技术领域
[0001] 本
发明属于电
力系统安全运行技术领域，更具体地，涉及一种变压器中性点地电流抑制装置的自主投切方法。
背景技术
[0002] 进入二十一世纪以来，随着我国经济实力的迅速提升，具备安全、稳定、高效等特点的轨道交通作为一种新型的交通工具，在我国大中型城市得到了快速的发展。截止到2018年底，中国内地累计有35个城市建成轨道交通线路5766.6km。密集的轨道交通在运行过程中会产生变化频繁的含有直流以及
交流分量的杂散电流。目前轨道交通主要采用多脉波整流机组作为其牵引供电系统，根据现场测量数据，多脉波整流机组由于受限于变压器制作工艺导致绕组结构存在差异，会产生6次、12次、24次等6倍频及12倍频次谐波。对于多脉波整流，产生的单次谐波含量一般与谐波次数呈负相关。因此，轨道交通产生的谐波通常以6次及12次谐波为主。由于轨道交通用作回流的
钢轨对地处于不良绝缘状态，大地与钢轨构成并联回流路径，杂散电流从钢轨
泄漏至大地形成地电流，并经变电站交流变压器中性点入侵
电网系统。地电流的长期频繁入侵会造成交流变压器直流偏磁严重、振动和噪声增加、无功损耗增加、
电压波形畸变以及继电保护故障等严重情况，给电网设备及系统安全稳定运行带来了巨大威胁。
[0003] 目前用于抑制交流变压器中性点入侵地电流直流成分的主要手段大致分为五类。第一类为中性点
串联电容法；第二类为中性点串联
电阻法；第三类为反向注入电流法；第四类为交流
电路串联电容法；第五类为改变交流变压器内部结构法。由于第一类中性点串联电容法成本较低，可有效抑制地电流中的直流成分，因此应用较为广泛。对于地电流中的交流成分，目前市场上并没有成熟的抑制方法。与此同时，由于变电站交流变压器之间存在较为复杂的电气联结，在一台变压器中性点安装地电流抑制装置，虽然可以使入侵该台变压器中性点的地电流得到有效抑制，但是会加重其它变压器中性点地电流的入侵情况。同时，地电流抑制装置的投入会改变电路结构，大量投入会对继电保护的整定带来一定影响。因此，如何在不加重其它变压器中性点入侵地电流的情况下，投入较少的地电流抑制装置，对受地电流入侵严重的变压器进行地电流的有效抑制，是目前亟需解决的问题。
发明内容
[0004] 针对
现有技术的
缺陷，本发明的目的在于提供一种变压器中性点地电流抑制装置的自主投切方法，旨在在不加重其它变压器中性点入侵地电流的情况下，投入最少的地电流抑制装置，对中性点入侵地电流过大的变压器进行地电流抑制。
[0005] 为实现上述目的，本发明提供了一种变压器中性点地电流抑制装置的自主投切方法，包括：
[0006] 接收需要进行投切控制的区域内所有变压器中性点的电流数字
信号以及
开关状态信号；
[0007] 将电流
数字信号进行分解得到
直流分量和多次谐波分量，分别与其对应的预设
阈值进行比较，超过阈值为出现地电流分量过大的情况，求解达到地电流抑制效果的地电流直流成分抑
制模块和地电流多次谐波抑制模块投入数目最少的方案，实现地电流抑制。
[0008] 优选地，若不存在地电流分量过大的情况，则将当前接收到的开关状态信号不做更新；若存在地电流分量过大的情况，则将当前接收到的开关状态信号进行更新，发
送达到地电流抑制效果的地电流直流成分抑制模块和地电流多次谐波抑制模块投入最少的方案对应的开关状态信号。
[0009] 优选地，开关状态信号更新过程中，利用接收到的开关状态信号以及分解得到的直流分量和多次谐波分量将求解模型参数更新至与实际工况相同的状态。
[0010] 优选地，更新所述求解模型参数后，将开关状态信号作为自变量，投入的地电流直流成分抑制模块和地电流多次谐波抑制模块数目作为目标函数，直流分量和多次谐波分量是否超出对应的预设阈值作为约束条件，利用遗传
算法进行寻优。
[0011] 优选地，变压器中性点地电流抑制装置包括地电流直流成分抑制模块、地电流多次谐波抑制模块、直流成分抑制模块投切开关、多次谐波抑制模块投切开关、电流
传感器、信号采集模块以及投切
控制模块；地电流直流成分抑制模块与直流成分抑制模块投切开关并联连接，地电流多次谐波抑制模块与多次谐波抑制模块投切开关并联连接，然后串联连接于变压器中性线中，电流传感器串接于变压器中性线，信号采集模块接收电流传感器采集的信号与各投切开关传入的开关状态信号，并下发开关状态信号，投切控制模块接收信号采集模块的电流
采样信号及开关状态信号，并下发开关状态信号。
[0012] 优选地，地电流多次谐波抑制模块包括第一电感、第一电容和第一旁路保护单元，第一电感和第一电容并联连接构成带阻
滤波器，滤除地电流中的多次谐波分量，第一旁路保护单元与第一电感、第一电容并联连接，在出现过压情况时及时投入，保证地电流多次谐波抑制模块安全运行。
[0013] 优选地，地电流直流成分抑制模块包括第二电容和第二旁路保护单元，第二电容用于抑制地电流中的直流分量，第二旁路保护单元与第二电容并联连接，在出现过压情况时及时投入，保证地电流直流成分抑制模块安全运行。
[0014] 优选地，信号采集模块包括开关量输入电路、电流输入电路、第一电气隔离电路、第二电气隔离电路、滤波电路、AD采样电路、开关量输出电路以及第一通信单元；开关量输入电路接收多次谐波抑制模块投切开关、和直流成分抑制模块投切开关的开关状态信号；第二电气隔离电路连接在第一通信单元与开关量输入电路之间，用于将开关状态信号进行光
电隔离；电流输入电路接收电流传感器采集的中性点电流数据；滤波电路接收电流输入电路传入的电流信号并滤除其中高频噪声信号；AD采样电路接收滤波电路传入的电流信号，并将信号经
过采样、保持、量化及编码操作转换为
数字量；第一通信单元接收AD采样电路传入的数字信号和第二电气隔离电路传入的开关状态信号，并将信号发送给投切控制模块，并在投切控制模块传回最优的装置投切方案后，接收投切控制模块传入的开关状态信号；第一电气隔离电路连接在第一通信单元与开关量输出电路之间，用于将开关状态信号进行光电隔离；开关量输出电路接收第一电气隔离电路传入的开关状态信号，并下发至多次谐波抑制模块投切开关和直流成分抑制模块投切开关。
[0015] 优选地，投切控制模块包括第二通信单元、电气量监测单元和主
控制器，第二通信单元接收信号采集模块传入的电流数字信号及开关状态信号，并将电流数字信号及开关状态信号传入到
主控制器以及电气量监测单元，在主控制器得到最优的装置投切方案后，接收主控制器传入的开关状态信号，并将开关状态信号传入信号采集模块；电气量监测单元接收第二通信单元传入的电流数字信号及开关状态信号，以及主控制器传入的电流直流分量、多次谐波分量，对信号进行储存与显示；主控制器接收第二通信单元传入的电流数字信号及开关状态信号，对电流信号进行FFT分解得到直流分量、多次谐波分量，并将上述电流分量传入电气量监测单元。
[0016] 其中，多次谐波抑制模块的个数为多个，对应多种多次谐波，多次谐波为6倍频及12倍频次谐波。
[0017] 通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
[0018] (1)针对常规中性点地电流隔直装置只能抑制地电流直流成分的不足，本发明提供的变压器中性点地电流抑制装置的自主投切方法，通过采用多级串联的无源滤波结构，利用电感与电容并联形成
带阻滤波器，自主选择多次谐波抑制模块的投切，可对地电流谐波成分中占高比例的6次、12次等谐波进行有效抑制。
[0019] (2)本发明中提及的通过
遗传算法自动寻求最优的地电流抑制装置投切方案，可以在投入最少的地电流抑制装置情况下，对地电流进行有效抑制。尽可能地减小了电路结构的改变，降低了对继电保护的影响，
[0020] (3)本发明中提及的电气量监测单元可对变压器中性点地电流以及其直流分量、谐波分量进行实时显示和保存，为运行人员对变压器运行状态的监测提供更为全面的数据。
[0021] (4)本发明中提及的旁路保护单元，可在地电流抑制装置出现过压情况时及时旁路，提高了装置的可靠性。
附图说明
[0022] 图1是本发明提供的变压器中性点地电流抑制装置的结构示意图；
[0023] 图2是本发明提供的变压器中性点地电流抑制装置的自主投切方法的流程示意图；
[0024] 图3是本发明变压器中性点地电流抑制装置自主投切的运行
流程图。
具体实施方式
[0025] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及
实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。
[0026] 本发明实施例提供了一种变压器中性点地电流抑制装置，如图1所示，包括：地电流6次谐波抑制模块、6次谐波抑制模块投切开关、地电流12次谐波抑制模块、12次谐波抑制模块投切开关、地电流直流成分抑制模块、直流成分抑制模块投切开关、电流传感器、信号采集模块和投切控制模块。地电流6次谐波抑制模块与6次谐波抑制模块投切开关并联连接；地电流12次谐波抑制模块与12次谐波抑制模块投切开关并联连接；地电流直流成分抑制模块与直流成分抑制模块投切开关并联连接。以上三部分串联连接于变压器中性线中。电流传感器串接于变压器中性线；信号采集模块接收电流传感器采集信号与各模块投切开关传入的开关状态信号，并下发开关状态信号；投切控制模块接收信号采集模块的电流采样信号及开关状态信号，并下发开关状态信号。
[0027] 具体地，地电流6次谐波抑制模块包括：电感L1、电容C1和旁路保护单元1。电感L1与电容C1并联连接构成带阻滤波器，滤除地电流中的6次谐波分量；旁路保护单元1与电感L1、电容C1并联连接，在出现过压情况时及时投入，旁路电感L1、电容C1，保证地电流6次谐波抑制模块安全运行。
[0028] 具体地，地电流12次谐波抑制模块包括：电感L2、电容C2和旁路保护单元2。电感L2与电容C2并联连接构成带阻滤波器，滤除地电流中的12次谐波分量；旁路保护单元2与电感L2、电容C2并联连接，在出现过压情况时及时投入，旁路电感L2、电容C2，保证地电流12次谐波抑制模块安全运行。
[0029] 具体地，地电流直流成分抑制模块包括：电容C3和旁路保护单元3。电容C3利用电容的隔直特性，抑制地电流中的直流分量；旁路保护单元3与电容C3并联连接，在出现过压情况时及时投入，旁路电容C3，保证地电流直流成分抑制模块安全运行。
[0030] 具体地，信号采集模块包括：开关量输入电路、电气隔离电路2、电流输入电路、滤波电路、AD采样电路、通信单元1、电气隔离电路1和开关量输出电路。开关量输入电路接收6次谐波抑制模块投切开关、12次谐波抑制模块投切开关和直流成分抑制模块投切开关的状态信号；电气隔离电路2连接在通信单元1与开关量输入电路之间，用于将开关状态信号进行光电隔离；电流输入电路接收电流传感器采集的中性点电流数据；滤波电路接收电流输入电路传入的电流信号并滤除其中高频噪声信号；AD采样电路接收滤波电路传入的电流信号，并将信号经过采样、保持、量化及编码操作转换为数字量；通信单元1接收AD采样电路传入的数字信号，同时，接收电气隔离电路2传入的开关状态信号，并将信号发送给投切控制模块。在投切控制模块传回最优的装置投切方案后，接收投切控制模块传入的开关状态信号；电气隔离电路1连接在通信单元1与开关量输出电路之间，用于将开关状态信号进行光电隔离；开关量输出电路接收电气隔离电路1传入的开关状态信号，并下发至6次谐波抑制模块投切开关、12次谐波抑制模块投切开关和直流成分抑制模块投切开关。
[0031] 具体地，投切控制模块包括：通信单元2、电气量监测单元和主控制器。通信单元2接收所有信号采集模块传入的电流数字信号及开关状态信号，并将电流数字信号及开关状态信号传入到主控制器以及电气量监测单元中。在主控制器仿真得到最优的装置投切方案后，接收主控制器传入的开关状态信号，并将开关状态信号传入各信号采集模块；电气量监测单元接收通信单元2传入的电流数字信号及开关状态信号，以及主控制器传入的电流直流分量、6次谐波分量及12次谐波分量，对信号进行储存与显示；主控制器接收通信单元2传入的电流数字信号及开关状态信号，对电流信号进行FFT分解得到直流分量、6次谐波分量及12次谐波分量，并将上述电流分量传入电气量监测单元。利用上述电流分量以及开关量对仿真模型参数进行更新。仿真求解更新参数后的模型，采用遗传算法寻求达到地电流抑制效果的多次谐波抑制模块投入最少的方案，并将方案对应开关状态信号传入通信单元2中。
[0032] 需要说明的是，上述实施例中的变压器中性点地电流抑制装置仅为一种基本结构，旨在对地电流谐波成分中占高比例的6次及12次谐波进行有效抑制。对于对地电流中某次谐波或整体谐波畸变率要求较高的区域，可在基本结构中加入对应谐波次数的地电流多次谐波抑制模块，达到谐波抑制的效果。同时，可将某两次采用带阻滤波器结构的多次谐波抑制模块利用双调谐滤波器结构进行替换，简化装置结构，提高系统运行可靠性。
[0033] 图2为利用遗传算法寻求最优抑制装置投切方案的流程。当区域内任何变压器中性点地电流6次谐波分量、12次谐波分量或直流分量超过对应限定值Ilim6、Ilim12或Ilimdc时，需要利用遗传算法以及仿真计算寻求最优抑制装置投切方案。由于开关状态仅存在闭合与断开两种状态，对应于地电流抑制装置的退出与投入状态。因此，对区域内所有n台变压器中的第i台变压器，其地电流6次谐波抑制模块投切状态xi1，地电流12次谐波抑制模块投切状态xi2，地电流直流成分抑制模块投切状态xi3，进行如下编码操作：
[0034]
[0035] 为尽可能小地改变电路结构，减小对继电保护的影响，最优装置投切方案应为投入地电流抑制装置数目最少的方案。因此，适应度函数J有如下形式：
[0036]
[0037] 当区域内某一变压器某一电流分量超出限定值时，需要调整地电流抑制装置投切方案来抑制超出限定值的电流分量。为保证该变压器中性点投入地电流抑制装置时，不加重其它变压器中性点入侵的地电流的情况，最优抑制装置投切方案应使区域内所有变压器中性点地电流6次谐波分量Ii1、12次谐波分量Ii2及直流分量Ii3均处于对应限值内。因此，有如下边界条件：
[0038]
[0039] 如图3所示，本发明公开的变压器中性点地电流抑制装置的自主投切包含如下流程：
[0040] 步骤1：串接于变压器中性点上的电流传感器采集中性点电流信号并传输至信号采集模块中的电流输入电路。同时，信号采集模块中的开关量输入电路接收6次谐波抑制模块投切开关、12次谐波抑制模块投切开关及直流成分抑制模块投切开关的开关状态信号。
[0041] 步骤2：接收的电流信号经滤波电路进行低通滤波，滤除信号中的高频噪声信号，再经AD采样电路，通过采样、保持、量化及编码操作，将电流信号转换为数字信号。同时将接收的开关状态信号经电气隔离电路2进行光电隔离，并将电流信号及开关状态信号一同传输至通信单元1。
[0042] 步骤3：投切控制模块中的通信单元2，接收区域内全部的n台信号采集模块中通信单元1传输的电流信号与开关状态信号。
[0043] 步骤4：投切控制模块中的主控制器，将接收到的电流信号进行FFT分解，得到地电流中的直流分量、6次谐波分量及12次谐波分量。电气量监测单元接收开关状态信号、电流信号以及电流的直流分量、6次及12次谐波分量信号，并将信号进行存储与显示。
[0044] 步骤5：投切控制模块中的主控制器将计算分解得到的地电流中的6次谐波分量、12次谐波分量及直流分量与对应限定值Ilim6、Ilim12和Ilimdc进行比较。若不存在超出限定值的电流分量，则按接收到的当前开关状态信号更新需要发送至信号采集模块的开关状态信号；若存在超出限定值的电流分量，则利用开关状态信号以及地电流的直流分量、6次谐波分量及12次谐波分量对主控制器中的地电流分布计算模型的参数进行更新。
[0045] 步骤6：投切控制模块中的主控制器利用遗传算法寻求最优抑制装置投切方案。具体操作如下：
[0046] (1)主控制器对各装置投切状态，即开关状态信号进行编码，将每种投切方案编码为遗传算法中的
染色体个体x11，…，xn1，x12，…，xn2，x13，…，xn3。
[0047] (2)随机生成多种投切方案形成种群。
[0048] (3)将各个染色体个体对应的开关状态输入更新参数后的地电流分布计算模型，计算对应投切方案的地电流直流分量、6次谐波分量及12次谐波分量，并判断是否满足边界条件。
[0049] (4)对满足边界条件的投切方案计算适应度函数J，并将适应度函数最大的投切方案保存。
[0050] (5)判断计算结果是否满足结束条件，即达到计算
迭代次数上限或找到最优方案。若满足结束条件，则输出最优的装置投切方案；若不满足结束条件，则对种群中的染色体个体先利用轮盘赌选择法进行选择操作，再利用单点交叉法进行交叉操作，然后利用二进制变异法进行变异操作。之后重复操作(3)-(5)，直至满足结束条件，并以计算得到的最优装置投切方案更新开关信号。
[0051] 步骤7：将更新后的开关信号下发至各信号采集模块，由信号采集模块将开关状态
信号传输至对应装置投切开关，驱动开关动作，达到地电流抑制的效果。
[0052] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何
修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
