CN106932747B - 一种全局和局部特征相结合的电流互感器饱和检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全局和局部特征相结合的电流互感器饱和检测方法，包括：满足突变量启动判据，则立即进入饱和检测步骤；求取以极值点开始一个周内二次电流波形的谐波比α；计算故障启动后从极值点开始一周期内电流互感器二次电流均分的四段波形的积分面积并求其最大面积与最小面积的比值S_c；将求取的比值S_c与比值α分别与对应的设定阈值相比，当均大于设定阈值时，则判定电流互感器进入饱和状态。当检测出饱和后，立即对波形面积比和谐波比的计算结果进行综合分析，进而确切给出饱和程度。该方法保留谐波比对轻度饱和的灵敏度，同时可以用分段积分的比值更好反应饱和的程度，两种方法结合既能保证方法的灵敏度高，又提高了识别方法的效率。

Description

一种全局和局部特征相结合的电流互感器饱和检测方法

技术领域

本发明涉及电力自动化技术领域，特别是涉及一种全局和局部特征相结合的电流互感器饱和检测方法。

背景技术

电流互感器，作为一次侧和二次侧连接的枢纽，是继电保护和监控系统感知系统运行状态的重要组件。目前，电力系统中配置的电流互感器大多是基于电磁感应的铁磁式互感器。由于铁心的非线性励磁特性，流过大电流时电流互感器将会发生饱和，从而使二次侧电流发生缺损和畸变，导致一次电流无法正常传变，这常常会引起保护装置对系统运行状态的错误判断。在实际工程中，这种情况时有发生，例如由于电流互感器饱和造成二次电流因畸变减小，会引起过电流保护的拒动或动作延时；亦或是影响距离保护之间配合的选择性；电流互感器饱和对差动保护的影响则更为突出，保护区两侧电流互感器的饱和程度不同会引起差流增大，造成区外故障时差动保护误动，严重影响电网的安全可靠运行。因此，对电流互感器饱和的检测显得尤为重要。

现有的电流互感器饱和检测方法在工程应用中常会因为数据源获取困难、灵敏度低、抗干扰能力差等原因而不能满足需求。特别是采用单一原理的检测方法，难以兼顾电流互感器饱和的各种复杂情况，影响了饱和识别的准确性和可靠性。同时，常规的检测方法只是对饱和进行单一的实时识别，以及时闭锁或开放各类保护；往往不能对饱和程度进行准确的分析。这就使我们无法进一步揭示保护误动受电流互感器饱和程度影响的规律以及电流互感器的健康状况与饱和发生概率之间关系的规律，错失了充分利用电流互感器饱和信息进行继电保护分析和设备状态评价的机会，从而不利于对未来可能存在的安全隐患进行及时预警。

针对现在检测技术中存在的问题，本专利提出了一种新的电流互感器饱和检测的方法。即利用谐波分析获取饱和波形的全局特征，利用分段积分抓取饱和波形的局部特征，并将两种特征结合运用，检测饱和。新方法保留了谐波分析高灵敏度识别饱和的特性，同时又从波形局部出发，通过分段积分更为定量的处理波形的缺损和畸变程度，能够对饱和程度有更准确的把握。两种方法既相互结合，又相互独立，大大提高了电流互感器饱和检测的有效性和可靠性，同时，通过将两种分析手段的计算结果结合分析，可以建立电流互感器饱和程度的检测依据，对于进一步探讨电流互感器饱和程度与设备健康状态之间的关系奠定了基础，有助于实现对可能存在的电流互感器健康安全隐患的及时预警。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明在充分分析电流互感器饱和的特征后，公开了一种用于电流互感器饱和检测的新混合方法。这种混合方法充分抓取电流互感器饱和后的局部及全局特征，用于检测饱和的数据源获取简单，灵敏度高，抗干扰能力强，在工程中容易实现，且混合方法较单一方法相比不仅提高了饱和识别的准确性和可靠性，更提供了判定饱和的依据。

一种全局和局部特征相结合的电流互感器饱和检测方法，包括以下步骤：

采用电流互感器二次电流突变量启动方式对应的判据为启动判据，满足突变量启动判据，则立即进入饱和检测步骤；

对故障启动后一周期内的电流互感器二次电流波形进行傅里叶变换，求取以极值点开始一个周内二次电流波形的谐波比α；

计算故障启动后从极值点开始一周期内电流互感器二次电流均分的四段波形的积分面积并求其最大面积与最小面积的比值S_c，比值S_c反应二次电流波形缺损和畸变的程度；

将求取的比值S_c与比值α分别与对应的设定阈值相比，当均大于设定阈值时，则判定电流互感器进入饱和状态。

本申请中，全局和局部是针对判据所依据的检测波形而言的，电流互感器饱和的检测原理是通过识别二次电流波形中是否有缺损和畸变的部分，如果发生饱和，这种缺损和畸变特征将在整段波形和局部波形上表现出不同特征。全局特征是指通过傅里叶变换求取各次谐波反映的是整段波形的特征。局部特征则是指待检测波形局部发生的缺损和畸变特征。

进一步的，上述两个比值还可以用于对电流互感器饱和程度的检测，具体方式为：当识别出饱和后，立即对波形面积比和谐波比的计算结果进行综合分析，进而确切给出饱和程度。

进一步的，突变量启动判据具体为：

||i_k-i_k-N|-|i_k-N-i_k-2N||＞i_set

其中：N为每周期的采样点；i_k、i_k-N、i_k-2N分别为当前、一周期前、二周期前二次电流采样点，i_set为二次电流的启动定值。

进一步的，在进入饱和检测步骤之后进行数据的预处理，具体为：滤除二次电流中的非周期分量以及找到离故障起始时刻最近的极值点。

上述滤除二次电流中的非周期分量，原因是分段积分法计算所得到的积分面积是在丝毫不考虑衰减分量的影响，即饱和后二次电流依然是正负半周严格对称时各段波形与正负半周的对称轴所围成的面积，且非周期分量的加入会使谐波比的计算结果产生震荡，所以数据预处理时要滤除二次电流中非周期分量。

进一步的，求取当前周期的谐波比α时，利用电流互感器发生饱和时，二次电流波形发生畸变和缺损，等效于工频电流叠加高次谐波电流信号的特征，通过提取待检测的二次电流中基波与高次谐波的含量，计算高次谐波与基波含量的比值即谐波比α来判断电流互感器是否发生饱和。

进一步的，计算谐波比的具体步骤如下：

对二次电流的波形f(t)做傅里叶变换，将f(t)变换为不同频率正弦量线性叠加的形式；

计算二次电流的波形f(t)式中各参数；

求出基波与n次谐波的幅值；

计算高次谐波与基波的比值。

进一步的，求其最大面积与最小面积的比值S_c时，利用电流互感器未饱和时，二次电流波形具有正弦波的对称性；当电流互感器发生饱和，由于波形的畸变和缺损，正弦波对称性消失的特征来判断电流互感器是否发生饱和；原理是从故障启动后第一个周期开始，将当前周期的波形分成等分时间的间隔段，对每段波形进行面积积分。

进一步的，由于当电流互感器饱和后，波形由于缺损和畸变，无法确定二次电流波形函数，且由于二次电流波形数据以离散的采样点的形式给出，所以最终采用矩形法离散求和替代连续积分的方法，计算各段波形的积分面积。

进一步的，对电流互感器饱和程度的检测，具体方式为：

当计算得出的谐波比和波形面积比的数值超过设定的门槛值，已可判定电流互感器进入了饱和状态；

随饱和加深，谐波比和波形面积比的计算结果同步增加，将谐波比计算值低于0.4，且波形面积比计算值低于5的饱和阶段认定为轻度饱和；

随着饱和继续加深，谐波比和波形面积比的计算数值仍同步增加，但波形面积比较轻度饱和的计算值会出现成倍增加，将此饱和阶段认定为中度饱和；

当饱和再进一步加深，谐波比计算的数值还会继续增加，但波形面积比的计算数值开始减小，将此饱和阶段认定为深度饱和；

最后，饱和进入了谐波比和波形面积比的计算结果同步减小的阶段，且波形面积比的数值会下降至轻度饱和时的数值，将此饱和阶段认定为极度饱和。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供一种基于混合判据的电流互感器饱和检测新方法，该方法以谐波比反映电流互感器饱和电流的全局特征，保留其对轻度饱和的灵敏度，同时又以电流波形面积分段积分的比值反映其局部特征，更好地反映饱和的程度，两种判据结合既能保证方法的灵敏度高，又易于对饱和程度进行分析，提高了检测方法的效率。

同时本发明的两种判据依赖的数据源相同，均为容易获取的二次电流波形，且检测的时间范围长度相同，检测过程中一种判据的应用对另一种判据的应用没有影响，这都为两种判据的结合提供便利；两种判据相互独立，又相互补充，结合得到的混合方法与单一判据的方法相比抗干扰能力强，稳定性好，为电流互感器的检测提供了一种更为可靠和准确的方法和思路。

本发明的方法不仅可以准确检测饱和，还可对饱和程度进行分析，方便事后工作人员对此次饱和进行评估，为进一步揭示保护误动受电流互感器饱和程度影响的规律以及电流互感器的健康状况与饱和发生概率之间关系的规律奠定坚实的基础，有助于实现对可能存在的电流互感器健康安全隐患的及时预警。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明的整体流程图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在电流互感器饱和检测的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种全局和局部特征相结合的电流互感器饱和检测方法。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，提供了一种全局和局部特征相结合的电流互感器饱和检测方法，包括以下步骤：

(1)故障启动判断；

(2)数据预处理；

(3)计算与故障启动后一周期内二次电流波形的谐波比；

(4)求取故障启动后二次电流一周期中均分的四段波形的积分面积，并找出其中最大面积和最小面积来计算波形面积比；

(5)将步骤(3)与步骤(4)所求得的谐波比和波形面积比与所设定的阈值进行比较，判定电流互感器是否发生饱和。

(6)当检测出饱和后，立即对两种判据的计算结果(波形面积比和谐波比)进行综合分析，进而确切给出饱和程度。

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本申请的技术方案，以下将结合具体的实施例与对比例详细说明本申请的技术方案。

一种全局和局部特征相结合的电流互感器饱和检测方法，具体包括：

故障启动判断采用二次电流突变量启动方式，判据为：

||i_k-i_k-N|-|i_k-N-i_k-2N||＞i_set

其中：N为每周期的采样点；i_k、i_k-N、i_k-2N分别为当前、1周期前、二周期前二次电流采样点，i_set为二次电流的启动定值。当满足突变量启动判据，则立即进入饱和检测判据。

对数据的预处理主要是滤除二次电流中的非周期分量。原因是分段积分法计算所得到的积分面积是在丝毫不考虑衰减分量的影响，即饱和后二次电流依然是正负半周严格对称时各段波形与正负半周的对称轴所围成的面积。且非周期分量的加入会使谐波比的计算结果产生震荡。所以数据预处理时要滤除二次电流中非周期分量。

寻找距离故障起始时间最近的极值点是因为只有正弦波起始点位于零点或极值点时，计算的四段积分面积才会相等，现场数据无法保证故障起始点位于这些特殊点上，所以我们寻找离故障起始时刻最近的极值点，从而保证计算结果的准确性。

利用电流互感器发生饱和时，二次电流波形发生畸变和缺损，等效于工频电流叠加高次谐波电流信号的特征，通过提取待检测的二次电流中基波与高次谐波的含量，计算高次谐波与基波含量的比值来判断电流互感器是否发生饱和。计算谐波比的具体步骤如下：

①对二次电流的波形f(t)做傅里叶变换，将f(t)变换为不同频率正弦量线性叠加的形式：

式中各个参数的计算方法如下：

其中a₀为二次电流侧的直流分量，a_n、b_n为n次谐波的实部和虚部。

②求出基波与n次谐波的幅值

其中I_n为n次谐波的幅值。

③计算高次谐波与基波的比值，公式如下：

其中α为谐波比；n为二次电流中所含的谐波次数；k为所需考虑的最高谐波次数；I_n为n次谐波的幅值；I₁为基波幅值。

利用电流互感器未饱和时，二次电流波形具有正弦波的对称性；当电流互感器发生饱和，由于波形的畸变和缺损，正弦波对称性消失的特征来判断电流互感器是否发生饱和。方法的原理是找到从极值点开始的一个周期的波形，将当前周期的波形分成5ms的间隔段(一周期为20ms)，对每段波形进行面积积分。即：

其中i(t)为二次电流波形函数，S_k为各段积分的面积，t为各段波形的起始时间。由于当电流互感器饱和后，波形由于缺损和畸变，无法确定二次电流波形函数，且由于二次电流波形数据以离散的采样点的形式给出，所以最终采用矩形法离散求和替代连续积分的方法，计算各段波形的积分面积，即：

算得各段波形的积分面积后，然后判别各段波形积分面积的差别。判断方法为找出各段波形面积的最大值和最小值，求波形面积最大值和最小值的比值S_c，用S_c的大小反应二次电流波形缺损和畸变的程度，从而判断电流互感器是否发生饱和。

分别给出谐波比α和波形面积比S_c的阈值α₀和S_c0，当谐波比和波形面积比分别超过各自的阈值时，即满足：

α＞α₀

S_c＞S_c0

就认为电流互感器发生饱和，将饱和标志位置1；否则，认为不饱和，将饱和标志位置0。

上述全局和局部特征相结合的电流互感器饱和检测方法还可以用于检测电流互感器饱和程度，具体方式为：当识别出饱和后，立即对波形面积比和谐波比的计算结果进行综合分析，分析思路如下：谐波比是从波形全局角度分析电流互感器的饱和程度，其计算数值的大小反应了高次谐波的含量，在很大程度上，谐波比的大小与饱和的严重程度具有正相关性。伴随着饱和程度继续加深，谐波比会减小，但仍可保持较大的数值。波形分段面积积分则是从波形的局部出发，抓取波形畸变缺损程度最小和最大的分段，通过计算二者的比值可以准确反应整段波形的畸变缺损程度，从而得到饱和严重程度。但需要注意的是，随着饱和程度加深，二次输出的电流减小，谐波比与波形面积比均会减小，但是谐波比依旧可以维持一个较大的数值；而波形面积比则减小的十分明显，可以下降到与轻度饱和相当的程度，因此需要根据两个比值计算结果的组合来最终确定电流互感器的饱和程度。

对电流互感器饱和程度的检测，当电流互感器处于轻度饱和时，谐波比和波形面积比的计算值均很小，且在这一饱和程度范围内，随着饱和继续加深，谐波比和波形面积比的变化率都比较明显；

当处于中度饱和时，谐波比和波形面积比的计算数值增大，波形面积比增大的比例要远远高于谐波比的增大的比例，当两种方法的计算结果出现上述特征，即可认定饱和处于中度饱和；

当饱和进入深度饱和时，谐波比计算的数值继续增加，而波形面积比的计算数值已经开始减小，但其绝对值仍然比较大，且在深度饱和的范围内，随着饱和继续加深，波形面积比的变化率很小，所以当计算结果显示谐波比数值已然很大且波形面积比的计算结果亦为较大的数值时，则认为饱和处于深度饱和；

随着饱和程度继续加深，谐波比和波形面积比的计算结果均减小，且变化比较明显，但谐波比的计算结果仍然保持较大数值，而波形面积比的数值则可能会下降到很小的程度，甚至与轻度饱和时的计算结果相当，由此，当计算结果显示谐波比处于较大数值而波形面积比数值较小时，说明此时的饱和程度已经极深，认定此时发生极度饱和。

本发明用谐波比反映谐波含量特征，以波形分段面积积分抓取波形不对称特征，并将两者有机结合，来检测电流互感器饱和现象的发生及饱和的程度。本方法所用两种判据既相互独立又相互补充，在实际工程中容易实现。在保证方法抗干扰能力和灵敏度的同时，明显提高了检测结果的准确性和可靠性。并为进一步分析电流互感器不同饱和程度对继电保护的影响及研究电流互感器健康状况与饱和发生概率之间关系提供了数据支撑。有助于实现对可能存在的电流互感器健康安全隐患的及时预警。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种全局和局部特征相结合的电流互感器饱和检测方法，其特征是，包括以下步骤：

采用电流互感器二次电流突变量启动方式对应的判据为启动判据，满足突变量启动判据，则立即进入饱和检测步骤；

对故障启动后一周期内的电流互感器二次电流波形进行傅里叶变换，求取以极值点开始一个周期内二次电流波形的谐波比α；

计算故障启动后从极值点开始一周期内电流互感器二次电流均分的四段波形的积分面积并求其最大面积与最小面积的比值S_c，比值S_c反应二次电流波形缺损和畸变的程度；

将求取的比值S_c与比值α分别与对应的设定阈值相比，当均大于设定阈值时，则判定电流互感器进入饱和状态；

当检测出饱和后，立即对波形面积比和谐波比的计算结果进行综合分析，进而确切给出饱和程度。

2.如权利要求1所述的一种全局和局部特征相结合的电流互感器饱和检测方法，其特征是，突变量启动判据具体为：

||i_k-i_k-N|-|i_k-N-i_k-2N||＞i_set

其中：N为每周期的采样点；i_k、i_k-N、i_k-2N分别为当前、1周期前、二周期前二次电流采样点，i_set为二次电流的启动定值。

3.如权利要求1所述的一种全局和局部特征相结合的电流互感器饱和检测方法，其特征是，在进入饱和检测步骤之后进行数据的预处理，具体为：消除电流互感器二次电流中的非周期分量。

4.如权利要求1所述的一种全局和局部特征相结合的电流互感器饱和检测方法，其特征是，求取当前周期的谐波比α时，利用电流互感器发生饱和时，二次电流波形发生畸变和缺损，等效于工频电流叠加高次谐波电流信号的特征，通过提取待检测的二次电流中基波与高次谐波的含量，计算高次谐波与基波含量的比值即谐波比α来判断电流互感器是否发是饱和。

5.如权利要求4所述的一种全局和局部特征相结合的电流互感器饱和检测方法，其特征是，计算谐波比的具体步骤如下：

对二次电流的波形f(t)做傅里叶变换，将f(t)变换为不同频率正弦量线性叠加的形式；

计算二次电流的波形f(t)式中个参数；

求出基波与n次谐波的幅值；

计算高次谐波与基波的比值。

6.如权利要求1所述的一种全局和局部特征相结合的电流互感器饱和检测方法，其特征是，求其最大面积与最小面积的比值S_c时，利用电流互感器未饱和时，二次电流波形具有正弦波的对称性；当电流互感器发生饱和，由于波形的畸变和缺损，正弦波对称性消失的特征来判断电流互感器是否发生饱和；原理是从故障启动后第一个周期开始，将当前周期的波形分成等分时间的间隔段，对每段波形进行面积积分。

7.如权利要求6所述的一种全局和局部特征相结合的电流互感器饱和检测方法，其特征是，由于当电流互感器饱和后，波形由于缺损和畸变，无法确定二次电流波形函数，且由于二次电流波形数据以离散的采样点的形式给出，所以最终采用矩形法离散求和替代连续积分的方法，计算各段波形的积分面积。

8.如权利要求1所述的一种全局和局部特征相结合的电流互感器饱和检测方法，其特征是，对电流互感器饱和程度的检测，具体方式为：

当计算得出的谐波比和波形面积比的数值超过设定的门槛值，已可判定电流互感器进入了饱和状态；

随饱和加深，谐波比和波形面积比的计算结果同步增加，将谐波比计算值低于0.4，且波形面积比计算值低于5的饱和阶段认定为轻度饱和；

随着饱和继续加深，谐波比和波形面积比的计算数值仍同步增加，但波形面积比较轻度饱和的计算值会出现成倍增加，将此饱和阶段认定为中度饱和；

当饱和再进一步加深，谐波比计算的数值还会继续增加，但波形面积比的计算数值开始减小，将此饱和阶段认定为深度饱和；

最后，饱和进入了谐波比和波形面积比的计算结果同步减小的阶段，且波形面积比的数值会下降至轻度饱和时的数值，将此饱和阶段认定为极度饱和。