CN113991835A - 一种基于备自投装置的双电源无缝切换的控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于备自投装置的双电源无缝切换的控制方法。涉及供电网输配电技术领域，具体涉及一种双电源无缝切换的控制方法。包括以下步骤：S1、对主电路线路进行dq变换；S2、利用移动小窗法收集若干个观察值；S3、利用A矩阵和B矩阵对收集到的观察值进行处理，得到平均值；S4、对比平均值与设定值，平均值大于设定值，则主电路正常运行，无动作；反之，则主电路故障，切断主电路，接通备用电源，直至主电路故障消除后，连通主电路，切断备用电源。本发明避免主电路发生故障时，备自投装置切换不及时，造成负荷端的损坏。

Description

一种基于备自投装置的双电源无缝切换的控制方法

技术领域

本发明涉及供电网输配电技术领域，具体涉及一种双电源无缝切换的控制方法。

背景技术

在电力系统的运行过程中，时常会发生故障，其中大多数是短路故障（简称短路）。所谓短路，是指电力系统正常运行情况以外的相与相之间或相与地（或中性线）之间的连接。在正常运行时，除中性点外，相与相或相与地之间是绝缘的。

短路对电力系统的正常运行和电气设备有很大的危害。在发生短路时，由于电源供电回路的阻抗减小以及突然短路时的暂态过程，使短路回路中的短路电流值大大增加，可能超过该回路的额定电流许多倍。短路点距发电机的电气距离愈近（即阻抗愈小），短路电流愈大。例如在发电机端发生短路时，流过发电机定子回路的短路电流最大瞬时值可达发电机额定电流的10~15倍，在大容量的系统中短路电流可达几万甚至几十万安培。短路点的电弧有可能烧坏电气设备。短路电流通过电气设备中的导体时，其热效应会引起导体或其绝缘的损坏；另一方面，导体也会受到很大的电动力的冲击，致使导体变形，甚至损坏。因此，各种电气设备应有足够的热稳定度和动稳定度，使电气设备在通过最大可能的短路电流时不致损坏。

短路还会引起电网中电压降低，特别是靠近短路点处的电压下降得最多，结果可能使部分用户的供电受到破坏。例如作为系统中最主要的电力负荷异步电动机，它的电磁转矩与外施电压的平方成正比，电压下降时电磁转矩将显著降低，使电动机转速减慢甚至完全停转，从而造成产品报废及设备损坏等严重后果。

系统中发生短路相当于改变了电网的结构，必然引起系统中功率分布的变化，则发电机输出功率也相应地变化。但是发电机的输入功率是由原动机的进汽量或进水量决定的，不可能立即发生相应变化，因而发电机的输入和输出功率不平衡，发电机的转速将变化，这就有可能引起并列运行的发电机失去同步，破坏系统的稳定，引起大片地区停电。这是短路造成的最严重的后果。

备用电源自动投入装置简称备自投装置。对于具备两回及以上供电线路的系统，当发生故障跳开工作电源之后，备自投装置能够自动且迅速地把预先设定作为备用的电源投入供电系统中，使用户能够快速复电。在发电厂内，备自投装置常用于备用线路、备用变压器及重要电动设备的自动投入。而在变电站内，备自投装置通常用于分段母线、备用线路或变压器的自动投入，比如在工作电源断路器因故跳闸后，供电母2线失压，利用备自投装置可以使失压母线转为备用电源供电，让用户快速恢复用电。

备自投装置的应用可以提高电力系统供电可靠性，但使用不当一样会导致严重后果。一般事件是备自投装置动作不成功，导致失压的设备没有成功复电，重大事件就是新投入的备用电源与存在故障的电网设备一起失压，扩大了失压范围。因此备自投装置的正确动作对供电可靠性有着非常重要的作用。

发明内容

本发明针对以上问题，提供了一种能够可靠使用备自投装置，保证主电路线路在发生短路故障时，备自投装置能够及时切换进来，补充主电路电压的双电源无缝切换的控制方法。

本发明的技术方案是：一种基于备自投装置的双电源无缝切换的控制方法，包括以下步骤：

S1、对主电路线路进行dq变换；

S2、利用移动小窗法收集若干个观察值；

S3、利用A矩阵和B矩阵对收集到的观察值进行处理，得到平均值；

S4、对比平均值与设定值，平均值大于设定值，则主电路正常运行，无动作；反之，则主电路故障，切断主电路，接通备用电源，直至主电路故障消除后，连通主电路，切断备用电源。

在步骤S1中所述dq变换还包括Clark变换和Park变换，所述Clark变换用于将ABC三相静止坐标系下的三变量变为αβ两相静止坐标系下的两变量；所述Park变换用于将αβ两相静止坐标系下的交流量变换为dq两相旋转坐标系下的直流量。

在步骤S2中，所述移动小窗法为按顺延时序采集的若干个连续的设定时间段，每个所述时间段内对应一个观察值，所述观察值为当前时间段内的dq值。

在步骤S3中，所述A矩阵包括A₁、A₂、A₃、A₄……A_i-2、A_i-1、A_i，所述B矩阵包括B₁、B₂、B₃、B₄……B_i-2、B_i-1、B_i；

首先将所述A矩阵的A₁、A₂、A₃、A₄……A_i-2、A_i-1依次赋值给所述B矩阵的B₂、B₃、B₄……B_i-2、B_i-1、B_i，且对B₁赋值P，所述P为每次采样的dq值；

再将所述B矩阵的所有值B₁、B₂、B₃、B₄……B_i-2、B_i-1一一对应、重新赋值给所述A矩阵的A₁、A₂、A₃、A₄……A_i-2、A_i-1；

取若干个所述A矩阵的数值计算出平均值；

所述A矩阵和B矩阵的所有值均初始化为零。

本发明先对主电路线路进行dq变换，再通过移动小窗法对连续的、若干个dq值进行分析，计算出平均值，再将平均值与主电路正常运行时的数值进行对比，根据对比的结果实时的检测主电路的运行情况，判断是否启用备自投装置，并输出对应的控制信号。避免主电路发生故障时，备自投装置切换不及时，造成负荷端的损坏。

附图说明

图1是本发明应用电路架构图，

图2是本发明中dq变换的示意图，

图3是本发明中移动小窗法的原理图，

图4是本发明仿真主电源故障图，

图5是本发明仿真主电源故障时，断路器控制信号图，

图6是本发明仿真主电源故障时，负荷电压不间断供电图。

具体实施方式

以下结合附图1-6进一步说明本发明，本发明包括以下步骤：

S1、对主电路线路进行dq变换；

S2、利用移动小窗法收集若干个观察值；

S3、利用A矩阵和B矩阵对收集到的观察值进行处理，得到平均值；

S4、对比平均值与设定值（正常工作值），平均值大于设定值，则主电路正常运行，无动作；反之，则主电路故障，切断主电路，接通备用电源，直至主电路故障消除后，连通主电路，切断备用电源。

如图1所示，主电路中三相电源经过降压变压器处理后，可以直接给负荷供电。当主电路电源发生故障后（如：单相短路、三相短路），为了及时给重要负荷供电，因此打开主电路断路器，接入备用电源。备用电源需要进行整流、逆变处理。当达到负荷要求后，方可接入。

其次，主电路和备用电路中的断路器控制信号互逆。即当主电路发生故障时，断开主电路线路，接通备用电源线路；当主电路故障恢复时，应及时断开备用电源线路，重新接入主电源电路。因此，需要对主电源进行实时观测，并且据此来制定控制信号。

本发明先对主电路线路进行dq变换，再通过移动小窗法对连续的、若干个dq值进行分析，计算出平均值，再将平均值与主电路正常运行时的数值进行对比，根据对比的结果实时的检测主电路的运行情况，判断是否启用备自投装置，并输出对应的控制信号。避免主电路发生故障时，备自投装置切换不及时，造成负荷端的损坏。

本发明是通过控制模块检测主电路运行数据，并分析运行数据后再输出控制信号实现对主电路和备用电路双电源无缝切换的。

在步骤S1中所述dq变换还包括Clark变换和Park变换，所述Clark变换用于将ABC三相静止坐标系下的三变量变为αβ两相静止坐标系下的两变量；所述Park变换用于将αβ两相静止坐标系下的交流量变换为dq两相旋转坐标系下的直流量。

如图2所示，三相电的锁相环只需要进行 Clark 变换和 Park 变换得到 dq 分量，进行 PI 运算就可以轻松的完成锁相。

经过 Clark 变换，三相静止坐标系下的三变量变为两相静止坐标系下的两变量，变量数目得以减少，但是变换后的控制变量仍为交流量。根据自动控制原理，在采用传统PI 控制时，对交流量的控制始终是有静差的，为了取得无静差的控制效果，必须通过 Park变换将αβ两相静止坐标系下的交流量变换为 dq 两相旋转坐标系下的直流量。dq 两相旋转坐标系相对于 αβ 两相静止坐标系以角速度ω逆时针同步旋转，其中ω为静止坐标系下交流量的自身角频率，ϴ为 d 轴与 α 轴相角差。

在步骤S2中，所述移动小窗法为按顺延时序采集的若干个连续的设定时间段，每个所述时间段内对应一个观察值，所述观察值为当前时间段内的dq值。

在步骤S3中，所述A矩阵包括A₁、A₂、A₃、A₄……A_i-2、A_i-1、A_i，所述B矩阵包括B₁、B₂、B₃、B₄……B_i-2、B_i-1、B_i；

首先将所述A矩阵的A₁、A₂、A₃、A₄……A_i-2、A_i-1依次赋值给所述B矩阵的B₂、B₃、B₄……B_i-2、B_i-1、B_i，且对B₁赋值P，所述P为每次采样的dq值；

再将所述B矩阵的所有值B₁、B₂、B₃、B₄……B_i-2、B_i-1一一对应、重新赋值给所述A矩阵的A₁、A₂、A₃、A₄……A_i-2、A_i-1；

取若干个所述A矩阵的数值计算出平均值；

所述A矩阵和B矩阵的所有值均初始化为零。

如图3所示，移动小窗法是收集一组观察值，计算这组观察值的均值，利用这一均值作为下一期的预测值。

在移动小窗法的计算中包括的过去观察值的实际个数，必须一开始就明确规定（这里窗口设为3）。每出现一个新观察值，就要从移动小窗中减去一个最早的观察值，再加上一个最新观察值，计算移动小窗平均值，这一新的移动平均值就作为下一次的预测值。

A矩阵从第一个数到倒数第二个数依次传入到B矩阵的第二个到最一个数中，每次采样的dq值会放入B矩阵的第一个中。再将B矩阵的所有值全部都传入A矩阵中。以此，便完成了第一次的窗口计算。往复循环，小窗便会以窗口长度（这里设为3）进行移动，直至探索结束，其中，A、B矩阵中所有值均初始化为零。

A矩阵和B矩阵属于本领域技术人员熟知的技术，在此不再赘述。

若窗口计算平均值大于正常工作值，则认为主电路正常运行；反之，则认为主电路出现故障，需切断主电路线路，立即接通备用电源。

如图4~图6，对主电路进行故障仿真，仿真时间共0.2秒，在0-0.05秒以及0.1-0.2秒时主电路正常运行，在0.05-0.1秒之间主电路发生故障；

在0.05-0.1秒之间主电路发生单相短路故障，A相电压为零。为了使负荷正常运行，断路器控制信号反转，完成双电源电路之间的切换。

对于本案所公开的内容，还有以下几点需要说明：

（1）、本案所公开的实施例附图只涉及到与本案所公开实施例所涉及到的结构，其他结构可参考通常设计；

（2）、在不冲突的情况下，本案所公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例；

以上，仅为本案所公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，本案所公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种基于备自投装置的双电源无缝切换的控制方法，其特征在于，

包括以下步骤：

S1、对主电路线路进行dq变换；

S2、利用移动小窗法收集若干个观察值；

S3、利用A矩阵和B矩阵对收集到的观察值进行处理，得到平均值；

S4、对比平均值与设定值，平均值大于设定值，则主电路正常运行，无动作；反之，则主电路故障，切断主电路，接通备用电源，直至主电路故障消除后，连通主电路，切断备用电源。

2.根据权利要求1所述的一种基于备自投装置的双电源无缝切换的控制方法，其特征在于，在步骤S1中所述dq变换还包括Clark变换和Park变换，所述Clark变换用于将ABC三相静止坐标系下的三变量变为αβ两相静止坐标系下的两变量；所述Park变换用于将αβ两相静止坐标系下的交流量变换为dq两相旋转坐标系下的直流量。

3.根据权利要求1所述的一种基于备自投装置的双电源无缝切换的控制方法，其特征在于，在步骤S2中，所述移动小窗法为按顺延时序采集的若干个连续的设定时间段，每个所述时间段内对应一个观察值，所述观察值为当前时间段内的dq值。

4.根据权利要求1所述的一种基于备自投装置的双电源无缝切换的控制方法，其特征在于，在步骤S3中，所述A矩阵包括A₁、A₂、A₃、A₄……A_i-2、A_i-1、A_i，所述B矩阵包括B₁、B₂、B₃、B₄……B_i-2、B_i-1、B_i；

首先将所述A矩阵的A₁、A₂、A₃、A₄……A_i-2、A_i-1依次赋值给所述B矩阵的B₂、B₃、B₄……B_i-2、B_i-1、B_i，且对B₁赋值P，所述P为每次采样的dq值；

再将所述B矩阵的所有值B₁、B₂、B₃、B₄……B_i-2、B_i-1一一对应、重新赋值给所述A矩阵的A₁、A₂、A₃、A₄……A_i-2、A_i-1；

取若干个所述A矩阵的数值计算出平均值；

所述A矩阵和B矩阵的所有值均初始化为零。

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