基于深度學(xué)習(xí)的變壓器故障繼電保護(hù)快速響應(yīng)

摘 要：常規(guī)的繼電保護(hù)響應(yīng)方法以變壓器故障狀態(tài)識(shí)別為主，響應(yīng)方式存在一定的局限性，容易出現(xiàn)繼電保護(hù)響應(yīng)誤動(dòng)作的問(wèn)題。因此，設(shè)計(jì)了基于深度學(xué)習(xí)的變壓器故障繼電保護(hù)快速響應(yīng)方法。辨識(shí)變壓器故障繼電保護(hù)電流回路隱藏故障，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理電流回路中的隱藏故障，確保保護(hù)系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確、可靠地檢測(cè)變壓器故障。基于深度學(xué)習(xí)整定變壓器繼電保護(hù)快速響應(yīng)參數(shù)，根據(jù)變壓器的實(shí)際運(yùn)行狀況和故障特征，自動(dòng)優(yōu)化和調(diào)整繼電保護(hù)的整定參數(shù)，實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確隔離故障的目標(biāo)，避免出現(xiàn)誤動(dòng)或拒動(dòng)的情況。采用對(duì)比試驗(yàn)，驗(yàn)證了該方法的保護(hù)響應(yīng)更快速，繼電保護(hù)安全性更高，能夠應(yīng)用于實(shí)際生活中。

關(guān)鍵詞：深度學(xué)習(xí)；變壓器；故障；繼電保護(hù)；快速響應(yīng)方法" " " 中圖分類號(hào)：TM 41" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

變壓器通過(guò)電磁感應(yīng)轉(zhuǎn)換電能，但設(shè)計(jì)、材料、過(guò)載、高溫和維護(hù)不足易導(dǎo)致故障，包括電氣、勵(lì)磁及絕緣系統(tǒng)問(wèn)題。繼電保護(hù)旨在檢測(cè)故障并隔離區(qū)域，保證變壓器正常運(yùn)行?？焖夙憫?yīng)的繼電保護(hù)方法能加速恢復(fù)，延長(zhǎng)設(shè)備壽命。

其中，基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的變壓器故障繼電保護(hù)快速響應(yīng)方法，在變壓器上布置溫度傳感器、超聲波傳感器、氣體傳感器等多種傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變壓器的運(yùn)行狀態(tài)[1]。將從傳感器捕捉到的異常信號(hào)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，啟動(dòng)繼電保護(hù)機(jī)制，確保電網(wǎng)的運(yùn)行安全性。但是，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際應(yīng)用中可能受到電磁干擾、天氣變化等環(huán)境因素的影響，影響故障信息的傳輸速度和準(zhǔn)確性。基于解析計(jì)算的變壓器故障繼電保護(hù)快速響應(yīng)方法，系統(tǒng)持續(xù)監(jiān)測(cè)其電壓、電流、溫度等關(guān)鍵參數(shù)，并運(yùn)用數(shù)學(xué)模型和算法對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行解析計(jì)算[2]。一旦檢測(cè)到異常參數(shù)超出預(yù)設(shè)閾值或滿足特定故障模式，自動(dòng)切斷故障變壓器與電網(wǎng)的連接，防止故障擴(kuò)大。但是，該方法對(duì)計(jì)算性能的要求較大。因此，結(jié)合了深度學(xué)習(xí)的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了變壓器故障繼電保護(hù)快速響應(yīng)方法。

1 變壓器故障深度學(xué)習(xí)繼電保護(hù)快速響應(yīng)方法設(shè)計(jì)

1.1 辨識(shí)變壓器故障繼電保護(hù)電流回路隱藏故障

繼電保護(hù)包括測(cè)量比較環(huán)節(jié)、邏輯判斷環(huán)節(jié)、執(zhí)行輸出環(huán)節(jié)[3]。其中，測(cè)試比較環(huán)節(jié)承擔(dān)電氣參數(shù)測(cè)量與被測(cè)電氣量的比較判斷工作，能夠判斷繼電保護(hù)是否可靠。邏輯判斷環(huán)節(jié)可以根據(jù)測(cè)量比較環(huán)節(jié)輸出的邏輯信號(hào)，判斷變壓器是否需要執(zhí)行保護(hù)動(dòng)作，并將判定結(jié)果傳輸?shù)綀?zhí)行輸出部分。執(zhí)行輸出環(huán)節(jié)收到指令，執(zhí)行跳閘、保護(hù)動(dòng)作，并向監(jiān)測(cè)平臺(tái)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，從而確保變壓器的安全運(yùn)行[4]。想要繼電保護(hù)快速響應(yīng)，就需要從隱藏故障辨識(shí)、響應(yīng)參數(shù)整定、二次回路配置等方面入手，避免繼電保護(hù)誤動(dòng)作。辨識(shí)變壓器故障繼電保護(hù)電流回路隱藏故障，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理電流回路中的隱藏故障，確保保護(hù)系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確、可靠地檢測(cè)變壓器故障[5]。

在變壓器故障分析與繼電保護(hù)設(shè)計(jì)中，準(zhǔn)確計(jì)算電流回路的變比是一項(xiàng)至關(guān)重要的任務(wù)。變比作為衡量電流在不同位置間轉(zhuǎn)換關(guān)系的關(guān)鍵參數(shù)，直接反映了電流在變壓器及其保護(hù)系統(tǒng)中的分布情況?；谧儔浩鞴收想娏鳎锰囟ǖ墓絹?lái)計(jì)算電流回路的變比，進(jìn)而分析系統(tǒng)狀態(tài)并識(shí)別潛在故障。

首先，定義了t時(shí)刻變壓器故障電流回路的變比公式（公式（1）），公式（1）通過(guò)比較電流測(cè)量回路首端與末端的一次系統(tǒng)電流，直觀地反映了電流在回路中的衰減或放大情況。這一計(jì)算不僅有助于理解電流在變壓器內(nèi)部的流動(dòng)規(guī)律，還為后續(xù)的故障診斷提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

式中：Ng（t）為t時(shí)刻變壓器故障電流回路的變比；i1（t）為電流測(cè)量回路首端一次系統(tǒng)電流；i2（t）為末端電流。

接著，利用電流定律建立了電流測(cè)量回路的約束關(guān)系公式（公式（2））。公式（2）表明，在變壓器任意一處，電流都滿足基爾霍夫電流定律，即流入節(jié)點(diǎn)的電流之和等于流出節(jié)點(diǎn)的電流之和。這一約束關(guān)系確保了電流在回路中的連續(xù)性和守恒性，為分析電流回路中的隱藏故障提供了理論依據(jù)。

式中：i1i為流過(guò)元件1的第i條支路的一次電流。

由此定義保護(hù)電流變比的概念，并給出了相應(yīng)的計(jì)算公式（公式（3））。公式（3）通過(guò)比較不同元件上支路的一次電流，進(jìn)一步細(xì)化了電流在保護(hù)系統(tǒng)中的分布情況。當(dāng)某處保護(hù)電流變比超過(guò)預(yù)設(shè)閾值時(shí)，即可判斷該處存在隱藏故障。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)后續(xù)繼電保護(hù)的快速響應(yīng)具有重要意義，因?yàn)樗軌蛱崆邦A(yù)警并隔離故障區(qū)域，從而防止故障擴(kuò)大并保護(hù)整個(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

式中：i2i為流過(guò)流過(guò)元件2的第i條支路的一次電流。

當(dāng)i2igt;i2（t）、i1igt;i1（t）時(shí)，此處存在隱藏故障，對(duì)后續(xù)繼電保護(hù)響應(yīng)具有重要作用。

1.2 基于深度學(xué)習(xí)整定變壓器繼電保護(hù)快速響應(yīng)參數(shù)

基于深度學(xué)習(xí)整定變壓器繼電保護(hù)快速響應(yīng)參數(shù)的應(yīng)用具有深遠(yuǎn)的意義。深度學(xué)習(xí)以其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和模式識(shí)別能力，在變壓器繼電保護(hù)領(lǐng)域展現(xiàn)了巨大的潛力。深度學(xué)習(xí)能夠深入挖掘變壓器故障數(shù)據(jù)中的隱藏特征，實(shí)現(xiàn)故障類型的精確分類和故障位置的準(zhǔn)確定位。這不僅提高了繼電保護(hù)的準(zhǔn)確性和可靠性，還顯著縮短了故障檢測(cè)和響應(yīng)的時(shí)間，為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供了有力保障。通過(guò)深度學(xué)習(xí)模型，可以高效處理變壓器運(yùn)行中的海量數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)識(shí)別變壓器的運(yùn)行狀態(tài)和潛在故障，為繼電保護(hù)的快速響應(yīng)提供科學(xué)依據(jù)。此外，深度學(xué)習(xí)模型還能夠根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)調(diào)整保護(hù)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)的智能化和自適應(yīng)化。這對(duì)應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的電網(wǎng)環(huán)境和突發(fā)事件具有重要意義，能夠有效提高電力系統(tǒng)的整體性能和抗災(zāi)能力。

在變壓器運(yùn)行的過(guò)程中，需要適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)定值進(jìn)行支撐。繼電保護(hù)快速響應(yīng)參數(shù)的整定具有可靠性、選擇性、速動(dòng)性等特性[6]。基于變壓器實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)和故障特征，深度學(xué)習(xí)算法能自動(dòng)優(yōu)化繼電保護(hù)的整定參數(shù)，確保在故障發(fā)生時(shí)迅速且準(zhǔn)確地識(shí)別并隔離故障區(qū)域。這種智能調(diào)整不僅加速了故障響應(yīng)速度，還提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性，保障電力網(wǎng)絡(luò)的安全運(yùn)行。當(dāng)接地故障出現(xiàn)在接線端子末端時(shí)，整定該段時(shí)間的阻抗值，如公式（4）所示。

式中：ZD為接線端子末端阻抗整定值；K為可靠系數(shù)；Zi為第i段接線阻抗值。

電流整定值如公式（5）所示。

式中：ID為電流整定值。

電壓整定值如公式（6）所示。

式中：UD為電壓整定值；U（t）為t時(shí)段的電壓初始值。

繼電保護(hù)響應(yīng)參數(shù)整定情況見表1。

不同類型的變壓器能夠根據(jù)全域?qū)?、同類層、同型?hào)層、同作用層進(jìn)行分類整定，確保變壓器繼電保護(hù)整定的有效性[7]。將隱藏故障作為隱藏層，Ng（t）為隱藏層參數(shù)。將Ng（t）前向傳輸，深度學(xué)習(xí)隱藏層特征，如公式（7）所示。

式中：y為繼電保護(hù)響應(yīng)整定輸出值；x為隱藏層輸入值；b為偏置參數(shù)；ω為隱藏層參數(shù)權(quán)重。

將初始保護(hù)參數(shù)的Id、T作為輸入值x，深度學(xué)習(xí)整定后的參數(shù)Id、T作為輸出值y。y輸出的整定值滿足繼電保護(hù)響應(yīng)需求后，配置變壓器故障繼電保護(hù)二次回路。繼電保護(hù)響應(yīng)參數(shù)根據(jù)變壓器的實(shí)際結(jié)構(gòu)和運(yùn)行需求，避免出現(xiàn)誤動(dòng)或拒動(dòng)的情況。二次回路配置情況如圖1所示。

由圖1可知，主變保護(hù)屏用于保護(hù)主變壓器，防止其損壞。第一套差動(dòng)保護(hù)能夠通過(guò)比較變壓器兩側(cè)電流的差異來(lái)判斷變壓器內(nèi)部是否發(fā)生短路等故障。

后備保護(hù)：當(dāng)主保護(hù)因故未能正確動(dòng)作時(shí)，后備保護(hù)將啟動(dòng)，以防止設(shè)備受到進(jìn)一步的損壞。繼電器均能夠滿足ILUL、IOUO、IHUH的保護(hù)需求。通過(guò)ILUL、IOUO、IHUH交替的形式確保變壓器的穩(wěn)定運(yùn)行。

2 試驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的方法是否滿足變壓器故障繼電保護(hù)快速響應(yīng)需求，本文對(duì)上述方法進(jìn)行了試驗(yàn)分析。最終的試驗(yàn)結(jié)果以基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)響應(yīng)方法、基于解析計(jì)算的保護(hù)響應(yīng)方法以及本文設(shè)計(jì)的基于深度學(xué)習(xí)的保護(hù)響應(yīng)方法進(jìn)行對(duì)比的形式呈現(xiàn)。具體的試驗(yàn)準(zhǔn)備過(guò)程以及最終的響應(yīng)結(jié)果如下。

2.1 試驗(yàn)過(guò)程

本次試驗(yàn)?zāi)M變壓器故障，測(cè)試儀接入報(bào)裝裝置高壓側(cè)電壓、電流端子、低壓側(cè)電壓，投入變壓器主保護(hù)與后備保護(hù)，判斷繼電保護(hù)響應(yīng)效果。變壓器繼電保護(hù)測(cè)試儀設(shè)置A、B、C三相大小相同的電流，將保護(hù)端子與變壓器端子連接，使電流相位差為120°，滿足本次試驗(yàn)需求。變壓器高壓側(cè)接線情況如圖2所示。

由圖2可知，在變壓器正常運(yùn)行的狀態(tài)下，高壓側(cè)電流與低壓側(cè)電流不同，A、B、C三相電流的整定值設(shè)定為0.9倍額定、1倍額定、1.1倍額定電流等值，錄入整定值作為繼電保護(hù)響應(yīng)閾值。圖中“×”的部分為故障區(qū)域。依次在IA、IB、IC上模擬故障，檢查繼電保護(hù)響應(yīng)情況。高壓側(cè)變壓器A相出線至保護(hù)端子之間的故障，容易造成單相斷線的情況。試驗(yàn)時(shí)依次移出A相、B相、C相接線，記錄不同故障模擬條件下的繼電保護(hù)動(dòng)作和響應(yīng)時(shí)間，判斷該方法是否能夠?qū)崿F(xiàn)繼電保護(hù)快速響應(yīng)。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

在上述試驗(yàn)條件下，本文隨機(jī)選取4種變壓器故障類別，對(duì)其故障電流、電流整定值、繼電保護(hù)響應(yīng)時(shí)間、繼電保護(hù)響應(yīng)動(dòng)作進(jìn)行分析。當(dāng)故障電流超過(guò)電流整定值時(shí)，判斷其為故障狀態(tài)，執(zhí)行繼電保護(hù)響應(yīng)動(dòng)作。在其他條件均已知的情況下，對(duì)比了基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)響應(yīng)性能、基于解析計(jì)算的保護(hù)響應(yīng)性能以及本文設(shè)計(jì)的基于深度學(xué)習(xí)的保護(hù)響應(yīng)性能。試驗(yàn)結(jié)果見表2。

由表2可知，繞組短路故障的狀態(tài)下，繼電保護(hù)響應(yīng)動(dòng)作為切斷故障相，啟動(dòng)備用保護(hù)，發(fā)送故障信號(hào)至控制中心。匝間短路故障的狀態(tài)下，繼電保護(hù)響應(yīng)動(dòng)作為隔離故障繞組，啟動(dòng)內(nèi)部保護(hù)邏輯，記錄故障數(shù)據(jù)。外部相間短路故障的狀態(tài)下，繼電保護(hù)響應(yīng)動(dòng)作為迅速切斷三相電流，隔離故障區(qū)域，發(fā)送緊急警報(bào)。電流過(guò)載的狀態(tài)下，發(fā)送過(guò)載警告，如果持續(xù)，就切斷部分負(fù)載，記錄過(guò)載事件。

在其他條件均一致的情況下，使用基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的變壓器故障繼電保護(hù)快速響應(yīng)方法后，繼電保護(hù)響應(yīng)時(shí)間較短，繼電保護(hù)出現(xiàn)誤動(dòng)作的情況，無(wú)法確保變壓器的運(yùn)行安全性。使用基于解析計(jì)算的變壓器故障繼電保護(hù)快速響應(yīng)方法后，同樣存在繼電保護(hù)誤動(dòng)作的情況，無(wú)法實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)快速響應(yīng)，亟需對(duì)其進(jìn)一步優(yōu)化。而使用本文設(shè)計(jì)的基于深度學(xué)習(xí)的變壓器故障繼電保護(hù)快速響應(yīng)方法后，繼電保護(hù)響應(yīng)時(shí)間較短，繼電保護(hù)響應(yīng)動(dòng)作準(zhǔn)確，并未出現(xiàn)誤動(dòng)作的情況，能夠?qū)崿F(xiàn)變壓器故障繼電保護(hù)快速響應(yīng)，符合本文研究目的。

3 結(jié)語(yǔ)

電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，電力系統(tǒng)內(nèi)部元件的運(yùn)行環(huán)境更復(fù)雜，如何確保電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行成為亟待解決的問(wèn)題。因此，本文利用深度學(xué)習(xí)，設(shè)計(jì)了變壓器故障繼電保護(hù)快速響應(yīng)方法。從隱藏故障識(shí)別、響應(yīng)參數(shù)整定等方面，深度分析變壓器故障類別，實(shí)時(shí)、智能地檢測(cè)變壓器的運(yùn)行狀態(tài)，并在故障發(fā)生時(shí)快速響應(yīng)。通過(guò)深度學(xué)習(xí)技術(shù)，對(duì)變壓器故障特征進(jìn)行自動(dòng)提取和識(shí)別，一旦辨識(shí)到故障信號(hào)，系統(tǒng)便立即觸發(fā)相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作，真正意義上保障了電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

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