小波分析在变压器励磁涌流识别中的研究
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摘要
20世纪90年代中后期人工智能以及网络技术的飞速发展，出现了以微机和光传输技术为特征的全数字控制智能保护系统，以此为标志微机继电保护技术呈现出网络化，智能化，以及保护、控制、测量和数据通信一体化的发展趋势。变压器是电力系统中非常重要的能量传递元件，它的正常运行关系到整个电力系统的正常运行。特别是大型变压器本身造价昂贵，一旦发生故障，造成的经济损失是不可预想的。
电气主设备内部故障的主保护方案是差动保护，差动保护在发电机和线路上的应用比较简单。但是对变压器内部故障的主保护，差动保护有许多特点和困难，这是由于差动保护用于变压器，一方面要反映各种因素产生较大的不平衡电流，另一方面又要求能反映具有流出电流性质的轻微内部短路。因此变压器保护的一些难题始终得不到完善彻底的解决，如果不改变继电保护的传统观念、原理和手段，则很难突破这些障碍。
基于此，本文力图讨论小波分析在变压器励磁涌流中的应用，将变压器励磁涌流或内部故障发生后的情况小波变换结果来考虑励磁涌流和内部故障的区别。
广西大学硕士学位论文
实际上，不是任何函数都可以作为小波函数，而小波函数也不是唯
一的。选择不同的小波函数对变换结果有很大的影响，若选择的母小波
不合适，则很难对变换后的结果进行识别。基于大量的仿真实验，本文
提出利用coi fs小波函数对信号奇异性的检测能力，寻求小波变换结果
的区别。
最后利用psCAD/〔MToc软件仿真变压器励磁涌流和内部故障，并对
其进行小波变换。实验结果表明coifs小波函数具有良好的信号检测能
力，能够检测到励磁涌流的突变点，从而正确识别励磁涌流和内部故障，
为变压器保护提供可靠的闭锁判据，同时由于励磁涌流识别的复杂性，
该判据也需要实践的检验。
With the fast development of artificial intelligence and network technology since late 1990's, there appears the digit-controlled intelligence protection system. Based on this system, the micro-computer relay technology has come to present a new trend where network and intelligence constitute the main feature and protection, control and measurement as well as data communications are integrated as a whole. One of the most important equipments in the power system is transformer(an energy transfer element), the normal operation of which bears greatly upon the whole power system, especially costly large-size transformer. In the case of malfunctions, economic damage incurred might be unimaginable.
The main protection scheme of power equipments against internal faults has been differential protection, the application of which is comparatively simple in the generator and transmission line. Nevertheless, there still exist many difficulties. On the one hand, differential protection is expected to
reflect the unbalanced current caused by various factors; On the other hand, it should also reflect internal faults. Therefore, some difficulties in transformer protection still fail to final satisfactory solutions so far. Without changing the traditional conception, principle and measurement, these obstacles would be rather hard to break through.
In view of these, the research on transformer inrush identification is presented in this paper. The results of wavelet transform caused by either inrush or internal faults will be available to display distinctions between the two.
In fact, not many functions can be used as wavelet function, and wavelet function is not the only one, too. The choosing to wavelet functions matters a lot. With improper functions, the distinguishing of different transform results would pose as a difficult task. Based on many tests, coif5 wavelet function is to be chosen in this paper. Because it shows the outstanding property to detect signal singularity and seek the result of their wavelet transform.
Finally, PSCAD/EMTDC the software is adopted to simulate the inrush and internal faults, and then transform them with the help of coif5 wavelet function. The test reveals that coif5 wavelet function possesses the ability to detect the signal and find the singularity of transformer inrush, thus identifying correctly the inrush and internal faults and providing a reliable blocking criterion for transformer protection. In the meanwhile, in view of
the complexity of inrush identifying, this criterion also requires testing in practice.
电气主设备内部故障的主保护方案是差动保护，差动保护在发电机和线路上的应用比较简单。但是对变压器内部故障的主保护，差动保护有许多特点和困难，这是由于差动保护用于变压器，一方面要反映各种因素产生较大的不平衡电流，另一方面又要求能反映具有流出电流性质的轻微内部短路。因此变压器保护的一些难题始终得不到完善彻底的解决，如果不改变继电保护的传统观念、原理和手段，则很难突破这些障碍。
基于此，本文力图讨论小波分析在变压器励磁涌流中的应用，将变压器励磁涌流或内部故障发生后的情况小波变换结果来考虑励磁涌流和内部故障的区别。
广西大学硕士学位论文
实际上，不是任何函数都可以作为小波函数，而小波函数也不是唯
一的。选择不同的小波函数对变换结果有很大的影响，若选择的母小波
不合适，则很难对变换后的结果进行识别。基于大量的仿真实验，本文
提出利用coi fs小波函数对信号奇异性的检测能力，寻求小波变换结果
的区别。
最后利用psCAD/〔MToc软件仿真变压器励磁涌流和内部故障，并对
其进行小波变换。实验结果表明coifs小波函数具有良好的信号检测能
力，能够检测到励磁涌流的突变点，从而正确识别励磁涌流和内部故障，
为变压器保护提供可靠的闭锁判据，同时由于励磁涌流识别的复杂性，
该判据也需要实践的检验。
With the fast development of artificial intelligence and network technology since late 1990's, there appears the digit-controlled intelligence protection system. Based on this system, the micro-computer relay technology has come to present a new trend where network and intelligence constitute the main feature and protection, control and measurement as well as data communications are integrated as a whole. One of the most important equipments in the power system is transformer(an energy transfer element), the normal operation of which bears greatly upon the whole power system, especially costly large-size transformer. In the case of malfunctions, economic damage incurred might be unimaginable.
The main protection scheme of power equipments against internal faults has been differential protection, the application of which is comparatively simple in the generator and transmission line. Nevertheless, there still exist many difficulties. On the one hand, differential protection is expected to
reflect the unbalanced current caused by various factors; On the other hand, it should also reflect internal faults. Therefore, some difficulties in transformer protection still fail to final satisfactory solutions so far. Without changing the traditional conception, principle and measurement, these obstacles would be rather hard to break through.
In view of these, the research on transformer inrush identification is presented in this paper. The results of wavelet transform caused by either inrush or internal faults will be available to display distinctions between the two.
In fact, not many functions can be used as wavelet function, and wavelet function is not the only one, too. The choosing to wavelet functions matters a lot. With improper functions, the distinguishing of different transform results would pose as a difficult task. Based on many tests, coif5 wavelet function is to be chosen in this paper. Because it shows the outstanding property to detect signal singularity and seek the result of their wavelet transform.
Finally, PSCAD/EMTDC the software is adopted to simulate the inrush and internal faults, and then transform them with the help of coif5 wavelet function. The test reveals that coif5 wavelet function possesses the ability to detect the signal and find the singularity of transformer inrush, thus identifying correctly the inrush and internal faults and providing a reliable blocking criterion for transformer protection. In the meanwhile, in view of
the complexity of inrush identifying, this criterion also requires testing in practice.
引文
[1] 周玉兰，李文毅，1987年至1991年全国继电保护及安全自动装置运行情况(一)，电网技术，No．5，1991
[2] 周玉兰，1990-1999年220kV及以上变压器保护运行情况，电力自动化设备，2001，21(5)：50～52
[3] 周玉兰，1991-1994年发电机变压器保护运行统计分析，电网技术，1994，19(10)
[4] 周玉兰，许勇，王俊永等，2000年全国电力系统继电保护与安全自动装置运行情况，电网技术，2001，25(8)：64～65
[5] 周玉兰，2001年上半年继电保护运行统计与分析，中国电力，2002，35(5)：37～39
[6] 王维俭，电气主设备继电保护原理与应用，北京：中国电力出版社，1996
[7] 李存贵，变压器仿真与保护新算法的研究，华北电力大学工学博士学位论文，2001年5月
[8] 贺家李，电力系统继电保护技术的现状与发展，中国电力，1999，32(3)
[9] 王祖光，间断角原理的变压器差动保护，电力系统自动化，1991，11
[10] G.D. Rockefella, Fault Protection with a digital Computer, IEEE Trans. PAS88. NO. 4. 1969
[11] Zhang H Y et al., Sensor fault diagnosis for systems with unknown nonlinearity using neural network based nonlinear observers, IEEE conference Publication, 1998,455(2)
[12] 焦邵华，刘万顺，区分变压器励磁涌流和内部短路的积分型波形对称原理，中国电机工程学报，1999，19(8)
[13] J.S. Thorp, A.G. Phadke, A Microprocessor Based Three-Phase Transformer Differential Relay, IEEE Trans. on Power Apparatus and Systems, 1982, PAS-101(2):426-432
[14] Sidhu T.S., Sachdev M.S., .IEEE Transactions on Power Delivery, 1989, 4:1638～1648
[15] Sidhu T.S.,Sachdev M.S., .IEEE Transactions on Power Delivery, 1992, 7(4)
[16] Keizo Inagaki, et al., Digital Protection Method for Power Transformers Based on and Equivalent Circuit Composed of Inverse Inductance, IEEE Trans. on Power Delivery, 1988,3 (4)
[17] 王维俭，变压器微机差动保护的新动向，继电器，2001，12：36～38
[18] Yabe. K, Power Differential Method for Discrimination between Fault and Magnetizing Inrush in Transformers, IEEE Transactions on Power Delivery, 1997, 12(3):1109～1115
[19] 张传利，黄益庄，王国兴，变压器微机保护新算法的研究及其应用，继电器，1999，27(5)
[20] 薄志谦等，一种基于检测暂态电流的变压器保护新方法，中国电力，1997，31(1)
[21] Z Q Bo, G C Weller, A new technique for transformer protection based on transient detection, ALSTOM T&D Protection &Control Ltd.
[22] A Wiszniewsld, B. Kasztenny, Fuzzy Sets Approach to Transformer Differential Relay , Proceeding of the 1993 Developments of Power System Protection, New York 1993:169～172
[23] ROBERTSON D C, CAMPS O I, MAYER J S, et al., Wavelets and Electromagnetic Power System Transients[J],IEEE Trans on Power Delivery, 1996,11(2):1050～1058
[24] 王增平等，模糊逻辑与模糊推理在继电保护中的应用，保定：全国高等学校电力系统及其自动化专业第二十届学术年会论文集，1996
[25] 段玉倩，贺家李，基于人工神经网络方法的微机变压器保护，电网技术 1998，18(3)
[26] 苏洪波，尹项根，陈德树，微机自适应式发电机定子接地保护的研究，电网技术，1996，9
[27] 刘世明，林湘宁，陈德树，变压器主保护中自适应方案，继电器，2001，29(3)
[28] 蔡超豪，王奇，变压器自适应差动保护——利用变压器主磁通对差电流的变化率鉴别励磁涌流，东北电力技术，1998，6
[29] 杨兵，丁辉，罗为民等，基于知识库的变压器故障诊断专家系统，中国电机工程学报，2002，22(10)
[30] I. Daubechies, Where do Wavelets Come From, A Personal Point of View, Pro. IEEE, 84 (5) 510～513,1996
[31] 秦前清，杨宗凯，实用小波分析，西安电子科技大学出版社，西安：1994
[32] 胡昌华，张军波，夏军，张伟，基于MATLAB的系统分析与设计——小波分析，西安：西安电子科技大学出版社，2000
[33] 李建平，小波分析与信号处理——理论、应用及软件实现，重庆：重庆大学出版社，2000
[34] 杨福生，小波变换的工程分析与应用，科学出版社，北京：2001
[35] 彭玉华，小波变换与工程应用，科学出版社，北京：2002
[36] Stéphane Mallat，信号处理的小波导引，杨力华等译，第二版，北京：机械工业出版社，2002，9
[37] 林湘宁，刘沛，程时杰等，小波分析基础理论及其在电力系统中的应用-第1讲 小波变换及其时-频局部化特长，电力系统自动化，1997，21(10)
[38] 林湘宁，刘沛，程时杰等，小波分析基础理论及其在电力系统中的应用-第2讲 信号小波分解与回复的快速算法，电力系统自动化，1997，21(11)
[39] 任震，黄雯莹，何建军等，小波分析及其在电力系统中的应用(一)概论，电力系统自动化，1997，21(1)
[40] 石志强，任震，黄雯莹，小波分析及其在电力系统中的应用(二)理论基础，电力系统自动化，1997，21(2)
[41] 黄群古，基于小波理论的电力系统电机故障信号分析方法研究，华南理工大学博士学位论文，2001，5
[42] 杨桦，黄雯莹，任震，小波变换及其在电机故障诊断领域应用前景，上海：全国高校电力系统及其自动化专业第十三届学术年会论文集，1994
[43] 徐淑珍，小波分析用于变压器局部放电在线监测中消噪的研究，上海交通大学博士学位论文，2001．1
[44] 王渝红，小波分析及其在电动机故障监测中的应用，重庆大学硕士学位论文，1995
[45] 焦邵华，刘万顺等，利用小波理论区分变压器的励磁涌流和短路电流的新原理，中国电机工程学报，1999，19(7)：1～5
[46] 林湘宁，刘沛，程时杰，关于小波包变换的变压器励磁涌流识别新方法，中国电机工程学报，1999，19(8)：15～19
[47] 王渝红，任震，黄雯莹等，离散二进小波变换及其在电机故障分析中的应用，电力系统自动化，1995，19(12)：20～24
[48] Chen Xiangxun, Wavelet-Based Detection, Localization, Quantification and Classification of Short Duration Power Quality Disturbances Power Engineering Society Winter Meeting, 2002. IEEE , 2002 (2): 931～936
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[53] George G. Karady, Manuel Reta-Hernandez, Felix Amarh, Improved Technique For Fault Detection Sensitivity In Transformer Impulse Test, Society Summer Meeting, 2000. IEEE
[54] Dong Xinzhou, Ge Yaozhong, Xu Bingyin, Fault Position Relay Based on Current Travelling Waves and Wavelets, Society Winter Meeting, 2000. IEEE
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[56] 张传利，黄益庄，马晓旭等，改进递归小波变换在变压器保护中的应用[J]，电力系统自动化，1999，23(17)20～22
[57] 全玉生，李洪杰，严璋，应用小波变换测量间断角的新方法[J]，电力系统自动化，1998，22(1)：33～35
[58] 杨钟皓，董新洲，基于小波变换的变压器励磁涌流识别方法，清华大学学报(自然科学版)，2002，42(9)：1184～1187
[59] 焦邵华，刘万顺，刘建飞等．用小波理论区分变压器的励磁涌流和短路电流的新原理．中国电机工程学报．1999，19(7)：1～5
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[61] Moisés Gémez-Morante, Denise W. Nicoletti. A Wavelet-based Differential Transformer Protection. IEEE Transactions on Power Delivery, Vol.14, No. 4, October 1999, P. 1351～1358
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[65] 陈增田，电力变压器保护(第二版)，北京：水利电力出版社，1989
[66] 蔡义明，莫耀赐，李明，小波分析在变压器励磁涌流识别中的研究，成都：全国高等学校电力系统及其自动化专业第十九届年会，2003年10月
[67] 许建安，电力系统微机继电保护，北京：中国水利水电出版社，2001
[68] 王维俭，侯炳蕴，大型机组继电保护理论基础，北京：水利电力出版社，1996
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[60] Xiangning Lin, Pei Liu, Shijie Cheng. A WAVELET TRANSFORM BASED SCHEME FOR POWER TRANSFORMER INRUSH IDENTIFICATION. Power Engineering Society Winter Meeting, 2002. IEEE , Vol. 3, P. 1862～1867
[61] Moisés Gémez-Morante, Denise W. Nicoletti. A Wavelet-based Differential Transformer Protection. IEEE Transactions on Power Delivery, Vol.14, No. 4, October 1999, P. 1351～1358
[62] 任震，黄群古，黄雯莹，小波理论在电力系统微机保护中的应用研究，继电器，2001，29(1)
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[66] 蔡义明，莫耀赐，李明，小波分析在变压器励磁涌流识别中的研究，成都：全国高等学校电力系统及其自动化专业第十九届年会，2003年10月
[67] 许建安，电力系统微机继电保护，北京：中国水利水电出版社，2001
[68] 王维俭，侯炳蕴，大型机组继电保护理论基础，北京：水利电力出版社，1996
[69] 李贵存，刘万顺，贾清泉等，一种利用小波原理防止变压器差动保护误动的新算法，电网技术，2001，25(7)：48～51