專利名稱：繼電保護用時差法電流互感器嚴重飽和的判別方法
技術領域：
本發明屬于電力系統故障判斷，在電力系統低壓、高壓、超高壓、特高壓電力設備保護中，利用電流互感器(CT)飽和判據增加差動保護的可靠性，它是一種高可靠性和靈敏性的繼電保護用時差法電流互感器嚴重飽和的判別方法。
作為保護電力系統設備的繼電保護，所依據的量均取自電力系統的一次設備如電流互感器、電壓互感器等。當電流互感器處于不同的暫態特性情況下，對于繼電保護的判據需要作不同的處理。即應用的繼電保護必須能夠有效識別電流互感器的不同暫態特性，如電流互感器飽和等對繼電保護的影響。
傳統的繼電保護如母線差動電流互感器飽和判別，是利用電流互感器未飽和前的線性數據作差動保護判據的依據，如果電流互感器飽和不嚴重，如1/4周波后飽和，作為繼電保護差動的有效數據能夠基本滿足可靠性要求。但如果電流互感器飽和比較嚴重，發生在1/4周波之前，甚至飽和時間小到2ms，此時作為繼電保護差動判據的數據很少，勢必影響到差動保護的可靠性。
就目前應用的各種判據而言，有的判據可以識別電流互感器飽和，但不能識別嚴重的電流互感器飽和(發生在1/4周波之前的CT飽和)。
本發明的技術方案是利用電力系統中被保護設備的繼電保護裝置采集的電流量作為判據，根據采集的電流量，可以確定電流互感器在當前擾動下處于何種暫態，即電流互感器是否飽和。
電力系統發生嚴重故障(短路電流很大)或二次負載過大，可能引起電流互感器飽和，由電流互感器的暫態特性可知，根據電流互感器(CT)數學模型如圖2所示，在電流互感器發生飽和前電力系統一次電流可以正常線性的傳變，飽和后二次電流近似為零，這樣在電流互感器飽和后，二次電流在飽和點被分為非飽和區和飽和區。圖3所示，根據繼電保護差動設置的原理，嚴重電流互感器飽和一般發生在1/4周波之前，而差動保護采用的有效數據一般多于1/4周波，即差動保護出口一般在1/4周波之后，電流互感器飽和與差動出口不同步發生，即存在時間差，利用時差法可以先行可靠的鑒別出電流互感器是否飽和，然后再決定差動保護的動作行為。
一種繼電保護用時差法電流互感器嚴重飽和的判別方法，其特征是a、將每個電流周波分成N個采樣點，采集被保護元件兩側電流互感器二次電流，并進行模數轉換后得到各采樣點的電流i1p，i2p(p＝0，1，...，N-1，即取樣點數為N點)。設定以被保護元件兩側為非極性端，i1表示保護元件一側輸入性采樣電流各電流互感器二次電流之和，i2表示被保護元件另一側輸出性采樣電流各電流互感器二次電流之和。
b、按下式計算過零點后電流互感器飽和點n點前的差動電流iDn、制動電流iRn和飽和點n點后m點的差動電流iDm、制動電流iRm。iDn=Σ0Nn|i1n+i2n|,]]>iDm=ΣNnNm|i1m+i2m|]]>iRn=Σ0Nn|i1n-i2n|,]]>iRm=ΣNnNm|i1m-i2m|]]>
其中m＞n，Nn，Nm分別表示采樣周期N點中的n，m點，嚴重CT飽和時，取0＜Nn＜N/4，N/4＜Nm≤N/2。
c、將計算所得的iDn、iRn、iDm、iRm按下述公式進行計算后得到判別公式iDn/iRn＜k……(1)iDm/iRm＝k1……(2)iRn＞I0，iRm＞I0……(3)式中k、k1為常數，k的取值范圍為0.2～0.5，k1的取值范圍為0.8～1.0，I0為固定門檻值，通常取I0＝0.1～0.2倍額定電流；d、判別方法如果滿足式(1)、(2)、(3)的條件，判定為區外故障電流互感器飽和，閉鎖差動保護，反之，不閉鎖差動保護。
過零點后電流互感器飽和起始點n點的確定是在用常規電流突變判據判定電力系統有擾動的前提下，即保護有啟動后按下式確定或采用其它如小波變換等方法確定(iФ(n)-iФ(n-1))/dt*(iФ(n+1)-iФ(n))/dt＜0 and|(iФ(n)-iФ(n-1))/dt-(iФ(n+1)-iФ(n))/dt|＞K0式中iФ飽和相的電流，K0為設定的常數。如果上式成立，則n點即為電流互感器飽和起始點。
常規電流突變判據(即保護啟動)的表達式為|(ia，b，cΦ(n)-ia，b，cΦ(n-N))-(ia，b，cΦ(n-N)-ia，b，cΦ(n-2N))|＞I0式中ia，b，cФ表示每相的電流，n為當前采樣點，N為一個采樣同期中的采樣點數，I0為設定的啟動門檻電流，I0＝0.1～0.2倍額定電流；如果上式成立，則判定電力系統有擾動，則繼電保護啟動，啟動后則可以利用電流躍變微分法或小波變換法尋找飽和起始點n。
本發明的有益效果1.可以可靠、靈敏的區分嚴重的電流互感器飽和，飽和時間可以小到2ms。
2.提高繼電保護的可靠性，區外故障可靠制動，區內故障可靠動作。
3.本判據不受電流互感器斷線的影響，如果電流互感器斷線，判據自然不滿足，根據電流互感器斷線的判據，可以選擇差動保護的動作行為。
圖2是本發明的電流互感器的等效圖。圖中i1’表示CT一次電流，i2’表示CT二次電流。
圖3是本發明的CT飽和的一次和二次電流，圖中i1表示保護體一側CT二次電流，i2表示保護體另一側CT二次電流(飽和)。
圖4是本發明的區外故障兩側電流及差流波形。
圖5是本發明的區內故障兩側電流及差流波形。
一種繼電保護用時差法電流互感器嚴重飽和的判別方法，其判別過程如下a、將每個電流周波分成N個采樣點，采集被保護元件兩側電流互感器二次電流，并進行模數轉換后得到各采樣點的電流i1p，i2p(p＝0，1，...，N-1)。設定以被保護元件兩側為非極性端，i1表示保護元件一側輸入性采樣電流各電流互感器二次電流之和，i2表示被保護元件另一側輸出性采樣電流各電流互感器二次電流之和。
b、按下式計算過零點后電流互感器飽和點n點前的差動電流iDn、制動電流iRn和飽和點n點后m點的差動電流iDm、制動電流iRm。iDn=Σ0Nn|i1n+i2n|,]]>iDm=ΣNnNm|i1m+i2m|]]>iRn=Σ0Nn|i1n-i2n|,]]>iRm=ΣNnNm|i1m-i2m|]]>其中m＞n，Nn，Nm分別表示采樣周期N點中的n，m點，嚴重CT飽和時，取0＜Nn＜N/4，N/4＜Nm≤N/2。
c、將計算所得的iDn、iRn、iDm、iRm按下述公式進行計算后得到判別公式iDn/iRn＜k……(1)iDm/iRm＝k1……(2)iRn＞I0，iRm＞I0……(3)式中k、k1為常數，k的取值范圍為0.2～0.5，k1的取值范圍為0.8～1.0，I0為固定門檻值，通常取I0＝0.1～0.2倍額定電流；d、判別方法如果滿足式(1)、(2)、(3)的條件，判定為區外故障電流互感器飽和，閉鎖差動保護，反之，不閉鎖差動保護。
過零點后電流互感器飽和起始點n點的確定是在用常規電流突變判據判定電力系統有擾動的前提下，即保護有啟動后按下式確定或采用其它如小波變換等方法確定
(iФ(n)-iФ(n-1))/dt*(iФ(n+1)-iФ(n))/dt＜0 and|(iФ(n)-iФ(n-1)/dt-(iФ(n+1)-iФ(n))/dt|＞K0式中iФ飽和相的電流，K0為設定的常數。如果上式成立，則n點即為電流互感器飽和起始點，n為小于1/4N的數。
常規電流突變判據(即保護啟動)的表達式為|(ia，b，cΦ(n)-ia，b，cΦ(n-N))-(ia，b，cΦ(n-N)-ia，b，cΦ(n-2N))|＞I0式中ia，b，cФ表示每相的電流，n為當前采樣點，N為一個采樣同期中的采樣點數，I0為設定的啟動門檻電流，I0＝0.1～0.2倍額定電流；如果上式成立，則判定電力系統有擾動，則繼電保護啟動，啟動后則可以利用電流躍變微分法或小波變換法尋找飽和起始點n。
具體例1、利用硬件平臺，從被保護設備各側用電流互感器取系統的電流，經過繼電保護裝置的數據采集系統，進行模數(A/D)變換，得到各采樣點的電流i1p，i2p(p＝0，1，...，N-1)。設定以被保護元件兩側為非極性端，i1表示保護元件一側輸入性采樣電流各電流互感器二次電流之和，i2表示被保護元件另一側輸出性采樣電流各電流互感器二次電流之和。
2、用采集的電流，按照公式|(ia，b，cΦ(n)-ia，b，cΦ(n-N))-(ia，b，cΦ(n-N)-ia，b，cΦ(n-2N))|＞I0來判定電力系統是否發生故障或擾動，此處設系統的額定電流為5安培，則取I0＝1.0A，如果公式成立，則可確定電力系統發生故障或擾動(即保護啟動)，則進入故障處理程序。由于繼電保護均采用實時數據采集方法，在每采集點n點立即按公式(iФ(n)-iФ(n-1))/dt*(iФ(n+1)-iФ(n))/dt＜0 and|(iФ(n)-iФ(n-1))/dt-(iФ(n+1)-iФ(n))/dt|＞K0(K0＝0.3～0.5之間的任意數)進行計算該點的前一點(n-1)前后的微分變化，判別電流是否發生突變，當然也可以小波變換的方法判別電流是否發生突變。如果電流有突變，則按下式計算電流互感器飽和起始點n點前的差動電流iDn、制動電流iRn和飽和點n點后m點的差動電流iDm、制動電流iRm作為CT飽和的判據依據。iDn=Σ0Nn|i1n+i2n|,]]>iDm=ΣNnNm|i1m+i2m|]]>iRn=Σ0Nn|i1n-i2n|,]]>iRm=ΣNnNm|i1m-i2m|]]>其中m＞n，Nn，Nm分別表示采樣周期N點中的n，m點，嚴重CT飽和時，取0＜Nn＜N/4，N/4＜Nm≤N/2。具體實施時可設定N＝20，m＝10，而n點的具體數值由計算所得，且n必須小于m，由此Nm＝10，Nn也由計算所得。
3、按照傳統的差動判別方法，如果CT飽和后，滿足差動保護動作的條件，設置差動動作的標志。如母差保護采用采樣值比例差動，邏輯如下IRID>k′]]>IR表示制動電流，ID表示動作電流，k’表示制動比系數。
4、就計算的飽和點前后的差流和制動電流按照下述公式進行判定iDn/iRn＜k ……(1)iDm/iRm＝k1……(2)iRn＞I0，iRm＞I0……(3)式中k、k1為常數，k＝0.2，k1＝0.9，I0為固定門檻值，I0＝1.0A，m＝10，n＝3；如果上述式(1)、(2)、(3)同時成立，則可判定為區外故障CT飽和，閉鎖差動保護，差動動作標志無效，反之，不閉鎖差動保護，差動動作標志有效，其差動保護邏輯圖如

圖1所示。
利用上述判據可以可靠靈敏的區分出發生區內外故障的嚴重CT飽和，一般發生1/4周波內的嚴重CT飽和均可以可靠靈敏的區分，可以區分出最小飽和時間達到2ms的嚴重CT飽和，1/4周波后的CT飽和，一般利用差動比例制動就可以抑制，無需上述判據。
利用飽和點前后的動作電流和制動電流的關系不同，以及差動保護判據動作時間與飽和點時間之間存在的時差，可以有效的區分較為嚴重的CT飽和故障，利用此判據可以在變壓器發生不同類型的故障時決定繼電保護差動保護的動作行為。在電力系統應用時，由于母線故障時的短路電流較大，發生嚴重故障的幾率較高，所以本判據在電力系統繼電保護的母線差動保護具有較高的應用價值，在其它電力系統設備保護中，發生嚴重CT飽和的故障同樣具有較高的價值。
本發明在實施時，應用于反應各側差流變化的差動保護，與其它保護如差動保護、后備保護、速斷保護等可以構成完成可靠的繼電保護。
實施本判據對電力系統的一次設備與二次設備均有一定的要求。
1、一次設備CT具有可靠的傳變性，在飽和前能夠線性傳變電流，并具有很小的誤差。
2、二次設備繼電保護裝置要具有較高的采樣精度和計算精度，由于CT飽和越嚴重，過零點后非飽和區有效的數據很小，在采樣精度高的情況下，如果計算精度也比較高，不會影響公式(1)、(2)、(3)的準確性。如果采樣精度和計算精度更高，可以反應出更小飽和時間(飽和時間小于2ms)的嚴重CT飽和。
利用此項發明技術的CT飽和判別，可以靈敏、可靠的區分出區內外故障引起的CT飽和，提高繼電保護的差動保護可靠性。
權利要求
1.一種繼電保護用時差法電流互感器嚴重飽和的判別方法，其特征是a、將每個電流周波分成N個采樣點，采集被保護元件兩側電流互感器二次電流，并進行模數轉換后得到各采樣點的電流i1p，i2p(p＝0，1，...，N-1)。設定以被保護元件兩側為非極性端，i1表示保護元件一側輸入性采樣電流各電流互感器二次電流之和，i2表示被保護元件另一側輸出性采樣電流各電流互感器二次電流之和。b、按下式計算過零點后電流互感器飽和點n點前的差動電流iDn、制動電流iRn和飽和點n點后m點的差動電流iDm、制動電流iRm。iDn=Σ0Nn|i1n+i2n|,]]>iDm=ΣNnNm|i1m+i2m|]]>iRn=Σ0Nn|i1n-i2n|,]]>iRm=ΣNnNm|i1m-i2m|]]>其中m＞n，Nm，Nm分別表示采樣周期N點中的n，m點，嚴重CT飽和時，取0＜Nn＜N/4，N/4＜Nm≤N/2。c、將計算所得的iDn、iRn、iDm、iRm按下述公式進行計算后得到判別公式iDn/iRn＜k ……(1)iDm/iRm＝k1……(2)iRn＞I0，iRm＞I0……(3)式中k、k1為常數，k的取值范圍為0.2～0.5，k1的取值范圍為0.8～1.0，I0為固定門檻值，通常取I0＝0.1～0.2倍額定電流；d、判別方法如果滿足式(1)、(2)、(3)的條件，判定為區外故障電流互感器飽和，閉鎖差動保護，反之，不閉鎖差動保護。
2.根據權利要求1所述的繼電保護用時差法電流互感器嚴重飽和的判別方法，其特征是所述的過零點后電流互感器飽和起始點n點的確定是在用常規電流突變判據判定電力系統有擾動的前提下，采用某相電流躍變微分法確定飽和點n，其公式為(iФ(n)-iФ(n-1))/dt*(iФ(n+1)-iФ(n))/dt＜0 and|(iΦ(n)-iФ(n-1)/dt-(iΦ(n+1)-iФ(n))/dt|＞K0式中iФ飽和相的電流，K0為設定的常數。如果上式成立，則n點即為電流互感器飽和起始點。
3.根據權利要求1或2所述的繼電保護用時差法電流互感器嚴重飽和的判別方法，其特征是所述的過零點后電流互感器飽和起始點n點的確定是在用常規電流突變判據判定電力系統有擾動的前提下，除了用前面的電流躍變微分法外，也可以采用小波變換法尋求突變點(即飽和起始點n點)的確定。
4.根據權利要求1、2或3所述的繼電保護用時差法電流互感器嚴重飽和的判別方法，判別各側電流每相是否發生突變，其特征是所述的常規電流突變判據的表達式為|(ia，b，cΦ(n)-ia，b，cΦ(n-N))-(ia，b，cΦ(n-N)-ia，b，cΦ(n-2N))|＞I0式中ia，b，cФ表示每相的電流，n為當前采樣點，N為一個采樣同期中的采樣點數，I0為設定的啟動門檻電流，I0＝0.1～0.2倍額定電流；如果上式成立，則判定電力系統有擾動，則繼電保護啟動，啟動后則可以按權利要求2、3的電流躍變微分法或小波變換法尋找飽和起始點n。
全文摘要
本發明公開了一種繼電保護用時差法電流互感器嚴重飽和的判別方法，可以區分較為嚴重的CT飽和，由于CT飽和時的飽和點把二次電流分成非飽和區及飽和區，非飽和區和飽和區的差動電流、制動電流的關系不同，可以識別出飽和時間達到2ms的嚴重CT飽和。利用嚴重CT飽和時的飽和時刻和差動保護判別的出口時刻存在時間差，即“時差法”可以靈敏、可靠的區分出區內外故障引起的CT飽和，決定是否閉鎖差動保護，提高差動保護的可靠性。
文檔編號H02H3/26GK1474489SQ0313228
公開日2004年2月11日 申請日期2003年8月8日 優先權日2003年8月8日
發明者趙永彬 申請人:國電南京自動化股份有限公司