CN110531140B - 基于负荷切除扰动的中低压配电系统短路电流测量方法 - Google Patents

基于负荷切除扰动的中低压配电系统短路电流测量方法 Download PDF

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CN110531140B CN201910843618.7A CN201910843618A CN110531140B CN 110531140 B CN110531140 B CN 110531140B CN 201910843618 A CN201910843618 A CN 201910843618A CN 110531140 B CN110531140 B CN 110531140B
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Abstract

本发明公开了一种基于负荷切除扰动的中低压配电系统短路电流测量方法，通过在电网中低压公共接入点切除一个已知大小负荷ΔP+j·ΔQ对电压产生的负荷扰动，通过测量计算电网中低压公共接入点上所产生的电压变化矢量
Figure DDA0002194492500000012
和通过负荷扰动所产生的负荷电流变化矢量
Figure DDA0002194492500000011
测量出电网中低压公共接入点的对地阻抗ZE，并通过接入该中低压公共接入点的负荷阻抗ZL得到中低压公共接入点短路阻抗ZS、开路电压ES和短路电流IS；解决了现有技术对于未接入无功补偿设备的中低压配用电网难以测量，很难适用于中低压用电企业等技术问题。

Description

基于负荷切除扰动的中低压配电系统短路电流测量方法
技术领域
本发明属于配用电测量装备与设备保护配置领域，尤其涉及一种基于负荷切除扰动的中低压配电系统短路电流测量方法。
背景技术
矿井、化工、船舶和大型商用楼宇的中低压配用电系统可靠性及电器配合的要求较高，低压系统低压断路器开断电流的分段配合与选型，过流脱扣器的配合与选型，电动机保护与脱扣，熔断器与电缆线径的选型设计均需要低压短路电流参数才能进行。
根据相关设计规定，低压系统按线路的最大短路电流来校验低压断路器的分断能力；按照线路的最小短路电流来校验断路器动作的灵敏性；而对于系统短路电流获取，在现有技术中，是靠电力系统中各个节点短路电流计算得到的。然而，传统的离线计算方法有诸多问题：(1)涉及的电网及设备的参数过多，数据量大、数据维护困难，数据错误或准确性问题计算错误或误差很难避免，并且难以发现和校核；(2)低压系统分段和始末端短路的电流计算困难，至今没有实用化的标准程序，而设计出来的工程系统，无法进行校核性检验。(3)短路电流计算需要完整的电力系统参数进行系统化计算，专业性强，从事中低压配用电维护的电工难以完成复杂的计算作业；
由于短路电流水平难以掌握，中低压配用电系统电器及保护合理配置实施困难，由此导致配用电系统安全和经济损失巨大。时至今日，尚无一种通用仪器、装置或设备能够实现现场测量电网中低压公共接入点短路电流。
现有技术《一种基于非故障扰动方式就地测量电网短路容量的方法及系统201810875842.X》和《一种中低压公共接入点短路容量在线测量方法及系统201810875766.2》，提出了一种扰动方式电网短路容量就地测量得方法和测量系统。但是针对高压电网中接入了无功补偿设备的中低压公共接入点，利用无功补偿设备功率的突然变化(如投切或快速调整)形成的扰动，对高压电网的公共接入点短路容量进行测量，对于未接入无功补偿设备的中低压配用电网难以测量，很难适用于中低压用电企业。
本发明要解决的技术问题是：提供一种基于负荷切除扰动的中低压配电系统短路电流测量方法，以解决现有技术是针对高压电网中接入了无功补偿设备的中低压公共接入点，利用无功补偿设备功率的突然变化形成的扰动，对高压电网的公共接入点短路容量进行测量，对于未接入无功补偿设备的中低压配用电网难以测量，很难适用于中低压用电企业等技术问题。
本发明技术方案：
一种基于负荷切除扰动的中低压配电系统短路电流测量方法，所述方法为通过在电网中低压公共接入点切除一个已知大小负荷ΔP+j·ΔQ对电压产生的负荷扰动，通过测量计算电网中低压公共接入点上所产生的电压变化矢量
Figure BDA0002194492480000021
和通过负荷扰动所产生的负荷电流变化矢量
Figure BDA0002194492480000022
测量出电网中低压公共接入点的对地阻抗ZE，并通过接入该中低压公共接入点的负荷阻抗ZL得到中低压公共接入点短路阻抗ZS、开路电压ES和短路电流IS。
所述电压变化矢量
Figure BDA0002194492480000023
是中低压公共接入点负荷扰动前后电压矢量的差，即负荷扰动前中低压公共接入点电压矢量
Figure BDA0002194492480000031
末端到负荷扰动后中低压公共接入点电压矢量
Figure BDA0002194492480000032
末端的矢量，通过中低压公共接入点电压的测量和计算得到；具体为：
测量扰动前，电网中低压公共接入点的电压有效值V1与相位，得到电压矢量
Figure BDA0002194492480000033
测量扰动后，电网中低压公共接入点的电压有效值V2与相位，得到电压矢量
Figure BDA0002194492480000034
根据
Figure BDA0002194492480000035
计算电网中低压公共接入点电压的矢量差，式中：ΔV为电网中低压公共接入点电压的矢量差的模，θ为扰动后与扰动前电网中低压公共接入点电压矢量
Figure BDA0002194492480000036
与
Figure BDA0002194492480000037
的相位差；
Figure BDA0002194492480000038
相对于
Figure BDA0002194492480000039
方向为180°-β，β计算公式为
Figure BDA00021944924800000310
如V1>V2，则β的解取锐角；如V1<V2，则β的解取钝角；
Figure BDA00021944924800000311
负荷电流变化矢量
Figure BDA00021944924800000312
是负荷扰动功率的突然变化(如切除或投入含有有功功率的负荷)所产生的注入中低压公共接入点负荷电流变化矢量；
Figure BDA00021944924800000313
矢量的模通过负荷扰动容量的变化而计算得到，根据如下计算式
Figure BDA0002194492480000041
式中ΔP+j·ΔQ为扰动负荷切除量，VN为无功补偿装置的额定电压，V1为扰动前的中低压公共接入点电压有效值；
Figure BDA0002194492480000042
相对于矢量
Figure BDA0002194492480000043
角度γ是切除负荷ΔP+j·ΔQ的功率因数角
Figure BDA0002194492480000044
对地阻抗ZE根据电压变化矢量
Figure BDA0002194492480000045
和负荷电流变化矢量
Figure BDA0002194492480000046
计算得到，计算公式为：
Figure BDA0002194492480000047
负荷阻抗ZL根据负荷扰动前接入中低压公共接入点负荷的总有功功率PL、负荷无功功率QL和扰动负荷切除量ΔP+j·ΔQ计算得到的计算公式为
Figure BDA0002194492480000048
Figure BDA0002194492480000049
为无功补偿装置的额定电压，i为复数虚部。
短路阻抗ZS根据对地阻抗ZE测量数值和负荷阻抗ZL数值计算得到，计算公式为
Figure BDA00021944924800000410
ZS是复数，实部是短路电阻分量，虚部是短路电抗分量。
开路电压ES根据对短路阻抗ZS、负荷阻抗ZL和扰动前电网中低压公共接入点的电压有效值V1计算得到，计算公式为
Figure BDA0002194492480000051
短路电流IS根据短路阻抗ZS和开路电压ES计算得到，计算公式为：
Figure BDA0002194492480000052
本发明有益效果：
本发明提供的基于负荷扰动就地测量电网短路电流、短路阻抗的方法，通过注入电网中低压公共接入点的负荷扰动功率的突然变化，对电网中低压公共接入点产生的扰动。并在扰动前，对中低压公共接入点负荷总有功功率和总无功功率以及扰动前和扰动后，电网中低压公共接入点电压的幅值与相位差的测量，并根据中低压公共接入点负荷总有功功率、总无功功率、扰动前和扰动后，电网中低压公共接入点电压的幅值与相位差以及扰动所产生的负荷电流变化矢量
Figure BDA0002194492480000053
计算中低压公共接入点的短路电流和短路阻抗，实现了电网中低压公共接入点短路电流和含电阻与电抗分量的短路阻抗在线测量，而且，由于本发明计算电网中低压公共接入点短路电流所采用的公式是根据电路的基本物理原理推导得到的，并非经验公式，不存在测量原理的误差，使得本发明计算得到的电网中低压公共接入点短路电流具有精度高的优势。
注意到，本发明专利是通过电量矢量的测量和复数的二维解析计算实现短路电流、短路阻抗、短路容量和开路电压的在线测量，。而本申请人在2018年8月13日申请的专利201810875842.X和201810875766.2是通过标量(有效值)一维解析计算得到短路容量测量值的，在测量与计算方法上存在实质上的差别，因而本发明在测量精度上提高了一个数量级。
本发明不但能够直接测量得到短路容量，而且能够直接测量得到更为重要的短路电流、短路阻抗和开路电压；而本申请人在 2018年8月13日申请的专利201810875842.X和201810875766.2 仅能直接测量短路容量，不能直接测量短路电流、短路阻抗和开路电压。因此本专利的测量的内容与上述技术也不相同。
本发明采用负荷扰动方法(如切除或投入含有有功功率的负荷)，在中低压用电系统是一个容易实现的措施，而而本申请人在2018年8月13日申请的专利201810875842.X和201810875766.2，采取的是无功补偿设备功率突然变化的扰动措施，这种扰动措施在中低压用电系统中不容易实现。因此本发明采用负荷扰动方法在中低压用户系统中测量时，具有更好的适用性和方便性。
附图说明
图1为本发明实施例基于负荷扰动就地测量电网短路电流和短路阻抗的方法流程图；
图2为负荷扰动前戴维南电路及中低压公共接入点电路图；
图3为恒流源替代施加扰动的无功补偿变化量ΔP+j·ΔQ后，负荷扰动前和扰动后的电路图；
图4为PCC扰动前的电压
Figure BDA0002194492480000071
扰动后的电压
Figure BDA0002194492480000072
和电压变化矢量
Figure BDA0002194492480000073
的矢量关系示意图；
图5为负荷电流变化矢量
Figure BDA0002194492480000074
矢量关系示意图；
图6为替代负荷扰动的恒流源独立电路图。
图中ES是恒压源电压，也称为是中低压公共接入点PCC的开路电压；ZS为短路阻抗；ZL为负荷阻抗；Zcut为扰动负荷阻抗；ΔP+j·ΔQ施加扰动的负荷切除量；
Figure BDA0002194492480000075
为扰动前PCC的电压矢量；
Figure BDA0002194492480000076
为扰动后PCC的电压矢量；
Figure BDA0002194492480000077
为扰动在电网中低压公共接入点上所产生的电压变化矢量；
Figure BDA0002194492480000078
为施加负荷扰动所产生的负荷电流变化矢量。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种基于负荷切除扰动的中低压配电系统短路电流测量方法，能够实现电网中低压公共接入点短路电流和短路阻抗在线测量，而且，具有测量精度高的特点。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例基于负荷扰动就地测量电网短路电流的方法流程图，如图1所示，本发明提供的基于负荷扰动就地测量电网短路电流的方法包括以下步骤：
步骤101：对中低压公共接入点施加负荷扰动
通过注入电网中低压公共接入点的负荷扰动功率的突然变化 (如切除或投入含有有功功率的负荷，扰动负荷切除或投入的功率为ΔP+j·ΔQ，对电网中低压公共接入点实施扰动见图2和图 3。测量扰动前与扰动后电网中低压公共接入点电压有效值V1与 V2。
步骤102：对扰动产生的电压变化(矢量差)
Figure BDA0002194492480000081
测量计算
测量扰动后与扰动前电网中低压公共接入点电压矢量
Figure BDA0002194492480000082
与
Figure BDA0002194492480000083
的相位差θ，并计算电网中低压公共接入点电压变化矢量(矢量差)
Figure BDA0002194492480000084
见图4
Figure BDA0002194492480000085
的模ΔV可以采样用计算公式
Figure BDA0002194492480000086
Figure BDA0002194492480000087
相对于
Figure BDA0002194492480000088
方向为180°-β，β计算公式
Figure BDA0002194492480000089
如V1>V2，β的解取锐角；如V1<V2，β的解取钝角。
Figure BDA00021944924800000810
步骤103：扰动产生的负荷电流变化矢量
Figure BDA00021944924800000811
计算
Figure BDA00021944924800000812
的矢量模可以通过扰动负荷切除量ΔP+j·ΔQ而计算得到，见图5
Figure BDA0002194492480000091
其中ΔP+j·ΔQ为扰动负荷切除量，VN为无功补偿装置的额定电压，V1为扰动前的中低压公共接入点电压有效值。
Figure BDA0002194492480000092
相对于矢量
Figure BDA0002194492480000093
角度γ是切除负荷ΔP+j·ΔQ的功率因数角。
Figure BDA0002194492480000094
步骤104：中低压公共接入点的对地阻抗ZE测量计算
ZE即图6中ZL与ZS的并联阻抗，电压变化矢量
Figure BDA0002194492480000095
和负荷电流变化矢量
Figure BDA0002194492480000096
计算得到。
Figure BDA0002194492480000097
步骤105：负荷阻抗ZL测量计算
以负荷扰动前接入中低压公共接入点负荷的总有功功率PL、负荷无功功率QL和扰动负荷切除量ΔP+j·ΔQ计算得到的。
可根据如下计算式
Figure BDA0002194492480000098
Figure BDA0002194492480000099
为无功补偿装置的额定电压，i为复数虚部。
步骤106：短路阻抗ZS测量计算
通过地阻抗ZE测量数值和负荷阻抗ZL数值计算得到
Figure BDA0002194492480000101
ZS是复数，实部是短路电阻分量，虚部是短路电抗分量。
步骤107：开路电压ES(恒压源电压)测量计算
根据短路阻抗ZS负荷阻抗ZL和扰动后电网中低压公共接入点的电压有效值V1计算得到
Figure BDA0002194492480000102
步骤108：短路电流IS测量计算
根据短路阻抗ZS和开路电压ES计算得到
Figure BDA0002194492480000103
IS是短路电流
测量原理说明
测量方法为：对中低压公共接入点施加已知大小为ΔP+j·ΔQ的切除负荷扰动，测量中低压公共接入点电压变化，根据已知负荷大小，测量短路电流和短路阻抗。
测量原理准确性，取决于电路及电路原理使用的正确性。
戴维南原理及戴维南电路：对于需要测量短路电流的变电站 PCC，根据戴维南原理，均可将变电站模型表达为由戴维南电抗 ZS、恒压源ES及负荷电抗ZL(可获得)组成的模型，见图2。
根据替代原理，施加的已知大小为ΔP+j·ΔQ的负荷扰动，可用一个恒流源进行替代，恒流源电流为
Figure BDA0002194492480000111
是已知量。ΔP+j·ΔQ扰动前(K断开)中低压公共接入点电压为
Figure BDA0002194492480000112
Figure BDA0002194492480000113
是恒压源ES由阻抗ZS及ZL分压所产生的，可以测量，见图3；
ΔP+j·ΔQ扰动后(K合上)中低压公共接入点电压为
Figure BDA0002194492480000114
见图3；根据电路叠加原理，
Figure BDA0002194492480000115
是恒压源ES和恒流源共同作用结果，可以测量，见图3；
根据叠加原理研究独立电源的单独作用，图5为恒流源
Figure BDA0002194492480000116
作为独立电源下的电路，中低压公共接入点电压为
Figure BDA0002194492480000117
它是ΔP+j·ΔQ扰动后中低压公共接入点的电压响应。
根据图5，如果能够根据测量到的
Figure BDA0002194492480000118
和
Figure BDA0002194492480000119
计算出
Figure BDA00021944924800001110
那么就能够计算戴维南电抗ZS，再通过图2计算出恒流源电压ES，通过ES和ZS数值就可计算短路电流IS。
公式推导如下：
(1)负荷电抗ZL：
Figure BDA00021944924800001111
(2)恒流源
Figure BDA00021944924800001112
Figure BDA00021944924800001113
的矢量模可以通过扰动负荷切除量ΔP+j·ΔQ而计算得到，见图5
Figure BDA0002194492480000121
其中ΔP+j·ΔQ为扰动负荷切除量，VN为无功补偿装置的额定电压，V1为扰动前的中低压公共接入点电压有效值。
Figure BDA0002194492480000122
相对于矢量
Figure BDA0002194492480000123
角度γ是切除负荷ΔP+j·ΔQ的功率因数角。
Figure BDA0002194492480000124
(3)扰动产生的电压变化(矢量差)
Figure BDA0002194492480000125
测量扰动后与扰动前电网中低压公共接入点电压矢量
Figure BDA0002194492480000126
与
Figure BDA0002194492480000127
的相位差θ，并计算电网中低压公共接入点电压变化矢量(矢量差)
Figure BDA0002194492480000128
见图4
Figure BDA0002194492480000129
的模ΔV可以采样用计算公式
Figure BDA00021944924800001210
Figure BDA00021944924800001211
相对于
Figure BDA00021944924800001212
方向为180°-β，β的计算公式为
Figure BDA00021944924800001213
如V1>V2，β的解取锐角；如V1<V2，β的解取钝角，见图 6。
Figure BDA0002194492480000131
(4)中低压公共接入点的对地阻抗ZE
ZE即图6中ZL与ZS的并联阻抗，电压变化矢量
Figure BDA0002194492480000132
和负荷电流变化矢量
Figure BDA0002194492480000133
计算得到。
Figure BDA0002194492480000134
(5)短路阻抗ZS
通过地阻抗ZE测量数值和负荷阻抗ZL数值计算得到，见图6
Figure BDA0002194492480000135
ZS是复数，实部是短路电阻分量，虚部是短路电抗分量。
(6)开路电压ES(恒压源电压)
根据图2的短路阻抗ZS负荷阻抗ZL和扰动后电网中低压公共接入点的电压有效值V1计算得到
Figure BDA0002194492480000136
(7)短路电流IS
根据短路阻抗ZS和开路电压ES计算得到
Figure BDA0002194492480000137
IS是短路电流
本发明提供的基于负荷扰动就地测量电网短路电流的方法及系统具有以下效果：
(1)测量原理不导致误差
本发明用于求解电网中低压公共接入点短路电流的公式不是经验公式，而是根据电路基本的物理原理得到的，因此，测量原理及方法是精确的，不会导致误差。本发明所述方法实际测量短路电流时，其测量误差由电气量的测量误差，以及负荷特性、切除操作的并联无功补偿设备容量等参数误差构成，而非本发明所述方法所导致。
本发明提供的基于负荷扰动就地测量电网短路电流的方法及系统可以应用于以下几种方案，但不限于以下几种方案。
(2)测量方便，仅需接入测点电压及切负荷操作开关量节点，具有电工许可证以及电力专业的人员通过说明书阅读示意即可测量。
1.手持式单相短路电流测试仪的实施方案
手持式单相短路电流测试仪具本发明所述的一切特点，
输入测点的负荷及作为扰动源的待切负荷，将测点电压及切除操作开关量接入测试仪，进行切除负荷的操作，测试仪测出短路电流。
通过配备的短路电流和短路阻抗延伸计算软件，利用连接测量点的设备电气参数，延伸计算出测量点的相邻接点的短路电流和短路阻抗。
手持系统短路电流测试仪具有精确性、快速性、简单性。
2.便携式三相短路电流测试仪的实施方案
便携式系统短路电流测试仪具本发明所述的一切特点，具有手持式单相短路电流测试仪的全部工能，并且通过采集三相电压，通过相应算法得到的三相正序工频电压做为公共接入点扰动前电压，可以有效地降低三相不平衡、谐波及电压波动和闪变的干扰，得到精确的短路电流和短路阻抗数值。
通过配备的短路电流和短路阻抗延伸计算软件，利用连接测量点的设备电气参数，延伸计算出测量点的相邻接点的短路电流和短路阻抗。
便携式系统短路电流测试仪具有精确性、方便性和高抗干扰性。手持式和便携式短路电流测试仪电力及用电企业各个专业人员均能够自行测试，使短路电流、短路阻抗的获取摆脱了过去只能依靠系统专业人员计算的限制。

Claims (1)

1.一种基于负荷切除扰动的中低压配电系统短路电流测量方法，其特征在于：所述方法为通过在电网中低压公共接入点切除一个已知负荷ΔP+j·ΔQ对电压产生的负荷扰动，通过测量计算电网中低压公共接入点上所产生的电压变化矢量
Figure FDA0002559252590000011
和通过负荷扰动所产生的负荷电流变化矢量
Figure FDA0002559252590000012
测量出电网中低压公共接入点的对地阻抗ZE，并通过接入该中低压公共接入点的负荷阻抗ZL得到中低压公共接入点短路阻抗ZS、开路电压ES和短路电流IS；所述电压变化矢量
Figure FDA0002559252590000013
是中低压公共接入点负荷扰动前后电压矢量的差，即负荷扰动前中低压公共接入点电压矢量
Figure FDA0002559252590000014
末端到负荷扰动后中低压公共接入点电压矢量
Figure FDA0002559252590000015
末端的矢量，通过中低压公共接入点电压的测量和计算得到；具体为：
测量扰动前，电网中低压公共接入点的电压有效值V1与相位，得到电压矢量
Figure FDA0002559252590000016
测量扰动后，电网中低压公共接入点的电压有效值V2与相位，得到电压矢量
Figure FDA0002559252590000017
根据
Figure FDA0002559252590000018
计算电网中低压公共接入点电压的矢量差，式中：ΔV为电网中低压公共接入点电压的矢量差的模，θ为扰动后与扰动前电网中低压公共接入点电压矢量
Figure FDA0002559252590000019
与
Figure FDA00025592525900000110
的相位差；
Figure FDA00025592525900000111
相对于
Figure FDA00025592525900000112
方向为180°-β，β计算公式为
Figure FDA00025592525900000113
如V1>V2，则β的解取锐角；如V1<V2，则β的解取钝角；
Figure FDA0002559252590000021
所述负荷电流变化矢量
Figure FDA0002559252590000022
是负荷扰动功率的变化所产生的注入中低压公共接入点负荷电流变化矢量；
Figure FDA0002559252590000023
矢量的模通过负荷扰动容量的变化而计算得到，根据如下计算式
Figure FDA0002559252590000024
式中ΔP+j·ΔQ为扰动负荷切除量，VN为无功补偿装置的额定电压，V1为扰动前的中低压公共接入点电压有效值；
Figure FDA0002559252590000025
相对于矢量
Figure FDA0002559252590000026
角度γ是切除负荷ΔP+j·ΔQ的功率因数角
Figure FDA0002559252590000027
所述对地阻抗ZE根据电压变化矢量
Figure FDA0002559252590000028
和负荷电流变化矢量
Figure FDA0002559252590000029
计算得到，计算公式为：
Figure FDA00025592525900000210
所述负荷阻抗ZL根据负荷扰动前接入中低压公共接入点负荷的总有功功率PL、负荷无功功率QL和扰动负荷切除量ΔP+j·ΔQ计算得到的计算公式为
Figure FDA0002559252590000031
Figure FDA0002559252590000035
为无功补偿装置的额定电压，i为复数虚部；
所述短路阻抗ZS根据对地阻抗ZE测量数值和负荷阻抗ZL数值计算得到，计算公式为
Figure FDA0002559252590000032
ZS是复数，实部是短路电阻分量，虚部是短路电抗分量；
所述开路电压ES根据对短路阻抗ZS、负荷阻抗ZL和扰动前电网中低压公共接入点的电压有效值V1计算得到，计算公式为
Figure FDA0002559252590000033
所述短路电流IS根据短路阻抗ZS和开路电压ES计算得到，计算公式为：
Figure FDA0002559252590000034
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