CN1295834C - 继电保护用时差法电流互感器严重饱和的判别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种继电保护用时差法电流互感器严重饱和的判别方法，可以区分较为严重的CT饱和，由于CT饱和时的饱和点把二次电流分成非饱和区及饱和区，非饱和区和饱和区的差动电流、制动电流的关系不同，可以识别出饱和时间达到2ms的严重CT饱和。利用严重CT饱和时的饱和时刻和差动保护判别的出口时刻存在时间差，即“时差法”可以灵敏、可靠的区分出区内外故障引起的CT饱和，决定是否闭锁差动保护，提高差动保护的可靠性。

Description

继电保护用时差法电流互感器严重饱和的判别方法

技术领域

本发明属于电力系统故障判断，在电力系统低压、高压、超高压、特高压电力设备保护中，利用电流互感器(CT)饱和判据增加差动保护的可靠性，它是一种高可靠性和灵敏性的继电保护用时差法电流互感器严重饱和的判别方法。

背景技术

随着电力系统的发展，电力系统容量的增大，现有的一次设备如电流互感器承受的短路容量增加，对电流互感器的暂态特性需要更高的要求，普通电流互感器在大的短路电流情况下极易饱和。

作为保护电力系统设备的继电保护，所依据的量均取自电力系统的一次设备如电流互感器、电压互感器等。当电流互感器处于不同的暂态特性情况下，对于继电保护的判据需要作不同的处理。即应用的继电保护必须能够有效识别电流互感器的不同暂态特性，如电流互感器饱和等对继电保护的影响。

传统的继电保护如母线差动电流互感器饱和判别，是利用电流互感器未饱和前的线性数据作差动保护判据的依据，如果电流互感器饱和不严重，如1/4周波后饱和，作为继电保护差动的有效数据能够基本满足可靠性要求。但如果电流互感器饱和比较严重，发生在1/4周波之前，甚至饱和时间小到2ms，此时作为继电保护差动判据的数据很少，势必影响到差动保护的可靠性。

就目前应用的各种判据而言，有的判据可以识别电流互感器饱和，但不能识别严重的电流互感器饱和(发生在1/4周波之前的CT饱和)。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足之处，设计一种灵敏性、可靠性高的电力系统继电保护用时差法电流互感器严重饱和的判别方法。

本发明的技术方案是：

利用电力系统中被保护设备的继电保护装置采集的电流量作为判据，根据采集的电流量，可以确定电流互感器在当前扰动下处于何种暂态，即电流互感器是否饱和。

电力系统发生严重故障(短路电流很大)或二次负载过大，可能引起电流互感器饱和，由电流互感器的暂态特性可知，根据电流互感器(CT)数学模型如图2所示，在电流互感器发生饱和前电力系统一次电流可以正常线性的传变，饱和后二次电流近似为零，这样在电流互感器饱和后，二次电流在饱和点被分为非饱和区和饱和区。图3所示，根据继电保护差动设置的原理，严重电流互感器饱和一般发生在1/4周波之前，而差动保护采用的有效数据一般多于1/4周波，即差动保护出口一般在1/4周波之后，电流互感器饱和与差动出口不同步发生，即存在时间差，利用时差法可以先行可靠的鉴别出电流互感器是否饱和，然后再决定差动保护的动作行为。

一种继电保护用时差法电流互感器严重饱和的判别方法，其特征是：

a、将每个电流周波分成N个采样点，采集被保护元件两侧电流互感器二次电流，并进行模数转换后得到各采样点的电流i_1p，i_2p(p＝0，1，...，N-1，即取样点数为N点)。设定以被保护元件两侧为非极性端，i₁表示保护元件一侧输入性采样电流各电流互感器二次电流之和，i₂表示被保护元件另一侧输出性采样电流各电流互感器二次电流之和。

b、按下式计算过零点后电流互感器饱和点n点前的差动电流i_Dn、制动电流i_Rn和饱和点n点后m点的差动电流i_Dm、制动电流i_Rm。

$i_{\mathrm{Dn}}=\underset{0}{\overset{N_n}{\mathrm{\Σ}}}|i_{1n}+i_{2n}|,i_{\mathrm{Dm}}=\underset{N_n}{\overset{N_m}{\mathrm{\Σ}}}|i_{1m}+i_{2m}|$

$i_{\mathrm{Rn}}=\underset{0}{\overset{N_n}{\mathrm{\Σ}}}|i_{1n}-i_{2n}|,i_{\mathrm{Rm}}=\underset{N_n}{\overset{N_m}{\mathrm{\Σ}}}|i_{1m}-i_{2m}|$

其中：m＞n，N_n，N_m分别表示采样周期N点中的n，m点，严重CT饱和时，取0＜N_n＜N/4，N/4＜N_m≤N/2。

c、将计算所得的i_Dn、i_Rn、i_Dm、i_Rm按下述公式进行计算后得到判别公式：

i_Dn/i_Rn＜k            ......(1)

i_Dm/i_Rm＝k₁           ......(2)

i_Rn＞I₀，i_Rm＞I₀      ......(3)

式中k、k₁为常数，k的取值范围为0.2～0.5，k₁的取值范围为0.8～1.0，I₀为固定门槛值，通常取I₀＝0.1～0.2倍额定电流；

d、判别方法：

如果满足式(1)、(2)、(3)的条件，判定为区外故障电流互感器饱和，闭锁差动保护，反之，不闭锁差动保护。

过零点后电流互感器饱和起始点n点的确定是在用常规电流突变判据判定电力系统有扰动的前提下，即保护有启动后按下式确定或采用其它如小波变换等方法确定：

(i_Φ(n)-i_Φ(n-1))/dt*(i_Φ(n+1)-i_Φ(n))/dt＜0 and

|(i_Φ(n)-i_Φ(n-1))/dt-(i_Φ(n+1)-i_Φ(n))/dt|＞K₀

式中i_Φ饱和相的电流，K₀为设定的常数。如果上式成立，则n点即为电流互感器饱和起始点。

常规电流突变判据(即保护启动)的表达式为：

|(i_{a，b，cΦ(n′)}-i_{a，b，cΦ(n′-N)})-(i_{a，b，cΦ(n′-N)}-i_{a，b，cΦ(n′-2N)})|＞I₀

式中：i_a，b，cΦ表示每相的电流，n′为当前采样点，N为一个采样周期中的采样点数，I₀为设定的固定门槛值，I₀＝0.1～0.2倍额定电流；如果上式成立，则判定电力系统有扰动，则继电保护启动，启动后则可以利用电流跃变微分法或小波变换法寻找饱和起始点n。

本发明的有益效果：

1.可以可靠、灵敏的区分严重的电流互感器饱和，饱和时间可以小到2ms。

2.提高继电保护的可靠性，区外故障可靠制动，区内故障可靠动作。

3.本判据不受电流互感器断线的影响，如果电流互感器断线，判据自然不

满足，根据电流互感器断线的判据，可以选择差动保护的动作行为。

附图说明

图1是本发明的保护逻辑图(说明：在闭锁后延时一个周波再重新判定是否仍然满足闭锁条件)。

图2是本发明的电流互感器的等效图。图中i₁表示CT一次电流，i₂表示CT二次电流。

图3是本发明的CT饱和的一次和二次电流，图中：i₁表示保护体一侧CT二次电流，i₂表示保护体另一侧CT二次电流(饱和)。

图4是本发明的区外故障两侧电流及差流波形。

图5是本发明的区内故障两侧电流及差流波形。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

一种继电保护用时差法电流互感器严重饱和的判别方法，其判别过程如下：

a、将每个电流周波分成N个采样点，采集被保护元件两侧电流互感器二次电流，并进行模数转换后得到各采样点的电流i_1p，i_2p(p＝0，1，...，N-1)。设定以被保护元件两侧为非极性端，i₁表示保护元件一侧输入性采样电流各电流互感器二次电流之和，i₂表示被保护元件另一侧输出性采样电流各电流互感器二次电流之和。

b、按下式计算过零点后电流互感器饱和点n点前的差动电流i_Dn、制动电流i_Rn和饱和点n点后m点的差动电流i_Dm、制动电流i_Rm。

$i_{\mathrm{Dn}}=\underset{0}{\overset{N_n}{\mathrm{\Σ}}}|i_{1n}+i_{2n}|,i_{\mathrm{Dm}}=\underset{N_n}{\overset{N_m}{\mathrm{\Σ}}}|i_{1m}+i_{2m}|$

$i_{\mathrm{Rn}}=\underset{0}{\overset{N_n}{\mathrm{\Σ}}}|i_{1n}-i_{2n}|,i_{\mathrm{Rm}}=\underset{N_n}{\overset{N_m}{\mathrm{\Σ}}}|i_{1m}-i_{2m}|$

其中：m＞n，N_n，N_m分别表示采样周期N点中的n，m点，严重CT饱和时，取0＜N_n＜N/4，N/4＜N_m≤N/2。

c、将计算所得的i_Dn、i_Rn、i_Dm、i_Rm按下述公式进行计算后得到判别公式：

i_Dn/i_Rn＜k            ......(1)

i_Dm/i_Rm＝k₁           ......(2)

i_Rn＞I₀，i_Rm＞I₀      ......(3)

式中k、k₁为常数，k的取值范围为0.2～0.5，k₁的取值范围为0.8～1.0，I₀为固定门槛值，通常取I₀＝0.1～0.2倍额定电流；

d、判别方法：

如果满足式(1)、(2)、(3)的条件，判定为区外故障电流互感器饱和，闭锁差动保护，反之，不闭锁差动保护。

过零点后电流互感器饱和起始点n点的确定是在用常规电流突变判据判定电力系统有扰动的前提下，即保护有启动后按下式确定或采用其它如小波变换等方法确定：

(i_Φ(n)-i_Φ(n-1))/dt*(i_Φ(n+1)-i_Φ(n))/dt＜0 and

|(i_Φ(n)-i_Φ(n-1))/dt-(i_Φ(n+1)-i_Φ(n))/dt|＞K₀

式中i_Φ饱和相的电流，K₀为设定的常数。如果上式成立，则n点即为电流互感器饱和起始点，n为小于1/4N的数。

常规电流突变判据(即保护启动)的表达式为：

|(i_{a，b，cΦ(n)}-i_{a，b，cΦ(n-N)})-(i_{a，b，cΦ(n-N)}-i_{a，b，cΦ(n-2N)})|＞I₀

式中：i_a，b，cΦ表示每相的电流，n为当前采样点，N为一个采样同期中的采样点数，I₀为设定的启动门槛电流，I₀＝0.1～0.2倍额定电流；如果上式成立，则判定电力系统有扰动，则继电保护启动，启动后则可以利用电流跃变微分法或小波变换法寻找饱和起始点n。

具体例：

1、利用硬件平台，从被保护设备各侧用电流互感器取系统的电流，经过继电保护装置的数据采集系统，进行模数(A/D)变换，得到各采样点的电流i_1p，i_2p(p＝0，1，...，N-1)。设定以被保护元件两侧为非极性端，i₁表示保护元件一侧输入性采样电流各电流互感器二次电流之和，i₂表示被保护元件另一侧输出性采样电流各电流互感器二次电流之和。

2、用采集的电流，按照公式：

|(i_{a，b，cΦ(n)}-i_{a，b，cΦ(n-N)})-(i_{a，b，cΦ(n-N)}-i_{a，b，cΦ(n-2N)})|＞I₀

来判定电力系统是否发生故障或扰动，此处设系统的额定电流为5安培，则取I₀＝1.0A，如果公式成立，则可确定电力系统发生故障或扰动(即保护启动)，则进入故障处理程序。由于继电保护均采用实时数据采集方法，在每采集点n点立即按公式：(i_Φ(n)-i_Φ(n-1))/dt*(i_Φ(n+1)-i_Φ(n))/dt＜0 and|(i_Φ(n)-i_Φ(n-1)/dt-(i_Φ(n+1)-i_Φ(n))/dt|＞K₀(K₀＝0.3～0.5之间的任意数)进行计算该点的前一点(n-1)前后的微分变化，判别电流是否发生突变，当然也可以小波变换的方法判别电流是否发生突变。如果电流有突变，则按下式计算电流互感器饱和起始点n点前的差动电流i_Dn、制动电流i_Rn和饱和点n点后m点的差动电流i_Dm、制动电流i_Rm作为CT饱和的判据依据。

$i_{\mathrm{Dn}}=\underset{0}{\overset{N_n}{\mathrm{\Σ}}}|i_{1n}+i_{2n}|,i_{\mathrm{Dm}}=\underset{N_n}{\overset{N_m}{\mathrm{\Σ}}}|i_{1m}+i_{2m}|$

$i_{\mathrm{Rn}}=\underset{0}{\overset{N_n}{\mathrm{\Σ}}}|i_{1n}-i_{2n}|,i_{\mathrm{Rm}}=\underset{N_n}{\overset{N_m}{\mathrm{\Σ}}}|i_{1m}-i_{2m}|$

其中：m＞n，N_n，N_m分别表示采样周期N点中的n，m点，严重CT饱和时，取0＜N_n＜N/4，N/4＜N_m≤N/2。具体实施时可设定N＝20，m＝10，而n点的具体数值由计算所得，且n必须小于m，由此N_m＝10，N_n也由计算所得。

3、按照传统的差动判别方法，如果CT饱和后，满足差动保护动作的条件，设置差动动作的标志。如母差保护采用采样值比例差动，逻辑如下：

$\frac{I_R}{I_D}{>k}^{\′}$

I_R表示制动电流，I_D表示动作电流，k’表示制动比系数。

4、就计算的饱和点前后的差流和制动电流按照下述公式进行判定：

i_Dn/i_Rn＜k         ......(1)

i_Dm/i_Rm＝k₁        ......(2)

i_Rn＞I₀，i_Rm＞I₀   ......(3)

式中k、k₁为常数，k＝0.2，k₁＝0.9，I₀为固定门槛值，I₀＝1.0A，m＝10，n＝3；如果上述式(1)、(2)、(3)同时成立，则可判定为区外故障CT饱和，闭锁差动保护，差动动作标志无效，反之，不闭锁差动保护，差动动作标志有效，其差动保护逻辑图如图1所示。

利用上述判据可以可靠灵敏的区分出发生区内外故障的严重CT饱和，一般发生1/4周波内的严重CT饱和均可以可靠灵敏的区分，可以区分出最小饱和时间达到2ms的严重CT饱和，1/4周波后的CT饱和，一般利用差动比例制动就可以抑制，无需上述判据。

利用饱和点前后的动作电流和制动电流的关系不同，以及差动保护判据动作时间与饱和点时间之间存在的时差，可以有效的区分较为严重的CT饱和故障，利用此判据可以在变压器发生不同类型的故障时决定继电保护差动保护的动作行为。在电力系统应用时，由于母线故障时的短路电流较大，发生严重故障的几率较高，所以本判据在电力系统继电保护的母线差动保护具有较高的应用价值，在其它电力系统设备保护中，发生严重CT饱和的故障同样具有较高的价值。

本发明在实施时，应用于反应各侧差流变化的差动保护，与其它保护如差动保护、后备保护、速断保护等可以构成完成可靠的继电保护。

实施本判据对电力系统的一次设备与二次设备均有一定的要求。

1、一次设备CT具有可靠的传变性，在饱和前能够线性传变电流，并具有很小的误差。

2、二次设备继电保护装置要具有较高的采样精度和计算精度，由于CT饱和越严重，过零点后非饱和区有效的数据很小，在采样精度高的情况下，如果计算精度也比较高，不会影响公式(1)、(2)、(3)的准确性。如果采样精度和计算精度更高，可以反应出更小饱和时间(饱和时间小于2ms)的严重CT饱和。

利用此项发明技术的CT饱和判别，可以灵敏、可靠的区分出区内外故障引起的CT饱和，提高继电保护的差动保护可靠性。

Claims (4)

1、一种继电保护用时差法电流互感器严重饱和的判别方法，其特征是：

a、将每个电流周波分成N个采样点，采集被保护元件两侧电流互感器二次电流，并进行模数转换后得到各采样点的电流i_1p，i_2p，p＝0，1，...，N-1；设定以被保护元件两侧为非极性端，i₁表示保护元件一侧输入性采样电流各电流互感器二次电流之和，i₂表示被保护元件另一侧输出性采样电流各电流互感器二次电流之和；

b、按下式计算过零点后电流互感器饱和点n点前的差动电流i_Dn、制动电流i_Rn和饱和点n点后m点的差动电流i_Dm、制动电流i_Rm：

$i_{\mathrm{Dn}}=\underset{0}{\overset{N_n}{\mathrm{\Σ}}}|i_{1n}+i_{2n}|,i_{\mathrm{Dm}}=\underset{N_n}{\overset{N_m}{\mathrm{\Σ}}}|i_{1m}+i_{2m}|$

$i_{\mathrm{Rn}}=\underset{0}{\overset{N_n}{\mathrm{\Σ}}}|i_{1n}+i_{2n}|,i_{\mathrm{Rm}}=\underset{N_n}{\overset{N_m}{\mathrm{\Σ}}}|i_{1m}+i_{2m}|$

其中：m＞n，N_n，N_m分别表示采样周期N点中的n，m点，严重CT饱和时，取0＜N_n＜N/4，N/4＜N_m≤N/2；

c、将计算所得的i_Dn、i_Rn、i_Dm、i_Rm按下述公式进行计算后得到判别公式：

           i_Dn/i_Rn＜k            ......(1)

           i_Dm/i_Rm＝k₁           ......(2)

           i_Rn＞I₀，i_Rm＞I₀      ......(3)

式中k、k₁为常数，k的取值范围为0.2～0.5，k₁的取值范围为0.8～1.0，I₀为固定门槛值，通常取I₀＝0.1～0.2倍额定电流；

d、判别方法：

如果满足式(1)、(2)、(3)的条件，判定为区外故障电流互感器饱和，闭锁差动保护，反之，不闭锁差动保护。

2、根据权利要求1所述的继电保护用时差法电流互感器严重饱和的判别方法，其特征是所述的过零点后电流互感器饱和起始点n点的确定是在用常规电流突变判据判定电力系统有扰动的前提下，采用某相电流跃变微分法确定饱和点n，其公式为：

       (i_Φ(n)-i_Φ(n-1))/dt*(i_Φ(n+1)-i_Φ(n))/dt＜0  和

       |(i_Φ(n)-i_Φ(n-1))/dt-(i_Φ(n+1)-i_Φ(n))/dt|＞K₀

式中i_Φ饱和相的电流，K₀为设定的常数，K₀＝0.3～0.5；

如果上式成立，则n点即为电流互感器饱和起始点。

3、根据权利要求1所述的继电保护用时差法电流互感器严重饱和的判别方法，其特征是所述的过零点后电流互感器饱和起始点n点的确定是在用常规电流突变判据判定电力系统有扰动的前提下，采用小波变换法寻求突变点也即饱和起始点n点的确定。

4、根据权利要求2或3所述的继电保护用时差法电流互感器严重饱和的判别方法，判别各侧电流每相是否发生突变，其特征是所述的常规电流突变判据的表达式为：

|(i_{a，b，cΦ(n′)}-i_{a，b，cΦ(n′-N)})-(i_{a，b，cΦ(n′-N)}-i_{a，b，cΦ(n′-2N)})|＞I₀

式中：i_a，b，cΦ表示每相的电流，n′为当前采样点；如果上式成立，则判定电力系统有扰动。

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