CN1501088A - 用于确定表征多相位电技术操作装置电量的方法 - Google Patents

Abstract

为了简单和有效地确定表征多相位电技术操作装置的电量，本发明公开了一种用于确定表征多相位电技术操作装置(1)电量的方法，其中，首先将该操作装置(1)置于电气不对称状态；在该电气不对称状态持续期间，采集该操作装置(1)的电流值和电压值(I_n，U_n)；借助于操作装置专用的数学模型将电流值(I_n)或电压值(U_n)进行换算，以获得换算的电流值或电压值(U_n ^*)；由换算的电流值或者电压值(U_n ^*)和所采集的电压值(U_n)或者电流值(I_n)建立差值(D_n)；利用该差值(D_n)借助于估算方法确定参数(9)，这些参数描述了操作装置(1)所对应的数学模型，并在这些参数(9)的基础上确定表征该操作装置(1)的电量。

Description

用于确定表征多相位电技术操作装置电量的方法

技术领域

本发明涉及一种用于确定表征多相位电技术操作装置电量的方法。

背景技术

多相位电技术操作装置，例如供电导线、变压器、电机或者用于磁悬浮轨道的长定子，具有一些通常由表征这些操作装置的电量描述的物理特性。这些量例如是操作装置的阻抗、电感和/或电容。如果这些用于表征各操作装置的电量是已知的，则对于电气系统的布线、建造和运行是具有优点的。通常为了确定这些量要进行多次测量。

此外，为了实现传导或保护技术的任务，当前通常在电技术操作装置中采用所谓的现场设备(Feldgeraete)。传导技术或者保护技术设备尤其可以被视为现场设备。

为了使现场设备与各操作装置相适配，必须执行所谓的现场设备的参数化，在此，确定表征电技术操作装置的电量，并将其作为设定值在现场设备上设置。这种设置例如对于在现场设备中确定一定的阈值和触发边界具有意义。迄今为止通常是，将设定值直接输入设备或者通过通信接口输入。在两种情况下，都必须首先通过测量确定操作装置的电量，或者从操作装置的现有产品数据中计算出。

这种措施例如由西门子手册“Siprotec，Multifunktionsschutz mitVorortsteuerung 7SJ63”卷4.2，订购号C53000-G1100-C120-2中的第5章“Projektieren(设计)”中公开。这里，表征对应操作装置的电量可以作为设定值，借助于例如一台个人计算机和对应的操作程序，通过现场设备的操作接口输入(见5-2页)。此外，用于确定各个量(例如阻抗)的专用指南和测量构造在德累斯顿工大的电气技术系的工作文件包，第6部分：“电能系统”，由Prof.Dr.Ing.habil.H.Pundt编辑整理，April 1982，尤其在61和62页公开。

随着功能集成的增加，单个的现场设备日益复杂。例如，以前一个模拟保护设备通常具有不多于20个设定值，而现在通常的数字保护设备具有大约1000个设定值。随着设定值数量的增加，现场设备参数化的代价和花费迅速增加。另外，操作装置经常是耦合系统，如多相的能量传输导线，表征其特征的电量大多数不能通过简单的测量确定。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种特别简单和有效的方法，用于确定表征多相位电技术操作装置的电量。

按照本发明，上述技术问题的解决是通过一种用于确定表征多相位电技术操作装置的电量的方法解决的，其中，首先将该操作装置置于电气不对称状态；在该电气不对称状态持续期间，采集该操作装置的电流值和电压值，借助于操作装置专用的数学模型将电流值或电压值进行换算，以获得换算的电流值或电压值；由换算的电流值或者电压值和所采集的电压值或者电流值建立一差值，利用该差值借助于估算方法确定参数，这些参数描述了操作装置所对应的数学模型，并且在这些参数的基础上确定表征该操作装置的电量。操作装置专用的数学模型在这样的关联下被理解为这样一种模型，其适合于在数学上描述操作装置的类型；如果对操作装置专用的数学模型采用适当的参数具体与操作装置相适配，则从中产生一个与操作装置对应的模型。

利用本发明的方法，尤其可以优选地通过测量确定几乎全部重要的操作装置的量。借助估算方法，可以确定描述操作装置所对应的数学模型的整个参数组。由于在(例如作为开关操作的结果)电气不对称状态持续期间对电流和电压变化的测量也可以优选地获得这样的量，则在对称状态下通常的值是不可测量的(例如零阻抗)。

在按照本发明方法的一个实施方式中，在最小化差值的条件下确定参数。按照这种方式可以特别优选地利用一个递归估算方法，实现对用于描述操作装置所对应的数学模型的参数确定。

在按照本发明的另一个实施方式中，根据差值确定操作装置专用的数学模型的误差值，并在最小化该误差值的条件下确定各参数。其中，参数的确定特别优选地借助于非递归估算方法进行。

在按照本发明的另一个实施方式中，作为估算方法采用了一种线性估算方法。通过采用通用的和验证过的线性方法，例如最小平方法，可以特别简单地实现对操作装置的电量的确定。

本发明方法的另一种实施方式在于，作为估算方法采用非线性估算方法。在这种情况下，特别可以优选地考虑耦合系统，如多相的能量传输导线。为此可以例如使用一种单纯方法(Simplex-Verfahren)。

根据按照本发明方法的另一个优选的实施方式，作为操作装置采用一种多相位的能量传输导线。

此外，根据本发明方法的另一种优选的扩展，将表征操作装置的电量作为设定值使用，来对与操作装置电气连接的现场设备进行参数化。这种扩展的主要优点在于，可以在操作装置的开动阶段或者甚至在运行过程中对各现场设备进行自动参数化。对各操作装置的单独测定以及各设定值的手动输入被省略。按照这种方式可以不用较大的花费而针对改变的已知量(例如环境影响、老化)对设定值进行定期的检验和必要的适配。另一个优点在于，为了实施按照本发明的方法基本上不必设置附加组件。

优选地，将确定的设定值存储在现场设备的数据载体上。

此外，在按照本发明方法的一个优选的扩展中，将电气保护设备用作现场设备。

附图说明

为了对本发明作进一步的说明，图中示出了：

图1示出了用于描述本发明方法一种实施方式流程的框图，

图2示意地示出了用于实施本发明方法的装置的一种实施方式。

具体实施方式

参照图1，首先对本发明方法的流程进行一般地说明。为了测定表征多相位电气操作装置1的电量，按照公知的方式采集操作装置1的电气测量值。因此，例如在第一测量位置2采集电气操作装置1的电压，而在另一个测量位置3上采集流过该多相位电气操作装置1的电流。经过在一个模拟/数字转换器(A/D转换器)4中的数字化，将对应的数字化电压值U_n在第一步骤5中按照操作装置专用的数学模型以下面将详细描述的方式进行换算。在此，对操作装置专用的数学模型应理解为所有这样的数学模型，其适合于在数学上一般地描述各操作装置的类型，例如用于描述电能传输导线的导线模型。此外，该操作装置专用模型还必须没有对具体的多相位操作装置的精确描述，直到对该操作装置专用模型选择了适当的参数，才给出与该操作装置对应的数学模型。

在对电压值U_n进行换算之后，得到换算后的电压值U_n ^*。在后续步骤6中，将该值从在另一测量位置3采集的、并在另一A/D转换器7中数字化的电流值I_n中减掉，构成差值D_n=I_n-U_n ^*。

在第一步骤5中按操作装置专用的数学模型对电压值U_n进行变换之后，如果变换规则已经表示出一个与操作装置对应的、即针对操作装置匹配的数学模型，则在步骤6的差值构成中得到的差值D_n接近于零。但是，为了达到这一点，必须首先在多数情况下将操作装置专用模型如下地与实际的操作装置进行匹配。

对用于操作装置专用模型5的变换规则可以通过下列关系表示：

$U_n^{*}=f(\underset{\‾}{\mathrm{\Θ}},U_n)$

这里， Θ表示操作装置专用数学模型的参数矩阵。如果现在要使该操作装置专用模型构成与操作装置对应的模型时与操作装置1一致，则参数矩阵 Θ必须与操作装置1的实际电量(阻抗、电容等等)相匹配。为此，将在步骤6中产生的差值D_n送至参数估算方法8，其使用例如一种单纯算法来确定参数矩阵 Θ，并由此确定用于描述对应于操作装置的模型的相应参数9。作为估算方法可以使用递归和非递归的方法。

在使用递归方法时，将首次执行估算方法获得的参数9回送给该操作装置专用模型(图1中的虚线箭头)。该利用参数9(临时)建立的模型将用于后续的电压值U_n的换算，构成新的换算后的电压值U_n ^*。如果此时该模型已经被优化地设置，则在步骤6中的求解中给出的差值D_n接近于零。但是，通常在应用递归方法时，在一次求解之后还没有正确地设置该模型，使得要在估算方法的另一次求解中继续对参数进行优化，并随后再回送给该模型。该过程一直重复，直到在步骤6中给出的差值D_n接近于零、并由此为操作装置找到对应的模型为止。

在使用非递归估算方法时，例如使用Steiglitz-McBride算法，通常在估算方法的一次求解之后已经提供了正确的参数；因此向模型的回送(虚线箭头)是多余的。但是，所采用的操作装置专用的模型必须是为非递归估算方法所已知的。在非递归估算方法中，将在步骤6构成的差值D_n作为操作装置专用数学模型的误差值用于估算方法的内部过程。因此，按照非递归估算方法，参数是通过最小化模型误差来确定的。

在成功地执行参数估算方法8之后，在两种情况下最后都获得了与操作装置对应的数学模型的参数9。这些参数9可以在一个随后的步骤9a中例如作为设定值用于与操作装置1电气连接的(图1中未示出)现场设备的参数化。

尽管在说明本方法中认为，在步骤5将所测得的电压值U_n换算为换算后的电压值U_n ^*，但同样可以考虑相反的情况，即将所采集的电流值I_n换算为换算后的电流值。在这种情况下，在步骤6中在构成差值D_n时从所采集的电压值U_n中减掉换算后的电流值。

下面，以在能量传输导线上的现场设备的参数化为例说明本方法的应用。在图2中，示出了多相位能量传输导线的一段10。该段10在其一端A以第一功率开关11和在其第二端B以另一功率开关12为界。在导线段10的一端A上，借助于示意示出的电流转换器13对该能量传输导线的单相相电流进行采集、作为电流值，以及借助于示意示出的电压转换器14对该能量传输导线的单相电压进行采集、作为电压值。类似地，在该导线段10的第二端B上用电流转换器15和电压转换器16对在第二端B一侧的相电流和相电压进行采集。所采集的相电流和相电压被送至例如是数字保护设备的现场设备20和21。现场设备20以及21通过通信接口23和24以及通信线路22相互连接。

为了设置现场设备20和21，必须在例如运行启动阶段期间将表征导线段10的量作为设定值输入给现场设备20和21。为此，必须采集导线段10的特征量，尤其是阻抗Z。

对于用于导线段10的操作装置专用数学模型(导线模型)可以用下列模型方程描述：

$\left[\begin{array}{c}{\underset{\‾}{U}}_{L1A}\\ {\underset{\‾}{U}}_{L2A}\\ {\underset{\‾}{U}}_{L3A}\end{array}\right]-\left[\begin{array}{c}{\underset{\‾}{U}}_{L1B}\\ {\underset{\‾}{U}}_{L2B}\\ {\underset{\‾}{U}}_{L3B}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{\underset{\‾}{Z}}_{\mathrm{aa}}& {\underset{\‾}{Z}}_{\mathrm{ab}}& {\underset{\‾}{Z}}_{\mathrm{ac}}\\ {\underset{\‾}{Z}}_{\mathrm{ba}}& {\underset{\‾}{Z}}_{\mathrm{bb}}& {\underset{\‾}{Z}}_{\mathrm{bc}}\\ {\underset{\‾}{Z}}_{\mathrm{ca}}& {\underset{\‾}{Z}}_{\mathrm{cb}}& {\underset{\‾}{Z}}_{\mathrm{cc}}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{\underset{\‾}{I}}_{L1}\\ {\underset{\‾}{I}}_{L2}\\ {\underset{\‾}{I}}_{L3}\end{array}\right]---\left(1\right).$

其中，下标L₁，L₂，L₃分别表示各相导线，而A和B分别表示导线段10各端。下标aa，ab，…cc仅用于区分参数矩阵Θ的各个元素(参见图1)。

因为现场设备的参数化多数是从对称导线出发的，所以按照方程(1)的导线模型可以使用阻抗 Z ₀， Z ₁和 Z ₂，通过对称成分的表示按照下列方程描述：

$\left[\begin{array}{c}{\underset{\‾}{U}}_{0A}\\ {\underset{\‾}{U}}_{1A}\\ {\underset{\‾}{U}}_{2A}\end{array}\right]-\left[\begin{array}{c}{\underset{\‾}{U}}_{0B}\\ {\underset{\‾}{U}}_{1B}\\ {\underset{\‾}{U}}_{2B}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{\underset{\‾}{Z}}_0& 0& 0\\ 0& {\underset{\‾}{Z}}_1& 0\\ 0& 0& {\underset{\‾}{Z}}_2\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{\underset{\‾}{I}}_0\\ {\underset{\‾}{I}}_1\\ {\underset{\‾}{I}}_2\end{array}\right]---\left(2\right),$

其中，下标0表示零相序系统，1表示顺相序系统而2表示逆相序系统。

为了确定导线模型阻抗的对称成分，必须在对称成分中确定电流和电压向量。对于电流成分这例如按照下列方程实现：

$\left[\begin{array}{c}{\underset{\‾}{I}}_0\\ {\underset{\‾}{I}}_1\\ {\underset{\‾}{I}}_2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}1& 1& 1\\ 1& {\underset{\‾}{a}}^2& \underset{\‾}{a}\\ 1& \underset{\‾}{a}& {\underset{\‾}{a}}^2\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{\underset{\‾}{L}}_{L1}\\ {\underset{\‾}{L}}_{L2}\\ {\underset{\‾}{L}}_{L3}\end{array}\right],\underset{\‾}{a}=\exp \left(j\frac{2\mathrm{\π}}{3}\right)---\left(3\right).$

类似地，按照方程(4)确定对称的电压成分：

$\left[\begin{array}{c}{\underset{\‾}{U}}_0\\ {\underset{\‾}{U}}_1\\ {\underset{\‾}{U}}_2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}1& 1& 1\\ 1& {\underset{\‾}{a}}^2& \underset{\‾}{a}\\ 1& \underset{\‾}{a}& {\underset{\‾}{a}}^2\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{\underset{\‾}{U}}_{L1}\\ {\underset{\‾}{U}}_{L2}\\ {\underset{\‾}{U}}_{L3}\end{array}\right],\underset{\‾}{a}=\exp \left(j\frac{2\mathrm{\π}}{3}\right)---\left(4\right).$

如果能量传输导线的导线段10处于电气对称状态，则零电流I₀和零电压U₀值接近于零。如果此时要确定对于按照方程(2)确定导线模型所需的对称成分，则要临时地在该能量传输导线上引起不对称的电气状态。这例如通过在一个相线上的换向操作产生。如果在正常操作电流下通过操作功率开关11或者12的一个极引起单极导体断开，则在导线段10上形成足够大的零电流以及零电压，以便能够确定导线10的零阻抗 Z ₀。

在电气不对称状态持续期间，在现场设备20以及21中记录了导线段10的端点A和B上的各电流以及电压。通过通信线路22可以将各测量值分别传送到另一现场设备21以及20中。根据记录的电流值以及电压值，随后用类似于在图1中描述的方法，借助于参数估算方法确定表征导线段的量，即零相序系统、顺相序系统和逆相序系统的阻抗 Z ₀、 Z ₁和 Z ₂。该参数估算方法在现场设备20和21中的计算单元30和31中执行。所确定的量作为设定值存放在现场设备20和21中的数据存储器32以及33中，并用于对现场设备功能单元34和35的参数化。例如可以根据这些设定值确定某些边界值，当超过这些边界值时，触发对该能量传输导线的导线段10的保护功能。

在多相位的系统中，经常出现通过耦合阻抗以及耦合电感耦合的系统，其中，对各相导线的单独考虑和计算对于确定操作装置的尽可能精确的再现是不够的。在这种情况下，必须为操作装置采用复杂的模型。例如在A.T.Jons，S.Jamali“Accurate Fault Location Technique for Power TransmissionLines”，IEE Proceedings，Vol.137，No.6，November 1990中描述了一种可用于多相位能量传输导线的模型，其还考虑了所谓的横支并联阻抗，即单相导线的相应耦合。在这种情况下，为了确定参数采用非线性估算方法，例如单纯算法。

通过采用按照本发明的方法，在对现场设备进行参数化中的花费大幅度减少，使得也可以容易地执行迄今为止通常不进行的定期使设定值与可能改变的各表征操作装置的量相适配。

Claims (10)

1.一种用于确定表征多相位电技术操作装置(1)的电量的方法，其中，

-首先将该操作装置(1)置于电气不对称状态，

-在该电气不对称状态持续期间，采集该操作装置(1)的电流值和电压值(I_n，U_n)，

-借助于操作装置专用的数学模型将电流值(I_n)或电压值(U_n)进行换算，以获得换算的电流值或电压值(U_n ^*)，

-由换算的电流值或者电压值(U_n ^*)和所采集的电压值(U_n)或者电流值(I_n)建立差值(D_n)，

-利用该差值(D_n)借助于估算方法确定参数(9)，这些参数描述了操作装置(1)所对应的数学模型，并且

-在这些参数(9)的基础上确定表征该操作装置(1)的电量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在最小化所述差值(D_n)的条件下确定所述参数(9)。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述差值(D_n)确定操作装置专用的数学模型的误差值，并在最小化该误差值的条件下确定所述参数(9)。

4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，作为估算方法采用一种线性估算方法。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，作为估算方法采用一种非线性估算方法。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，作为估算方法采用一种单纯方法。

7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，作为操作装置(1)采用一种多相位的能量传输导线。

8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，将表征操作装置(1)的电量作为设定值使用，以对与该操作装置电气连接的现场设备进行参数化。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，将确定的设定值存储在现场设备的数据载体上。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，将电气保护设备用作所述现场设备。

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