CN102095922A - 一种短路电流零点预测方法 - Google Patents

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Abstract

一种短路电流零点预测方法，包括以下步骤：（1）试验电流经过电流传感器被采集到系统之中，经信号调理电路转换成与之成比例的电压信号；（2）电压信号送入A/D转换器，使之转换成计算机所能识别的数字量；（3）嵌入式计算机对暂态短路电流进行数字信号处理，按照下列公式：预测其过零点，进而发出同步控制信号；式中：h为最高次谐波的阶数；N为每个基波周期的采样次数；n=2,3,…；i为暂态短路电流。本发明公开一种短路电流零点预测方法，目的在于给出一种简单有效的预测短路电流零点的方法。

Description

一种短路电流零点预测方法
技术领域
本发明涉及一种采用数字化测量技术预测短路电流零点的方法。
背景技术
开断交流电路时，动、静触头之间产生的电弧是交流电弧。交流电弧产生以后不能立即熄灭，要等到电流零点后才有可能熄灭，并且能不能熄灭还要看电流过零期间的介质恢复过程和电压恢复过程的竞赛：如果电流过零时的介质恢复强度大于电压恢复强度，则电流过零后电弧就能够熄灭，反之则重燃；如果重燃的话，则只能等待下一次或下下一次过零才能熄灭。理论和实验表明：如果触头分开时刻离电流过零点比较远，则过零前电弧燃烧时间长、电弧能量大，过零时的介质恢复强度特性不高，电弧容易重燃；如果触头分开时刻离电流过零点很近，则过零前触头开距小、电场强度高、带电粒子来不及散失，过零时的介质恢复强度特性也不高，电弧同样也容易重燃。因此，存在一个最佳的零前分断时刻。电力系统短路后，如果触头马上就动作的话，倘若分开时刻不佳，电弧往往要燃烧好几个半波才能熄灭；如果恰好在最佳零前分断时刻分离，则可减少燃弧时间。可见，只要能恰到好处地控制触头的分开时刻，就算触头动作稍微延迟一些，电弧的燃烧时间也能有效减小，电路反而能先被开断，同时还能减少电弧对触头的烧蚀。基于此，相控开关得到了发展。
此外，为了考核高压断路器的开断能力，需要进行合成试验。合成试验回路用两套独立的小容量电源代替一套单独的大容量电源。为了保证试验的等价性，要求准确控制电压源的投入时刻，使其在短路电流过零前某一时刻投入。
综上可见，准确地预测短路电流的零点，是实现开关电器选相分断和保证高压断路器合成试验成功的关键。
交流供电系统稳定运行时，电流按电网频率（我国为50Hz）正弦变化，每隔10ms过零一次，但电力系统突然发生短路故障时，短路电流并的变化特性不确定，既含有频率为50Hz的基波分量和少量的高次谐波分量，同时还含有直流衰减分量，并且直流衰减分量的幅值和时间常数随机不定。所以，短路电流不是每隔10ms过零一次。因此，只有提前预测出短路电流的零点才能实现开关的选相分断。
目前有一些预测短路电流零点的方法，如采用快速傅立叶变换、最小二乘参数辨识、自适应神经网络等预测短路电流变化特性，并发出同步信号。这些方法普遍都是从短路电流的一般表达式出发，采用数字滤波算法提取短路电流的基波分量、谐波分量和直流衰减分量，然后再计算出短路电流什么时候为零。计算任务量比较大，对数字化测量系统的要求比较高。
发明内容
本发明公开一种短路电流零点预测方法，目的在于给出一种简单有效的预测短路电流零点的方法。
本发明的技术方案为：
一种短路电流零点预测方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
（1）试验电流经过电流传感器被采集到系统之中，经信号调理电路转换成与之成比例的电压信号；
（2）电压信号送入A/D转换器，使之转换成计算机所能识别的数字量；
（3）嵌入式计算机对暂态短路电流进行数字信号处理，按照下列公式：
Figure 484023DEST_PATH_IMAGE001
预测其过零点，进而发出同步控制信号；
式中：
Figure 885924DEST_PATH_IMAGE002
为最高次谐波的阶数；N为每个基波周期的采样次数；n=2, 3, …；为暂态短路电流。 
在进行零点预测时，首先将采集到的m个数据点存储到嵌入式计算机的数据存储单元，然后发送到嵌入式计算机的运算单元进行下一个数据点的计算，再将数据存储单元的数据进行右移，然后将所得到的第m+1个点存储到原来第m个数据的位置，始终保持数据存储单元中的数据为m个进行运算。
与现有方法有所不同的是，本发明给出的算法不是从短路电路的一般表达式出发提取短路电流的基波分量、谐波分量和直流衰减分量，而是直接根据连续若干个短路电流的离散采样值，直接计算出此后连续若干个采样时刻短路电流的瞬时值，从而预测出短路电流什么时侯为零。本发明适合用在单相、多相高压、中压和低压相控开关中，用来实现选相分断。也可以用在高压断路器合成试验中，控制电压源的投入时刻。
附图说明：
图1 为短路电流测量及同步控制单元的硬件框图；
图2为计算过程示意图。
具体实施方式：
短路电流的一般表达式为：
Figure 755714DEST_PATH_IMAGE004
                （1）
其中，
Figure 530903DEST_PATH_IMAGE005
为暂态短路电流；
Figure 408598DEST_PATH_IMAGE006
为直流衰减分量的初始值；
Figure 585633DEST_PATH_IMAGE007
为直流衰减分量的衰减系数；
Figure 320109DEST_PATH_IMAGE008
为基波分量角频率；
Figure 582594DEST_PATH_IMAGE002
为最高次谐波的阶数；
Figure 263980DEST_PATH_IMAGE009
为次谐波的正弦分量；
Figure 450165DEST_PATH_IMAGE011
为
Figure 432902DEST_PATH_IMAGE010
次谐波的余弦分量。
数字化测量中，每隔一固定时间间隔（采样周期）测量一次短路电流，因此所测得的短路电流是离散的。对于公式(1)，离散短路电流的表达式为：
Figure 855662DEST_PATH_IMAGE012
      （2）
其中，
Figure 741710DEST_PATH_IMAGE013
为离散采样点的序号，；为采样点数；
Figure 140571DEST_PATH_IMAGE016
为采样周期。
通常，每个基波周期的采样次数N是整数，
Figure 881125DEST_PATH_IMAGE017
。这里
Figure 230370DEST_PATH_IMAGE018
是电源频率， 
Figure 187700DEST_PATH_IMAGE019
。公式(2)也可以表示为：
Figure 312782DEST_PATH_IMAGE020
         （3）
也就是说，测量系统采集的短路电流是离散的。如果采集了
Figure 671957DEST_PATH_IMAGE015
个点，则这个点的短路电流值分别为
Figure 239390DEST_PATH_IMAGE021
。
为预测短路电流的零点，本发明给出了一种算数递推算公式，直接根据这m个值预测出之后连续若干个采样时刻短路电流的瞬时值
Figure 236406DEST_PATH_IMAGE024
。针对线路的实际谐波成份，得出如下计算公式：
Figure 653481DEST_PATH_IMAGE001
              （4）
证明如下：
由式(3)，得：
Figure 884480DEST_PATH_IMAGE025
      （5）
左端项之和为：
Figure 828034DEST_PATH_IMAGE026
    （6）
将三角函数展开，得：
     （7）
其中：
Figure 711862DEST_PATH_IMAGE028
          （8）
设
Figure 982437DEST_PATH_IMAGE029
，则：
Figure 905132DEST_PATH_IMAGE030
            （9）
设复数
Figure 868540DEST_PATH_IMAGE031
，则
Figure 384841DEST_PATH_IMAGE032
。
由于：
Figure 957642DEST_PATH_IMAGE033
所以，V=0, U=0。
将U和V代入式(9)，得：
Figure 672526DEST_PATH_IMAGE034
                  （10）
同理可以证明：
Figure 744518DEST_PATH_IMAGE035
                 （11）
将式(10)和式(11)代入式(7)，得：
Figure 872749DEST_PATH_IMAGE036
            （12）
同理：
Figure 485127DEST_PATH_IMAGE037
          （13）
   
Figure 444731DEST_PATH_IMAGE038
          （14）
其中，n=2, 3, …。
由式(12)~(14)，得：
Figure 687624DEST_PATH_IMAGE039
               （15）
进而可得：
Figure 998693DEST_PATH_IMAGE040
             （16）
可见，本发明所给出的预测短路电流的公式(4)成立。
下面结合附图对本发明进行详细描述。
图1 为短路电流测量及同步控制单元的硬件框图，如图所示，它包括电流传感器1、信号调理电路、A/D转换器、嵌入式计算机。试验电流经过电流传感器1被采集到系统之中，经信号调理电路转换成与之成比例的电压信号，再送入A/D转换器，使之转换成计算机所能识别的数字量；嵌入式计算机对暂态短路电流进行数字信号处理，按照公式（4）预测其过零点，进而发出同步控制信号，从而在规定的时刻控制断路器操动机构动作或三相合成试验电压回路的点火电路。
图2为计算过程示意图，如图所示，在进行零点预测时，首先将采集到的m个数据点存储到嵌入式计算机的数据存储单元，然后发送到嵌入式计算机的运算单元进行下一个数据点的计算，再将数据存储单元的数据进行右移，然后将所得到的第m+1个点存储到原来第m个数据的位置，始终保持数据存储单元中的数据为m个进行运算。

Claims (2)

1.一种短路电流零点预测方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
（1）试验电流经过电流传感器被采集到系统之中，经信号调理电路转换成与之成比例的电压信号；
（2）电压信号送入A/D转换器，使之转换成计算机所能识别的数字量；
（3）嵌入式计算机对暂态短路电流进行数字信号处理，按照下列公式：
Figure 353238DEST_PATH_IMAGE001
预测其过零点，进而发出同步控制信号；
式中：
Figure 183660DEST_PATH_IMAGE002
为最高次谐波的阶数；N为每个基波周期的采样次数；n=2, 3, …；为暂态短路电流。
2. 根据权利要求1所述短路电流零点预测方法，其特征在于：在进行零点预测时，首先将采集到的m个数据点存储到嵌入式计算机的数据存储单元，然后发送到嵌入式计算机的运算单元进行下一个数据点的计算，再将数据存储单元的数据进行右移，然后将所得到的第m+1个点存储到原来第m个数据的位置，始终保持数据存储单元中的数据为m个进行运算。
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