一种用于电流互感器直流偏磁的补偿方法、装置及系统与流程

1.本发明涉及直流偏磁的补偿技术领域，特别是涉及一种用于电流互感器直流偏磁的补偿方法、装置及系统。


背景技术：

2.随着特高压直流输电工程的建设，中国电网呈现出交直流混联大电网形态。当直流输电运行于单极大地回线或双极不平衡运行方式时，会有高达数千安培的直流电流流入大地，部分直流电流流经中性点接地的电力变压器在交流系统中形成回路，从而在变压器和电流互感器中产生直流偏磁。
3.正常运行时电流互感器工作在线性区，励磁电流i0很小，可认为一次侧电流和二次侧电流之比等于匝数比，通过测量二次侧的小电流即可获得一次侧电流的信息。当电流互感器一次电流存在直流分量时，直流分量产生偏置磁通，改变电流互感器的工作点，易使电流互感器发生饱和，二次侧电流发生畸变。此时若依旧按匝数比关系去计算一次侧电流，会导致测量误差变大，不满足原有的测量精度要求。因此，研究电流互感器直流偏磁的补偿方式具有重要的现实意义。
4.目前电流互感器直流偏磁的补偿方法主要有两种，一种是计算直流偏磁时材料的磁化曲线，由一次侧产生的磁通密度b和磁滞曲线得到磁场强度h，计算励磁电流i0，最后通过数字算法对二次电流进行校正；一种是提取二次电流的二次侧谐波含量进行电流互感器饱和程度的判断，通过建立二次侧电流二次谐波含量与一次侧直流大小之间的关系，通过外部电路的压控电流源产生大小相等、方向相反的直流电流，消除直流磁势来达到补偿的目的。
5.对于计算材料直流偏磁时的磁化曲线，需要对电流互感器建立磁场模型(j-a模型或preisach模型)，寻找电流互感器铁心的工作点并进行是否饱和的判断。电流互感器的磁场模型公式复杂，需要求解微分方程，且参数难以准确确定，流程复杂计算繁琐，且不同直流分量大小对应不同的磁化曲线，实际电力系统中直流分量并不是恒定不变的值，直流分量一旦变化，磁化曲线需要重新计算，难以适应于实际工程。
6.对于提取二次侧电流二次谐波大小，需要连接复杂的外部电路，包括标准阻抗变换器、相敏检波电路、若干滤波器和负反馈控制电路等，结构复杂且成本较高。并且由于基波和二次谐波的频率接近，难以通过简单的滤波装置将二者分离，加上实际电力系统中本身存在少量的二次谐波，难以建立二次侧二次谐波含量与一次侧直流分量大小之间的准确关系，进而影响直流偏磁补偿的精度。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于，提出一种用于电流互感器直流偏磁的补偿方法、装置及系统，解决如何更简单的消除电流互感器中的直流磁势，提高电流互感器工作精度的技术问题。
8.一方面，提供一种用于电流互感器直流偏磁的补偿方法，包括：
9.采集所述电流互感器中二次侧电流波形数据，并根据所述二次侧电流波形数据确定二次侧电流偏置度；其中，所述二次侧电流偏置度用衡量二次电流波形偏离预设的时间轴的程度；
10.通过预先建立的一次侧直流分量与二次侧电流的偏离关系模型根据二次侧电流偏置度确定一次侧直流分量；其中，所述偏离关系模型记录一次侧直流分量与对应时间轴的二次侧电流的偏置度；
11.根据所述一次侧直流分量控制所述电流互感器中压控电流源产生反向的直流消除偏磁。
12.优选地，还包括：
13.当采集所述二次侧电流波形数据后，经过预设的信号变换器转换为电压信号，并通过预设的滤波器滤除所述电压信号中的高次谐波分量和高频干扰信号，以及将滤波后的电压信号按照时间轴组成二次侧电流偏置度。
14.优选地，所述根据所述二次侧电流波形数据确定二次侧电流偏置度包括：
15.根据以下公式计算二次侧电流偏置度：
[0016][0017]
其中，δ为二次电流偏置度，i2为二次侧电流的瞬时值。
[0018]
优选地，所述预先建立的一次侧直流分量与二次侧电流的偏离关系模型通过以下过程获取：
[0019]
在一次侧通过交直流电源施加额定的基波电流，对所述一次侧叠加直流分量并不断改变直流分量的大小；
[0020]
多次模拟电流互感器实际运行环境中直流分量，并采集每次模拟中该直流分量对应的二次侧电流的偏置度数据；
[0021]
将所述二次侧电流的偏置度数据与对应时间轴上的一次侧直流分量组合成偏离关系模型。
[0022]
另一方面，还提供一种用于电流互感器直流偏磁的补偿装置，用以实现所述的用于电流互感器直流偏磁的补偿方法，包括：
[0023]
偏置度计算模块，用于采集所述电流互感器中二次侧电流波形数据，并根据所述二次侧电流波形数据确定二次侧电流偏置度；其中，所述二次侧电流偏置度用衡量二次电流波形偏离预设的时间轴的程度；
[0024]
直流分量计算模块，用于通过预先建立的一次侧直流分量与二次侧电流的偏离关系模型根据二次侧电流偏置度确定一次侧直流分量；其中，所述偏离关系模型记录一次侧直流分量与对应时间轴的二次侧电流的偏置度；
[0025]
消磁模块，用于根据所述一次侧直流分量控制所述电流互感器中压控电流源产生反向的直流消除偏磁。
[0026]
优选地，所述偏置度计算模块具体用于，当采集所述二次侧电流波形数据后，经过预设的信号变换器转换为电压信号，并通过预设的滤波器滤除所述电压信号中的高次谐波分量和高频干扰信号，以及将滤波后的电压信号按照时间轴组成二次侧电流偏置度。
[0027]
优选地，所述偏置度计算模块还用于，根据以下公式计算二次侧电流偏置度：
[0028][0029]
其中，δ为二次电流偏置度，i2为二次侧电流的瞬时值。
[0030]
优选地，还包括：
[0031]
偏离关系模型建立模块，用于在一次侧通过交直流电源施加额定的基波电流，对所述一次侧叠加直流分量并不断改变直流分量的大小；
[0032]
多次模拟电流互感器实际运行环境中直流分量，并采集每次模拟中该直流分量对应的二次侧电流的偏置度数据；
[0033]
将所述二次侧电流的偏置度数据与对应时间轴上的一次侧直流分量组合成偏离关系模型。
[0034]
另一方面，还提供一种用于电流互感器直流偏磁的补偿系统，通过用于电流互感器直流偏磁的补偿装置实现电流互感器直流偏磁的补偿。
[0035]
综上，实施本发明的实施例，具有如下的有益效果：
[0036]
本发明提供的用于电流互感器直流偏磁的补偿方法、装置及系统，使用二次侧电流偏置度反映一次侧直流分量大小，指标简单有效，不需要在一次侧额外加装测量装置。通过压控电流源产生反向直流电流，消除电流互感器中的直流磁势，提高电流互感器工作精度，从本质上消除直流偏磁的影响。装置实时在线工作，可根据一次侧不同的直流含量提供相应的补偿。在线补偿避免了算法补偿在建模、数据处理和算法编写的繁琐和困难。
附图说明
[0037]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。
[0038]
图1为本发明实施例中一种电流互感器的结构示意图。
[0039]
图2为本发明实施例中一种磁化曲线的示意图。
[0040]
图3为本发明实施例中一种用于电流互感器直流偏磁的补偿方法的主流程示意图。
[0041]
图4为本发明实施例中直流偏磁实验示意图。
[0042]
图5为本发明实施例中pscad仿真模型示意图。
[0043]
图6为本发明实施例中额定状态下的二次侧电流波形。
[0044]
图7为本发明实施例中叠加直流分量后的二次侧电流波形。
[0045]
图8为本发明实施例中三次样条插值结果。
[0046]
图9为本发明实施例中补偿前后二次侧电流波形。
[0047]
图10为本发明实施例中一种用于电流互感器直流偏磁的补偿装置的示意图。
具体实施方式
[0048]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
[0049]
如图1所示电流互感器的原理结构，如图2所示铁心材料的磁化曲线，电流互感器工作时，铁心中存在磁通密度b，根据材料的磁化曲线对应磁场强度h。
[0050]
根据安培环路定律：
[0051]
hl＝n1i
1-n2i2[0052]
式中，n1为一次侧匝数，n2为二次侧匝数；i1为一次侧电流，i2为二次侧电流；l为电流互感器磁路的平均长度。
[0053]
由上式和磁化曲线可知，磁通密度b过大时，对应进入磁化曲线的非线性区，即电流互感器进入饱和。由于此时b-h曲线斜率很小，磁通密度b的少许变化会导致磁场强度较大的变化。磁场强度越大，励磁电流越大，一次侧与二次侧电流的差也越大，加上磁化曲线的非线性，二次侧电流波形易发生畸变。
[0054]
在稳态情况下，一次侧的基波或谐波产生的磁通为正弦波形，关于时间轴对称，材料的磁化回线同样具有对称性。若是因为基波或谐波幅值过大，产生的磁通密度b过大而进入饱和区，此时二次侧电流也会发生畸变，但是由于关于时间轴的对称性，畸变的二次侧电流也具有正负半周波形对称的特点。
[0055]
直流分量的存在使原有正弦的磁通密度波形产生正向或反向的偏移，相当于改变原有对称的工作点，破坏了关于时间轴对称的特性。以存在正方向的直流偏置磁通φ
dc
为例分析，一次侧电流处于正方向的半个周波产生的磁通密度b
+
将与φ
dc
叠加，铁芯实际工作磁通增加进入饱和区；对于负半轴的一次侧电流则起到去磁作用，此时负半轴仍工作于线性区。正向直流分量越大，正半周的工作磁通越容易进入材料磁化曲线的非线性区，在铁心中产生较大的磁场强度h。根据安培环路定律，磁场强度越大，励磁电流i0越大，二次电流正半周出现尖峰，波形发生严重畸变。负半周仍处于线性区，波形不发生畸变，仍是完整正弦波形的一部分，向正方向平移。
[0056]
由上述分析可知，直流分量越大，工作点偏移程度越大，波形越偏离时间轴，且偏离程度与直流分量大小是一一对应的单调递增函数关系。若能定义波形的偏离程度，建立起与一次侧直流分量大小的关系，则可以通过定义的偏离程度反过来确定一次侧直流分量的大小。
[0057]
如图3所示，为本发明提供的一种用于电流互感器直流偏磁的补偿方法的一个实施例的示意图。在该实施例中，所述方法包括以下步骤：
[0058]
步骤s1，采集所述电流互感器中二次侧电流波形数据，并根据所述二次侧电流波形数据确定二次侧电流偏置度；其中，所述二次侧电流偏置度用衡量二次电流波形偏离预设的时间轴的程度；也就是，二次侧电流信号经过标准信号变换器转换为电压信号，方便后续对信号进行处理和运算。电压信号通过低通滤波器滤除高次谐波分量和高频干扰信号，在负反馈控制环节中计算偏置度，查表得出直流分量大小，并控制压控电流源产生相等的反向直流，通过二次的补偿绕组消除直流磁势，达到补偿校正的效果。
[0059]
具体实施例中，当采集所述二次侧电流波形数据后，经过预设的信号变换器转换为电压信号，并通过预设的滤波器滤除所述电压信号中的高次谐波分量和高频干扰信号，以及将滤波后的电压信号按照时间轴组成二次侧电流偏置度。
[0060]
具体地，根据以下公式计算二次侧电流偏置度：
[0061][0062]
其中，δ为二次电流偏置度，i2为二次侧电流的瞬时值。定义二次电流偏置度δ，衡量二次电流波形偏离时间轴的程度。
[0063]
步骤s2，通过预先建立的一次侧直流分量与二次侧电流的偏离关系模型根据二次侧电流偏置度确定一次侧直流分量；其中，所述偏离关系模型记录一次侧直流分量与对应时间轴的二次侧电流的偏置度；也就是，一次侧直流分量大小与二次侧电流偏离程度关系的建立需要事先进行实验获取数据，并对数据进行拟合。
[0064]
具体实施例中，所述预先建立的一次侧直流分量与二次侧电流的偏离关系模型通过以下过程获取：在一次侧通过交直流电源施加额定的基波电流，对所述一次侧叠加直流分量并不断改变直流分量的大小；多次模拟电流互感器实际运行环境中直流分量，并采集每次模拟中该直流分量对应的二次侧电流的偏置度数据；将所述二次侧电流的偏置度数据与对应时间轴上的一次侧直流分量组合成偏离关系模型。可理解的，直流偏磁实验示意图如图4所示，一次侧通过交直流电源施加额定的基波电流叠加直流分量，改变直流分量的大小，覆盖电流互感器实际运行环境中直流分量的变化范围，获取二次电流的波形和数据。
[0065]
其中，使用分段三次样条函数进行插值，拟合二次电流偏置度与直流分量大小的关系，直流分量用直流占一次侧额定电流的百分比表征。
[0066]
设在区间[a,b]上给定n+1个节点xi，满足a＝x0《x1《
…
《xn＝b，在节点xi处的函数值为yi＝f(xi)。若函数s(x)满足三个条件：
[0067]
1、在每个子区间[x
i-1
,xi]上，s(x)是三次多项式
[0068]
2、s(xi)＝yi[0069]
3、在区间[a,b]上，s(x)的二阶导数连续
[0070]
则称s(x)为函数y＝f(x)在区间[a,b]上的三次样条插值函数。s(x)的表达式为：
[0071][0072]
式中，hi＝x
i+1-xi。
[0073]
进行三次样条插值需要求解三弯矩方程：
[0074]
μim
i-1
+2mi+λim
i+1
＝di,i＝1,
…
,n-1
[0075]
式中，
[0076]
步骤s3，根据所述一次侧直流分量控制所述电流互感器中压控电流源产生反向的直流消除偏磁。也就是，2.通过压控电流源产生反向直流电流，消除电流互感器中的直流磁势，提高电流互感器工作精度，从本质上消除直流偏磁的影响。
[0077]
本实施例中，通过仿真实例验证该方法的有效性。在pscad平台搭建仿真模型，如图5所示。电流互感器的参数：n1＝20，n2＝200，l＝637.7mm，s＝2601mm2；初级额定电流为in＝2000a，基波频率f＝50hz；二次负荷r2＝0.5ω，l＝0.8mh。
[0078]
额定状态下，二次侧电流波形如图6所示。在一次侧叠加5％、10％的直流分量，二次侧电流波形如图7所示。可以看出，叠加直流分量之后二次侧电流发生畸变且偏离时间轴，直流分量越大，波形畸变约严重，整体偏离时间轴的程度越大。在直流含量1％～20％范围内，每隔1％进行一次仿真实验，计算该直流分量下的偏置度，使用分段三次样条进行插值，结果如图8所示。随机在一次侧叠加0％～20％范围的直流分量，按步骤进行补偿。补偿前后的二次侧电流波形如图9所示。补偿前电流互感器的比差为-10.3％，角差为115.9’，补偿后比差为0.17％，角差为1.32’，可以看出，该方法具有较好的直流偏磁补偿效果。
[0079]
本发明具体的实施中，如图10所示，还提供一种用于电流互感器直流偏磁的补偿装置，用以实现所述用于电流互感器直流偏磁的补偿方法，包括：
[0080]
偏置度计算模块，用于采集所述电流互感器中二次侧电流波形数据，并根据所述二次侧电流波形数据确定二次侧电流偏置度；其中，所述二次侧电流偏置度用衡量二次电流波形偏离预设的时间轴的程度；
[0081]
直流分量计算模块，用于通过预先建立的一次侧直流分量与二次侧电流的偏离关系模型根据二次侧电流偏置度确定一次侧直流分量；其中，所述偏离关系模型记录一次侧直流分量与对应时间轴的二次侧电流的偏置度；
[0082]
消磁模块，用于根据所述一次侧直流分量控制所述电流互感器中压控电流源产生反向的直流消除偏磁。
[0083]
具体实施例中，所述偏置度计算模块具体用于，当采集所述二次侧电流波形数据后，经过预设的信号变换器转换为电压信号，并通过预设的滤波器滤除所述电压信号中的高次谐波分量和高频干扰信号，以及将滤波后的电压信号按照时间轴组成二次侧电流偏置度。所述偏置度计算模块还用于，根据以下公式计算二次侧电流偏置度：
[0084][0085]
其中，δ为二次电流偏置度，i2为二次侧电流的瞬时值。
[0086]
具体地，还包括：
[0087]
偏离关系模型建立模块，用于在一次侧通过交直流电源施加额定的基波电流，对所述一次侧叠加直流分量并不断改变直流分量的大小；
[0088]
多次模拟电流互感器实际运行环境中直流分量，并采集每次模拟中该直流分量对应的二次侧电流的偏置度数据；
[0089]
将所述二次侧电流的偏置度数据与对应时间轴上的一次侧直流分量组合成偏离关系模型。
[0090]
本发明具体的实施中，还提供一种用于电流互感器直流偏磁的补偿系统，通过用于电流互感器直流偏磁的补偿装置实现电流互感器直流偏磁的补偿。
[0091]
需说明的是，上述实施例所述系统、装置与上述实施例所述方法对应，因此，上述实施例所述系统、装置未详述部分可以参阅上述实施例所述方法的内容得到，此处不再赘述。
[0092]
综上，实施本发明的实施例，具有如下的有益效果：
[0093]
本发明提供的用于电流互感器直流偏磁的补偿方法、装置及系统，使用二次侧电流偏置度反映一次侧直流分量大小，指标简单有效，不需要在一次侧额外加装测量装置。通
过压控电流源产生反向直流电流，消除电流互感器中的直流磁势，提高电流互感器工作精度，从本质上消除直流偏磁的影响。装置实时在线工作，可根据一次侧不同的直流含量提供相应的补偿。在线补偿避免了算法补偿在建模、数据处理和算法编写的繁琐和困难。
[0094]
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

技术特征：
1.一种用于电流互感器直流偏磁的补偿方法，其特征在于，包括：采集所述电流互感器中二次侧电流波形数据，并根据所述二次侧电流波形数据确定二次侧电流偏置度；其中，所述二次侧电流偏置度用衡量二次电流波形偏离预设的时间轴的程度；通过预先建立的一次侧直流分量与二次侧电流的偏离关系模型根据二次侧电流偏置度确定一次侧直流分量；其中，所述偏离关系模型记录一次侧直流分量与对应时间轴的二次侧电流的偏置度；根据所述一次侧直流分量控制所述电流互感器中压控电流源产生反向的直流消除偏磁。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：当采集所述二次侧电流波形数据后，经过预设的信号变换器转换为电压信号，并通过预设的滤波器滤除所述电压信号中的高次谐波分量和高频干扰信号，以及将滤波后的电压信号按照时间轴组成二次侧电流偏置度。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述二次侧电流波形数据确定二次侧电流偏置度包括：根据以下公式计算二次侧电流偏置度：其中，δ为二次电流偏置度，i2为二次侧电流的瞬时值。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预先建立的一次侧直流分量与二次侧电流的偏离关系模型通过以下过程获取：在一次侧通过交直流电源施加额定的基波电流，对所述一次侧叠加直流分量并不断改变直流分量的大小；多次模拟电流互感器实际运行环境中直流分量，并采集每次模拟中该直流分量对应的二次侧电流的偏置度数据；将所述二次侧电流的偏置度数据与对应时间轴上的一次侧直流分量组合成偏离关系模型。5.一种用于电流互感器直流偏磁的补偿装置，用以实现如权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，包括：偏置度计算模块，用于采集所述电流互感器中二次侧电流波形数据，并根据所述二次侧电流波形数据确定二次侧电流偏置度；其中，所述二次侧电流偏置度用衡量二次电流波形偏离预设的时间轴的程度；直流分量计算模块，用于通过预先建立的一次侧直流分量与二次侧电流的偏离关系模型根据二次侧电流偏置度确定一次侧直流分量；其中，所述偏离关系模型记录一次侧直流分量与对应时间轴的二次侧电流的偏置度；消磁模块，用于根据所述一次侧直流分量控制所述电流互感器中压控电流源产生反向的直流消除偏磁。6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述偏置度计算模块具体用于，当采集所述
二次侧电流波形数据后，经过预设的信号变换器转换为电压信号，并通过预设的滤波器滤除所述电压信号中的高次谐波分量和高频干扰信号，以及将滤波后的电压信号按照时间轴组成二次侧电流偏置度。7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述偏置度计算模块还用于，根据以下公式计算二次侧电流偏置度：其中，δ为二次电流偏置度，i2为二次侧电流的瞬时值。8.如权利要求5-7任一项所述的装置，其特征在于，还包括：偏离关系模型建立模块，用于在一次侧通过交直流电源施加额定的基波电流，对所述一次侧叠加直流分量并不断改变直流分量的大小；多次模拟电流互感器实际运行环境中直流分量，并采集每次模拟中该直流分量对应的二次侧电流的偏置度数据；将所述二次侧电流的偏置度数据与对应时间轴上的一次侧直流分量组合成偏离关系模型。9.一种用于电流互感器直流偏磁的补偿系统，其特征在于，通过如权利要求5-8任一项用于电流互感器直流偏磁的补偿装置实现电流互感器直流偏磁的补偿。

技术总结
本发明提供一种用于电流互感器直流偏磁的补偿方法、装置及系统，包括，采集所述电流互感器中二次侧电流波形数据，并根据所述二次侧电流波形数据确定二次侧电流偏置度；所述二次侧电流偏置度用衡量二次电流波形偏离预设的时间轴的程度；通过预先建立的一次侧直流分量与二次侧电流的偏离关系模型根据二次侧电流偏置度确定一次侧直流分量；所述偏离关系模型记录一次侧直流分量与对应时间轴的二次侧电流的偏置度；根据所述一次侧直流分量控制所述电流互感器中压控电流源产生反向的直流消除偏磁。本发明使用二次侧电流偏置度反映一次侧直流分量大小，不需要在一次侧额外加装测量装置，避免算法补偿在建模、数据处理和算法编写的繁琐和困难。的繁琐和困难。的繁琐和困难。


技术研发人员：陈迁 范小飞 李伟华 裘星 李鹏 江敏丰 黄泽盛 肖蓉雄
受保护的技术使用者：深圳供电局有限公司
技术研发日：2023.04.27
技术公布日：2023/7/25