CN105067906A - 一种基于三阶中心矩的电流互感器饱和检测方法 - Google Patents

Abstract

一种基于三阶中心矩的电流互感器饱和检测方法，首先对电流互感器二次侧电流进行采样；其次在波形峰值附近采用数据窗口再次截取电流波形，得到关于峰值对称的采样点更少的波形；对截取波形进行波形镜像变换后，用三阶中心矩计算离散系数；最后输出判断结果。在此过程中，需计算标准正弦电流波形镜像后的离散系数，由分析计算得其可视为一个定值，作为比较依据。本发明重点解决了电流互感器发生饱和时检测速率慢、检测精度低的问题，仅需利用半个周波的采样数据即可快速准确检测CT饱和情况的发生，一定程度上提高了继电保护的可靠性，对确保其准确可靠动作等方面具有一定的实际意义。

Description

一种基于三阶中心矩的电流互感器饱和检测方法

技术领域

本发明属于电力系统继电保护技术领域，特别涉及一种采用三阶中心矩算法实现电磁型电流互感器饱和的检测方法。

背景技术

随着我国特高压和智能电网的建设,对电力系统可靠性要求越来越高,电网电压等级升高的同时伴随着电网短路电流水平的提高,对电气设备的性能也提出了更大的挑战。电流互感器CT(CurrentTransformer)是电力系统中重要的电气设备之一,也是各种二次设备监测和感知一次系统真实运行状况的重要元件，广泛应用于电力系统监控、保护、测距和录波等方面。对于继电保护用电流互感器来说,对其最基本的要求就是要真实反映一次电流波形,尤其是在电网发生故障的情况下,不仅要求CT能反映故障电流的大小,还能正确反映故障电流的波形和相位，可参考袁季修,盛和乐,吴聚业等编著的“保护用电流互感器应用指南”(北京:中国电力出版社,2004)。

电流互感器作为一次系统和二次系统的联络元件,可以将感知到的一次系统的真实状态反映给保护装置,不管是传统的电磁型保护还是目前的数字型保护装置,被保护元件中流过的电流大小也是由电流互感器进行测量的,因此,电流互感器的传变性能对继电保护的性能就具有非常重要的影响。但是由于传统电磁式电流互感器是利用电磁感应原理转换电流的，其铁心具有非线性特性。在正常工作情况下,CT运行在线性工作区，电流较小不会饱和，可以正确传变电流。但在系统发生严重短路故障时,由于故障电流超过正常负荷电流很多倍,尤其是在故障电流中含有较大的非周期分量时,电流互感器的磁通在短时间内达到饱和,此时一次侧电流将无法正确地传变到二次侧,电流互感器的二次电流波形产生畸变，还可能引起继电保护误动，可参考陈三运发表的“一起CT饱和引起的继电保护拒动分析”(电网技术.2002.26(4):85-87)。因此，如何快速准确地检测出电流互感器是否发生饱和，对于保证继电保护装置正确动作具有重要意义。

目前国内外已有很多有过CT饱和检测的方法，如：铁心饱和会引起电流互感器二次电流的谐波含量升高。根据这一特征,天津大学的贺家李教授等学者提出采用二次电流的谐波比来检测铁心饱和，可参考王志鹏,郑玉平,贺家李等发表的“通过计算谐波比确定母线保护中电流互感器的饱和”(电力系统及其自动化学报.2000,12(5):19一24)；李贵存,刘万顺,贾清泉等发表的“一种利用小波原理检测电流互感器饱和的新方法”(电力系统自动化,2001,25(7):36-44)、李忠安,何奔腾发表的“一种利用小波变换开放电流互感器线性区的方法”(继电器,2000,28(5):20-23)都是利用小波模极大值方法定位二次电流中的奇异点，并以此检测CT入出饱和。但小波变换在时窗边界和二次电流过零点处也可能出现模极大值，是该方法的缺陷所在；利用饱和段与非饱和段电流的多阶导数的差异性来检测出入饱和点。该方法运用的是差分算法，抗噪声干扰能力弱，可参考罗萍萍,金菲,洪骅等发表的“电流互感器饱和检测的一种新算法”(上海电力学院学报,2006,22(4):319-322)；基于数学形态学的CT饱和检测方法，可参考郑涛,谷君,黄少锋等发表的“基于数学形态梯度的变压器转换性故障识别新判据”(中国电机工程学报,2008,28(22):75-80)等一系列检测CT饱和的方法。它们均可以实现电流互感器饱和检测，不过有利有弊，很少能同时满足精度高与速度快这两项要求。因此，CT饱和检测仍旧是现代继电保护领域研究的热点问题之一。

发明内容

本发明是针对电力系统中保护用电磁型电流互感器在故障时易发生饱和的现象，提出一种利用三阶中心矩的算法来检测CT饱和的方法。

目前继电保护广泛使用的P级电流互感器，其抗饱和能力较差。而CT发生饱和时，二次电流波形会发生畸变，呈现明显不对称形式。三阶中心矩可以反映数据的离散程度，可用来检测CT是否发生饱和。

本发明具体采用以下技术方案：

一种基于偏态分布的保护用电流互感器饱和检测方法，其特征在于：对电流互感器二次波形进行波形镜像变换后，用三阶中心矩计算离散系数，通过离散系数来判断电流互感器是否发生饱和。

一种基于三阶中心矩的电流互感器饱和检测方法，其特征在于，所述检测方法包括以下步骤：

(1)首先对电流互感器的二次侧电流进行采样，得到采样数据；

(2)对电流互感器的二次侧电流采样数据进行部分截取，即选择二次电流波形峰值为中心，在其两侧分别截取相同数量的采样点，所截取的两侧的采样点连同峰值组成一个数据窗口；

(3)针对步骤(2)中所截取的数据窗口内的二次电流波形，对其进行波形变换，即将电流波形峰值以后的采样数据相对于通过峰值点并且平行于时间轴的直线进行镜像操作，与原电流波形峰值以前的采样数据连接，构成镜像波形；

(4)利用三阶中心矩公式对步骤(3)中得到的镜像波形进行计算，定义其结果为离散系数TC；三阶中心矩公式如下：

式中：n表示镜像波形采样点数，x_i表示每个采样点对应的电流大小，表示镜像波形所有采样点电流的平均值，i表示采样数据序列；

(5)定义理想二次电流正弦波形式下的离散系数值为TC1，作为给定阈值，其值可整定为0.5；实际二次电流的离散系数值为TC2；

当TC2大于0.5时，即可判定电流互感器饱和，且TC2值越大，饱和程度越深。

进一步，在步骤(1)中，每周波取80个采样点。

在步骤(2)中，以二次电流波形峰值为中心，在二次电流峰值左右各取20个采样点，包括峰值点在内共41个采样点组成一个数据窗口。

本发明的有益效果:

本发明所提出的采用三阶中心矩算法实现电磁型电流互感器发生饱和时的检测方法，其具有检测精度高、检测速率快等特点。首先，本发明所用算法仅需饱和发生后半个周波内的数据即可，保证了计算速度。对半个周波波形进行波形镜像变换，有效地规避了半周波正弦波离散程度较大的缺陷。三阶中心矩可以很好地反应样本数据的离散程度，本发明紧紧抓住未饱和的电流互感器二次电流基本为正弦波形式，而饱和电流互感器的二次电流波形则呈现明显畸变，在峰值附近样本数据的离散度不同的特点，仅用简单实用的算法即可有效区分CT是否发生饱和以及饱和程度大小。无论对于何种形式下的CT饱和，本发明均可在半周波内检测出饱和的发生。同时，算法简便，易于编程实现，对微机软硬件要求均不高是本发明一大特点。因此，本发明对提高继电保护的可靠性、确保其准确可靠动作等方面具有一定的实际意义。

附图说明

图1为电流互感器等效电路图；

图2为仿真模拟实验所用系统仿真模型；

图3为电流互感器饱和时一个周波内的理想二次电流波形和实际饱和的二次电流波形；

图4为数据窗截取经镜像后的理想二次电流波形；

图5为数据窗截取经镜像后的饱和二次电流波形；

图6为本发明提出的基于三阶中心矩法的电流互感器饱和检测方法流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图以及具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细介绍。

本发明是提出一种利用三阶中心矩的算法来检测CT饱和的方法，可有效快速地检测出CT是否发生饱和以及饱和程度。整个过程如图6流程图所示。

由图1的电流互感器等效模型，i₁表示流经系统的一次电流，i₂为电流互感器二次侧电流，i_m为励磁电流。建立图2所示的电力系统仿真模型，为双侧电源系统，两侧相位不一致，在线路中间设置故障，使电流互感器发生饱和。采用本发明方法对饱和CT理想的二次电流和实际的二次电流波形采样，而后经过数据窗截取以及镜像变换，并计算三阶中心矩离散值TC，与给定值比较。

本发明提出的基于三阶中心矩法的电流互感器饱和检测方法包括以下步骤：

(1)首先对电流互感器的二次侧电流进行采样，得到采样数据。取每周波80个采样点。

(2)对电流互感器的二次侧电流采样数据进行部分截取。具体为选择二次电流波形峰值为中心，在其两侧分别取相同数量的采样点。本发明采取对半取点法，即每周波采样为80点，数据窗口大小则为41(二次电流峰值左右各取20个采样点，包括峰值点在内组成一个数据窗口)。

(3)针对步骤(2)中通过数据窗口截取所得的二次电流波形，本发明对其进行波形变换，即电流波形峰值以后的采样数据关于峰值点所在平行于时间轴的直线镜像，得到镜像波形，具体变换过程见图3、图4、图5所示，即对于图3中显示的一个周波内的理想二次电流波形和实际的二次电流波形，在理想电流波形最小值处，采用步骤(2)中数据窗口分别对理想二次电流和实际二次电流波形截取，并进行步骤(3)中的镜像变换，得到图4显示的理想二次电流镜像波形和图5显示的实际二次电流镜像波形。

(4)利用三阶中心矩公式步骤(3)中变换得到的镜像波形进行计算，定义其结果为离散系数TC。三阶中心矩公式如下：

式中：n表示镜像波形采样点数，x_i表示每个采样点对应的电流大小，表示镜像波形所有采样点电流的平均值，i表示采样数据序列。

(5)定义理想二次电流正弦波形式下的离散系数值为TC1，作为给定阈值，其值可整定为0.5；实际二次电流的离散系数值为TC2。

当TC2大于0.5时，即可判定电流互感器饱和，且TC2值越大，饱和程度越深。

下面进一步通过一实施例介绍本发明的技术方案。

(1)设置两侧电源分别为220kV∠0(S1)、220kV∠-30(S2)，CT变比为2000:5，线路总长200km，设置故障初始角度为0，剩磁为90％，设置故障使得互感器饱和，得到电流波形并采样；

(2)采用每周波80点采样，故数据窗口大小为41点，截取第一周波内的理想二次电流、饱和二次电流波形，如图3所示，可看出理想二次电流波形仍为正弦形式，而实际的二次电流波形则发生了明显的畸变；

(3)分别对两个电流波形进行镜像处理，得到图4，图5中所示波形。图4为理想的二次电流波形镜像变换后的波形图，而图5则为实际采样的二次电流波形镜像变换波形，可看出波形无规律、不对称；

(4)并利用三阶中心矩公式计算实际二次电流经镜像后的波形的离散程度，得TC2数值为2.2164e+07；

(5)由于整定阈值TC1为0.5，TC2数值已远大于0.5，可判定为电流互感器发生饱和，且为严重饱和程度。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种基于三阶中心矩的电流互感器饱和检测方法，其特征在于：

对电流互感器二次波形进行波形镜像变换后，用三阶中心矩计算离散系数，通过离散系数来判断电流互感器是否发生饱和。

2.一种基于三阶中心矩的电流互感器饱和检测方法，其特征在于，所述检测方法包括以下步骤：

(1)首先对电流互感器的二次侧电流进行采样，得到采样数据；

(2)对电流互感器的二次侧电流采样数据进行部分截取，即选择二次电流波形峰值为中心，在其两侧分别截取相同数量的采样点，所截取的两侧的采样点连同峰值组成一个数据窗口；

(3)针对步骤(2)中所截取的数据窗口内的二次电流波形，对其进行波形变换，即将电流波形峰值以后的采样数据相对于通过峰值点并且平行于时间轴的直线进行镜像操作，与原电流波形峰值以前的采样数据连接，构成镜像波形；

(4)利用三阶中心矩公式对步骤(3)中变换得到的镜像波形进行计算，定义其结果为离散系数TC；三阶中心矩公式如下：

$TC=\frac{1}{n}{\Σ}_{i=1}^n{(x_i-\stackrel{\‾}{x})}^3---\left(1\right)$

式中：n表示镜像波形采样点数，x_i表示每个采样点对应的电流大小，表示镜像波形所有采样点电流的平均值，i表示采样数据序列；

(5)定义理想二次电流正弦波形式下的离散系数值为TC1，作为给定阈值，其值可整定为0.5；实际二次电流的离散系数值为TC2；当TC2大于0.5时，即可判定电流互感器饱和，且TC2值越大，饱和程度越深。

3.根据权利要求2所述的电流互感器饱和检测方法，其特征在于：

在步骤(1)中，每周波取80个采样点。

4.根据权利要求3所述的电流互感器饱和检测方法，其特征在于：

在步骤(2)中，以二次电流波形峰值为中心，在二次电流峰值左右各取20个采样点，包括峰值点在内共41个采样点组成一个数据窗口。