變壓器勵(lì)磁涌流仿真建模優(yōu)化及應(yīng)用測(cè)試

張文軍 王曉忠 易善軍 魏聰

摘 要： 研究針對(duì)單相變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真建模、并對(duì)該數(shù)據(jù)信息進(jìn)行識(shí)別和抑制，在變壓器內(nèi)磁通比變化和合閘時(shí)動(dòng)態(tài)過(guò)程，建立單相變壓器仿真模型，設(shè)計(jì)出變壓器勵(lì)磁涌流抑制系統(tǒng)。通過(guò)使用TMS320F2812主控制器，采樣模塊中應(yīng)用TV31B02電壓互感器和TA21A11電流互感器，將變壓器電流、電壓轉(zhuǎn)換為合適的信號(hào)。結(jié)果表明：勵(lì)磁涌流識(shí)別方法的識(shí)別誤差最??；使用抑制系統(tǒng)后產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流的最大值為15.2A，僅為額定電流的2倍。

關(guān)鍵詞： 勵(lì)磁涌流；變壓器仿真；小波熵；滑動(dòng)數(shù)據(jù)窗；抑制系統(tǒng)；

中圖分類號(hào)： TP37；TQ016.5+3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號(hào)： 1001-5922（2023）08-0149-04

Transformer inrush current simulation modeling and magnetic inrush current identification and suppression

ZHANG Wenjun1，WANG Xiaozhong2，3，YI Shanjun1，WEI Cong2，3

（1.State Grid East Inner Mongolia Electric Power Supply Co.，Ltd.，Hohhot 010020，China；2.NARI Group Corporation，Nanjing 211106，China；3.NARI Technology Co.，Ltd.，Nanjing 211106，China）

Abstract： This research applies simulation modeling based on the internal structure of the single-phase transformer，identifies and inhibits the data，analyzes the change of the magnetic flux ratio in the transformer and the dynamic process during closing，establishes a single-phase transformer simulation model，designs a transformer magnetizing inrush current suppression system.By using TMS320F2812 main controller，

TV31B02 voltage transfermer and TA21A11 current transfermer ?in sampling module， the transfermer current and voltage were transfered into optimal signals.

Experiments showed that the identification error of the magnetizing inrush current identification method in this study was the smallest，and the maximum value of the magnetizing inrush current generated after using the suppression system was 15.2A，which was only twice the rated current.

Key words： inrush current;transformer simulation;the wavelet entropy;sliding data window;inhibition system

應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法，建立3層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，能夠識(shí)別出勵(lì)磁涌流和內(nèi)部故障電流[1]。該方法能夠提高勵(lì)磁涌流和內(nèi)部故障電流的信息，計(jì)算能力大大提高；但該算法結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在節(jié)點(diǎn)調(diào)整時(shí)，很難實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的分類與降維。這導(dǎo)致在使用數(shù)據(jù)樣本時(shí)，通過(guò)較少的訓(xùn)練便可得到的不同形式數(shù)據(jù)信息的識(shí)別，但訓(xùn)練數(shù)據(jù)精度比較低?；谀：壿嫷亩嗯袆e方法，引入模糊隸屬度和權(quán)重，利用模糊集邏輯技術(shù)，能夠大大提高單相變壓器的評(píng)估與計(jì)算能力，提高了變壓器故障診斷能力[2]；但該技術(shù)在單相變壓器的勵(lì)磁涌流仿真建模上，效率低下。通過(guò)綜合各方面信息以及反應(yīng)變壓器故障，在模糊分析沒(méi)有自主學(xué)習(xí)能力的情況下，模糊規(guī)則的關(guān)系不明確。

本研究深入分析單相變壓器的勵(lì)磁涌流產(chǎn)生原因，并建立單相變壓器仿真模型，使用小波熵算法識(shí)別出變壓器中勵(lì)磁涌流和內(nèi)部故障電流。設(shè)計(jì)勵(lì)磁涌流抑制系統(tǒng)，以TMS320F2812的DSP控制器為核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器信號(hào)的采集和傳輸，對(duì)勵(lì)磁涌流進(jìn)行抑制。

1 單相變壓器的勵(lì)磁涌流仿真建模

本研究通過(guò)Tsallis小波熵方法實(shí)現(xiàn)變壓器勵(lì)磁涌流識(shí)別，經(jīng)過(guò)小波分解輸出特征信號(hào)的低頻分量和高頻分量。并且對(duì)得到相應(yīng)的重構(gòu)信號(hào)加入一個(gè)滑動(dòng)數(shù)據(jù)窗，將所得的熵值歸一化處理。還使用選合相技術(shù)的三相變壓器的同步合閘策略，設(shè)計(jì)出勵(lì)磁涌流的抑制系統(tǒng)，主控制器選用TMS320F2812的DSP控制器。開(kāi)入量板中加入壓敏電阻和光耦元件，壓敏電阻保護(hù)電路受到過(guò)電壓的影響，光耦在輸入端起到共模抑制和單向傳輸?shù)男Ч?/p>

文中勵(lì)磁涌流仿真建模與常規(guī)的方法在于加入了小波分解元素，能夠?qū)崿F(xiàn)不同頻率段數(shù)據(jù)因素的分析，并且能夠根據(jù)變壓器中磁通量的變化，分相控制合閘時(shí)間，選擇三相電壓極性相飯的時(shí)間，防止變壓器進(jìn)行飽和狀態(tài)。本研究涵蓋大部分狀況，那么勵(lì)磁涌流識(shí)別方法中整定值如何確定？這一部分根據(jù)單相變壓器的勵(lì)磁涌流仿真建模，一部分根據(jù)勵(lì)磁涌流的問(wèn)題進(jìn)行，文中抑制方法與其他方法相比優(yōu)勢(shì)在于，能夠通過(guò)計(jì)算高頻和低頻的頻帶，對(duì)采樣頻率進(jìn)行高低頻逼近，以高清晰姿態(tài)獲取多級(jí)分解數(shù)據(jù)信息。

單相變壓器如圖1所示。

在圖1中，單相變壓器中 i 1表示一次側(cè)電流；Φ 表示鐵芯內(nèi)部的磁通。當(dāng)變壓器在空載狀態(tài)下合閘時(shí)，一次側(cè)直接與供電網(wǎng)絡(luò)先連，右側(cè)斷開(kāi)連接負(fù)載，其回路方程可表示為：

N 1 dΦ dt +R 1i 1=U m sin ?ωt+α ???（1）

式中： R 1 表示一次側(cè)電阻； N 1 表示一次側(cè)線圈匝數(shù)；合閘時(shí)刻 t 1 的剩磁為 Φ r ，則磁通可表示為：

Φ=Φ m cos ?ωt+α + Φ r+Φ m cos ?ωt 1+α ?e- R 1 L m ???（2）

式中： α 表示電壓相角； L m 表示一次側(cè)電感； Φ m 表示穩(wěn)態(tài)磁通的最大值。其中- Φ m cos ?ωt+α ?為穩(wěn)態(tài)磁通，其余的為暫態(tài)磁通。 Φ m cos ?ωt 1+α ?為直流磁通。暫態(tài)磁通為周期分量，能夠使變壓器處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)，最大值與運(yùn)行參數(shù)和相角有關(guān)，對(duì)暫態(tài)磁通進(jìn)行約束能夠解決勵(lì)磁涌流的問(wèn)題。結(jié)合磁通表達(dá)式，建立單相變壓器的仿真模型，模擬合閘時(shí)發(fā)生勵(lì)磁涌流的情況[3]，單相變壓器的勵(lì)磁涌流仿真模型如圖2所示。

由圖2中的單相變壓器勵(lì)磁涌流仿真模型，電流表能夠檢測(cè)到產(chǎn)生的勵(lì)磁電流，其中的諧波含量能夠直接反映勵(lì)磁電流信息強(qiáng)弱。通過(guò)分析諧波電流，其諧波含量如圖3所示。

由圖3可知，勵(lì)磁電流的波形呈尖頂狀，與其他諧波相比，二次諧波的幅值較高。二次諧波的含量高于30%，相對(duì)于其他諧波含量要高，且偏離時(shí)間軸。波形的間斷角明顯且隨時(shí)間不斷增加，但波形不斷衰減。由此可以看出，當(dāng)出現(xiàn)這種波形時(shí)，變壓器勵(lì)磁涌流中數(shù)據(jù)信息容易被外界干擾，出現(xiàn)勵(lì)磁涌流的可能性比較大。

2 基于Tsallis小波熵的勵(lì)磁涌流識(shí)別方法

變壓器信號(hào)的高頻部分隨著分解層數(shù)的增加，相鄰的高頻分量對(duì)計(jì)算結(jié)果影響越大； 而使用Tsallis小波熵能夠很大程度地減少影響程度[4]。分解過(guò)程如圖4所示，顯示了各個(gè)尺度上的頻率分布情況。

在得到重構(gòu)信號(hào)的基礎(chǔ)上定義一個(gè)滑動(dòng)數(shù)據(jù)窗，可表示為：

W j m，ω，δ = d k ，k=1+mδ，…，ω+mδ ????（3）

式中： ω 表示窗寬； δ 表示滑動(dòng)因子， m=1，2，…， N－ω /δ ?；瑒?dòng)窗在重構(gòu)信號(hào)中滑動(dòng)得到 ∪ L l=1 Z l ，數(shù)據(jù)窗內(nèi)小波系統(tǒng) d k ?落入滑動(dòng)數(shù)據(jù)窗區(qū)間內(nèi)的概率為 P m l ?，第 j 尺度的Tsallis小波熵可表示為：

W j m = 1 q-1 ?1-∑ L j=1 ?p m l ?q ???（4）

式中： q 為非廣延參數(shù)；當(dāng) 0<q<1 時(shí)，Tsallis小波熵中 ?p m l ?q 大于小波系數(shù)落入數(shù)據(jù)窗的概率，此時(shí)小概率事件加強(qiáng)，故障電流中高頻分量體現(xiàn)的概率增加。Tsallis小波能量熵識(shí)別變壓器勵(lì)磁涌流的具體過(guò)程為：

（1）分解變壓器特征信號(hào)后得到 M 個(gè)重構(gòu)信號(hào)，構(gòu)建一個(gè)滑動(dòng)數(shù)據(jù)窗；

（2）在滑動(dòng)數(shù)據(jù)窗中進(jìn)行取值并計(jì)算 ω/2+mδ 時(shí)刻數(shù)據(jù)窗內(nèi)信號(hào)的能量；

（3）計(jì)算 M 個(gè)尺度上能量分布 p m ，再計(jì)算Tsallis小波能量熵；

（4）滑動(dòng)數(shù)據(jù)窗在重構(gòu)信號(hào)上平移，重復(fù)“（2）”、“（3）”步驟，將所有熵值全部歸一化，得到不同時(shí)間窗下的能量熵值WE。

若小波能量熵值大于勵(lì)磁涌流的制動(dòng)量的整定值，則可以判斷其為勵(lì)磁涌流，若小于整定值則判斷為變壓器的內(nèi)部故障電流。

3 勵(lì)磁涌流的抑制方法

變壓器勵(lì)磁涌流抑制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

對(duì)三相變壓器中勵(lì)磁電涌進(jìn)行抑制時(shí)，選相合閘有多個(gè)合閘方式。快速合閘的3個(gè)相的合閘時(shí)間在一個(gè)工頻周期內(nèi)，其中一相先進(jìn)行操作，當(dāng)剩磁抵消時(shí)其他相時(shí)再合閘。延時(shí)合閘的合閘周期較長(zhǎng)，為3～4個(gè)周期。其中當(dāng)剩磁抵消時(shí)變壓器的一相進(jìn)行合閘操作，2～3個(gè)周期后等到已經(jīng)合閘的相過(guò)零點(diǎn)，此時(shí)其他再進(jìn)行合閘。要檢測(cè)變壓器中3個(gè)相的所有剩磁才能進(jìn)行快速合閘，延時(shí)合閘要檢測(cè)首先合閘的相的剩磁，這2種方法對(duì)剩磁都有要求。本研究應(yīng)用同步合閘方法，與分閘相角相同時(shí)3個(gè)相同時(shí)合閘。正常工作時(shí)的剩磁 Φ r=-Φ m× cos ?ωt+α ?，當(dāng)合閘與分閘相角相同時(shí)，暫態(tài)磁通為0。

勵(lì)磁涌流抑制系統(tǒng)選用TMS320F2812的DSP控制器，主要用發(fā)送指令給其他模塊，并接收其他模塊傳來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理操作。采樣板用來(lái)采集變壓器信號(hào)，并將信號(hào)發(fā)送給主控制器分析[5]。開(kāi)入量板模塊對(duì)變壓器整體運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，開(kāi)出量板控制斷路器開(kāi)關(guān)的閉合，數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊選用AD7606與主控制器相連[6]。

電壓、電流采樣電路如圖6所示。

采樣電路中使用TV31B02電壓互感器，左側(cè)變壓器輸入的大的電壓轉(zhuǎn)換為2 mV的電壓。電壓經(jīng)過(guò)放大器后變?yōu)殡妷盒盘?hào)，可通過(guò)控制電阻阻值的大小調(diào)節(jié)輸出的電壓信號(hào)[7]。使用TA21A11電流互感器大電流變?yōu)闉? mA的小電流。其中反并聯(lián)二極管起到保護(hù)電路的作用，輸出的電流信號(hào)通過(guò)滑動(dòng)變阻器調(diào)節(jié)。變壓器二次側(cè)電流經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器后變?yōu)殡娏餍盘?hào)，輸出后進(jìn)入模數(shù)變化模塊。

開(kāi)入量板監(jiān)測(cè)變壓器整體運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)運(yùn)行參數(shù)判斷是否出現(xiàn)故障，并檢測(cè)斷路器的開(kāi)關(guān)位置，將信號(hào)發(fā)送到主控制器中[8]。開(kāi)入量版中共有12路輸入，其中一路開(kāi)入量電路如圖7所示。

其中壓敏電阻 R 2 實(shí)現(xiàn)分流，采用14D270K。同時(shí)對(duì)整個(gè)開(kāi)入量板模塊進(jìn)行保護(hù)，防止電壓突變對(duì)電路造成損害。當(dāng)進(jìn)入模塊的電壓突然增大，壓敏電阻阻值較大時(shí)進(jìn)入電路的電壓減小，流出的電流較為穩(wěn)定，避免電路元件受到電壓沖擊，同時(shí)能夠很好的排除干擾信號(hào)[9]。

開(kāi)入量經(jīng)過(guò)光耦隔離后進(jìn)入主控制器。光耦元件采用TLP521-4四路光耦，采用3個(gè)四路光耦與開(kāi)入量板的12路相匹配。光耦之間設(shè)有電力隔離，保證了電壓、電流信號(hào)的單向傳播，輸入端實(shí)現(xiàn)共模抑制，同時(shí)增加了光耦的抗干擾能力。

4 應(yīng)用測(cè)試

為驗(yàn)證本研究變壓器勵(lì)磁涌流識(shí)別方法和抑制系統(tǒng)的性能，分別使用文獻(xiàn)[3]、文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)和本研究系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)比3種系統(tǒng)的識(shí)別精度和抑制效果。本研究實(shí)驗(yàn)利用MATLAB/SIMULINK軟件進(jìn)行仿真，建立變壓器勵(lì)磁涌流模型，得到變壓器暫態(tài)電流。其中設(shè)置變壓器工作頻率為50 Hz，采樣頻率為2 kHz?；瑒?dòng)窗寬為10，滑動(dòng)步長(zhǎng)為1，非廣延參數(shù)為0.5；

仿真得到的勵(lì)磁涌流波形如圖8所示。

由圖8可知，勵(lì)磁涌流呈現(xiàn)尖頂波，可以看出存在間斷角的特征。同時(shí)仿真得到兩側(cè)的電流和電壓，使用3種系統(tǒng)對(duì)空載合閘時(shí)變壓器運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行識(shí)別，得到的參數(shù)識(shí)別結(jié)果如表1所示。

由表1可知，本研究識(shí)別方法可以準(zhǔn)確識(shí)別出空載合閘時(shí)電阻和電感值的變化，識(shí)別精度較高，得到的誤差較小[10]。識(shí)別到 R 1 的誤差為0.1408%， L 1 誤差為1.19%

文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)對(duì)空載合閘時(shí) R 1 的變化識(shí)別誤差為0.556 5%，對(duì) L 1 的識(shí)別誤差為8.64%。 對(duì)電感的識(shí)別誤差遠(yuǎn)大于本研究，當(dāng)變壓器內(nèi)部出現(xiàn)輕微故障電流，文獻(xiàn)[3]可能出現(xiàn)誤識(shí)別的情況，將內(nèi)部故障識(shí)別為勵(lì)磁涌流。文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)對(duì)變壓器中 R 1 的識(shí)別誤差最大，達(dá)到1.776 2%，對(duì) L 1 的識(shí)別誤差為4.115%。識(shí)別誤差較大，當(dāng)變壓器發(fā)生空載合閘與內(nèi)部?jī)上喙收蠒r(shí)，可能會(huì)誤識(shí)別為勵(lì)磁涌流。

檢測(cè)到空載合閘時(shí)變壓器勵(lì)磁涌流的波形如圖9所示。

由表9可知，通過(guò)觀察勵(lì)磁涌流波形變化可以看出變壓器在0.23 s時(shí)刻合閘，產(chǎn)生勵(lì)磁涌流的最大值為15.2 A，最大值僅為額定電流的2倍，說(shuō)明本研究勵(lì)磁涌流抑制系統(tǒng)發(fā)揮作用，達(dá)到了抑制效果。變壓器的C相電流最大，B相電流的極性與其他兩相相反，A相電流值最小恢復(fù)穩(wěn)定時(shí)間最短。

5 結(jié)語(yǔ)

本研究對(duì)單相變壓器結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并分析空載合閘過(guò)程產(chǎn)生勵(lì)磁涌流的原因，建立單相變壓器的仿真模型。通過(guò)小波快速分解和信息熵結(jié)合，提出基于Tsallis小波熵的方法識(shí)別勵(lì)磁涌流和內(nèi)部故障電流。建立勵(lì)磁涌流抑制系統(tǒng)，降低勵(lì)磁涌流的最大值。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，該研究雖然具有一定的技術(shù)效果，但在具體應(yīng)用中，該技術(shù)僅對(duì)單相和三相變壓器的勵(lì)磁涌流和抑制進(jìn)行分析，未考慮到多繞組變壓器，因此，出于篇幅的限制，該研究有待進(jìn)一步深入分析。

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