CN115296263B - Pid调节的主动匹配电阻的电压互感器铁磁谐振消谐方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电压互感器(简称PT)铁磁谐振消谐技术领域，具体地说，涉及PID调节的主动匹配电阻的电压互感器铁磁谐振消谐方法。包括：编译电阻匹配算法；设计并构建消谐控制系统；预设电阻主动匹配策略；设计投放电阻的工程方案。本发明设计能够解决单相接地故障以及故障消除时消谐电阻大小与电压互感器开口三角中的绕组过载这一矛盾；能够很好避免单相接地故障和工频谐振特征难以区分以及单相接地故障过程中引发的铁磁谐振的技术难题；可以保证电压互感器不过载烧毁；进而可以采用更为智能的消谐方式，即将PT额定功率作为PID的目标值，动态调节投放的电阻值，从而调节开口三角绕组的电流，达到开口三角绕组不过载，又能以最快速度实现消谐的目的。

Description

PID调节的主动匹配电阻的电压互感器铁磁谐振消谐方法
技术领域
本发明涉及电压互感器(简称PT)铁磁谐振消谐技术领域，具体地说，涉及PID调节的主动匹配电阻的电压互感器铁磁谐振消谐方法。
背景技术
电压互感器的非线性铁芯是产生谐振的根本原因。电磁式电压互感器可理解为一个带铁芯的电感元件，因为铁芯是非线性的，当系统受到某种扰动时，励磁电流发生变化，互感器的电感值发生变化，当电感L与回路中的电容C满足ωL＝1/ωC时，谐振产生。这里ω可能是电网基波角频率，也可能是谐波角频率。因此，当谐波含量较大时，产生谐振的可能性会增加。
带有开口三角形的电压互感器如图1所示。电压互感器若出现谐振，容易导致某一相出现过载从而损坏电压互感器。防止和消除电压互感器谐振的技术措施，从原理上可以分为两类，即：改变谐振回路参数和阻尼谐振。其中改变谐振回路参数也就是改变谐振回路中的电感或者电容的参数，从而破坏谐振条件达到消除谐振的目的。阻尼谐振的方式采用的是增大系统阻尼，即在开口三角中的开口处串联适当大小的电阻，消耗谐振能量，从而实现抑制或消除谐振的目的。目前消谐产品中大多使用阻尼谐振方式，在电压互感器的消除谐振过程中，当出现谐振时，投入一个小电阻实现串接，或者短接开口。系统正常运行时，开口三角形电压为0V，并接的阻尼电阻不影响正常运行。当出现线路电压不对称情况，如单相短路接地、断线等故障，中性点产生位移，使三相电压不对称，会导致开口三角形电压升高，电压互感器铁芯饱和，出现零序磁通，高压绕组流过零序电流，在开口角两端会感应出零序电压，所并接的阻尼电阻中流过零序电流，消耗谐振能量，以限制和破坏铁磁谐振，二次零序电流越大，抑制效果越大，短接时效果最好，但长时短接易导致电压互感器过载而烧毁互感器。投入到消除谐振的电阻越小，消除谐振的效果越好，缺点是容易引起铁芯饱和，从而使得电压互感器某相绕组过载，严重时，也毁坏电压互感器。
目前电压互感器消除谐振的方法主要是微机消谐的方法，也有少数主动消谐的方法。根据谐振发生时的频率不同，电压互感器的谐振分为工频谐振、高频谐振以及分频谐振。考虑到高频谐振和分频谐振的频率有别于工频50Hz，因此使用微机消谐的方式，很容易实现针对高频谐振和分频谐振的消谐效果。对于工频谐振，考虑到在开口三角的开口处存在工频电压，且工频谐振与单相接地故障的特征基本一样，此时采用微机消谐的方式就没有办法实现消谐的目的了。极端困难的情况是：开口三角开口处电压小于100V，若发生单相接地，消谐时投入的消谐电阻或者短接开口，使得开口三角绕组过载，导致铁芯饱和，从而形成新的电压互感器谐振现象。若采用主动消谐的方式，这种矛盾能够得到很好的解决。
主动消谐是一种电压互感器消谐电阻自动跟踪的调整方法，可解决单相接地时消谐电阻大小与电压互感器开口三角中的绕组过载这一矛盾，同时可以解决单相接地故障与工频谐振特征难以区分的难题，能够处理工频谐振。但是在相关产品中，使用的投入消谐用的电阻箱阻值离散，在消谐过程中跳跃性比较大，迟滞效果明显，对实时跟踪的效果大打折扣。鉴于此，我们提出了PID调节的主动匹配电阻的电压互感器铁磁谐振消谐方法。
发明内容
本发明的目的在于提供PID调节的主动匹配电阻的电压互感器铁磁谐振消谐方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述技术问题的解决，本发明的目的之一在于，提供了PID调节的主动匹配电阻的电压互感器铁磁谐振消谐方法，包括如下步骤：
S1、编译电阻匹配算法：分析电压互感器在电网系统不同情况下的电压幅值及相序，分别得出对应的电阻匹配算法；
S2、基于PID控制策略，设计并构建消谐控制系统；
S3、采用上述消谐控制系统，根据电压的不同情况，预设电阻主动匹配策略，执行策略以实现动态调整消谐匹配电阻；
S4、设计投放电阻的工程方案，以避免系统故障恢复时产生铁磁谐振。
作为本技术方案的进一步改进，所述S1中，电压互感器在电网系统的不同情况包括但不限于：正常情况、系统单相金属接地、非金属接地、系统三相不平衡等。
作为本技术方案的进一步改进，所述S1中，分析电压互感器在电网系统不同情况下的电压幅值及相序，分别得出对应的电阻匹配算法的具体方法包括：
首先假设可以从开口直接测得的开口三角绕组端口电压有效值为Ur，且其相量表示为
Figure GDA0004172002930000031
并将开口三角三相绕组相序表示为a*、b*和c*，用于区分PT一次侧和二次侧电压相序以方便矢量分析；
其中：
中性点为O；同时，
Figure GDA00041720029300000310
为开口三角三相电压正常运行情况下的有效值，相量表示分别对应
Figure GDA0004172002930000032
和
Figure GDA0004172002930000033
Uo＝Ur/3为中性点对地电压有效值，称作零序电压，相量表示
Figure GDA0004172002930000034
Figure GDA0004172002930000035
为零序电压与接地相对应的开口三角的相电压夹角；
进而有：
系统单相接地故障时，此时跟工频谐振的特征十分相似；
在正常情况下，开口三角的开口两端没有电压，即
Figure GDA0004172002930000036
当发生系统单相金属接地时，电压互感器一次绕组就会出现某一相上无电压，造成对应的PT二次绕组上对应相也无电压，则开口三角上就会出现100V电压，即Ur＝100V；
非金属接地时，假设此时开口三角的三相中，a*相电压的有效值
Figure GDA00041720029300000311
最大，其视在功率也最大，因此a*相是最容易过载的；若保证a*相不过载，其他两相必定不会过载。
作为本技术方案的进一步改进，在非金属接地时，利用矢量计算结合几何原理，可算得
Figure GDA00041720029300000312
公式如下：
Figure GDA0004172002930000037
考虑到Ur＝3Uo，且
Figure GDA00041720029300000313
有：
Figure GDA0004172002930000038
进而，取消谐电阻阻值为Rx，取开口三角电流为Ir；则Ir＝Ur/Rx；S为开口三角每相绕组的额定功率，Um为开口三角三次绕组三相中相电压最大值；
取UⅡm为电压互感器二次绕组最大相电压，根据绕组变比关系可得：
Figure GDA0004172002930000039
在开口三角中，在满足不超过载的前提下，根据功率关系可得：
UmIr≤KS或UmUr/Rx≤KS；
即：
Figure GDA0004172002930000041
考虑当a*相电压最大时，此时
Figure GDA0004172002930000045
结合公式(2)，可得：
Figure GDA0004172002930000042
作为本技术方案的进一步改进，所述S1中，在编译电阻匹配算法过程中，由于接地故失消除也是激发铁磁谐振的一种方式，但是由接地转为谐振，中间必然有一个过渡过程；在这个过渡过程中，电压会发生显著变化，当检测到过渡过程中的电压变化时，消谐电阻的投入必须修正匹配后再次投入；因此，在系统三相不平衡时，系统中性点会漂移，开口三角会有工频电压，实际运行中此电压一般不超过15V；
那么在Ur小于等于15V的状态下，考虑存在系统三相不平衡的可能，主动消谐匹配电阻需要保证开口三角三相绕组绝对不过载即可；此时不过载条件，依据系统三相不平衡的相互关系来估算；
根据实际电网系统运行结果Ur≤15V，对应电压互感器二次绕组侧最大相电压为：
Figure GDA0004172002930000043
因而，系统三相不平衡时主动投入的消谐电阻Rx取值为最小值Rx15，取值为：
Figure GDA0004172002930000044
作为本技术方案的进一步改进，所述S1中，编译电阻匹配算法的基础先决条件为：两相或者三相短路一般会被运行系统中的微机保护装置在500ms时间内快速切除故障，因此开口三角中匹配任何阻值的电阻，都不会在500ms内引起电压互感器的过载损坏的情况。
作为本技术方案的进一步改进，所述S2中，基于PID控制策略，设计并构建消谐控制系统的具体方法为：
首先，在主动消谐的基础上，采用PID控制策略，并进一步根据控制电阻大小的工程特点，选定采用PI控制，即使用PID控制器中的比例控制算法和积分控制算法；
进而，PID自动整定消谐电阻在线全时段运行，通过比例控制算法逐步投入消谐电阻，同时通过积分控制算法控制消除比例控制算法中的稳态误差，使电压互感器的谐振趋近于最低设定目标值或几近于无，即以主动的方式防止电压互感器铁磁谐振；
同时，运行过程中需要实时检测或采集的数据包括但不限于：电压互感器开口三角电压、电压互感器开口三角三相相电压以及开口三角的环路电流；
最后，设计消谐控制系统，按100ms的周期进行实时跟踪开口三角端口电压有效值Ur的变化，以实现动态调整消谐匹配电阻。
作为本技术方案的进一步改进，所述S3中，预设的电阻主动匹配策略包括如下：
首先，通过检测开口电压Ur，若Ur为0V，电网系统三相平衡，此时投入匹配的电阻值大小对开口三角无影响；但考虑到电网实际运行时，三相不平衡的情况很难避免，则投入匹配阻值按公式(6)，取Ur＝5V计算，即投入阻值
Figure GDA0004172002930000051
作为本技术方案的进一步改进，所述S3中，若Ur发生变化，按以下策略调整：
策略1：
当Ur小于等于15V，先确定Ur变化的因素是由负载不平衡、单相接地故障还是高次谐波铁磁谐振或者分频铁磁谐振中的某一个引起的，再通过消谐控制系统按公式(6)，动态计算，至故障消除或谐振能量消失；
策略2：
当Ur大于15V且小于等于100V时，先确定造成Ur变化的原因是铁磁谐振引起的还是以单相非金属性接地为代表的各种故障引起的，再通过消谐控制系统按公式(4)，动态计算匹配电阻阻值，至故障消除或谐振能量消失；谐振能量释放后，或者故障排除后，当Ur小于等于15V，可按策略1处理；
策略3：
当Ur大于100V时，先通过消谐控制系统按2倍的Rx100阻值匹配谐振电阻，同时消谐控制系统动态跟踪Ur的值，随着谐振能量的释放，Ur的值最终会小于100V，则按策略2执行。
作为本技术方案的进一步改进，所述S4中，投放电阻的工程方案主要为：
投入的电阻选取大功率负载瓷盘圆盘可调滑动变阻器，同时，执行机构采用直流有刷减速电机，功率满足驱动要求即可。
本发明的目的之二在于，提供了一种方法运行平台装置，包括处理器、存储器、存储在存储器中并在处理器上运行的计算机程序以及外接的PID控制器，处理器用于执行计算机程序时实现上述的PID调节的主动匹配电阻的电压互感器铁磁谐振消谐方法的步骤。
本发明的目的之三在于，提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的PID调节的主动匹配电阻的电压互感器铁磁谐振消谐方法的步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1.该PID调节的主动匹配电阻的电压互感器铁磁谐振消谐方法中，能够解决单相接地故障以及故障消除时，消谐电阻大小与电压互感器开口三角中的绕组过载这一矛盾；能够很好的避免单相接地故障和工频谐振特征难以区分以及单相接地故障过程中引发的铁磁谐振的技术难题；
2.该PID调节的主动匹配电阻的电压互感器铁磁谐振消谐方法中，在实际执行时的策略，都是围绕电压互感器PT不过载来投放对应阻值，可以保证电压互感器PT不过载烧毁；PID过程只需要关注开口三角绕组上的电压和电流，进而可以基于此要求，采用更为智能的消谐方式，即将PT额定功率作为PID的目标值，动态调节投放的电阻值，从而调节开口三角绕组的电流，达到开口三角绕组不过载，又能以最快速度实现消谐的目的。
附图说明
图1为本发明中示例性的带有开口三角形的电压互感器电路图；
图2为本发明中示例性的开口三角三相电压矢量图；
图3为本发明中示例性的单相接地故障与电压互感器铁磁谐振对照表图；
图4为本发明中示例性的大功率负载瓷盘圆盘可调滑动变阻器的外形图；
图5为本发明中示例性的通过电机传动调节滑动变阻器投入电阻的工程方案的控制结构图；
图6为本发明中示例性的电子计算机平台装置结构图。
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，所描述的实施例仅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。
实施例1
如图1-图6所示，本实施例提供了PID调节的主动匹配电阻的电压互感器铁磁谐振消谐方法，包括如下步骤：
S1、编译电阻匹配算法：分析电压互感器在电网系统不同情况下的电压幅值及相序，分别得出对应的电阻匹配算法；
S2、基于PID控制策略，设计并构建消谐控制系统；
S3、采用上述消谐控制系统，根据电压的不同情况，预设电阻主动匹配策略，执行策略以实现动态调整消谐匹配电阻；
S4、设计投放电阻的工程方案，以避免系统故障恢复时产生铁磁谐振。
本实施例中，电压互感器在电网系统的不同情况包括但不限于：正常情况、系统单相金属接地、非金属接地、系统三相不平衡等。具体为：
首先假设可以从开口直接测得的开口三角绕组端口电压有效值为Ur，且其相量表示为
Figure GDA0004172002930000071
此时开口三角三相绕组电压矢量如图2所示；进而，按照图1中的相序表示，将开口三角三相绕组相序表示为a*、b*和c*，用于区分PT一次侧和二次侧电压相序以方便矢量分析；
其中：中性点为O，若一次侧单相非金属接地点为G(图2中以C相非金属性接地为例，若出现金属接地，可理解成G点与c*点重合)；同时，
Figure GDA0004172002930000076
Figure GDA0004172002930000077
为开口三角三相电压正常运行情况下的有效值，相量表示分别对应
Figure GDA0004172002930000072
和
Figure GDA0004172002930000073
分别对应图2中从O点出发的三条分别指向a*、b*和c*的矢量线段；Uo＝Ur/3为中性点对地电压有效值，称作零序电压，相量表示
Figure GDA0004172002930000074
即对应图2中从O点出发指向G的矢量线段；
Figure GDA0004172002930000075
为零序电压与接地相对应的开口三角的相电压夹角。
进而有：
系统单相接地故障时，此时跟工频谐振的特征十分相似；
在正常情况下，开口三角的开口两端没有电压，即
Figure GDA0004172002930000081
当发生系统单相金属接地时，电压互感器一次绕组就会出现某一相上无电压，造成对应的PT二次绕组上对应相也无电压，则开口三角上就会出现100V电压，即Ur＝100V。
以图2中为例：C相单相金属接地时，G点与c*点重合，
Figure GDA0004172002930000082
与
Figure GDA0004172002930000083
重合，则有
Figure GDA00041720029300000819
考虑到Uo＝Ur/3，因此Ur为100V；也可以理解为
Figure GDA0004172002930000084
等于
Figure GDA0004172002930000085
矢量和
Figure GDA0004172002930000086
矢量之和，即
Figure GDA0004172002930000087
非金属接地时：在图2中，C相非金属接地，G点与c*点没有重合，即
Figure GDA0004172002930000088
与
Figure GDA0004172002930000089
不重合，且G点根据接地的情况不同，在图2中的半圆上移动。考虑到接地情况已经发生，此时开口三角三相电压如图2所示，即图2中的
Figure GDA00041720029300000810
点出发的三条分别指向a*、b*和c*的矢量线段)。此时
Figure GDA00041720029300000811
Figure GDA00041720029300000812
即
Figure GDA00041720029300000813
与
Figure GDA00041720029300000814
相位角(方向)相同，模值(长度)比为3：1。此时开口三角的三相中，a*相电压的有效值
Figure GDA00041720029300000820
最大，其视在功率也最大，因此a*相是最容易过载的。若保证a*相不过载，其他两相必定不会过载。在图2中，利用矢量计算结合几何原理，可算得
Figure GDA00041720029300000821
公式如下：
Figure GDA00041720029300000815
考虑到Ur＝3Uo，且
Figure GDA00041720029300000822
有：
Figure GDA00041720029300000816
图2中，当θ角为60°时，
Figure GDA00041720029300000817
与
Figure GDA00041720029300000818
共线，此时
Figure GDA00041720029300000823
则
Figure GDA00041720029300000824
且Ur＝50V。
取消谐电阻阻值为Rx，取开口三角电流为Ir。则Ir＝Ur/Rx；S为开口三角每相绕组的额定功率，Um为开口三角三次绕组三相中相电压最大值。图2中C相非金属性接地，开口三角中a*相电压最大，此时
Figure GDA00041720029300000825
取UⅡm为电压互感器二次绕组最大相电压(电压互感器三相二次侧的相电压如图2中虚线矢量所示)，根据绕组变比关系可得：
Figure GDA0004172002930000091
常规电压互感器的励磁特性是按照相额定电压的1.9倍来设计的，这个倍比用K来表示，常规电压互感器的K＝1.9，表示过载能力可以达到其视在功率的1.9倍，过载在1.9倍以内不会出现铁芯饱和。还有一种抗饱和谐振的电压互感器，其K值可以取到2.5。
在开口三角中，在满足不超过载的前提下，根据功率关系可得：
UmIr≤KS或UmUr/Rx≤KS；
即：
Figure GDA0004172002930000092
考虑到C相非金属性接地，a*相电压最大，此时
Figure GDA0004172002930000095
结合公式(2)，可得：
Figure GDA0004172002930000093
例如C相金属性接地时，Ur为100V时，θ为0°，则此时Rx取值为：
Figure GDA0004172002930000094
进一步地，由于接地故障消失也是激发铁磁谐振的一种方式，但是由接地转为谐振，中间必然有一个过渡过程。在这个过渡过程中，电压会发生显著变化，当检测到过渡过程中的电压变化时，消谐电阻的投入必须修正匹配后再次投入。
因此，在系统三相不平衡时，系统中性点会漂移，开口三角会有工频电压，实际运行中此电压一般不超过15V。考虑到工频谐振的谐振点不会落在线电压的三角形内(即图2中a*、b*和c*三点构成的三角形)，中性点距离线电压最近的距离是相电压的二分之一，即θ角为60°的时候，此时有Ur＝3Uo＝50V远大于15V。因此开口三角电压UΔ小于50V的工频电压绝对不是电压互感器工频谐振引起的。
因此，Ur小于等于15V，要么是系统三相不平衡引起，也可能是单相非金属接地故障引起的，也可能是高次铁磁谐波谐振或者分频铁磁谐振引起的；大于15V，且小于50V的Ur，则可能是单相非金属接地故障引起的，也可能是高次铁磁谐波谐振或者分频铁磁谐振引起的。
那么在Ur小于等于15V的状态下，考虑存在系统三相不平衡的可能，主动消谐匹配电阻需要保证开口三角三相绕组绝对不过载即可。此时不过载条件，依据系统三相不平衡的相互关系来估算。根据实际电网系统运行结果Ur≤15V，对应电压互感器二次绕组侧最大相电压为：
Figure GDA0004172002930000101
因而，系统三相不平衡时主动投入的消谐电阻Rx取值为最小值Rx15，取值为：
Figure GDA0004172002930000102
具体地，编译电阻匹配算法的基础先决条件为：两相或者三相短路一般会被运行系统中的微机保护装置在500ms时间内快速切除故障，因此开口三角中匹配任何阻值的电阻，都不会在500ms内引起电压互感器的过载损坏的情况。
最坏情况是两相异地经过大电阻接地短路，虽然此种情况发生的概率不大，但是由于短路电流很小，此时微机保护装置无法发现，不能及时切除故障，导致故障保持长时间存在。此种情况下，会出现：异地短路两相电压下降，另一相电压不变，三相电压中都不存在升高的情况。考虑到在前面的电阻匹配算法中，采用的是最大相电压来匹配电阻的，显然这种小概率情况即使发生了，匹配电阻投入后，也不会使电压互感器过载。
本实施例中，本发明针对市场上现有技术中存在的不足之处，在主动消谐的基础上，提供一种电压互感器开口三角消谐电阻自动跟踪的PID调整方法，其实质为一种高压电网电压互感器的消除谐振用的电阻整定的方法。
其中，PID控制，即比例、积分和微分控制，是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性高，被广泛应用于工业过程控制，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。在实际使用过程中，根据系统的不同特点，可能采用PI控制或者PD控制。
其中比例环节，成比例地反映控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减小偏差。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差；积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度，积分作用的强弱取决于PID控制的参数调节效果。
则基于PID控制策略，设计并构建消谐控制系统的具体方法为：
首先，在主动消谐的基础上，采用PID控制策略，并进一步根据控制电阻大小的工程特点，在本发明中主要采用PI控制，即使用PID控制器中的比例控制算法和积分控制算法；
这种PID自动整定消谐电阻在线全时段运行，通过比例控制算法逐步投入消谐电阻，同时通过积分控制算法控制消除比例控制算法中的稳态误差，使电压互感器的谐振趋近于最低设定目标值或几近于无，即以主动的方式防止电压互感器铁磁谐振，即PID自适应动态主动投入匹配电阻的消谐的方式；
同时，运行过程中需要实时检测或采集的数据有：电压互感器开口三角电压、电压互感器开口三角三相相电压以及开口三角的环路电流；
最后，本方案的铁磁谐振消谐控制系统，按100ms的周期进行实时跟踪Ur的变化，动态调整消谐匹配电阻。
本实施例中，电阻主动匹配策略如下：
通过检测开口电压Ur，若Ur为0V，电网系统三相平衡，此时投入匹配的电阻值大小对开口三角无影响，考虑到电网实际运行时，三相不平衡的情况很难避免。投入匹配阻值按公式(6)，取Ur＝5V计算，即投入阻值
Figure GDA0004172002930000111
进一步地，若Ur发生变化，按以下策略调整：
策略1
当Ur小于等于15V，按照图3表格中的统计结果，此时Ur可能是由负载不平衡引起的，也可能是由单相接地故障引起的，还有可能是由高次谐波铁磁谐振或者分频铁磁谐振引起的。此时，本发明的消谐控制系统将按公式(6)，动态计算，按100ms的周期匹配电阻阻值。
若Ur是系统单相接地故障或者系统三相不平衡引起的，在Ur小于等于15V的条件下，消谐控制系统保持按公式(6)，动态计算匹配电阻阻值，至故障消除。若电压互感器处在非工频的铁磁谐振状态，能量必然会快速释放，直至谐振能量消失。谐振能量释放后，或者故障排除后，当Ur小于等于5V，投入阻值Rx5。
策略2
当Ur大于15V且小于等于100V时，根据图3表格中的统计结果，造成Ur变化的原因有多种，大体分为两类。一类是铁磁谐振引起的，其中小于等于50V时，铁磁谐振只能是非工频铁磁谐振，大于50V时非工频铁磁谐振和工频铁磁谐振都有可能。另一类是以单相非金属性接地为代表的各种故障引起的。此时，本发明的消谐控制系统将按公式(4)，动态计算，按100ms的周期匹配电阻阻值。
若Ur是系统各类故障引起的，在Ur大于15V且小于等于100V的条件下，消谐控制系统保持按公式(4)，动态计算匹配电阻阻值，至故障消除。若电压互感器处在工频的铁磁谐振状态，能量必然会快速释放，直至谐振能量消失。谐振能量释放后，或者故障排除后，当Ur小于等于15V，按策略1处理。
策略3
当Ur大于100V时，考虑到Ur超出了公式(4)的计算范围，且开口三角各相绕组的过载压力比策略1和策略2中所述条件下的大得多。参照图3表格中提到的在工频铁磁谐振两相等值升高的情况下，Ur会出现大于100V的情形。此时，本发明的消谐控制系统将按2倍的Rx100阻值匹配谐振电阻。此时谐振匹配电阻有点大，但是能够保证开口三角各相不会过载。同时，消谐控制系统动态跟踪Ur的值，随着谐振能量的释放，Ur的值最终会小于100V，则按策略2执行。
此外，如图4-图5所示，为了避免故障恢复时很容易产生系统谐振这一事件发生，本方案还提供了一种可靠的投放电阻的工程方案，主要为：
投入的电阻选取大功率负载瓷盘圆盘可调滑动变阻器，外形如图4所示。功率根据电压互感器开口三角的S值和K值，按开口电压为100V时投放的电阻值来换算。一般选取功率P不小于2.5×10000/Rx100。最大电阻值取不小于2.5倍Rx100。
执行机构采用直流有刷减速电机，功率满足驱动要求即可。经过减速机输出轴与滑动变阻器的旋转轴的连接，通过PI算法控制方式驱动直流电机带动滑动变阻器旋转到匹配电阻的阻值。这种工程方案的控制结构如图5所示。
通过实验，本方法能够解决单相接地故障以及故障消除时，消谐电阻大小与电压互感器开口三角中的绕组过载这一矛盾；能够很好的避免单相接地故障和工频谐振特征难以区分以及单相接地故障过程中引发的谐振的技术难题。
本方法最主要的是保证PT不过载烧毁，因此在实际执行时的策略，都是围绕PT(电压互感器)不过载来投放对应阻值。因此PID过程，往往只需要关注开口三角上的电压和电流。所以此方法可以基于此要求，采用更为智能的消谐方式，那就是将电压互感器PT额定功率作为PID的目标值，动态调节投放的电阻值，从而调节开口三角的电流，达到开口三角不过载，又能以最快速度实现消谐的目的。这种策略，也可替换上述的电阻主动匹配策略。
如图6所示，本实施例还提供了一种方法运行平台装置，该装置包括处理器、存储器、存储在存储器中并在处理器上运行的计算机程序以及外接的PID控制器。
处理器包括一个或一个以上处理核心，处理器通过总线与存储器相连，存储器用于存储程序指令，处理器执行存储器中的程序指令时实现上述的PID调节的主动匹配电阻的电压互感器铁磁谐振消谐方法。
可选的，存储器可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，如静态随时存取存储器(SRAM)，电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)，可擦除可编程只读存储器(EPROM)，可编程只读存储器(PROM)，只读存储器(ROM)，磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。
此外，本发明还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述的PID调节的主动匹配电阻的电压互感器铁磁谐振消谐方法的步骤。
可选的，本发明还提供了一种包含指令的计算机程序产品，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述各方面PID调节的主动匹配电阻的电压互感器铁磁谐振消谐方法的步骤。
本领域普通技术人员可以理解，实现上述实施例的全部或部分步骤的过程可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，程序可以存储于计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.PID调节的主动匹配电阻的电压互感器铁磁谐振消谐方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、编译电阻匹配算法：分析电压互感器在电网系统不同情况下的电压幅值及相序，分别得出对应的电阻匹配算法；具体方法包括：
首先假设可以从开口直接测得的开口三角绕组端口电压有效值为Ur，且其相量表示为
Figure FDA0004172002910000011
并将开口三角三相绕组相序表示为a*、b*和c*，用于区分PT一次侧和二次侧电压相序以方便矢量分析；
其中：
中性点为O；同时，
Figure FDA0004172002910000018
为开口三角三相电压正常运行情况下的有效值，相量表示分别对应
Figure FDA0004172002910000012
和
Figure FDA0004172002910000013
Uo＝Ur/3为中性点对地电压有效值，称作零序电压，相量表示
Figure FDA0004172002910000014
Figure FDA0004172002910000015
为零序电压与接地相对应的开口三角的相电压夹角；
进而有：
系统单相接地故障时，在正常情况下，开口三角的开口两端没有电压，即
Figure FDA0004172002910000016
当发生系统单相金属接地时，电压互感器一次绕组就会出现某一相上无电压，造成对应的PT二次绕组上对应相也无电压，则开口三角上就会出现100V电压，即Ur＝100V；
非金属接地时，假设此时开口三角的三相中，a*相电压的有效值
Figure FDA0004172002910000017
最大，其视在功率也最大，因此a*相是最容易过载的；若保证a*相不过载，其他两相必定不会过载；
S2、基于PID控制策略，设计并构建消谐控制系统；具体方法为：
首先，在主动消谐的基础上，采用PID控制策略，并进一步根据控制电阻大小的工程特点，选定采用PI控制，即使用PID控制器中的比例控制算法和积分控制算法；
进而，PID自动整定消谐电阻在线全时段运行，通过比例控制算法逐步投入消谐电阻，同时通过积分控制算法控制消除比例控制算法中的稳态误差，使电压互感器的谐振趋近于最低设定目标值或几近于无，即以主动的方式防止电压互感器铁磁谐振；
同时，运行过程中需要实时检测或采集的数据包括：电压互感器开口三角电压、电压互感器开口三角三相相电压以及开口三角的环路电流；
最后，设计消谐控制系统，按100ms的周期进行实时跟踪开口三角端口电压有效值Ur的变化，以实现动态调整消谐匹配电阻；
S3、采用上述消谐控制系统，根据电压的不同情况，预设电阻主动匹配策略，执行策略以实现动态调整消谐匹配电阻；包括如下：
首先，通过检测开口电压Ur，若Ur为0V，电网系统三相平衡，此时投入匹配的电阻值大小对开口三角无影响；但考虑到电网实际运行时，三相不平衡的情况很难避免，则按公式
Figure FDA0004172002910000021
投入匹配阻值，式中，Rx15为消谐电阻Rx取值的最小值，K为用来按照相额定电压设计电压互感器的励磁特性的倍比，S为开口三角每相绕组的额定功率；若Ur发生变化，按以下策略调整：
策略1：
当Ur小于等于15V，先确定Ur变化的因素是由负载不平衡、单相接地故障还是高次谐波铁磁谐振或者分频铁磁谐振中的某一个引起的，再通过消谐控制系统按公式
Figure FDA0004172002910000022
动态计算，至故障消除或谐振能量消失；
策略2：
当Ur大于15V且小于等于100V时，先确定造成Ur变化的原因是铁磁谐振引起的还是以单相非金属性接地为代表的各种故障引起的，再通过消谐控制系统按公式
Figure FDA0004172002910000023
动态计算匹配电阻阻值，至故障消除或谐振能量消失；谐振能量释放后，或者故障排除后，当Ur小于等于15V，可按策略1处理；
策略3：
当Ur大于100V时，先通过消谐控制系统按2倍的Rx100阻值匹配谐振电阻，同时消谐控制系统动态跟踪Ur的值，随着谐振能量的释放，Ur的值最终会小于100V，则按策略2执行；
S4、设计投放电阻的工程方案，以避免系统故障恢复时产生铁磁谐振。
2.根据权利要求1所述的PID调节的主动匹配电阻的电压互感器铁磁谐振消谐方法，其特征在于：所述S1中，电压互感器在电网系统的不同情况包括：正常情况、系统单相金属接地、非金属接地、系统三相不平衡。
3.根据权利要求1所述的PID调节的主动匹配电阻的电压互感器铁磁谐振消谐方法，其特征在于：在非金属接地时，利用矢量计算结合几何原理，可算得Ua*′，公式如下：
Figure FDA0004172002910000031
考虑到Ur＝3Uo，且
Figure FDA0004172002910000035
有：
Figure FDA0004172002910000032
进而，取消谐电阻阻值为Rx，取开口三角电流为Ir；则Ir＝Ur/Rx；S为开口三角每相绕组的额定功率，Um为开口三角三次绕组三相中相电压最大值；
取UⅡm为电压互感器二次绕组最大相电压，根据绕组变比关系可得：
Figure FDA0004172002910000036
在开口三角中，在满足不超过载的前提下，根据功率关系可得：
UmIr≤KS或UmUr/Rx≤KS；
即：
Figure FDA0004172002910000033
考虑当a*相电压最大时，此时
Figure FDA0004172002910000037
结合公式(2)，可得：
Figure FDA0004172002910000034
其中，K为用来按照相额定电压设计电压互感器的励磁特性的倍比。
4.根据权利要求3所述的PID调节的主动匹配电阻的电压互感器铁磁谐振消谐方法，其特征在于：所述S1中，在编译电阻匹配算法过程中，由于接地故障消失也是激发铁磁谐振的一种方式，但是由接地转为谐振，中间必然有一个过渡过程；在这个过渡过程中，电压会发生显著变化，当检测到过渡过程中的电压变化时，消谐电阻的投入必须修正匹配后再次投入；因此，在系统三相不平衡时，系统中性点会漂移，开口三角会有工频电压，实际运行中此电压一般不超过15V；
那么在Ur小于等于15V的状态下，考虑存在系统三相不平衡的可能，主动消谐匹配电阻需要保证开口三角三相绕组绝对不过载即可；此时不过载条件，依据系统三相不平衡的相互关系来估算；
根据实际电网系统运行结果Ur≤15V，对应电压互感器二次绕组侧最大相电压为：
Figure FDA0004172002910000041
因而，系统三相不平衡时主动投入的消谐电阻Rx取值为最小值Rx15，取值为：
Figure FDA0004172002910000042
5.根据权利要求4所述的PID调节的主动匹配电阻的电压互感器铁磁谐振消谐方法，其特征在于：所述S1中，编译电阻匹配算法的基础先决条件为：两相或者三相短路一般会被运行系统中的微机保护装置在500ms时间内快速切除故障，因此开口三角中匹配任何阻值的电阻，都不会在500ms内引起电压互感器的过载损坏的情况。
6.根据权利要求5所述的PID调节的主动匹配电阻的电压互感器铁磁谐振消谐方法，其特征在于：所述S4中，投放电阻的工程方案主要为：
投入的电阻选取大功率负载瓷盘圆盘可调滑动变阻器，同时，执行机构采用直流有刷减速电机，功率满足驱动要求即可。
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