基于B样条小波变换的电流互感器饱和检测方法

摘要

本发明涉及电流互感器饱和检测方法，具体为基于B样条小波变换的电流互感器饱和检测方法。解决现有电流互感器饱和检测方法存在的缺陷和问题。本发明使用了兼具连续性、对称性特点的三次B样条小波变换对电流互感器二次电流进行饱和检测，同时结合两个尺度即尺度二和尺度三对信号进行变换处理，可以准确无误差地确定饱和点位置；同时该算法计算量小，可以实现即时检测，快速判断电磁式电流互感器是否饱和，以及饱和是区内还是区外故障造成的，从而确定是否闭锁保护，防止保护误动作。

说明书

技术领域

本发明涉及电流互感器饱和检测方法，具体为基于B样条小波变换的电流互感器饱和检测方法。

背景技术

电流差动保护是输电线路的保护之一，其是基于“电路中流入节点电流的总和等于零”的原理。图1所示为输电线路电流差动保护的结构示意图。在被保护输电线路的两端分别连接电磁式电流互感器、电子式电流互感器，两端电流互感器的电流I1、I2分别流入差动继电器，若出现区内故障，则I1与I2符号一致，不平衡电流增大并超过整定值IS，应使差动继电器动作并输出相应的动作信号，实现电流差动保护；若此时为正常运行或区外故障，则I1与I2符号相反，相当于作差，不平衡电流不足以超过整定值IS使差动继电器动作，也就不输出相应的动作信号。

而当区外故障发生而导致电磁式电流互感器饱和，此时电流不能被正确传变，常会使差动保护发生误动作。

为此，输电线路电流差动保护，常会增加一处理器，处理器采集电磁式电流互感器的次级电流并通过对其进行分析来判断电磁式电流互感器是否饱和，以及饱和是区内还是区外故障造成的，如果是区内故障造成饱和处理器输出高电平，如果是区外故障造成饱和处理器输出低电平；处理器的输出信号与差动继电器的动作输出信号共同作为一个与门的输入，与门的输出作为输电线路电流差动保护的控制信号，以此防止电磁式电流互感器饱和造成的差动保护误动作。

上述处理器用于分析电流互感器是否饱和的方法有谐波综合信息法、采样点差分计算法、小波变换分析法等。谐波综合信息法与采样点差分计算法需要大量计算，不具有实时性，对于继电保护的快速性有极大影响，当故障发生后，不能及时排除故障，会对设备、线路造成很大破坏；利用小波变换分析法时，其所选用的小波大部分为dB小波，这种小波属于不对称小波,其对奇异点的定位可能存在偏移的情况，故存在判定误差，且在使用小波变换时没有对波形进行多尺度变换，其可靠性不足；小波分析法结合计数法时，需要统计波动的次数，偶然性较大，易出现计数误差导致判定不准确。

发明内容

本发明解决上述现有电流互感器饱和检测方法存在的缺陷和问题，提供一种基于B样条小波变换的电流互感器饱和检测方法。该方法可以有效、及时地判定电流互感器二次电流的饱和点，并判定故障属于区内还是区外，从而开放或闭锁差动保护，防止出现差动保护误动作的情况。

本发明是采用如下技术方案实现的：基于B样条小波变换的电流互感器饱和检测方法，是由如下步骤实现的：

1）采集电流互感器的二次电流，得到电流互感器二次电流曲线；

2）利用三次B样条小波变换对电流互感器二次电流曲线进行多尺度分析，并选取多尺度分析后所得的尺度二和尺度三曲线；

3）对尺度二和尺度三曲线进行模极大值变换，得到尺度二模极大值曲线和尺度三模极大值曲线；

4）检测尺度二模极大值曲线和尺度三模极大值曲线，获得尺度二模极大值曲线和尺度三模极大值曲线中首次产生信号突变的时刻；如果尺度二模极大值曲线和尺度三模极大值曲线中首次产生信号突变的时刻不相同，记录在先的首次产生信号突变的时刻，记为t1,精确到毫秒,并记录t1时刻的突变量峰值Q1；如果尺度二模极大值曲线和尺度三模极大值曲线中首次产生信号突变的时刻相同，以该时刻为首次产生信号突变的时刻t1，并以该时刻尺度二模极大值曲线的突变量峰值作为t1时刻的突变量峰值Q1；其中，所谓信号突变为突变量峰值达到0.4～0.6以上；

5）若自时刻t1起5ms内，在尺度二模极大值曲线或尺度三模极大值曲线中检测到突变量峰值≥ 2Q1的较大突变，则认定电流互感器处于区内故障造成的饱和状态；若自t1+15ms时刻起的35ms内，在尺度二模极大值曲线或尺度三模极大值曲线中检测到突变量峰值≥ 2Q1的较大突量，则认定电流互感器处于区外故障造成的饱和状态。

本发明使用了兼具连续性、对称性特点的三次B样条小波变换对电流互感器二次电流进行饱和检测，同时结合两个尺度对信号进行变换处理，可以准确无误差地确定饱和点位置；同时该算法计算量小，可以实现即时检测，快速判断电磁式电流互感器是否饱和，以及饱和是区内还是区外故障造成的，从而确定是否闭锁保护，防止保护误动作。

本发明经仿真实验验证如下：

在电力仿真软件PSCAD中搭建了电力系统仿真模型，分别模拟了区内故障、区外故障以及断路器重合闸的情况，所得数据由本发明所述方法进行分析处理。

仿真实验一：如附图2－6所示，模拟区外发生故障。图2为采集得到的电流互感器二次电流曲线，图3、4为三次B样条小波对区外故障电流多尺度处理后的尺度二和尺度三曲线波形，图5、6分别为尺度二和尺度三模极大值曲线；从图中可以看出，尺度二模极大值曲线和尺度三模极大值曲线中首次产生信号突变的时刻相同，故障时刻即首次产生信号突变的时刻t1=0.1s，对应图中采样点为200处。在故障开始瞬间，三次B样条小波变换的尺度二和尺度三曲线即检测到有电流的突变点，此时尚未进入饱和状态。对比尺度二与尺度三下的小波变换分析，可看出尺度二下对饱和点的定位更加精准，而尺度三则对饱和更加灵敏，但在故障开始时的采样点200处，尺度二的波动很小，其模极大值基本可忽略不计。附图5、6为尺度二与尺度三下的小波变换模极大值，可以看出模极大值可以更精确地定位到饱和点。以t1时刻尺度二模极大值曲线的突变量峰值作为t1时刻的突变量峰值Q1，在自t1+15ms时刻起的35ms内，在尺度二模极大值曲线或尺度三模极大值曲线中检测到突变量峰值≥ 2Q1的较大突量（对应采样点300处，约t1+25ms时刻），分析认定电流互感器处于区外故障造成的饱和状态，与模拟故障相一致。

仿真实验二：如图7－11所示，利用断路器重合闸模拟励磁涌流（效果等同于区外故障）；图7为采集得到的电流互感器二次电流曲线，图8、9为三次B样条小波对区外故障电流多尺度处理后的尺度二和尺度三曲线波形，图10、11分别为尺度二和尺度三模极大值曲线；断路器断开时间为T1=0.095s，合闸时间为T2=0.115s。一个周波采样点为80，故T1所对应的采样点为180，T2对应的采样点为260处。从附图8、9中可以看出，在断路器断开与合闸之后，尺度二下的小波变换基本无变化，而尺度三则在这两处采样点附近均有波动。在采样点为380时，波形出现饱和，同时尺度二与尺度三下的小波变换均有波动，且尺度三下的小波变换更加灵敏，尺度二下的小波变换则更加精确。从附图10、11中可以看出，首次产生信号突变的时刻t1=0.095s在尺度三模极大值曲线上产生，并记下该时刻下的突变量峰值Q1，在自t1+15ms时刻起的35ms内，在尺度二模极大值曲线或尺度三模极大值曲线中检测到突变量峰值≥ 2Q1的较大突量（在采样点380，约t1+30ms时刻），分析认定电流互感器处于区外故障造成的饱和状态，与模拟故障相一致。

仿真实验三：如图12－16所示，模拟区内发生故障。图12为采集得到的电流互感器二次电流曲线，图13、14为三次B样条小波对区外故障电流多尺度处理后的尺度二和尺度三曲线波形，图15、16分别为尺度二和尺度三模极大值曲线；保护区内的故障发生于t=0.1s时，对应图中的采样点200处，故障发生时，波形并未立即出现饱和，而尺度二与尺度三在采样点210处均有较大的波动，其中尺度二所对应的模极大值的毛刺很少，对首次突变点位置的定位非常准确，尺度三则有较大范围的波动，精度欠缺。可看到在故障发生2～3ms（在故障发生后5ms内）后即出现了较大突变量，分析认定电流互感器处于区内故障造成的饱和状态，与模拟故障相一致。

经过以上利用B样条小波对区外故障、断路器重合闸及区内故障后电流波形的分析与检测，可以看出，进行B样条小波变换后，突变点基本没有位移，而其他类型小波通常都有不同程度的位移。在励磁涌流及其他谐波干扰下，常会出现伪极值点，且大尺度下的定位不太准确，故应采用多尺度对波形进行分析。该小波尺度二下对饱和区间的定位比较准确，而尺度三下对于饱和点的检测较为敏感，两者配合使用，可以精确定位饱和点位置，从而为本发明提供条件。

附图说明

图1为输电线路带防饱和误动作的电流差动保护原理图；

图2为仿真实验一采集得到的电流互感器二次电流曲线；

图3为仿真实验一三次B样条小波变换多尺度分析所得尺度二曲线；

图4为仿真实验一三次B样条小波变换多尺度分析所得尺度三曲线；

图5为仿真实验一尺度二模极大值曲线；

图6为仿真实验一尺度三模极大值曲线；

图7为仿真实验二采集得到的电流互感器二次电流曲线；

图8为仿真实验二三次B样条小波变换多尺度分析所得尺度二曲线；

图9为仿真实验二三次B样条小波变换多尺度分析所得尺度三曲线；

图10为仿真实验二尺度二模极大值曲线；

图11为仿真实验二尺度三模极大值曲线；

图12为仿真实验三采集得到的电流互感器二次电流曲线；

图13为仿真实验三三次B样条小波变换多尺度分析所得尺度二曲线；

图14为仿真实验三三次B样条小波变换多尺度分析所得尺度三曲线；

图15为仿真实验三尺度二模极大值曲线；

图16为仿真实验三尺度三模极大值曲线。

具体实施方式

基于B样条小波变换的电流互感器饱和检测方法，是由如下步骤实现的：

1）采集电流互感器的二次电流，得到电流互感器二次电流曲线；

2）利用三次B样条小波变换对电流互感器二次电流曲线进行多尺度分析，并选取多尺度分析后所得的尺度二和尺度三曲线；

3）对尺度二和尺度三曲线进行模极大值变换，得到尺度二模极大值曲线和尺度三模极大值曲线；

4）检测尺度二模极大值曲线和尺度三模极大值曲线，获得尺度二模极大值曲线和尺度三模极大值曲线中首次产生信号突变的时刻；如果尺度二模极大值曲线和尺度三模极大值曲线中首次产生信号突变的时刻不相同，记录在先的首次产生信号突变的时刻，记为t1,精确到毫秒,并记录t1时刻的突变量峰值Q1；如果尺度二模极大值曲线和尺度三模极大值曲线中首次产生信号突变的时刻相同，以该时刻为首次产生信号突变的时刻t1，并以该时刻尺度二模极大值曲线的突变量峰值作为t1时刻的突变量峰值Q1；其中，所谓信号突变为突变量峰值达到0.4～0.6以上；

5）若自时刻t1起5ms内，在尺度二模极大值曲线或尺度三模极大值曲线中检测到突变量峰值≥ 2Q1的较大突变，则认定电流互感器处于区内故障造成的饱和状态；若自t1+15ms时刻起的35ms内，在尺度二模极大值曲线或尺度三模极大值曲线中检测到突变量峰值≥ 2Q1的较大突量，则认定电流互感器处于区外故障造成的饱和状态。