CN1588736A - 基于差动电流差分值的电流变换饱和的判别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于差动电流差分值的电流变换器(CT)饱和的判别方法，所述的方法包括步骤：对相电流以预定的采样速率进行采样，并将采样结果存储在存储区中；对上述采样结果进行处理，计算该相的差动电流的差分值；将计算的所述差分值与预先设定的阀值进行比较，如果所述差分值大于所述的阀值一定的数值，则判断为电流变换饱和，否则为区内故障。本发明的方法减小了CT饱和判别的计算量，不受转换性故障的影响，在现有硬件技术的条件下，能够满足母线保护的需求，该原理应用在电力系统母线保护装置，可极大地提高母线保护的安全性。

Description

基于差动电流差分值的电流变换饱和的判别方法

技术领域

本发明涉及电力系统继电保护领域，更具体地涉及基于差动电流差分值的电流变换器(CT)饱和的判别方法。

背景技术

近几年来我国电力系统电压等级在逐步提高，供电容量迅速增加，而且长距离送电和大区域电网互联也在迅速的发展，因而电力系统故障引起的CT饱和的几率在增加，CT饱和的深度也在增加，即将在我国西北电网建设的750kV系统也对CT饱和判别提出了更高的要求。电力CT饱和可能会引起母线差动保护的误动，如果不能迅速的判断并采取适当的措施，会造成大面积停电和严重威胁电力系统的安全稳定运行

根我国，虽然线路保护、变压器保护、母线保护都考虑CT饱和，但不同的保护对CT饱和的考虑不一样，形成了很多方案，各有各的特点，从保护动作的快速性和抗CT饱和的效果来看，母线保护的方案应该是比较完善的的方案。国内母线保护的CT饱和判别普遍采用的是同步识别法，它的基本思想是：即使最严重的CT饱和，在故障发生的初始阶段和线路电流过零点附近CT存在一个线性传变区，在线性传变区内差动电流不存在。因此我们只要能检测母线故障的开始时刻和差动电流的出现时刻，就可以判别出CT是否饱和。差动电流的出现时刻不难判别，对于故障出现时刻的判别，出现了各种各样的方案：有利用电压突变的，有利用电流突变的，有利用阻抗变化的等等，如图1。但每种方案都存在误判的可能性。例如：电压判据在无电压时候失效，阻抗判据此时当然也失效。

特别是，对于异名相转换故障，电流突变判据可能误判断，影响保护的动作性能，例如：对于A相区外到B相区内的转换性故障，假设转换时间为10ms，当A相故障时候，由于系统阻抗的原因，B相电流此时也感受到突变，10ms后，区内故障开始，B相感受到差动电流的出现，按图1的同步识别原理，先有电流突变，后有差动电流出现，判断为CT饱和，闭锁差动保护，虽然现有的技术都可以重新开放母线差动，但已经严重影响了保护的动作速度

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术的缺陷，本发明提出了基于差动电流差分值的电流变换饱和的判别方法。本发明的方法是通过如下的技术方案实现的，所述的方法包括以下步骤：

对相电流以预定的采样速率进行采样，并将采样结果存储在存储区中；

对上述采样结果进行处理，计算该相的差动电流的差分值；

将计算的所述差分值与预先设定的阀值进行比较，如果所述差分值大于所述的阀值一定的数值，则判断为电流变换饱和，否则为区内故障。

所述的采样速率是每周波的采样点数不能低于100点。

所述的差分值根据以下公式进行计算：

$\mathrm{Dif}1=i_2\left(n\right)-i_2(n-1)=A(1-e^{\frac{T}{\mathrm{Ts}}})e^{-\frac{\mathrm{nT}}{\mathrm{Ts}}}+B(1-e^{\frac{T}{\mathrm{Tp}}})e^{-\frac{\mathrm{nT}}{\mathrm{Tp}}}...\left(4\right)$

Dif2＝Dif1(n)-Dif1(n-1)                                    (5)

Dif3＝Dif2(n)-Dif2(n-1)                                    (6)

其中：Dif1、Dif2、Dif3分别为差动电流的一次、二次、三次差分值，

$A=-B=-I_{\max }\frac{T_S}{T_S-T_P}$

T为采样时间间隔，Ts和Tp分别为系统一次和二次时间常数，N为采样频率，n为某个采样点，θ为故障初始角，φ为和CT时间常数有关的角度，I_max为故障时刻最大电流。

本发明的基于差动电流的差分值进行CT饱和判别的方法，减小了CT饱和判别的计算量，不受转换性故障的影响，在现有硬件技术的条件下，能够满足母线保护的需求，该原理应用在电力系统母线保护装置，可极大的提高母线保护的安全性。

附图说明

下面结合附图进一步说明本发明的方法内容和优点。

图1是CT饱和判别的方法示意图；

图2是母线系统简化示意图；

图3是仿真数据分析示意图。

具体实施例

图1是CT饱和判别的方法示意图。如图1所示，对于故障出现时刻的判别，出现了各种各样的方案：有利用电压突变的，有利用电流突变的，有利用阻抗变化的等等，但每种方案都存在误判的可能性。例如：电压判据在无电压时候失效，阻抗判据此时当然也失效。有关这一方面的描述，已经在背景技术部分介绍，这里不再重复。

图2是母线系统简化示意图。本方法分析差动电流的二次、三次差分，正常的差动电流是没有差分脉冲的，而饱和形成的差动电流有明显的脉冲，利用差动电流的差分脉冲特性可以正确的区分区外饱和和区内故障。

因为母线保护为分相电流差动保护，为分析方便，以下分析是指三相中的任意一相。并且对于图2a的左侧N条支路的母线系统，当某条支路发生外故障时，该母线系统可以简化为图2b右侧两条支路的母线系统，其中Lout为电流流出支路，Lin为电流流入支路，I1为所有为流入支路的电流，I2为流出支路电流(二次电流分别用i1和i2表示)。

对于图2的系统，定义母线差动电流id为所有支路电流之和，为：

                       id＝i₁+i₂

差动保护的原理是利用id区分区内、区外故障。当母线区内故障时，由于i₁、i₂的方向一致，id不等于零，当区外故障，如果CT不饱和时候，i₁、i₂的方向相反，根据基尔霍夫定理，id＝0。

当区外故障CT饱和的时候(假设流出支路区外故障CT饱和)，此时由于CT传变的原因，我们取到的二次电流i₁不等于i₂，差动电流id因而也是不等于零的值，它的大小取决于饱和引起的传变误差，当误差增大到一定程度，差动保护就可能误动。

但CT饱和的时候，差动电流由于从线性传变区到饱和区时候，差动电流会发生突然变化，此变化值远大于正弦的变化。我们利用两种故障的差动电流差分变化的不同，既有可能判别出CT饱和。

我们仿真母线保护区内故障形成的差动电流和CT饱和形成的差动电流(所有仿真数据都来自动模试验)，可以更加直观的看出它们的不同特点。

由于CT饱和的判别的根据的快速性，采样回路的设计是重点，可采用DSP+CPU的工作模式，DSP负责采样，CPU负责保护逻辑，母线系统各支路的采样值必须同步，采样点数不能低于100点/每周波，采样后存入相应的存储区，供计算差动电流及其差分值使用。

对于图2的系统，t时刻外部故障条件下，流入和流出电流i₁(t)和i₂(t)可表示为

T为采样时间间隔，Ts和Tp分别为系统一次和二次时间常数，N为采样频率，n为某个采样点，θ为故障初始角，φ为和CT时间常数有关的角度，I_max为故障时刻最大电流，令t＝nT，则按采样值得数字化公式1为公式2

C用公式3表示，设电流的最大值为I_max。

对于图2的系统，内部故障时候，差动电流id＝i₁(n)，而外部故障时候，如果CT不饱和，id＝i₁(n)+i₂(n)＝0，而当CT饱和的时候由于传变的原因，i₁(n)和i₂(n)不再相等，产生了不平衡电流，它反应到差动保护，即使产生差动电流。由于CT存在线性传变区，差动电流在线性传变区是不存在的，因而此差动电流是如图3a实线所示的有间隔存在的差动电流。此差动电流也可以用i₂(n)表示，只不过数值不连续。当CT饱和的程度发生变化时，差动电流不连续的区域也发生变化。

定义Dif1、Dif2、Dif3分别为差动电流的一次、二次、三次差分，假定一次时间常数为Ts＝1S，二次时间常数为Tp＝20ms，当系统频率为50Hz，采样点为100点的时候，采样间隔为T＝0.2ms。公式如下：

$\mathrm{Dif}1=i_2\left(n\right)-i_2(n-1)=A(1-e^{\frac{T}{\mathrm{Ts}}})e^{-\frac{\mathrm{nT}}{\mathrm{Ts}}}+B(1-e^{\frac{T}{\mathrm{Tp}}})e^{-\frac{\mathrm{nT}}{\mathrm{Tp}}}...\left(4\right)$

Dif2＝Dif1(n)-Dif1(n-1)                                           (5)

Dif3＝Dif2(n)-Dif2(n-1)                                           (6)

其中：Dif1、Dif2、Dif3分别为差动电流的一次、二次、三次差分值，

$A=-B=-I_{\max }\frac{T_S}{T_S-T_P}$

T为采样时间间隔，Ts和Tp分别为系统一次和二次时间常数，N为采样频率，n为某个采样点，θ为故障初始角，φ为和CT时间常数有关的角度，I_max为故障时刻最大电流。

由于T/Ts和T/Tp分别为0.0002和0.01，因此指数项的影响可以忽略，我们分析差动电流的差分主要是考虑正弦电流成分。

对于一次差分，正弦量为

为0.0628C，同理得到二次、三次差分值 $C{\left(2\sin \frac{\mathrm{\π}}{N}\right)}^2,C{\left(2\sin \frac{\mathrm{\π}}{N}\right)}^3$ 分别为0.00395C和0.000247C，所以如果最大电流按200A考虑，二次差分的值不可能大于0.78A，3次差分更小。

根据以上分析，本发明提出的基于差动电流差分值的电流变换饱和的判别方法包括以下步骤：

对相电流以预定的采样速率进行采样，并将采样结果存储在存储区中；

对上述采样结果进行处理，计算该相的差动电流的差分值；

将计算的所述差分值与预先设定的阀值进行比较，如果所述差分值大于所述的阀值一定的数值，则判断为电流变换饱和，否则为区内故障。

图3是仿真数据分析示意图。在图3中，(a)的实线是饱和形成的差动电流波形，(e)是区内故障的差动电流波形，(b)、(c)、(d)分别是饱和差动电流的一次、二次、三次差分电流波形，(f)、(g)、(h)分别是不饱和差动电流的一次、二次、三次差分电流波形，通过分析两种不同的差动电流差分波形(b)-(f)、(c)-(g)、(d)-(h)，可以清楚的看到，在相同的差流幅值条件下，它们的差分电流明显的存在差别，不饱和差动电流的的差分非常小，特别是对于二次和三次差分，基本为零，饱和差流的二次、三次差分则有明显的脉冲，如果能利用此脉冲，就可以正确的区分区外饱和和区内故障，比较(c)-(g)、(d)-(h)，通过幅值分析，我们看出，即使有两倍的检测门槛，也可以正确检测到CT饱和时的脉冲。

以上描述仅仅借助于实施例提供本发明的实现方法。对于本领域的技术人员是显而易见的，本发明不限于上面提供的实施细节，可以在不脱离本发明特征的情况下以另外的实施例实现。因此，提供的实施例应当被认为是说明性的，而不是限制性的。因此，实现和使用本发明的可能性是由所附的权利要求限定。因而，由权利要求确定的实现本发明的各种选择包括等效实施例也属于本发明的范围。

Claims (3)

1.基于差动电流差分值的电流变换器饱和的判别方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：

对相电流以预定的采样速率进行采样，并将采样结果存储在存储区中；

对上述采样结果进行处理，计算该相的差动电流的差分值；

将计算的所述差分值与预先设定的阀值进行比较，如果所述差分值大于所述的阀值一定的数值，则判断为电流变换饱和，否则为区内故障。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的采样速率是每周波的采样点数不能低于100点。

3、根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述的差分值根据以下公式进行计算：

$\mathrm{Dif}1=i_2\left(n\right)-i_2(n-1)=A(1-e^{\frac{T}{\mathrm{Ts}}})e^{\frac{T}{\mathrm{Ts}}}+B(1-e^{\frac{T}{\mathrm{Tp}}})e^{-\frac{\mathrm{nT}}{\mathrm{Tp}}}--\left(4\right)$

Dif2＝Dif1(n)-Dif1(n-1)                               (5)

Dif3＝Dif2(n)-Dif2(n-1)                               (6)

其中：Dif1、Dif2、Dif3分别为差动电流的一次、二次、三次差分值，

$A=-B=-I_{\max }\frac{T_S}{T_S-T_P}$

T为采样时间间隔，Ts和Tp分别为系统一次和二次时间常数，N为采样频率，n为某个采样点，θ为故障初始角，φ为和CT时间常数有关的角度，I_max为故障时刻最大电流。

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