加而逐漸降低，因此，該方法很難分析數(shù)據(jù)狀態(tài)，可能導(dǎo)致故障診斷結(jié)果失效。基于小波分析的變壓器轉(zhuǎn)換性故障快速識別方法在識別過程中由于分類標(biāo)準(zhǔn)差較大，因此在識別過程中會存在很大的波動。該文提出的基于綜合負(fù)序分量的變壓器轉(zhuǎn)換性故障識別系統(tǒng)的工作性能最好，由于綜合負(fù)序分量分析方法，因此不需要引入其他參數(shù)，只需要確定少量樣本數(shù)量，就能夠達(dá)到數(shù)據(jù)均衡，防止出現(xiàn)過擬合現(xiàn)象，能夠很好地保證采樣過程的隨機(jī)性，從而改善識別效果。

同時選取三種系統(tǒng)對變壓器轉(zhuǎn)換性能進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果如圖7-9 所示。

根據(jù)圖7-9 可知，基于改進(jìn)LS-SVM 的變壓器故障識別方法在識別過程中對于正常樣本數(shù)量識別過多，導(dǎo)致正常樣本邊界過于緊密，使識別結(jié)果不具備泛化能力；基于小波分析的變壓器轉(zhuǎn)換性故障快速識別方法對于正常樣本的識別數(shù)量較少，導(dǎo)致邊界包裹的空白區(qū)域較多，識別方法的準(zhǔn)確性也得以降低。該文提出的識別系統(tǒng)能夠綜合考慮正常樣本和故障樣本，對函數(shù)進(jìn)行分析，從而提高了故障樣本的識別能力。

圖7 基于改進(jìn)LS-SVM的變壓器故障識別結(jié)果

圖8 基于小波分析的變壓器轉(zhuǎn)換性故障快速識別結(jié)果

圖9 該文系統(tǒng)識別結(jié)果

4 結(jié)束語

該文在分析綜合負(fù)序分量的工作特點(diǎn)后，設(shè)計了一種變壓器轉(zhuǎn)換性故障識別系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠精準(zhǔn)地分析出變壓器狀態(tài)，確定故障發(fā)生時間和位置，即使變壓器存在CT 中鐵芯極度飽和狀態(tài)，也能夠很好地實(shí)現(xiàn)故障識別，從而更好地彌補(bǔ)由于其他依據(jù)不足而造成的識別結(jié)果不準(zhǔn)確的問題。該文系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中有廣闊的應(yīng)用空間，但是如何在復(fù)雜的工程項(xiàng)目中精準(zhǔn)地提取故障分量，并確保提取結(jié)果適用于復(fù)雜工作狀況，是未來的研究重點(diǎn)。