CN109991513B - 一种计算短路电流直流分量的时间常数的理论值的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种计算短路电流直流分量的时间常数的理论值的方法及系统,包括:确定短路电流的交流分量的峰值;对所述短路电流波形的上包络线和下包络线进行拟合,以获取第一直流分量衰减曲线;利用谐波分析方法对所述短路电流波形进行分析,以获取第二直流分量衰减曲线;确定第一直流分量波形和第二直流分量波形,并分别进行指数拟合,以分别获取第一拟合公式和第二拟合公式;根据所述第一拟合公式和第二拟合公式选取较大的时间常数作为时间常数理论值。本发明根据设置的短路电流直流分量曲线拟合的原则,确定短路电流直流分量的时间常数,可避免拟合公式选取的盲目性;通过对计算的时间常数的准确性进行检验,保证了计算结果的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及输电技术领域,并且更具体地,涉及一种计算短路电流直流分量的时间常数的理论值的方法及系统。
背景技术
与输电线路的工作电流相比,系统的短路电流很大,当线路或母线发生短路故障时,在短路瞬间,系统中的电感元件磁通不能突变,因此短路电流中就会出现直流分量,直流分量的最大值必然等于短路电流周期分量改变量的绝对值。系统在t0时刻发生短路故障时,短路电流IDC中的直流分量iDC可用简单的指数函数的形式表示为:其中,IDC为故障电流在故障时刻t0时的直流分量;t为短路故障开始后的时间;τ为电网的直流时间常数。
现有的采用电磁暂态计算出相应故障下的短路电流,对短路电流进行相应的数学处理得到的时间常数更为准确。常用的计算方法有如下两种:
方法1,对电流波形的包络线拟合,上、下包络线的平均值为直流分量衰减曲线,通过指数曲线拟合求出直流分量的时间常数,如图1所示;其中,(□)表示上包络线和(△)表示下包络线、(×)表示拟合的直流分量。
方法2,采用谐波分析方法(通常采用快速傅立叶变换)得出直流分量衰减曲线,通过指数曲线拟合求出直流分量的时间常数,如图2所示;其中,(×)表示交流分量和(△)表示直流分量。
但是,在拟合的过程中仍存在一些不规范的问题,导致拟合曲线不准确,计算出来的时间常数与实际误差较大,不利于断路器开断短路电流。
因此,需要一种能够准确地确定短路电流直流分量的时间常数的方法。
发明内容
本发明提出一种计算短路电流直流分量的时间常数的理论值的方法及系统,以解决如何准确地确定短路电流直流分量的时间常数的问题。
为了解决上述问题,根据本发明的一个方面,提供一种计算短路电流直流分量的时间常数的理论值的方法,其特征在于,所述方法包括:
对短路电流波形进行傅里叶分析,以确定所述短路电流的交流分量的峰值;
对所述短路电流波形的上包络线和下包络线进行拟合,以获取第一直流分量衰减曲线;
利用谐波分析方法对所述短路电流波形进行分析,以获取第二直流分量衰减曲线;
分别选取所述第一直流分量衰减曲线和第二直流分量衰减曲线在故障开始时,预设时间阈值段内的曲线作为第一直流分量波形和第二直流分量波形;
分别对所述第一直流分量波形和第二直流分量波形进行指数拟合,以分别获取满足拟合原则的预设格式的第一拟合公式和第二拟合公式;
当所述第一拟合公式和第二拟合公式中的第一时间常数和第二时间常数的相对误差小于等于第一预设误差阈值时,选取较大的时间常数作为时间常数理论值。
优选地,其中所述预设时间阈值的取值范围为[60,150),单位为ms。
其中,IDC为故障时刻t0时刻的故障电流的直流分量;t为故障开始后的时刻;τ为时间常数;I0为所述短路电流的交流分量的峰值。
优选地,其中所述方法还包括:
将所述短路电流的直流分量分别和所述第一直流分量波形和第二直流分量波形进行叠加,以获取第一叠加短路电流波形和第二叠加短路电流波形;
分别将所述第一叠加短路电流波形和第二叠加短路电流波形与所述短路电流波形进行比对,以获取比对结果;其中,若所述比对结果指示所述第一叠加短路电流波形和第二叠加短路电流波形分别与所述短路电流波形重合率大于等于预设重合阈值,则表明确定的时间常数理论值准确。
优选地,其中所述方法还包括:
当所述比对结果指示所述第一叠加短路电流波形或第二叠加短路电流波形与所述短路电流波形重合率小于预设重合阈值时,表明确定的时间常数理论值不准确,重新选取新的预设时间阈值进行计算。
优选地,其中所述方法还包括:
当获取的第一拟合公式和第二拟合公式不满足拟合原则;或所述第一拟合公式和第二拟合公式中的第一时间常数和第二时间常数的相对误差大于第一预设误差阈值时,重新选取新的预设时间阈值进行计算。
根据本发明的另一个方面,提供了一种计算短路电流直流分量的时间常数的理论值的系统,其特征在于,所述系统包括:
交流分量的峰值确定单元,用于对短路电流波形进行傅里叶分析,以确定所述短路电流的交流分量的峰值;
第一直流分量衰减曲线获取单元,用于对所述短路电流波形的上包络线和下包络线进行拟合,以获取第一直流分量衰减曲线;
第二直流分量衰减曲线获取单元,用于利用谐波分析方法对所述短路电流波形进行分析,以获取第二直流分量衰减曲线;
直流分量波形确定单元,用于分别选取所述第一直流分量衰减曲线和第二直流分量衰减曲线在故障开始时,预设时间阈值段内的曲线作为第一直流分量波形和第二直流分量波形;
拟合公式获取单元,用于分别对所述第一直流分量波形和第二直流分量波形进行指数拟合,以分别获取满足拟合原则的预设格式的第一拟合公式和第二拟合公式;
时间常数理论值确定单元,用于当所述第一拟合公式和第二拟合公式中的第一时间常数和第二时间常数的相对误差小于等于第一预设误差阈值时,选取较大的时间常数作为时间常数理论值。
优选地,其中所述预设时间阈值的取值范围为[60,150),单位为ms。
其中,IDC为故障时刻t0时刻的故障电流的直流分量;t为故障开始后的时刻;τ为时间常数;I0为所述短路电流的交流分量的峰值。
优选地,其中所述系统还包括:
校验单元,用于将所述短路电流的直流分量分别和所述第一直流分量波形和第二直流分量波形进行叠加,以获取第一叠加短路电流波形和第二叠加短路电流波形;
所述分别将所述第一叠加短路电流波形和第二叠加短路电流波形与所述短路电流波形进行比对,以获取比对结果;其中,若所述比对结果指示所述第一叠加短路电流波形和第二叠加短路电流波形分别与所述短路电流波形重合率大于等于预设重合阈值,则表明确定的时间常数理论值准确。
优选地,其中所系统还包括:
预设时间阈值重置单元,用于当所述比对结果指示所述第一叠加短路电流波形或第二叠加短路电流波形与所述短路电流波形重合率小于预设重合阈值时,表明确定的时间常数理论值不准确,重新选取新的预设时间阈值进行计算;或当获取的第一拟合公式和第二拟合公式不满足拟合原则;或所述第一拟合公式和第二拟合公式中的第一时间常数和第二时间常数的相对误差大于第一预设误差阈值时,重新选取新的预设时间阈值,并返回直流分量波形确定单元。
本发明提供了一种计算短路电流直流分量的时间常数的理论值的方法及系统,包括:确定短路电流的交流分量的峰值;对所述短路电流波形的上包络线和下包络线进行拟合,以获取第一直流分量衰减曲线;利用谐波分析方法对所述短路电流波形进行分析,以获取第二直流分量衰减曲线;确定第一直流分量波形和第二直流分量波形,并分别进行指数拟合,以分别获取第一拟合公式和第二拟合公式;根据所述第一拟合公式和第二拟合公式选取较大的时间常数作为时间常数理论值。本发明根据预设时间阈值确定需要拟合的直流分量波形,并根据设置的短路电流直流分量曲线拟合的原则,确定短路电流直流分量的时间常数,可避免拟合公式选取的盲目性;同时提出了对时间常数计算结果正确与否的检验方法,保证了计算结果的准确性。
附图说明
通过参考下面的附图,可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式:
图1为根据短路电流波形的上包络线和下包络线进行拟合,确定直流分量的时间常数的方法的示意图;
图2为采用谐波分析方法确定直流分量衰减曲线,并通过直流曲线拟合确定直流分量的时间常数的方法的示意图;
图3为根据本发明实施方式的计算短路电流直流分量的时间常数的理论值的方法300的流程图;
图4为根据本发明实施方式的短路电流波形图;
图5a为根据本发明实施方式的故障时间为60ms时对直流分量波形进行拟合的示意图;
图5b为根据本发明实施方式的故障时间为120ms时对直流分量波形进行拟合的示意图;
图5c为根据本发明实施方式的故障时间为160ms时对直流分量波形进行拟合的示意图;
图6为根据本发明实施方式的断路器的叠加短路波形与初始的短路电流波形的对比图;以及
图7为根据本发明实施方式的计算短路电流直流分量的时间常数的理论值的系统700的结构示意图。
具体实施方式
现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式,然而,本发明可以用许多不同的形式来实施,并且不局限于此处描述的实施例,提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明,并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中,相同的单元/元件使用相同的附图标记。
除非另有说明,此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外,可以理解的是,以通常使用的词典限定的术语,应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义,而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
图3为根据本发明实施方式的计算短路电流直流分量的时间常数的理论值的方法300的流程图。如图3所示,本发明的实施方式提供的计算短路电流直流分量的时间常数的理论值的方法,根据预设时间阈值确定需要拟合的直流分量波形,并根据设置的短路电流直流分量曲线拟合的原则,确定短路电流直流分量的时间常数,可避免拟合公式选取的盲目性;同时提出了对时间常数计算结果正确与否的检验方法,保证了计算结果的准确性。本发明的实施方式提供的计算短路电流直流分量的时间常数的理论值的方法300从步骤301处开始,在步骤301对短路电流波形进行傅里叶分析,以确定所述短路电流的交流分量的峰值。
在步骤302,对所述短路电流波形的上包络线和下包络线进行拟合,以获取第一直流分量衰减曲线。
在本发明的实施方式中,获取第一直流分量衰减曲线的方法与图1所示的方法的原理相同。
在步骤303,利用谐波分析方法对所述短路电流波形进行分析,以获取第二直流分量衰减曲线。
在本发明的实施方式中,获取第二直流分量衰减曲线的方法与图2所示的方法的原理相同。
在步骤304,分别选取所述第一直流分量衰减曲线和第二直流分量衰减曲线在故障开始时,预设时间阈值段内的曲线作为第一直流分量波形和第二直流分量波形。优选地,其中所述预设时间阈值的取值范围为[60,150),单位为ms。
对于预设时间阈值,可以根据具体的短路电流波形来确定。
在本发明的实施方式中,为了保证计算的时间常数的准确性,选取的预设时间阈值的取值范围为[60,150),即时间轴范围从故障开始时取值,不小于60ms,不大于150ms,并且尽量在80~120ms之间选择。
例如,若选取预设时间阈值为100,则从所述第一直流分量衰减曲线中选取从故障时刻开始时到时间为100ms时,共100ms的曲线作为第一直流分量波形;从所述第二直流分量衰减曲线中选取从故障时刻开始时到时间为100ms时,共100ms的曲线作为第二直流分量波形。
在步骤305,分别对所述第一直流分量波形和第二直流分量波形进行指数拟合,以分别获取满足拟合原则的预设格式的第一拟合公式和第二拟合公式。
其中,IDC为故障时刻t0时刻的故障电流的直流分量;t为故障开始后的时刻;τ为时间常数;I0为所述短路电流的交流分量的峰值。
优选地,其中所述方法还包括:
当获取的第一拟合公式和第二拟合公式不满足拟合原则;或所述第一拟合公式和第二拟合公式中的第一时间常数和第二时间常数的相对误差大于第一预设误差阈值时,重新选取新的预设时间阈值返回步骤303进行计算。
在本发明的实施方式中,第二预设误差阈值可以为5%,拟合原则为:IDC与I0的相对误差小于等于第二预设误差阈值,即保证IDC的值接近交流分量峰值I0,两者之间的差值约等于故障前的线路工作电流峰值。
若IDC与I0的相对误差大于第二预设误差阈值5%,则表明由此得出的时间常数准确度低,因此需要重新选取预设时间阈值,并返回步骤303重新计算。
其中,第二预设误差阈值的取值5%也可以替换为其他任一值,例如1%,6%,10%等。
在步骤306,当所述第一拟合公式和第二拟合公式中的第一时间常数和第二时间常数的相对误差小于等于第一预设误差阈值时,选取较大的时间常数作为时间常数理论值。
在本发明的实施方式中,第一预设误差阈值可以选取为10%,若第一时间常数和第二时间常数的相对误差小于等于第一预设误差阈值10%,则表明由此计算出来的时间常数的准确度满足要求,可以确定时间常数理论值;反之,则表明由此确定的时间常数理论值准确度低,需要重新选取新的预设时间阈值,并返回步骤303重新进行计算。
其中,第一预设误差阈值的取值10%也可以替换为其他任一值,例如2%,5%等。
优选地,其中所述方法还包括:
将所述短路电流的直流分量分别和所述第一直流分量波形和第二直流分量波形进行叠加,以获取第一叠加短路电流波形和第二叠加短路电流波形;
分别将所述第一叠加短路电流波形和第二叠加短路电流波形与所述短路电流波形进行比对,以获取比对结果;其中,若所述比对结果指示所述第一叠加短路电流波形和第二叠加短路电流波形分别与所述短路电流波形重合率大于等于预设重合阈值,则表明确定的时间常数理论值准确。
优选地,其中所述方法还包括:
当所述比对结果指示所述第一叠加短路电流波形或第二叠加短路电流波形与所述短路电流波形重合率小于预设重合阈值时,表明确定的时间常数理论值不准确,重新选取新的预设时间阈值返回步骤303进行计算。
在本发明的实施方式中,还可以根据叠加短路电流波形和原短路电流波形的对比结果对确定的时间常数理论值的准确度进行校验,以从两方面保证计算结果的准确性。
其中,若两个短路电流波形重合或相近,则计算结果准确,时间常数理论值为第一时间常数和第二时间常数中较大的一个;否则应进行修正,修正的方法是改变拟合的时间轴范围,即重新选取新的预设时间阈值返回步骤303进行计算。
例如,某一系统的短路电流波形如图4所示,故障发生在0.6s,其稳态值为72kA(峰值)。采用步骤303所示的方法利用谐波分析方法对所述短路电流波形进行分析,获取直流分量衰减曲线。然后,分别按照从故障开始时算60ms、120m和160ms,获取直流分量波形,并进行拟合,分别获取如图5a、5b和5c所示的拟合曲线和拟合公式。
比较图5a、5b和5c可看出,时间轴范围不同(即选取的预设时间阈值不同),得到的拟合公式也不同,最大的直流分量为图5a中的84.495kA,最小的为图5c中的70.57kA;最大的时间常数为图5c中的1/12.09=83ms,最小的时间常数为图5a中的1/16.76=60ms。可见,时间范围不同,得到的时间差异很大。
由理论分析,直流分量的最大值必然等于短路电流周期分量改变量的绝对值,因此IDC的值应接近交流分量峰值I0(72kA)。所以,图5b的时间范围取120ms是合理的。
在对获取的时间常数进行校验时,首先将短路电流的交流分量和直流分量进行叠加,形成叠加短路电流波形,然后将叠加短路电流波形与图2中的原短路电流进行对比,比对结果如图6所示。由图6可以看出,叠加短路电流波形与计算的短路电流波形较比较接近,因此,可以确定获取的时间常数准确。
图7为根据本发明实施方式的计算短路电流直流分量的时间常数的理论值的系统700的结构示意图。如图7所示,本发明的实施方式提供的计算短路电流直流分量的时间常数的理论值的系统700,包括:交流分量的峰值确定单元701、第一直流分量衰减曲线获取单元702、第二直流分量衰减曲线获取单元703、直流分量波形确定单元704、拟合公式获取单元705和时间常数理论值确定单元706。
优选地,所述交流分量的峰值确定单元701,用于对短路电流波形进行傅里叶分析,以确定所述短路电流的交流分量的峰值。
优选地,所述第一直流分量衰减曲线获取单元702,用于对所述短路电流波形的上包络线和下包络线进行拟合,以获取第一直流分量衰减曲线。
优选地,所述第二直流分量衰减曲线获取单元703,用于利用谐波分析方法对所述短路电流波形进行分析,以获取第二直流分量衰减曲线。
优选地,所述直流分量波形确定单元704,用于分别选取所述第一直流分量衰减曲线和第二直流分量衰减曲线在故障开始时,预设时间阈值段内的曲线作为第一直流分量波形和第二直流分量波形。
优选地,其中所述预设时间阈值的取值范围为[60,150),单位为ms。
优选地,所述拟合公式获取单元705,用于分别对所述第一直流分量波形和第二直流分量波形进行指数拟合,以分别获取满足拟合原则的预设格式的第一拟合公式和第二拟合公式。
其中,IDC为故障时刻t0时刻的故障电流的直流分量;t为故障开始后的时刻;τ为时间常数;I0为所述短路电流的交流分量的峰值。
优选地,所述时间常数理论值确定单元706,用于当所述第一拟合公式和第二拟合公式中的第一时间常数和第二时间常数的相对误差小于等于第一预设误差阈值时,选取较大的时间常数作为时间常数理论值。
优选地,其中所述系统还包括:校验单元,用于将所述短路电流的直流分量分别和所述第一直流分量波形和第二直流分量波形进行叠加,以获取第一叠加短路电流波形和第二叠加短路电流波形;所述分别将所述第一叠加短路电流波形和第二叠加短路电流波形与所述短路电流波形进行比对,以获取比对结果;其中,若所述比对结果指示所述第一叠加短路电流波形和第二叠加短路电流波形分别与所述短路电流波形重合率大于等于预设重合阈值,则表明确定的时间常数理论值准确。
优选地,其中所系统还包括:预设时间阈值重置单元,用于当所述比对结果指示所述第一叠加短路电流波形或第二叠加短路电流波形与所述短路电流波形重合率小于预设重合阈值时,表明确定的时间常数理论值不准确,重新选取新的预设时间阈值进行计算;或当获取的第一拟合公式和第二拟合公式不满足拟合原则;或所述第一拟合公式和第二拟合公式中的第一时间常数和第二时间常数的相对误差大于第一预设误差阈值时,重新选取新的预设时间阈值,并返回直流分量波形确定单元。
本发明的实施例的计算短路电流直流分量的时间常数的理论值的系统700与本发明的另一个实施例的计算短路电流直流分量的时间常数的理论值的方法300相对应,在此不再赘述。
已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而,本领域技术人员所公知的,正如附带的专利权利要求所限定的,除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。
通常地,在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释,除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例,除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行,除非明确地说明。
Claims (8)
1.一种计算短路电流直流分量的时间常数的理论值的方法,其特征在于,所述方法包括:
对短路电流波形进行傅里叶分析,以确定所述短路电流的交流分量的峰值;
对所述短路电流波形的上包络线和下包络线进行拟合,以获取第一直流分量衰减曲线;
利用谐波分析方法对所述短路电流波形进行分析,以获取第二直流分量衰减曲线;
分别选取所述第一直流分量衰减曲线和第二直流分量衰减曲线在故障开始时,预设时间阈值段内的曲线作为第一直流分量波形和第二直流分量波形;
分别对所述第一直流分量波形和第二直流分量波形进行指数拟合,以分别获取满足拟合原则的预设格式的第一拟合公式和第二拟合公式;
当所述第一拟合公式和第二拟合公式中的第一时间常数和第二时间常数的相对误差小于等于第一预设误差阈值时,选取较大的时间常数作为时间常数理论值;
其中,所述方法还包括:
将所述短路电流的直流分量分别和所述第一直流分量波形和第二直流分量波形进行叠加,以获取第一叠加短路电流波形和第二叠加短路电流波形;
分别将所述第一叠加短路电流波形和第二叠加短路电流波形与所述短路电流波形进行比对,以获取比对结果;其中,若所述比对结果指示所述第一叠加短路电流波形和第二叠加短路电流波形分别与所述短路电流波形重合率大于等于预设重合阈值,则表明确定的时间常数理论值准确;
当所述比对结果指示所述第一叠加短路电流波形或第二叠加短路电流波形与所述短路电流波形重合率小于预设重合阈值时,表明确定的时间常数理论值不准确,重新选取新的预设时间阈值进行计算。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述预设时间阈值的取值范围为[60,150),单位为ms。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述方法还包括:
当获取的第一拟合公式和第二拟合公式不满足拟合原则;或所述第一拟合公式和第二拟合公式中的第一时间常数和第二时间常数的相对误差大于第一预设误差阈值时,重新选取新的预设时间阈值进行计算。
5.一种计算短路电流直流分量的时间常数的理论值的系统,其特征在于,所述系统包括:
交流分量的峰值确定单元,用于对短路电流波形进行傅里叶分析,以确定所述短路电流的交流分量的峰值;
第一直流分量衰减曲线获取单元,用于对所述短路电流波形的上包络线和下包络线进行拟合,以获取第一直流分量衰减曲线;
第二直流分量衰减曲线获取单元,用于利用谐波分析方法对所述短路电流波形进行分析,以获取第二直流分量衰减曲线;
直流分量波形确定单元,用于分别选取所述第一直流分量衰减曲线和第二直流分量衰减曲线在故障开始时,预设时间阈值段内的曲线作为第一直流分量波形和第二直流分量波形;
拟合公式获取单元,用于分别对所述第一直流分量波形和第二直流分量波形进行指数拟合,以分别获取满足拟合原则的预设格式的第一拟合公式和第二拟合公式;
时间常数理论值确定单元,用于当所述第一拟合公式和第二拟合公式中的第一时间常数和第二时间常数的相对误差小于等于第一预设误差阈值时,选取较大的时间常数作为时间常数理论值;
其中,所述系统还包括:
校验单元,用于将所述短路电流的直流分量分别和所述第一直流分量波形和第二直流分量波形进行叠加,以获取第一叠加短路电流波形和第二叠加短路电流波形;分别将所述第一叠加短路电流波形和第二叠加短路电流波形与所述短路电流波形进行比对,以获取比对结果;其中,若所述比对结果指示所述第一叠加短路电流波形和第二叠加短路电流波形分别与所述短路电流波形重合率大于等于预设重合阈值,则表明确定的时间常数理论值准确;
预设时间阈值重置单元,用于当所述比对结果指示所述第一叠加短路电流波形或第二叠加短路电流波形与所述短路电流波形重合率小于预设重合阈值时,表明确定的时间常数理论值不准确,重新选取新的预设时间阈值进行计算。
6.根据权利要求5所述的系统,其特征在于,所述预设时间阈值的取值范围为[60,150),单位为ms。
8.根据权利要求5所述的系统,其特征在于,所系统还包括:
预设时间阈值重置单元,用于当获取的第一拟合公式和第二拟合公式不满足拟合原则;或所述第一拟合公式和第二拟合公式中的第一时间常数和第二时间常数的相对误差大于第一预设误差阈值时,重新选取新的预设时间阈值,并返回直流分量波形确定单元。
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