CN112198470B - 电流互感器进出磁饱和状态的实时识别方法 - Google Patents

电流互感器进出磁饱和状态的实时识别方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电流互感器进出磁饱和状态的实时识别方法，包括获取电流互感器的二次电流的实时采样值并变换得到饱和判定值；根据饱和判定值进行判定并完成对电流互感器进出磁饱和的状态进行识别。本发明通过连续的5个采样点进行线性运算来判定TA饱和，每次判定只需4次加减法和1次乘法运算，运算量小、检测速度快，易于实现；而且饱和期间，变换值D的反向变化有效地隔离了饱和进入信号与退出信号，解决了轻度饱和进出信号易重叠的问题；最后，本发明方法适用于不同短路水平、不同直流偏移程度、不同剩磁、不同性质负载以及噪声情况。因此，本发明方法的可靠性高、实时性好、运算速度快且易于实施。

Description

电流互感器进出磁饱和状态的实时识别方法
技术领域
本发明具体涉及一种电流互感器进出磁饱和状态的实时识别方法。
背景技术
随着经济技术的发展和人们生活水平的提高，电能已经成为了人们生产和生活中必不可少的二次能源，给人们的生产和生活带来了无尽的便利。因此，电力******的稳定可靠运行，就成为了电力***最重要的任务之一。
电流互感器(Current Transformer，TA)本质上是一种磁性元件，其为电力***的重要部件，并广泛应用于电流采样的场合。电流互感器饱和会使得二次电流波形发生畸变，可能引发继电保护装置出现误动作、延时动作或拒动作。因此，准确检测TA是否饱和并确定进出饱和时刻对提高继电保护的可靠性，保障电网安全、稳定运行具有重要意义。
目前常见的TA饱和检测方法有：差分法、导数法、谐波制动法、阻抗计算法、小波分析法、数学形态学法以及希尔伯特-黄变换法等。上述方法各有优点，但也存在不足之处。其中，差分法抗干扰能力低，无法准确判别TA轻度饱和；导数法易受噪声干扰，阈值设置困难；谐波制动法无法实时确定TA进出饱和时刻，易受谐波和暂态直流分量的影响；阻抗计算法受制于电阻和电感模型以及线路电压信号，运算量大；小波分析法实时性差，易受噪声干扰；数学形态学法的适应性有待加强，易受谐波影响；希尔伯特-黄变换法则会出现无法解释的负频率以及明显的端点效应。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可靠性高、实时性好、运算速度快且易于实施的电流互感器进出磁饱和状态的实时识别方法。
本发明提供的这种电流互感器进出磁饱和状态的实时识别方法，包括如下步骤：
S1.获取电流互感器的二次电流的实时采样值；
S2.对步骤S1获取的实时采样值进行变换，从而得到饱和判定值；
S3.对步骤S2得到的饱和判定值进行判定，从而对电流互感器进出磁饱和的状态进行识别。
步骤S2所述的对步骤S1获取的实时采样值进行变换，从而得到饱和判定值，具体为采用如下步骤得到饱和判定值：
A.采用如下算式定义中间变量G(t)：
Figure BDA0002706067080000021
式中i(t)为在t时刻的电流互感器的二次电流实时采样值；Δt为采样周期；i(t-2Δt)、i(t-Δt)和i(t)为连续的三个电流互感器的二次电流实时采样值；N为一个采样周期内的采样点数；
B.采用如下算式计算得到饱和判定值D(t)：
Figure BDA0002706067080000022
式中G(t)为步骤A得到的中间变量。
步骤S3所述的对步骤S2得到的饱和判定值进行判定，从而对电流互感器进出磁饱和的状态进行识别，具体为采用如下规则进行判定和识别：
若电流互感器的二次电流的实时采样值大于零：
若饱和判定值D(t)＜L则判定电流互感器进入正向饱和状态，否则对下一个采样点的饱和判定值D(t)与负阈值L的关系进行判定；进入正向饱和状态后，若饱和判定值D(t)＞0则判定电流互感器进入饱和期间，否则对下一个采样点的饱和判定值D(t)与0的关系进行判定；进入饱和期间后，若饱和判定值D(t)＜L则判定电流互感器退出饱和；否则对下一个采样点的饱和判定值D(t)与负阈值L的关系进行判定；
若电流互感器的二次电流的实时采样值小于零：
若饱和判定值D(t)＞H则判定电流互感器进入反向饱和状态，否则对下一个采样点的饱和判定值D(t)与正阈值H的关系进行判定；进入反向饱和状态后，若饱和判定值D(t)＜0则判定电流互感器进入饱和期间，否则对下一个采样点的饱和判定值D(t)与0的关系进行判定；进入饱和期间后，若饱和判定值D(t)＞H则判定电流互感器退出饱和，否则对下一个采样点的饱和判定值D(t)与正阈值H的关系进行判定。
所述的正阈值H和负阈值L，具体为采用如下算式计算得到：
当M＞0时：
Figure BDA0002706067080000031
当M＜0时：
Figure BDA0002706067080000032
式中h1为大于0的设定裕度值，用于避免噪声干扰；M为故障发生后的设定时间内电流互感器的二次电流的实时采样值所对应的中间变量G(t)的平均值。
本发明提供的这种电流互感器进出磁饱和状态的实时识别方法，通过连续的5个采样点进行线性运算来判定TA饱和，每次判定只需4次加减法和1次乘法运算，运算量小、检测速度快，易于实现；而且饱和期间，变换值D的反向变化有效地隔离了饱和进入信号与退出信号，解决了轻度饱和进出信号易重叠的问题；最后，本发明方法适用于不同短路水平、不同直流偏移程度、不同剩磁、不同性质负载以及噪声情况。因此，本发明方法的可靠性高、实时性好、运算速度快且易于实施。
附图说明
图1为本发明方法的方法流程示意图。
图2为本发明方法中电流互感器饱和时的一、二次电流及励磁电流示意图。
图3为本发明方法的实施例的仿真模型示意图。
图4为本发明方法的实施例的故障相角为0°时的仿真结果示意图。
图5为本发明方法的实施例的故障相角为45°时的仿真结果示意图。
图6为本发明方法的实施例的故障相角为150°时的仿真结果示意图。
图7为本发明方法的实施例的短路距离为25km时的仿真结果示意图。
图8为本发明方法的实施例的短路距离为60km时的仿真结果示意图。
图9为本发明方法的实施例的80％剩磁下的仿真结果示意图。
图10为本发明方法的实施例的-80％剩磁下的仿真结果示意图。
图11为本发明方法的实施例的阻感负载下的仿真结果示意图。
图12为本发明方法的实施例的纯电感负载下的仿真结果示意图。
图13为本发明方法的实施例的TA稳态饱和的仿真结果示意图。
图14为本发明方法的实施例的噪声条件下的TA饱和仿真结果示意图。
具体实施方式
如图1所示为本发明方法的方法流程示意图：本发明提供的这种电流互感器进出磁饱和状态的实时识别方法，包括如下步骤：
S1.获取电流互感器的二次电流的实时采样值(电流互感器的电流波形如图2所示)；
S2.对步骤S1获取的实时采样值进行变换，从而得到饱和判定值；具体为采用如下步骤得到饱和判定值：
A.采用如下算式定义中间变量G(t)：
Figure BDA0002706067080000051
式中i(t)为在t时刻的电流互感器的二次电流实时采样值；Δt为采样周期；i(t-2Δt)、i(t-Δt)和i(t)为连续的三个电流互感器的二次电流实时采样值；N为一个采样周期内的采样点数；
B.采用如下算式计算得到饱和判定值D(t)：
Figure BDA0002706067080000052
式中G(t)为步骤A得到的中间变量；
通过饱和判定值的计算式可以看到：饱和判定值D通过连续的5个采样点进行线性运算得到。求取每个采样点对应的饱和判定值D，只需4次加减法和2次乘法运算。在具体实现过程中，N为定值，因此还可以将D(t)的计算式中固定的分母折算到阈值上，此时只需4次加减法和1次乘法运算。因此，运算量小、易于实现；
S3.对步骤S2得到的饱和判定值进行判定，从而对电流互感器进出磁饱和的状态进行识别；具体为采用如下规则进行判定和识别：
若电流互感器的二次电流的实时采样值大于零：
若饱和判定值D(t)＜L则判定电流互感器进入正向饱和状态，否则对下一个采样点的饱和判定值D(t)与负阈值L的关系进行判定；进入正向饱和状态后，若饱和判定值D(t)＞0则判定电流互感器进入饱和期间，否则对下一个采样点的饱和判定值D(t)与0的关系进行判定；进入饱和期间后，若饱和判定值D(t)＜L则判定电流互感器退出饱和；否则对下一个采样点的饱和判定值D(t)与负阈值L的关系进行判定；
若电流互感器的二次电流的实时采样值小于零：
若饱和判定值D(t)＞H则判定电流互感器进入反向饱和状态，否则对下一个采样点的饱和判定值D(t)与正阈值H的关系进行判定；进入反向饱和状态后，若饱和判定值D(t)＜0则判定电流互感器进入饱和期间，否则对下一个采样点的饱和判定值D(t)与0的关系进行判定；进入饱和期间后，若饱和判定值D(t)＞H则判定电流互感器退出饱和，否则对下一个采样点的饱和判定值D(t)与正阈值H的关系进行判定。
在具体实施时，正阈值H和负阈值L可以采用如下算式计算得到：
当M＞0时：
Figure BDA0002706067080000061
当M＜0时：
Figure BDA0002706067080000062
式中h1为大于0的设定裕度值，用于避免噪声干扰；M为故障发生后的设定时间内电流互感器的二次电流的实时采样值所对应的中间变量G(t)的平均值。
以下结合若干实施例，对本发明方法进行进一步说明：
以电力***仿真软件PSCAD为平台，建立电流互感器饱和的仿真模型，如图3所示。
采用PSCAD中基于Jiles-Atherton铁芯磁滞理论的TA模型，TA绕组变比为5/600，铁心截面积为0.002508平方米，磁路平均长度为lm＝0.62米，饱和磁通为1.7T，二次绕组电阻和电感分别为0.5Ω和0.8mH。发电机的额定容量为100MVA，额定电压为330KV，电源阻抗为1.600+j8.864Ω，N侧发电机的相角超前M侧20°。线路总长度为300km，采用PSCAD中的T-Line模型，选用Line Constants 3ConduTAor Delta Tower杆塔模型。***采样频率设置为4000Hz，即一个工频周期内采样80个点。
影响运行中TA饱和程度的因素主要有：一次电流的直流偏移程度、故障电流的大小、铁心剩磁以及二次侧回路阻抗。本发明对以上4种不同因素影响下的TA饱和逐一进行仿真验证。由于TA稳态饱和较TA暂态饱和发生的概率要小的多，因此本发米糠主要讨论TA暂态饱和情形。为方便仿真图形显示，下文将变换值D大于100的数值作100处理，将小于-100的数值作-100处理。
一次电流不同直流偏移程度下的仿真：
当电力***发生故障后，电流信号中往往含有一定量的衰减直流分量。衰减直流分量将严重增大铁心磁通，偏移程度愈大，铁心愈快达到饱和。在距离M侧电源100km处模拟三相接地故障，TA二次负载为10Ω，剩磁为0，通过改变短路故障发生时电源M的相角θ来改变一次电流直流偏移程度。当故障相角θ依次为0°、45°、150°时，仿真结果如图4、5和6所示。
图4和图5中变换值D虽然存在超过正阈值的时刻，但由于此时对应二次电流大于零，因此并不会成为饱和进入信号或退出信号。同理，图6中变换值D虽然存在低于负阈值的时刻，但由于此时对应二次电流小于零，因此并不会成为饱和进入信号或退出信号。仿真表明，方法在不同偏移程度下均能有效判别。
不同故障电流条件下的仿真：
故障电流稳态分量有效值越大，铁心越容易饱和，饱和起始时间越短，二次侧电流畸变程度也越严重。
参数设置为：TA二次负载为10Ω，剩磁为0，短路故障时电源相角为0°，通过改变短路点的位置来改变故障电流大小。当短路点距M侧电源依次为25km、60km和100km时，仿真结果如图7、8和4所示。仿真表明，算法在不同故障电流下均能有效检测饱和进、出时刻。
不同剩磁条件下的仿真：
铁心剩磁的存在会影响TA饱和的时间和程度。当铁心剩磁的方向与二次电流的方向相同时，TA饱和程度被加强；当铁心剩磁的方向与二次电流的方向相反时，TA饱和程度被削弱。参数设置为：短路点距离M侧电源100km，TA二次负载为10Ω，故障时电源相角为0°。当分别加入80％、0和-80％的剩磁时，仿真结果如图9、4和10所示。仿真表明，该方法在不同剩磁条件下均能有效判别。
不同性质负载条件下的仿真：
TA二次侧负载的大小和性质会影响TA饱和的时间、程度以及波形。在短路点距离M侧电源100km，故障时电源相角为0°，剩磁为0的情况下，依次改变TA二次负载为10Ω、10Ω和10mH、50mH，分别模拟纯电阻、阻感、纯电感三种负载情形，仿真结果如图4、11、12所示。仿真表明，该方法在不同二次负载类型条件下均能有效判别。
图12中，TA第5次进出饱和时，饱和进出时间相差较小，属于轻度饱和现象。在轻度饱和的判别过程中，TA饱和进入信号和退出信号容易被判定为一个信号，造成判定错误。本发明引入的变换值D在饱和期间会出现反向变化，使得饱和进入信号与退出信号彻底隔离，解决了轻度饱和容易判别错误的问题。
TA稳态饱和仿真：
虽然稳态饱和较暂态饱和发生的概率要低，但是在***运行过程中依然可能出现稳态饱和。另外，TA稳态饱和与暂态饱和两类饱和的特性有很大不同，引起的误差也差别很大。因此，依然有必要验证方法对TA稳态饱和的判别能力。单相接地故障0.2S后TA的饱和情况，其仿真结果如图13所示。此时阈值已经由正负数值不对称的阈值过渡到正负数值对称的阈值。仿真表明该算法对TA稳态饱和具有较好的判别能力。
噪声条件下的TA饱和仿真：
根据IEEE标准，电力***中的噪声水平通常小于信号幅值的1％，即信噪比为40dB。考虑信号在采集与传输过程中可能受到的其它干扰，本发明在图4的基础上对电流信号加入30dB的白噪声以模拟实际噪声对电流信号的干扰，其仿真结果如图14所示。根据噪声水平，可以对采样信号进行多次平滑处理，以减少噪声对检测结果的不利影响。仿真结果表明，噪声虽然使得变换值D的波形出现波动，但不足以影响算法的准确性。

Claims (1)

1.一种电流互感器进出磁饱和状态的实时识别方法，包括如下步骤：
S1.获取电流互感器的二次电流的实时采样值；
S2.对步骤S1获取的实时采样值进行变换，从而得到饱和判定值；具体为采用如下步骤得到饱和判定值：
A.采用如下算式定义中间变量G(t)：
Figure FDA0003482128360000011
式中i(t)为在t时刻的电流互感器的二次电流实时采样值；Δt为采样周期；i(t-2Δt)、i(t-Δt)和i(t)为连续的三个电流互感器的二次电流实时采样值；N为一个采样周期内的采样点数；
B.采用如下算式计算得到饱和判定值D(t)：
Figure FDA0003482128360000012
式中G(t)为步骤A得到的中间变量；
S3.对步骤S2得到的饱和判定值进行判定，从而对电流互感器进出磁饱和的状态进行识别；具体为采用如下规则进行判定和识别：
若电流互感器的二次电流的实时采样值大于零：
若饱和判定值D(t)＜L则判定电流互感器进入正向饱和状态，否则对下一个采样点的饱和判定值D(t)与负阈值L的关系进行判定；进入正向饱和状态后，若饱和判定值D(t)＞0则判定电流互感器进入饱和期间，否则对下一个采样点的饱和判定值D(t)与0的关系进行判定；进入饱和期间后，若饱和判定值D(t)＜L则判定电流互感器退出饱和；否则对下一个采样点的饱和判定值D(t)与负阈值L的关系进行判定；
若电流互感器的二次电流的实时采样值小于零：
若饱和判定值D(t)＞H则判定电流互感器进入反向饱和状态，否则对下一个采样点的饱和判定值D(t)与正阈值H的关系进行判定；进入反向饱和状态后，若饱和判定值D(t)＜0则判定电流互感器进入饱和期间，否则对下一个采样点的饱和判定值D(t)与0的关系进行判定；进入饱和期间后，若饱和判定值D(t)＞H则判定电流互感器退出饱和，否则对下一个采样点的饱和判定值D(t)与正阈值H的关系进行判定；
其中，正阈值H和负阈值L，具体为采用如下算式计算得到：
当M＞0时：
Figure FDA0003482128360000021
当M＜0时：
Figure FDA0003482128360000022
式中h1为大于0的设定裕度值，用于避免噪声干扰；M为故障发生后的设定时间内电流互感器的二次电流的实时采样值所对应的中间变量G(t)的平均值。
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