CN103323698B - 一种新型电流互感器饱和识别方法 - Google Patents

Abstract

一种新型电流互感器饱和识别方法，包括如下步骤：1、采集电流互感器保护安装处的三相电压、电流瞬时值数据，将采样结果记为u_a(k),u_b(k),u_c(k)，i_a(k),i_b(k),i_c(k)；2、计算三相电压、电流故障分量Δu_a(k),Δu_b(k),Δu_c(k)，Δi_a(k),Δi_b(k),Δi_c(k)；3、计算等效电感和电阻参数L_eq.j,R_eq.j(j=a,b,c)；4、计算等效电感参数的离散度(j=a,b,c)；5、判据识别各相电流互感器是否饱和：若则判断a相电流互感器发生饱和；若则判断b相电流互感器发生饱和；若则判断c相电流互感器发生饱和；本发明方法具有简单可靠、仅使用短数据窗、不受系统运行方式和故障初相角影响的的特点。

Description

一种新型电流互感器饱和识别方法

技术领域

本发明涉及电力系统继电保护技术领域，特别涉及一种新型电流互感器饱和识别方法。

背景技术

电力系统中，互感器是一次系统和二次系统之间的联络元件，用以监测和控制电气设备的正常运行和故障情况。保护用互感器对一次侧信号的正确传变是继电保护正确动作的前提，也是提高保护性能的关键。

电流互感器饱和问题影响了线路、变压器、母线等电力系统元件的差动保护，是一个困扰继电保护工作者的公共问题。为此，国内外学者提出了多种电流互感器饱和识别方法，例如时差法、谐波法和磁制动法。这些方法主要利用了电流互感器饱和时的电流波形特征进行识别，但存在以下缺陷：时差法在应用时易受系统运行方式和故障初相角的影响，因此时差的精确测量存在困难；谐波法需要较长的数据窗，保护的动作速度会受到限制，此外该方法受系统故障电流谐波的干扰，判据门槛值不易整定；磁制动法所需的二次负载和电流互感器励磁曲线饱和点磁链值难以整定。

因此，有必要进一步研究简单可靠的电流互感器饱和识别方法，这对提高继电保护性能具有较强的现实意义。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种新型电流互感器饱和识别方法，具有简单可靠、仅使用短数据窗、不受系统运行方式和故障初相角影响的特点。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种新型电流互感器饱和识别方法，包括如下步骤：

步骤一、采集电流互感器保护安装处的三相电压、电流瞬时值数据，将采样结果记为u_a(k),u_b(k),u_c(k)，i_a(k),i_b(k),i_c(k)；

步骤二、计算三相电压、电流故障分量Δu_a(k),Δu_b(k),Δu_c(k)，Δi_a(k),Δi_b(k),Δi_c(k)，计算公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δu}}_j\left(k\right)=u_j\left(k\right)-u_j(k-\mathrm{pN})\\ \mathrm{\Δ}{i}_j\left(k\right)=i_j\left(k\right)-i_j(k-\mathrm{pN})\end{array}\right.,j=a,b,c---\left(1\right)$

式中：p取正整数，数值大小由保护装置决定；N为每工频周期采样点数；

步骤三、计算等效电感和电阻参数L_eq.j,R_eq.j(j=a,b,c)，计算方法如下：

取出一定数据窗长的某相电压电流故障分量，构成以下超定方程组：

$\left[\begin{array}{cc}\frac{\mathrm{\Δ}{i}_j(k+1)-{\mathrm{\Δi}}_j(k-1)}{2T_s}& \mathrm{\Δ}{i}_j\left(k\right)\\ \frac{{\mathrm{\Δi}}_j(k+2)-{\mathrm{\Δi}}_j\left(k\right)}{2T_s}& {\mathrm{\Δi}}_j(k+1)\\ M& M\\ \frac{{\mathrm{\Δi}}_j(k+m+1)-{\mathrm{\Δi}}_j(k+m-1)}{2T_s}& {\mathrm{\Δi}}_j(k+m)\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{L}_{\mathrm{eq}.j}\left(k\right)\\ R_{\mathrm{eq}.j}\left(k\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Δu}}_j\left(k\right)\\ {\mathrm{\Δu}}_j(k+1)\\ M\\ {\mathrm{\Δu}}_j(k+m)\end{array}\right]---\left(2\right)$

式中：T_s为采样时间间隔；

将式（2）简写为：

$\left[i\right]\·\left[\begin{array}{c}{L}_{\mathrm{eq}.j}\left(k\right)\\ R_{\mathrm{eq}.j}\left(k\right)\end{array}\right]=\left[u\right]---\left(3\right)$

采用最小二乘算法计算参数L_eq.j,R_eq.j，计算公式如下：

$\left[\begin{array}{c}{L}_{\mathrm{eq}.j}\left(k\right)\\ R_{\mathrm{eq}.j}\left(k\right)\end{array}\right]={({\left[i\right]}^T\·[i\left]\right)}^{-1}\·{\left[i\right]}^T\·\left[u\right]---\left(4\right)$

步骤四、计算等效电感参数的离散度DL_eq.j(j=a,b,c)，计算公式如下：

${D_L}_{\mathrm{eq}.j}=\frac{\frac{1}{M}\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\left|L_{\mathrm{eq}.j}\left(k\right){-\stackrel{\‾}{L}}_{\mathrm{eq}.j}\right|}{\left|{\stackrel{\‾}{L}}_{\mathrm{eq}.j}\right|}---\left(5\right)$

式中：L_eq.j(k)(k=1,2,…,M)为计算出的一定数据窗内的M个电感参数；为相同数据窗内M个电感参数的平均值；

步骤五、按照以下判据识别各相电流互感器是否饱和：

若则判断a相电流互感器发生饱和；

若则判断b相电流互感器发生饱和；

若则判断c相电流互感器发生饱和；

其中：ε为整定门槛，取为0.2。

本发明提出了一种电流互感器饱和识别新方法，利用保护安装处的电压电流瞬时值数据计算出等效电感参数。当电流互感器没有饱和时，电感参数数值稳恒不随时间变化；一旦电流互感器发生饱和，电感参数数值会出现剧烈波动。通过计算反映电感参数波动程度大小的离散度即可准确判别出电流互感器是否饱和。

与现有技术相比，本发明主要具有以下优点：

1、与利用电流波形特征进行电流互感器饱和识别的方法相比，本发明方法不受非周期分量和谐波的影响，也不受系统运行方式和故障初相角的影响，应用时判据易整定。

2、本发明方法基于时域算法，所需数据窗短，判别速度快。

3、本发明方法对于电流互感器轻微饱和与严重饱和都适用，且饱和程度越严重，判据的灵敏度越高。

4、本发明方法具有较强的适用性，对于线路、母线或变压器区外故障时的电流互感器饱和，均能准确动作，将差动保护可靠闭锁。

附图说明

图1为仿真模型图。

图2为两侧电流互感器均未饱和时的仿真结果，其中：图2A为m端识别出的电感参数随时间变化曲线图，图2B为n端识别出的电感参数随时间变化曲线图，图2C为m端识别出的电感参数的离散度随时间变化曲线图，图2D为n端识别出的电感参数的离散度随时间变化曲线图。

图3为m侧电流互感器轻度饱和，n侧电流互感器未饱和时的仿真结果，其中：图3A为m端识别出的电感参数随时间变化曲线图，图3B为n端识别出的电感参数随时间变化曲线图，图3C为m端识别出的电感参数的离散度随时间变化曲线图，图3D为n端识别出的电感参数的离散度随时间变化曲线图。

图4为m侧电流互感器一般饱和，n侧电流互感器未饱和时的仿真结果，其中：图4A为m端识别出的电感参数随时间变化曲线图，图4B为n端识别出的电感参数随时间变化曲线图，图4C为m端识别出的电感参数的离散度随时间变化曲线图，图4D为n端识别出的电感参数的离散度随时间变化曲线图。

图5为m侧电流互感器严重饱和，n侧电流互感器未饱和时的仿真结果，其中：图5A为m端识别出的电感参数随时间变化曲线图，图5B为n端识别出的电感参数随时间变化曲线图，图5C为m端识别出的电感参数的离散度随时间变化曲线图，图5D为n端识别出的电感参数的离散度随时间变化曲线图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明应用于线路保护作进一步的详细说明。

本实施例一种新型电流互感器饱和识别方法，应用于但不局限于200km长500kV输电线路时，具体包括以下步骤：

步骤一、线路两端（m端和n端）的保护装置各自采集本端保护安装处的三相电压、电流瞬时值数据，采样频率设为5kHz，此时每工频周波采样点数N=100，采样时间间隔T_s=0.2ms；将采样结果记为u_ma(k),u_mb(k),u_mc(k)，i_ma(k),i_mb(k),i_mc(k)，u_na(k),u_nb(k),u_nc(k)，i_na(k),i_nb(k),i_nc(k)；

步骤二、计算线路两端三相电压、电流故障分量Δu_ma(k),Δu_mb(k),Δu_mc(k)，Δi_ma(k),Δi_mb(k),Δi_mc(k)，Δu_na(k),Δu_nb(k),Δu_nc(k)，Δi_na(k),Δi_nb(k),Δi_nc(k)，计算公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δu}}_{\mathrm{mj}}\left(k\right)=u_{\mathrm{mj}}\left(k\right)-u_{\mathrm{mj}}(k-\mathrm{pN})\\ \mathrm{\Δ}{i}_{\mathrm{mj}}\left(k\right)=i_{\mathrm{mj}}\left(k\right)-i_{\mathrm{mj}}(k-\mathrm{pN})\end{array}\right.,j=a,b,c---\left(6\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δu}}_{\mathrm{nj}}\left(k\right)=u_{\mathrm{nj}}\left(k\right)-u_{\mathrm{nj}}(k-\mathrm{pN})\\ \mathrm{\Δ}{i}_{\mathrm{nj}}\left(k\right)=i_{\mathrm{nj}}\left(k\right)-i_{\mathrm{nj}}(k-\mathrm{pN})\end{array}\right.,j=a,b,c---\left(7\right)$

式中：p的数值大小由保护装置决定，这里取为3；

步骤三、计算线路两端等效电感和电阻参数L_eqm.j,R_eqm.j，L_eqn.j,R_eqn.j；具体方法如下：

首先，说明L_eqm.j,R_eqm.j(j=a,b,c)的计算方法：

取出5ms数据窗长的m端某相电压电流故障分量，构成以下超定方程组：

$\left[\begin{array}{cc}\frac{\mathrm{\Δ}{i}_{\mathrm{mj}}(k+1)-{\mathrm{\Δi}}_{\mathrm{mj}}(k-1)}{2T_s}& \mathrm{\Δ}{i}_{\mathrm{mj}}\left(k\right)\\ \frac{{\mathrm{\Δi}}_{\mathrm{mj}}(k+2)-{\mathrm{\Δi}}_{\mathrm{mj}}\left(k\right)}{2T_s}& {\mathrm{\Δi}}_{\mathrm{mj}}(k+1)\\ M& M\\ \frac{{\mathrm{\Δi}}_{\mathrm{mj}}(k+23)-{\mathrm{\Δi}}_{\mathrm{mj}}(k+21)}{2T_s}& {\mathrm{\Δi}}_{\mathrm{mj}}(k+22)\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{L}_{\mathrm{eqm}.j}\left(k\right)\\ R_{\mathrm{eqm}.j}\left(k\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Δu}}_{\mathrm{mj}}\left(k\right)\\ {\mathrm{\Δu}}_{\mathrm{mj}}(k+1)\\ M\\ {\mathrm{\Δu}}_{\mathrm{mj}}(k+22)\end{array}\right]---\left(8\right)$

将式（8）简写为：

$\left[i_m\right]\·\left[\begin{array}{c}{L}_{\mathrm{eqm}.j}\left(k\right)\\ R_{\mathrm{eqm}.j}\left(k\right)\end{array}\right]=\left[u_m\right]---\left(9\right)$

采用最小二乘算法计算参数L_eqm.j,R_eqm.j，计算方法如下：

$\left[\begin{array}{c}{L}_{\mathrm{eqm}.j}\left(k\right)\\ R_{\mathrm{eqm}.j}\left(k\right)\end{array}\right]={({\left[i_m\right]}^T\·[i_m\left]\right)}^{-1}\·{\left[i_m\right]}^T\·\left[u_m\right]---\left(10\right)$

其次，说明L_eqn.j,R_eqn.j(j=a,b,c)的计算方法：

取出5ms数据窗长的n端某相电压电流故障分量，构成以下超定方程组：

$\left[\begin{array}{cc}\frac{\mathrm{\Δ}{i}_{\mathrm{nj}}(k+1)-{\mathrm{\Δi}}_{\mathrm{nj}}(k-1)}{2T_s}& \mathrm{\Δ}{i}_{\mathrm{nj}}\left(k\right)\\ \frac{{\mathrm{\Δi}}_{\mathrm{nj}}(k+2)-{\mathrm{\Δi}}_{\mathrm{nj}}\left(k\right)}{2T_s}& {\mathrm{\Δi}}_{\mathrm{nj}}(k+1)\\ M& M\\ \frac{{\mathrm{\Δi}}_{\mathrm{nj}}(k+23)-{\mathrm{\Δi}}_{\mathrm{nj}}(k+21)}{2T_s}& {\mathrm{\Δi}}_{\mathrm{nj}}(k+22)\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{L}_{\mathrm{eqn}.j}\left(k\right)\\ R_{\mathrm{eqn}.j}\left(k\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Δu}}_{\mathrm{nj}}\left(k\right)\\ {\mathrm{\Δu}}_{\mathrm{nj}}(k+1)\\ M\\ {\mathrm{\Δu}}_{\mathrm{nj}}(k+22)\end{array}\right]---\left(11\right)$

将式（11）简写为：

$\left[i_n\right]\·\left[\begin{array}{c}{L}_{\mathrm{eqn}.j}\left(k\right)\\ R_{\mathrm{eqn}.j}\left(k\right)\end{array}\right]=\left[u_n\right]---\left(12\right)$

采用最小二乘算法计算参数L_eqn.j,R_eqn.j，计算方法如下：

$\left[\begin{array}{c}{L}_{\mathrm{eqn}.j}\left(k\right)\\ R_{\mathrm{eqn}.j}\left(k\right)\end{array}\right]={({\left[i_n\right]}^T\·[i_n\left]\right)}^{-1}\·{\left[i_n\right]}^T\·\left[u_n\right]---\left(13\right)$

步骤四、计算线路两端等效电感参数的离散度 具体方法如下：

首先，说明(j=a,b,c)的计算方法：

${D_L}_{\mathrm{eqm}.j}=\frac{\frac{1}{25}\underset{k=1}{\overset{25}{\mathrm{\Σ}}}\left|L_{\mathrm{eqm}.j}\left(k\right){\stackrel{\‾}{L}}_{\mathrm{eqm}.j}\right|}{\left|{\stackrel{\‾}{L}}_{\mathrm{eqm}.j}\right|}---\left(14\right)$

式中：L_eqm.j(k)(k=1,2,L,25)为10ms数据窗内计算出的25个电感参数；为这些电感参数的平均值；

其次，说明(j=a,b,c)的计算方法：

${D_L}_{\mathrm{eqn}.j}=\frac{\frac{1}{25}\underset{k=1}{\overset{25}{\mathrm{\Σ}}}\left|L_{\mathrm{eqn}.j}\left(k\right){\stackrel{\‾}{L}}_{\mathrm{eqn}.j}\right|}{\left|{\stackrel{\‾}{L}}_{\mathrm{eqn}.j}\right|}---\left(15\right)$

式中：L_eqn.j(k)(k=1,2,…,25)为10ms数据窗内计算出的25个电感参数；为这些电感参数的平均值；

步骤五、按照以下判据判断各相电流互感器是否饱和：

若则判断m端a相电流互感器发生饱和；

若则判断m端b相电流互感器发生饱和；

若则判断m端c相电流互感器发生饱和；

若则判断n端a相电流互感器发生饱和；

若则判断n端b相电流互感器发生饱和；

若则判断n端c相电流互感器发生饱和；

其中：ε为整定门槛，取为0.2。

以上即为本发明应用于线路保护的实施流程。

利用电磁暂态仿真软件（EMTP）建立200km长500kV三相输电线路系统模型，如图1所示，其中电流互感器采用Type98非线性电感元件搭建，两端电流互感器变比均为1200/5，采样频率设为5kHz，数据窗长取为10ms，其中用于识别电感参数的数据窗长为5ms，因此10ms数据窗可以计算出25个电感参数，进而利用它们计算出电感参数离散度。

图2至图5均为n侧区外F点发生A相接地故障时的仿真结果。

图2为两侧电流互感器均未饱和时的仿真结果。由图可知，两侧识别出的电感参数数值稳恒，几乎不随时间变化，此时电感参数离散度非常小，远低于整定门槛ε=0.2。

图3至图5分别为m侧电流互感器发生不同程度饱和，n侧电流互感器未饱和时的仿真结果。当一侧电流互感器发生饱和时，利用饱和侧电压电流识别出的电感参数会出现较为剧烈的波动，电感参数离散度大于整定门槛ε=0.2，而非饱和侧识别出的电感参数则基本恒定，电感参数离散度远小于整定门槛，因此根据判据可以准确识别出发生饱和的电流互感器。

由图3至图5还可以看出，随着电流互感器饱和程度的加深，饱和侧识别出的电感参数变化愈加剧烈，电感参数离散度也更大。因此，本方法能够自适应于电流互感器的饱和程度，即使对于严重饱和情况，也能准确快速地识别出发生饱和的电流互感器。

本方法同样适用于母线保护和变压器保护，这里不再赘述。

Claims (1)

1.一种新型电流互感器饱和识别方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、采集电流互感器保护安装处的三相电压、电流瞬时值数据，将采样结果记为u_a(k),u_b(k),u_c(k)，i_a(k),i_b(k),i_c(k)；

步骤二、计算三相电压、电流故障分量Δu_a(k),Δu_b(k),Δu_c(k)，Δi_a(k),Δi_b(k),Δi_c(k)，计算公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δu}}_j\left(k\right)=u_j\left(k\right)-u_j(k-\mathrm{pN})\\ \mathrm{\Δ}{i}_j\left(k\right)=i_j\left(k\right)-i_j(k-\mathrm{pN})\end{array},\right.j=a,b,c---\left(1\right)$

式中：p取正整数，数值大小由保护装置决定；N为每工频周期采样点数；

步骤三、计算等效电感和电阻参数L_eq.j,R_eq.j(j=a,b,c)，计算方法如下：

取出一定数据窗长的某相电压电流故障分量，构成以下超定方程组：

$\left[\begin{array}{cc}\frac{\mathrm{\Δ}{i}_j(k+1)-{\mathrm{\Δi}}_j(k-1)}{2T_s}& \mathrm{\Δ}{i}_j\left(k\right)\\ \frac{{\mathrm{\Δi}}_j(k+2)-{\mathrm{\Δi}}_j\left(k\right)}{2T_s}& {\mathrm{\Δi}}_j(k+1)\\ M& M\\ \frac{{\mathrm{\Δi}}_j(k+m+1)-{\mathrm{\Δi}}_j(k+m-1)}{2T_s}& {\mathrm{\Δi}}_j(k+m)\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{L}_{\mathrm{eq}.j}\left(k\right)\\ R_{\mathrm{eq}.j}\left(k\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Δu}}_j\left(k\right)\\ {\mathrm{\Δu}}_j(k+1)\\ M\\ {\mathrm{\Δu}}_j(k+m)\end{array}\right]---\left(2\right)$

式中：T_s为采样时间间隔；

将式（2）简写为：

$\left[i\right]\·\left[\begin{array}{c}{L}_{\mathrm{eq}.j}\left(k\right)\\ R_{\mathrm{eq}.j}\left(k\right)\end{array}\right]=\left[u\right]---\left(3\right)$

采用最小二乘算法计算参数L_eq.j,R_eq.j，计算公式如下：

$\left[\begin{array}{c}{L}_{\mathrm{eq}.j}\left(k\right)\\ R_{\mathrm{eq}.j}\left(k\right)\end{array}\right]={({\left[i\right]}^T\·[i\left]\right)}^{-1}\·{\left[i\right]}^T\·\left[u\right]---\left(4\right)$

步骤四、计算等效电感参数的离散度计算公式如下：

${D_L}_{\mathrm{eq}.j}=\frac{\frac{1}{M}\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\left|L_{\mathrm{eq}.j}\left(k\right){\stackrel{\‾}{L}}_{\mathrm{eq}.j}\right|}{\left|{\stackrel{\‾}{L}}_{\mathrm{eq}.j}\right|}---\left(5\right)$

式中：L_eq.j(k)(k=1,2,…,M)为计算出的一定数据窗内的M个电感参数；为相同数据窗内M个电感参数的平均值；

步骤五、按照以下判据识别各相电流互感器是否饱和：

若则判断a相电流互感器发生饱和；

若则判断b相电流互感器发生饱和；

若则判断c相电流互感器发生饱和；

其中：ε为整定门槛，取为0.2。