CN106371047B - 一种低功率铁芯线圈电流互感器的饱和判定方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种低功率铁芯线圈电流互感器的饱和判定算法，包括：设计基于最小二乘法的平滑滤波器，用于对低功率铁芯线圈电流互感器输出的二次侧电流信号进行平滑和微分；将二次侧电流信号传输至平滑滤波器；根据平滑滤波器的输出方程，计算二次侧电流信号模极大值存在的离散时刻；根据离散时刻，计算二次侧电流信号的模极大值，根据模极大值设置饱和阈值；根据饱和阈值，查找二次侧电流信号的模超出饱和阈值的饱和时刻；根据饱和时刻，确定互感器的饱和起始点和饱和截止点。本发明实施例提供的饱和判定算法抗噪声能力强，准确性高；饱和判定算法与低功率铁芯线圈电流互感器及其二次侧负载、电路故障类型无关，具有普遍性和适应性。

Description

一种低功率铁芯线圈电流互感器的饱和判定方法

技术领域

本发明涉及电气技术领域，特别是涉及一种低功率铁芯线圈电流互感器的饱和判定方法。

背景技术

在智能电网技术中，电流互感器用于将电网电流按比例转换为合适的信号供测量仪表、保护和控制装置使用，其中，低功率铁芯线圈电流互感器设置为一种电磁式电流互感器，具有输出灵敏度高、技术成熟、性能稳定及易于大批量生产等特点，此外，由于其二次负荷较小，加上高导磁铁芯材料的应用，可以实现对大动态范围电流的测量，因此被广泛应用于智能电网。

但是，由于低功率铁芯线圈电流互感器中含有铁芯，所以存在铁芯饱和问题，其中，铁芯饱和是指电流互感器的一次侧电流持续增加时，互感器的二次侧电流不变。铁芯饱和会导致卷绕在铁芯上的线圈失去电感或电抗，此时线圈总电阻趋向零，即使线圈两端的电压不高，也会产生大电流，增加损耗，甚至会使线圈烧毁，因此给电路的运行带来负面影响。在电流互感器短路故障时，需要进行重合闸操作，而重合闸操作会产生很大的剩磁通，使低功率铁芯线圈电流互感器在短时间内迅速饱和，限制了低功率铁芯线圈电流互感器的动态响应精度，因此，低功率铁芯线圈电流互感器的饱和判定，对于实现精确检测具有重要意义。

现有技术中，对于低功率铁芯线圈电流互感器的饱和判定方法有小波检测法、三阶差分检测法、磁密度检测法等。其中，小波检测法采用小波模极大值判定奇异点，从而判定饱和点，但在互感器二次电流过零点处也可能出现模极大值，所以无法排除对过零点数据的处理；三阶差分法利用铁芯出入饱和时二次电流的三阶差分会出现模极大值来检测饱和，但是，后续检测结果完全依赖于前一次差分结果，容易造成测量结果错误累积；磁密度检测法通过二次电压对时间的积分来求取铁心磁密，从而检测饱和，但该方法未考虑铁心剩磁通的影响，不具有广泛的适用性。因此，现有技术中，对于低功率铁芯线圈电流互感器的饱和判定不准确。

发明内容

本发明实施例中提供了一种低功率铁芯线圈电流互感器的饱和判定方法，以解决现有技术中的低功率铁芯线圈电流互感器的饱和判定不准确问题。

为了解决上述技术问题，本发明实施例公开了如下技术方案：

本发明实施例提供的一种低功率铁芯线圈电流互感器的饱和判定方法，包括：

设计基于最小二乘法的平滑滤波器，所述平滑滤波器用于对低功率铁芯线圈电流互感器输出的二次侧电流信号进行平滑和微分；

将所述二次侧电流信号传输至所述平滑滤波器，得到差分输出方程；

根据所述差分输出方程，计算所述二次侧电流信号的模极大值存在时的离散时刻；

根据所述离散时刻，计算所述二次侧电流信号的模极大值，根据所述模极大值设置饱和阈值；

根据所述饱和阈值，查找所述二次侧电流信号的模超出所述饱和阈值的饱和时刻；

根据所述饱和时刻，确定所述低功率铁芯线圈电流互感器的饱和起始点、饱和截止点。

优选的，在将所述二次侧电流信号传输至所述平滑滤波器之前，还包括：

初步判断所述低功率铁芯线圈电流互感器是否饱和；

如果判断所述低功率铁芯线圈电流互感器饱和，则将所述二次侧电流信号传输至所述平滑滤波器；

如果判断所述低功率铁芯线圈电流互感器不饱和，则直接输出不饱和判断结果。

优选的，当所述低功率铁芯线圈电流互感器与空心罗氏线圈电流互感器组合成电磁、电子混合式电流互感器时，初步判断所述低功率铁芯线圈电流互感器是否饱和包括：

获取所述低功率铁芯线圈电流互感器的二次侧电压和变比，对所述铁芯线圈电流互感器的二次侧电压和变比做乘积，得到所述低功率铁芯线圈电流互感器的一次侧电流；

获取所述空心罗氏线圈电流互感器的二次侧电压和变比，对所述空心罗氏线圈电流互感器的二次侧电压和变比做乘积，得到所述空心罗氏线圈电流互感器的一次侧电流；

将所述低功率铁芯线圈电流互感器的一次侧电流与所述空心罗氏线圈电流互感器的一次侧电流的差的绝对值设置为误差阈值；

判断所述误差阈值是否大于所述电磁、电子混合式电流互感器的出厂标定误差；

如果所述误差阈值大于所述电磁、电子混合式电流互感器的出厂标定误差，则判断所述低功率铁芯线圈电流互感器饱和；

如果所述误差阈值小于或等于所述电磁、电子混合式电流互感器的出厂标定误差，则判断所述低功率铁芯线圈电流互感器不饱和。

优选的，判断所述低功率铁芯线圈电流互感器是否饱和的方法包括：小波检测法、三阶差分检测法、磁密度检测法。

优选的，所述平滑滤波器的阶数为二阶。

优选的，根据所述模极大值设置饱和阈值，包括：

将所述模极大值与信噪比系数的乘积设置为饱和阈值，其中，所述信噪比系数是基于40-50dB的信噪比得到的。

由以上技术方案可见，本发明实施例提供的低功率铁芯线圈电流互感器的饱和判定方法通过设计基于最小二乘法的滤波器，对低功率铁芯线圈电流互感器输出的二次侧电流信号进行平滑和微分，抗噪声能力强；根据滤波器的输出方程，计算二次侧电流信号模极大值并设置为饱和阈值，根据饱和阈值确定低功率铁芯线圈电流互感器饱和起始点和截止点，实现了对低功率铁芯线圈电流互感器的饱和判定，准确性高；本发明实施例提供的饱和判定方法的原理不受低功率铁芯线圈电流互感器的特性、二次侧负载和故障类型限制，饱和判定方法具有普遍性和适应性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种低功率铁芯线圈电流互感器的饱和判定方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种饱和初步判断方法的流程示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

实施例一

参见图1，为本发明实施例提供的一种低功率铁芯线圈电流互感器的饱和判定方法的流程示意图，具体包括如下步骤：

S101：设计基于最小二乘法的平滑滤波器，平滑滤波器用于对低功率铁芯线圈电流互感器输出的二次侧电流信号进行平滑和微分。

具体的，对于连续输入的2m+1个以零点为对称的信号x＝[x(-m),x(-m+1),x(0),...,x(m-1),x(m)]，利用p阶多项式为进行拟合，拟合的均方误差为利用最小误差原理可得

进一步的，引入一个(2m+1)行(p+1)列的辅助矩阵A，A＝{a_n,i}，a_n,j＝nⁱ，-m≤n≤m，i＝0,1,...,p；再设一个辅助矩阵B,使得：B＝A^TA,经计算可知：定义则可以得到：Ba＝A^TAa＝A^Tx，a＝(A^TA)^-1A^Tx，根据多项式定义，进一步可知则矩阵A^*＝(A^TA)^-1A^T的行定义了一系列时不变有限脉冲滤波器，为平滑滤波器，用于数据窗口中心点信号的平滑和微分。

平滑滤波器是一种低通滤波器，通过缩小高频，扩大低频可以对信号进行平滑，而信号平滑能消除所有带有较大误差障碍的数据点，基于最小二乘法设计的平滑滤波器，通过对信号进行多项式拟合，在滤除噪声的同时保留了信号的模极大值、宽度等分布特性，为后续方法奠定了准确性基础。

在本实施例中，平滑滤波器为数字滤波器，用软件实现，滤波器的性能由一系列数字系数来确定，只要重新确定滤波程序的系数就可重新设计滤波器，数字滤波器的输出可以用差分方程计算。

S102：将二次侧电流信号传输至平滑滤波器，得到差分输出方程。

具体的，对二次侧电流信号进行采样，获得含衰减直流分量的二次侧电流采样信号为其中，I_Smax为二次侧电流峰值，T_S为采样周期，N为单位周期内采样点数，τ为衰减时间常数。本发明实施例中，以三阶多项式设计的二阶微分滤波器、即p＝3为例，数据窗长为7。平滑滤波器的差分输出方程为del2[n]＝(5i_s[n]-3i_s[n-2]-4i_s[n-3]-3i_s[n-4]+5i_s[n-6])/42，其中del为微分算子，del2[n]表示二阶微分滤波器的输出，由于在计算机中，微分用后向差分代替，因此，二阶微分滤波器的输出用差分输出方程表示。将二次侧电流采样信号i_s(n)带入上述差分输出方程可得：

平滑滤波器的阶数越高，高频衰减越快，滤波器特性越理想，但阶数越高，响应越慢，所以本实施例中将平滑滤波器的阶数设为2阶，有效平衡了滤波器特性与响应速度的矛盾。当然，根据不同现场环境和实际需求，设计其他的平滑滤波器也属于本发明的保护范围。

S103：根据差分输出方程，计算二次侧电流信号的模极大值存在时的离散时刻。

具体的，带入二次侧电流采样信号i_s(n)的差分输出方程中，由于T_S＜＜τ，所以则差分输出方程简化为其中，a为余弦项的权重，b为正弦项的权重,计算得根据三角变换原理可知，权重和n_max满足其中，n_max为平滑滤波器输出模极大值max(del2[n])时的离散时刻。

S104：根据离散时刻，计算二次侧电流信号的模极大值，根据模极大值设置饱和阈值。

具体的，将所述离散时刻n_max带入滤波器的输出方程，得到二次侧电流信号的模极大值max(del2[n])，

进一步的，考虑环境噪声对饱和判定的影响，将模极大值与信噪比系数的乘积max'(del2[n])设置为饱和阈值，即式中k_SNR为信噪比系数。一般情况下信噪比(SNR，Signal Noise Ratio)为40-50dB，对应的信噪比系数为1.8432-1.1938。

在本发明实施例中，可将模极大值max(del2[n])设置为饱和阈值，也可将模极大值与信噪比系数的乘积max'(del2[n])设置为饱和阈值。由于环境噪声对低功率铁芯线圈电流互感器的测量精度有一定影响，因此充分考虑环境噪声的饱和阈值max'(del2[n])更为准确。

S105：根据饱和阈值，查找二次侧电流信号的模超出饱和阈值的饱和时刻。

具体的，判断二次侧电流信号的模是否大于饱和阈值，如果二次侧电流信号的模大于饱和阈值，则将二次侧电流信号的模大于饱和阈值的时刻记为饱和时刻。

当饱和发生时，二次侧电流信号发生畸变，二次侧电流信号的模大于饱和阈值，因此，通过判断二次侧电流信号的模是否大于饱和阈值查找饱和时刻，准确性高。

S106：根据饱和时刻，确定低功率铁芯线圈电流互感器的饱和起始点和饱和截止点。

具体的，根据S105中获得的饱和时刻，将饱和时刻中时间最早的饱和时刻记为饱和起始点、时间最晚的饱和时刻记为饱和截止点，即可完成对饱和起始点和饱和截止点的准确检测。

本发明实施例提供的低功率铁芯线圈电流互感器的饱和判定方法，在将二次侧电流信号传输至平滑滤波器之前，还包括：

判断低功率铁芯线圈电流互感器是否饱和，判断方法包括小波检测法、三阶差分检测法和磁密度检测法；如果判断低功率铁芯线圈电流互感器饱和，则将二次侧电流信号传输至平滑滤波器；如果判断低功率铁芯线圈电流互感器不饱和，则直接输出不饱和判断结果，不再对二次侧电流信号进行饱和起始点和截止点的检测。

在将二次侧电流信号传输至平滑滤波器之前，判断低功率铁芯线圈电流互感器是否饱和，将判断为饱和的低功率铁芯线圈电流互感器的二次侧电流信号传输至平滑滤波器，然后进行饱和起始点和饱和截止点的判定，针对性强，减小了平滑滤波器处理的信号范围，提高了准确判定低功率铁芯线圈电流互感器的饱和起始点和饱和截止点的效率。

实施例二

当低功率铁芯线圈电流互感器与空心罗氏线圈电流互感器组合成电磁、电子混合式电流互感器时，电磁、电子混合式电流互感器的性能优于单个低功率铁芯线圈电流互感器和单个空心罗氏线圈电流互感器，测量精度得到大幅提高。但在短路故障时，重合闸操作会产生很大的剩磁通，使低功率铁芯线圈电流互感器在短时间内迅速饱和，限制了电磁、电子混合式电流互感器的动态响应精度，因此，针对电磁、电子混合式电流互感器中的低功率铁芯线圈电流互感器，对其进行准确饱和判定，确定饱和起始点和饱和截止点，是解决电磁、电子混合式电流互感器实用化进程的基础和关键。

对电磁、电子混合式电流互感器的饱和判定方法包括饱和初步判断方法和饱和准确判定方法，如图2所示，为本发明实施例提供的一种饱和初步判断方法的流程示意图，具体包括如下步骤：

S201：获取低功率铁芯线圈电流互感器的二次侧电压和变比，对铁芯线圈电流互感器的二次侧电压和变比做乘积，得到低功率铁芯线圈电流互感器的一次侧电流。

具体的，低功率铁芯线圈电流互感器的二次侧电压V_LPCT与一次侧电流I₁满足：I₁＝k₁V_LPCT，其中，k₁为低功率铁芯线圈电流互感器的比例系数，即出厂标定变比。因此，通过测量低功率铁芯线圈电流互感器的二次侧电压V_LPCT，获取出厂标定变比，可得到低功率铁芯线圈电流互感器的一次侧电流I₁。但实际应用中，由于存在噪声等干扰因素，通过低功率铁芯线圈电流互感器的二次侧电压V_LPCT转换为一次侧电流I₁存在转换误差。

S202：获取空心罗氏线圈电流互感器的二次侧电压和变比，对空心罗氏线圈电流互感器的二次侧电压和变比做乘积，得到空心罗氏线圈电流互感器的一次侧电流。

具体的，空心罗氏线圈电流互感器的二次侧电压V_Rogowski与一次侧电流I₂满足：I₂＝k₂V_Rogowski，其中，k₂为空心罗氏线圈电流互感器的比例系数，即出厂标定变比。因此，通过测量空心罗氏线圈电流互感器的二次侧电压V_Rogowski，获取出厂标定变比，可得到空心罗氏线圈电流互感器的一次侧电流I₂。但实际应用中，由于存在噪声等干扰因素，通过空心罗氏线圈电流互感器的二次侧电压V_Rogowski转换为一次侧电流I₂存在转换误差。

S203：将低功率铁芯线圈电流互感器的一次侧电流与空心罗氏线圈电流互感器的一次侧电流的差的绝对值设置为误差阈值。

具体的，如果低功率铁芯线圈电流互感器与空心罗氏线圈电流互感器均不存在转换误差，则I₁＝I₂,而实际上低功率铁芯线圈电流互感器与空心罗氏线圈电流互感器都会产生转换误差，因此电磁、电子混合式电流互感器在出厂时设置有标定误差ε_max，即|k₁V_LPCT-k₂V_Rogowski|≤ε_max。将步骤S201和步骤S202中得到的一次侧电流I₁和步骤S202中得到的一次侧电流I₂的差的绝对值设置为误差阈值ε，即|I₁-I₂|＝ε。

S204：判断误差阈值是否大于电磁、电子混合式电流互感器的出厂标定误差。

具体的，将步骤S203中得到的误差阈值ε与电磁、电子混合式电流互感器的标定误差ε_max作比较，如果误差阈值大于电磁、电子混合式电流互感器的出厂标定误差，则判断低功率铁芯线圈电流互感器饱和，如果误差阈值小于或等于电磁、电子混合式电流互感器的出厂标定误差，则判断低功率铁芯线圈电流互感器不饱和。

当电磁、电子混合式电流互感器中的低功率铁芯线圈电流互感器进入饱和时，电磁、电子混合式电流互感器的二次侧电压发生畸变，导致二次侧电压转换为一次侧电流后误差变大，使|k₁V_LPCT-k₂V_Rogowski|＞ε_max，即ε＞ε_max。因此，如果ε＞ε_max，判断低功率铁芯线圈电流互感器饱和，即电磁、电子混合式电流互感器饱和。

进一步的，利用饱和初步判断方法初步判断电磁、电子混合式电流互感器饱和后，再利用饱和准确判定方法对电磁、电子混合式电流互感器进行饱和准确判定，完成对电磁、电子混合式电流互感器的饱和起始点和饱和截止点的检测。饱和准确判定方法的具体步骤与S101-S106相同，在此不再赘述。

如果ε≤ε_max，判断低功率铁芯线圈电流互感器不饱和，即电磁、电子混合式电流互感器不饱和，则直接输出不饱和判断结果，不再对二次侧电流信号进行饱和起始点和截止点的检测。

在本实施例中，电磁、电子混合式电流互感器的饱和判定也可直接利用饱和准确判定方法进行饱和判定，但是，同实施例一，进行饱和初步判断，使平滑滤波器针对饱和的互感器性进行判定，减小了平滑滤波器处理的信号范围，提高了准确判定低功率铁芯线圈电流互感器的饱和起始点和饱和截止点的效率，即提高了电磁、电子混合式电流互感器的准确判定低功率铁芯线圈电流互感器的饱和起始点和饱和截止点的效率。

通过上述实施例可见，本发明提供的低功率铁芯线圈电流互感器的饱和判定方法判断低功率铁芯线圈电流互感器饱和后，通过设计基于最小二乘法的平滑滤波器得到饱和情况下的输出方程，带入二次侧电流采样信号，计算得到判定低功率铁芯线圈电流互感器发生是否发生饱和的饱和阈值，根据饱和阈值确定饱和起始点和饱和截止点，充分考虑了实际运行工况下噪声对饱和判定的影响，利用最小二乘法设计的平滑滤波器大幅提高了方法抗噪声干扰的能力，判定结果准确性高；当本发明提供的饱和判定方法应用于低功率铁芯线圈电流互感器与空心罗氏线圈电流互感器组合成的电磁、电子混合式电流互感器时，饱和初步判断方法利用了电磁、电子混合式电流互感器的结构特点，合理性强，可靠性高；本发明提供的饱和判定方法针对不同现场环境和不同信噪比，可设计不同的平滑滤波器和饱和阈值，饱和判定方法原理不受低功率铁芯线圈电流互感器的特性、二次侧负载和故障类型限制，因此，本发明提供的饱和判定方法具有普遍性和适应性。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。以上所描述的实施例仅仅是示意性的，本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1.一种低功率铁芯线圈电流互感器的饱和判定方法，其特征在于，包括：

设计基于最小二乘法的平滑滤波器，所述平滑滤波器用于对低功率铁芯线圈电流互感器输出的二次侧电流信号进行平滑和微分；

初步判断所述低功率铁芯线圈电流互感器是否饱和；

如果判断所述低功率铁芯线圈电流互感器饱和，则将所述二次侧电流信号传输至所述平滑滤波器；

如果判断所述低功率铁芯线圈电流互感器不饱和，则直接输出不饱和判断结果；

当所述低功率铁芯线圈电流互感器与空心罗氏线圈电流互感器组合成电磁、电子混合式电流互感器时，初步判断所述低功率铁芯线圈电流互感器是否饱和，包括：

获取所述低功率铁芯线圈电流互感器的二次侧电压和变比，对所述铁芯线圈电流互感器的二次侧电压和变比做乘积，得到所述低功率铁芯线圈电流互感器的一次侧电流；

获取所述空心罗氏线圈电流互感器的二次侧电压和变比，对所述空心罗氏线圈电流互感器的二次侧电压和变比做乘积，得到所述空心罗氏线圈电流互感器的一次侧电流；

将所述低功率铁芯线圈电流互感器的一次侧电流与所述空心罗氏线圈电流互感器的一次侧电流的差的绝对值设置为误差阈值；

判断所述误差阈值是否大于所述电磁、电子混合式电流互感器的出厂标定误差；

如果所述误差阈值大于所述电磁、电子混合式电流互感器的出厂标定误差，则判断所述低功率铁芯线圈电流互感器饱和；

如果所述误差阈值小于或等于所述电磁、电子混合式电流互感器的出厂标定误差，则判断所述低功率铁芯线圈电流互感器不饱和；

将所述二次侧电流信号传输至所述平滑滤波器，得到差分输出方程；

根据所述差分输出方程，计算所述二次侧电流信号的模极大值存在时的离散时刻；

根据所述离散时刻，计算所述二次侧电流信号的模极大值，根据所述模极大值设置饱和阈值；

根据所述饱和阈值，查找所述二次侧电流信号的模超出所述饱和阈值的饱和时刻；

根据所述饱和时刻，确定所述低功率铁芯线圈电流互感器的饱和起始点、饱和截止点。

2.根据权利要求1所述的低功率铁芯线圈电流互感器的饱和判定方法，其特征在于，初步判断所述低功率铁芯线圈电流互感器是否饱和的方法包括：小波检测法、三阶差分检测法和磁密度检测法。

3.根据权利要求1所述的低功率铁芯线圈电流互感器的饱和判定方法，其特征在于，所述平滑滤波器的阶数为二阶。

4.根据权利要求1所述的低功率铁芯线圈电流互感器的饱和判定方法，其特征在于，根据所述模极大值设置饱和阈值，包括：

将所述模极大值与信噪比系数的乘积设置为饱和阈值，其中，所述信噪比系数是基于40-50dB的信噪比得到的。