一种配电网故障电流限制器的保护算法的制作方法

本发明属于电力系统技术领域，具体涉及一种配电网故障电流限制器的保护算法。

背景技术：

随着电力系统规模的不断扩大，电网逐渐加强，电力系统中短路电流水平逐年攀升。强大的短路电流对线路、设备及开关本身的动热稳定性的要求变高，系统容量不断增大，短路容量及短路电流也不断上升，无限度的提高熔断器或断路器的开端能力及无限度的提高线路、设备的动热稳定性是很不经济，甚至是不可能的，并且熔断器的极限分断次数十分有限。为限制短路电流水平，故障电流限制器作为新的技术措施进入科技应用阶段。故障电流限制器正常运行时不改变潮流分布，检测到故障时增加线路阻抗限制短路电流，分析了故障电流限制器对线路保护的影响情况，阐述保护装置采取的技术手段和实际运行采取的整定措施。现有算法中存在的衰减直流分量的影响较大、计算精度低、计算时间较长的问题。现有的保护算法不能同时保证上述三点要求。

因此，就需要一种能够有效滤出衰减直流分量、计算时间短、计算精度高的配电网故障电流限制器的保护算法。

技术实现要素：

本发明针对现有算法衰减直流分量影响大、计算时间长、计算精度低的缺陷，提供了一种能够有效滤出衰减直流分量、计算时间短、计算精度高的配电网故障电流限制器的保护算法。

本发明所涉及的一种配电网故障电流限制器的保护算法的技术方案如下：

本发明所涉及的一种配电网故障电流限制器的保护算法，它包括以下步骤：

步骤一、建立一个配电网输电线路模型，依据配电网输电线路模型，建立MATLAB仿真模型；实时采集配电网输电线路上的电流信号；

步骤二、通过采集到的电流信号类型选取相应的保护算法，对采样数据进行处理，计算出测量值；

步骤三、将测量值Im与整定值I进行对比，若Im＞＞I时，即为发生短路故障时，启动电流限制器限制短路电流。

进一步地：在步骤一中，根据实时采集到的电流信号绘制A、B、C相电流瞬时值的波形图。

进一步地：在步骤二中，根据电流瞬时值的波形任意两相的交点和过零点的个数选取相应的保护算法：若交点与过零点有重合，即每个周波有六个分段点，采用六分段保护算法对采样数据进行处理，计算出测量值；若交点与过零点不重合，即每个周波有十二个分段点，采用十二分段保护算法对采样数据进行处理，计算出测量值。

进一步地：所述六分段保护算法的具体过程为：

六个分段点将每个周波分成六段，运算时间为六分之一个周期，选取120kHz的采样频率采集点，从短路时刻开始，其基波电流幅值所对应的点变化幅度和基波电流实际值相同，进而去除衰减直流分量的影响；

根据三相短路公式：

式中：分别为A、B、C相电流瞬时值；Im为基波电流幅值，其中，ImA、ImB、ImC分别为A、B、C相的基波电流幅值；ω为基波角频率，t为时间，α为初始相位角；τ为衰减时间常数；

在第一周期第一个任意两相的交点，即为A相电流与C相电流相等时，即：

整理得：

cos(ωt+α-30°)-cos(α-30°)e^-t/τ＝0 (3)

在0-T/6时间段内将t/τ视为0，则e^-t/τ为1，整理得出：

其中f为50Hz，初始相位角α只和时间t有关，时间t分为六段取t＝3.33ms时，解出初始相位角α为0度，将初始相位角α、t带入式中分别算出公式(1)求得三个公式中的基波电流幅值，并求取平均值，即：

基波电流幅值平均值为：

将所求得的基波电流幅值平均值Im与整定值I比较。

进一步地：所述十二分段保护算法的具体过程为：

十二个分段点将每个周波分成十二段，运算周期为十二分之一个周期

根据三相短路公式：

式中：分别为A、B、C相电流瞬时值；Im为基波电流幅值，其中，ImA、ImB、ImC分别为A、B、C相的基波电流幅值；ω为基波角频率，t为时间，α为初始相位角；τ为衰减时间常数；

在第一周期第一个任意两相的交点，即为A相电流与C相电流相等时，即：

整理得：

cos(ωt+α-30°)-cos(α-30°)e^-t/τ＝0 (3)

在此时间段内将t/τ视为0，则e^-t/τ为1，整理得出：

其中f为50Hz，初始相位角只和时间t有关；时间t分为十二段，取t＝1.67ms时，解出初始相位角α为15度，将初始相位角α、t带入式中分别算出三个公式中的基波电流幅值，并求取平均值，即

基波电流幅值平均值为：

将所求得的基波电流幅值平均值Im与整定值I比较。

本发明所涉及的一种配电网故障电流限制器的保护算法的有益效果是：

本发明所涉及的一种配电网故障电流限制器的保护算法，可以提高计算数值的精确度，保护算法是在傅里叶算法的基础上加以改进，以瞬时电流速断保护为载体，是一种新型的积分算法；采样频率选择120kHz，计算结果的误差控制在2％以内，精度较高满足可靠性要求；可以减少计算时间；能够滤出衰减的直流分量，提取出基波电流幅值，即计算时间和精度，进而消除衰减直流分量的影响；准确度高，误差可控制在2％以内。

附图说明

图1是配电网故障电流限制器的保护算法的流程图；

图2是六分段保护算法流程图；

图3是十二分段保护算法流程图；

图4是正常情况下的电流波形图，

图5是三相短路时的电流波形图；

图6是一般情况下配电网的三相短路等效电路图；

图7是积分后进行离散采样的原理图；

图8是六分段电流波形图；

图9是配电网线路模型图；

图10是配电网输电线路模型MATLAB仿真模型图；

图11是六分段保护算法的正常电流波形图；

图12是六分段保护算法的三相短路电流波形图；

图13是六分段保护算法的两相短路电流波形图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

实施例1

结合图1-图3说明本实施例，在本实施例中，本实施例所涉及的一种配电网故障电流限制器的保护算法，它包括以下步骤：

步骤一、建立一个配电网输电线路模型，依据配电网输电线路模型，建立MATLAB仿真模型；实时采集配电网输电线路上的电流信号；

步骤二、通过采集到的电流信号类型选取相应的保护算法，对采样数据进行处理，计算出测量值；

步骤三、将测量值Im与整定值I进行对比，若Im＞＞I时，即为发生短路故障时，启动电流限制器限制短路电流。

信号采集装置实时从线路上采集电流信号，并通过采用相应的算法，对采样数据进行适当的处理，并且将测量值与整定值进行对比，当发生短路故障时，控制器能及时发出信号让开关动作，从而达到限制短路电流的目标。在实际的短路情况中无论三相短路还是两相短路，都包括直流分量和交流分量，因此对保护算法的评估既要考虑能不能滤出衰减的直流分量，精确地提取出基波电流幅值，即计算时间和精度，同时也需要考虑运算量的大小以确保该算法的可行性。

更为具体地：在步骤一中，根据实时采集到的电流信号绘制A、B、C相电流瞬时值的波形图。

更为具体地：在步骤二中，根据电流瞬时值的波形任意两相的交点和过零点的个数选取相应的保护算法：若交点与过零点有重合，即每个周波有六个分段点，采用六分段保护算法对采样数据进行处理，计算出测量值；若交点与过零点不重合，即每个周波有十二个分段点，采用十二分段保护算法对采样数据进行处理，计算出测量值。

基于傅里叶算法将周波分为六段或者十二段，计算时间很短满足速动保护要求，同时可以有效去除发生短路出现的衰减直流分量，采样频率选择120kHz，计算结果的误差控制在2％以内，精度较高满足可靠性要求。

所述六分段保护算法的具体过程为：

六个分段点将每个周波分成六段，运算时间为六分之一个周期，选取120kHz的采样频率采集点，从短路时刻开始，其基波电流幅值所对应的点变化幅度和基波电流实际值相同，进而去除衰减直流分量的影响。

以三相短路为例，图4是正常情况下的电流波形图，图5是三相短路时电流波形图，图中任意两相的交点，将每个周波分成六段，对每一分段进行计算；或者以任意两相的交点和过零点将每个周波分成十二段，对每个分段进行计算。这两种算法的时间分别为3.33ms和1.67ms，计算时间短。

通过仿真结果可见，这种新的算法从短路时刻开始，其基波电流幅值所对应的点变化幅度较小，基本和基波电流实际值相同，能够去除衰减直流分量的影响。

选用采样频率为120kHz保证该保护算法的误差控制在2％以下。

配电网故障电流限制器的保护算法是在傅里叶算法的基础上加以改进，以瞬时电流速断保护为载体，是一种新型的积分算法。

如图4所示，正常情况下三相短路的电流波形图，以正常情况下的电流波形和三相短路波形图中任意两相的交点，将每个周波分成六段，运算时间约为3.33ms，为六分之一个周期，或以附图5中任意两相的交点和过零点，将每个周波分成十二段，运算时间约为1.67ms，为十二分之一个周期；为保证计算结果的准确，选取120kHz的采样频率采集点。通过仿真结果可见，这种新的算法从短路时刻开始，其基波电流幅值所对应的点变化幅度较小，基本和基波电流实际值相同，能够去除衰减直流分量的影响。

根据三相短路公式：

式中：分别为A、B、C相电流瞬时值；Im为基波电流幅值，其中，ImA、ImB、ImC分别为A、B、C相的基波电流幅值；ω为基波角频率，t为时间，α为初始相位角；τ为衰减时间常数；

在第一周期第一个任意两相的交点，即为A相电流与C相电流相等时，即：

整理得：

cos(ωt+α-30°)-cos(α-30°)e^-t/τ＝0 (3)

在此时间段内将t/τ视为0，则e^-t/τ为1，整理得出：

其中f为50Hz，初始相位角只和时间t有关；时间t分为十二段，取t＝1.67ms时，解出初始相位角α为15度，将初始相位角α、t带入式中分别算出三个公式中的基波电流幅值，并求取平均值，即

基波电流幅值平均值为：

将所求得的基波电流幅值平均值Im与整定值I比较。

更为具体地：所述十二分段保护算法的具体过程为：

十二个分段点将每个周波分成十二段，运算周期为十二分之一个周期

根据三相短路公式：

式中：分别为A、B、C相电流瞬时值；Im为基波电流幅值，其中，ImA、ImB、ImC分别为A、B、C相的基波电流幅值；ω为基波角频率，t为时间，α为初始相位角；τ为衰减时间常数；

在第一周期第一个任意两相的交点，即为A相电流与C相电流相等时，即：

整理得：

cos(ωt+α-30°)-cos(α-30°)e^-t/τ＝0 (3)

在此时间段内将t/τ视为0，则e^-t/τ为1，整理得出：

其中f为50Hz，初始相位角只和时间t有关；时间t分为十二段，取t＝1.67ms时，解出初始相位角α为15度，将初始相位角α、t带入式中分别算出三个公式中的基波电流幅值，并求取平均值，即

基波电流幅值平均值为：

将所求得的基波电流幅值平均值Im与整定值I比较。

一般情况下10kV配电网的短路故障包括三相短路、两相短路、两相接地短路几种情况。

如图6所示，三相短路的等效电路图，以三相短路为例，我们根据正常情况下的三相短路图得出三相短路公式；由三相短路等效电路图可以推导出三相短路如公式1所示：

式中：Im为基波电流幅值，A；α为初始相位角，度；τ为衰减时间常数；ω为基波角频率，rad/s；分别为A、B、C相电流瞬时值，A。

在图5中第一个任意两相的交点是A、C两相的交点，此时A、C两相电流瞬时值相等，即

整理得

cos(ωt+α-30°)-cos(α-30°)e^-t/τ＝0 (3)

此时默认为计算时间很短，在此时间段内将视为0，则为1，整理得出：

f为50Hz，初始相位角只和时间t有关；分为六段t＝3.33ms；分为十二段，t＝1.67ms，取t＝1.67ms时，解出初始相位角α为15度。将初始相位角α、t带入式中分别算出三个公式(1)中的基波电流幅值，并求取平均值，即

基波电流幅值平均值为：

为得到更多的点，采样频率取12kHz时，每周波采集240个点，t＝1.67ms，每分段采样点个数为20个，提高了计算的准确性。由于三相短路电流中三角函数全部为余弦量，为了简便运算将瞬时电流乘以一个三角函数后积分，利用梯形累加算法将连续信号变为离散信号，最后累加。就实际的原理进行简单分析如下：

其中：i为待检测的电流瞬时值，A；T为积分区间段计算时间，ms；Im为待检测基波电流幅值，A；α为初始相位角，度。

积分完成之后进行离散采样，再利用梯形累加法进行叠加：

其中：Ts为采样周期，ms；Z为计算区间段内的采样点数；N为一个周期内的采样点个数；f为频率，Hz。

如图7所示，离散采样原理图，以A相为例，在实际的短路情况下，从短路时刻开始到A、C两相的交点作为第一个积分区间段，将A相电流乘以cos(ωt+π/12)进行积分并进行离散采样过程如下：

即：

同理，B、C两相电流分别乘以cos(ωt-7π/12)、cos(ωt-5π/4)，然后积分、离散化得出：

得出基波电流幅值为：

从式中得出将一个周波分成十二段第一个区间段计算出的基波电流幅值精确值。其余分段同理计算。

如图8所示，六分段电流波形图，以六分段法正常情况下的A相进行说明，将一个周期段(-π/6～11π/6)分成六段，即a～g七个点分成六段。计算A相的基波电流幅值IAm，分别如下：

(1)在a～b区间，对应的积分区间是-π/6～π/6，

积分、离散化采样得出：

其中：Ts为采样周期，单位为ms；N为一个周波内采样点数；i(k)为电流采样瞬时值，A。

联立方程组得出：

(2)在b～c区间，对应的积分区间是π/6～π/2，结论为：

(3)在c～d区间，对应的积分区间是π/2～5π/6，结论为：

(4)在d～e区间，对应的积分区间是5π/6～7π/6，结论为：

(5)在e～f区间，对应的积分区间是7π/6～3π/2，结论为：

(6)在f～g区间，对应的积分区间是3π/2～11π/6，结论为：

B、C两相的计算和A相同理。实际计算过程中算出B、C两相的基波电流幅值后取平均值可精确得到基波电流幅值。此时计算时间为六分之一个周期，约为3.33ms，时间非常短，满足速动性的要求。

每个周波分成十二段，在此区间段内三相电流任意两相的交点和过零点有a～n十三个，区间段为0～2π。计算区间段为任意两相的交点到相邻的过零点，计算方法与六段保护算法相同。

如图9所示，根据实际的配电网，建立一个配电网线路模型，LM段为断路故障段，MN为非故障段。

如图10所示，为了更直观的看出各种保护算法的特点，依据配电网输电线路模型，建立MATLAB仿真模型，由于本实施例主要是利用新算法来计算电流，所以只需仿真出正常情况下和短路情况下的电流波形图。

图11是六分段保护算法的正常电流波形图；图12是六分段保护算法的三相短路电流波形图；图13是六分段保护算法的两相短路电流波形图；实际的短路过程中两相短路包含三种情况A、B相短路，B、C相短路、A、C相短路，三种情况相同此次只列出A、B相的短路电流波形图。从图11-图13可得出以下结论，一般情况下该算法计算出的的基波电流幅值所构成的并不是一条连续的直线，而是离散的点，因为在实际的计算过程用到了离散化过程，这些点的位置都是在A、B、C三相两两相交点的位置。从短路时刻开始，其基波电流幅值所对应的点变化幅度较小，基本和基波电流实际值相同，能够去除直流分量的影响；经分析计算，其误差控制在2％左右。综合考虑，该情况计算时间为3.33ms，满足速动型保护要求；精度较高，满足可靠性要求。因此该算法对比已有算法具有比较优越的性能。