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国际电气、电子和仪器工程高级研究杂志

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模糊锁相环辅助强电系统快速保护

A.Chaithanya1， A.Madhusudana Rao2， Sk.Jan Bhasha3.
  1. PG学生[EPS]， EEE系，ASIT，古都尔，SPSR内洛尔(D)，安得拉邦，印度
  2. PG学生[EPS]， EEE系，ASIT，古都尔，SPSR内洛尔(D)，安得拉邦，印度
  3. Nellore (D)， Andhra Pradesh，印度，ASIT, Gudur, SPSR EEE系副教授
有关文章载于Pubmed，谷歌学者

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摘要

本文提出了一种用于区分故障与开关瞬态的新方法。该方法主要用于需要在故障电流的第一个峰值之前进行快速故障检测和快速故障清除的系统。一个工业系统，其中需要高短路功率，但不能容忍高短路电流是这样一个强电力系统的一个例子。采用带FLC的锁相环(PLL)进行识别。计算机模拟已经进行，它已经证明了锁相环的输出是完全不同的故障相对于开关暂态。这种差异可以用来区分故障和开关暂态。利用MATLAB软件进行了仿真工作。

关键字
故障保护，锁相环(PLL)，电力系统，瞬态，模糊逻辑控制器(FLC)。

介绍
保护是电力系统实现不间断供电的重要任务。一般来说，电力系统应免受异常情况的影响，如故障、瞬变等。在电力系统保护中，故障检测与故障识别同等重要。在某些类型的系统中，故障的识别是非常必要的。可采用时域分析、小波变换、等效瞬时电感法、有功功率绝对差法等多种技术对各种设备和整个电力系统进行识别。因此，电力系统的保护是非常必要的，以避免电力供应的阻塞，避免因不必要的电源中断而造成的损失。
强电系统:电源与负载之间阻抗低，故障时对电源扰动小的系统，称为强电系统。大多数工业系统都是强动力系统。他们需要高短路功率来连接和断开负载，而不会对敏感设备或过程造成干扰。由于短路功率大，当系统出现故障时，会产生较大的故障电流。在设计开关柜和其他组成电力系统的部件时，必须考虑到这种高故障电流。这在新安装中很容易做到，但在现有系统中需要更高的短路功率时就会出现问题。在这些情况下，安装故障限流器可以作为重建开关柜的替代方案。故障限流器的安装还可以提供机会在电力系统中进行连接，否则由于故障电流超过开关柜的额定值而不可能进行连接。电力系统保护是另一个重要问题。快速、可靠地自动检测和排除故障，不影响电力系统的正常运行，是电力系统安全运行的关键。 A typical fault protection system is built from circuit breakers (CBs), protection relays, and primary transducers, such as voltage and current transformers and auxiliary equipment. There are many methods and algorithms available to detect short-circuit current in a power system. One simple (but yet efficient) method is to estimate the current from measured current samples. If the magnitude of the estimated current is larger than a predetermined threshold it is assumed that a fault has occurred (magnitude relay). The estimation of the current can be performed using several different techniques, such as, for example, by calculating the root mean square (rms) value, or by a Fast Fourier transform (FFT) method, or by a least-square (LSQ) method. The accuracy of the estimation and the amount of information that is available for the estimation are correlated. In general, if more information is available, the estimation will become more accurate. On the other hand, if faster fault detection is required, the estimation becomes less accurate since less information is available.
尽管故障检测是故障保护设备(可靠性)的主要关注点，但区分故障和切换瞬态(安全性)的能力也很重要。在某些情况下，开关瞬态会产生比正常负载电流大得多的大电流。在现有的继电保护中，通过对测量电流的分析，检测了电容器的通电和变压器的通电，发现了两种电流暂态的一定特征。变压器通电引起的瞬态电流通常包含一个叠加的直流分量和一个叠加的二次谐波分量。由电容器通电引起的瞬态电流通常包含较高频率的谐波成分。测量电流中的谐波分量可以用基于傅里叶的方法来识别，但这通常需要更多的时间。因此，本文提出的算法采用锁相环逻辑来减小故障识别时间。

锁相环
在本节中，将介绍使用锁相环区分故障和开关瞬态的建议方法。首先，简要介绍锁相环的基础知识。其次，介绍了一种众所周知的适用于仿真目的的锁相环实现，并识别了用于实际区分故障和开关暂态的相关信号。第三，讨论了锁相环实现参数的调优，并给出了参数的初步选择建议。
图像

a .锁相环的基本知识
锁相环自20世纪30年代由de Bellescize首次实现以来，一直是电子和电力系统应用中的重要设备，如[9]中所述。第一个锁相环是模拟设备，但随着固态电子和计算机技术的发展，锁相环已经从模拟设备通过数字实现发展到纯软件实现。
锁相环是一种电路，用于使输入信号与参考信号(由锁相环产生的输出信号)在相位和频率方面同步。锁相环的功能可以从简单锁相环的框图中解释，如图1所示。
在鉴相器(PD)中，输入信号u1(t)与参考信号u2(t)进行比较。当输入信号和输出信号的相位和频率相等时，鉴相器的输出为零。如果输入信号的相位或频率发生变化，则相位检波器的输出将偏离零。误差信号通过一个低通滤波器(LF)，然后到一个压控振荡器(VCO)，产生一个参考信号(输出信号)。如果误差信号偏离零时，压控振荡器将调整参考信号的频率，使相位误差变为零时，两个信号相位一致。当输入信号与参考信号同相时，锁相环处于锁相状态;因此得名锁相。

B.适用于区分故障和开关暂态的锁相环描述
本段描述了锁相环的矢量实现，如图2所示。与图1的框图相比，误差信号e(t)对应于PD的输出，而模糊逻辑控制器(FLC)和衍生器对应于环路滤波器和压控振荡器(VCO)。锁相环的输入是投射到参考系上的三个相电流。根据αβ量与参考系的接近程度，形成误差信号。该误差信号通过PI调节器馈送，使误差控制为零。一旦误差信号为零，输入信号就与参考系相一致。
假设系统处于稳态，且电力系统完全平衡，则相电流可写成
图像
因此，当锁相环输出角与a相电流同相时，误差为零。当系统发生暂态时，误差信号应偏离零。根据瞬态的特性，偏差将有不同的幅度和频率。由于故障通常是交流工频基频特性，其偏差将不同于包含非工频基频分量的开关暂态。锁相环的误差信号的行为也取决于锁相环的调谐。

C.锁相环的调谐
锁相环将被调谐到电源系统频率。锁相环已在高压直流输电中使用多年，目的是使晶闸管的放电与所连接交流系统的相位角同步。因此，这是一个众所周知的过程，建议使用这种安装中的参数作为调优的起点。参数的微调可以通过例如计算机模拟或任何其他标准调优方法进行。

D.使用锁相环的故障检测和识别
这里描述了用于检测故障并从开关暂态中区分故障的方法。两个算法并行执行。第一种算法基于对电流大小的估计。如果估计的震级高于预先选择的阈值，则设置标志。第二种算法如前所述，监测锁相环的误差信号。如果这个错误信号超过了预先选择的阈值，则设置第二个标志。如果这两个标志都设置了，将确定发生了错误。

FLC的设计

A. FLC的设计
上图所示的FLC必须使用模糊工具箱进行设计。设计首先为模糊逻辑控制器(FLC)分配映射变量的输入/输出。FLC的第一个输入变量是误差e(t)，第二个输入变量是误差变化Δe(t)。FLC的输出变量是当前。

B.会员功能
在选择合适的变量作为模糊控制器的输入和输出后，需要确定语言变量。这些变量将模糊控制器输入的数值转换为模糊量。描述一个变量的模糊子集的语言变量的数量根据应用的不同而不同。这里分别用五个语言变量来描述输入和输出变量。表1给出了模糊变量的隶属度函数。
图像
隶属度函数将清晰值映射为模糊变量。三角隶属度函数用于定义隶属度。这里每个输入变量定义了7个标签，分别是NB、NM、NS、ZE、PS、PM和PB。每个子集与一个三角隶属函数相关联，形成每个模糊变量的七个隶属函数集。

该方法
为了对该方法进行测试，开发了一个简单的测试系统，并在MATLAB/Simulink中实现
图像
图像
如图3所示，测试电力系统由无限大电源、阻抗负载、并联电容器(带有相应的断路器)、变压器(带有相应的CB)和故障选择装置组成。系统数据总结如下:
图像
图像
•变压器由MATLAB/Simulink主库中提供的变压器模型建模。有了这个变压器模型，就可以模拟涌流现象和磁化特性。变压器通过CB连接到电力系统，在模拟开始时，CB是打开的。变压器在一次侧以delta连接，在二次侧以Y连接。变压器一次侧绕组电压为12kv，二次侧绕组电压为240v。泄漏电抗为0.122p.u。变压器额定值为10.2MVA。对变压器内的剩余磁通进行了建模。
•通过使用MATLAB/仿真主库中的组件来实现故障选择安排。利用该分量，可以模拟不同相位参与故障的故障电阻和不同的故障起始角度。在模拟开始时，没有应用故障。
知识库涉及定义表示为IF - THEN规则语句的规则，这些规则语句根据隶属度函数管理输入和输出变量之间的关系。在这一阶段，输入变量速度偏差和加速度由执行规则表2中表示的7×7规则的推理引擎处理。
图像

模拟电路
模拟了大量的并联故障、电容器激励和变压器激励。故障被模拟为三相故障和低阻抗相位故障。之所以选择此选项，是因为这些类型的故障用于故障电流限制应用。许多配电系统通过阻抗接地，这限制了单相接地故障造成的故障电流的大小。通过关闭相关CB，模拟了电容器和变压器的通电情况。所有事件都模拟了在不同时间发生的与电源电压相位角有关的事件(α相的相位角已被选择作为参考)。事件发生的瞬间将决定瞬态电流的一些特征，例如，大小和可能的直流偏置。
图像

结果
从模拟中可以得到大量的结果。这里介绍了一些选定的结果。本小节的图形包含电力系统信号(主要是电压和电流)的图形，但也包括控制系统的信号，例如来自锁相环的误差信号，该信号被用作测量测量电流偏离故障前负载电流的程度。
图像
图像
由三相故障引起的典型相位电压和电流如图6所示。该故障锁相环的误差信号如图7所示。从图中可以看出，在故障发生后不久，误差信号基本上偏离零(稳态)。但是，在故障清除后，锁相环调整到新的条件后，错误信号归零。在不同的断层起裂角度下应用了断层。锁相环的误差信号的幅度远高于10p.u。适用于所有故障起始角度。
图像
图像
典型的相位电压和相位电流由于相位故障绘制在图8。该故障锁相环的误差信号如图9所示。从图中可以看出，在故障发生后不久，错误信号再次偏离零。一旦故障被清除，错误信号在短时间内恢复为零。在不同的断层起裂角度下应用了断层。锁相环的误差信号的幅度远高于10p.u。适用于所有故障起始角度。
图像
图像
由变压器通电引起的典型相电压和相电流如图10所示。该事件的锁相环的误差信号如图11所示。从图中可以看出，在事件发生后不久，误差信号偏离零，但当锁相环适应新条件时，误差信号恢复到稳定状态。研究了不同的开关时刻，误差信号的幅度不超过2p.u。
图像
图像
典型的相电压和相电流由于电容器通电绘制在图12。此事件的锁相环的误差信号如图13所示。从图中可以看出，在事件发生后不久，误差信号偏离零，但当锁相环适应新条件时，误差信号恢复到稳定状态。研究了不同的开关时刻，误差信号的幅度从不超过5p.u。

结论
在本文中，已经证明锁相环可以用来确定电流暂态是由于系统中的故障还是由于开关暂态。由于变压器和电容器的开关瞬态在电力系统中大量存在，因此对变压器和电容器的开关进行了具体的研究。使用测试系统进行了仿真，其中模拟了故障和开关瞬态。对于所有这些事件，当应用故障或开关瞬态时，锁相环的误差信号观察到很大的差异。这种差异可以用来区分故障和开关瞬态。

参考文献










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