CN116865210A - 一种防止外部短路冲击的电网降压变压器保护控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种防止外部短路冲击的电网降压变压器保护控制方法，具体包括以下步骤：S1、实时采集降压变压器低压侧A、B、C三相绕组电流瞬时值；S2、根据三相绕组电流瞬时值，利用电流突变量方法判断是否短路故障；S3、利用基于递推多信息算法改进的短路电流参数辨识方法，计算短路电流幅值；S4、根据采样频率，每隔一段时间采集一个电流数据；S5、在新增数据后，对求解结果进行修正；S6、将三相短路电流幅值分别与阈值进行比较；本发明涉及电力系统技术领域。该防止外部短路冲击的电网降压变压器保护控制方法，检测方法使用的电流数据窗很短，对存储空间要求低，方法简单，计算时间短，能快速判断变压器绕组短路电流大小。

Description

一种防止外部短路冲击的电网降压变压器保护控制方法
技术领域
本发明涉及电力系统技术领域，具体为一种防止外部短路冲击的电网降压变压器保护控制方法。
背景技术
220千伏电网我国电力系统中非常重要，中小型城市中普遍以220千伏电网为骨架网络，220千伏电网降压变压器是220千伏为高电压，110千伏为低电压，其中性点直接接地。当110千伏线路上发生故障，在短路故障还未被继电保护装置切除前，短路电流流入变压器，对变压器绕组造成冲击。研究表明，变压器绕组受到短路电流的冲击，主要是将承受较大的应力，如果短路电流工频幅值较大，这种冲击越大。因此，快速切除大短路电流是减轻对变压器冲击的有效保护措施之一。
传统的利用电抗器并联的变压器保护装置如附图2所示。该装置中核心部件之一是控制系统，其作用是，对采集到的电流信号进行分析判断，如果检测到发生了故障且短路电流较大，则控制断路器迅速闭断开，使得电抗器接入变压器中性点，从而减小短路电流，从而保护变压器绕组。
如果频繁地断开、闭合断路器，一方面对控制系统寿命不利，另一方面错误动作的概率较大，对变压器的正常运行不利，如何快速、准确地判断短路电流大小，在应当断开的时候控制断路器断开，是控制系统需要解决的核心问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种防止外部短路冲击的电网降压变压器保护控制方法，解决了电网降压变压器保护控制方法效果不是很好的问题。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种防止外部短路冲击的电网降压变压器保护控制方法，具体包括以下步骤：
S1、实时采集降压变压器低压侧A、B、C三相绕组电流瞬时值，分别记为、/>、/>；
S2、根据三相绕组电流瞬时值，利用电流突变量方法判断是否短路故障，以A相电流为例，电流突变量计算公式如下：
(1)；
将电流突变量与门槛值比较，若大于门槛值，则判断发生了短路故障，进入S3，否则返回到S1；
S3、利用基于递推多信息算法改进的短路电流参数辨识方法，计算短路电流幅值，变压器外部短路故障发生后，变压器绕组短路电流包括工频分量和衰减直流分量，其表达式为：
(2)；
为了求出短路电流的幅值，对短路电流进行处理，其一次导数为：
(3)；
将式(2)和式(3)进一步处理，可得：
(4)；
式(4)右边展开，可得：
(5)；
式(5)形式较为复杂，为方便求解，将其变化为如下形式：
(6)；
式(6)中，相应未知数与式(5)关系为：
(7)；
S4、实际系统中，电流采集是离散进行的，即根据采样频率，每隔一段时间采集一个电流数据，当采集时间间隔为(本发明取0.1ms)时，采集n个电流值，则式(6)右端的短路电流变化率矩阵为/>，其中/>为采样点个数，令参数矩阵为/>，且令：
(8)；
将式(6)变化为方程组的形式：
(9)；
通过求解该方程组，能够得到短路电流参数：
(10)；
式中为矩阵/>的逆矩阵，求解逆矩阵的方法为：
(11)；
通过式(10)求出、/>、/>，再根据式(7)求出短路电流工频幅值/>：
(12)；
S5、对于方程组，求解3个未知数、/>、/>，只需要3组已知数据即可，但求解结果精确度不高，在此基础上运用递推多信息算法进行改进，在新增数据后，对求解结果进行修正，当方程组中新增的数据为/>、/>，由式(10)和式(11)得：
(13)；
、/>参数求解公式如下：
(14)；
利用式(14)不断递推计算，可以得到精度较高的未知参数、/>、/>，使得短路电流幅值误差较小，达到符合要求的结果，将数据窗取为5ms，即取50个数据点共进行50次递推计算；
S6、将三相短路电流幅值分别与阈值进行比较，如果其中1个大于或等于阈值，则控制器发出控制开关断开的指令，投入电抗器，若均小于阈值，则保持控制开关闭合，不投入电抗器。
优选的，所述S2中，、/>分别表示第/>、/>个采样点的瞬时电流值，N表示一个工频周期20ms内采样点的个数，/>表示相邻工频周期的电流突变量，门槛值是整定值，取为0.5安培。
优选的，所述S3中，式2的为短路电流工频幅值，/>为短路电流初相角，/>为衰减直流分量幅值 ，/>为衰减时间常数。
优选的，所述S5中，式(13)的表示第j+1次递推计算得到的未知参数求解结果向量。
优选的，所述S5中，式(14)的表示j+1阶单位矩阵。
优选的，所述S6中阈值取35kA。
有益效果
本发明提供了一种防止外部短路冲击的电网降压变压器保护控制方法。与现有技术相比具备以下有益效果：
该防止外部短路冲击的电网降压变压器保护控制方法，专门针对降压变压器低压侧短路故障初始阶段情况下的变压器绕组电流检测，只需利用单端电流信息，且检测方法使用的电流数据窗很短，对存储空间要求低，方法简单，计算时间短，能快速判断变压器绕组短路电流大小，从而实现对断路器的快速控制，达到保护变压器的目的。
附图说明
图1为本发明变压器保护控制方法的流程图；
图2为本发明中性点不接地配电网防人身触电装置的仿真结构图；
图3为本发明外部线路0.5Km处发生短路低压侧绕组电流曲线图；
图4为本发明外部线路1Km处发生短路低压侧绕组电流曲线图；
图5为本发明外部线路5Km处发生短路低压侧绕组电流曲线图；
图6为本发明0.5km处发生短路故障控制断路器断开前后电流对比图。
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、完整的描述，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。
本发明提供一种技术方案：一种防止外部短路冲击的电网降压变压器保护控制方法。
请参阅图1-6，一种防止外部短路冲击的电网降压变压器保护控制方法，具体包括以下步骤：
S1、实时采集降压变压器低压侧A、B、C三相绕组电流瞬时值，分别记为、/>、/>；
S2、根据三相绕组电流瞬时值，利用电流突变量方法判断是否短路故障，以A相电流为例，电流突变量计算公式如下：
(1)；
将电流突变量与门槛值比较，若大于门槛值，则判断发生了短路故障，进入S3，否则返回到S1；
S3、利用基于递推多信息算法改进的短路电流参数辨识方法，计算短路电流幅值，变压器外部短路故障发生后，变压器绕组短路电流包括工频分量和衰减直流分量，其表达式为：
(2)；
为了求出短路电流的幅值，对短路电流进行处理，其一次导数为：
(3)；
将式(2)和式(3)进一步处理，可得：
(4)；
式(4)右边展开，可得：
(5)；
式(5)形式较为复杂，为方便求解，将其变化为如下形式：
(6)；
式(6)中，相应未知数与式(5)关系为：
(7)；
S4、实际系统中，电流采集是离散进行的，即根据采样频率，每隔一段时间采集一个电流数据，当采集时间间隔为(本发明取0.1ms)时，采集n个电流值，则式(6)右端的短路电流变化率矩阵为/>，其中/>为采样点个数，令参数矩阵为/>，且令：
(8)；
将式(6)变化为方程组的形式：
(9)；
通过求解该方程组，能够得到短路电流参数：
(10)；
式中为矩阵/>的逆矩阵，求解逆矩阵的方法为：
(11)；
通过式(10)求出、/>、/>，再根据式(7)求出短路电流工频幅值/>：
(12)；
S5、对于方程组，求解3个未知数、/>、/>，只需要3组已知数据即可，但求解结果精确度不高，在此基础上运用递推多信息算法进行改进，在新增数据后，对求解结果进行修正，当方程组中新增的数据为/>、/>，由式(10)和式(11)得：
(13)；
、/>参数求解公式如下：
(14)；
利用式(14)不断递推计算，可以得到精度较高的未知参数、/>、/>，使得短路电流幅值误差较小，达到符合要求的结果，将数据窗取为5ms，即取50个数据点共进行50次递推计算；
S6、将三相短路电流幅值分别与阈值进行比较，如果其中1个大于或等于阈值，则控制器发出控制开关断开的指令，投入电抗器，若均小于阈值，则保持控制开关闭合，不投入电抗器。
请参阅图2，是中性点不接地配电网防人身触电装置的仿真结构图，电抗器连接在变压器低压侧中性点与大地之间，控制断路器与电抗器并联，正常运行时处于闭合状态，将电抗器短接，不影响变压器正常运行。控制系统是装置的核心部件，包括三相电流采集装置、控制装置均安装在变压器低压侧出口处。110千伏线路长度为10km。
请参阅图3-5，分别是外部线路发生短路故障时(220千伏电力系统中85%以上线上故障都是单相接地故障，故以A相短路为例进行说明)，距离变压器低压侧出口0.5km、1km、5km不同距离时，外部线路发生短路故障时，变压器低压侧三相绕组的短路电流，此时控制断路器未断开。
故障发生时刻0.404s，0.5km、1km、5km三种不同故障距离时，本发明方法计算得到的变压器低压侧绕组短路电流的计算结果与实际结果如下表1：
表1 同故障时刻不同故障距离处预测短路电流幅值对比
故障距离/km 实际短路电流峰值/kA 预测短路电流峰值/kA 是否断开断路器
0.5 39.18 41.44 是
1 38.13 39.89 是
5 25.6 27.24 否
线路0.5km处发生故障，故障发生时刻不同时，本发明方法计算得到的变压器低压侧绕组短路电流的计算结果与实际结果如下表2：
表2 同故障距离不同故障时刻时预测短路电流幅值对比
故障时刻 实际短路电流峰值/kA 预测短路电流峰值/kA 是否断开断路器
0.404 39.18 41.44 是
0.407 39.18 39.47 是
0.410 39.18 41.37 是
当线路首端处发生单相接地故障，无论故障时刻为何时，变压器低压侧绕组电流均超过35kA，达到本发明的阈值，故应控制断路器断开，投入电抗器，以减少绕组电流。从多次预测的结果看，本发明提出的方法能够预测短路电流幅值，且误差均小于10%，能够实现对断路器的有效控制，确定是否投入电抗器，从而起到保护变压器的作用。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种防止外部短路冲击的电网降压变压器保护控制方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
S1、实时采集降压变压器低压侧A、B、C三相绕组电流瞬时值，分别记为、/>、/>；
S2、根据三相绕组电流瞬时值，利用电流突变量方法判断是否短路故障，以A相电流为例，电流突变量计算公式如下：
(1)；
将电流突变量与门槛值比较，若大于门槛值，则判断发生了短路故障，进入S3，否则返回到S1；
S3、利用基于递推多信息算法改进的短路电流参数辨识方法，计算短路电流幅值，变压器外部短路故障发生后，变压器绕组短路电流包括工频分量和衰减直流分量，其表达式为：
(2)；
为了求出短路电流的幅值，对短路电流进行处理，其一次导数为：
(3)；
将式(2)和式(3)进一步处理，可得：
(4)；
式(4)右边展开，可得：
(5)；
式(5)形式较为复杂，为方便求解，将其变化为如下形式：
(6)；
式(6)中，相应未知数与式(5)关系为：
(7)；
S4、实际系统中，电流采集是离散进行的，即根据采样频率，每隔一段时间采集一个电流数据，当采集时间间隔为(本发明取0.1ms)时，采集n个电流值，则式(6)右端的短路电流变化率矩阵为/>，其中/>为采样点个数，令参数矩阵为/>，且令：
(8)；
将式(6)变化为方程组的形式：
(9)；
通过求解该方程组，能够得到短路电流参数：
(10)；
式中为矩阵/>的逆矩阵，求解逆矩阵的方法为：
(11)；
通过式(10)求出、/>、/>，再根据式(7)求出短路电流工频幅值/>：
(12)；
S5、对于方程组，求解3个未知数、/>、/>，只需要3组已知数据即可，但求解结果精确度不高，在此基础上运用递推多信息算法进行改进，在新增数据后，对求解结果进行修正，当方程组中新增的数据为/>、/>，由式(10)和式(11)得：
(13)；
、/>参数求解公式如下：
(14)；
利用式(14)不断递推计算，可以得到精度较高的未知参数、/>、/>，使得短路电流幅值误差较小，达到符合要求的结果，将数据窗取为5ms，即取50个数据点共进行50次递推计算；
S6、将三相短路电流幅值分别与阈值进行比较，如果其中1个大于或等于阈值，则控制器发出控制开关断开的指令，投入电抗器，若均小于阈值，则保持控制开关闭合，不投入电抗器。
2.根据权利要求1所述的一种防止外部短路冲击的电网降压变压器保护控制方法，其特征在于：所述S2中，、/>分别表示第/>、/>个采样点的瞬时电流值，N表示一个工频周期20ms内采样点的个数，/>表示相邻工频周期的电流突变量，门槛值是整定值，取为0.5安培。
3.根据权利要求1所述的一种防止外部短路冲击的电网降压变压器保护控制方法，其特征在于：所述S3中，式2的为短路电流工频幅值，/>为短路电流初相角，/>为衰减直流分量幅值 ，/>为衰减时间常数。
4.根据权利要求1所述的一种防止外部短路冲击的电网降压变压器保护控制方法，其特征在于：所述S5中，式(13)的表示第j+1次递推计算得到的未知参数求解结果向量。
5.根据权利要求1所述的一种防止外部短路冲击的电网降压变压器保护控制方法，其特征在于：所述S5中，式(14)的表示j+1阶单位矩阵。
6.根据权利要求1所述的一种防止外部短路冲击的电网降压变压器保护控制方法，其特征在于：所述S6中阈值取35kA。
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