CN112165078A - 一种利用短路电流变化率的谐振型限流器投入控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用短路电流变化率的谐振型限流器投入控制方法。首先，利用测控装置实时检测限流器安装处的电流；其次，一旦发生短路故障，并计算电流变化率，将短路电流及其变化率数据进行存储；然后，利用电流变化率，根据参数拟合的方法计算短路电流稳态幅值；最后，将计算的短路电流稳态幅值与门槛值进行比较，一旦超过门槛值，则立即发出投入限流器的控制指令。本发明方法仅利用短路故障后的暂态信号，能够准确、快速实现限流器投入控制。

Description

一种利用短路电流变化率的谐振型限流器投入控制方法

技术领域

本发明属于电力系统领域，涉及限流器投入控制技术，具体涉及一种利用短路电流变化率的谐振型限流器投入控制方法。

背景技术

110kV及以上电力系统发生短路故障时，短路电流通常达到正常运行电流的十几倍以上，短路故障不及时切除，将给系统造成许多负面影响。故障发生时，短路电流及其产生的电弧将会使得故障点设备元件过热而损坏，甚至发生爆炸等严重事故。降低非故障设备元件性能和寿命。短路电流通过非故障设备元件时，将对其动热稳定性能造成冲击，尤其是电动力对故障点附近变压器致损有累积效应，严重影响其性能和使用寿命。短路故障将导致电力系统中部分地区的电压跌落严重，低于设备正常运行最低电压，使得大量电力用户的正常工作遭到破坏或产生废品，影响电力系统稳定。

随着负荷持续攀升，我国大容量电源不断接入电力系统，电力系统短路电流大幅上升。短路故障发生时，要实现断路器迅速开断短路电流，若更换开断能力更高的断路器，将耗费大量人力和资金。因此，如何限制短路电流，以实现断路器正常开断，是当前电力系统中亟待解决的问题。利用限流电抗器(简称限流器)限制短路电流是目前解决该问题的比较可行的思路之一。如图3所示，一种谐振型限流器安装于电力系统高压母线附近，正常情况下，电感与电容串联谐振，阻抗为零，不影响系统运行，在短路故障发生时，限流器测控装置迅速进行短路电流幅值辨识，一旦短路电流幅值超过已有断路器的开断能力，则将开关S闭合，电容被短路，电抗器立即串入系统，增大系统阻抗，把短路电流降低到断路器开断能力范围内。

目前，已有的短路电流幅值辨识方法，如傅里叶算法及其变换算法、Prony算法、矩阵束算法等，有其优势，但也存在计算量大或算法精度易受过渡电阻、谐波影响等问题，因此，提出可行、简单的短路电流幅值计算方法，势在必行。

发明内容

为了克服现有短路电流幅值计算方法在限流器投入控制方面存在的不足，本发明的目的是提供一种利用短路电流变化率的谐振型限流器投入控制方法，利用短路电流变化率，进行参数拟合计算，能够精确计算短路电流幅值，从而实现限流器投入的快速控制。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种利用短路电流变化率的谐振型限流器投入控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：利用测控装置实时检测限流器安装处电流，分别记为i(t)。

步骤2：一旦检测到发生短路故障，计算电流变化率，将短路电流数据和电流变化率数据进行存储。此处检测短路故障，可利用常规的电流突变量检测方法。短路电流变化率为电流的一阶导数，记为i'(t)。实际采样为离散信号，则变化率计算公式如下：

式中，ΔT是采样间隔。

步骤3：利用短路电流变化率，结合参数拟合的方法计算短路电流幅值。方法如下：

110kV及以上电力系统发生短路故障时，忽略含量极少的高次谐波，短路电流主要由稳态工频分量和衰减直流分量组成，其一般表达式为：

式中，I_m为短路电流工频幅值，

为短路电流初相角，I_d为衰减直流分量幅值，τ为衰减时间常数。则短路电流的变化率为：

则

可得：

式(4)进一步推导，可得：

式(5)可转化为：

X₁sinωt+X₂cosωt+X₃i(t)＝i'(t) (6)

对比式(5)、式(6)，可知：

当采样间隔为ΔT时，令式(6)右端的短路电流变化率矩阵为B＝[i'(t) i'(t+ΔT) i'(t+2ΔT) … i‘[t+(n-1)ΔT]]^T，其中n为采样点个数，理论上讲，采样点个数越多越好，但在采样频率一定时，点样点数越多，数据窗越长，本发明取数据窗长度为8ms。令参数矩阵为X＝[X₁ X₂ X₃]^T，且令：

则有方程组：

A·X＝B (9)

求解该方程组，即可求出X₁、X₂、X₃，最终可求出短路电流幅值I_m，公式为：

步骤4：将求得的短路电流幅值与门槛值比较，一旦超过门槛值(取为60kA)，则发出限流器投入的指令。

本发明和现有方法相比较，具有如下优点：

本发明提出的一种利用短路电流变化率的谐振型限流器投入控制方法，只需要采集限流器安装处的电流，计算短路电流变化率，对存储空间要求低，且利用参数拟合的算法进行幅值计算，计算方法十分简单，计算量小，对装置CPU要求低，能够满足快速计算短路电流幅值。

附图说明

图1是本发明方法流程图。

图2是某双端500kV系统仿真模型图，其中限流器安装于500kV线路出口处。

图3为谐振型限流器模型图。

图4是故障距离1km，过渡电阻0.1欧姆，0.200s发生A相接地故障时，A相的电流波形。

图5是故障距离1km，过渡电阻0.1欧姆，0.205s发生A相接地故障时，A相的电流波形。

图6是故障距离10km，过渡电阻0.1欧姆，0.207s发生A相接地故障时，A相的电流波形。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

如图2所示某500kV线路仿真模型图，S1、S2为500kV电源，X1、X2是系统阻抗。线路是架空线路，长度为200km，模拟该线路上发生短路故障。

图3种谐振型限流器安装于线路出口处，正常运行时，开关S断开，电容C与电抗器L构成谐振串联谐振，不影响系统运行。短路故障时，一旦短路电流超过门槛值，则断开开关S，电抗器L串入系统，起到限制短路电流的作用。避雷器M用来限制电容器两端过电压，起到保护作用。

利用本发明提供的方法可以实现短路电流幅值快速辨识，进而实现限流器投入控制。如图1所示，包括如下步骤：

步骤1：利用测控装置实时检测限流器安装处电流，分别记为i(t)。

步骤2：一旦检测到发生短路故障，计算电流变化率，将短路电流数据和电流变化率数据进行存储。此处检测短路故障，可利用常规的电流突变量检测方法。短路电流变化率为电流的一阶导数，记为i'(t)。实际采样为离散信号，则变化率计算公式如下：

式中，ΔT是采样间隔，采样频率10kHz，采样间隔为0.1ms。

步骤3：利用短路电流变化率，结合参数拟合的方法计算短路电流幅值。方法如下：

110kV及以上电力系统发生短路故障时，短路电流主要由稳态工频分量和衰减直流分量组成，其一般表达式为：

式中，I_m为短路电流工频幅值，

为短路电流初相角，I_d为衰减直流分量幅值，τ为衰减时间常数。则短路电流的变化率为：

则

可得：

式(4)进一步推导，可得：

式(5)可转化为：

X₁sinωt+X₂cosωt+X₃i(t)＝i'(t) (6)

对比式(5)、式(6)，可知：

当采样间隔为ΔT时，令式(6)右端的短路电流变化率矩阵为B＝[i'(t) i'(t+ΔT) i'(t+2ΔT) … i‘[t+(n-1)ΔT]]^T，其中n为采样点个数，采样频率10kHz,数据窗长度为8ms时，采样点数为80个。令参数矩阵为X＝[X₁ X₂ X₃]^T，且令：

(8)

则有方程组：

A·X＝B (9)

求解该方程组，即可求出X₁、X₂、X₃，最终可求出短路电流幅值I_m，公式为：

步骤4：将求得的短路电流幅值与门槛值比较，一旦超过门槛值(取为60kA)，则发出限流器投入的指令。

表1:如图4所示发生故障时实际短路电流幅值、本发明方法计算的幅值及限流器投入控制结果。

表2:如图5所示发生故障时实际短路电流幅值、本发明方法计算的幅值及限流器投入控制结果。

表3:如图6所示发生故障时实际短路电流幅值、本发明方法计算的幅值及限流器投入控制结果。

按照本发明，3种故障情况下，计算出的短路电流幅值均与实际短路电流幅值十分接近，误差小于5％。第1种、第2种情况下，限流器应该投入，实际计算值也超过了门槛值，如表1、表2所示。第3种情况下，限流器不应该投入，实际计算值小于门槛值，故限流器不投入。总之，无论在哪种故障情况下，利用本发明提供的投入控制方法，均能够确保限流器投入控制逻辑正确，证明了本发明方法可行。

Claims (3)

1.一种利用短路电流变化率的谐振型限流器投入控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：利用测控装置实时检测限流器安装处电流，分别记为i(t)；

步骤2：一旦检测到发生短路故障，计算电流变化率，将短路电流数据和电流变化率数据进行存储；此处检测短路故障，可利用常规的电流突变量检测方法；短路电流变化率为电流的一阶导数，记为i'(t)；实际采样为离散信号，则变化率计算公式如下：

式中，ΔT是采样间隔；

步骤3：利用短路电流变化率，结合参数拟合的方法计算短路电流幅值；方法如下：

110kV及以上电力系统发生短路故障时，短路电流主要由稳态工频分量和衰减直流分量组成，其一般表达式为：

式中，I_m为短路电流工频幅值，

为短路电流初相角，I_d为衰减直流分量幅值，τ为衰减时间常数；则短路电流的变化率为：

则

可得：

式(4)进一步推导，可得：

式(5)可转化为：

X₁sinωt+X₂cosωt+X₃i(t)＝i'(t) (6)

对比式(5)、式(6)，可知：

当采样间隔为ΔT时，令式(6)右端的短路电流变化率矩阵为B＝[i'(t) i'(t+ΔT) i'(t+2ΔT)…i‘[t+(n-1)ΔT]]^T，其中n为采样点个数，理论上讲，采样点个数越多越好，但在采样频率一定时，点样点数越多，数据窗越长，取数据窗长度为8ms；令参数矩阵为X＝[X₁ X₂X₃]^T，且令：

则有方程组：

A·X＝B (9)

求解该方程组，即可求出X₁、X₂、X₃，最终可求出短路电流幅值I_m，公式为：

步骤4：将求得的短路电流幅值与门槛值比较，一旦超过门槛值，则发出限流器投入的指令。

2.根据权利要求书1所述的一种利用短路电流变化率的谐振型限流器投入控制方法，其特征在于：步骤3所述的采样数据窗为8ms。

3.根据权利要求书1所述的一种利用短路电流变化率的谐振型限流器投入控制方法，其特征在于：步骤4所述的门槛值为60kA。

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