CN102097807A - 防止电力系统产生pt铁磁谐振的系统 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提供一种能克服上述缺陷、精确定量并方便的判定电力系统在遭受某种固定的扰动的情况下防止PT电力系统产生PT铁磁谐振的系统，包括：输入模块，用于向安全性分析模块输入所述电力系统的PT励磁特性曲线，和所述电力系统的等效电路中的电容C、电感L、电阻R或传输线路的电抗Z，以及电力系统的正常运行电压和扰动后的电压；安全性分析模块，利用输入的参数，计算所述电力系统的稳定裕度和扰动量，并分析所述电力系统是否进入PT铁磁谐振状态，输出分析结果；输出模块，用于接收所述分析结果并显示；处理模块，根据输出模块显示的结果，以决定是否采取相应的措施限制电力系统进入铁磁谐振状态。

Description

防止电力系统产生PT铁磁谐振的系统

技术领域

本发明提供了一种防止电力系统产生PT铁磁谐振的系统和方法，可应用于配电网系统、输电系统稳定性的分析，属于电力系统安全性分析领域。

背景技术

电力系统中存在许多电容和电感元件，当系统进行操作或发生故障时，这些电容、电感元件形成的振荡回路可能产生谐振现象，可能发生铁磁谐振现象，铁磁谐振会导致系统中某些部分或元件产生过电压危及设备的绝缘，或产生过电流引起设备过热甚至烧毁，严重影响各种电力系统的安全运行。

目前，国内外对铁磁谐振谐振进行了广泛深入的研究，给出了一些判据以及相应的分析方法，比如Peterson定理、图解法、解析法、数字仿真分析法、小波识别法、非线性动力学分析法等，上述分析方法主要从定性角度和工频量的角度对铁磁谐振进行的机理和现状的分析。在现场运行经验中，现场运行人员大多遇到的问题是：(1)有各种抑制PT铁磁谐振的措施，但不知道哪一个更优；(2)在这种情况下，某种抑制铁磁谐振的措施较好，情况一旦发生改变，这种措施反而不是十分适用；(3)现行系统安全程度如何？稳定指标是多少？

在申请专利方面，可给出关于PT铁磁谐振的判别方法的研究现状。

在中国已公开但尚未审查的专利申请号为201010131906.9的申请中，公开了一种PT铁磁谐振的判别方法，该申请在这里全文引用与此。上述发明定量的分析了铁磁谐振的发生条件，需要较高的理论知识和大量的分析和计算。

但是还没有一种系统和方法实现(1)用于分析PT铁磁谐振的发生与扰动量和系统参数之间的定量关系；(2)防止电力系统产生PT铁磁谐振；(3)评判各种抑制铁磁谐振的措施优劣。

也还没有一种系统和方法为理论水平一般的电力系统运行人员提供准确的防止电力系统产生PT铁磁谐振的解决措施。

发明内容

本发明的目的是提供一种能克服上述缺陷、精确定量并方便的判定电力系统在遭受某种固定的扰动的情况下防止PT电力系统产生PT铁磁谐振的系统，包括：

输入模块，用于向安全性分析模块输入所述电力系统的PT励磁特性曲线，和所述电力系统的等效电路中的电容C、电感L、电阻R或传输线路的电抗Z，以及电力系统的正常运行电压和扰动后的电压；

安全性分析模块，利用输入的参数，计算所述电力系统的稳定裕度和扰动量，并分析所述电力系统是否进入PT铁磁谐振状态，输出分析结果；

输出模块，用于接收所述分析结果并显示；

处理模块，根据输出模块显示的结果，以决定是否采取相应的措施限制电力系统进入铁磁谐振状态。

除此之外所述系统，还可以包括拟合模块，根据测量得到的励磁特性数据拟合所述PT励磁特性曲线。所述拟合模块采用奇次方多项式的磁链电流关系模型，利用线性插值的方法增加数据样本，再利用牛顿法进行励磁特性曲线的拟合。由此提高PT励磁特性曲线的准确性。

所述等效电路是根据戴维南定理对所述电力系统进行等效为串并联电路结构得出的。所述电容C、电感L、电阻R或传输线路的电抗Z是根据所述电力系统的实际参数合戴维南定理计算得出的。

分析所述电力系统是否进入PT铁磁谐振状态的依据是：稳定裕度大于扰动量，系统会进入谐振状态，反之不会进入谐振状态。所述的分析结果为“能进入铁磁谐振状态”或“不能进入铁磁谐振状态”。

所述的相应措施是选自开口三角加消谐器、串接零序PT、中性点加消弧线圈、中性点接大电阻、串接Z接线变压器并连接电阻或电抗接地中的一种或多种措施。

另外，所述的系统还可以包括校验模块，验证使用相应措施后的电力系统是否能够进入PT铁磁谐振状态。由此检验所采取的措施是否有效，并可以判断各种措施在防止所述电力系统进入铁磁谐振状态的优劣性。

根据上述系统，本发明还提出了一种相应的防止电力系统产生PT铁磁谐振的方法，包括以下步骤：

(1)由输入模块输入所述电力系统的PT励磁特性曲线，和所述电力系统的等效电路中的电容C、电感L、电阻R或传输线路的电抗Z，以及电力系统的正常运行电压和扰动后的电压；

(2)利用输入的参数，计算所述电力系统的稳定裕度和扰动量，并分析所述电力系统是否进入PT铁磁谐振状态，输出分析结果；

(3)显示所述分析结果；

(4)根据所述分析结构，决定是否采取相应的措施限制电力系统进入铁磁谐振状态。

其中在步骤(1)中根据测量得到的励磁特性数据使用拟合生成所述PT励磁特性曲线。所述拟合的方法为采用奇次方多项式的磁链电流关系模型，利用线性插值的方法增加数据样本，再利用牛顿法进行励磁特性曲线的拟合。由此提高PT励磁特性曲线的准确性。

另外在步骤(1)中，根据戴维南定理把所述电力系统等效为串并联电路结构。所述电容C、电感L、电阻R或传输线路的电抗Z是根据所述电力系统的实际参数合戴维南定理计算得出的。

在步骤(2)中，分析所述电力系统是否进入PT铁磁谐振状态的依据是：稳定裕度大于扰动量，系统会进入谐振状态，反之不会进入谐振状态。

步骤(2)和(3)中，所述的分析结果为“能进入铁磁谐振状态”或“不能进入铁磁谐振状态”。

在步骤(4)中，所述的相应措施是选自开口三角加消谐器、串接零序PT、中性点加消弧线圈、中性点接大电阻、串接Z接线变压器并连接电阻或电抗接地中的一种或多种措施。

另外在步骤(4)之后还可以包括校验步骤，验证使用相应措施后的电力系统是否能够进入PT铁磁谐振状态。由此检验所采取的措施是否有效，并可以判断各种措施在防止所述电力系统进入铁磁谐振状态的优劣性。

附图说明

图1是本发明的防止电力系统产生PT铁磁谐振的系统的模块图；

图2是本发明的防止电力系统产生PT铁磁谐振的方法流程图；

图3是等效电路结构图；

图4是本发明的防止电力系统产生PT铁磁谐振的系统的输入界面；

图5是本发明的防止电力系统产生PT铁磁谐振的系统的安全性分析模块计算分析铁磁谐振发生条件的等面积法则图。

具体实施方式

下面以配电网为例，详细阐述本发明的具体实施方案：

如图1所示，防止PT电力系统产生PT铁磁谐振的系统，至少包括输入模块、安全分析模块、输出模块和处理模块。还可以含有拟合模块和校验模块。

其中输入模块用于向安全分析模块输入计算分析所需的参数，即所述电力系统的PT励磁特性曲线，和所述电力系统的等效电路(如图2所示)中的电容C、电感L、电阻R或传输线路的电抗Z，以及电力系统的正常运行电压和扰动后的电压等。输入模块可以是任何可用于手动输入的装置，如键盘等。

所述PT励磁特性曲线为磁通—电压曲线。其可以由测量得到的励磁数据通过拟合模块得到。

而安全性分析模块，则是利用输入的参数，计算所述电力系统的稳定裕度和扰动量，并分析所述电力系统是否进入PT铁磁谐振状态，并向输出模块输出分析结果。分析电力系统是否进入PT铁磁谐振状态的依据是：稳定裕度大于扰动量，系统会进入谐振状态，反之不会进入谐振状态。所述的分析结果为“能进入铁磁谐振状态”或“不能进入铁磁谐振状态”。

计算时如图5所示，其中PT励磁特性曲线与正常运行电压以及扰动后的电压之间存在三个平衡点，其中A′为正常运行点、B′为暂态稳定点、C′为稳态谐振平衡点，定义能量函数

系统的稳定裕度S_dmax时，a为A′点的横坐标，b为B′的横坐标；计算系统的扰动量S_a时，a为A的横坐标，b为A′的横坐标。

处理模块，则是根据输出模块显示的结果，以决定是否采取相应的措施限制电力系统进入铁磁谐振状态。

校验模块，则是可以对使用相应措施后的电力系统是否能够进入PT铁磁谐振状态进行验证。

下面将举例详述本发明的系统的工作过程。

根据戴维南定理得到所述电力系统的等效电路，如图3所示的简单并联谐振电路，PT采用非线性电感模拟，其基准电压为

基准电流为1.5mA，基准角频率为100π。当然，等效电路是有很多种，图3只是其中的一种的示意图。本实施例中采集的系统等效电容C＝0.01μF，等效电阻R＝6000Ω，其余的参数为零。

采集励磁特性曲线数据(U-1)如下面的表1：

下面将对采集的励磁特性曲线数据进行拟合，可以直接对上述数据进行拟合，也可以采用奇次方多项式的磁链电流关系模型，利用线性差值的方法，增加测量数据的样本，然后再利用牛顿法进行励磁参数拟合，使得拟合精度进一步的提高。具体如下：

磁链-电流瞬时值特性描述为下面的关系：

根据磁链与电压的关系：

假设电压的表达式为，

可以得到磁链的表达式为：

将之代入式(1)并对电流求有效值，可以得到电压和电流的有效值关系：

I＝g(a₁，…，a_2n+1，U)                      (3)

然后利用测量的M组励磁特性数据{U₁，I₁，…U_M，I_M}对系数参数a₁，…a_2n+1进行拟合，确定式(3)中的参数。

先找到一组参数a的解，使得M个测量离这组参数构成的曲线最近，即最小二乘法，也就是要确定的参数，使得测量点的方差最小：

$J=\min \left\{\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{[I_k^2-f(a_0,\·\·\·a_n,U_k)]}^2\right\}={[Y-F(A,U)]}^T[Y-F(A,U)]---\left(4\right)$

其中，U＝[U₁，…，U_M]^T，A＝[a₀，…a_n]，I_k，U_k为第k个伏安特性值。这样，将参数拟合的问题，转化为方差最小的优化问题，该优化问题的解就是下面的代数方程的解：

$\frac{\∂J}{\∂A}={\left(\frac{\∂F}{\∂A}\right)}^l[Y-F(A,U)]=0---\left(5\right)$

方程(5)是一个非线性代数方程组，采用牛顿法进行迭代求解。假设第k次求解的参数为A_k，与真实值A之间的差(即修正值)为ΔA_k，将F(A_k，U)用一阶泰勒级数展开：

$F(A,U)=F(A_k,U)+{\frac{\∂F}{\∂A}|}_{A_k}\·\mathrm{\Δ}{A}_k=F(A_k,U)+H_k\mathrm{\Δ}{A}_k---\left(6\right)$

其中

为雅克比矩阵。

而后就可以得到线性的修正方程：

$\frac{\∂J}{\∂A}=H_k^T[Y-F(A_k,U)-H_k\mathrm{\Δ}{A}_k]=0---\left(7\right)$

于是可以得到修正量ΔA_(k)：

$\mathrm{\Δ}{A}_{\left(k\right)}={\left(H_k^T{H}_k\right)}^{-1}{H}_k^T[Y-F(A_k,U)]---\left(8\right)$

假定拟合的阶数为2N+1，则参数的个数为N个，向量A和A为N×1矩阵，测量的伏安特性的点数为M(M＞N)，则矩阵H为N×M，Y为M×1维矩阵。在设定初值并经过不断的修正以后，最终得到满足要求的参数，从而我们得到拟合的励磁特性曲线。

对表1中的数据，模型采用7次多项式，即N＝3，磁链-电流曲线模型为

通过使用上述拟合计算最后得出PT标幺值下的励磁特性的曲线为：

将其转换为磁链—电压曲线关系。

测量系统正常运行电压为3.5kV，系统受到扰动后电压升高到4.5kv。

将上面的所得到的参数通过输入模块输入到安全分析模块，其输入界面如图4所示。

由安全分析模块计算电力系统的稳定裕度S_dmax和扰动量S_a。如图5所示，图中显示的是标幺值。通过计算得出稳定裕度S_dmax＝0.0212，扰动量S_a＝0.008，分析稳定裕度S_dmax和扰动量S_a的大小，得到系统不能发生铁磁谐振的结果。

由输出模块输出并显示分析结果为“不能进入铁磁谐振状态”。

处理模块在得到上述输出的结果后，决定维持原系统的运行，不进行进一步的处理。

当然如果扰动电压继续增加，最终会导致S_dmax＜S_a，这时输出模块会输出并显示分析结果为“能进入铁磁谐振状态”，此时，处理模块会根据需要在原来的电力系统上开口三角加消谐器、串接零序PT、中性点加消弧线圈、中性点接大电阻、串接Z接线变压器并连接电阻或电抗接地，以确保系统不会进入铁磁谐振状态。

最后还可以由校验模块重复上述步骤，验证采取相应措施后的电力系统能否进入铁磁谐振状态。

以上所述，仅为本发明其中的较佳实施案例而已，并非用来限定本发明的实施范围：即凡根据本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆为本发明权利要求的范围所涵盖。

Claims (10)

1.一种防止电力系统产生PT铁磁谐振的系统，包括：

输入模块，用于向安全性分析模块输入所述电力系统的PT励磁特性曲线，和所述电力系统的等效电路中的电容C、电感L、电阻R或传输线路的电抗Z，以及电力系统的正常运行电压和扰动后的电压；

安全性分析模块，利用输入的参数，计算所述电力系统的稳定裕度和扰动量，并分析所述电力系统是否进入PT铁磁谐振状态，输出分析结果；

输出模块，用于接收所述分析结果并显示；

处理模块，根据输出模块显示的结果，以决定是否采取相应的措施限制电力系统进入铁磁谐振状态。

2.根据权利要求1所述的系统，其中还包括拟合模块，根据测量得到的励磁特性数据拟合所述PT励磁特性曲线。

3.根据权利要求2所述的系统，其中所述拟合模块采用奇次方多项式的磁链电流关系模型，利用线性插值的方法增加数据样本，再利用牛顿法进行励磁特性曲线的拟合。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述等效电路是根据戴维南定理对所述电力系统进行等效为串并联电路结构得出的。

5.根据权利要求1所述的系统，其中所述电容C、电感L、电阻R或传输线路的电抗Z是根据所述电力系统的实际参数合戴维南定理计算得出的。

6.根据权利要求1所述的系统，其中分析所述电力系统是否进入PT铁磁谐振状态的依据是：稳定裕度大于扰动量，系统会进入谐振状态，反之不会进入谐振状态。

7.根据权利要求1所述的系统，其中所述的分析结果为“能进入铁磁谐振状态”或“不能进入铁磁谐振状态”。

8.根据权利要求1所述的系统，其中所述的相应措施是选自开口三角加消谐器、串接零序PT、中性点加消弧线圈、中性点接大电阻、串接Z接线变压器并连接电阻或电抗接地中的一种或多种措施。

9.根据权利要求1所述的系统，其中还包括校验模块，验证使用相应措施后的电力系统是否能够进入PT铁磁谐振状态。

10.一种防止电力系统产生PT铁磁谐振的方法，包括以下步骤：

(1)由输入模块输入所述电力系统的PT励磁特性曲线，和所述电力系统的等效电路中的电容C、电感L、电阻R或传输线路的电抗Z，以及电力系统的正常运行电压和扰动后的电压；

(2)利用输入的参数，计算所述电力系统的稳定裕度和扰动量，并分析所述电力系统是否进入PT铁磁谐振状态，输出分析结果；

(3)显示所述分析结果；

(4)根据所述分析结构，决定是否采取相应的措施限制电力系统进入铁磁谐振状态。

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