CN102033215A - 电子式互感器采样值正确性检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电子式互感器采样值正确性检测方法，要解决的技术问题是提高继电保护的可靠性。本发明的方法，包括以下步骤：电子式互感器将负荷电流通道一周波内的采样点的电流值传输给继电保护装置，微处理器对采样电流值进行差分计算，计算当前一个周期的采样点的电流交流量幅值，计算一个周期内所有采样点差分计算后的最大采样值与当前一个周期的计算交流量幅值的比值，当比值＜2时，判断为电子式互感器采样值正确。本发明与现有技术相比，通过比较电流采样差分值与计算幅值的关系，来判断采样值的正确性，既有可靠性高，又不影响继电保护动作速度的特点，给继电保护提供依据，从而提高继电保护的可靠性，保证电网安全。

Description

电子式互感器采样值正确性检测方法

技术领域

本发明涉及一种电力系统继电保护的方法，特别是一种数字化变电站继电保护的方法。

背景技术

随着智能电网的发展，数字化变电站的应用越来越多。数字化变电站与常规变电站的一个主要差异是数字化变电站采用电子式互感器ECT，取代传统的电磁式互感器。变电站在应用ECT的过程中，在现场电磁环境的干扰下，ECT偶尔会有异常数据的输出。异常数据出现的直接影响是造成继电保护动作行为不正确，降低供电的可靠性。因此，继电保护在数字化变电站应用过程中，应对ECT产生的可能异常数据进行处理，从而提高继电保护的可靠性。在国家电网公司企业标准《Q/GDW 383-2009智能变电站技术导则》中明确要求：当采用电子式互感器时，应针对电子式互感器特点优化保护算法，提高保护性能。鉴于目前国内电子式互感器的制造水平，研究基于ECT的继电保护的算法，提高保护动作的可靠性是必须的。

影响ECT产生异常数据的原因包括激光供电的不稳定，电源切换等。此种原因使ECT偶尔出现的异常数据，通常为较大的数据。针对异常数据，不同的学者和专家有着不同的看法。有人建议增加电压闭锁判据，通过电压来闭锁电流相关保护。电压闭锁的最大的问题在于电压判据的门槛不易选择，错误的整定甚至会导致保护拒动；有人建议采用波形对称检测，判断电流正负半周的对称度来检测电流是否正常。此方法与传统的变压器励磁涌流的检测方法类似，其最大的缺点是导致保护动作变慢。

发明内容

本发明的目的是提供一种电子式互感器采样值正确性检测方法，要解决的技术问题是提高继电保护的可靠性，保证电力系统安全运行。

本发明采用以下技术方案：一种电子式互感器采样值正确性检测方法，包括以下步骤：一、子式互感器的合并单元将被保护间隔的负荷电流通道一周波内的采样点的电流值传输给继电保护装置；二、继电保护装置收到采样电流值，其微处理器对采样电流值进行差分计算，同时计算当前一个周期的采样点的电流交流量幅值；三、继电保护装置的微处理器实时计算当前电流通道一个周期内所有采样点差分计算后的最大采样值与当前一个周期的计算交流量幅值的比值；四、继电保护装置的微处理器将比值与设定判据比较，当比值＜2时，判断为电子式互感器采样值正确，输出正常的采样值给继电保护判断装置。

本发明的比值≥2时，瞬时闭锁继电保护装置。

本发明的合并单元每周波的采样点数为80点。

本发明的合并单元按继电保护范围来划分被保护间隔。

本发明的差分计算采用隔点差分计算。

本发明的计算当前采样点的电流交流量幅值采用全周付氏算法。

本发明与现有技术相比，通过比较电流采样差分值与计算幅值的关系，来判断采样值的正确性，既有可靠性高，又不影响继电保护动作速度的特点，给继电保护提供依据，从而提高继电保护的可靠性，保证电网安全。

附图说明

图1-1是本发明的短路故障原始采样值与差分后的采样值分析仿真图。

图1-2是本发明的短路故障最大值与幅值比较分析仿真图。

图2是本发明的不同短路初相角的开放时间仿真图。

图3-1是本发明的单点大数据差分后的采样值仿真图。

图3-2是本发明的单点大数据最大值与幅值比值仿真图。

图4-1是本发明的连续2点异常差分后的采样值数据仿真图。

图4-2是本发明的连续2点异常最大值与幅值比值数据仿真图。

图5-1是本发明的连续12点坏数据差分后的采样值仿真图。

图5-2是本发明的连续12点坏数据最大值与幅值比仿真图。

图6-1是本发明的连续30ms异常差分后的采样值数据仿真图。

图6-2是本发明的连续30ms异常最大值与幅值比数据仿真图。

图7-1是本发明的ECT的异常数据差分后的采样值仿真图。

图7-2是本发明的ECT的异常数据最大值与幅值比仿真图。

图8是数字化变电站系统图。

具体实施方案

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

当电力系统发生短路故障时，继电保护装置所得到的流经被保护设备的故障电流包括两部分：稳态短路电流和衰减的非周期分量，其电流值可用下式表示：

(1)式中，I_m为稳态短路电流幅值，C为衰减的非周期分量，T为非周期分量的衰减时间常数。

本发明的电子式互感器采样值正确性检测方法，基于继电保护装置所得到的负荷电流通道内一个周期的电流采样差分值与该周期内电流交流量的幅值进行比较后来判断。继电保护装置实时计算当前电流通道一个周期内所有采样点电流差分计算后的最大采样值与当前一个周期的计算电流交流量幅值的比值R，计算式为：

$R=\frac{\max (i_k,i_{k-1},i_{k-2},...,i_{k-N+1})}{I_m\left(k\right)}---\left(2\right)$

差分计算是本点采样值与上点采样值之差。(2)式中，N为一周波的采样点数，基于IEC 61850-9-2LE版规约，N的取值为80。i_k为当前时刻采样点经过差分计算后的采样值，i_k-1为上一时刻采样点经过差分计算后的采样值，i_k-2为上两时刻采样点经过差分计算后的采样值，依次类推。I_m(k)为当前时刻采用全周付氏算法计算i_k得出的电流量幅值，

$\mathrm{Im}\left(k\right)=\sqrt{{\left(\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}(i_{s(k-N+n)}*\sin \left(n\right))\right)}^2+{\left(\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}(i_{s(k-N+n)}*\cos \left(n\right))\right)}^2}$

sin(n)、cos(n)为全周付氏算法实、虚部计算系数；

设定判据为：

R＜2            (3)

取比值系数门槛为2。当比值R小于设定的系数门槛，即式(3)满足，认为当前一周波内采样数据正确；否则，认为最近一周波内存在异常采样数据，瞬时闭锁保护。

1、R＜2判据理论分析

当数字化变电站系统正常运行时，如图8所示，合并单元MU采集被保护间隔的电流为负荷电流负荷电流没有衰减直流分量，最大值与幅值的比值为1。显然该判据对正常运行的数字化变电站系统无影响。

当数字化变电站系统发生故障时，合并单元采集到被保护设备的的电流为故障电流，电流值如式(1)所示。当该系统发生短路故障，故障电流含有衰减直流分量。短路电路的最大瞬时值即短路冲击电流，将在短路发生经过约半个周期后出现。对应50Hz的时间为0.01s。冲击电流值为：

$i_M\≈I_m+I_m{e}^{-\frac{0.01}{T}}=(1+e^{-\frac{0.01}{T}})I_m=K_M{I}_m$

在故障分析中，K_M称为冲击系数，其范围在1～2之间。

以上分析可知，判据对正常的故障电流能正确的开放保护，不会造成拒动。

2、判据的仿真分析

电子式互感器不含铁芯，消除了电磁饱和与电磁谐振，同时具有测量精度高，动态响应范围大的特点。根据ECT的特点，仿真分析的内容包括两个方面：(1)正常故障时，不考虑CT饱和，考察判据对保护开放时间的影响，是否影响保护的动作速度；(2)根据ECT异常数据的特点，模拟ECT出现异常数据时，判据是否能可靠闭锁保护，不造成误动。

用于数字化变电站装置通信的IEC61850-9-2 LE协议推荐的保护用的采样频率为4000Hz，每周波80点。MU将采样数据传输给保护装置，保护装置根据自身的需要对采样数据处理。在下面的分析过程中，假设保护装置对MU的数据进行抽点处理。每4点取1点数据，即一周波的采样点数N＝20。差分处理采用隔点差分，即i_sk-i_s(k-2)。

(1)正常故障的动作性能

本发明基于幅值比较差分处理后的采样值，检测的分相电流，可以以单相电流分析。根据电力系统暂态分析的结论，故障后的暂态电流为：

(4)式中，

为稳态短路电流与电压间的相角；

为短路瞬间负荷电流与电压间的相角。

在式(4)中，假设非周期分量的衰减时间常数T＝0.04s，短路故障初始相角a＝0度，稳态短路电流幅值I_m＝10，短路前负荷电流I_ioad＝0.1。仿真结果如图1-1所示，纵坐标为采样值，衰减直流分量经过差分处理后变小。如图1-2所示，纵坐标为采样值，从最大值和幅值比可得出，开放判据在故障后11ms满足。也就是说，故障发生后11ms则允许保护动作出口。按照继电保护相关标准对动作时间的要求，此判据的开放时间不会影响保护动作速度。

沿用图1-1分析中的假设，改变短路故障的初始相角a，观察不同短路初始角对开放时间的影响。不同短路初相角对开放时间的影响如图2所示，纵坐标为衰减延时值，不同的短路初相角开放时间大部分为11ms，最大不超过13ms。

对不同的电力系统短路模型，由于等值参数不同，非周期分量的衰减时间常数不一样。仿真结果表明，不同的时间常数对判据开放的时间影响不大。

(2)异常数据的影响

根据ECT的设计原理和积累的异常数据分析，ECT产生的异常电流数据有通常有以下几种情况：1)偶然的单点大数据，不连续；2)连续几点大数据；3)一直连续产生大数据，呈现直流特性。针对以上三种情况，分别分析。

1)单点大数据的影响

单点大数据的影响分析结果如图3-1所示，纵坐标为采样值，异常数据在21ms产生，经过差分处理后变成正反两点大数据。如图3-2所示，纵坐标为采样值，坏的大数据出现时，最大值与幅值的比值远大于2，保护瞬时闭锁。待数据窗移动，异常数据不在计算窗内时，比值恢复为1，重新开放保护。

2)连续几点大数据的影响

如图4-1、图4-2、图5-1和图5-2所示，纵坐标为采样值，分别列出了连续2点和连续12点异常数据的影响分析结果，从图中可看出，当坏数据在计算数据窗内时，保护能可靠的闭锁。

3)持续大数据

如图6-1和图6-2所示，纵坐标为采样值，列出了连续30ms异常数据的影响分析结果。坏数据在21ms产生，异常数据持续30ms。经过差分处理后，数据特征为：在异常数据起始的一个周波和异常数据结束时存在连续两点大数据。从图中可看出，当异常数据在计算数据窗内时，保护能可靠的闭锁。如图7-1和图7-2所示，纵坐标为采样值，当坏数据持续更长时，分析结果相同。

由上述分析可知，本发明的方法可以解决电子式电流采样正确性的判断问题。

本发明的电子式互感器采样值正确性检测方法，包括以下步骤：

一、电子式互感器的合并单元将被保护间隔的负荷电流通道一周波内的采样点的电流值传输给继电保护装置，按照IEC61850-9-2LE协议，每周波的采样点数为80点，合并单元按继电保护范围来划分被保护间隔，继电保护范围和电压等级、主接线、电流互感器安装位置有关。

二、继电保护装置收到采样电流值，其微处理器对采样电流值进行差分计算，差分计算采用隔点差分计算，即i_sk-i_s(k-2)，同时采用全周付氏算法计算当前一个周期的采样点的电流交流量幅值Im(k)。

$\mathrm{Im}\left(k\right)=\sqrt{{\left(\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}(i_{s(k-N+n)}*\sin \left(n\right))\right)}^2+{\left(\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}(i_{s(k-N+n)}*\cos \left(n\right))\right)}^2}$

sin(n)、cos(n)为全周付氏算法实、虚部计算系数；

三、继电保护装置的微处理器实时计算当前电流通道一个周期内所有采样点隔点差分计算后的最大采样值与当前一个周期的计算交流量幅值的比值R，

$R=\frac{\max (i_k,i_{k-1},i_{k-2},...,i_{k-N+1})}{I_m\left(k\right)}.$

四、继电保护装置的微处理器将比值R与设定判据比较，当比值R＜2时，判断为电子式互感器采样值正确，输出正常的采样值给继电保护判断装置；当比值R≥2时，认为最近一周波内存在异常采样数据，瞬时闭锁继电保护装置。

实施例1，四川南塔110kV数字化变电站系统，采用深圳南瑞科技有限公司的ISA-300GO微机继电保护装置，继电保护装置的微处理器采用标准C语言，软件版本为V1.05版，珠海成瑞电气有限公司的OPCT16-JFCBZW-110型电子式互感器，采用深圳南瑞科技有限公司的PRS-7390-1型合并单元。

微处理器对采样电流值进行隔点差分计算的命令：

k＝(gRam_optiSam.SamDataExtractPnt*SAM_INTER_OPTI+gRam_optiSam.Dx_optiSamInter+gRam_fr.sam_interval)％(SAM_INTER_OPTI*CN_MUsamDataRec)；

gRam_optiSam.Dx_optiSamInter＝k％SAM_INTER_OPTI；

gRam_optiSam.SamDataExtractPnt＝k/SAM_INTER_OPTI；

PntNext＝(gRam_optiSam.SamDataExtractPnt+1)％(CN_MUsamDataRec)；

fx1＝(float)gRam_optiSam.Dx_optiSamInter/SAM_INTER_OPTI；

fx2＝1.0-fx1；

gRam_optiSam.samData_Extract[0]

＝(short)(fx2*gRam_optiSam.samData[gRam_optiSam.SamDataExtractPnt][0]+fx1*gRam_optiSam.samData[PntNext][0])；

其中CN_MusamDataRec为80点采样时间间隔，gRam_optiSam.samData[][]为原始采样值，gRam_optiSam.Dx_optiSamInter为差分点对应时间中间值，gRam_optiSam.samData_Extract[]为隔点差分计算后的i_k值。

微处理器采用全周傅氏算法计算当前采样点的电流交流量幅值的，计算幅值Im(k)的子函数为：

    void       cacuVecAdjCt(STRUCT_vector  *proPnt，STRUCT_vector

*cacuPnt，short*sampl e，short*c，short*d，float ctAdj)

    {

      unsigned char i；

      long a，b；

      a＝0；

      b＝0；

      for(i＝0；i＜20；i++)

      {

        a+＝sample[i]*c[i]，   b+＝sample[i]*d[i]；

      }

      a*＝(1.0/12000.0)；

      b*＝(1.0/12000.0)；

      proPnt-＞a＝a；

      proPnt-＞b＝b；

      cacuPnt-＞a＝a*ctAdj；

  cacuPnt-＞b＝b*ctAdj；

}

其中*cacuPnt为计算后向量指针，*sample差分后采样值指针，*c、*d为傅氏算法正弦、余弦系数表格指针。

由上函数可计算出基波向量*cacuPnt，幅值平方为

Im(k)＝(cacuPnt-＞a)*(cacuPnt-＞b)；

由于微处理器计算速度速度很快，此处不需求差分计算后采样值的最大值i_max，而是将Im(k)计算数据窗中所有数据(20个)进行比较，微处理器实时计算电流通道差分计算后的采样值与采样点的电流交流量幅值的比值的命令：

#define CN_K_BADSAM      (4)     //2的平方

#define CN_MU_01PHSIRTG  (0x1cf*0.1)*(0x1cf*0.1)//0.1In额定相电流

void CheckBadSamData()

{

  WORD          m；

register DWORD    dwLoop，i；

register float       fBadSamS，fBadSam；  //采样值及平方

register short       *pnRlySam；       //采样值区指针

register WORD    wFlag＝0；

register DWORD   dwAmp；         //幅值：未经CT变比调整的

static    WORD      wErrCnt＝0；

m＝gRam_ExtractDot+1；    //最新一周采样抽取值定位

       for(i＝0；i＜CN_samDataChkChanSum；i++)//通道循环

       {

          pnRlySam＝gRam_rlySamData[i]；    //指向采样值区

          for(dwLoop＝0；dwLoop＜CN_samFreSum；dwLoop++)//采样值循环

          {

             fBadSam＝(float)*(pnRlySam+dwLoop+m)；

             fBadSamS＝fBadSam*fBadSam；

             dwAmp＝

    gRam_protVecPnt[i].a*gRam_protVecPnt[i].a+gRam_protVecPnt[i].b*gR

am_protVecPnt[i].b；

         if((fBadSamS＞CN_MU_01PHSIRTG) && (fBadSamS＞(CN_K_BADSAM*

(float)dwAmp)))

        {

           wFlag＝1；

           break；

        }

        }

      }

    if(wFlag＝＝1)

     {

    selfChkFlagDeal(wFlag，2，DB31，T1S，&wErrCnt)；//闭锁

保护

}

else

{

    gRam_chkLockFlag[2]&＝～DB31；//清瞬时闭锁标志，开放保护

  }

}

其中CN_samFreSum为采样点数，CN_samDataChkChanSum为采样通道数，每个通道每点循环计算，fBadSamS为采样值(i_k)平方，dwAmp为Im(k)的平方。通过fBadSamS与4倍dwAmp比较，若大于则通过函数selfChkFlagDeal()闭锁保护，反之则清除保护闭锁。

实施例2，山东白芬子数字化变电站系统，采用深圳南瑞科技有限公司的ISA-300GO微机继电保护装置，继电保护装置的微处理器采用标准C语言，软件版本为V1.06版，珠海成瑞电气有限公司的OPCT16-ZFCBZW-35型组合式互感器，采用深圳南瑞科技有限公司的PRS-7394型合并单元。

微处理器对采样电流值进行隔点差分计算的命令：

k＝(gRam_optiSam.SamDataExtractPnt*SAM_INTER_OPTI+gRam_optiSam.Dx_optiSamInter+gRam_fr.sam_interval)％(SAM_INTER_OPTI*CN_MUsamDataRec)；

gRam_optiSam.Dx_optiSamInter＝k％SAM_INTER_OPTI；

gRam_optiSam.SamDataExtractPnt＝k/SAM_INTER_OPTI；

PntNext＝(gRam_optiSam.SamDataExtractPnt+1)％(CN_MUsamDataRec)；

fx1＝(float)gRam_optiSam.Dx_optiSamInter/SAM_INTER_OPTI；

fx2＝1.0-fx1；

gRam_optiSam.samData_Extract[0]＝(short)(fx2*gRam_optiSam.samData[gRam_optiSam.SamDataExtractPnt][0]+fx1*gRam_optiSam.samData[PntNext][0])；

其中CN_MusamDataRec为80点采样时间间隔，gRam_optiSam.samData[][]为原始采样值，gRam_optiSam.Dx_optiSamInter为差分点对应时间中间值，gRam_optiSam.samData_Extract[]为隔点差分计算后的i_k值。

微处理器采用全周傅氏算法计算当前采样点的电流交流量幅值的，计算幅值Im(k)的子函数为：

   void        cacuVecAdjCt(STRUCT_vector        *proPnt，STRUCT_vector   *cacuPnt，short*sample，short*c，short*d，float ctAdj)

   {

     unsigned char i；

     long a，b；

     a＝0；

     b＝0；

     for(i＝0；i＜20；i++)

     {

        a+＝sample[i]*c[i]，   b+＝sample[i]*d[i]；

     }

     a*＝(1.0/12000.0)；

     b*＝(1.0/12000.0)；

  proPnt-＞a＝a；

  proPnt-＞b＝b；

  cacuPnt-＞a＝a*ctAdj；

  cacuPnt-＞b＝b*ctAdj；

}

其中*cacuPnt为计算后向量指针，*sample差分后采样值指针，*c、*d为傅氏算法正弦、余弦系数表格指针。

由上函数可计算出基波向量*cacuPnt，幅值平方为

Im(k)＝(cacuPnt-＞a)*(cacuPnt-＞b)；

由于微处理器计算速度速度很快，此处不需求差分计算后采样值的最大值i_max，而是将Im(k)计算数据窗中所有数据(20个)进行比较，微处理器实时计算电流通道差分计算后的采样值与采样点的电流交流量幅值的比值的命令：

#define CN_K_BADSAM    (4)  //2的平方

#define CN_MU_01PHSIRTG  (0x1cf*0.1)*(0x1cf*0.1)//0.1In额定相电流

void CheckBadSamData()

{

   WORD            m；

   register DWORD    dwLoop，i；

   register float       fBadSamS，fBadSam；   //采样值及平方

   register short       *pnRlySam；   //采样值区指针

   register WORD     wFlag＝0；

   register DWORD    dwAmp；   //幅值：未经CT变比调整的

      static      WORD       wErrCnt＝0；

      m＝gRam_ExtractDot+1； //最新一周采样抽取值定位

      for(i＝0；i＜CN_samDataChkChanSum；i++)//通道循环

      {

          pnRlySam＝gRam_rlySamData[i]；     //指向采样值区

          for(dwLoop＝0；dwLoop＜CN_samFreSum；dwLoop++)//采样值循环

          {

             fBadSam＝(float)*(pnRlySam+dwLoop+m)；

             fBadSamS＝fBadSam*fBadSam；

             dwAmp＝

    gRam_protVecPnt[i].a*gRam_protVecPnt[i].a+gRam_protVecPnt[i].b*gR

am_protVecPnt[i].b；

        if((fBadSamS＞CN_MU_01PHSIRTG)&&(fBadSamS＞(CN_K_BADSAM*

(float)dwAmp)))

        {

           wFlag＝1；

           break；

        }

        }

      }

    if(wFlag＝＝1)

     {

        selfChkFlagDeal(wFlag，2，DB31，T1S，&wErrCnt)；//闭锁

保护

     }

     else

     {

        gRam chkLockFlag[2]&＝～DB31；//清瞬时闭锁标志，开放保护

     }

}

其中CN_samFreSum为采样点数，CN_samDataChkChanSum为采样通道数，每个通道每点循环计算，fBadSamS为采样值(i_k)平方，dwAmp为Im(k)的平方。通过fBadSamS与4倍dwAmp比较，若大于则通过函数selfChkFlagDeal()闭锁保护，反之则清除保护闭锁。

Claims (6)

1.一种电子式互感器采样值正确性检测方法，包括以下步骤：一、电子式互感器的合并单元将被保护间隔的负荷电流通道一周波内的采样点的电流值传输给继电保护装置；二、继电保护装置收到采样电流值，其微处理器对采样电流值进行差分计算，同时计算当前一个周期的采样点的电流交流量幅值；三、继电保护装置的微处理器实时计算当前电流通道一个周期内所有采样点差分计算后的最大采样值与当前一个周期的计算交流量幅值的比值；四、继电保护装置的微处理器将比值与设定判据比较，当比值＜2时，判断为电子式互感器采样值正确，输出正常的采样值给继电保护判断装置。

2.根据权利要求1所述的电子式互感器采样值正确性检测方法，其特征在于：

所述比值≥2时，瞬时闭锁继电保护装置。

3.根据权利要求2所述的电子式互感器采样值正确性检测方法，其特征在于：

所述合并单元每周波的采样点数为80点。

4.根据权利要求3所述的电子式互感器采样值正确性检测方法，其特征在于：

所述合并单元按继电保护范围来划分被保护间隔。

5.根据权利要求4所述的电子式互感器采样值正确性检测方法，其特征在于：

所述差分计算采用隔点差分计算。

6.根据权利要求5所述的电子式互感器采样值正确性检测方法，其特征在于：

所述计算当前采样点的电流交流量幅值采用全周付氏算法。

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