一种复杂涌流条件下互感器饱和的识别方法

摘要

本发明提供一种复杂涌流条件下互感器饱和的识别方法，包括步骤(1)：读取被保护设备两侧三相电流采样值；步骤(2)：根据读取的被保护设备两侧三相电流采样值判断是否启动互感器饱和识别判据，若判断结果为是则启动互感器饱和识别判据，并执行步骤(3)，否则返回步骤(1)；步骤(3)：判断电流非周期分量是否开始变小；步骤(4)：判断差动保护是否发生动作；步骤(5)：差动保护动作平台定值自适应调整。本发明可有效识别TA饱和，防止复杂涌流期间TA饱和导致的差动保护误动，且不会将内部故障情况误判为TA饱和，不影响内部故障时保护的灵敏度。

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统继电保护技术领域，具体是一种复杂涌流条 件下互感器饱和的识别方法。

背景技术

随着电力建设的快速推进，电网逐渐发展成为规模大、结构复杂、 运行方式灵活的复杂电网，而其暂态过程的复杂多样性，对保护用电 流互感器的性能提出了更高的要求。现场事故分析表明，暂态过程中 电流互感器饱和是导致差动保护误动的主要原因之一。而差动保护通 常是电力系统设备的主保护，其误动可能对设备本身安全和系统稳定 运行构成严重危害。

复杂电网电磁暂态过程导致电流互感器发生饱和的因素多样，其 中空合变压器所产生的励磁涌流与和应涌流是备受关注的一种暂态 过程。近些年来，电网发生过多起由于空合变压器，导致相邻元件包 括变压器、发电机和线路差动保护误动的事故，严重威胁电能可靠供 应和电网稳定运行。研究分析表明空投变压器所产生的励磁涌流以及 和应涌流中的非周期分量使得互感器发生饱和，是导致差动保护误动 的主要原因。在该情况下，互感器传变的一次电流幅值有可能并不大， 但是由变压器空投产生的非周期分量电流衰减十分缓慢，此时互感器 可能会发生局部暂态饱和，产生谐波含量较低的传变误差电流，传统 的饱和识别判据，如谐波法，无法有效防止保护误动。针对此问题， 也有一些建议与措施被提出：选择性能更好的电流互感器以防止其在 和应涌流期间暂态饱和(见束洪春,贺勋,李立新.变压器和应涌流分析. 电力自动化设备,2006,26(10):7-12.)；加强二次谐波判据并根据二次 谐波含量改善比例制动特性(见郑涛,赵萍.和应涌流对差动保护的影 响因素分析及防范措施.电力系统自动化,2009,33(3):74-77)；提高 差动保护启动定值(见袁宇波,李德佳,陆于平,等.变压器和应涌流 的物理机理及其对差动保护的影响.电力系统自动化,2005,(6): 9-14)；通过计算相对磁链累积法判断互感器饱和(见毕大强,冯存亮, 葛宝明.电流互感器局部暂态饱和识别的研究.中国电机工程学报, 2012,(31):184-190)。

上述方法对于互感器饱和的识别有一定指导意义，但实际应用中 仍存在问题：选择性能更好的电流互感器增加了成本，且受安装位置 的限制；在高压电力系统中，由于长输电线路分布电容以及串补电容 谐振的影响，故障电流中二次谐波含量也可能较大，加强二次谐波闭 锁判据可能会延长故障情况下保护出口的时间；提高差动保护定值会 影响内部故障时的灵敏度；计算相对磁链累积法根据一段时间内磁链 累积曲线的方差拐点个数来判断差流是否由互感器饱和引起，其机理 解释尚待求证，方法的有效性尚待实践证明。

发明内容

本发明提供一种复杂涌流条件下互感器饱和的识别方法，能有效 识别互感器在相邻变压器空投期间发生的饱和，从而避免变压器差动 保护因互感器饱和而误动。

一种复杂涌流条件下互感器饱和的识别方法，包括如下步骤:

步骤(1)：读取被保护设备两侧三相电流采样值；

步骤(2)：根据读取的被保护设备两侧三相电流采样值判断是否 启动互感器饱和识别判据，若判断结果为是则启动互感器饱和识别判 据，并执行步骤(3)，否则返回步骤(1)；

具体的，根据电流采样值，计算被保护设备两侧三相电流的基波 幅值及其非周期分量，并且计算差动电流与制动电流幅值，若某相电 流中开始出现非周期分量且此时差动保护并未动作，则记该相为φ_s相，且启动互感器饱和识别判据，转入步骤(3)；否则，当二次电流 非周期分量小于整定值或者差动保护动作时，则转回步骤(1)；

步骤(3)：从步骤(2)结束开始计时，如果在t_set1时间内电流 非周期分量开始变小则停止计时并执行步骤(4)，如果计时时间达到 t_set1则返回步骤(1)；

具体的，从步骤(2)结束开始计时，若其中被保护设备一侧的φ_s相电流非周期分量幅值开始变小，与此同时差动保护并未动作，则进 入步骤(4)，并停止计时。从步骤(2)结束开始计时，若计时时间 达到tset1，则转到步骤(1)；

步骤(4)：从步骤(3)结束开始计时，如果在t_set2时间内差动 保护动作则认为差动保护因互感器饱和而发生误动，转入步骤(5)， 并且停止计时，如果计时时间达到t_set2则返回步骤(1)；

具体的，从步骤(3)结束时开始计时，若在t_set2时间内，差动 保护动作，则认为差动保护因互感器饱和而发生误动，转入步骤(5)， 并且停止计时。从步骤(3)结束时开始计时，若计时时间达到t_set2， 则转到步骤(1)。

步骤(5)：差动保护动作平台定值自适应调整；

具体的，将差动保护启动电流定值提高到原启动值的k_set4倍并开 始计时，当满足以下三个条件之一时，返回为原定值，并转到步骤(1)；

返回条件为：

A、运行变压器差流大于k_set4I_n则返回，I_n为额定负荷电流；

B、若计算到运行变压器差流一直落在原有差动保护动作区外， 则继续计时，计时达到tset3则返回；

C、若运行变压器差流先进入原有差动保护动作区内，则在出动 作区时返回。

进一步的，t_set1取2s，t_set2取0.05s，t_set3取10s。

进一步的，步骤(2)中根据读取的被保护设备两侧三相电流采 样值判断是否启动互感器饱和识别判据具体为：若式(15)满足，则 判断被保护设备开始流过非周期分量电流，且此时差动保护并未动 作，则开始启动互感器饱和识别判据，

(I_M,zφ>k_set1I_M,1φ)∩(I_N,zφ>k_set1I_N,1φ)∩(I_D,φ<I_op.0)    (15)

式中：φ代表A，B和C三相，I_M,zφ与I_N,zφ分别代表被保护设备 两侧电流非周期分量幅值，I_D,φ代表差动电流基波有效值，I_op.0为原有 差动保护的启动门坎值，k_set1为整定的非周期分量系数，可取0.2，记 式(15)满足的相别为φ_s

进一步的，步骤(3)中判断电流非周期分量是否开始变小具体 为：若式(18)满足，则判断N侧互感器二次侧电流非周期分量相 对M侧开始突然减少，若式(19)满足，则判断M侧互感器二次侧 电流非周期分量相对N侧开始突然减少：

$(S_{M,{\phi }_s}<S_{\mathrm{set}})\cap (S_{N,{\phi }_s}>S_{\mathrm{set}})\cap (I_{N,{\mathrm{z\phi }}_s}<k_{\mathrm{set}2}{I}_{M,z{\phi }_s})\cap (I_{D,{\phi }_s}<I_{\mathrm{op}.0})---\left(18\right)$

$(S_{N,{\phi }_s}<S_{\mathrm{set}})\cap (S_{M,{\phi }_s}>S_{\mathrm{set}})\cap (I_{M,{\mathrm{z\phi }}_s}<k_{\mathrm{set}2}{I}_{N,z{\phi }_s})\cap (I_{D,{\phi }_s}<I_{\mathrm{op}.0})---\left(19\right)$

其中与分别为当前时刻M侧与N侧φ_s相电流非周期分量 的突变量，与分别为当前时刻M侧与N侧φ_s相电流的 非周期分量，S_set为整定的突变量门坎值，可取0.03，k_set2为整定的系 数，可取0.8，I_D,φ代表差动电流基波有效值，I_op.0为原有差动保护的 启动门坎值。

进一步的，步骤(4)中判断差动保护是否发生动作具体为：若 式(20)满足，则判断φ_s相差动保护因N侧互感器饱和而发生误动， 则停止计时并且进入步骤(5)，若式(21)满足，则判断φ_s相差动保 护因M侧互感器饱和而发生误动，则停止计时并且进入步骤(5)：

$(I_{N,z{\phi }_s}<k_{\mathrm{set}3}{I}_{M,z{\phi }_s})\cap (S_{M,{\phi }_s}<S_{\mathrm{set}})\cap (I_{D,{\phi }_s}>I_{\mathrm{op}.0}\cup I_{D,{\phi }_s}>k_R(I_{R,{\phi }_s}-I_{R.0})+I_{\mathrm{op}.0})---\left(20\right)$

$(I_{M,z{\phi }_s}<k_{\mathrm{set}3}{I}_{N,z{\phi }_s})\cap (S_{N,{\phi }_s}<S_{\mathrm{set}})\cap (I_{D,{\phi }_s}>I_{\mathrm{op}.0}\cup I_{D,{\phi }_s}>k_R(I_{R,{\phi }_s}-I_{R.0})+I_{\mathrm{op}.0})---\left(21\right)$

式中：与分别为当前时刻M侧与N侧φ_s相电流的 非周期分量，I_D,φ代表差动电流基波有效值，I_op.0为原有差动保护的启 动门坎值，k_R差动保护制动系数，可取0.4，I_R.0为拐点电流，可取0.5 倍额定电流，k_set3为整定的系数，可取0.2。

本发明根据利用TA在复杂涌流期间发生饱和时，二次电流非周 期分量的衰减现象与差动电流的增加现象在短时间内依次发生这一 重要特征，可有效识别TA饱和，防止复杂涌流期间TA饱和导致的 差动保护误动，且不会将内部故障情况误判为TA饱和，不影响内部 故障时保护的灵敏度。

附图说明

图1为本发明实施例中发变组的连接示意图，其中，T1变压器空 载投入，在T2变压器差动保护投入互感器饱和识别判据；

图2为本发明差动保护动作平台定值自适应调整方法，其中Iop.0 为差动保护原始动作平台定值，粗线表示抬高k_set4倍后的差动保护动 作平台定值；

图3为本发明互感器饱和识别判据的实施过程的仿真验证；

图4为本发明复杂涌流条件下互感器饱和的识别方法的流程示意 图。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、 完整地描述。

如图1所示，变压器T2通过N侧与M侧测量电流构成差动保护， 测量电流的参考方向如图1中的箭头所示，差动保护的动作特性如图 2所示。在下述整个过程中，保持对变压器T2两侧的三相电流进行 等间隔采样，采样时间间隔为T/N₀，其中T为电网工频周期，N₀为 根据采样率需要确定的正整数，得到各个采样时刻变压器T2两侧的 三相电流的瞬时值。

请参考图4，本发明复杂涌流条件下互感器饱和的识别方法包括 如下步骤：

步骤(1)：读取被保护设备两侧三相电流采样值

取当前采样时刻为计算开始时刻，设为t₀，设T为电网工频周期， 读取(t₀-T)～t₀时刻被保护设备两侧的三相电流的采样值数据，然 后转入步骤(2)。

步骤(2)：根据读取的被保护设备两侧三相电流采样值判断是否 启动互感器饱和识别判据，若判断结果为是则启动互感器饱和识别判 据，并执行步骤(3)，否则返回步骤(1)

具体的，根据步骤(1)获得的采样值，通过离散傅里叶算法计 算出t₀时刻被保护设备两侧(分别为M侧与N侧)三相相电流的基 波有效值I_M,1A、I_M,1B、I_M,1C、I_N,1A、I_N,1B、I_N,1C，以及其非周期分量I_M,zA、 I_M,zB、I_M,zC、I_N,zA、I_N,zB、I_N,zC，并且计算三相差动电流基波有效值I_D,A、 I_D,B、I_D,C与制动电流基波有效值I_R,A、I_R,B、I_R,C。算法如下：

$I_{M,R1\phi }=\frac{2}{N_0}\underset{k=1}{\overset{N_0}{\Sigma }}{i}_{M,\phi }\left(k\right)\cos \left(k\frac{2\pi }{N_0}\right)---\left(1\right)$

$I_{M,I1\phi }=\frac{2}{N_0}\underset{k=1}{\overset{N_0}{\Sigma }}{i}_{M,\phi }\left(k\right)\sin \left(k\frac{2\pi }{N_0}\right)---\left(2\right)$

$I_{N,R1\phi }=\frac{2}{N_0}\underset{k=1}{\overset{N_0}{\Sigma }}{i}_{N,\phi }\left(k\right)\cos \left(k\frac{2\pi }{N_0}\right)---\left(3\right)$

$I_{N,I1\phi }=\frac{2}{N_0}\underset{k=1}{\overset{N_0}{\Sigma }}{i}_{N,\phi }\left(k\right)\sin \left(k\frac{2\pi }{N_0}\right)---\left(4\right)$

$I_{M,1\phi }=\sqrt{\frac{({I_{M,R1\phi }}^2+{I_{M,I1\phi }}^2)}{2}}---\left(5\right)$

$I_{N,1\phi }=\sqrt{\frac{({I_{N,R1\phi }}^2+{I_{N,I1\phi }}^2)}{2}}---\left(6\right)$

$I_{M,\mathrm{z\phi }}=\frac{1}{N_0}\underset{k=1}{\overset{N_0}{\Sigma }}{i}_{M,\phi }\left(k\right)---\left(7\right)$

$I_{N,\mathrm{z\phi }}=\frac{1}{N_0}\underset{k=1}{\overset{N_0}{\Sigma }}{i}_{N,\phi }\left(k\right)---\left(8\right)$

$I_{D,\mathrm{R\phi }}=\frac{2}{N_0}\underset{k=1}{\overset{N_0}{\Sigma }}(i_{M,\phi }\left(k\right)-i_{N,\phi }\left(k\right))\cos \left(k\frac{2\pi }{N_0}\right)---\left(9\right)$

$I_{D,\mathrm{I\phi }}=\frac{2}{N_0}\underset{k=1}{\overset{N_0}{\Sigma }}(i_{M,\phi }\left(k\right)-i_{N,\phi }\left(k\right))\sin \left(k\frac{2\pi }{N_0}\right)---\left(10\right)$

$I_{D,\phi }=\sqrt{\frac{{I_{D,\mathrm{R\phi }}}^2+{I_{D,\mathrm{I\phi }}}^2}{2}}---\left(11\right)$

$I_{R,\mathrm{R\phi }}=\frac{2}{N_0}\underset{k=1}{\overset{N_0}{\Sigma }}\frac{i_{M,\phi }\left(k\right)+i_{N,\phi }\left(k\right)}{2}\cos \left(k\frac{2\pi }{N_0}\right)---\left(12\right)$

$I_{R,\mathrm{I\phi }}=\frac{2}{N_0}\underset{k=1}{\overset{N_0}{\Sigma }}\frac{i_{M,\phi }\left(k\right)+i_{N,\phi }\left(k\right)}{2}\sin \left(k\frac{2\pi }{N_0}\right)---\left(13\right)$

$I_{R,\phi }=\sqrt{\frac{{I_{Z,\mathrm{R\phi }}}^2+{I_{Z,\mathrm{I\phi }}}^2}{2}}---\left(14\right)$

式中：φ代表A，B和C三相；I_M,1φ与I_N,1φ分别代表被保护设备两 侧电流基波有效值(I_M,1φ是I_M,1A、I_M,1B、I_M,1C的统称)；I_M,zφ与I_N,zφ分 别代表被保护设备两侧电流非周期分量幅值；I_D,φ代表差动电流基波 有效值；I_R,φ代表制动电流基波有效值；i_M,φ(1)～i_M,φ(N₀)分别对应M侧 线电流t₀-T时刻到t₀时刻的采样值；i_N,φ(1)～i_N,φ(N₀)分别对应N侧线 电流t₀-T时刻到t₀时刻的采样值(已根据变压器变比折算至M侧)。

若式(15)满足，则判断被保护设备开始流过非周期分量电流， 且此时差动保护未动作，记式(15)满足的相别为φ_s，开始启动互感 器饱和识别判据，并转入步骤(3)；否则，当二次电流非周期分量小 于整定值或者差动保护动作时，则转回步骤(1)。

(I_M,zφ>k_set1I_M,1φ)∩(I_N,zφ>k_set1I_N,1φ)∩(I_D,φ<I_op.0)     (15)

式中：I_op.0为原有差动保护的启动门坎值，可取0.2倍的变压器 额定电流；k_set1为整定的非周期分量系数，可取0.2。

步骤(3)：判断电流非周期分量是否开始变小

从步骤(2)结束开始计时，并按式(16)与式(17)计算当前 时刻M侧与N侧φ相电流非周期分量的突变量与

$S_{M,{\phi }_s}=\left|\right|I_{M,{\mathrm{z\phi }}_s}\left(n\right)-I_{M,{\mathrm{z\phi }}_s}\left({n-n}_{\mathrm{set}}\right)|-|I_{M,{\mathrm{z\phi }}_s}(n-n_{\mathrm{set}})-I_{M,{\mathrm{z\phi }}_s}(n-2n_{\mathrm{set}})\left|\right|---\left(16\right)$

$S_{N,{\phi }_s}=\left|\right|I_{N,{\mathrm{z\phi }}_s}\left(n\right)-I_{N,{\mathrm{z\phi }}_s}\left({n-n}_{\mathrm{set}}\right)|-|I_{N,{\mathrm{z\phi }}_s}(n-n_{\mathrm{set}})-I_{N,{\mathrm{z\phi }}_s}(n-2n_{\mathrm{set}})\left|\right|---\left(17\right)$

式中：与分别为当前时刻M侧与N侧φ_s相电流的 非周期分量，n_set为整定的采样间隔，可取工频周波的采用点数N₀。

若式(18)满足，则判断N侧互感器二次侧电流非周期分量相 对M侧开始突然减少，则停止计时，并且进入步骤(4)。同理，若 式(19)满足，则判断M侧互感器二次侧电流非周期分量相对N侧 开始突然减少，则停止计时，并且进入步骤(4)

$(S_{M,{\phi }_s}<S_{\mathrm{set}})\cap (S_{N,{\phi }_s}>S_{\mathrm{set}})\cap (I_{N,{\mathrm{z\phi }}_s}<k_{\mathrm{set}2}{I}_{M,z{\phi }_s})\cap (I_{D,{\phi }_s}<I_{\mathrm{op}.0})---\left(18\right)$

$(S_{N,{\phi }_s}<S_{\mathrm{set}})\cap (S_{M,{\phi }_s}>S_{\mathrm{set}})\cap (I_{M,{\mathrm{z\phi }}_s}<k_{\mathrm{set}2}{I}_{N,z{\phi }_s})\cap (I_{D,{\phi }_s}<I_{\mathrm{op}.0})---\left(19\right)$

式中：S_set为整定的突变量门坎值，可取0.03；k_set2为整定的系数， 可取0.8。

若计时达到t_set1则返回步骤(1)，t_set1可取2s。

步骤(4)：判断差动保护是否发生动作

从步骤(3)结束开始计时，若式(20)满足，则判断φ_s相差动 保护因N侧互感器饱和而发生误动，则停止计时并且进入步骤(5)； 同理，若式(21)满足，则判断φ_s相差动保护因M侧互感器饱和而 发生误动，则停止计时并且进入步骤(5)。

$(I_{N,z{\phi }_s}<k_{\mathrm{set}3}{I}_{M,z{\phi }_s})\cap (S_{M,{\phi }_s}<S_{\mathrm{set}})\cap (I_{D,{\phi }_s}>I_{\mathrm{op}.0}\cup I_{D,{\phi }_s}>k_R(I_{R,{\phi }_s}-I_{R.0})+I_{\mathrm{op}.0})---\left(20\right)$

$(I_{M,z{\phi }_s}<k_{\mathrm{set}3}{I}_{N,z{\phi }_s})\cap (S_{N,{\phi }_s}<S_{\mathrm{set}})\cap (I_{D,{\phi }_s}>I_{\mathrm{op}.0}\cup I_{D,{\phi }_s}>k_R(I_{R,{\phi }_s}-I_{R.0})+I_{\mathrm{op}.0})---\left(21\right)$

式中：k_R差动保护制动系数，可取0.4；I_R.0为拐点电流，可取0.5 倍额定电流；k_set3为整定的系数，可取0.2。

若计时超过t_set2则返回步骤(1)，t_set2可取0.05s。

步骤(5)差动保护动作平台定值自适应调整

将差动保护启动电流定值提高到原启动值的k_set4倍并开始计时， k_set4可取2.5，如图3所示，当满足以下三个条件之一时，差动保护启 动电流定值返回为原定值，并转到步骤(1)继续进行下一次判别。

返回条件为：

A.运行变压器差流大于k_set4I_n则返回，I_n为额定负荷电流，k_set4可取2.5；

B.若计算到运行变压器差流一直落在原有差动保护动作区 外，则继续计时，计时达到t_set3则返回，t_set3可取10s；

C.若运行变压器差流先进入原有差动保护动作区内，则在出 动作区时返回。

其中条件A表示在此过程中T2变压器又发生了区内故障，则该 变压器差动保护制动特性返回为原制动特性；条件B表示变压器空 投未引起T2变压器原有差动保护误动，10s后返回原有动作特性； 条件C表示互感器已经退出饱和，T2变压器差动电流低于原本的差 动保护制动特性，则T2变压器差动保护制动特性返回为原制动特性。

下面根据如图3所示的仿真数据说明本互感器饱和识别判据的 识别效果。

在0s时刻，T1空载变压器投入运行。在0.01s时流过变压器T2 的B相电流开始出现非周期分量，I_M,zB(0.26kA)与I_N,zB(0.26kA) 分别大于k_set1倍(k_set1取0.2)的I_M，1B(1.29kA)和I_N，1B(1.29kA)，且 同时差动电流小于门坎值I_op.0，(I_D,φ<I_op.0)说明差动保护不动作， 即上述步骤(2)中式(15)满足，则互感器饱和识别判据启动，开 始进入步骤(3)。

经过传变含有非周期分量的电流约0.19s后，N侧互感器开始出 现饱和，在0.189s时其二次电流的突变量S_N,B大于门坎值S_set(S_set取 0.03)，且非周期分量I_N,zB(0.929kA)小于k_set2(k_set2取0.8)倍的I_M,zB(1.166kA)，与此同时差动电流小于门坎值I_op.0，因此式(18)满 足，进入步骤(4)。

进入步骤(4)后的t_set2内(t_set2取0.05s)，即0.21s时，差动电 流I_D,B迅速增大至0.58kA，使得原有的差动保护动作，且此时I_N,zB(0.218kA)小于I_M，zB(1.136kA)的k_set3倍(k_set3取0.2)，这样式(20) 中的条件1：满足；另外，在该过程中M侧电流非周 期分量的突变量一直小于门坎值S_set，表示条件2：满足； 其中使得原有的差动保护动作，即表示条件3： $(I_{D,{\phi }_s}>I_{\mathrm{op}.0}\cup I_{D,{\phi }_s}>k_R(I_{R,{\phi }_s}-I_{R.0})+I_{\mathrm{op}.0})$满足，因此式(20)满足，认为互 感器饱和使得原有差动保护发生误动，进入步骤(5)。

步骤(5)将差动保护启动电流定值提高到原启动值的k_set4倍(k_set4取2.5)，防止差动保护因互感器饱和而发生误动，如图2所示。图中 的差动电流落入原差动保护动作区内，若不采取其他措施，差动保护 会发生误动，步骤(5)通过抬高启动门坎值可以避免误动情况的发 生。图2中I_op.0为0.2倍的变压器额定电流，I_R.0为0.5倍变压器额定 电流，额定电流为1.5kA。

综上仿真分析可以看出，本发明提出的方法可以在系统发生复杂 涌流期间迅速启动，在互感器发生饱和时正确动作，从而能有效避免 复杂涌流期间互感器饱和而导致差动保护误动。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并 不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范 围内，可轻易想到的变化或替换，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的保护范围为准。