基于重构的BH曲线特征CT状态识别以及不饱和度计算方法

摘要

本发明提供了一种基于重构的BH曲线特征CT状态识别以及不饱和度计算方法，用于电力系统差动保护两侧CT工作状态的识别，具体是通过对差动两侧电流附带的有效信息关键特征的提取与识别，在不增加任何硬件情况下，利用差动两侧电流的采样数据，计算得出磁场强度H以及磁感应强度B的变化趋势，构造出反映铁芯内部磁通变化过程的BH曲线，并提供量化的CT铁芯状态信息，根据不同状态下的BH曲线特征，自动调整识别门槛，有效识别外部穿越性电流导致的CT饱和，并且能够有效区分CT开路、区内故障及区外故障导致的饱和，降低由于CT饱和程度差异导致的差动误动作概率，提高差动保护动作的可靠性。

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统差动保护两侧CT工作状态的识别方法，具体是通过两侧电流附带的有效信息关键特征的提取与识别，提供量化后的CT铁芯状态信息，为差动保护提供判据，属于电力系统自动化控制技术领域。

背景技术

电力系统中差动保护通过对被保护区域两侧电流的连续交流采样，实时计算差动电流以及制动电流，有效识别区内及区外故障，保护设备的可靠运行。对于差动保护CT而言，由于剩磁、二次回路阻抗、一次电流中的非周期分量等因素导致CT铁芯进入饱和，饱和后的CT二次电流出现畸变失真，实时计算得出的差动电流变大并容易导致差动保护误动作，严重影响运行的可靠性。

在电力系统中，由于电动机、发电机、电抗器、线路保护两侧CT特性差异导致的差动误动作频繁发生（《电力系统继电保护动作实例分析》 景敏慧 2012），影响保护的可靠性，在工程设计阶段，虽已根据可能出现的最大故障电流进行了保护用CT的计算选型，但电力系统中CT稳态饱和较少出现，而对于突发故障或瞬间合闸导致的非周期分量，特别是两侧差动CT二次回路的阻抗大小存在明显差异时更易导致两侧CT的饱和程度出现差异，不能准确传变一次电流，从而产生了传变误差，导致差动保护的错误判断，从而影响保护动作的可靠性。

由于电力系统呈感性，合闸瞬间的励磁涌流以及故障电流均存在大量非周期分量，这些电流对于目前大量应用的P类保护级CT而言，是个严峻的考验，往往会导致CT暂态饱和，因此需要采取有效识别此类饱和，避免保护的误动作，确保电力系统的稳定可靠运行。

国内外针对电流互感器饱和的问题提出了多种识别方法，有时差法、异步法、差分法、导数法、谐波比法、小波法、形态学法等，其中以南瑞继保提出的异步法和国电南自提出的时差法应用最为广泛，并且已应用到实际工程中。上述各种识别方法都是在CT饱和出现后根据饱和电流的某个或多个特征提出，识别原理相对复杂，并且无法反映CT铁芯的变化过程，只能定性判断，无法提供量化的铁芯饱和程度信息。

发明内容

使用两侧差动CT电流的瞬时采样数据，计算得出铁芯中磁场强度H以及磁感应强度B的变化趋势，重构出CT铁芯的BH曲线，反映铁芯磁通变化过程。

根据CT铁芯不同特性，将CT伏安特性曲线中拐点电流放大k_sat倍后作为不饱和区域阈值, 设置合适的不饱和区域。

通过实时计算T_samp内滞留在不饱和区的采样点数与T_samp内采样总点数的比值，得出铁芯不饱和度S_nsat，将原本无法量化的铁芯磁滞过程数字化。

根据各种运行状态下重构的BH曲线特征，设计了一个识别不同状态的不饱和度阈值曲线。

根据本时刻之前T_dis内电流大小自动调整不饱和度阈值，适应各种工作状态。

根据权利2所述的基于重构的BH曲线特征CT状态识别以及不饱和度计算方法，其特征在于：所述k_sat取1.7。

根据权利3所述的基于重构的BH曲线特征CT状态识别以及不饱和度计算方法，其特征在于：所述T_samp取20ms。

根据权利3所述的基于重构的BH曲线特征CT状态识别以及不饱和度计算方法，其特征在于：识别为铁芯饱和后，通过不饱和度可以计算得出饱和度。

根据权利4所述的基于重构的BH曲线特征CT状态识别以及不饱和度计算方法，其特征在于：包括但不限于本曲线，基于此原理衍生的其他曲线方式也在保护权利之中，并且参数的调整不影响权利的主张。

根据权利5所述的基于重构的BH曲线特征CT状态识别以及不饱和度计算方法，其特征在于：T_dis可取20ms或10ms，20ms可以保证在励磁涌流等电流偏向一侧时的灵敏性，10ms则可以缩短识别时间。

有益效果

在不增加任何硬件情况下，本发明利用差动两侧电流的采样数据，可以有效识别外部穿越性电流导致的CT饱和，并且能够有效区分CT开路、区内故障及区内故障导致的饱和，降低了由于CT饱和因素导致的差动误动作概率，提高了差动保护动作的可靠性。

附图说明

图1为在正常运行、一侧CT开路、区内故障、区外故障不同工作状态下，使用两侧电流重构出来的BH曲线；

图2为区外故障两侧CT饱和程度不一致时，使用两侧电流重构出来的BH曲线；

图3为不饱和度阈值曲线；

图4为“正常运行→一侧CT开路→正常运行→区内故障（未饱和）→区内故障（饱和）→区内故障消除恢复正常运行→区外故障导致轻微饱和→区外故障导致严重饱和”不同状态下的实时识别效果；

图5为区外故障两侧CT饱和程度不一致的识别效果。

图中曲线说明：

A. 正常运行无故障CT未饱和；

B. 区外故障导致CT饱和；

C. 区内故障CT未饱和；

D. 区内故障CT饱和；

E. 一侧CT开路；

F. CT铁芯拐点对应的饱和识别阈值。

具体实施方式

在差动保护CT回路中，当差动保护区域外部故障时，巨大的电流穿过差动保护区域形成穿越性电流，而由于两侧CT的特性存在差异，往往饱和程度存在差异，形成差流导致差动保护装置错误判断，在非本保护区域内故障时错误的跳闸降低了差动保护的可靠性。

根据CT的工作原理，一次电流产生交变磁通，经过铁芯耦合到二次线圈形成感应电势并产生二次电流去平衡一次电流的磁通变化影响，但由于漏磁、铁芯铁损、外部回路阻抗电压降等因素，一次电流与二次电流形成的磁通并不能完全抵消，对CT二次回路而言，微机保护装置消耗负载很小，在电流互感器的二次负载中电缆电阻占有绝大部分，故二次阻抗呈电阻性（《电力系统继电保护动作实例分析》景敏慧 2012 中国电力出版社），而电阻在CT饱和暂态过程中不会像电感那样因频率变化而阻抗发生变化，是个固定的数值。

根据大量的工程实际动作录波以及软件仿真结果，发现当两侧CT二次回路阻抗存在差异时，往往二次回路阻抗较大一侧先出现明显的饱和过程，而较小的另一侧则仍能够正确进行电流的变送，鉴于此，将准确变送的一侧视为一次电流，两侧CT二次回路电流瞬时采样值的差值为等效励磁电流，对畸变大的一侧二次电流进行的实时积分得出铁芯中对应的磁感应强度变化趋势。由于CT漏磁以及铁损所占比重较小，铁芯内部的剩余磁通Ф主要与CT两侧的二次回路阻抗电压U密切相关，CT两端的二次回路的电压降                                                ，从而得出铁芯内部的磁通，铁芯内部的磁感应强度，而外部磁场强度可以通过两侧电流计算得出：，其中为计算中使用的系数，s为铁芯的截面积，为了简化分析，在不影响分析结果的前提下，本次上述三个参数取1，为差动保护两侧CT的电流采样数据。

使用上述计算得出的磁场强度H以及磁感应强度B进行饱和一侧CT铁芯的BH曲线的重构，图1为各种典型运行状态下的重构BH曲线，图2为区外故障时电流导致的两侧CT饱和程度不一致时重构的BH曲线。通过图1、图2可以看出，未饱和时励磁电流较小，而饱和后的励磁电流变化明显，并且不同状态下重构的BH曲线具有明显的特征，CT铁芯饱和后按照磁滞回线特性往返，需要经过非饱和区并滞留一段时间方能到达反向饱和区，而CT开路以及区内短路则直接穿过不饱和区域抵达对侧，滞留时间短。

根据不同状态下在不饱和阈值区内滞留时间差异，通过对滞留在图1、图2中不饱和识别阈值F区域内的采样点数的统计，利用电流采样点数存在差异的特征，设置合理的比例阈值来识别CT是否进入饱和状态。参考磁滞回线曲线簇特性，不同大小的励磁电流对应的BH曲线在不饱和阈值区域内滞留的采样点比例不同，故此阈值不能为恒定值，需要根据励磁电流的峰值大小而动态变化。

由于不同CT铁芯特性不同，为了选择合适的不饱和区域F所对应的识别阈值，可以根据CT伏安特性测试报告数据中伏安特性曲线的拐点电流来设置合适的不饱和阈值，由于工频下伏安特性曲线测试已考虑CT铁芯的铁损因素，并且该数值为工频下基波的模值，而不饱和阈值需要根据电流的瞬时值进行识别，故需要将模值转换为对应的峰值，并且实际应用中为了可靠识别起见，还需将其放大1.2倍，k_sat=1.414*1.2=1.6968，本次取1.7。

为了能够判断铁芯的工作状态，通过实时计算当前时刻之前T_samp内滞留在不饱和区的采样点数与T_samp内采样总点数的比值，可以计算得出铁芯当前时刻的实时不饱和度S_nsat，将原本无法量化的非线性的铁芯磁滞过程数字化，如识别为饱和状态，则在此基础上亦可得出实时饱和度（1 - S_nsat），本次T_samp取50HZ时一个周期时间20ms。

为了能够通过不饱和度有效识别不同状态下重构出来的BH曲线特征，设计了如图3所示的不饱和度阈值曲线，该曲线基于大量的实际故障录波数据分析以及仿真验证后归纳而出，实时计算得出的不饱和度如进入曲线的上部饱和区并且延时满足要求，则可以判断为区外故障导致的CT饱和，从而进行差动保护的闭锁，避免差动保护的误动作。

由于电流变化的不可预期性，需要不断的自动调整不饱和度识别阈值，根据电流的连续不可突变性，采用本时刻之前T_dis时间窗口内的励磁电流峰值的绝对值来自动调整识别阈值，故本算法具有一定的滞后性，但识别时间不大于20ms，考虑到差动保护的判断往往也需要1～2个周波时间，可以将此判断结果作为差动输出的一个闭锁条件，避免误动。T_dis可取20ms或10ms，20ms可以保证在励磁涌流等电流偏向一侧时的灵敏性，10ms则可以缩短识别时间。

该算法较好的解决了目前差动CT饱和识别问题，并且通过采用励磁电流与不饱和区阈值的比较，判断是否进入饱和区，将曲线转换为简单便于程序实现的时间数字序列，同时给出了能够量化反映铁芯状态的不饱和度的计算方法，便于微机保护装置的实现。

图4为对应于与图1中的“正常运行→一侧CT开路→正常运行→区内故障（未饱和）→区内故障（饱和）→区内故障消除恢复正常运行→区外故障导致轻微饱和→区外故障导致严重饱和”不同状态下，T_dis取20ms时本方法的实际识别结果，从图中可以看出，区外故障导致CT饱和的状态B被正确识别出来。

图5为对应于与图2中的区外故障时两侧CT饱和程度不一致时，T_dis取20ms时本方法的实际识别结果，从图中可以看出，识别正确。

以上所述，仅为本实用发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。