基于綜合負序分量的變壓器轉(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，從而導致差動保護誤動。電磁式電流互感器具有安裝過程較為簡單，經(jīng)濟性高等優(yōu)點，被廣泛應用于各個領(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，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[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，分析閾值實現(xiàn)消噪處理，該方法能夠較好地實現(xiàn)故障快速識別，但是對于硬件的研究相對較少。還有學者提出了基于改進LS-SVM 的變壓器故障識別方法，在確定最小參數(shù)的基礎上，通過調(diào)整和改進參數(shù)，實現(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)綜合負序分量的特點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，該文基于綜合負序分量設計了一種新的變壓器轉(zhuǎn)換性故障識別系統(tǒng)。

1 硬件設計

變壓器轉(zhuǎn)換性故障識別系統(tǒng)硬件部分主要負責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，該文設計的系統(tǒng)硬件的核心芯片為DSP 芯片，通過TMS320F2812 的外設接口處理信號，并將得到的信號傳輸至上位機，上位機配合C語言完成編輯[4]，從而更好地處理和保存數(shù)據(jù)，實現(xiàn)故障識別。

1.1 數(shù)字信號處理器設計

數(shù)字信號處理器設計過程中，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，工作電壓為1.8 V，外部設置I/O 口引腳，工作電壓為3.3V，工作頻率為150 MHz，通過累計運算完成32 位×32 位的快速計算，外部設置了較多的資源，實現(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)在運行過程中能夠得到必需的時鐘信號[10]。選擇低4 位設置的寄存器，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)進行切換，有效減少系統(tǒng)在開發(fā)過程花費的成本。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[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 芯片的外設資源十分豐富，通過ADC 模塊對信號進行采集，不僅能夠縮短信號的開發(fā)周期，同時能夠降低系統(tǒng)在運行過程中所花費的成本。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定為12.5 MHz，確保系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

2 軟件設計

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；-表示負序電流；i0表示零序電流；n表示諧波次數(shù)。

當變壓器存在故障時，內(nèi)部的負序網(wǎng)絡如圖5所示。

圖5 變壓器故障負序網(wǎng)絡

根據(jù)圖5 可知，負序產(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]。

在確定綜合負序分量的工作原理后，對變壓器轉(zhuǎn)換性故障進行識別。

利用綜合負序分量對變壓器的故障進行識別時，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)生綜合負序分量[16]。

設置運行過程中產(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)部的差動保護電流。系統(tǒng)在運行過程中，能夠確定初始飽和點，自動實現(xiàn)差動保護閉鎖，電流互感器一旦達到飽和狀態(tài)，系統(tǒng)難以精準地分析出電流的變化情況，無法確定系統(tǒng)電流飽和點出現(xiàn)的時間，因此需要分析變壓器外傳區(qū)域故障的起始點，并判斷在進入飽和狀態(tài)出現(xiàn)的第一個極大值點和活潑極小值點，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)上設置閾值，將故障采樣點與閾值相比，如果采樣點超過閾值，則證明變壓器存在轉(zhuǎn)換性故障，需要迅速進行差動保護，如果采樣點小于門檻值，則證明變壓器存在區(qū)外故障，使用閉鎖保護即可[17]。

3 實驗研究

為了更好地驗證該文提出的基于綜合負序分量的變壓器轉(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LS-SVM 的變壓器故障識別方法進行對比實驗。

設定實驗過程的采樣頻率為3 600 Hz，在工作狀態(tài)過程中采樣18 個工作點，發(fā)電機的額定容量可以達到30 MVA，使用的實驗線路總長為52.331 km，可提供不同的正序阻抗和零序阻抗。

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

圖6 分類實驗結(jié)果

根據(jù)圖6 可知，由于采集的數(shù)據(jù)具備不均衡性，因此分類準確率難以保障，基于改進LS-SVM 的變壓器故障識別方法的分類準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準差較大，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，導致邊界包裹的空白區(qū)域較多，識別方法的準確性也得以降低。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)進行分析，從而提高了故障樣本的識別能力。

圖7 基于改進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

該文在分析綜合負序分量的工作特點后，設計了一種變壓器轉(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)，也能夠很好地實現(xiàn)故障識別，從而更好地彌補由于其他依據(jù)不足而造成的識別結(jié)果不準確的問題。該文系統(tǒng)在實際應用中有廣闊的應用空間，但是如何在復雜的工程項目中精準地提取故障分量，并確保提取結(jié)果適用于復雜工作狀況，是未來的研究重點。