基于波形特征差异的电流互感器拖尾电流识别算法的制作方法

本发明一种基于波形特征差异的电流互感器拖尾电流识别算法，属于电力系统继电保护领域。

背景技术：

当电力系统发生故障，继保装置确认故障后向相应的断路器发出跳闸命令，断路器跳开一次侧故障部分。经理论分析和现场情况验证，由于ct二次侧电流回路存在着电感元件，因此一小部分电能会被储存在电感元件中，当断路器断开时，ct此时的激磁绕组、二次侧绕组和ct所带二次负荷形成回路并释放储存在电流回路电感中的能量，故ct二次侧回路在断路器断开一次侧故障设备后依旧存在衰减的非周期直流分量，即拖尾电流。

当拖尾电流初始电流幅值较高，且ct二次侧的时间常数较大时可能会导致一些保护误判，如断路器失灵，扩大停电范围，对电力系统产生较大的影响(姜自强，刘建勇.南阳特高压断路器失灵保护研究[j].电力系统保护与控制，2015，43(12)：117-122.)。

目前，对于拖尾电流的识别方法，一般是对波形过零点进行检测，需要一周波的时间，识别时间较长，另外故障电流中非周期偏置电流一旦过大，就会使得故障电流波形在一周波甚至更长的时间不会过零点，ct装置存在的传变误差也可能会使得原本不过零点的拖尾电流出现过零点现象，最终导致波形过零点判据失效(吴娅妮，蒋卫平，王华伟，等.500kv交流线路断路器短路电流延时过零现象研究[j].电网技术，2013，37(01)：195-200.)。

为了消除拖尾电流导致失灵保护误动的影响，就必就必须有效、快速、可靠的识别出拖尾电流和故障电流。因此，针对电流互感器拖尾电流的识别亟待提出快速可靠的识别算法。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提出一种基于波形特征差异的电流互感器拖尾电流识别算法，通过对比时域中拖尾电流与故障电流在波形特点上的差异性，如：增减特性、凹凸特征、最值偏差、积分值差别等，构建拖尾电流识别判据。由于这个判据仅利用1/2周波数据窗，拖尾电流识别快速，同时能够克服传统拖尾电流识别判据的单一性，提高了拖尾电流识别的可靠性。

本发明采取的技术方案为：

基于波形特征差异的电流互感器拖尾电流识别算法，通过分析电流互感器拖尾电流波形特征，实时判断采样电流在1/2周波内的增减特性、凹凸特征、最值偏差、积分值差别，建立拖尾电流双重识别判据，实现拖尾电流的可靠识别。

所述拖尾电流识别算法包括确定采样电流的减-凹性判据、最值判据、半波积分值判据、综合判据。

基于波形特征差异的电流互感器拖尾电流识别算法，断路器接收到保护装置跳闸信号后，将电流互感器实时测量电流的前1/2工频周期内电流瞬时值依次求取绝对值，并记为i1，i2，...，in/2；此外，电流瞬时值序列做差分计算，y(j)＝i(j+[n/48])-i(j)，并记为y1，y2，...，yn/2，同时，搜索差分电流最大值为ymax＝max{y1，y2，...，yn/2}、最小值为ymin＝min{y1，y2，...，yn/2}。其中n为一个工频周期内的采样点数，j＝1,2,...,n/2。

减-凹性判据为：以i1，i2，...，in/2为对象，每三个连续采样点为一个区段，判断区段采样点的增减性i(j)>i(j+1)>i(j+2)>0、凹凸性其中j＝1,2,...,(n/2)-2；若其连续递减且呈凹特性的采样区段数超过设定阈值，设为(n-6)/6，则判定减-凹性标志η＝1，否则η＝0。

最值判据为：以i1，i2，...，in/2为对象，搜索电流最大值为imax＝max{i1，i2，...，in/2}、最小值为imin＝min{i1，i2，...，in/2}，计算最值偏差△i＝|i1-imax|+|in/2-imin|；若满足△i＝0，则判定满足最值判据。

半波积分值判据为：以y1，y2，...，yn/2为对象，计算半波积分值p，p＝y1+y2+...+yn/2；若满足p<pset，则判定满足半波积分值判据。其中pset＝(ymax+ymin)n/4，为半波积分门槛值。

综合判据为：综合减-凹性判据、最值判据、半波积分值判据结果，若满足η＝1或△i＝0，且p<pset成立，则判定此时电流互感器电流为拖尾电流，反之则为故障电流。

基于波形特征差异的电流互感器拖尾电流识别算法，包括以下步骤：

步骤1：当输电线路断路器接收到保护跳闸命令后，对采集电流实时信号的前1/2工频周期内电流瞬时值进行预处理。采用序列差分计算得到差分值序列，并搜索差分计算值序列的最大值和最小值。

步骤2：计算采样电流的最值偏差，构建最值判据。搜索计算值序列可得计算最大值和计算最小值，并设定计算值的第一个值为始值，最后一个计算值为末值。进而利用始值减去计算最大值与末值减去计算最小值的绝对值和，当其和值等于零时，满足最值判据。

步骤3：确定采样电流的增减性与凹凸性特征，构建减-凹性判据。针对计算值序列，按照每三个采样点为一个区段，判断每个区段采样点的增减性和凹凸性特性，若其连续递减且呈凹特性，即判定满足减-凹性判据。

步骤4：构建半波积分值判据。考虑到故障电流中可能存在着较大的非周期电流分量，严重时会使得故障电流完全偏移零轴上方，导致步骤2中最值判据失效。针对差分值序列，计算半波积分值，仅当积分值小于设定阈值时，判定满足半波积分值判据。

步骤5：综合减-凹性判据、最值判据、半波积分值判据结果，若满足减-凹性判据或最值判据任一判据，且半波积分值判据成立，则判定此时电流互感器电流为拖尾电流，否则判定为故障电流。

本发明一种基于波形特征差异的电流互感器拖尾电流识别算法，有益效果在于：

(1)：只需要利用高压输电线路电流互感器测量电流信息，无需其他参考量，所需电气量信息少，工程实用性强。

(2)：无需对瞬时电流采样值滤波或复杂信息处理，通过多重综合判据及其阈值设定具有较好的抗干扰性。

(3)：该发明具有双重拖尾电流识别判据，避免了仅判单调性带来的缺陷，可靠性更高。

附图说明

图1为拖尾电流与故障电流波形最值时刻差异性图。

图2(a)为拖尾电流与故障电流波形差异性图(拖尾电流初始值为正值)；

图2(b)为拖尾电流与故障电流波形差异性图(拖尾电流初始值为负值)。

图3为基于波形特征差异的电流互感器拖尾电流识别算法流程图。

图4为仿真验证系统图。

图5(a)为故障电流未饱和且断路器断开产生拖尾时的仿真结果图。

图5(b)为拖尾电流出现较小干扰时的仿真结果图。

图5(c)为故障电流未饱和且断路器未断开时的仿真结果图。

图5(d)为故障电流饱和且断路器未断开时的仿真结果图。

图5(e)为故障电流完全偏向零轴上方时的仿真结果图。

具体实施方式

本发明所提供的一种基于波形特征差异的电流互感器拖尾电流识别算法，具体包括以下步骤：

步骤1：当输电线路断路器接收到保护装置跳闸信号后，将电流互感器实时测量电流的前1/2工频周期内电流瞬时值依次求取绝对值，并记为计算值序列i1，i2，...，in/2；此外，电流瞬时值序列做差分计算，y(j)＝i(j+[n/48])-i(j)，并记为差分值序列y1，y2，...，yn/2，同时，搜索差分电流最大值为ymax＝max{y1，y2，...，yn/2}、最小值为ymin＝min{y1，y2，...，yn/2}。其中n为一个工频周期内的采样点数，j＝1,2,...,n/2。

步骤2：计算采样电流的最值偏差，构建最值判据。搜索计算值序列可得计算最大值和计算最小值，并设定计算值的第一个值为始值，最后一个计算值为末值。对比在此采样区间内拖尾电流和故障电流最大值和最小值出现时刻的差异性，几种典型的采样情况如图1所示。

当采样电流为拖尾电流时，其最值满足imax＝i(t1)、imin＝i(t2)。

当采样电流为故障电流时，一般情况，采样区间内采样值既有正值又有负值，和拖尾电流采样值均为正值或负值存在较大差异，这种故障电流容易辨识。特殊情况，故障电流采样值也可能出现均为正值或均为负值，如图1三种情况。故障电流1表示故障电流由于所含非周期分量电流为正，使得故障电流偏向0轴上方，此时采样点最大值产生时刻与第一采样值产生时刻为不同时刻，即imax≠i(t1)。同理可知故障电流2在取绝对值后，采样点最大值产生时刻与第一采样值产生时刻也为不同时刻。故障电流3是故障电流初期非周期分量电流过大，使得整个故障电流波形完全偏置于零轴一侧的情况，此时采样点的最大值和最小值产生时刻情况和拖尾电流相同，因此需要借助波形其他特征与拖尾电流进行区分。

在得到1/2周波内瞬时电流计算值序列后，可算出采样电流最大值为

imax＝max{i1，i2，...，in/2}(1)

采样电流最小值为

imin＝min{i1，i2，...，in/2}(2)

当采样电流为拖尾电流时，根据拖尾电流波形的特征可知，采样点将满足最值偏差

△i＝|i1-imax|+|in/2-imin|＝0(3)

步骤3：确定采样电流的增减性与凹凸性特征，构建减-凹性判据。当故障电流中的非周期直流分量电流不足以使整个故障波形处于0轴的上方，且拖尾电流的初始值为正时，其波形与故障电流波形的对比图如图2(a)所示。从图2(a)可以看出，拖尾电流呈指数型衰减，且其波形为凹型。而故障电流波形增减性和凹凸性仍以1/2周波呈周期性交替变化。将故障电流按照两个波谷之间的一个周波按图2(a)进行分区，这六个区域内，波形符合拖尾电流特征的区间只有⑤区，且⑤区所占的区间大小不超过1/4周波，因此可以根据此特征在任意一个1/4周波内将拖尾电流和故障电流区分开来，为防止故障电流的非周期分量电流过快速率的衰减使得故障波形凹凸性特征发生改变，同时也为了使判别结果更加可靠，将识别区间扩大到1/2周波。

同理，当拖尾电流的初始值为负时，其拖尾电流波形与故障电流波形的对比图如图2(b)所示。从图2(b)可以看出，拖尾电流的大小呈指数型衰减，并且其波形为凸型。将故障电流分成六个区间后，符合拖尾电流波形特征的区间只有②区间，且②区所占的区间大小不超过1/4周波。故无论拖尾电流初始值为正值还是负值，都可以根据此特征在任意一个1/2周波内将拖尾电流和故障电流区分开来。

根据拖尾电流的增减性和凹凸性特征，可得到在1/2周波内，拖尾电流采样值取绝对值后满足

递减性：i(j)>i(j+1)>i(j+2)>0(4)

呈凹性：

其中j＝1,2,...,(n/2)-2，若其连续递减且呈凹特性的采样区段数超过阈值，设为(n-6)/6，则判定减-凹性标志η＝1，否则η＝0。

步骤4：计算采样瞬时电流值的半波积分值，构建半波积分值比较判据。当采样电流恰好为图1所示故障电流3情况时，需要构建特殊判据才能与拖尾电流区分。考虑到故障电流中存在一定量的正弦电流分量，使得经差分后的故障采样电流仍存在不小值，而拖尾电流经差分后将几乎被滤掉，基于此规律，通过比较差分电流序列积分值，很容易区分故障电流与拖尾电流。

以y1，y2，...，yn/2为对象，计算半波积分值p，

p＝y1+y2+...+yn/2(6)

若满足p<pset，则判定满足半波积分值判据。其中pset＝(ymax+ymin)n/4，为半波积分门槛值；

步骤5：综合减-凹性判据、最值判据、半波积分值判据结果，若满足η＝1或△i＝0，且p<pset成立，则判定此时电流互感器电流为拖尾电流，反之则为故障电流。拖尾电流识别流程图如图3所示。

实施案例：

利用pscad/emtdc仿真软件中搭建图4所示的系统验证电力网络进行本发明成果验证。假设线路l1在0.1s时发生a相接地故障，断路器b2在0.2s时刻接收到跳闸命令，电流互感器ct二次侧电流额定值in为5a，ct二次侧时间常数为70ms，断路器b2动作时间90ms。实验分别模拟断路器b2正确跳开和失灵的情况下进行试验，实验得到拖尾电流半波识别法的仿真结果如表1所示。

表1拖尾电流发明算法识别法仿真结果

将上述5组实验得到的仿真波形结合传统法、发明算法的拖尾电流识别结果得到pscad仿真实验结果图如图5(a)、图5(b)、图5(c)所示。图5(a)、图5(b)、图5(c)中：a代表故障时刻，b代表断路器b2断开时刻，c代表传统法识别出拖尾电流时刻，d代表发明算法识别出拖尾电流时刻，5组实验各标志变位时刻如表2所示。

表2实验中各标志变位时刻

如图5(a)所示，a时刻，线路发生a相接地短路，b2在b时刻断开，产生拖尾电流。传统法和发明算法均在装置10ms延时内准确识别出拖尾电流。当拖尾电流受到干扰时，如图5(b)所示，采样电流未经滤波情况下，传统法无法准确识别出拖尾电流，而本发明算法能在较小干扰的情况下识别出拖尾电流。当二次侧采集的电流信息为故障电流时，如图5(c)、(d)、(e)所示，无论故障电流是否饱和、故障电流是否完全偏移零轴，发明算法均能够做到对拖尾电流不误判。