一种矿用相控开关短路电流过零点预测算法.pdf

工矿自动化 I n d u s t r ya n d Min e Au t oma t ion 第46卷第6期 2020年6月 Vol . 46 No. 6 Ju n .2020 文章编号1671 251X202006 0103 05DOI10. 13272/j. issn . 1671251x . 2020030074 一种矿用相控开关短路电流过零点预测算法 于奉乐航12,荣相12,杨帆12,魏礼鹏12 1.中煤科工集团常州研究院有限公司，江苏常州213015； 2.天地常州自动化股份有限公司，江苏常州213015 摘要现有短路电流过零点预测算法存在计算复杂、误差大等问题％针对煤矿供电系统三相短路故障, 提出了一种矿用相控开关短路电流过零点预测算法％该算法利用三相短路故障发生后1个基波周期内短路 电流采样数据，通过累加和的方法计算短路电流的直流分量，可减小计算量、消除谐波干扰；将采样数据与直 流分量相减，得到短路电流的交流分量；利用交流分量周期性的特点，可预测1个基波周期后任意采样时刻 的交流分量；将1个基波周期后任意采样时刻的直流分量与交流分量相加，即可重构出任意采样时刻的短路 电流，从而预测短路电流过零点。仿真和实验结果验证了该算法的准确性。 关键词煤矿供电；相控开关；过零点预测；短路故障；短路电流 中图分类号TD611 文献标志码A Azer o-c r oss in g poin t pr ed ic t ion a l g or it h m ofsh or t -c ir c u it c u r r e n t for min e-u sed ph a s e-c on t r ol l e d swit c h in g YU Sh u oh a n g12 , RONG Xia n g12, YANG Fa n1U , WEI Lipen g1U 1.CCTEG Ch a n g zh ou Resea r c h I n st it u t e, Ch a n g zh ou 213015, Ch in a; 2. Tia n d i Ch a n g zh ou Au t oma t ion Co. , Lt d . , Ch a n g zh ou 213015, Ch in a Abstract Th e ex ist in g zer o-c r ossin g poin t pr ed ic t ion a l g or it h ms of sh or t -c ir c u it c u r r en t h a ve some pr obl ems,su c h -sc ompl ex c -l c u l -t ion -n d big er r or .For t h r ee -ph -se sh or t -c ir c u it f-u l t ofc o-l min epowe r su ppl ysyst e m,-zer o-c r ossin g poin t pr ed ic t ion -l g or it h m ofsh or t -c ir c u it c u r r en t for min e-u sed ph -se- c on t r oled swit c h in g w-spr oposed .I n t h e-l g or it h m,DCc ompon e n t ofsh or t -c ir c u it c u r r en t isc -l c u l -t e d bysu mmin g sh or t -c ir c u it c u r r en t s-mpl in g d -t -in on efu n d -me n t -l w-ve per iod -ft er oc c u r r e n c eoft h r e e- ph -s e s h or t -c ir c u it f-u l t ,wh ic h c -n r e d u c e c -l c u l -t ion -mou n t -n d e l imin -t e h -r mon ic in t e r fe r e n c e .AC c ompon en t ofsh or t -c ir c u it c u r r e n t isobt -in ed bysu bt r -c t in g t h eDCc ompon en t fr omt h e s-mpl in g d -t -. Usin g pe r iod ic it yoft h e ACc ompon en t ,t h e ACc ompon e n t -t -n ys -mpl in g t ime -ft e r on e fu n d -me n t -l w-vepe r iod c -n be pr ed ic t e d . By-d d in g t h e DC -n d AC c ompon e n t s -t -n y s-mpl in g t ime -ft e r on e fu n d -men t -l w-veper iod ,sh or t -c ir c u it c u r r en t -t -n ys-mpl in g t imec -n be r ec on st r u c t e d t opr ed ic t ze r o- c r ossin g poin t of sh or t -c ir c u it c u r r en t . Th e simu l -t ion -n d ex per ime n t -l r esu l t s ver ify-c c u r -c y oft h e -l g or it h m. Key words c oa l min e power su ppl y; ph a se-c on t r ol l ed swit c h in g ； zer o-c r ossin g poin t pr ed ic t ion ； sh or -- c ir c u it fa u l t; sh or t -c ir c u it c u r r e n t 收稿日期收稿日期2020-03-26为基波分量的频率。 设Xn为短路电流直流分量，；n为短路电流 交流分量，则 zn in in 5 其中交流分量的期望为零，即 1 N M 卜 En Ikmsm-N-n k 0 6 n 1 k 1 / 对各采样点进行求和，可得 N N N 4n in NEn in 7 n 1 n 1 n 1 NN 设 SN 4n认n，则 n 1 n 1 SN C 1 ex p -nT 8 由式8可知，S N是以C为首项、 ex p-nT为公比的等比数列的和，则 2020年第6期于铮航等一种矿用相控开关短路电流过零点预测算法 105 ・ T 10 SNC 一 g-N|疔c「“岸 1expni- 1exp NTa 9 利用泰勒展开式保留前三项将式9展开 1 ex p 1 SN C------------ -----1 〜 1 expNT C T 1-[ [1-1 T1 N 2 ] ] 式 10 N SNNCN2N a 2SN 2CN 由于连续的直流分量方程曲线在时间轴上的投 影面积式12与离散化后的直流分量方程曲线在 时间轴上的投影面积式13近似相等，则 S JNcex p士 N N N S N- Nsn 45-N 11 12 13 14t 八-1 由式14可得 丁 CNT ______________ a 2NC_2SN 联合式11、式15可得 c SN N 1 15 16 至此，可根据1个基波周期内的采样数据累加 和、采样点数及基波周期来获取直流分量衰减时间 常数N和直流分量初始值C,进而得到直流分量。 1. 3 误差校正 由于计算直流分量衰减时间常数和直流分量初 始值时采用保留前三项的泰勒级数展开式与投影面 积近似计算，并且等间隔采样短路电流信号时会产 生采样误差，所以计算得到的直流分量存在误差。 直流分量初始值计算误差对短路电流过零点预测结 果精度影响较小，而直流分量衰减时间常数计算误 差的影响较大，因此需要对直流分量衰减时间常数 计算结果进行误差校正。 由式3可知Z-的直流分量时域表达式 it Cex p N- 17 设4 N的直流分量衰减时间常数为N,贝I」 0- N的直流分量时域表达式为 Cex p N 18 由式17、式18可得经过校正的直流分量衰 减时间常数 1 . 4 电 流 式 5 4 in认 20 煤矿供电系统可视作无限大功率电源供电网 络,其发生三相短路故障时交流分量不会衰减，利用 交流分量周期性特点可预测1个基波周期后任意采 样时刻的交流分量 4 N4 21 将1个基波周期后任意采样时刻的直流分量与 交流分量相加，即可预测短路电流 4 N 0N;N N in 认n N 4 22 2算法验证算法验证 2. 1 仿真验证 利用Ma tb/Simu l in k[13]建立供电网络仿真模 型，如图2所示。三相电源的短路容量为 100 MVA降压变压器额定容量为3. 2 MVA,Y/Dn联 结，变比为35/6. 3,阻抗电压百分比为7 ；线路长 度为50 km,线路单位电抗为0. 274 /km。 三相电源升压变压器 图2供电网络仿真模型 三相串联 RLC负载 降压变压器三相电压 电流表 Fig . 2 Simu l a t ion mod el of power su ppl y n et wor k 供电网络发生三相短路故障时电流波形如图3 所示。 从短路故障发生时刻开始，以3.2 kHz的采样 频率对一个基波周期内的波形进行等间隔采样，短 电 流 结果 图 4 所 轴 发 生瞬间为零点可看出预测电流波形与原始电流 波形几乎重合，表明预测算法可准确预测短路电流 过零点。 106 工矿自动化 46 图 3 电 流 波 形 Fig .3 Simu l a t ion wa vefor m of s h or t -c ir c u it c u r r e n t CH1 1.00 V M 10.0 ms CHI /CHI 1.00 V Mia o ms CHI / 预测电流 原支台电流 直溢分量 交流分量 图 4 电 流 波 形 Fig . 4 Simu l a t ion wa vefor m of pr ed ic t ed sh or t -c ir c u it c u r r en t 2. 2 实验验证 a 实验1 CHI 1.00 V M10.0 “ “CHiy c 实验3 b 实 验2 CHI 1.00 V 〜 M 10.0 ms 一 Hl 1 d 实验4 图6短路电流实验波形 短路电流模拟电路如图5所示T为调压器；S 为接触 o当S闭合时，实验回路中通 「有 直流分 电流。 a 原理 Fig .6 Ex pe r ime n t a l wa ve for ms ofs h or t -c ir c u it c u r r e n t 3r 一预测电流 -2 - 直流分量 _3 , , 原跖庖流 ， _ 0 0.02 0.04 0.06 0.08 时间/ms b 实验2 3 一预测电流 时间/ms c 实 验3 _30 0.02 0.04 0.06 0.08 图 7 电 流 实 验 波 形 Fig .7 Ex pe r ime n t a l wa ve for ms ofpr e d ic t e d b实物 图 5 电 流 电 Fig .5 Sh or t -c ir c u it c u r r e n t a n a l og c ir c u it 利用 电流模拟电路进行多次实验，利用 TDS2024C示波器采集短路电流波形，选取其中 4次具有不同初相位、直流分量初始值 电流 波形图6,并利用示波 数据存 能获取波 形中的采样数据。 对示波器中获得的采样数据进行插值处理，按 3.2 kHz的采样频率对采样数据重新采样。短路电 流预测实验结果如图7所示为消除S闭合瞬 [ 成 动 ，实验舍弃 初始阶段的部 分数据，采样数据 轴 平移处理 电流波形与原始电流波形基本重合，表明 【算 s h or t -c ir c u it c u r r e n t 法可准确预测短路电流过零点o 3结语结语 提出了一种矿用相控开关短路电流过零点预测 算法。利用 发生后1个基波周期内短 电流 数据，通过累加和 计 电流 直流分量, 计 、消除谐波 ；将 1 数据与直流分 ，彳 电流 流分量;利 用交流分量周期性的特点, 1个基波周期后 意 刻 流分量；将1个基波周期 意 刻的直流分量与交流分 ，即可重 } 意 刻 电流，丿 电流过 零点。 2020 6 于铮航等一种矿用相控开关短路电流过零点预测算法 ・107・ 参考文献References [1-陈明帆，段雄英，黄智慧，等真空开关动作时间的自 适应控制[J-中国电机工程学报，2010,30 36 22-26. CHEN Min g fa n ,DUAN Xion g yin g , HUANG Zh ih u i, e t a l .Ad a pt ive c on t r ol for ope r a t in g t ime ofva c u u m s wit c h ]〕-. Pr oc eed in g s of t h e CSEE, 2010,3036 22-26. [2-舒胜文，阮江军，黄道春，等.相控真空断路器的最佳 燃弧区间研究[J-高压电器,2012,4881-6. SHU Sh en g we nRUAN Jia n g ju nHUANG Da oc h u n et a l .Opt ima l a r c in g in t er va l of ph a se -c on t r oled va c u u m c ir c u it br e a ke r [J-. Hig h Vol t a g e Appa r a t u s, 2012,48816 [3-朱军，李波，阮江军，等.基于人工过零技术的直流真 空分断过程分析及验证[J-电机与控制学报，2019, 23163-72. ZHU Ju nLI BoRUAN Jia n g ju n e t a l 6An a l ys is a n d t e s t for t h e DCva c u u min t e r r u pt ion pr oc e s s ba s e d on t h e a r t ific ia l c u r r e n t ze r o t ec h n ol og y [J -.El e c t r ic Ma c h in e s a n d Con t r ol 2019 23163-72. [4 -荣文帅，蔡志远.断路器同步分断短路电流零点预测 方法研究[J-.电工技术学报,2019, 34 15 3167-31746 RONG We n sh u a iCAI Zh iyu a n 6Re s e a r c h on ze r o pr ed ic t ion met h od of syn c h r on ou s br ea kin g s h or t c ir c u it c u r r e n t ofbr e a ke r[J-6Tr a n s a c t ion s ofCh in a El e c t r ot e c h n ic a l Soc ie t y 2019 34153167-31746 [5 -胥杰，张永健，曹旭，等.基于小波变换提取暂态直流 分量故障选相原理的研究[J-.华东电力，2011,39 2262-2656 XUJieZHANG Yon g jia nCAO Xue t a l 6Re s e a r c h of fa u l t ph a se se l ec t ion ba s ed on t r a n s ie n t DC c ompon e n t e x t r a c t ion by wa ve l e t t r a n s for ma t ion[J- 6 Ea s t Ch in a El e c t r ic Powe r 2011 392262-2656 [6 -袁召，罗楚军，方春恩，等.基于半波Fou r ie r算法的故 障选相控制系统的设计[J-.高电压技术，2013,39 4869-8756 YUAN Zh a o, LUO Ch u ju n , FANG Ch u n e n , et a l . De sig n of c on t r ol syst e m for c on t r oled fa u l t in t e r r u pt ion ba s ed on h a l f-wa ve Fou r ie r a l g or it h m [J-. Hig h Vol t a g e En g in ee r in g 2013 394869-875. [7 -周美兰，王一磊，王健.改进傅氏算法在输电线路微机 保护中的应用研究[J-.黑龙江大学自然科学学报, 2010 27 6783-787. ZHOU Meil a nWANG Yil eiWANG Jia n Rese a r c h on t h e a l g or it h m of t h e impr oved Fou r ier in t r a n s mis s ion l in e c ompu t e r -ba s e d pr ot e c t ion r e l a y[J-. Jou r n a l of Na t u r a l Sc ien c e of Heil on g jia n g Un ive r s it y2010 27 6783-787. [8-罗楚军，袁召，尹小根，等.基于改进半波傅氏算法的 电 流 控 断 零 点 研 究 [J - . 压 电 2012,48616 LUO Ch u ju nYUAN Zh a oYI N Xia og en e t a l 6Ze r o- c r oss poin t pr ed ic t ion of s h or t c ir c u it c u r r e n t for ph a s e c on t r ole d in t e r r u pt ion ba s e d on impr ove d h a l f- wa ve Fou r ie r a l g or it h m[J-. Hig h Vol t a g e Appa r a t u s 2012,48616 [9 -于潇，侯春光，曹云东.基于自适应神经元的短路故障 电流参数预测[C-//第十三届沈阳科学学术年会论 文集理工农医，沈阳2016589-593. YU Xia o HOU Ch u n g u a n g CAO Yu n d on g 6 Pr ed ic t ion of fa u l t c u r r e n t pa r a met er s ba s ed on a d a pt ive n eu r on s [ C -//Pr oc eed in g s of t h e 13t h Sh en ya n g Sc ie n t ific An n u a l Con fer e n c e Sc ie n c e I n d u s t r y Ag r ic u l t u r e a n d Me d ic in eSh en ya n g 2016589-593. [0-吴巧玲，缪希仁，许火炬，等相控开关的早期故障检 测及过零预测方法研究[J-.电气技术，20167 24-306 WU Qia ol in g, MI AO Xir e n, XU Hu oju, et a l . Re s e a r c h on ph a s e s wit c h e a r l yfa u l t d et e c t ion a n d ze r o pr ed ic t ion met h od [J-.El e c t r ic a l En g in eer in g 2016724-30. [1-王彦文，赵铁英含电感型故障限流器的煤矿电网短 路暂态过程研究[J-.煤炭学报，2013, 38 7 1293-1298. WANG Ya n we nZHAO Tieyin g . Re se a r c h on c oa l min e power g r id s h or t -c ir c u it t r a n s ie n t pr oc e ss wit h in d u c t ive t ype fa u l t c u r r e n t l imit e r[J-.Jou r n a l of Ch in a Coa l Soc ie t y,2013,387 12931298. [2-方万良，李建华，王建学.电力系统暂态分析[M-. 4版.北京中国电力出版社2017. FANG Wa n l ia n gLI Jia n h u a WANG Jia n x u e 6 Tr a n s ie n t a n a l ysis of power syst e m [M-. 4t h ed . Be ijin gCh in a El e c t r ic Powe r Pr e s s 20176 [3-王希平，李文才，李燕，等基于Simu l in k配电变压器 模型的建立及仿真自动化技术与应用，2009,28 9124-1266 WANG Xipin gLI We n c a iLI Ya n e t a l 6Th e bu il d in g a n d e mu l a t ion ofd is t r ibu t ion t r a n s for me r mod e l ba s e d on Simu l in k [J-. Te c h n iqu es of Au t oma t ion a n d Appl ic a t ion s 2009 289124-126