CN101626158B - 一种随调式消弧线圈自动调谐控制方法 - Google Patents

Abstract

一种随调式消弧线圈自动调谐控制方法，通过测量电网不平衡电压的变化，进而计算出电网对地电容电流和电网接地故障电流中的有功分量。在电网正常运行时，测量电网中性点不平衡电压和电网的某一线电压值，计算并监视电网相对不平衡度的变化，由此来判断电网是否有投、切线路操作，决定是否对电网的对地电容电流和接地故障电流的有功分量重新测量。测量电网的对地电容电流和接地故障电流的有功分量时，首先测量电网的不平衡电压，然后控制器控制被调消弧线圈向电网增加输出一个补偿电流(电纳)，再次测量电网的不平衡电压，进而可计算出电网的对地电容电流和接地故障电流的有功分量。本发明简单易行，不影响电网正常运行，测量精度高，很适合于消弧线圈的随调控制。

Description

一种随调式消弧线圈自动调谐控制方法

技术领域

本发明涉及的是一种电气技术领域的测量和控制方法，具体是电网中性点经消弧线圈接地系统的自动跟踪调谐控制技术。

背景技术

谐振接地系统发生单相接地故障时，接地故障点的残流越小越有利于故障电弧的熄灭、越有利于故障自恢复、越有利于提高配电网供电的可靠性。在谐振接地系统中，接地故障点的残流主要有两部分：一是欠补偿或过补偿后的无功零序电流，它的大小决定于补偿脱谐度。消弧线圈自动跟踪补偿技术可以保证该部分电流控制在一个允许的范围内。二是电网零序回路的有功损耗电流。包括电网导线和各元件的对地电导和消弧线圈的有功损耗、接地网和接地极电阻损耗、接地点过渡电阻等的损耗。已有多种随调式消弧线圈自动跟踪调谐控制方法，两点解析法^[1]、注入变频信号法^[2-3]、注入工频电流^[4]、谐振法结合曲线拟合法^[5]等，它们在线测量电网的对地电容电流后，控制消弧线圈自动调谐，有效抑制了第一部分残流的大小，并都已用于我国配电网消弧线圈的单机调谐控制，而第二部分残流(接地电流的有功分量)的在线准确测量研究却鲜有人知，还未见有一种较为成熟的较精确的测量方法。本发明提出一种新的用于随调式消弧线圈自动调谐控制的方法，通过测量电网不平衡电压的变化，计算出电网对地电容电流，用于对被调消弧线圈的控制，同时还测量出电网接地故障电流中的有功分量。这更有助于精确判定接地电流的大小，更有助于了解单相接地故障时的灭弧条件，更有助于提高消弧线圈动作的成功率。

参考文献：

1、陈柏超，陈维贤，尹忠东，刘益慧，10kV电网新型自动调谐消弧线圈及控制装置，中国电力，Vol.30，No.9，1997，9，70-71。

2、曾祥君，尹项根，于永源等，基于注入变频信号法的经消弧线圈接地系统控制与保护新方法，中国电机工程学报，2000 20(1)：29-32

3、李玲玲，孙鹤旭，王晓宏，谐振接地电力网自动调谐的新方法，中国电机工程学报，第23卷第6期，2003年6月，77-80

4、D.Griffel，Y.Harmand，V.Leitloff，J.Bergeal，A new deal for safety and qualityon MV networks，IEEE Transactions on Power Deliverry，Vol.12，No.4，October 1997：1428-1433

5、陈忠仁，吴维宁，张勤，陈家宏，调匝式消弧线圈自动调谐新方法，电力系统自动化，Vol. 29，No.24，2005第12月，75-78。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种随调式消弧线圈自动调谐控制方法，该方法既对电网对地电容电流进行精确测量，用于对被调消弧线圈的控制，同时还测量出电网接地故障电流中的有功分量，更有助于精确判定接地电流的大小；该方法既可用于“调容式”、“偏磁式”，也可用于“相控式”、“三相五柱式”等随调式消弧线圈的调谐控制，本质上属于随调式消弧线圈的通用调谐控制方法。

技术方案：本发明的一种随调式消弧线圈自动调谐控制的方法包括以下步骤：

步骤a.在消弧线圈送电运行的第一时间就首先测量电网的对地电容电流和接地故障电流的有功分量，同时记忆下电网的相对不平衡度 $U_{01}^{*}=\sqrt{3}{U}_{01}/U_{X1},$

步骤b.在电网正常运行时，测量电网中性点不平衡电压U₀₂和电网的某一线电压值U_X2，判断U₀₂是否超过消弧线圈动作整定值U_0dz1，若没有超过消弧线圈动作整定值U_0dz1，则说明电网正常运行，转入步骤c进行；

若超过消弧线圈动作整定值U_0dz1，则说明电网发生单相接地故障，立即控制被调消弧线圈输出已计算好的需要补偿的电流I_C，使电网尽快进入“全补偿”状态，熄灭故障电弧，并进入步骤d；

步骤c.计算并监视电网相对不平衡度的变化 $\mathrm{\&Delta;}{U}_0^{*}=U_{02}^{*}-U_{01}^{*},$ 其中， $U_{02}^{*}=\sqrt{3}{U}_{02}/U_{X2},$ 由此来判断电网是否有投、切线路操作，决定是否对电网的对地电容电流和接地故障电流的有功分量重新测量，若 $\mathrm{\&Delta;}{U}_0^{*}\&GreaterEqual;\mathrm{\&Delta;}{U}_{0\mathrm{dz}}^{*},$ 其中ΔU_0dz ^*为相对不平衡度增量整定值，说明电网的三相对地电容C_A、C_B和C_C发生了变化，电网有操作，退回到步骤a；若 $\mathrm{\&Delta;}{U}_0^{*}<\mathrm{\&Delta;}{U}_{0\mathrm{dz}}^{*},$ 说明电网的三相对地电容C_A、C_B和C_C没有发生变化，电网无操作，则进行步骤b；

步骤d.消弧线圈动作后，监视中性点偏移电压U₀₂的变化，若U₀₂≥U_0dz2，则说明电网单相接地故障仍然存在，消弧线圈继续输出补偿电流；若U₀≤U_0dz2，则说明电网单相接地故障已消失，电网开始正常运行，立即控制被调消弧线圈恢复原态，调谐控制器退回到步骤b运行；其中U_0dz2是消弧线圈停止动作的整定值，一般U_0dz2≥U_0dz1。

其中，步骤a所述的测量电网的对地电容电流和接地故障电流的有功分量的测量方法由如下步骤完成：

①在测量以前，测量出电网中性点不平衡电压U₀₁和电网的某一线电压值U_X1；

②测量时控制被调消弧线圈输出一个“已知的”补偿电流增量ΔI_B或叫补偿电纳增量

并在输出补偿电流增量ΔI_B期间，测量出电网中性点不平衡电压U₀₂和电网的某一线电压值U_X2；

③由式1或式2计算电网的对地电容电流I_C和接地故障电流的有功分量I_g；

式中： $\mathrm{\&Delta;}{I}_B=\mathrm{\&Delta;}\frac{1}{\mathrm{\&omega;L}}{U}_N/\sqrt{3};$ $I_{L0}=\frac{1}{\mathrm{\&omega;L}}{U}_N/\sqrt{3};$ $I_C=\mathrm{\&omega;}{C}_{\mathrm{\&Sigma;}}{U}_N/\sqrt{3};$ $I_g=(g_{\mathrm{\&Sigma;}}+g_L)U_N/\sqrt{3}$

u₀₁(k)和u₀₂(k)分别为电网中性点不平衡电压U₀₁和U₀₂的采样值；N为一个工频周期T的采样点数；U_N为电网额定线电压；L为消弧线圈输出下限补偿电流时的电感值。

有益效果：本发明提供一种随调式消弧线圈调谐控制方法，它既对电网对地电容电流进行精确测量，用于对被调消弧线圈的控制，同时还测量出电网接地故障电流中的有功分量，更有助于精确判定接地电流的大小，更有助于了解单相接地故障时的灭弧条件，更有助于提高消弧线圈动作的成功率。它有测量调谐原理思路清晰、计算简单、很易用单片机实现、所用费用低等优点。它既可用于“调容式”、“偏磁式”，也可用于“相控式”、“三相五柱式”等消弧线圈的调谐控制，本质上是一种随调式消弧线圈通用调谐控制方法，适用于不同制造商生产的随调式消弧线圈的调谐控制。

附图说明

图1是电网中性点经消弧线圈接地等值电路示意图，

图2是调谐控制流程示意图，

图3是调谐控制硬件结构示意图。

具体实施方式

为了实现上述目的，本发明的实施可直接从PT二次侧取得电网的母线电压信号和零序电压信号；控制器输出的“脉冲”可用于“相控式”、“偏磁式”、“三相五柱式”消弧线圈的调谐控制，“开关量”可用于“调容式”等消弧线圈的调谐控制。调谐控制器硬件结构见图3。

本发明按下述步骤执行：

步骤a.在消弧线圈送电运行的第一时间就首先测量电网的对地电容电流I_C和接地故障电流的有功分量I_g，同时记忆下电网的相对不平衡度 $U_{01}^{*}=\sqrt{3}{U}_{01}/U_{X1},$ 然后进行步骤b；

步骤b.在电网正常运行时，测量电网中性点不平衡电压U₀₂和电网的某一线电压值U_X2，判断U₀₂是否超过消弧线圈动作整定值U_0dz1，由于单相接地故障的最显著的特征是电网中性点不平衡电压的升高，因此，若U₀₂没有超过消弧线圈动作整定值U_0dz1，则说明电网正常运行，转入步骤c进行；若超过消弧线圈动作整定值U_0dz1，则说明电网发生单相接地故障，立即控制被调消弧线圈输出已由步骤a计算好的需要补偿的电流I_C，使电网尽快进入“全补偿”状态，熄灭故障电弧，并进入步骤d；

步骤c.计算并监视电网相对不平衡度的变化 $\mathrm{\&Delta;}{U}_0^{*}=U_{02}^{*}-U_{01}^{*}$ $(U_{02}^{*}=\sqrt{3}{U}_{02}/U_{X2}),$ 由此来判断电网是否有操作(投、切线路)，决定是否对电网的对地电容电流和接地故障电流的有功分量重新测量。有2个原因会造成电网中性点不平衡电压的变化，一是电网电压的变化，电网中性点不平衡电压与电网电压成正比；二是电网的三相对地电容C_A、C_B和C_C发生了变化，即电网有操作。显然，前一原因不会造成电网相对不平衡度的变化，只有后一原因能造成电网相对不平衡度的变化，因此，电网相对不平衡度的变化能准确反映电网的三相对地电容C_A、C_B和C_C是否有变化，即电网是否有操作。若 $\mathrm{\&Delta;}{U}_0^{*}\&GreaterEqual;\mathrm{\&Delta;}{U}_{0\mathrm{dz}}^{*},$ 其中ΔU_0dz ^*为相对不平衡度增量整定值，说明电网的三相对地电容C_A、C_B和C_C发生了变化，电网有操作，需要重新测量电网的对地电容电流和接地故障电流的有功分量，退回到步骤a；若 $\mathrm{\&Delta;}{U}_0^{*}<\mathrm{\&Delta;}{U}_{0\mathrm{dz}}^{*},$ 说明电网无操作，电网的三相对地电容C_A、C_B和C_C没有发生变化，无需重新测量电网的对地电容电流和接地故障电流的有功分量，则进行步骤b；

步骤d.消弧线圈动作后，电网中性点不平衡电压的大小仍是判断电网是否存在单相接地故障的最有效判据，因此，通过监视中性点偏移电压U₀₂的变化可准确判断电网的单相接地故障是否消失。若U₀₂≥U_0dz2，则说明电网单相接地故障仍然存在，消弧线圈继续输出补偿电流；若U₀≤U_0dz2，则说明电网单相接地故障已消失，电网开始正常运行，立即控制被调消弧线圈恢复原态，调谐控制器退回到步骤b运行；其中U_0dz2是消弧线圈停止动作的整定值，一般U_0dz2≥U_0dz1。

步骤a中电网的对地电容电流和接地故障电流的有功分量的测量方法由如下步骤完成：

①在测量以前，先测量出电网中性点不平衡电压U₀₁。

②测量时控制被调消弧线圈输出一个“已知的”补偿电流增量ΔI_B(或叫补偿电纳增量

并在输出补偿电流增量ΔI_B期间，测量出电网中性点不平衡电压U₀₂。这里“已知的”补偿电流增量ΔI_B不是一个测量值，它是由消弧线圈在额定工作电压下的控制特性决定的值，其本质是补偿电纳增量如对“调容式”消弧线圈，它是消弧线圈在额定电压下两档之间的差值；再如对“偏磁式”消弧线圈，它是消弧线圈在额定电压下零偏磁控制电流与一个给定的偏磁控制电流下消弧线圈输出补偿电流的差值；又如对“相控式”消弧线圈，它是消弧线圈在额定电压下零导通角与一个给定的控制导通角下消弧线圈输出补偿电流的差值。这个值是消弧线圈的特性决定的，在消弧线圈出厂时是可以精确“已知的”。

③由式1或式2计算电网的对地电容电流I_C和接地故障电流的有功分量I_g；

式中： $\mathrm{\&Delta;}{I}_B=\mathrm{\&Delta;}\frac{1}{\mathrm{\&omega;L}}{U}_N/\sqrt{3};$ $I_{L0}=\frac{1}{\mathrm{\&omega;L}}{U}_N/\sqrt{3};$ $I_C=\mathrm{\&omega;}{C}_{\mathrm{\&Sigma;}}{U}_N/\sqrt{3};$ $I_g=(g_{\mathrm{\&Sigma;}}+g_L)U_N/\sqrt{3}$

u₀₁(k)和u₀₂(k)分别为电网中性点不平衡电压U₀₁和U₀₂的采样值；N为一个工频周期T的采样点数；U_N为电网额定线电压；L为消弧线圈输出下限补偿电流时的电感值；

式1和式2可从以下方法推导得：

由图1可见，以上测量的U₀₁和U₀₂可由下式表示：

${\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{01}=-\frac{\frac{1}{r_A}+\mathrm{j\&omega;}{C}_A+{\mathrm{\&alpha;}}^2(\frac{1}{r_B}+\mathrm{j\&omega;}{C}_B)+\mathrm{\&alpha;}(\frac{1}{r_C}+\mathrm{j\&omega;}{C}_C)}{g_{\mathrm{\&Sigma;}}+g_L+j(\mathrm{\&omega;}{C}_{\mathrm{\&Sigma;}}-1/\mathrm{\&omega;L})}{\stackrel{\&CenterDot;}{E}}_A$

${\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{02}=-\frac{\frac{1}{r_A}+\mathrm{j\&omega;}{C}_A+{\mathrm{\&alpha;}}^2(\frac{1}{r_B}+\mathrm{j\&omega;}{C}_B)+\mathrm{\&alpha;}(\frac{1}{r_C}+\mathrm{j\&omega;}{C}_C)}{g_{\mathrm{\&Sigma;}}+g_L+j(\mathrm{\&omega;}{C}_{\mathrm{\&Sigma;}}-\frac{1}{\mathrm{\&omega;L}}-\mathrm{\&Delta;}\frac{1}{\mathrm{\&omega;L}})}{\stackrel{\&CenterDot;}{E}}_A$

式中，a＝e^j2π/3；C_∑＝C_A+C_B+C_C； $g_{\mathrm{\&Sigma;}}=\frac{1}{r_A}+\frac{1}{r_B}+\frac{1}{r_C};$ $g_L=\frac{1}{R_L};$

电网中A相相电势，V。

以上两式相减得：

${\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{02}-{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{01}={\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{02}\frac{\mathrm{j\&Delta;}\frac{1}{\mathrm{\&omega;L}}}{g_{\mathrm{\&Sigma;}}+g_L+j(\mathrm{\&omega;}{C}_{\mathrm{\&Sigma;}}-\frac{1}{\mathrm{\&omega;L}})}\&NotEqual;$

则： $\mathrm{\&omega;}{C}_{\mathrm{\&Sigma;}}-j(g_{\mathrm{\&Sigma;}}+g_L)=\frac{{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{02}}{{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{02}-{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{01}}\mathrm{\&Delta;}\frac{1}{\mathrm{\&omega;L}}+\frac{1}{\mathrm{\&omega;L}}$

上式两边同乘以额定相电压得：

$I_C-j{I}_g=\frac{{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{02}}{{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{02}-{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{01}}\mathrm{\&Delta;}{I}_B+I_{L0}$

上式右边取实部得电网接地电容电流I_C，取虚部得接地故障电流中有功分量I_g：

$I_C=\mathrm{Re}\left(\frac{{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{02}}{{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{02}-{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{01}}\right)\&times;\mathrm{\&Delta;}{I}_B+I_{L0}=\frac{U_{02}^2-U_{01}{U}_{02}\cos \mathrm{\&theta;}}{U_{02}^2+U_{01}^2-2U_{01}{U}_{02}\cos \mathrm{\&theta;}}\mathrm{\&Delta;}{I}_B+I_{L0}$

$I_g=-\mathrm{Im}\left(\frac{{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{02}}{{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{02}-{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{01}}\right)\&times;\mathrm{\&Delta;}{I}_B=\frac{U_{02}{U}_{01}\sin \mathrm{\&theta;}}{U_{02}^2+U_{01}^2-2U_{02}{U}_{01}\cos \mathrm{\&theta;}}\mathrm{\&Delta;}{I}_B$

实测时，可取电网某一在单相接地故障时相位不变的相量(如电网的线电压)为参考相量，这样可保证两相量

和

在不同时间测量时，它们的差角θ测量精确无误。两相量

和

相对于该参考相量的初相角分别为

和，则：

由此便可推导得式1和式2。

④依据I_C值确定被调消弧线圈需要输出的补偿电流。

具体控制流程如图2。

Claims (1)

1.一种随调式消弧线圈自动调谐控制方法，其特征是该调谐控制方法包括以下步骤：

步骤a.在消弧线圈送电运行的第一时间就首先测量电网的对地电容电流和接地故障电流的有功分量，同时记忆下电网的相对不平衡度然后进行步骤b；

所述的测量电网的对地电容电流和接地故障电流的有功分量的测量方法，由如下步骤完成：

①在测量以前，测量出电网中性点不平衡电压U₀₁和电网的某一线电压值U_X1；

②测量时控制被调消弧线圈输出一个“已知的”补偿电流增量Δ_IB，并在输出补偿电流增量Δ_IB期间，测量出电网中性点不平衡电压U₀₂和电网的某一线电压值U_X2；

③由式1、式2计算电网的对地电容电流I_C和接地故障电流的有功分量I_g；

式1

式2

式中：

其中

为补偿电纳增量；

u₀₁(k)和u₀₂(k)分别为电网中性点不平衡电压U₀₁和U₀₂的采样值；N为一个工频周期T的采样点数；U_N为电网额定线电压；L为消弧线圈输出下限补偿电流时的电感值；

步骤b.在电网正常运行时，测量电网中性点不平衡电压U₀₂和电网的某一线电压值U_X2，判断U₀₂是否超过消弧线圈动作整定值U_0dz1，若没有超过消弧线圈动作整定值U_0dz1，则说明电网正常运行，转入步骤c进行；若超过消弧线圈动作整定值U_0dz1，则说明电网发生单相接地故障，立即控制被调消弧线圈输出已计算好的电网的对地电容电流I_C，使电网尽快进入“全补偿”状态，熄灭故障电弧，并进入步骤d；

步骤c.计算并监视电网相对不平衡度的变化

其中由此来判断电网是否有投、切线路操作，决定是否对电网的对地电容电流和接地故障电流的有功分量重新测量，若

其中

为相对不平衡度增量整定值，说明电网的三相对地电容C_A、C_B和C_C发生了变化，电网有操作，退回到步骤a；若

说明电网的三相对地电容C_A、C_B和C_C没有发生变化，电网无操作，则进行步骤b；

步骤d.消弧线圈动作后，监视电网中性点不平衡电压U₀₂的变化，若U₀₂≥U_0dz2，则说明电网单相接地故障仍然存在，消弧线圈继续输出补偿电流；若U₀₂≤U_0dz2，则说明电网单相接地故障已消失，电网开始正常运行，立即控制被调消弧线圈恢复原态，调谐控制器退回到步骤b运行；其中U_0dz2是消弧线圈停止动作的整定值，U_0dz2≥U_0dz1。

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