CN106159875B - 一种短路电流零点预测方法及短路电流选相分断控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种短路电流零点预测方法及短路电流选相分断控制方法，短路电流选相分断控制方法包括S1实时采集电流信号，并判断是否发生短路故障，若是，则转入步骤S2，若否，则继续采集电流信号；S2采用类‑Prony方法对短路电流进行处理，获得短路电流零点；S3根据短路电流零点、断路器的分闸动作时间和最佳燃弧时间获得距离目标相位的延时时间；S4判断继电保护指令是否达到，若是，则直接分断开关，若否，则进入延时倒计时；S5判断延时倒计时时间是否为0，若是，则转入步骤S6，若否，则继续倒计时；S6在延时结束后再一次判断继电保护指令是否达到，若是，则转入步骤S7；若否，则退出分断操作；S7控制断路器断开，并经过最佳燃弧时间后实现选相分断。

Description

一种短路电流零点预测方法及短路电流选相分断控制方法

技术领域

本发明属于电力系统电器智能化领域，更具体地，涉及一种短路电流零点预测方法及短路电流选相分断控制方法。

背景技术

选相控制技术是一种根据负荷状态，控制开关在最佳(预期)的电压或电流相位完成合闸或者分闸的智能控制技术。对于电容器组、电抗器组等常规设备，系统电信号周期性变化，目标相位易于确定，因此相应选相产品发展较为成熟，在电力系统中得到了广泛应用。但对于短路故障电流的选相分断技术，至今没有有效的实现方案。

短路故障电流的选相分断技术可以有效减小触头燃弧时间，延长设备运行寿命。且当电弧在目标零点熄灭后，触头不再发生重燃，系统的运行可靠性增强。在目前线路开关的开断容量已经不能满足电网发展的背景下，采用选相分断技术也可以有效地提高电力开关的短路开断水平。因此，短路故障电流选相分断技术已成为目前电器智能化领域的研究热点之一。

但不同于常规负载的电流特点，短路故障电流中包含衰减直流分量，使得电流零点不再周期性出现。同时，继电保护系统对开关的速动性要求也日益严格。因此，采用短路故障电流选相分断技术时，控制器需要在继保系统发出命令之前预测出目标零点，并结合开关的机械及电气特性，控制触头延时之后再动作，使得故障电流可以在目标相位被成功分断。对于选定的开关型号，其机械及电气特性固定，延时时间依赖于短路电流目标零点的确定。因此，实现短路故障电流选相分断技术的基础和难点是根据有限的采样信息，快速、准确地还原短路电流波形，预测出目标零点。

目前，国内外学者提出了多种预测模型。POLTL等人提出了一种“安全点方法”(POLTL A，FROHLICH K.A new algorithm enabling controlled short circuitinterruption[J].IEEE Trans.On Power Delivery，2003，18(3)：802-808.)。该方法假定直流分量不发生衰减，方法处理简便，但是模型粗糙，因此零点预测结果精度较低。RichardThomas等提出了自适应方法(THOMAS R，DAALDER J，SOLVER C E.An adaptive self-checking algorithm for controlled fault interruption[C].18th InternationalConference on Electricity Distribution，Turin，Italy，2005.)，该方法提出了一种短路故障起始判据，并将短路电流中的直流分量进行泰勒展开，预测模型更细化，但是该方法在谐波较大时可能导致结果波形不收敛。

公开号为CN102495926A的专利文献中提出的电流模型可以快速准确地预测电流零点，理论上没有截断误差。但是该方法需要多次迭代，实时性较差。Parikh,U.B等人提出基于支持向量机的零点预测方法(Parikh，U.B.Bhalja，B.R.SVR-Based Current ZeroEstimation Technique for Controlled Fault Interruption in the Series-Compensated Transmission Line[J].Power Delivery，IEEE Transactions on Volume：28，Issue3.)，原理简便，但是该方法需要大量数据进行离线学习，且只能应用在特定的短路故障形式下，不具有实时性和通用性。

以上典型方法或因模型描述不准确导致短路电流零点预测误差大，或因方法处理过程耗时较大导致预测的实时性不好，并不能完全满足短路故障电流选相分断技术快速性、准确性的实现要求。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种短路电流零点预测方法，旨在解决现有技术中因模型描述不准确导致短路电流零点预测误差大的问题。

本发明提供了一种短路电流零点预测方法，包括下述步骤：

S21：当短路故障发生时，采集短路电流；

S22：判断采集的短路电流的数据长度L是否等于1/2工频周期信号的长度，即10ms对应的电流长度，若是，则转入步骤S23，若否，则返回至步骤S21；

S23：对逐次选择的四个采样数据进行处理得到(L-3)组短路电流参数；

其中，每组短路电流参数包括：短路电流的直流分量的衰减因子α、短路电流的工频周期信号幅值A₁、短路电流的工频周期信号和短路电流的衰减直流分量起始值A₀；其中，工频周期信号即频率为50Hz的交流周期信号。S24：根据(L-3)组短路电流参数获得参数的平均值，并将参数的平均值代入公式中获得不考虑谐波影响时的短路还原电流；

其中，t为时间，f₁为工频周期信号频率，为50Hz；

S25：根据所述短路还原电流获得短路电流零点。

其中，衰减因子工频周期信号幅值A₁＝2*Re(X₁)；工频周期信号相位衰减直流分量起始值其中，a₁＝e^j100πΔt， i(k)、i(k+1)、i(k+2)、i(k+3)分别为电流采样数据，k为采样数据的序号，k＝0,2......L-1；k_t为采样时间的序号，k_t＝0,2......L-1；L为采样电流信号长度；b₀为衰减直流分量的指数衰减系数e^αΔt，e代表自然对数；Δt为采样时间间隔；Re(X₁)代表取X₁参数的实部，angle(X₁)为取X₁参数的角度；为X₁参数的共轭形式；为a₁参数的k_t次方，为b₀参数的k_t次方；z₁＝Re(a₁)为a₁参数的实部。

本发明还提供了一种短路电流选相分断控制方法，包括下述步骤：

S1：实时采集电流信号，并根据采集的电流信号判断是否发生短路故障，若是，则转入步骤S2，若否，则继续采集电流信号；

S2：采用类-Prony方法对短路电流进行处理，获得短路电流零点；

S3：根据所述短路电流零点、机械动作时间和最佳燃弧时间获得距离目标相位的延时时间；

S4：判断继电保护指令是否达到，若是，则直接分断开关，若否，则分闸控制信号开始进入延时倒计时；

S5：判断所述分闸控制信号的延时倒计时时间是否为0，若是，则转入步骤S6，若否，则继续倒计时；

S6：在延时结束后再一次判断继电保护指令是否达到，若是，则转入步骤S7；若否，则退出分断操作；

S7：通过所述分闸控制信号控制断路器断开，并经过最佳燃弧时间后实现选相分断。

其中，所述距离目标相位的延时时间T_d＝T_ob-T_f-T_c-T_p-T_a；其中T_ob为短路电流零点相位时刻，T_f为发生短路故障的时刻，T_c为类-Prony方法获得波形特征参数所需要的时间，T_p为断路器的分闸动作时间，T_a为断路器触头的燃弧时间，T_d为距离目标相位的延时时间。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于算法对于短路电流的模型描述更加准确，不存在简化误差，因此获得的短路电流的特征参数，即直流分量的衰减因子α、短路电流的工频周期信号幅值A₁、短路电流的工频周期信号和短路电流的衰减直流分量起始值A₀的误差更小。同时，该方法是通过短路电流采样数据之间的数学关系，得到上述具体短路电流参数，获得过程更加方便快速，在线应用效果更好。基于上述获得的短路电流零点，可以快速、准确地实现短路故障电流的选相分断，以减小触头的烧蚀时间，延长断路器的电气寿命，同时增强电力系统的稳定性。

附图说明

图1是选相控制开关的原理图。

图2是本发明的类-Prony方法执行流程图。

图3是本发明的短路故障电流选相分断流程图。

图4是本发明方法基于Matlab进行的短路故障电流零点预测及选相分断方法实施效果图。

具体实施方式

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。

本发明通过建立一种更加准确的短路故障电流模型，快速、准确地还原出短路故障电流，得到目标零点，可以用于实现短路故障电流的选相分断技术。

本发明为了降低甚至消除上述方法因模型简化带来的零点预测误差，基于短路电流的模型分析，提出将Prony方法用于电力系统短路故障电流的波形还原和零点预测。但传统Prony方法处理过程繁杂，难以满足选相分断技术的实时性要求。结合实际系统中短路故障电流的已知参数信息，得到一种可用于短路故障电流选相分断技术的类-Prony方法。

选相控制开关原理见说明书附图1，通过采样系统短路电流，选相控制器执行类-Prony方法处理采样信号，完成短路电流波形还原和零点预测后，与继电保护命令相配合，控制开关的动作时刻，实现短路故障电流的选相分断技术；通过选相分断，可以减小短路分断过程中的触头烧蚀，延长电气设备电寿命，减小系统振荡，同时，也能提高开关的短路开断水平。

本发明通过以下步骤完成技术方案1，得到短路电流波形及目标零点，短路故障电流模型可以表述为：式中，t为时间，A₀为短路故障电流中衰减直流分量的起始值，α为直流分量的衰减因子，s为不同信号阶数，f_s为不同信号的频率，A_s为不同频率信号的幅值，为对应频率的相位。q＝1时，不考虑谐波影响，短路故障电流由衰减直流分量和工频周期信号组成，即

因此，为了提高短路故障电流零点预测的精度，需要一种模型可以同时描述短路电流的直流衰减特性和交流周期特性。

原始Prony模型表达式：式中，t为时间，A_m为不同频率信号的幅值，f_m为不同信号的频率，为对应频率的相位，α_m为不同频率信号的衰减因子，m为拟合信号的阶数序列，m＝0，1，2，……，p-1，p为拟合信号的总阶数。

当α_m＝0时，i(t)由不同频率的周期信号拟合而成，而当f_m＝0时，则对应由衰减直流信号组成。即，Prony方法既可以描述信号的衰减特征，也可以描述其周期特征，数学模型与短路故障电流模型一致，这也是该方法可以消除因模型简化带来的预测误差的技术关键。但该传统模型直接应用时，处理过程繁杂，难以满足短路故障电流选相分断的快速性要求。

(1)为了使Prony方法实时可行，将传统Prony模型离散化并重新表达为：式中， 令z_m＝Re(a_m)，Δt为采样间隔，j为单位虚数标志，z_m＝Re(a_m)代表z_m参数为a_m的实部，k为采样的离散数据点序列号，k_t为采样时间序列号，k_t＝k＝0,2，……L-1，L为电流信号的采样长度。

根据短路电流的模型特点，不考虑谐波影响时，短路电流由直流衰减分量和工频周期信号组成，即为2阶信号，p＝2。衰减直流分量可以认为其频率为0，即f₀＝0，工频周期信号的频率f₁＝50Hz，且在电力系统线路短路故障中，可以认为周期分量不发生衰减，即α₁＝0。因此，在短路故障电流选相分断技术中，式(4)得到简化，其中参数a₀＝1,a₁＝e^j100πΔt；b₁＝1；X₀＝A₀/2；z₀，z₁相应已知，由此得到可用于短路故障电流选相分断的类-Prony方法，模型表达式为：其中，下标0代表对应参数为衰减直流分量的波形参数，下标1代表对应参数为基波工频信号的波形参数，。

(2)等间隔采样4个离散电流数据点[i(k),i(k+1),i(k+2),i(k+3)]，应用说明书附图2所示类-Prony方法处理流程，即可得到短路电流模型参数，表达式为：直流分量的衰减因子工频周期信号幅值及相位衰减直流分量起始值其中，

为了提高预测实时性，采用10kHz采样频率。在得到上述α、A1、A₀参数的基础上，即可根据式(6)还原得到短路故障电流波形，并根据牛顿迭代或线性插值等方法求解该离散数据序列，预测得到电流波形上定义的目标零点位置，即i(t)＝0的时刻；

在本发明实施例中，技术方案1的实施流程见说明书附图2，包括：采样短路电流，并判断采样数据长度是否满足需要，不够则继续采样，当数据长度为1/2工频周期信号长度时，进入下一步处理；从第一个采样数据起依次选择4点数据应用类-Prony方法进行处理，得到一组短路电流的表征参数α_l、A_1l、A_0l(l代表数据窗组数，l＝1，2，……，L-3)，并移动数据窗，直至所有采样数据已处理；根据各组参数得到平均化后的波形表征参数，并还原短路电流，预测出目标零点位置；完成1次应用类-Prony方法的短路电流零点预测方法。

作为本发明的一个实施例，理论上4个采样电流点即可还原出短路电流波形，但在实际使用中，采样信号受到外界环境的影响，为了提高本发明方法的可靠性，可以灵活采用数据长度。以采样半个基波周期长为例，每4个采样点作为一组数据窗口，应用本发明的类-Prony方法得到短路参数，并逐渐递推，多采样一个新数据点，则舍弃一个旧数据点，分组进行类-Prony方法处理，得到(L-3)组参数，最后求取各参数的平均值：

其中，L代表采样数据长度，α_l、A_1l、A_0l分别代表第l组波形参数，l＝1,……,L-3，sum()代表对括号内参数的求和运算，even()代表对括号内参数取平均操作。

由于上述模型未考虑谐波因素的影响，当电力系统短路电流中包含3次谐波时，即包含第150Hz的信号时，技术方案1模型中的参数p＝3，且3次谐波分量也不发生衰减，即其衰减因子为0，结合上述技术特征可知，此时式(4)中的参数a₀＝1,a₁＝e^j100πΔt,a₂＝e^j300πΔt；b₁＝1，b₂＝1；X₀＝A₀/2；z₀，z₁，z₂相应已知。其中，下标0代表对应参数为衰减直流分量的波形参数，下标1代表对应参数为基波工频信号的波形参数，下标2代表对应参数为3次谐波的波形参数。由此得到包含3次谐波时的短路故障电流选相分断的类-Prony方法，模型表达式为：

应用本发明实施例提供的技术方案1所描述的类-Prony模型及短路电流零点预测方法，可快速、准确地实现短路故障电流的选相分断技术，即本发明的技术方案2，如说明书附图3所示，具体实现步骤如下：

(1)实时采样电力系统电流并进行短路故障判断，本发明以相电流突变量为启动判据。相电流突变量定义为： 式中，i_k为第k个电流采样值，i_k-N为一个工频周期长度前对应的采样值，i_k-2N则为两个工频前的采样值，为k_t时刻电流的突变量，N为一个工频周期的采样数据长度。

系统正常运行时，负荷电流是稳定的，i_k-i_k-N几乎为0，而当故障时，i_k-i_k-N为纯故障分量。若k_t时刻发生故障，i_k为故障时刻电流，i_k-N及i_k-2N为故障前电流。从这时起有输出，当大于整定值时，开始启动计数。连续启动计数超过3次则代表故障已经发生，记录故障发生时刻。

(2)采样1/2工频周期信号长度，应用本发明技术方案1提出的类-Prony方法得到故障起始时刻起2个周期内的短路电流波形，方法实施流程见说明书附图2，预测出2个周期处的短路电流目标零点。

(3)结合开关的机械及电气特性，确定分闸命令需要延时的时间并判断继电保护系统的动作命令是否已经到达，若已经到达，则该次应用本发明的类-Prony方法未能满足实时性要求，实现短路故障选相分断任务失败，则直接分断开关，切除短路故障。若未到达，则开始选相等待。

(4)若D中的继电保护命令未到达，控制器开始等待，则判断等待时间是否已到。若等待时间已到，而继电保护命令仍未检测到，则退出开关的分断操作。若等待时间到达时检测到继电保护命令也已经发出，才对电力开关的操作机构发出分闸指令，控制开关动作，执行短路故障电流的选相分断，减小触头燃弧时间，降低电弧能量。

通过建立满足短路故障电流特征的类-Prony方法模型，还原得到短路故障电流波形并预测出可用的目标零点。同时，结合开关的电气及机械特性，应用该类-Prony方法可实现短路电流的选相分断技术。

本发明的具体技术效果体现在：

(1)本发明能够完整、准确描述短路电流模型，理论上不考虑谐波及噪声影响时4个数据点即可得到所有的波形参数，不存在模型近似带来的预测误差；

(2)考虑短路电流中三次谐波对零点预测精度的影响时，本发明也能得到理想的波形还原结果，方法的应用扩展性和灵活性强；

(3)基于类-Prony方法的短路故障电流选相分断，零点预测误差小，选相效果好，且满足实时性的技术要求，见说明书附图4。

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施过程。

附图1为选相控制开关的原理图，当负荷状态为短路时：

(1)根据采样的系统电流信号，选相控制器首先进行故障判断。当连续采样判据启动3次之后，在Tf时刻短路故障标志置位，开始进入短路故障选相分断阶段。

(2)附图3所示短路故障选相分断流程图中，根据采样得到的故障电流波形，本例采样长度为1/2工频周期信号长度，即10ms内对应的电流信号数据。采样完成后则执行零点预测方法，方法的具体执行过程见附图2。定义目标零点为短路故障之后40ms处的零点，则可预测出图4的目标零点时刻T_ob。则根据类-Prony方法的处理过程T_c、开关的分闸动作时间T_p、最佳燃弧过程T_a可得到到达目标零点需要的延时时间T_d。其中T_c是该方法的执行时间，本例执行时间为10ms，T_p、T_a由用户选定的开关特性决定，在选相分断时是已知的，本例设最小燃弧时间T_a为3ms，T_p为10ms，即从接到分闸命令开始到触头到达最小燃弧开距的时间为10ms。因此，要使开关触头经过最小燃弧时间后在目标零点到达绝缘间隙、成功分断电路，需要延时等待的时间可知：T_d＝T_ob-T_f-T_c-T_p-T_a。

(3)延时T_d之后，结合继电保护系统状态，选相控制器向开关的操作机构发出分闸命令，经过T_p动作时间之后触头开始燃弧，并在T_a时间后到达满开距，同时短路电流也刚好到达预测的目标零点时刻T_ob，电弧熄灭并不再重燃，此次短路故障电流选相分断成功。触头的分开状态信号可反馈给控制器，进行最终确认。

(4)一次短路故障电流选相分断过程完成。

根据图4的实施效果图可知，本发明的类-Prony方法理论上可以得到准确的波形还原结果。且放大后发现，目标零点预测误差小于1ms，满足短路故障电流选相分断的精度要求。

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。

Claims (5)

1.一种短路电流零点预测方法，其特征在于，包括下述步骤：

S21：当短路故障发生时，采集短路电流；

S22：判断采集的短路电流的数据长度L是否等于1/2工频周期信号的长度，即10ms内对应的信号长度，若是，则转入步骤S23，若否，则返回至步骤S21；

S23：对逐次选择的四个采样数据进行处理得到(L-3)组短路电流参数；

其中，每组短路电流参数包括：短路电流的直流分量的衰减因子α、短路电流的工频周期信号幅值A₁、短路电流的工频周期信号和短路电流的衰减直流分量起始值A₀；其中，工频周期信号即频率为50Hz的交流周期信号；

S24：根据(L-3)组短路电流参数获得参数的平均值，并将参数的平均值代入公式中获得不考虑谐波影响时的短路还原电流；

其中，t为时间，f₁为工频周期信号频率，为50Hz；

S25：根据所述短路还原电流获得短路电流零点。

2.如权利要求1所述的短路电流零点预测方法，其特征在于，衰减因子工频周期信号幅值A₁＝2*Re(X₁)；工频周期信号相位衰减直流分量起始值

其中，a₁＝e^j100πΔt，

i(k)、i(k+1)、i(k+2)、i(k+3)分别为电流采样数据，k为采样数据的序号，k＝0、2……L-1；k_t为采样时间的序号，k_t＝0、2……L-1；L为采集的短路电流的数据长度；b₀为衰减直流分量的指数衰减系数e^αΔt，e代表自然对数；Δt为采样时间间隔；Re(X₁)代表取X₁参数的实部，angle(X₁)为取X₁参数的角度；为X₁参数的共轭形式；为a₁参数的k_t次方，为b₀参数的k_t次方；z₁＝Re(a₁)为a₁参数的实部。

3.一种短路电流选相分断控制方法，其特征在于，包括下述步骤：

S1：实时采集电流信号，并根据采集的电流信号判断是否发生短路故障，若是，则转入步骤S2，若否，则继续采集电流信号；

S2：采用类-Prony方法对短路电流进行处理，获得短路电流零点；

S3：根据所述短路电流零点、断路器的分闸动作时间和最佳燃弧时间获得距离目标相位的延时时间；

S4：判断继电保护指令是否达到，若是，则直接分断开关，若否，则分闸控制信号开始进入延时倒计时；

S5：判断所述分闸控制信号的延时倒计时时间是否为0，若是，则转入步骤S6，若否，则继续倒计时；

S6：在延时结束后再一次判断继电保护指令是否达到，若是，则转入步骤S7；若否，则退出分断操作；

S7：通过所述分闸控制信号控制断路器断开，并经过最佳燃弧时间后实现选相分断；

其中，步骤S2具体包括：

S21：当短路故障发生时，采集短路电流；

S22：判断采集的短路电流的数据长度L是否等于1/2工频周期信号的长度，即10ms内对应的信号长度，若是，则转入步骤S23，若否，则返回至步骤S21；

S23：对逐次选择的四个采样数据进行处理得到(L-3)组短路电流参数；

其中，每组短路电流参数包括：短路电流的直流分量的衰减因子α、短路电流的工频周期信号幅值A₁、短路电流的工频周期信号和短路电流的衰减直流分量起始值A₀；其中，工频周期信号即频率为50Hz的交流周期信号；

S24：根据(L-3)组短路电流参数获得参数的平均值，并将参数的平均值代入公式中获得不考虑谐波影响时的短路还原电流；

其中，t为时间，f₁为工频周期信号频率，为50Hz；

S25：根据所述短路还原电流获得短路电流零点。

4.如权利要求3所述的短路电流选相分断控制方法，其特征在于，所述距离目标相位的延时时间T_d＝T_ob-T_f-T_c-T_p-T_a；

其中T_ob为短路电流零点相位时刻，T_f为发生短路故障的时刻，T_c为类-Prony方法获得波形特征参数所需要的时间，T_p为断路器的分闸动作时间，T_a为断路器触头的燃弧时间，T_d为距离目标相位的延时时间。

5.如权利要求3所述的短路电流选相分断控制方法，其特征在于，所述衰减因子所述工频周期信号幅值A₁＝2*Re(X₁)；所述工频周期信号相位所述衰减直流分量起始值

其中，a₁＝e^j100πΔt，

i(k)、i(k+1)、i(k+2)、i(k+3)分别为电流采样数据，k为采样数据的序号，k＝0、2……L-1；k_t为采样时间的序号，k_t＝0、2……L-1；L为采集的短路电流的数据长度；b₀为衰减直流分量的指数衰减系数e^αΔt，e代表自然对数；Δt为采样时间间隔；Re(X₁)代表取X₁参数的实部，angle(X₁)为取X₁参数的角度；为X₁参数的共轭形式；为a₁参数的k_t次方，为b₀参数的k_t次方；z₁＝Re(a₁)为a₁参数的实部。