CN102324728B - 电流互感器饱和的判别及补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电流互感器饱和的判别及补偿方法，其由如下步骤组成：首先，判断电流的瞬时值是否满足电流互感器需要进行饱和的判别条件；然后，如果电流的瞬时值满足电流互感器需要进行饱和的判别条件，则进行电流互感器饱和判别；最后，当判断电流互感器饱和后，对电流瞬时值的极性及数值进行补偿。本发明的电流互感器饱和的判别及补偿方法能快速识别电流互感器二次电流具有按指数规律特征衰减的电流互感器饱和，并能够对该种情况下的电流互感器饱和进行数值和相位的补偿。利用本发明的方法还能够正确判断故障分量瞬时电流的极性和故障分量电流向量的相位，使相位比较原理的保护不受电流互感器饱和的影响，能够提高相位比较式保护的快速性、灵敏性、可靠性、选择性。

Description

电流互感器饱和的判别及补偿方法

技术领域

本发明涉及电力系统继电保护技术领域，具体而言是涉及一种在相位比较原理的继电保护中，对电流互感器饱和的判别及电流互感器饱和后如何进行相位和数值补偿方法以克服对相位比较原理的继电保护动作行为的影响。

背景技术

目前，判别电流互感器饱和的方法主要有以下几种：

（1）同步识别法，这种方法是在发生区外故障时，故障初始瞬间存在一个线性传变区，在该区间差动保护没有动作，但启动元件要动作，当电流互感器饱和后差动保护才可能动，利用启动元件与差动元件动作是否同步来识别电流互感器饱和。

（2）自适应阻抗加权抗识别方法，这种方法是利用电压工频变化量启动元件与工频变化量差动元件和工频变化量阻抗元件动作的时序不同来判断电流互感器是否饱和。

（3）利用谐波制动原理来识别电流互感器饱和的方法，该方法是利用了电流互感器饱和时差流波形畸变，根据差流中谐波分量的波形特征检测电流互感器饱和。

在利用上述方法对电流互感器饱和识别后，目前采取的措施是电流互感器饱和时闭锁稳态比率差动保护，退出饱和后开放保护。

虽然利用上述方法能够识别电流互感器饱和，但是如果内部故障如短路电流很大，电流互感器严重饱和时，二次电流波形严重畸变，可能出现间断角和高次谐波。在采用谐波制动原理的电流互感器饱和识别方法时，会误将保护闭锁，比率差动保护的动作可能延时较长。现有的研究成果表明和应涌流中的二次谐波与基波的比值相对较小，并且不是在和应涌流最大时最大，所以采用通常的谐波制动原理识别电流互感器饱和的方法不能完全使保护不误动。和应涌流含有大量的衰减的非周期分量可能使变压器各侧的电流互感器发生暂态饱和产生差流导致保护误动。当电流互感器饱和后的二次电流与电流互感器没有饱和的二次电流出现很大的相位差可能造成电流比相原理的保护在区外短路时误动，区内短路时拒动。

发明内容

为了克服上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种能够快速识别电流互感器饱和并对电流互感器饱和进行补偿的方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种电流互感器饱和的判别及补偿方法，其由如下步骤组成：

S1：判断电流的瞬时值是否满足电流互感器需要进行饱和的判别条件，所述电流互感器需要进行饱和的判别条件为，当短路电流在T1时间内连续T2时间的采样值的绝对值大于K倍的电流互感器二次额定电流时，进行电流互感器饱和判别，用公式表示为：

|i_φ(φφ)(k)|＞KI_N2

其中，i_φ(φφ)(k)为短路电流的采样值；

I_N2为电流互感器二次额定电流；

K为可靠系数；

S2：如果电流的瞬时值满足电流互感器需要进行饱和的判别条件，则进行电流互感器饱和判别，电流互感器饱和的判别条件为：当电流互感器饱和时，短路电流采样值的一阶差分满足公式

|Δi_{φ(φφ)(k+2)}|＜|Δi_{φ(φφ)(k+1)}|＜|Δi_φ(φφ)(k)|

或

|Δi_{φ(φφ)(k+3)}|＜|Δi_{φ(φφ)(k+2)}|＜|Δi_{φ(φφ)(k+1)}|

其中：Δi_φ(φφ)(k)为短路电流采样值的一阶差分过零点的电流；

|Δi_{φ(φφ)(k+1)}|、|Δi_{φ(φφ)(k+2)}|、|Δi_{φ(φφ)(k+3)}|为短路电流采样值的一阶差分过零点后的三点电流的绝对值；

S3：当判断电流互感器饱和后，对电流瞬时值的极性及数值补偿。对电流瞬时值的极性及数值补偿方法为：将电流互感器饱和后的电流采样值都替换成i_φ(φφ)(k)，即，

i’_{φ(φφ)(k+1)}＝i_φ(φφ)(k)

i’_{φ(φφ)(k+2)}＝i_φ(φφ)(k)

……

i’_{φ(φφ)(k+M1-1)}＝i_φ(φφ)(k)

在电流互感器饱和后的采样点M1点退出饱和，补偿终止，所述M1为正整数。

在根据本发明的一种优选实施方式中，T1的取值范围为2ms～5ms，所述T2的取值范围为1ms～4ms，所述可靠系数K的取值范围为5～20。

在根据本发明的另一种优选实施方式中，T1取5ms，所述T2取2ms，所述可靠系数K取6。

在根据本发明的一种优选实施方式中，短路电流采样值的一阶差分过零点的电流Δi_φ(φφ)(k)的计算公式为：

${\mathrm{\Δi}}_{\mathrm{\φ}\left(\mathrm{\φ\φ}\right)\left(k\right)}=\frac{i_{\mathrm{\φ}\left(\mathrm{\φ\φ}\right)\left(k\right)}-i_{\mathrm{\φ}\left(\mathrm{\φ\φ}\right)(k-1)}}{T_s}$

其中，T_s为采样周期。

在根据本发明的另一种优选实施方式中，在计算Δi_φ(φφ)(k)时所述T_s可换为

即用一阶差分电流代替一阶导数，其中，θ为相邻两采样时刻对应的电流向量间的夹角。

在根据本发明的另一种优选实施方式中，电流互感器饱和补偿在饱和后的采样点M1点退出的条件为：短路电流的一阶差分|Δi_{φ(φφ)(k+M1)}|取值最小时，即，满足下式：

|Δi_{φ(φφ)(k+1+M1)}|＞|Δi_{φ(φφ)(k+M1)}|≤|Δi_{φ(φφ)(k-1+M1)}|

其中，Δi_{φ(φφ)(k+M1)}为短路电流的一阶差分电流过零点后的第M1个采样点的值。

在根据本发明的一种优选实施方式中，电流互感器饱和的识别与短路电流瞬时值极性和相位的补偿每Nms进行一次，所述N为正整数。

在根据本发明的另一种优选实施方式中，N取值为5。

在根据本发明的一种优选实施方式中，计算故障分量电流瞬时值方法为：如当前电流互感器未饱和用当前电流的采样数据，如电流互感器饱和就用饱和补偿后的采样数据减去前N1周期对应的电流采样数据，得到故障分量电流瞬时值采样数据。

在根据本发明的另一种优选实施方式中，计算故障分量电流向量的方法为：如当前电流互感器未饱和用当前电流的采样数据，如电流互感器饱和就用饱和补偿后的采样数据减去前N1周期对应的电流采样数据，得到故障分量电流瞬时值，然后利用付氏算法求出故障分量电流向量。

在根据本发明的另一种优选实施方式中，N1取2。

本发明具有的有益效果：

本发明的电流互感器饱和的判别及补偿方法能快速识别电流互感器二次电流具有按指数规律特征衰减的电流互感器饱和，并能够对该种情况下的电流互感器饱和进行数值和相位的补偿。利用本发明的方法还能够正确判断故障分量瞬时电流的极性和故障分量电流向量的相位，使相位比较原理的保护不受电流互感器饱和的影响，能够提高相位比较式保护的快速性、灵敏性、可靠性、选择性。

附图说明

图1是本发明对电流互感器饱和进行检测的MATLAB仿真的模型示意图。

图2是TA1非饱和二次电流及一阶差分电流波形图。

图3是TA2饱和电流及一阶差分电流波形图。

图4是TA2深度饱和的二次电流波形图

图5是补偿后的电流波形图。

图6是TA2饱和二次电流呈现平顶波形的电流波形图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案、及优点更加清楚明白，以下参照附图对本发明进一步详细说明。

本发明的电流互感器饱和判别及补偿方法，由如下步骤组成：

首先，判断电流的瞬时值是否满足电流互感器需要进行饱和的判别条件；

然后，如果电流的瞬时值满足电流互感器需要进行饱和的判别条件，则进行电流互感器饱和判别；

最后，当判断电流互感器饱和后，对电流瞬时值的极性及数值进行补偿。

具体步骤为：第一步：判断电流的瞬时值是否满足电流互感器需要进行饱和的判别条件，在本实施方式中，电流互感器需要进行饱和的判别条件为：当短路电流在T1时间内连续T2时间的采样值的绝对值大于K倍的电流互感器二次额定电流时，进行电流互感器饱和判别，用公式表示为：|i_φ(φφ)(k)|＞KI_N2

其中，i_φ(φφ)(k)为短路电流的采样值；

I_N2为电流互感器二次额定电流；

K为可靠系数。

在本发明的一种优选实施方式中，T1的取值范围为2ms～5ms，T2的取值范围为1ms～4ms，可靠系数K的取值范围为5～20。在本发明的一种更加优选的实施方式中，T1取5ms，T2取2ms，可靠系数K取6。

第二步：进行电流互感器饱和判别，

电流互感器饱和的判别条件为：当电流互感器饱和时，短路电流采样值的导数或者一阶差分满足如下公式：

|Δi_{φ(φφ)(k+2)}|＜|Δi_{φ(φφ)(k+1)}|＜|Δi_φ(φφ)(k)|

或

|Δi_{φ(φφ)(k+3)}|＜|Δi_{φ(φφ)(k+2)}|＜|Δi_{φ(φφ)(k+1)}|

其中：Δi_φ(φφ)(k)为短路电流采样值的导数或一阶差分过零点的电流；

|Δi_{φ(φφ)(k+1)}|、|Δi_{φ(φφ)(k+2)}|、|Δi_{φ(φφ)(k+3)}|为短路电流采样值的导数或一阶差分过零点后的三点电流的绝对值。

其中，短路电流采样值的导数或一阶差分过零点的电流Δi_φ(φφ)(k)的计算公式为：

${\mathrm{\Δi}}_{\mathrm{\φ}\left(\mathrm{\φ\φ}\right)\left(k\right)}=\frac{i_{\mathrm{\φ}\left(\mathrm{\φ\φ}\right)\left(k\right)}-i_{\mathrm{\φ}\left(\mathrm{\φ\φ}\right)(k-1)}}{T_s}$

其中，T_s为采样周期。在本实施方式中，可将T_s换为

即，用一阶差分电流代替一阶导数，其中，θ为相邻两采样时刻对应的电流向量间的夹角。在本发明另外的实施方式中，在计算Δi_φ(φφ)(k)时，

用大于1的任意常数。

在本发明的另一种优选实施方式中，每一个电流周期采样点为64点。

第三步：当判断电流互感器饱和后，对电流瞬时值的极性及数值进行补偿，

将电流互感器饱和后的电流采样值都替换成i_φ(φφ)(k)，即，

i’_{φ(φφ)(k+1)}＝i_φ(φφ)(k)

i’_{φ(φφ)(k+2)}＝i_φ(φφ)(k)

……

i’_{φ(φφ)(k+M1-1)}＝i_φ(φφ)(k)

在电流互感器饱和后的采样点M1点退出饱和，补偿终止。

电流互感器饱和补偿在饱和后的采样点M1点退出的条件为：短路电流的一阶导数或一阶差分|Δi_{φ(φφ)(k+M1)}|取值最小时，即，满足以下公式之一：

|Δi_{φ(φφ)(k+1+M1)}|＞|Δi_{φ(φφ)(k+M1)}|≤|Δi_{φ(φφ)(k-1+M1)}|

或

|Δi_{φ(φφ)(k+2+M1)}|＞|Δi_{φ(φφ)(k+M1)}|≤|Δi_{φ(φφ)(k-2+M1)}|

其中，Δi_{φ(φφ)(k+M1)}为短路电流的一阶导数或一阶差分电流过零点后的第M1个采样点的值。

为提高本发明的快速性，电流互感器饱和的识别与短路电流瞬时值极性和相位的补偿每Nms进行一次，在本实施方式中，N可取5。

当电流互感器饱和补偿后，利用短路后未饱和及饱和后经补偿的一周期的瞬时值采样数据减去短路前N1周期对应的电流采样数据，可得到补偿后的故障分量电流瞬时值，就可以参与故障分量电流瞬时值比相保护中进行同极性时间的比较。能够提高抗电流互感器饱和的能力和提高故障分量电流瞬时值比相保护的快速性、可靠性、灵敏性。

当电流互感器饱和补偿后，利用短路后未饱和及饱和后经补偿的一周期采样数据减去前N1周期对应的电流采样数据，得到故障分量电流瞬时值的数据，在一个周期内利用付氏算法求出故障分量电流的向量，就可以参与故障分量电流向量比相保护中与该保护元件其他侧的故障分量电流进行相位比较，能够提高该保护方法抗电流互感器饱和的能力和提高该保护的快速性、可靠性、灵敏性。

利用本发明的方法进行TA(电流互感器)饱和的判别及补偿，图1示出了对电流互感器饱和进行检测的MATLAB仿真的模型，如图中所示，电源为1000V，RL1电阻为5欧，电感1e^-02(H),负载RFZ支路P=1000W，QL=200Var；TA1为非饱和电流互感器，TA2为饱和电流互感器，变比为10，改变TA2二次负载使TA2出现不同程度的饱和特性，容量为25VA。

（1）在0.04s发生短路。

非饱和电流互感器TA1的二次电流和相位为：

TA1非饱和二次电流及一阶差分电流如附图2所示。

饱和电流互感器TA2的二次电流和相位为：

TA2饱和电流及一阶差分电流如附图3所示。

电流的相位相差36.24度，幅值也减小为未饱和时的21%，

（2）在线性区2.5ms后TA2深度饱和。

TA2饱和后二次电流和相位为：

电流的相位相差48度，幅值也减小为未饱和时的16%，TA2深度饱和的二次电流如附图4所示。

（3）相位补偿

补偿后的电流波形如附图5所示。

TA2补偿后的电流、相位与TA1未饱和的电流及相位为：

幅值为93%相角相差2.35度。

（4）TA2的二次负载R=1，L=2E^-02

当二次电流互感器饱和的电流不具有指数衰减的特点，呈现平顶波形的特点，二次电流未出现提前过零的情况，对相位基本没有影响。利用本发明的方法不能进行电流互感器饱和的识别。但对于相位比较原理的保护在这种情况下不影响保护的灵敏性、可靠性、选择性、快速性。

TA2饱和后电流的相位相差5.13度，幅值减小为未饱和时的35%。TA2二次电流呈现平顶波行的电流如附图6所示。

由此可见，利用本发明的方法，能快速识别电流互感器二次电流具有按指数规律特征衰减的电流互感器饱和。并对该种情况下的电流互感器饱和能进行数值和相位的补偿。

利用本发明的方法能正确判断故障分量瞬时电流的极性和故障分量电流向量的相位，并对该电流的幅值有很大程度的补偿作用，使有关相位比较原理的保护不受电流互感器饱和的影响。

虽然对电流互感器饱和后，二次电流不具有指数规律衰减的特征本发明不能识别，但该电流对相位的影响不大，只要整定合适的动作角，该种电流互感器饱和不会影响相位比较原理的保护正确比相。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (11)

1.一种电流互感器饱和的判别及补偿方法，其特征在于，由如下步骤组成：

S1：判断电流的瞬时值是否满足电流互感器需要进行饱和的判别条件，所述电流互感器需要进行饱和的判别条件为：当短路电流在T1时间内连续T2时间的采样值的绝对值大于K倍的电流互感器二次额定电流时，进行电流互感器饱和判别，用公式表示为：

|i_φ(φφ)(k)|＞KI_N2

其中，i_φ(φφ)(k)为短路电流的采样值；

I_N2为电流互感器二次额定电流；

K为可靠系数；

S2：如果电流的瞬时值满足电流互感器需要进行饱和的判别条件，则进行电流互感器饱和判别，电流互感器饱和的判别条件为：当电流互感器饱和时，短路电流采样值的一阶差分满足公式

|Δi_{φ(φφ)(k+2)}|＜|Δi_{φ(φφ)(k+1)}|＜|Δi_φ(φφ)(k)|

或

|Δi_{φ(φφ)(k+3)}|＜|Δi_{φ(φφ)(k+2)}|＜|Δi_{φ(φφ)(k+1)}|

其中：Δi_φ(φφ)(k)为短路电流采样值的一阶差分过零点的电流；

|Δi_{φ(φφ)(k+1)}|、|Δi_{φ(φφ)(k+2)}|、|Δi_{φ(φφ)(k+3)}|为短路电流采样值的一阶差分过零点后的三点电流的绝对值；

S3：当判断电流互感器饱和后，对电流瞬时值的极性及数值进行补偿，对电流瞬时值的极性及数值补偿方法为：将电流互感器饱和后的电流采样值都替换成i_φ(φφ)(k)，即，

i’_{φ(φφ)(k+1)}＝i_φ(φφ)(k)

i’_{φ(φφ)(k+2)}＝i_φ(φφ)(k)

……

i’_{φ(φφ)(k+M1-1)}＝i_φ(φφ)(k)

在电流互感器饱和后的采样点M1点退出饱和，补偿终止，所述M1为正整数。

2.如权利要求1所述的电流互感器饱和的判别及补偿方法，其特征在于：所述T1的取值范围为2ms～5ms，所述T2的取值范围为1ms～4ms，所述可靠系数K的取值范围为5～20。

3.如权利要求2所述的电流互感器饱和的判别及补偿方法，其特征在于：所述T1取5ms，所述T2取2ms，所述可靠系数K取6。

4.如权利要求1所述的电流互感器饱和的判别及补偿方法，其特征在于：所述短路电流采样值的一阶差分过零点的电流Δi_φ(φφ)(k)的计算公式为：

${\mathrm{\Δi}}_{\mathrm{\φ}\left(\mathrm{\φ\φ}\right)\left(k\right)}=\frac{i_{\mathrm{\φ}\left(\mathrm{\φ\φ}\right)\left(k\right)}-i_{\mathrm{\φ}\left(\mathrm{\φ\φ}\right)(k-1)}}{T_s}$

其中，T_s为采样周期。

5.如权利要求4所述的电流互感器饱和的判别及补偿方法，其特征在于：在计算Δi_φ(φφ)(k)时所述T_s换为

即用一阶差分电流代替一阶导数，其中，θ为相邻两采样时刻对应的电流向量间的夹角。

6.如权利要求1所述的电流互感器饱和的判别及补偿方法，其特征在于：电流互感器饱和补偿，在饱和后的采样点M1点退出的条件为：短路电流的一阶差分|Δi_{φ(φφ)(k+M1)}|取值最小时，即，满足公式

|Δi_{φ(φφ)(k+1+M1)}|＞|Δi_{φ(φφ)(k+M1)}|≤|Δi_{φ(φφ)(k-1+M1)}|

或

|Δi_{φ(φφ)(k+2+M1)}|＞|Δi_{φ(φφ)(k+M1)}|≤|Δi_{φ(φφ)(k-2+M1)}|

其中，Δi_{φ(φφ)(k+M1)}为短路电流的一阶差分电流过零点后的第M1个采样点的值。

7.如权利要求1所述的电流互感器饱和的判别及补偿方法，其特征在于：电流互感器饱和的识别与短路电流瞬时值极性和相位的补偿每Nms进行一次，所述N为正整数。

8.如权利要求7所述的电流互感器饱和的判别及补偿方法，其特征在于：所述N为5。

9.如权利要求1所述的电流互感器饱和的判别及补偿方法，其特征在于：计算故障分量电流瞬时值方法为：如当前电流互感器未饱和用当前电流的采样数据，如电流互感器饱和就用饱和补偿后的采样数据减去前N1周期对应的电流采样数据，得到故障分量电流瞬时值。

10.如权利要求1所述的电流互感器饱和的判别及补偿方法，其特征在于：计算故障分量电流向量的方法为：如当前电流互感器未饱和用当前电流的采样数据，如电流互感器饱和就用饱和补偿后的采样数据减去前N1周期对应的电流采样数据，得到故障分量电流瞬时值，然后利用付氏算法求出故障分量电流向量。

11.如权利要求9或10所述的电流互感器饱和的判别及补偿方法，其特征在于：N1取2。

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