基于多CT下重构BH曲线特征的暂态饱和电流识别方法

摘要

本发明提供了一种基于多CT下重构BH曲线特征的暂态饱和电流识别方法，通过分析暂态饱和时的电流波形特征，将电流数据组合应用，以水平方向为磁场强度H轴、垂直方向为磁感应强度B轴重构出BH曲线，根据BH曲线偏向一侧不对称的特征，以新的中心D点为原点构建参考坐标系，参考坐标系中横轴、纵轴将BH曲线所在平面分割为四个象限，然后分别统计BH曲线上的数据点在参考坐标系四个象限内的数量分布，根据BH曲线的图形特征识别暂态饱和电流。本识别方法使用前无需进行参数设置及计算，避免了使用前的设置工作，具有广泛的适用性，实用性强，可以内置在微机保护产品中作为保护动作判据使用，提高继电保护的正确性与可靠性。

说明书

技术领域

本发明属于电力系统自动化技术领域，具体涉及一种基于多CT下重构BH曲线特征的暂态饱和电流识别方法。

背景技术

电流互感器（CT）的的工作状态可分为不饱和、饱和两种状态，其中饱和状态又可分为两类：一类是大容量短路稳态对称电流引起的饱和，称为稳态饱和；另一类是短路电流中含有非周期分量和铁心存在剩磁而引起的暂态饱和，称为暂态饱和。

铁心饱和将使电流互感器传变特性变坏，而不能准确传变故障电流，稳态饱和比较容易及时发现并采取措施予以处理，而在区外故障穿越性电流、励磁涌流、故障电流等暂时性大电流的作用下，电流互感器容易出现暂态饱和，由于暂态饱和状态出现时间不固定，并且持续时间不固定，很难被发现，对于反应电流值的保护，如过电流保护和阻抗保护等，饱和将使保护灵敏度降低。对于差动保护，对于差动型的电流保护，由于两侧CT工作特性的差异，在饱和时不同步，导致两侧电流变化不同步，容易导致差动继电保护装置出现错误动作。

大型发电机组(含发电机、主变压器和发电机变压器组)的一次时间常数很大，因此，当这些设备的差动保护在区外发生短路故障时，短路电流中具有衰减较慢的非周期分量而导致电流互感器铁心严重饱和，即暂态饱和，引起区外故障时保护误动。

在一次系统发生短路故障后，电流互感器可能残留较大剩磁，这将使电流互感器更容易饱和，而且差动保护两侧电流互感器剩磁多不相同，则更易产生过大差电流，引起区外故障时保护误动。

CT暂态饱和不仅导致继电保护装置拒动，同时也会导致误动，《电动机差动保护误动原因分析》（《电气应用》[J]，2014年第9期，卢庆港等）指出由于差动CT二次回路阻抗差异导致电流互感器暂态特性发生变化，在电动机启动大电流的作用下，电动机首尾两端的电流互感器出现了程度不同的暂态饱和，导致差动误动，并提供了CT暂态饱和的实际录波波形以及实际案例分析。《P类电流互感器饱和原因分析及对策》（《电力自动化》[J]，2007年第21期，景敏慧等）针对2006年以来电网实际发生的3起220kV线路故障纵差保护误动，从录波图分析确认均是由于线路一端电流互感器产生剩磁出现暂态饱和，而线路另一端电流互感器未饱和，以致在区外故障时出现差流引起保护动作。

CT在设计时已充分考虑了大电流下稳态饱和问题，采用较大伏安容量的CT以及较大直径的二次回路电缆来降低CT二次回路阻抗，但在CT铁心剩磁以及一次电流非周期分量的作用下，还是会出现暂态饱和过程。CT铁心的剩磁可以通过选择低剩磁的互感器，在铁心上开气隙改变磁滞回线的状态从而降低剩磁以及推迟进入饱和，但由于一次电流的非周期分量无法控制，因此暂态饱和在电力系统中是个无法回避的客观存在。

发明内容

目前在电力系统中采用差动保护实现线路、元件（发电机、变压器、电动机、电抗器、母线等）的保护，对于继电保护装置而言，为了能够在故障出现时快速识别并切除隔离，需要及时有效的识别CT运行状态，而当电流突然增大时，在一次电流中的非周期分量以及CT剩磁作用下，CT首先经历一个暂态饱和过程之后才能进入稳态饱和，需要一种暂态饱和电流的识别方法，避免CT暂态特性差异导致的差动误动。

本发明提供了一种基于多CT下重构BH曲线特征的暂态饱和电流识别方法，在具有直接电气连接的一次回路上设置n组CT，对n组CT的二次电流进行高速数字采样；通过电流数据的组合应用，以水平方向为磁场强度H轴、垂直方向为磁感应强度B轴重构BH曲线；分别找出BH曲线上B轴、H轴方向的极大值点A(H_max, B_max)，极小值点C(H_min, B_min)，以及新的中心D点；以新的中心D点为原点构建参考坐标系，参考坐标系中横轴、纵轴将BH曲线所在平面分割为四个象限；然后分别统计BH曲线上的数据点在参考坐标系四个象限内的数量分布，据此识别BH曲线的图形特征，从而识别电流是否为暂态饱和电流。

优选的，BH曲线中D点坐标为D（X₀，Y₀），其中X₀>0>

优选的，重构BH曲线具体过程如下：

分别计算两组电流的幅值，定义其中由于饱和畸变导致的幅值较小的为I_S，另一组未饱和或饱和较轻幅值较大的为I_NS，对I_S数据序列进行积分处理后得到的B_one_wave序列，将其作为磁感应强度B的变化，将两组电流的差值（I_{NS>- IS）作为H_one_wave序列表现磁场强度H的变化，在二维平面上，将H_one_wave序列作为水平方向的磁场强度H轴的坐标数据，B_one_wave序列作为垂直方向的磁感应强度B轴的坐标数据，使用上述两组数据序列逐点绘出曲线即为BH曲线。}

优选的，重构BH曲线过程中将I_NS数据序列积分处理后作为B_one_wave序列，将其作为磁感应强度B的变化，将两组电流的差值作为H_one_wave序列表现磁场强度H的变化，在二维平面上重构出BH曲线。

优选的，n组CT可以安装在直接电气连接回路上的同一个位置，也可以安装在直接电气连接回路上的不同位置。

优选的，n取大于等于2的自然数。

优选的，统计BH曲线上的数据点在参考坐标系四个象限内的数量分布，识别BH曲线的图形特征，从而识别电流是否为暂态饱和电流的步骤如下：

第一步：将H_one_wave、B_one_wave序列进行整合为一个两列的数组H_B_AXIS，每一行对应的两个数据分别表示该数据点对应的X、Y轴坐标；

第二步：使用参考坐标中心D点的坐标对坐标数组H_B_AXIS进行数据扫描，并统计符合如下规则的数据点的数量；

位于参考坐标系第一象限：X > X_{0>并且 Y > Y0；}

位于参考坐标系第二象限：X < X_{0>并且 Y > Y0；}

位于参考坐标系第三象限：X < X_{0>并且 Y < Y0；}

位于参考坐标系第四象限：X > X_{0>并且 Y < Y0；}

扫描过程中同步更新四个象限数据点的计数器：第一象限N1、第二象限N2、第三象限N3、第四象限N4；

第三步：按照如下特征，根据BH曲线上的数据点在参考坐标系四个象限内的数量分布来识别暂态饱和电流；

当CT不饱和时，BH曲线分布在参考坐标系的四个象限中，故N1、N2、N3、N4全不为零，并且数据之间差异较小，N1与N3，N2与N4具有一定的对称关系；

当CT暂态饱和时，由于BH曲线偏向一侧，在参考坐标系的四个象限中某个象限中没有BH曲线或只有很小部分，故N1、N2、N3、N4四个数据之中存在某个数据为零或即使不为零但也与其他三个数据相比差异悬殊，而另外三个不为零，并且N1与N3，N2与N4不具有一定的对称关系。

有益效果

本发明提供了一种基于多CT下重构BH曲线特征的暂态饱和电流识别方法，通过分析暂态饱和时的电流波形特征，使用电流重构BH曲线，根据BH曲线偏向一侧不对称的特征进行暂态饱和识别。本识别方法使用前无需进行参数设置及计算，避免了使用前的设置工作，具有广泛的适用性，实用性强，可以内置在微机保护产品中作为保护动作判据使用，提高继电保护的正确性与可靠性。

附图说明

图1 为CT铁心不同状态时的磁滞回线。

图2 为BH曲线的不对称性识别原理。

图3 为实际暂态饱和录波。

图4 为使用实际暂态饱和录波数据重构的BH曲线。

图5 为实际暂态饱和录波的局部展开波形。

图6 为使用实际暂态饱和录波局部展开波形数据重构的BH曲线。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。

根据基尔霍夫电流定律：在集总参数电路中，任何时刻，对任意结点，所有流出结点的支路电流的代数和恒等于零。基于此，对于一次回路具有直接电气连接的电力元件，采用差动保护实现区域内的灵敏保护，对于线路、发电机、电动机、电抗器等被保护电力元件的两侧（M侧、N侧）分别配置了差动保护CT，通常两组CT取相同变比以便继电保护装置使用。对于母线以及多分支回路则配置了多组差动保护CT，CT之间变比往往存在差异，需要在微机保护装置内部根据实际CT变比进行转换后计算合成。

如下结合线路差动保护进行具体实施方式的阐述。

根据CT的工作原理，当差动保护区域两侧CT特性不同时，容易出现一侧CT率先进入饱和区，从而导致两侧电流出现差异，当CT铁心存在剩磁时，在运行中容易出现铁心进入饱和区而导致电流畸变失真；当两个CT的铁心剩磁存在差异时，在一次电流作用下，铁心进入饱和的时间也存在差异，导致二次电流不同，形成差流，导致差动保护误动。

针对现场的工程录波数据以及仿真数据，通过两组CT的电流数据重构出BH曲线，图1为CT铁心不同状态时的磁滞回线，经过对其图形的归纳总结，发现存在如下特征：当CT正常运行铁心不饱和时，重构的BH曲线为水平、垂直、倾斜的椭圆，或者为圆形以及其他相近图形，如图1中曲线101所示；当一次电流存在非周期分量或铁心存在剩磁导致的饱和时，BH曲线图形偏向一侧，如图1中曲线102、103所示；当由于一次电流过大或CT二次回路阻抗导致的铁心稳态饱和时，BH曲线呈现双向饱和特征，如图1中曲线104所示。

图1中曲线101为CT不饱和运行是的铁心的磁滞回线，曲线102、103为CT铁心暂态饱和时的磁滞回线，曲线104为CT铁心稳态饱和时的磁滞回线。曲线102、103之间差异在于一次电流中的非周期分量以及CT铁心剩磁的不同。从图1中可以看出，暂态饱和时的磁滞回线具有明显的不对称特征。

图3为某差动保护中两侧CT的实际录波，一次电流中含有非周期分量，其中曲线301为M侧电流，曲线302为N侧电流，曲线301未见明显饱和，而曲线302则可见明显的饱和，两侧电流的差值如曲线303所示。

使用两侧电流数据重构出如图4所示的BH曲线，从其中可以看出，BH曲线偏向坐标轴的一侧，呈现明显的暂态饱和特征。

图5为图3实际暂态饱和录波中第2个电流波峰前后的局部展开图，图6为使用局部展开波形数据重构的BH曲线。

铁心暂态饱和时的BH曲线呈现不对称的特征，人工识别比较容易，但只有将其转换为量化的数据后微机型继电保护装置才能使用，为了识别图1所示的暂态饱和时的磁滞回线不对称特征，本发明采用图2所示的BH曲线不对称性识别原理，通过构建新的参考坐标系，将BH曲线分割为四个象限，根据BH曲线在四个象限数据点的数量分布来进行统计识别BH曲线是否具有饱和特征，从而识别电流互感器的工作状态，具体步骤如下：

对同一电气连接回路上M、N两侧的两组CT电流进行高速数字采样，将波动的电流转换为表征其变化过程的采样数据序列，根据数据的采样率，截取本时刻之前一个完整周波的电流采样数据序列，当电网频率为50HZ时，也就是20ms的采样数据序列，分别计算两组电流的幅值，定义其中由于饱和畸变导致的幅值较小的为I_S，另一组未饱和或饱和较轻幅值较大的为I_NS。

对I_S数据序列进行积分处理后得到的B_one_wave序列，将其作为磁感应强度B的变化，将M、N两侧电流的差值（I_{NS>- IS）作为H_one_wave序列表现磁场强度H的变化，在二维平面上，将H_one_wave序列作为水平方向的磁场强度H轴的坐标数据，B_one_wave序列作为垂直方向的磁感应强度B轴的坐标数据，使用上述两组数据序列构造出图2所示的BH曲线。max函数可以找出指定数据序列中的最大值，min函数可以找出指定数据序列中的最小值，使用max、min分别找出本周波BH曲线的B、H轴方向的极大值、极小值，具体过程处理如下：}

BH曲线H轴方向极大值点H_max = max(H_one_wave)；

BH曲线H轴方向极小值点H_min = min(H_one_wave)；

BH曲线B轴方向极大值点B_max = max(B_one_wave)；

BH曲线B轴方向极小值点B_min = min(B_one_wave)。

基于上述数据，图2中BH曲线的A、C两点的坐标分别为A(H_max，B_max)、C(H_min，B_min)， 图2中所示的中心D点坐标为D（X₀，Y₀），其中X_{0>= (H_max + H_min) / 2，Y0>= B_max + B_min) / 2，以D点为原点构建的参考坐标系，其横轴、纵轴将BH曲线分割为四个象限。然后分别统计BH曲线上的数据点在参考坐标系四个象限内的数量分布，据此识别BH曲线是否具有饱和特征，从而识别电流是否存在暂态饱和。}

也可以将I_NS数据序列积分处理后作为B_one_wave序列，将其作为磁感应强度B的变化，将M、N两侧电流的差值作为H_one_wave序列表现磁场强度H的变化，在二维平面上重构出BH曲线识别电流互感器的工作状态。

统计BH曲线上的数据点在参考坐标系四个象限内的数量分布过程如下：

第一步：将H_one_wave、B_one_wave序列进行整合为一个两列的数组H_B_AXIS，每一行对应的两个数据分别表示该数据点对应的X、Y轴坐标；

第二步：使用参考坐标中心D点的坐标对坐标数组H_B_AXIS进行数据扫描，并统计符合如下规则的数据点的数量。

位于参考坐标系第一象限：X > X_{0>并且 Y > Y0；}

位于参考坐标系第二象限：X < X_{0>并且 Y > Y0；}

位于参考坐标系第三象限：X < X_{0>并且 Y < Y0；}

位于参考坐标系第四象限：X > X_{0>并且 Y < Y0；}

扫描过程中同步更新四个象限数据点的计数器：第一象限N1、第二象限N2、第三象限N3、第四象限N4。

根据BH曲线数据点分布识别电流互感器的工作状态方法如下：

当CT不饱和时，BH曲线分布在参考坐标的四个象限中，故N1、N2、N3、N4全不为零，并且数据之间差异较小，N1与N3，N2与N4具有一定的对称关系；

当CT暂态饱和时，由于BH曲线偏向一侧，如图1所示，在参考坐标系的四个象限中某个象限中没有BH曲线或只有很小部分，故N1、N2、N3、N4四个数据之中存在某个数据为零，或即时不为零但也与其他三个数据相比差异悬殊，而另外三个不为零，并且N1与N3，N2与N4不具有一定的对称关系；

当CT稳态饱和时，由于BH曲线呈现双向对称的特征，故参考坐标与原坐标基本重叠，N1、N2、N3、N4全不为零，并且N1与N3，N2与N4具有一定的对称关系。

基于上述识别方法，可以将CT暂态饱和有效识别出来，从而为保护的可靠正确动作提供了辅助判据，有效避免了继电保护装置的误动、拒动情况出现，保护电力系统的稳定运行。

本发明的识别方法使用前无需进行参数设置及计算，避免了使用前的设置工作，具有广泛的适用性，实用性强，可以内置在微机保护产品中作为保护动作判据使用。

本识别方法根据暂态饱和下的BH曲线的不对称的图形特征，通过引入参考坐标系来识别BH曲线的特征，不仅可以用于识别CT的暂态饱和，还可以结合CT二次电流的大小及重构BH曲线的图形特征，综合判断出CT是否进入稳态饱和。

为了避免小电流下由于采样误差导致的错误判断，在小电流之下以及二者差流低于某一阈值时，不启动上述的饱和识别程序，只有在监测到差流，差动保护启动后才进行电流饱和的识别，将识别结果作为微机保护启动后跳闸出口前的判据使用。

本识别方法还可以应用在如母线等多分支回路配置了多组差动CT的工程应用中，取一组CT的电流，然后将其他组CT的电流合成后作为另一组电流，使用这两组电流根据上述识别方法进行电流饱和的识别，然后针对不同组CT电流重复上述识别过程即可有效识别饱和电流。

本识别方法无需增加任何硬件，只需通过软件的功能增加即可实现同一电气回路中差动回路存在电流饱和时的识别，避免差动保护的误动，提高了保护动作的正确率。

本说明书的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。