CN112952751A - 一种非线性剩余电流自适应保护方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种非线性剩余电流自适应保护方法，克服了现有技术的剩余电流保护理论难以满足保护需求的问题，包括识别剩余电流类型、确定不同波形的阈值系数、保护的自适应调整、突变量检测和重合闸策略几个步骤。本发明能够对不同的剩余电流波形进行识别，同时能够确定不同的动作阈值；并且还能根据线路中正常剩余电流的缓慢变化自动调整动作值，同时采取剩余电流突变量进行协同判定，进一步提高了保护的准确性和安全性；最后加入的重合闸策略一定程度上还提高了供电可靠性，在剩余电流保护方面有着一定的合理性和可行性。

Description

一种非线性剩余电流自适应保护方法
技术领域
本发明涉及继电保护领域，尤其涉及一种非线性剩余电流自适应保护方法。
背景技术
随着我国电力行业的飞速发展和用电设备的极大普及，由于线路故障和人员的不规范操作引起的故障剩余电流也愈发常见。因此所导致的人身触电和电气火灾等事故也越来越多，这已经成为用电安全中人们关注的重要问题，而最常见的防护措施就是在低压电网中安装剩余电流动作保护器(Residual Current Device，RCD)。
然而在目前的剩余电流保护方面依旧存在着一些亟待解决的问题：(1)传统剩余电流保护因低压电网正常运行存在的部分剩余电流而提高了动作值，这就使得人身安全保护功能受到了影响；而如果按照保护人身的效果进行设定，则可能会在电网正常运行时频繁跳闸，又影响了电网的供电可靠性；(2)在电网正常运行时，大容量设备的投切，用户负载的增减和大气环境的变化等因素可能会导致电网中剩余电流发生变化，而传统保护设置的固定动作阈值已不能满足实际的需要。(3)随着智能电网的发展，采用电力电子技术的非线性负载不断增多，这就导致电网中含有大量谐波成分。这类设备产生的剩余电流的波形是含有多种交直流分量的复杂波形，甚至是平滑直流波形，针对正弦交流的传统剩余电流保护理论已难以满足当下的需求。
例如，一种在中国专利文献上公开的“一种高可靠性剩余电流保护器”，其公告号CN205016989U，包括剩余电流互感器和跳闸装置，所述剩余电流互感器二次侧和跳闸装置之间并联滤波器；所述滤波器输入端与剩余电流互感器二次侧输出端连接，所述滤波器输出端与跳闸装置的电磁铁线圈连接；所述滤波器用于滤除剩余电流保护器中的谐波电流。所述方案以传统的剩余电流保护理论为基础，无法适应电网中含有的大量谐波，难以满足电网运行需求，导致频繁跳闸影响电网供电的可靠性。
发明内容
本发明是为了克服现有技术的剩余电流保护理论难以满足保护需求的问题，提供一种非线性剩余电流自适应保护方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种非线性剩余电流自适应保护方法，包括以下步骤：
步骤(1)、识别剩余电流类型；
步骤(2)、确定不同波形的阈值系数：不同波形的动作阈值乘以相应的阈值系数能够在满足规定的情况下，提高动作的准确性，并且还能使得剩余电流保护在不同波形情况下具有较好的动作一致性；
步骤(3)、保护的自适应调整：考虑到实际运行时存在的正常剩余电流，通过测定较长时段内正常剩余电流的值与设定阈值的差距，若差距较大时，能自动调高或降低保护的动作阈值；
步骤(4)、突变量检测：正常剩余电流持续时间长，变化缓慢，而触电等事故会导致剩余电流发生较为明显的突变，选取2～3周期为一个阶段，测定其突变量，若突变量达到设定阈值则保护动作；
步骤(5)、重合闸策略：为了提高供电可靠性，设定保护动作60s后启动重合闸，若重合后正常则保护闭合恢复正常运行，若重合后保护依旧动作则不再进行重合操作。
作为优选，所述步骤(1)通过不同剩余电流的正负剩余电流信号的持续时间的差异，设定相关判据，确定剩余电流的波形，剩余电流的波形包括正弦波、半波、90°波和135°波。
作为优选，所述相关判据定义为：规定比例系数K为正负剩余电流持续时间中较短时间与较长时间的比值。
作为优选，当K在0.75～1时判定为正弦波；K在0.45～0.75时判定为半波；K在0.25～0.45时判定为90°波；K在0～0.25时判定为135°波。
作为优选，所述步骤(2)中的阈值系数取值为：正弦波时取值为1；半波时取值为1.4；90°波时取值为1.8；135°波时取值为2.7。
作为优选，所述步骤(3)中差距较大的情况为正常剩余电流的值与动作阈值相差超过两个档位。
作为优选，所述步骤(3)中当测量的剩余电流在45～60s内均低于当前设定阈值两个档位时，则自动对设定阈值进行降档操作，若过高则自动进行升档操作，在档位调整的过程中，保护不应当动作。
作为优选，所述步骤(4)中设定的突变剩余电流的数值设定为30mA，即当突变量大于设定数值时，保护应当动作。
因此，本发明具有如下有益效果：
1.识别波形类型后再进行阈值设置，改善了保护在不同波形条件下的表现，提高了保护动作的准确性；
2.根据不同波形类型设置阈值系数，能够使得剩余电流保护在不同波形情况下具有较好的动作一致性；
3.能够自动根据检测剩余电流大小和设定阈值之间的差距自动调整动作阈值的档位，与传统保护的固定档位设置相比，能够更好地适应当前电网的复杂多变的情况；
4.加入突变量作为辅助判据，缩小了检测盲区，提高了保护的准确性；
5.重合闸的设置一定程度上提高了供电可靠性。
附图说明
图1为典型脉动直流剩余电流下峰值、阈值和ΔT的关系图
图2为本发明的保护动作具体流程图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。
一种非线性剩余电流自适应保护方法，如图1、图2所示，包括以下步骤：
步骤(1)、识别剩余电流类型：通过不同剩余电流的正负剩余电流信号的持续时间的差异，设定相关的判据，确定剩余电流的波形(正弦波、半波、90°波或135°波)，目前在配电系统中，传统剩余电流检测方法主要是电磁式电流互感器法，该方法原理简单，安装方便，温度特性好，响应速度快，对正弦剩余电流检测精度高，同时性价比也高，因此广泛应用于配电变压器出口、大小分支处以及末端用户处。但是由于脉动直流剩余电流通过互感器后，在二次侧并无感应信号，导致二次侧信号波形失真，从而使得电磁式电流互感器法对脉动直流剩余电流检测精度降低，存在误动和拒动的可能性。
电力电子设备发生漏电故障时在线路中产生的剩余电流是脉动直流信号，其典型的波形可分为以下三类：正弦半波，90°触发角正弦波及135°触发角正弦波。根据国际电工委员会对剩余电流保护器制定的严格技术标准，要求在进行脉动直流剩余电流进行保护时，应当能够同时对正弦波进行有效保护，由规定可知，在不同波形条件下的保护动作值应当满足以下动作范围要求。
Figure BDA0002919625240000031
式中：IΔn为额定剩余电流动作值目前广泛应用在正弦剩余电流保护中的方法是根据剩余电流瞬时值高于动作阈值的持续时间来进行判断。设剩余电流瞬时动作阈值为Iref，正弦波形瞬时值超过设定阈值持续时间为ΔT，此时正弦波形的有效值和设定的动作有效值分别为Ir和IΔd。但是保护的动作阈值是在剩余电流波形为正弦波时所确定的，当剩余电流波形是正弦半波，90°触发角正弦波及135°触发角正弦波时，其动作的有效值与正弦波情况下的动作有效值有着较大的差异。
由图1可知，当采用固定的动作阈值Iref时，若90°波和135°波的幅值达不到足够大，则剩余电流超过设定阈值持续时间可能会小于设定的判定阈值ΔT，即一直达不到动作的条件，则可能会影响保护的动作。随着剩余电流幅值的增大，其高于设定阈值的持续时间也不断增大，当持续时间达到ΔT时，则认为线路中剩余电流有效值达到动作有效值。
剩余电流有效值定义式为：
Figure BDA0002919625240000041
式中：Imax为剩余电流幅值；t1＜t2∈[0,T]
对于正弦波剩余电流，其有效值为：
Figure BDA0002919625240000042
对于半波剩余电流，其有效值为：
Figure BDA0002919625240000043
对于90°波剩余电流，其有效值为：
Figure BDA0002919625240000044
对于135°波剩余电流，其有效值为：
Figure BDA0002919625240000045
设正弦波剩余电流有效值为IΔd，则各种波形的剩余电流有效值分别为：
Figure BDA0002919625240000046
由上式可知，当采用固定的动作阈值Iref和固定持续时间ΔT进行剩余电流保护时，在不同波形情况下其动作值也不相同，虽然其动作特性均能够满足相关规定的要求，但是部分波形情况下的差值较大。因此可以采取相关措施对先波形进行识别，再根据波形种类自适应确定动作阈值，能够提高剩余电流保护的准确性。
由于不同波形运行时的正负剩余电流信号的持续时间存在较大差异，因此可以选用这一特征来进行波形种类的识别。规定正负剩余电流持续时间中较短的为t1，较长的为t2，比例系数K定义为：
Figure BDA0002919625240000051
则识别判据可设置为：
Figure BDA0002919625240000052
同时可以将每种波形情况下的动作阈值乘以相关的系数c(具体取值见下式)，既能够满足相关规定的标准要求，还能使得剩余电流保护在不同波形情况下具有较好的动作一致性。
Figure BDA0002919625240000053
步骤(2)、确定不同波形的阈值系数：由理论分析可知，不同波形的动作阈值乘以相应的系数能够在满足规定的情况下，提高动作的准确性，并且还能使得剩余电流保护在不同波形情况下具有较好的动作一致性。
步骤(3)、保护的自适应调整：保护的动作阈值是自适应调整，根据保护器的固有档位，可以在首次投入使用时设定为最高档位，当测量的剩余电流在45～60s内均低于当前设定阈值两个档位时，则自动对设定阈值进行降档操作，若过高则自动进行升档操作。在档位调整的过程中，保护不应当动作。
步骤(4)、突变量检测：线路中存在的正常剩余电流的特点是持续时间较长，变化较为缓慢，即不会发生突变，而因故障而产生的剩余电流则具有较为明显的突变，因此可以根据此特征设定突变量检测进行协同判定，以减少动作的盲区，提高准确性和安全性。
通常认为在人身触电事故时，会产生大于30mA的剩余电流突变，则可以以此数据来设置突变剩余电流判据。选取2～3个周期为一个阶段，每个阶段测定剩余电流的有效值，并与前一个阶段有效值相比较，当二者差值在一定范围之内时说明剩余电流变化缓慢，保护不应该动作，而当差值超过一定范围时表明剩余电流发生了突变，极有可能是发生了事故，保护应当立即动作。
步骤(5)、重合闸策略：考虑到电力系统运行的实际情况，瞬时性故障占所有故障的大多数，因此为了提高供电的可靠性，设置重合闸，设置在故障发生60s后，进行重合闸重合操作。若重合后未检测到故障剩余电流，保护未动作，则剩余电流保护器闭合，线路正常运行；若重合后依旧达到保护的动作条件，则应当立即跳闸，并且不再进行重合操作。
本发明提出的一种非线性剩余电流保护方法能够对不同的剩余电流波形进行识别，同时能够确定不同的动作阈值；并且还能根据线路中正常剩余电流的缓慢变化自动调整动作值，同时采取剩余电流突变量进行协同判定，进一步提高了保护的准确性和安全性；最后加入的重合闸策略一定程度上还提高了供电可靠性，在剩余电流保护方面有着一定的合理性和可行性。
上述实施例对本发明的具体描述，只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限定，本领域的技术工程师根据上述发明的内容对本发明作出一些非本质的改进和调整均落入本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种非线性剩余电流自适应保护方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤(1)、识别剩余电流类型；
步骤(2)、确定不同波形的阈值系数：不同波形的动作阈值乘以相应的阈值系数能够在满足规定的情况下，提高动作的准确性，并且还能使得剩余电流保护在不同波形情况下具有较好的动作一致性；
步骤(3)、保护的自适应调整：考虑到实际运行时存在的正常剩余电流，通过测定较长时段内正常剩余电流的值与设定阈值的差距，若差距较大时，能自动调高或降低保护的动作阈值；
步骤(4)、突变量检测：正常剩余电流持续时间长，变化缓慢，而触电等事故会导致剩余电流发生较为明显的突变，选取2～3周期为一个阶段，测定其突变量，若突变量达到设定阈值则保护动作；
步骤(5)、重合闸策略：为了提高供电可靠性，设定保护动作60s后启动重合闸，若重合后正常则保护闭合恢复正常运行，若重合后保护依旧动作则不再进行重合操作。
2.根据权利要求1所述的一种非线性剩余电流自适应保护方法，其特征是，所述步骤(1)通过不同剩余电流的正负剩余电流信号的持续时间的差异，设定相关判据，确定剩余电流的波形，剩余电流的波形包括正弦波、半波、90°波和135°波。
3.根据权利要求2所述的一种非线性剩余电流自适应保护方法，其特征是，所述相关判据定义为：规定比例系数K为正负剩余电流持续时间中较短时间与较长时间的比值。
4.根据权利要求3所述的一种非线性剩余电流自适应保护方法，其特征是，当K在0.75～1时判定为正弦波；K在0.45～0.75时判定为半波；K在0.25～0.45时判定为90°波；K在0～0.25时判定为135°波。
5.根据权利要求1所述的一种非线性剩余电流自适应保护方法，其特征是，所述步骤(2)中的阈值系数取值为：正弦波时取值为1；半波时取值为1.4；90°波时取值为1.8；135°波时取值为2.7。
6.根据权利要求1所述的一种非线性剩余电流自适应保护方法，其特征是，所述步骤(3)中差距较大的情况为正常剩余电流的值与动作阈值相差超过两个档位。
7.根据权利要求1所述的一种非线性剩余电流自适应保护方法，其特征是，所述步骤(3)中当测量的剩余电流在45～60s内均低于当前设定阈值两个档位时，则自动对设定阈值进行降档操作，若过高则自动进行升档操作，在档位调整的过程中，保护不应当动作。
8.根据权利要求1所述的一种非线性剩余电流自适应保护方法，其特征是，所述步骤(4)中设定的突变剩余电流的数值设定为30mA，即当突变量大于设定数值时，保护应当动作。
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