一種基于OCT的變壓器保護方案

王建飛，練德強,2，陳斌,2，陳輝,2

（1.杭州蕭山供電局，浙江杭州 311201；2.浙江大學 電氣工程學院，浙江 杭州310016）

準確進行電流測量是電力系統和繼電保護正確工作的前提，對于電力系統安全、穩定運行具有十分重要的作用。傳統的電磁式電流互感器具有與變壓器相類似的結構，其將一次側電流變換為5 A或1 A，實踐證明傳統電流互感器促進了電力系統的發展。隨著電力工業的快速發展，機組容量越來越大，電壓等級越來越高。當前，國家電網正建設以1 000 kV特高壓電網為骨干的智能電網。隨著電壓等級的大幅提高，傳統電磁式電流互感器的缺點逐漸暴露了出來[1]，比如廣泛使用的微機保護輸入電壓和功率分別僅為±5 V和毫瓦級，此時，傳統電磁式電流互感器輸出的5 A或1 A必須經過隔離和變換方能與保護以及控制設備接口。而基于光纖傳感技術的光學電流互感器（OCT）則能避免這些缺點，其獨有的優勢在電力系統中已經顯示出了廣闊的發展前景[2-3]。

變壓器在電力系統中的作用不言而喻。當前，有2個主要的因素制約著變壓器保護動作率的提高：一個是如何區別勵磁電流和內部故障電流，另一個是如何避免外部故障產生的暫態不平衡電流導致差動保護的誤動。特別是由于傳統電磁式電流互感器鐵心具有非線性特性，非周期分量很容易導致其飽和，并且非周期分量幅值越大，衰減越慢，飽和越嚴重。對變壓器保護來說，飽和將導致測量元件無法正確反應一次電流，使測量不準確。由于光學電流互感器具有抗飽和、抗干擾能力強、傳輸信號距離更遠等優點，對上述問題有很大的抑制作用。

本文將探討一種基于光學電流互感器的變壓器保護方案。首先引入該保護方案的接口結構，然后對測量的電流進行濾波，去除信號的各種干擾。最后通過小波Mallat算法提取出信號低頻和高頻段能量，將二者的比值作為保護動作的依據。仿真表明，該保護動作性能較好，能正確區分勵磁涌流和故障電流。

1 電流互感器飽和對變壓器差動保護的影響

1.1 電流互感器飽和原因

現場中，能引起電流互感器飽和的原因有很多，其中最主要的有以下幾點。

1）短路電流暫態分量中的非周期分量。一般來說，非周期分量越大，飽和越厲害。

2）電流互感器的飽和時間常數。飽和時間常數越大，越容易飽和。

3）二次側負荷大小及負荷性質。純阻性負荷且負荷越大，越容易飽和。

4）鐵心剩磁。若鐵心剩磁方向與故障電流起始的磁通方向一致時，越容易飽和。

1.2 對變壓器差動保護的影響

對變壓器差動保護而言，由于變壓器差動保護兩側的電流互感器在故障時可能處于不同的工況，如果電流互感器一次側暫態電流過大，其中含有的非周期分量就容易使鐵心飽和。鐵心飽和將使電流互感器傳變的二次電流發生畸變，從而造成很大的差流，引起保護誤動。

特別是目前電力系統廣泛使用微機型差動保護，一旦區外故障導致電流互感器飽和，電流波形畸變，二次回路出現較大電流時，保護算法就將其判斷為區內故障，導致差動保護誤動[4]。現場中，為防止電流互感器飽和導致的保護誤動，普遍提高了保護的整定值，這樣又不得不犧牲保護的靈敏度。

2 相關理論簡介

2.1 中值濾波

中值濾波算法最早由Tukey提出，它是一種非線性濾波器，可用于一維或二維信號分析[5]。中值濾波就是將數字序列中一點的值用該點一個領域中的各點的中值代替。假設一組序列x1，x2，x3，…，xn，將n個數按其大小進行排列：xi1，xi2，xi3，…，xin。則中值為式（1）所示y。y稱為序列x1，x2，x3，…，xn中值。

因此，中值濾波的方法就是取一個邊長為奇數的矩形窗口，將窗口沿序列的行和列逐點進行滑動，在任何一個采樣點處所輸出的濾波值就等于窗口中心移動到該點時，窗口內所有采樣點的中值。本文采用的是窗長為5的中值濾波器，仿真結果表明能滿足分析要求。

2.2 小波Mallat算法

Mallat和Meyer等人運用多分辨分析的思想，從不同尺度信息表達方式出發，結合數字濾波器設計理論，提出了Mallat算法[6]。Mallat算法主要包括信號分解和信號重構2個過程，具體見式（2）和式（3）。

1）信號分解。Mallat分解過程見圖1。

圖1 Mallat分解過程Fig.1 Mallat decomposition process

2）信號重構。Mallat重構過程見圖1。

其中，H*和G*分別為H和G的對偶算子。

圖2 Mallat重構過程Fig.2 Mallat reconstruction process

在采樣頻率為10 kHz時，信號不同尺度分解結果見圖3。

圖3 10 kHz采樣頻率下小波分解樹Fig.3 The wavelet decomposition in tree of 10 kHz sampling frequency

當采用OCT作為保護用電流互感器時，由于避免了TA的飽和問題，無論發生變壓器空載投入或是外部故障切除后繼續恢復供電等特殊情況時，信號均能無畸變傳輸。理論分析表明，變壓器勵磁涌流以二次和三次諧波成分為主，而故障電流是正弦波，主要以基頻分量為主。在10kHz采用頻率下，由圖3可以看出，第6層的低頻分量（頻率范圍為0~78.125 Hz，可用a6表示）將主要包含低頻（工頻）分量，而a6頻段以上的所有成分將包含高頻分量（用d表示），因此，通過低頻分量和高頻分量的比值就可以構成保護判據，實現勵磁涌流和故障電流的區分。

3 保護方案

3.1 保護構成框圖

保護構成框圖如圖4所示。

圖4 保護實現框圖Fig.4 Block diagram of protection implementation

3.2 保護啟動元件

從圖4可以看出，本文保護方案仍以差流為起始輸入。由于OCT不會產生飽和，將輸出電流進行差分運算不會產生誤差，同時還可消除直流分量，然后通過中值濾波，消除高頻和局部單調信號。方案中保護啟動元件有2個[7]：差流啟動和差流突變啟動，分別見式（4）和（5）。如果經過中值濾波后的差電流Ia、Ib和Ic滿足了式（4）和（5），則啟動保護。

其中，j=a，b，c；N為采樣周期（本研究中采樣頻率為10 kHz，即每周波采200個點）；In為二次側額定電流；Iqd為差動電流突變量啟動定值，一般取1.5 A左右。

3.3 保護構成判據

將濾波后的差電流Ia、Ib和Ic利用克拉克相模變換轉換成模態分量[8]，如式（6）所示。

將模態分量I1、I2和I3利用6尺度的Db-3小波提取出第六尺度下的低頻分量（a6）以及除a6之外的高頻分量（d），當產生勵磁涌流時，除了基波分量外，還含有大量的高次諧波，而發生故障時，電流主要含有基波分量，因此，可以選用低頻能量和高頻能量的比值來構成保護判據，見式（7）至式（9）。

式中，Ehigh為高頻能量；Elow為低頻能量；M為計算所需要的采用點數目，本文采用保護啟動后的128點；Kre為可靠系數（為便于區分，本文取1 000）；J為引入可靠系數后高頻能量與低頻能量的比值。

將比值J和整定值Jzd進行比較，得到式（10）和式（11）。

在3個模態分量中，如果有2個或3個分量高頻能量與低頻能量的比值J滿足式（10），則判斷為故障電流；若有2個或3個分量高頻能量與低頻能量的比值J滿足式（10），則判斷為勵磁涌流。通過仿真表明整定值Jzd的值可取為150。

4 仿真分析及結果

4.1 仿真軟件簡介

變壓器保護常用分析軟件（如EMTP，ATP等），都存在一定缺陷，很難準確建立電源—變壓器—互感器模型。本文采用電磁暫態仿真軟件PSCAD/EMTDC克服了上述缺陷，并結合本文所提出的變壓器保護建立了電源—變壓器—互感器的系統仿真模型。

PSCAD/EMTDC軟件包的主要功能是能夠進行電力系統時域和頻域仿真，典型應用是計算電力系統遭受擾動或參數變化時，電流、電壓、功率等電量隨時間的變化規律。目前，該軟件已經廣泛應用于HVDC建模與控制、FACTS控制及設計以及電力系統諧波分析等仿真計算。

4.2 仿真系統結構

為驗證本文提出的變壓器保護方案，在PSCAD/EMTDC中建立仿真系統，如圖5所示。其中，試驗變壓器為三相雙繞組變壓器組，聯結方式為Y，d11接法。變壓器參數為：額定容量100 MV·A，額定電壓U1/U2=115（1±7.5%）kV/10.5 kV，高壓側有7個抽頭，每2.5%調節一次?？蛰d電流為1.0%，空載損耗為0.8%；短路電壓為13.6%，短路損耗為1%。仿真中采樣頻率取為10 kHz，即每周波采樣200點。

圖5 仿真接線圖Fig.5 Simulation wiring model

4.3 仿真結果

本文從空載合閘、外部故障恢復、內部故障3個方面對提出的保護方案進行驗證，結果如表1所示。

表1 各種情況下高頻與低頻能量比值JTab.1 The ratio J of high frequency energy and low frequency energy in several cases

從表1可以看出，在變壓器空載合閘、外部故障切除以及內部故障時，變壓器保護均能正確反應，并且該保護判據能夠在較短的時間內（約13 ms）正確區分勵磁涌流和故障電流，因此，具有較高的可靠性和靈敏性。

5 結論

光學電流互感器具有抗飽和、抗干擾能力強、傳輸信號距離更遠等優點，基于此，提出了一種基于OCT的變壓器保護方案。該算法需要的數據量和計算量均較小，中值濾波的引入使抗干擾能力更強，而且有效避免了小波Mallat算法處理暫態信號所面臨的一系列問題。PSCAD/EMTDC仿真結果表明，該保護方案受變壓器運行工況的影響較小，性能穩定，具有較高的靈敏性。由于利用的小波分解層數較多，因此實現稍微復雜，如果能利用更少的小波分解層數，將有更強的實用價值。

[1] 邸榮光，劉仕兵.光電式電流互感器技術的研究現狀與發展[J].電力自動化設備，2006，26(8)：98-100.DI Rong-guang,LIU Shi-bing.Research status quo and development of optical current transducer[J].Electric Power Automation Equipment,2006，26(8)：98-100.

[2] MAFFETONETD,MCDLELLANDTM.345kV substation optical current measurement system for revenue metering and protective relaying[J].IEEE Transactions on Power Delivery,1991,6(4):1430-1437.

[3] 尚秋峰，王仁洲，楊以涵.光學電流互感器及其在電力系統中的應用[J].華北電力大學學報，2001，28(2)：14-18.SHANG Qiu-feng,WANG Ren-zhou,YANG Yi-han.Application of optcal current transducer in electric power system[J].Journal of North China Electric Power University,2001，28(2)：14-18.

[4] MAO P L,BO Z Q.Protection of teed transmission circuit using a new directional comparison technique[C]//Beijing:International Conference on Power System Technology Proceedings,1998:1111-1115.

[5] TUKEY J W.Exploratory data analysis[M].Reading,MA:Addison Wesley，1971.

[6] 秦前清，楊宗凱.實用小波分析[M].西安：西安電子科技大學出版社，1999.

[7] 王瑞.電力變壓器保護的研究[D].濟南：山東大學，2005.

[8] MA Jing,WANG Zeng-ping,XU Yan,et al.Singleended transient positional protection of transmission lines using mathematical morphology[C]//Singapore:Proceedings ofthe7thInternationalPowerEngineeringConference,2005.