CN100419936C - 电流互感器的二次电流补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于保护电力系统的保护用继电系统中补偿电流互感器的二次电流值的方法，为了防止由于漏电而电流互感器饱和后二次电流失真，从而不能正确识别实际的二次电流值而发生的保护用继电系统的误动作，而在电流互感器饱和时也能得到相当于变流比的正确的二次电流值。

Description

电流互感器的二次电流补偿方法

技术领域

本发明涉及在用于保护电力系统的保护用继电系统中补偿电流互感器的二次电流值的方法，更详细地涉及为了防止由于漏电而电流互感器饱和后二次电流失真，从而不能正确识别实际的二次电流值而发生的保护用继电系统的误动作，用于在电流互感器饱和时也得到与变流比相当的正确的二次电流值的电流互感器的二次电流补偿方法。

背景技术

电流互感器是用于测定流到电力系统中的电流后向保护继电器输入的装置，如图1所示，由磁心34和二次线圈36构成，所述磁心34用于使流到线路32中的一次电流所产生的磁通聚集，所述二次线圈36包围上述磁心34，用于利用被上述磁心34感应的磁通产生二次电流。利用流到起一次线圈作用的线路32中的电流，在二次线圈36中感应与该电流成比例的电流，根据变流比决定二次电流的大小。在此，由于设定线路32和二次线圈36间的交链磁通为最大，因此，大部分情况下都使用磁心34是铁的铁心电流互感器。

图2表示简化后的电流互感器的等效电路。在此，L_m表示电流互感器的磁化电感，i_m表示磁化电流，i₁表示由一次电流在二次侧感应的(即，与变流比相当)的二次电流，i₂表示实际测定的二次电流。上述磁化电感L_m不是常数值，根据磁化电流而具有不同的值。特别是若磁通变大后超过特定界限，则磁化电感就显著变化，但这是因为电流互感器的内部状态的变化而引起的，这样的情况下就称作电流互感器饱和了。

在上述电流互感器正在正常工作时，由于磁化电流i_m的大小较小，因此，根据测定的上述电流互感器的二次电流值与一次电流成比例，就能够根据测定的二次电流值得到正确的一次电流值，不存在问题。但是，若上 述电流互感器饱和后电流互感器的磁化电感值显著变化，则上述二次电流值也显著变化。如果基于图2的等效电路说明该情况，则由于饱和时Lm值显著减少，磁化电流im增加，因此，i₂与相当于变流比的二次电流的i₁的差就变大。从而，在饱和以后，测定的电流即二次电流i₂与上述i₁间的关系不相同。但是，电流互感器在饱和以后也通过i₂检测流过线路的电流值，因此，在饱和以后，随着i₂减少，就与实际不同，错误地认为流过线路的电流值减少，因此，继电器的工作时间就延迟，或诱发了误动作。

图6是表示电流互感器的饱和以前和以后的磁化电流与交链磁通的关系的磁化曲线的一例。图6a说明了非饱和区域和饱和区域的磁化曲线的变化。曲线的斜度表示磁化电感L_m。图6b表示实际的磁化曲线的一例。如图6所示，电流互感器的饱和以前和以后的磁化电感变化很大。

作为用于补偿因为这样的保护用继电系统的误动作的主要原因即电流互感器的饱和所引起的电流失真，正确地计算相当于实际的变流比的二次电流而提出的现有技术，提出了一种计算电流互感器饱和时的构成电流互感器的铁心内的磁通，通过这样，用与变流比相当的二次电流补偿失真的二次电流的方法。但是，这样的方法仅能适用在初期没有剩余磁通的情况，在初期存在剩余磁通的情况下，若不知道剩余磁通的初始值就很难适用，在大部分的应用中，利用当前的技术很难测定或推断剩余磁通的值，因此就成为致命的缺点。

发明内容

从而，本发明为了解决这样的问题，其目的在于提供一种即使在有关初始剩余磁通的值的信息全都不知的情况下，也能够在电流互感器饱和时得到与变流比相当的正确的二次电流值的电流互感器的二次电流补偿方法，提供一种用于防止由于电流互感器饱和时二次电流失真，从而不能正确识别实际的二次电流值而发生的保护用继电系统的误动作的电流互感器的二次电流补偿方法。

为了达到这样的目的，本发明提供一种由电流互感器的饱和而产生的二次电流失真的补偿方法，是补偿由于电流互感器的饱和而产生的二次电流失真的方法，包括：求得采样到的二次电流的至少2次以上的差分的步骤；将所述差分的绝对值与预定的临界值相比较，在为所述临界值以上时，判断为是所述电流互感器的饱和开始瞬间的步骤；在判断为是所述饱和开始瞬间的情况下，利用所述差分求得所述饱和开始瞬间的磁化电流，使用所述磁化电流，根据磁化曲线求得所述饱和开始瞬间的铁心内的磁通量值的步骤；为了得到所述饱和以后的一个时刻的与变流比相当的二次电流值，使用所述时刻测定的二次电流值和所述饱和开始瞬间的磁通量值，计算所述时刻的磁通量值的步骤；使用所述时刻的磁通量值，根据所述磁化曲线得到所述时刻的磁化电流的步骤；和将所述磁化电流与所述测定的二次电流值相加，得到与所述变流比相当的二次电流的步骤。

作为优选方式，求得所述饱和开始瞬间的铁心内的磁通量值的步骤进一步包括将在所述差分值中附加了负号的值近似为所述饱和开始瞬间的磁化电流的步骤。

优选上述差分是2次差分。

优选上述差分是3次差分。

根据本发明的另外的观点，本发明提供一种记录媒体，是存储了用于补偿由于电流互感器的饱和而产生的二次电流的失真的计算机程序的记录媒体，存储了用于进行下述步骤的计算机程序：求得采样到的二次电流的至少2次以上的差分的步骤；将所述差分的绝对值与预定的临界值相比较，在为所述临界值以上时，判断为是所述电流互感器的饱和开始瞬间的步骤；在判断为是所述饱和开始瞬间的情况下，根据所述差分求得所述饱和开始瞬间的磁化电流，使用所述磁化电流，根据磁化曲线求得所述饱和开始瞬间的铁心内的磁通量值的步骤；为了得到所述饱和以后的一个时刻的与变流比相当的二次电流值，使用所述时刻测定的二次电流值和所述饱和开始瞬间的磁通量值，计算所述时刻的磁通量值的步骤；使用所述时刻的磁通量值，从所述磁化曲线得到所述时刻的磁化电流的步骤；和将所述磁化电流与所述测定的二次电流值相加，得到与所述变流比相当的二次电流的步骤。

根据本发明的另外的观点，本发明提供一种保护继电系统，是具有补偿由于电流互感器的饱和而产生的二次电流的失真的功能的保护继电系统，包括：求得采样到的二次电流的至少2次以上的差分的机构；将所述差分的绝对值与预定的临界值相比较，在为所述临界值以上时，判断为是所述电流互感器的饱和开始瞬间的机构；在判断为是所述饱和开始瞬间的情况下，利用所述差分求得所述饱和开始瞬间的磁化电流，使用所述磁化电流，根据磁化曲线求得所述饱和开始瞬间的铁心内的磁通量值的机构；为了得到所述饱和以后的一个时刻的与变流比相当的二次电流值，使用所述时刻测定的二次电流值和所述饱和开始瞬间的磁通量值，计算所述时刻的磁通量值的机构；使用所述时刻的磁通量值，从所述磁化曲线得到所述时刻的磁化电流的机构；和将所述磁化电流与所述测定的二次电流值相加，得到与所述变流比相当的二次电流的机构。

附图说明

图1是表示电流互感器的一般结构的图。

图2是表示简化后的电流互感器的等效电路的图。

图3是表示电流互感器的饱和以前和以后的二次电流的变化转变的图表。

图4是适用了本发明的补偿方法的最佳的一个实施例的流程图。

图5是例示用于验证提示的方法而使用的一个模型系统的图。

图6a和图6b是例示为了补偿电流互感器的二次电流而使用的磁化曲线的图表。

图7a是表示测定为用剩余磁通+80％时的变流比分开的一次电流(即、与变流比相当的二次电流)的二次电流的图表。

图7b是表示剩余磁通+80％的情况下计算的磁通量的图表。

图7c是表示剩余磁通+80％的情况下推断的磁化电流的图表。

图7d是表示剩余磁通+80％的情况下的补偿前和补偿后的电流互感器的二次电流的图表。

图7e是表示剩余磁通+80％的情况下推断的二次电流的电流互感器瞬态误差的图表。

附图的主要部分的附图标记的说明

32-线路；34-铁心；36-二次绕组。

具体实施方式

以下，参照附图，关于本发明的最佳实施例详细地进行说明。

图3例示在电流互感器的饱和时刻附近实际测定的二次电流(i₂[n])的变化(实线)。在时刻n＝m+1时电流互感器饱和，测定了饱和以后的电流。在此，用i₂₁[n]表示在饱和以前测定的二次电流，用i₂₂[n]表示在饱和以后测定的二次电流。由于与变流比相当的二次电流(i₁[n])在电流互感器饱和以前与实际测定的二次电流(i₂[n])(即，由于是饱和以前的i₂[n]，故在图中是i₂₁[n])几乎一致，因此，实际测定的二次电流就很好地反映了与变流比相当的二次电流即i₁[n]，但在饱和以后如图3所示变化很大。在图3中，用与i₂₁[n]连续的虚线表示相当于饱和以后的变流比的二次电流。

正确地反映了故障时的一次电流的与变流比相当的二次电流i₁(t)可以记述为如下的数学式的形式。

$i_1\left(t\right)=\left\{\begin{array}{c}{I}_{\max }[\cos (\mathrm{\&omega;t}-\mathrm{\&theta;})-e^{-t/T_P}\cos \mathrm{\&theta;}],\mathrm{for\; t}\&GreaterEqual;0\\ 0,\mathrm{for\; t}<0\end{array}\right.---\left(1\right)$

在此，i_max、T_p、θ分别是最大漏电、一次时间常数、故障开始相位角。这时，实际测定的二次电流如下。

在此，T_s是二次时间常数，tanΦ＝T_s。

利用下面的数学式得到将测定的二次电流离散化后的值即i₂[n]。

在此，T是采样间隔，N是每周期的采样数。这由呈指数函数地减少的两个指数项和一个正弦项构成。

i₂[n]的一次差分函数如下。

$\mathrm{del}1\left[n\right]=i_2\left[n\right]-i_2[n-1]$

$=A(1-e^{T{/T}_s})e^{-\mathrm{nT}{/T}_{s+}}B(1-e^{T{/T}_P})e^{-\mathrm{nT}{/T}_P}$

(4)

若频率是60Hz、N＝64，则T＝0.26ms。若T_s＝1s、Tp＝0.02S，则上述两个指数项的衰减率即(1-e^T/Ts)和(1-e^T/Tp)就分别为0.00026和0.0131。从而，若时间常数比T充分大，就可以忽略del1[n]中的指数项。

另一方面，del1[n]中的正弦项的大小为2sin(π/N)C＝0.098C。即，仅剩余i₂[n]中的正弦项的成分中的大约10％。结果，若二次电流是式(3)的形式，del1[n]就几乎没有指数项，仅剩余正弦项，其大小为原来大小的10％。

此外，如下定义i₂[n]的二次差分函数del2[n]。

del2[n]＝del1[n]-del1[n-1]          (5)

在此，N＝64的情况下，根据式(4)可知，del2[n]的大小是[2sin(π/N)]²C＝0.009604C，即、是i₂[n]的正弦项的大小的1％。

假设在n＝m+1、最初测定了饱和以后的电流。如先前定义的，若将i₂₁[n]和i₂₂[n]分别称作饱和以前和以后的电流，则其具有式子(3)的形式。此外，i₂₁[M]＝i₂₂[M]，i₂₁[m+1]≠i₂₂[m+1]。在此，正确反映将要求的值即一次侧电流的与变流比相当的二次电流即i₁[m+1]可以近似为原样延长了饱和以前测定的二次电流的变化的情况即i₂₁[m+1]，这如图3所示，等于用虚线表示的延长线上的值。

假若[2sin(π/N)]²C非常小，就能够在最初的饱和开始瞬间的判断中使用del2[n]。例如，在C＝100A、N＝64的情况下，[2sin(π/N)]²C＝0.96A。在N≤M的区间(饱和以前区间)，del2[n]成为正弦波，其大小不超过0.96A。此外，在饱和开始瞬间的n＝m+1表现为如下。

del2[m+1]＝i₂₂[m+1]-2i₂₂[m]+i₂₁[m-1]

＝i₂₂[m+1]-2i₂₁[m]+i₂₁[m-1](6)

式子(6)可以使用式子(7)的关系进行近似化。式子(7)等于饱和以前区间中的二次电流的二次差分值，如前所述，由于该值等于非常小的值(0.96A)，故可以忽略，该误差的临界值不足0.96A。

i₂₁[m+1]-2i₂₁[m]+i₂₁[m-1]≈0(7)

从而，del2[m+1]可以近似为i₂₂[m+1]-i₂₁[m+1]。在此，由于i₂₁[m+1]是假想的延长线上的点，因此，若假定为电流互感器饱和以前的变化继续，就可以看作是n＝m+1的瞬间测定的二次电流值。从而，del2[m+1]等于该瞬间的磁化电流，即、流经图2的磁化枝的电流上标记了负号的值。

从而，若在磁化曲线中代入-del2[m+1]，就知道饱和开始瞬间的磁通。从其下一个瞬间开始，使用上述得到的饱和开始瞬间的磁通量值作为初始值，每瞬间计算铁心的磁通量，将其代入到磁化曲线中求出了该瞬间的磁化电流之后，相加测定的二次电流，就能够推断与变流比相当的二次电流。

图4是表示使用如上所述地测定的二次电流的二次差分判断饱和开始瞬间，以后求与变流比相当的二次电流，补偿测定的二次电流的本发明的方法的一个实施例的流程图。

首先，定义表示有无饱和的指数即sat_ind(步骤S10)，设定初始值。例如，可以定义为在sat_ind是0时表示饱和以前，是1时表示饱和以后。以后，接收该瞬间(例如，n＝k)的采样后的二次电流(S20)，判断该瞬间是饱和以前的状态还是饱和以后的状态(S30)，在sat_ind＝0的情况下，即、若是饱和以前的情况，就计算二次差分值(S40)，在是预先决定了二次差分的绝对值的临界值以上的情况下，就判断为在该瞬间发生了饱和(S50)。在判断为该瞬间饱和的情况下，利用上述方法，在磁化曲线中代入-del2[m+1]，推断最初的饱和开始瞬间的磁通量值，将表示饱和状态的指数即sat_ind设定为1进行显示(S60)。之后，用与变流比相当的二次电流值补偿测定的二次电流值(S70)，将该值传达给电流互感器保护算法(S80)。若是没开始饱和的情况，则测定的二次电流值就变为与变流比相当的二次电流值，原样反映一次电流的变化，因此，就可以立即进入到电流互感器保护算法中。

在下一个时刻(例如，n＝k+1)中，由于已经置为sat_ind＝1，因此，再从该时刻的采样后的电流输入步骤(S20)开始，将上述得到的饱和开始瞬间的磁通量作为初始值，计算铁心的磁通量(S32)，根据磁化曲线计算磁化电流(S34)，使用它补偿电流，得到与变流比相当的二次电流(S70)，将该值传达到保护算法中(S80)。

以上，关于使用二次差分推断饱和开始瞬间的磁通量值的情况集中进行了说明，但使用具有三次差分或其以上的次数差分值，也能求出饱和开始瞬间的磁通量值并推断与变流比相当的二次电流。

以下说明使用三次差分值推断饱和开始瞬间的磁通量的情况。

如下定义测定的二次电流i₂[n]的三次差分函数del3[n]。

del3[n]＝del2[n]-del2[n-1](8)

在此，上述del3[n]也可以使用在饱和的判断中，其原理如下。根据式子(4)和(5)可知，del3[n]由[2sin(π/N)]3C＝0.000941C的正弦项构成。

若[2sin(π/N)]³C非常小，就可以将del3[n]使用在最初的饱和开始瞬间的判断中。例如，在C＝100A、N＝64的情况下，[2sin(π/N)]³C＝0.09A。

从而，在N≤M的区间(饱和以前区间)，del3[n]成为正弦波，其大小不超过0.09A。此外，在饱和开始瞬间的n＝m+1中，

del 3[m+1]＝i₂₂[m+1]-3i₂₁[m]+3i₂₁[m-1]-i₂₁[m-2] (9)

同样地，可以使用下述的式子(10)的关系近似化式子(9)，误差的临界值不足0.09A。

i₂₁[m+1]-3i₂₁[m]+3i₂₁[m-1]-i₂₁[m-2]≈0 (10)

从而，del3[m+1]可以近似为i₂₂[m+1]-i₂₁[m+1]。在此，i₂₁[m+1]是假想的延长线上的点，可以看作是假定为电流互感器没饱和时的n＝m+1的瞬间的二次电流值。从而，i₂₂[m+1]-i₂₁[m+1]等于该瞬间的磁化电流，即、在该瞬间流向图2的磁化枝的电流上标记了负号的值。

若在磁化曲线中代入del3[m+1]，就知道最初的饱和开始瞬间的磁通量。从而，从下一个瞬间开始，每一瞬间计算铁心的磁通量，将其代入到磁化曲线中，求出了该瞬间的磁化电流之后，相加二次电流，就能够推断与变流比相当的二次电流。

该情况下也可以用图4的方法表示，若将二次差分的绝对值全部改变为三次差分的绝对值，就能用同一流程图来表示。要进行饱和开始瞬间的判断(S50)和饱和开始瞬间的磁通量值的推断(S60)，不一定必须使用同一判断函数。例如，能得到使用二次差分进行饱和的判断，使用三次差分进行磁通量值的推断，或反过来等的多种变形。

为了验证本发明中提示的方式的适合性，选定了如图5所示的模型系统。为了补偿图5中表示的电流互感器的二次电流，使用图6b的电流互感器的磁化曲线，该电流互感器的饱和点的磁通量是1.512Vs。

图7表示了针对在图5的系统中，在距P母线2km处的A相的接地故障时，故障前电流互感器的铁心中存在电流互感器饱和点的80％的剩余磁通即1.2Vs时本发明的方法适用结果。在图7a中，实线表示用绕组比分开了一次电流的电流(即，与变流比相当的二次电流)，虚线表示测定的二次电流。从图7a可知，由于很多剩余磁通而电流互感器饱和，测定的二次电流失真严重。

图7b中表示用测定的二次电流的二次差分判断饱和，在该瞬间以后计算的磁通量。

图7c中表示将该磁通量代入到磁化曲线中推断磁化电流。

图7d中表示在推断的磁化电流中相加测定的二次电流，推断与变流比相当的二次电流。在图7d中，虚线是测定的二次电流，实线是用本发明提示的方式推断的与变流比相当的二次电流。

图7e中表示为了验证图7d的推断的二次电流的正确度而计算的瞬态误差。根据变流比的误差非常小可知，提示的方式根据失真的二次电流推断与变流比相当的正确的二次电流。

提示的方式在存在很多剩余磁通的情况下，也能用与变流比相当的二次电流补偿电流互感器饱和后失真的二次电流。

如以上说明所述，在本发明的详细说明中说明了具体的实施方式，但这仅是例示，当然也可以在不脱离本发明的技术思想的范围内做各种各样的变形。从而，本发明的范围不限定于上述的实施方式，可以根据后述的权利要求范围和与该权利要求范围同等的内容来决定。

工业上的可利用性

根据本发明，在电流互感器饱和时也能根据测定的二次电流推断正确的与变流比相当的二次电流，这样，能够防止故障时保护用继电系统的误动作，能进行迅速且正确的电力系统的保护。

Claims (5)

1. 一种由电流互感器的饱和而产生的二次电流失真的补偿方法，是补偿由于电流互感器的饱和而产生的二次电流失真的方法，其特征在于，包括下述步骤：

求得采样到的二次电流的至少2次以上的差分的步骤；

将所述差分的绝对值与预定的临界值相比较，在为所述临界值以上时，判断为是所述电流互感器的饱和开始瞬间的步骤；

在判断为是所述饱和开始瞬间的情况下，利用所述差分求得所述饱和开始瞬间的磁化电流，使用所述磁化电流，根据磁化曲线求得所述饱和开始瞬间的铁心内的磁通量值的步骤；

为了得到所述饱和以后的一个时刻的与变流比相当的二次电流值，使用所述时刻测定的二次电流值和所述饱和开始瞬间的磁通量值，计算所述时刻的磁通量值的步骤；

使用所述时刻的磁通量值，根据所述磁化曲线得到所述时刻的磁化电流的步骤；和

将所述磁化电流与所述测定的二次电流值相加，得到与所述变流比相当的二次电流的步骤。

2. 如权利要求1所述的由电流互感器的饱和而产生的二次电流失真的补偿方法，其特征在于，

求得所述饱和开始瞬间的铁心内的磁通量值的步骤进一步包括将在所述差分值中附加了负号的值近似为所述饱和开始瞬间的磁化电流的步骤。

3. 如权利要求1或2所述的由电流互感器的饱和而产生的二次电流失真的补偿方法，其特征在于，

所述差分是2次差分。

4. 如权利要求1或2所述的由电流互感器的饱和而产生的二次电流失真的补偿方法，其特征在于，

所述差分是3次差分。

5. 一种保护继电系统，是具有补偿由于电流互感器的饱和而产生的二次电流的失真的功能的保护继电系统，其特征在于，包括：

求得采样到的二次电流的至少2次以上的差分的机构；

将所述差分的绝对值与预定的临界值相比较，在为所述临界值以上时，判断为是所述电流互感器的饱和开始瞬间的机构；

在判断为是所述饱和开始瞬间的情况下，利用所述差分求得所述饱和开始瞬间的磁化电流，使用所述磁化电流，根据磁化曲线求得所述饱和开始瞬间的铁心内的磁通量值的机构；

为了得到所述饱和以后的一个时刻的与变流比相当的二次电流值，使用所述时刻测定的二次电流值和所述饱和开始瞬间的磁通量值，计算所述时刻的磁通量值的机构；

使用所述时刻的磁通量值，从所述磁化曲线得到所述时刻的磁化电流的机构；和

将所述磁化电流与所述测定的二次电流值相加，得到与所述变流比相当的二次电流的机构。

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