陜西能源趙石畔煤電有限公司 邵治濤

1 引言

變壓器是發(fā)電廠電力系統(tǒng)中的主要設(shè)備，此設(shè)備在運(yùn)行中的安全性或穩(wěn)定性不僅關(guān)系到發(fā)電廠的輸電質(zhì)量與輸電效率，還會(huì)對(duì)供電過(guò)程的可靠性與動(dòng)作執(zhí)行準(zhǔn)確性具有較為直接的影響[1]。然而，在深入變壓器運(yùn)行的研究中發(fā)現(xiàn)，大部分變壓器在運(yùn)行中都存在動(dòng)作執(zhí)行準(zhǔn)確率低的問(wèn)題。根據(jù)我國(guó)電力市場(chǎng)不完全統(tǒng)計(jì)可知，2019年變壓器執(zhí)行保護(hù)動(dòng)作的準(zhǔn)確率僅為72%，而輸電線路執(zhí)行保護(hù)動(dòng)作的準(zhǔn)確率卻可以達(dá)到99%以上。因此，有必要采取對(duì)應(yīng)的措施進(jìn)行變壓器在運(yùn)行中進(jìn)行保護(hù)性能的優(yōu)化。在常規(guī)條件下，只要?jiǎng)?lì)磁電流可以達(dá)到一個(gè)較小的數(shù)值，便可以通過(guò)整定的方式，進(jìn)行勵(lì)磁電流影響的規(guī)避。但在變壓器的空投運(yùn)行狀態(tài)極易引發(fā)較大的勵(lì)磁涌流，涌流可以達(dá)到變壓器額定電流的5～9 倍，此種涌流現(xiàn)象便造成變壓器運(yùn)行出現(xiàn)錯(cuò)誤的差動(dòng)保護(hù)行為[2]。發(fā)電站與電力單位會(huì)采用二次諧波的方式，進(jìn)行差動(dòng)保護(hù)行為的閉鎖處理，但隨著發(fā)電廠相關(guān)作業(yè)工作的優(yōu)化，變電器中的鐵芯材料持續(xù)發(fā)生改進(jìn)，涌流中攜帶的二次諧波呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，此種現(xiàn)象會(huì)加劇差動(dòng)保護(hù)的錯(cuò)誤行為[3]。為解決上述問(wèn)題，本文將以ABB 發(fā)電廠提供的UNTROL6800 變壓器勵(lì)磁系統(tǒng)為例，設(shè)計(jì)一種針對(duì)勵(lì)磁涌流的全新識(shí)別方法，通過(guò)此種方式，提高差動(dòng)保護(hù)行為的準(zhǔn)確率。

2 提取發(fā)電廠變壓器勵(lì)磁涌流峭度

為實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器勵(lì)磁涌流的識(shí)別，應(yīng)該將變壓器在運(yùn)行中的勵(lì)磁涌流峭度作為識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行變壓器運(yùn)行電流的識(shí)別。在此過(guò)程中可將勵(lì)磁涌流峭度作為反映變壓器運(yùn)行電流隨機(jī)分布特性的關(guān)鍵統(tǒng)計(jì)量[4]。結(jié)合不同情況，不同變量分布下的變壓器勵(lì)磁涌流峭度曲線如圖1所示。

圖1 不同變量分布下的變壓器勵(lì)磁涌流峭度曲線

在圖1中：1表示為K>0的峭度曲線；2表示為K=0 的峭度曲線；3 表示為K<0 的峭度曲線。其中曲線1符合高斯分布特征；曲線2符合超高斯分布特征；曲線3符合亞高斯分布特征[5]。

3 勵(lì)磁涌流信號(hào)分解小波熵值計(jì)算

定義變壓器勵(lì)磁涌流信號(hào)表示為X，將X與時(shí)刻點(diǎn)進(jìn)行匹配，對(duì)應(yīng)的信號(hào)表示為X(t)。使用Mallat算法對(duì)支路信號(hào)進(jìn)行分解，通過(guò)此種方式，可以掌握發(fā)電廠變壓器在運(yùn)行中產(chǎn)生勵(lì)磁涌流電流信號(hào)的能量熵。

假設(shè)重構(gòu)后的信號(hào)存在M個(gè)流通支路，可以采用在操作界面建立一個(gè)滑動(dòng)窗口的方式，進(jìn)行信號(hào)支路信息的提取。同時(shí)，根據(jù)窗口中的數(shù)據(jù)，對(duì)M支路中的重構(gòu)信號(hào)進(jìn)行能量值提取，提取過(guò)程如下計(jì)算公式（1）:

式（1）中：d為重構(gòu)信號(hào)能量值；w為滑動(dòng)窗口寬度；m為M支路中的分支路；δ為窗口滑動(dòng)步長(zhǎng)；k為信號(hào)尺度；j為信號(hào)在空間中的維度。

結(jié)合上述方式，進(jìn)行窗口的滑動(dòng)，確保在指定寬度內(nèi)的窗口數(shù)據(jù)完全被提取后，進(jìn)行信號(hào)的小波熵值計(jì)算,計(jì)算公式（2）：

式（2）中：E為分解信號(hào)的小波熵值。

在此基礎(chǔ)上，將窗口進(jìn)行上移滑動(dòng)，重復(fù)上述步驟，進(jìn)行不同窗口數(shù)據(jù)的歸一化處理，整定所有歸一化數(shù)值，將其作為勵(lì)磁涌流的判別依據(jù)。

4 基于基波能量的變壓器勵(lì)磁涌流辨識(shí)

在上述設(shè)計(jì)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，引進(jìn)基波能量理論，進(jìn)行變壓器勵(lì)磁涌流的辨識(shí)設(shè)計(jì)。在此過(guò)程中，應(yīng)該明確發(fā)電廠變電站在發(fā)生勵(lì)磁涌流現(xiàn)象時(shí)，電流產(chǎn)生的基波與變壓器運(yùn)行產(chǎn)生的二次諧波能量差異較小。當(dāng)變壓器在運(yùn)行中出現(xiàn)內(nèi)部其他故障時(shí)，電流產(chǎn)生的基波與變壓器運(yùn)行產(chǎn)生的二次諧波能量差異較大?？梢酝ㄟ^(guò)提取能量的方式，進(jìn)行涌流的識(shí)別，對(duì)能量的提取過(guò)程可用計(jì)算公式（3）：

式（3）中：A1為變壓器在運(yùn)行中基波能量；r為能量覆蓋范圍；s為均方根函數(shù)；x'為動(dòng)態(tài)可調(diào)參數(shù)；n為數(shù)據(jù)擬合行為發(fā)生次數(shù)。

按照上述計(jì)算公式可知，勵(lì)磁涌流能量的大小與多個(gè)參數(shù)變量有關(guān)。為更加直觀地識(shí)別勵(lì)磁涌流，可設(shè)定一個(gè)門(mén)限參數(shù)，將其作為識(shí)別門(mén)檻。按照上述方式，實(shí)現(xiàn)基于基波能量的勵(lì)磁涌流辨識(shí)，完成對(duì)勵(lì)磁涌流識(shí)別方法的設(shè)計(jì)。

5 對(duì)比試驗(yàn)

本文從三個(gè)方面完成UNTROL6800 變壓器勵(lì)磁涌流識(shí)別方法的設(shè)計(jì)，為檢驗(yàn)此方法的可行性，開(kāi)展實(shí)例應(yīng)用試驗(yàn)。此次選用的勵(lì)磁系統(tǒng)由調(diào)節(jié)柜、交、直流勵(lì)磁共箱母線、整流柜等構(gòu)成，為滿足試驗(yàn)需求，為此勵(lì)磁系統(tǒng)配備兩套呈現(xiàn)獨(dú)立狀態(tài)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置，將其表示為CH1 與CH2，配置一套獨(dú)立的備用控制器BU（備用控制器BU僅具有手動(dòng)勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)功能）。

勵(lì)磁系統(tǒng)配置四面三相可控硅整流柜，通過(guò)調(diào)節(jié)硅通角度，進(jìn)行變壓器勵(lì)磁電流的調(diào)整，四面整流柜設(shè)置有智能均流裝置，提高了整流柜運(yùn)行中的均流度。試驗(yàn)前，設(shè)計(jì)勵(lì)磁系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范如表1所示。

表1 勵(lì)磁系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范

在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)發(fā)電廠變壓器，此變壓器為單相雙線圈無(wú)載調(diào)壓強(qiáng)油循環(huán)風(fēng)冷裝置，發(fā)電廠變壓器技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 發(fā)電廠變壓器技術(shù)參數(shù)

分別利用本文提出的識(shí)別方法和傳統(tǒng)識(shí)別方法完成對(duì)發(fā)電廠中變壓器勵(lì)磁涌流問(wèn)題的識(shí)別，傳統(tǒng)識(shí)別方法為基于矩陣束的識(shí)別方法。在已知此變壓器在運(yùn)行中存在2 處勵(lì)磁涌流現(xiàn)象后，輸出本文識(shí)別方法識(shí)別結(jié)果如圖2所示。

圖2中虛線代表變壓器額定電流允許波動(dòng)范圍，從圖2可以看出，利用本文識(shí)別方法共找出該變壓器勵(lì)磁涌流異常問(wèn)題發(fā)生的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，針對(duì)電流正常波動(dòng)和涌流現(xiàn)象可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確識(shí)別。再將傳統(tǒng)識(shí)別方法得到的結(jié)果進(jìn)行繪制，得到基于矩陣束的識(shí)別方法識(shí)別結(jié)果如圖3所示。

圖2 本文識(shí)別方法識(shí)別結(jié)果

圖3 基于矩陣束的識(shí)別方法識(shí)別結(jié)果

由圖3可知，基于矩陣束的識(shí)別方法針對(duì)該變壓器共找出6 處異常涌流節(jié)點(diǎn)。這一識(shí)別方法將變壓器的正常電流波動(dòng)問(wèn)題也識(shí)別歸類為異常涌流，未實(shí)現(xiàn)對(duì)涌流的準(zhǔn)確識(shí)別。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，證明本文提出的識(shí)別方法在實(shí)際應(yīng)用中可以實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器勵(lì)磁涌流的正確識(shí)別，并通過(guò)額定電流的變化情況實(shí)現(xiàn)對(duì)異常涌流和正常波動(dòng)的區(qū)分，為發(fā)電廠變壓器的運(yùn)行維護(hù)提供更有利的技術(shù)條件。結(jié)合本文識(shí)別方法得出的識(shí)別結(jié)果，可為變壓器勵(lì)磁涌流治理方案的提出提供更精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支持。

6 結(jié)語(yǔ)

差動(dòng)保護(hù)是勵(lì)磁保護(hù)中的主要保護(hù)行為，相比其他保護(hù)措施，差動(dòng)保護(hù)具有更高的速率與更強(qiáng)的靈活性。但變壓器的差動(dòng)保護(hù)屬于一種基于霍夫電流定律的保護(hù)模式，由于變壓器的純電聯(lián)系較差，保護(hù)聯(lián)系中存在大量的電磁聯(lián)系。因此，變壓器中的勵(lì)磁支路無(wú)法滿足基爾霍夫電流定律，而在此種條件下便會(huì)出現(xiàn)勵(lì)磁系統(tǒng)涌流的問(wèn)題。為避免由于勵(lì)磁涌流造成的變壓器錯(cuò)誤保護(hù)動(dòng)作，本文從提取發(fā)電廠變壓器勵(lì)磁涌流峭度、發(fā)勵(lì)磁涌流信號(hào)分解小波熵值計(jì)算、基于基波能量的變壓器勵(lì)磁涌流辨識(shí)三個(gè)方面，完成發(fā)電廠變壓器勵(lì)磁涌流識(shí)別方法的設(shè)計(jì)研究。并在此基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)證明本文設(shè)計(jì)的識(shí)別方法在實(shí)際應(yīng)用中具有可行性，但需要進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)本文設(shè)計(jì)內(nèi)容的優(yōu)化，還應(yīng)該結(jié)合實(shí)際情況，設(shè)計(jì)更多的試驗(yàn)指標(biāo)，通過(guò)此種方式，對(duì)設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行全面優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)方法綜合性能的完善，為發(fā)電廠變壓器的穩(wěn)定、持續(xù)、安全運(yùn)行提供進(jìn)一步的指導(dǎo)與幫助。