基于综合负序分量的变压器转换性故障识别系统.pdf

针对目前提出的变压器故障识别系统对数据的分类能力较差，无法考虑样本状态，造成故障识别准确率较低的问题，引入综合负序分量，设计了变压器转换性故障识别系统。选择TMS320F2812核心处理器处理得到变压器转换性故障信号，由无源晶体配合 DSP 完成时钟模块设计，利用RC60000T-J加速度传感器，并配合信号调理器实现转换性故障信号采集。分析转换性故障信号的负序分量，确定初始饱和点，比较变压器转换性故障识别与饱和阈值，判断是否需要启用差动保护解除闭锁，完成故障识别。实验结果表明，设计的系统能够很好地完成故障分类，进而提高转换性故障识别准确率。关键词：综合负序分量；变压器；转换性故障；故障识别中图分类号：TN-9文献标识码：A文章编号：1674-6236（2023）16-0116-05DOI：10.14022/j.issn1674-6236.2023.16.024Transformer switching fault identification system based on comprehensive negativesequence componentZHOU Shaozhen1，SUN Wenwen2，WANG Ji3，FU Gang1，WU Mingxiao1（1.State Grid Henan Electric Power Company Electric Power Science Research Institute，Zhengzhou450000，China；2.State Grid Henan Electric Power Company Maintenance Company，Zhengzhou 450052，China；3.Henan Jiuyu EPRI Electric Power Technology Co.，Ltd.，Zhengzhou 450000，China）Abstract:Aiming at the problem that the current proposed transformer fault identification system haspoor data classification ability and can not consider the sample state，resulting in low accuracy of faultidentification，a transformer transformative fault identification system is designed by introducingcomprehensive negative sequence component.TMS320F2812 core processor is selected to process thetransformer conversion fault signal.The passive crystal cooperates with DSP to complete the clock moduledesign.RC60000T-J acceleration sensor and signal conditioner are used to collect the conversion faultsignal.Analyze the negative sequence component of the switching fault signal，determine the initialsaturation point，compare the transformer switching fault identification with the saturation threshold，judge whether it is necessary to enable the differential protection to unlock and complete the faultidentification.The experimental results show that the designed system can complete the fault classificationwell，and then improve the accuracy of transformative fault identification.Keywords:comprehensive negative sequence component；transformer；switching fault；fault identification-116现饱和状态，就会出现非线性特点，一次电流和二次电流之间将从线性关系转换成非线性关系，从而产生电流误差，无法保证正确的差动动作。文献1提出了基于小波分析的变压器转换性故障快速识别方法，通过模极大值确定小波检测原理，分析阈值实现消噪处理，该方法能够较好地实现故障快速识别，但是对于硬件的研究相对较少。还有学者提出了基于改进 LS-SVM的变压器故障识别方法，在确定最小参数的基础上，通过调整和改进参数，实现故障识别，但是该方法对参数的研究较多，同时缺少硬件方面的分析2。综合负序分量在电流互感器发生故障时，不需要引入线路电容参数和电抗器参数，就可以完成识别，且识别过程不会被外界的过渡电阻影响，得到的结果更加稳定。在识别过程中，用户可以根据综合负序分量的特点识别出各种不同的变压器转换性故障，根据故障原理制作故障方案。综上所述，该文基于综合负序分量设计了一种新的变压器转换性故障识别系统。1硬件设计变压器转换性故障识别系统硬件部分主要负责采集变压器表面的信号，并将信号上传到 PC 端3。系统硬件结构如图1所示。图1系统硬件结构根据图 1 可知，该文设计的系统硬件的核心芯片为 DSP 芯片，通过 TMS320F2812的外设接口处理信号，并将得到的信号传输至上位机，上位机配合 C语言完成编辑4，从而更好地处理和保存数据，实现故障识别。1.1数字信号处理器设计数字信号处理器设计过程中，选择 TI公司生产的 TMS320F2812 核心处理器。该处理器内部拥有32位定点，工作电压为 1.8 V，外部设置 I/O 口引脚，工作电压为3.3 V，工作频率为150 MHz，通过累计运算完成 32位32位的快速计算，外部设置了较多的资源，实现时间管理5-6。DSP 串行通信接口如图 2所示。图2DSP串行通信接口嵌入式芯片 DSP 满足了系统数字信号的处理要求，DSP 内部的哈佛结构能够很好地将信号数据和程序分开，确保不同的内容可以保存在不同的存储空间中，方便用户访问不同的信号和指令7。当用户访问时，CPU 可以完成一次加法和乘法，嵌入式 RAM 和 FLASH 芯片可以同时创建数据搜索空间和程序空间，并将其与 IP 地址相结合，提高中断处理速度，让不同的程序同时工作。DSP 能够支持流水线操作，能够同时完成译码、取址和执行等各种操作8-9。1.2时钟模块设计通过时钟模块向 DSP 提供时钟脉冲，利用时钟模块完成信息的选择。时钟模块如图3所示。图3时钟模块观察图 3 可知，通过无源晶体配合 DSP 的内部振荡电路完成信息振荡分析，时钟信号的工作频率为30 MHz，内部芯片为F2812芯片，采用倍频的方法提高信号的工作频率，内部设置了PLL时钟模块，能够更好地完成信息编程，确保系统在运行过程中能够得到必需的时钟信号10。选择低 4位设置的寄存器，使倍频系数能够实现动态变化，确定 CPU 主频周少珍，等基于综合负序分量的变压器转换性故障识别系统-117电子设计工程 2023年第16期率，完成信息分析。1.3采集器设计通过RC60000T-J加速度传感器，并配合信号调理器完成故障信号采集。由于变换器的转换信号多为振动信号，因此RC60000T-J加速度传感器可以更好地集中信息，从而更好地简化信号，确保用户的测量精度11。采集器内部的 F2812芯片内部含有 16路 ADC，能够在短时间内对信号的模数进行切换，有效减少系统在开发过程花费的成本。ADC 模块信号支持03 V的电压输出，为方便信号输入和输出，该文在采集器前端加入了运算放大器，选用由 TI公司生产的 OPA2356 放大器，该放大器性能极好，虽然在工作过程中也会输入漂移电流，但是输入的漂移电流较少，可以忽略不计，同时具有高压摆率和快带的优点12-13。调理电路如图4所示。图4调理电路根据图 4 可知，F2812 芯片的外设资源十分丰富，通过 ADC 模块对信号进行采集，不仅能够缩短信号的开发周期，同时能够降低系统在运行过程中所花费的成本。采集器内部的时钟信号频率可以调节，最大可以调节到 25 MHz，因此采样频率最高可以设定为12.5 MHz，确保系统的工作状态。2软件设计电力系统的三相电流计算公式14为：ia=i+a+i-a+i0+n=1n(in+a+in-a)ib=i+b+i-b+i0+n=1n(in+b+in-b)ic=i+c+i-c+i0+n=1n(in+c+in-c)（1）式 中，a、b、c分 别 表 示 电 路 中 的 A、B、C相；+表示正序电流；-表示负序电流；i0表示零序电流；n表示谐波次数。当变压器存在故障时，内部的负序网络如图 5所示。图5变压器故障负序网络根据图5可知，负序产生的综合阻抗Z为各支路阻抗数值的总和，综合电压为各支路电压总和，综合电流为各支路电流总和，可以通过式（2）得出：Z=U/IU=U1+U2I=I1+I2（2）其中，Z表示综合阻抗；U表示电压；I表示电流；U1表示分路 1电压；U2表示分路 2电压；I1表示分路1电流；I2表示分路2电流15。在确定综合负序分量的工作原理后，对变压器转换性故障进行识别。利用综合负序分量对变压器的故障进行识别时，只需要考虑故障状态，不需要考虑故障时间，只要系统存在故障，就会产生综合负序分量16。设置运行过程中产生的电流门槛值为iz，比较变压器内部的差动保护电流与门槛值的差距，式（3）为比较依据：|idiz（3）其中，id表示变压器内部的差动保护电流。系统在运行过程中，能够确定初始饱和点，自动实现差动保护闭锁，电流互感器一旦达到饱和状态，系统难以精准地分析出电流的变化情况，无法确定系统电流饱和点出现的时间，因此需要分析变压器外传区域故障的起始点，并判断在进入饱和状态出现的第一个极大值点和活泼极小值点，通过数据识别确定信号周期，使电路互感器能够更好地退出饱和状态。在饱和状态上设置阈值，将故障采样点与阈值相比，如果采样点超过阈值，则证明变压器存在转换性故障，需要迅速进行差动保护，如果采样点小于门槛值，则证明变压器存在区外故障，使用闭锁保护即可17。3实验研究为了更好地验证该文提出的基于综合负序分量的变压器转换性故障识别系统的有效性，选用基-118于小波分析的变压器转换性故障快速识别方法和基于改进 LS-SVM的变压器故障识别方法进行对比实验。设定实验过程的采样频率为 3 600 Hz，在工作状态过程中采样 18个工作点，发电机的额定容量可以达到 30 MVA，使用的实验线路总长为 52.331 km，可提供不同的正序阻抗和零序阻抗。随机采样数据特征值，并对其进行分类，通过不断分类数据样本，使数据能够更好地达到平衡状态，分类结果如图6所示。图6分类实验结果根据图 6可知，由于采集的数据具备不均衡性，因此分类准确率难以保障，基于改进 LS-SVM 的变压器故障识别方法的分类准确率会随着不均衡比例的增加而逐渐降低，因此，该方法很难分析数据状态，可能导致故障诊断结果失效。基于小波分析的变压器转换性故障快速识别方法在识别过程中由于分类标准差较大，因此在识别过程中会存在很大的波动。该文提出的基于综合负序分量的变压器转换性故障识别系统的工作性能最好，由于综合负序分量分析方法，因此不需要引入其他参数，只需要确定少量样本数量，就能够达到数据均衡，防止出现过拟合现象，能够很好地保证采样过程的随机性，从而改善识别效果。同时选取三种系统对变压器转换性能进行检测，检测结果如图7-9所示。根据图7-9可知，基于改进LS-SVM的变压器故障识别方法在识别过程中对于正常样本数量识别过多，导致正常样本边界过于紧密，使识别结果不具备泛化能力；基于小波分析的变压器转换性故障快速识别方法对于正常样本的识别数量较少，导致边界包裹的空白区域较多，识别方法的准确性也得以降低。该文提出的识别系统能够综合考虑正常样本和故障样本，对函数进行分析，从而提高了故障样本的识别能力。4结束语该文在分析综合负序分量的工作特点后，设计了一种变压器转换性故障识别系统，该系统能够精准地分析出变压器状态，确定故障发生时间和位置，即使变压器存在CT中铁芯极度饱和状态，也能够很好地实现故障识别，从而更好地弥补由于其他依据不足而造成的识别结果不准确的问题。该文系统在实际应用中有广阔的应用空间，但是如何在复杂的工程项目中精准地提取故障分量，并确保提取结果图7基于改进LS-SVM的变压器故障识别结果图8基于小波分析的变压器转换性故障快速识别结果图9该文系统识别结果周少珍，等基于综合负序分量的变压器转换性故障识别系统-119电子设计工程 2023年第16期适用于复杂工作状况，是未来的研究重点。参考文献：1 孙广慧,郑楚韬,孔祥轩,等.基于小波分析的变压器转换性故障快速识别方法J.电网与清洁能源,2021,37(2):23-29.2 张卓,王睿,柳洪波,等.基于IAFSA优化LS-SVM的变压器故障识别研究J.组合机床与自动化加工技术,2020(6):76-79.3 孟乐,焦在滨,刘星,等.一种基于负序分量的变压器励磁涌流识别新方法J.变压器,2019,56(1):50-52.4 童国锋,朱梅.基于深度学习的变压器在线故障检测J.计算机测量与控制,2020,28(9):65-68.5 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