團(tuán)隊(duì)介紹

焦在濱，教授，博士生導(dǎo)師，分別于1998年，2004年在西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院獲得學(xué)士和碩士學(xué)位，2008年在西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院獲得博士學(xué)位并留校任教，2011-2012年在香港大學(xué)從事博士后研究工作。

主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)、交直流混聯(lián)配電網(wǎng)，目前正在國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“基于等效磁化曲線特征智能識(shí)別的變壓器保護(hù)新原理研究”的資助下，開展人工智能在繼電保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用研究。

李宗博，博士研究生。于2015年在東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院獲得學(xué)士學(xué)位，同年進(jìn)入西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院攻讀碩士、博士學(xué)位。研究方向?yàn)榛谌斯ぶ悄艿睦^電保護(hù)新原理與新技術(shù)。

何安陽，碩士研究生。于2019年在西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院獲得學(xué)士學(xué)位，同年進(jìn)入西安交通大學(xué)電氣學(xué)院攻讀碩士學(xué)位。研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)。

導(dǎo)語

本文系統(tǒng)地研究了變壓器鐵心動(dòng)態(tài)行為，其能從本質(zhì)上反應(yīng)變壓器的運(yùn)行狀態(tài)，而變壓器鐵心動(dòng)態(tài)行為可以通過變壓器磁化曲線的幾何特征進(jìn)行表征。基于此，本文提出一種基于等效磁化曲線（勵(lì)磁支路電壓-差動(dòng)電流）智能識(shí)別的變壓器保護(hù)原理。保護(hù)原理以等效磁化曲線若干幾何特征作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入判斷變壓器運(yùn)行狀態(tài)，大量的數(shù)字仿真和動(dòng)模實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明該方法具有良好的泛化能力，對(duì)CT飽和等場(chǎng)景具有良好的適應(yīng)性。

研究背景

傳統(tǒng)的變壓器保護(hù)大多采用帶有勵(lì)磁涌流制動(dòng)/閉鎖的電流差動(dòng)保護(hù)原理，但以二次諧波制動(dòng)為代表的勵(lì)磁涌流識(shí)別判據(jù)已難以滿足變壓器保護(hù)的要求。為此，學(xué)者們基于回路方程、勵(lì)磁電感等電氣量特征以及基于油流速度等非電氣量特征提出了大量的保護(hù)方法，但是該類方法均基于單一故障特征，在某些運(yùn)行工況下性能欠佳或存在死區(qū)。

近些年，融合多種故障特征信息，基于AI的變壓器保護(hù)原理成為新的發(fā)展方向，目前的研究成果主要分為以下幾類：

• 將差動(dòng)電流作為輸入，訓(xùn)練人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)、隨機(jī)森林等機(jī)器學(xué)習(xí)算法；
• 利用小波分析等工具提取差動(dòng)電流特征，作為輸入訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)算法；
• 利用模糊理論分析差動(dòng)電流；
• 基于差動(dòng)電流圖像，利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別勵(lì)磁涌流和內(nèi)部故障。

上述方案僅從仿真數(shù)據(jù)出發(fā)且電力系統(tǒng)多變的運(yùn)行方式對(duì)輸入影響較大，無法保證模型泛化能力；另外，大量的訓(xùn)練樣本是模型性能的保證，但仿真樣本獲取工作繁瑣、工程樣本量小的特點(diǎn)，限制了其在工程中的應(yīng)用。如何充分利用AI技術(shù)，構(gòu)建融合多故障特征的實(shí)用化繼電保護(hù)，是本領(lǐng)域迫切需要解決的問題。

論文所解決的問題及意義

本文基于勵(lì)磁支路電壓和差動(dòng)電流構(gòu)建等效磁化曲線能夠從本質(zhì)上反映變壓器運(yùn)行狀態(tài)，其形狀與變壓器運(yùn)行狀態(tài)具有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此，融合若干幾何特征作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入，構(gòu)建了具有強(qiáng)泛化能力的變壓器保護(hù)方案。

等效磁化曲線在不同的變壓器、運(yùn)行場(chǎng)景之間具有一定的通用性，基于小規(guī)模的樣本集即可獲得泛化能力較強(qiáng)的分類模型，又由于模型的輸入為等效磁化曲線的形狀特征，系統(tǒng)諧波對(duì)其影響較小。

論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)

圖1為變壓器不同工況下差動(dòng)電流及其對(duì)應(yīng)的等效磁化曲線：

• ①正常運(yùn)行時(shí)，曲線為一關(guān)于原點(diǎn)對(duì)稱的扁平橢圓，曲線的絕大數(shù)區(qū)域幾乎垂直于橫軸；
• ②內(nèi)部故障時(shí)，曲線仍為關(guān)于原點(diǎn)對(duì)稱的橢圓，但曲線整體的傾斜程度更小、橢圓長寬比減小，較大的電流成分使長軸增大；
• ③空載合閘時(shí)，鐵心將周期性地進(jìn)入和退出飽和區(qū)，當(dāng)鐵心工作點(diǎn)位于非飽和區(qū)時(shí)，曲線特征與正常運(yùn)行/內(nèi)部故障相同。

圖1 差動(dòng)電流及等效磁化曲線

非飽和部分是等效磁化曲線的本質(zhì)特征，提取非飽和部分的傾斜角度、長軸/短軸以及橢圓率等特征描述各工況下的等效磁化曲線，如圖2所示。

• 傾斜角度K，各曲線段的線性擬合曲線與橫軸夾角的最大值。
• 長短軸L，原點(diǎn)與非飽和部分采樣點(diǎn)間的距離最大值、最小值。
• 橢圓率E，短軸與長軸之比。

圖2 等效磁化曲線幾何特征

將傾斜角度、長軸、橢圓率作為輸入訓(xùn)練BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建變壓器保護(hù)，如圖3所示。

圖3 等效磁化曲線識(shí)別算法示意圖

本文基于少量仿真數(shù)據(jù)訓(xùn)練得到的模型在動(dòng)模實(shí)驗(yàn)及仿真數(shù)據(jù)上的表現(xiàn)如表1所示。

表1 算法的比較研究結(jié)果統(tǒng)計(jì)

結(jié)論

本文基于小規(guī)模樣本集訓(xùn)練得到的分類模型，對(duì)不同運(yùn)行環(huán)境下的PSCAD仿真數(shù)據(jù)、動(dòng)模實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表現(xiàn)出了較強(qiáng)的泛化能力，不受諧波等外部條件的影響；當(dāng)內(nèi)外部故障引起CT飽和或變壓器發(fā)生過勵(lì)磁時(shí)，算法表現(xiàn)出很強(qiáng)的適應(yīng)能力。基于等效磁化曲線智能識(shí)別的變壓器保護(hù)原理，訓(xùn)練簡單、泛化能力強(qiáng)、適應(yīng)能力強(qiáng)，具有良好的應(yīng)用前景。

引用本文

李宗博, 焦在濱, 何安陽. 基于等效磁化曲線智能識(shí)別的變壓器保護(hù)原理[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2020, 35(7): 1464-1475. Li Zongbo, Jiao Zaibin, He Anyang. Equivalent Magnetization Curve Intelligent Recognition Based Transformer Protection. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(7): 1464-1475.