CN108627793B - 基于波形反演的电子式电流互感器故障识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明针对现有电力系统中基于罗氏线圈原理的电子电流式互感器故障判断存在的问题，提供一种基于波形反演的电子式电流互感器故障识别方法。该方法，包括：对电子式电流互感器的输入端输入瞬时电流突变量，并对电子式电流互感器输出端的输出波形进行采样；利用输出波形是否畸变，判断是否存在非电子式电流互感器故障以外的系统故障；输出波形畸变时，对输出波形进行先微分再积分的反演运算，反演失败时，确定电子式电流互感器存在故障。本发明根据反演的波形特征准确定位其故障点，为电子式电流互感器的可靠性研究以及数字化继电保护对于电子式互感器的适用性提供技术支撑。

Description

基于波形反演的电子式电流互感器故障识别方法

技术领域

本发明涉及电子式电流互感器相关技术领域，具体地说，针对罗氏线圈原理的电子式电流互感器故障特性，涉及一种基于波形反演的电子式电流互感器故障识别方法。

背景技术

电子式电流互感器已经在电力系统中大量得到应用，目前基于罗氏线圈原理的电学电子式电流互感器依旧是市场的主流产品。但罗氏线圈原理的电子式电流互感器由于其输出是微分后的信号，必须要通过积分环节来进行还原，这个过程会导致一些原始信号丢失，一旦电子式电流互感器出现异常将很难根据其输出波形来对电子式电流互感器的工作情况进行判断查处其故障点。

国内电子式电流互感器大多在运行时都是依靠电子式电流互感器的自身自检回路来进行异常判别，如采集器电源低，通信异常，合并单元自检异常等标志位的变化。但电子式电流互感器是由本体、采集器、合并单元、模拟回路以及光纤回路等多环节共同组成，其中本体故障、模拟回路故障、采集器采样回路故障等标志位信息无法察觉或采集器以及合并单元某些环节异常自检也无法发现，这时极易导致电子式电流互感器输出异常数据从而导致继电保护装置误判引起继电保护装置误动造成变电站事故。同时由于其环节众多，当电子式电流互感器发生故障时也很难准确定位其故障点的位置，这给事故检修也带来了极大的风险。

目前也有一些电子式电流互感器的故障判别技术，大多是在电子式电流互感器采集器上增加测点或者利用典型故障模型采用数据库比对的方式来实现故障判别。第一种需要增加二次回路这在现场无法实施，第二种需要大量的数据以及实验支撑，目前电子式电流互感器的故障还无法被预估所以其有效性较差。

发明内容

本发明针对现有电力系统中大量应用的基于罗氏线圈原理的电子电流式互感器，其故障判别大多是在电子式电流互感器采集器上增加测点或者利用典型故障模型采用数据库比对的方式来实现故障判别，由于目前电子式电流互感器的故障还无法被预估，导致其有效性较差的问题，提供一种基于波形反演的电子式电流互感器故障识别方法。

本发明所需要解决的技术问题，可以通过以下技术方案来实现：

一种基于波形反演的电子式电流互感器故障识别方法，所述电子式电流互感器为采用罗氏线圈原理的电子电流式互感器，其特征在于，包括如下步骤：

对电子式电流互感器的输入端输入瞬时电流突变量，并对电子式电流互感器输出端的输出波形进行采样；

利用输出波形是否畸变，判断是否存在非电子式电流互感器故障以外的系统故障；

输出波形畸变时，对输出波形进行先微分再积分的反演运算，反演失败时，确定电子式电流互感器存在故障。

本发明中，输入瞬时电流突变量，其判据为：

|i_φ(t)-2i_φ(t-T)+i_φ(t-2T)|>0.04I_n；

其中，i_φ为电流突变量的瞬时值，t为当前采样时刻，T为采样周期时间，I_n为电子式电流互感器的额定电流。

本发明中，采用波形对称来判别波形是否有畸变，在没有间断角的情况下波形不再按照工频对称，认为波形发生畸变。

本发明中，输出波形未畸变时，所述系统故障包括：

系统正常扰动，当输出波形有错误标时；

电子式电流互感器的采集器电源低，当输出波形无错误标时。

本发明中，对输出波形进行微分前，对输出波形采用广义多项式插值的方式进行采样。

本发明中，对输出波形采用以下公式作为反演运算时的微分公式：

其中，e(t)为电子式电流互感器中罗氏线圈的输出电压，μ₀为真空导磁率，N为罗氏线圈的匝数密度，A为罗氏线圈的单匝面积，i_p(t)为穿过罗氏线圈的一次电流函数。

本发明中，输出波形微分信号输入无源二阶低通滤波回路，所述回路包括两个电阻R和两个电容C，其离散滤波公式为：

其中，

T_s为离散采样周期。

本发明中，所述积分时采用有损积分器，其积分公式为：

其中，R₁为输入端电阻，R₂为有损衰减电阻，C为积分电容。

本发明中，反演失败时，电子式电流互感器的故障，包括：

电子式电流互感器的积分回路受干扰；

电子式电流互感器的采集回路受干扰。

本发明中，进一步包括输出波形电压越界判断，在积分环节设置限制电压检测。

本发明中，进一步包括积分后电压越界判断，积分后电压越界故障包括：

AD芯片故障，当电压越界有错误标时；

AD采集回路异常，当电压越界无错误标时。

本发明基于波形反演的电子式电流互感器故障识别方法，具有如下优点：

1、利用电子式电流互感器的最终输出采样值以及仿真模型建立其函数传递过程，利用波形反演获得其传递过程参量，无需在其传递过程增加测试点，减少其干涉环节，具有可推广性。

2、采用突变量启动后的波形对称判别作为系统故障与电子式互感器故障的判别元件，将系统故障排除。

3、故障定位准确，对电子式电流互感器传递过程进行分解，从而确定其故障原因。

4、结合错误标志，利用采集器的内部自检信息对采集器自身故障进行精确判断。

5、利用反演波形与最终输出波形进行比较，计算其失真度，判别是由于外部干扰原因导致的异常还是由于采集器自身原因导致的波形畸变。

6.通用性强，波形反演的参数可以按照各厂家的实际参数进行调节，可以对多厂家的电子式互感器进行故障识别。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1为本发明的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

本发明的主旨在于，通过对现有电力系统中大量应用的基于罗氏线圈原理的电子电流式互感器故障识别需求的分析，发现故障判别大多是在电子式电流互感器采集器上增加测点或者利用典型故障模型采用数据库比对的方式来实现故障判别，使得目前电子式电流互感器的故障还无法被预估，存在有效性较差的问题，通过本发明提供一种基于波形反演的电子式电流互感器故障识别方法以解决上述问题。

参见图1，本发明基于波形反演的电子式电流互感器故障识别方法，所针对的电子式电流互感器为采用罗氏线圈原理的电子式电流互感器，对于本领域技术人员来说其构造、基本工作原理都是熟知的，由于并不是本发明的主要部分，此处不再进行累述。

本发明的基本步骤是：对电子式电流互感器的输入端输入瞬时电流突变量，并对电子式电流互感器输出端的输出波形进行采样；利用输出波形是否畸变，判断是否存在非电子式电流互感器故障以外的系统故障；输出波形畸变时，对输出波形进行先微分再积分的反演运算，反演失败时，确定电子式电流互感器存在故障。本发明通过计算出其模拟回路的采样值的真实波形后采用信号分析的方法来识别是电子式电流互感器故障还是一次系统故障，并根据反演的波形特征准确定位其故障点，为电子式电流互感器的可靠性研究以及数字化继电保护对于电子式互感器的适用性提供技术支撑。

具体而言，本发明采用瞬时值突变量启动策略，即从对电子式电流互感器的输入端输入瞬时电流突变量开始，在实际操作时可以设置突变量启动模块，是否满足瞬时电流突变量启动，可以采用以下的判据：

|i_φ(t)-2i_φ(t-T)+i_φ(t-2T)|>0.04I_n；

其中，i_φ为电流突变量的瞬时值，t为当前采样时刻，T为采样周期时间，I_n为电子式电流互感器的额定电流，0.04I_n是根据电子式电流互感器稳态误差精度允许而选择的。

然后，对电子式电流互感器输出端的输出波形进行采样，并对输出波形是否有畸变进行判断，具体而言可以采用波形对称来判别波形是否有畸变，结合间断角判据区分变压器励磁涌流的影响。在没有间断角的情况下波形不再按照工频对称，则认为波形发生畸变，如输出波形没有发生畸变，且如没有错误标认为属于系统(即大电网)正常扰动，有错误标判为电子式电流互感器的采集器电源低。

由于波形反演需要仿真物理回路的连续过程，所以采样点的密度决定其反演精度，出于优选，在对输出波形进行微分前，较好的是采取广义多项式插值的方式进行采用，将采样点连续化，提高其采样速率，以提高后期波形反演时的离散数据微分、低通以及积分还原的精度。

电子式电流互感器的罗氏线圈是由非磁性材料为骨架构成的空心线圈，在空心线圈中，二次绕在非磁性骨架上，无铁磁材料使这种传感器的线性度良好，不饱和也无磁滞现象，因此，空心线圈具有优良的稳态性能和暂态响应。罗氏线圈应用安培定理时表明，当负荷为高阻抗Z时，线圈的输出电压是穿过线圈的一次电流i_p(t)的函数。对于圆环形骨架，任意截面的近似公式：

式中：

μ₀——真空导磁率，

N——匝数密度[匝/m]

A——单匝面积[m²]

e(t)——低负荷R_b→∞时，空心线圈的输出电压[V]

令：

M＝μ₀·N·A

则空心线圈的输出电压为：

以此公式作为输出波形反演时的微分公式，按照罗氏线圈的微分方程进行离散数据微分，仿真罗氏线圈的微分过程，所有参数可按照具体工程应用参数进行设定。

出于优选，对于微分后的输出波形微分信号较好的是输入无源二阶低通滤波回路，进行低通滤波操作，低通滤波回路一般由两个电阻R，以及两个电容C组成，电容与电阻参数可设定，与工程真实值一致。其数字信号离散滤波公式为：

式中：

其中，T_s为离散采样周期。

完成微分后即可进行积分还原操作，积分还原可以采用积分器来实现，例如本实施例中，采用有损积分器，其积分公式为：

其中，R₁为输入端电阻，R₂为有损衰减电阻，C为积分电容。当然，积分器较好的是有限制电压回路(即积分环节设置限制电压的检测)，如微分低通后的电压值超出其电压值是不可能越过积分器的，所以当反演时此处越界必然后端积分回路出现异常。

积分还原按照积分器的硬件回路进行模拟，积分电阻电容以及衰减电阻值均可设定。积分后的电压值是否超过AD的采样范围，如超过AD的采样范围，必然AD回路出现了异常，导致伴随错误标认为AD芯片故障，如没有错误标志则认为AD采集回路异常。

将反演后的波形与采样值原始波形进行比对，如波形失真则反演失败，电子式电流互感器的积分回路受干扰，或者电子式电流互感器的采集回路受干扰。反演后波形与原始波形一致，则反演成功，微分回路，低通滤波回路，积分回路均工作正常，属于一次系统干扰。

以上仅就本发明较佳的实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。本发明不仅局限于以上实施例，其具体结构允许有变化。总之，凡在本发明独立权利要求的保护范围内所作的各种变化均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.基于波形反演的电子式电流互感器故障识别方法，所述电子式电流互感器为采用罗氏线圈原理的电子式电流互感器，其特征在于，包括如下步骤：

对电子式电流互感器的输入端输入瞬时电流突变量，并对电子式电流互感器输出端的输出波形进行采样；

利用输出波形是否畸变，判断是否存在非电子式电流互感器故障以外的系统故障；

输出波形畸变时，对输出波形进行先微分再积分的反演运算，反演失败时，确定电子式电流互感器存在故障。

2.根据权利要求1所述的基于波形反演的电子式电流互感器故障识别方法，其特征在于：输入瞬时电流突变量，其判据为：

|i_φ(t)-2i_φ(t-T)+i_φ(t-2T)|>0.04I_n；

其中，i_φ为电流突变量的瞬时值，t为当前采样时刻，T为采样周期时间，I_n为电子式电流互感器的额定电流。

3.根据权利要求1所述的基于波形反演的电子式电流互感器故障识别方法，其特征在于：采用波形对称来判别波形是否有畸变，在没有间断角的情况下波形不再按照工频对称，认为波形发生畸变。

4.根据权利要求1所述的基于波形反演的电子式电流互感器故障识别方法，其特征在于：输出波形未畸变时，所述系统故障包括：

系统正常扰动，当输出波形有错误标时；

电子式电流互感器的采集器电源低，当输出波形无错误标时。

5.根据权利要求1所述的基于波形反演的电子式电流互感器故障识别方法，其特征在于：对输出波形进行微分前，对输出波形采用广义多项式插值的方式进行采样。

6.根据权利要求1所述的基于波形反演的电子式电流互感器故障识别方法，其特征在于：对输出波形采用以下公式作为反演运算时的微分公式：

其中，e(t)为电子式电流互感器中罗氏线圈的输出电压，μ₀为真空导磁率，N为罗氏线圈的匝数密度，A为罗氏线圈的单匝面积，i_p(t)为穿过罗氏线圈的一次电流函数。

7.根据权利要求6所述的基于波形反演的电子式电流互感器故障识别方法，其特征在于：输出波形微分信号输入无源二阶低通滤波回路，所述回路包括两个电阻R和两个电容C，其离散滤波公式为：

其中，

T_s为离散采样周期。

8.根据权利要求1所述的基于波形反演的电子式电流互感器故障识别方法，其特征在于：所述积分时采用有损积分器，其积分公式为：

其中，R₁为输入端电阻，R₂为有损衰减电阻，C为积分电容。

9.根据权利要求1所述的基于波形反演的电子式电流互感器故障识别方法，其特征在于：反演失败时，电子式电流互感器的故障包括：

电子式电流互感器的积分回路受干扰；

电子式电流互感器的采集回路受干扰。

10.根据权利要求1所述的基于波形反演的电子式电流互感器故障识别方法，其特征在于：还包括输出波形电压越界判断，在积分环节设置限制电压检测；

或者，还包括积分后电压越界判断，积分后电压越界故障包括：

AD芯片故障，当电压越界有错误标时；

AD采集回路异常，当电压越界无错误标时。

Images