一種基于物理實驗確定電流互感器J?A仿真模型的方法與流程
本發明涉及電力系統繼電保護技術領域，更具體地，涉及一種基于物理實驗確定電流互感器j-a仿真模型的方法。
背景技術：
在電力系統中，流過設備的準確一次電流是無法測得的，需要電流互感器依據電磁感應原理把數值較大的一次電流通過一定的變比轉換為數值較小的二次電流，而后測量歸算得到一次電流。實際上，因為該種測量方法以及電流互感器測量性能差異，通過電流互感器的傳變歸算得到的一次電流和實際一次電流是存在一定誤差的。同時，近年來，在電力系統暫態過程中，電網發生了多起由于電流互感器飽和導致輸電線路、變壓器、發電機差動保護誤動的事故，嚴重影響了供電可靠性和電網安全穩定運行。研究電力系統暫態過程對電流互感器飽和，從而對保護產生影響的有效手段是數字仿真。
針對電網測量使用的電流互感器設計對應的電流互感器的仿真模型，可以模擬電流互感器中一次電流至二次電流的實際的傳變過程，通過仿真模擬接近實際電流互感器傳變的暫態及穩態性能，以更加準確地測得流過設備的一次電流。基于學者jiles和atherton提出的關于鐵磁材料現象學理論基礎上，利用非線性方程組來近似各種情況下鐵心勵磁特性，提出一種電流互感器j-a仿真模型，該模型因能夠更好的反映電流互感器的暫態特性被廣泛認可。
但是，電網測量所用的電流互感器對應的待測試電流的數量級較高，如2500a，現場測試實用電流互感器的b-h曲線時，其一次側加載電流時很難達如此高的數量級，而電流互感器j-a仿真模型需要基于現場測試b-h曲線數據建立，因此由于實際待測量的電流數量級較大導致現有建立電流互感器j-a仿真模型的方法缺乏推廣價值。且現有電流互感器j-a仿真模型中的j-a模型參數為典型默認值，只能代表某單一種電流互感器的情況，不具通用性。而由于存在鐵磁材料特性差異和電流互感器類型(tpy、p、pr型等)差異，仿真軟件中該模型的典型默認參數并不完全適用于我國生產并用于電網測量使用的電流互感器，需要依據實際電流互感器重新確定對應的電流互感器j-a仿真模型。
技術實現要素：
針對現有技術的缺陷，本發明的目的在于解決現有技術由于實際待測量的電流數量級較大導致現有建立電流互感器j-a仿真模型的方法缺乏推廣價值，且現有電流互感器j-a仿真模型中的j-a模型參數為典型默認值，只能代表某單一種電流互感器的情況，不具通用性的技術問題。
為實現上述目的，本發明提供了一種基于物理實驗確定電流互感器j-a仿真模型的方法，包括：通過在電流互感器的鐵芯上繞制n1匝線圈來構建電流互感器的物理實驗模型，n1根據電網測量使用的電流互感器的額定一次電流和所述物理實驗模型的額定一次電流確定；通過在所述物理實驗模型的一次側加載電壓，確定待擬合的磁滯回線，所述磁滯回線為所述鐵芯上的磁通密度與磁場強度的變化關系對應的曲線；預設電流互感器j-a仿真模型的9個參數及其初始值，根據所述9個參數的初始值和所述待擬合的磁滯回線迭代擬合確定所述電流互感器j-a仿真模型的9個參數的最終值，所述9個參數為描述所述鐵芯磁滯回線的參數；根據所述電流互感器j-a仿真模型的9個參數的最終值確定所述電流互感器j-a仿真模型，所述電流互感器j-a仿真模型用于模擬所述電網測量使用的電流互感器的測量過程。
需要說明的是，本發明實施例提及的“物理實驗”指的是在常規有限條件下搭建電流互感器模型，例如物理實驗條件可提供的電壓范圍為0～800v，但實際電力系統中的電壓可達500kv。物理實驗條件下可提供的的電流范圍為0～10a，實際電力系統中的電流可達2500a，即實際電力系統中的電流可達ka級。其中，電網測量使用的電流互感器即用于實際電力系統的測量。
本發明實施例基于物理實驗提供的有限條件，通過在鐵芯繞制n1匝線圈保證物理實驗所加的電流在鐵芯的磁通勢相比電網測量的實際電流在鐵芯的磁通勢不變，使得基于物理實驗條件建立j-a仿真模型成為可能。另外，本發明實施例通過擬合j-a仿真模型可以多方面描述鐵芯磁滯回線的特征，使得基于物理實驗建立的j-a仿真模型的可靠性大大提升。
可選地，n1通過以下公式確定：
其中，ipn_ct為電網測量使用的電流互感器的額定一次電流，in_test為所述物理實驗模型的額定一次電流。
具體地，通過ipn_ct和in_test的比例設置，保證了物理實驗建立的電流互感器模型的磁通勢相比在電網實際測量條件下的磁通勢不變。
可選地，在所述物理實驗模型的一次側加載不同電壓有效值的交流電壓，確定不同電壓有效值對應的磁通密度與磁場強度的變化關系，每種電壓有效值的交流電壓對應一種磁通密度與磁場強度的變化關系；在所述不同電壓有效值對應的磁通密度與磁場強度的變化關系中選取一種飽和的變化關系作為所述待擬合的磁滯回線。
可選地，在每個電壓有效值對應的交流電壓加載至所述物理實驗模型一次側的過程中，采集多組所述繞組上的電壓up和采樣電阻上的電壓ur，所述采樣電阻與所述繞組串聯；確定每組up和ur對應的磁通密度b與磁場強度h，具體通過以下公式得到：
其中，s和l分別為物理實驗模型的鐵芯截面積和平均磁路長度；im1為一次側進行調平處理后的電流，
需要說明的是，b與h的變化關系對應的曲線可稱為磁滯回線。
可選地，預設電流互感器j-a仿真模型的9個參數及其初始值，根據所述9個參數初始值和所述待擬合的磁滯回線迭代擬合確定所述電流互感器j-a仿真模型的9個參數值的最終值，包括：
(a)確定混合遺傳模擬退火擬合算法的控制參數：起始溫度ts、終結溫度tf、降溫系數k和最大降溫次數mmax；
(b)確定所述電流互感器j-a仿真模型9個參數的初始值，根據所述9個參數的初始值產生初始種群g1，并令降溫次數累計m＝0，運行代數n＝0；
(c)重置控制溫度t＝ts；
(d)對初始種群g1通過遺傳算法的基因操作產生新子代g2，所述新子代g2對應電流互感器j-a仿真模型的9個新的參數值，確定g2對應的b與h的變化關系與所述待擬合的b與h的變化關系之間的評價函數j(g)，基于j(g)根據metropolis準則選擇較優解，以p(g2)的概率接受新解g2取代g1，所述p(g2)根據j(g1)和j(g2)確定；
(e)所述算法進入下一代，n＝n+1，控制溫度降低為t＝t*k，k為降溫系數；
(f)判斷控制溫度是否達到終結溫度tf，若是，則執行步驟(g)，否則執行步驟(d)；
(g)修正降溫次數，m＝m+1；
(h)判斷降溫次數是否達到限值mmax，若是，則執行步驟(i)，否則；執行步驟(c)；
(i)輸出初始種群g1的最新子代對應的電流互感器j-a仿真模型的9個參數，作為所述電流互感器j-a仿真模型的9個參數的最終值。
可選地，所述評價函數j(g)描述了新子代對應的b與h的變化關系與待擬合的磁滯回線的相似度，j(g)越小則擬合度越高，擬合度越高說明新子代對應的電流互感器j-a仿真模型的9個參數越準確，j(g)具體通過以下公示確定：
其中，hmeasured為物理實驗模型測量的磁場強度，hsimulated為新子代對應的磁場強度，n為在物理實驗模型中的采樣up和ur的點數。
可選地，所述metropolis準則描述了接受遺傳算法產生的新子代g2的概率，通過以下公式確定：
metropolis準則為若新解g2優于g1，即j(g2)＜j(g1)，則一定接受g2；否則僅以p(g2)的概率接受g2。
可選地，所述電流互感器j-a仿真模型的9個參數包括：飽和磁通ms、區域釘扎系數k、區域可擾系數c、域間耦合系數α、曲線形狀系數a1、a2、a3、b以及修正系數β。
具體地，j-a理論描述的是磁通密度b(或磁化強度m)與磁場強度h之間的關系。該理論用飽和磁通ms、區域釘扎系數k、區域可擾系數c、域間耦合系數α、曲線形狀系數a1、a2、a3、b以及修正系數β等9個參數來描述曲線特征。通過上述9個參數可以多方面描述鐵芯磁滯回線的特征，使得基于物理實驗建立的j-a仿真模型的可靠性大大提升。可選地，所述基于物理實驗確定電流互感器j-a仿真模型的方法用于確定電網測量使用的不同類型的電流互感器的j-a仿真模型；所述電網測量使用的不同類型的電流互感器鐵芯的截面積s和平均磁路長度l不同。
總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，具有以下有益效果：
(1)本發明可以利用數量級較低的物理實驗電流構建不同類型的工業實用電流互感器物理實驗模型，具有很大的推廣價值。
(2)本發明可以基于不同工業實用類型的物理實驗模型測得的b-h曲線，模擬出的j-a仿真模型的9個參數，可以直接應用于現在的數字仿真軟件中，通過j-a仿真模型的9個參數多方面描述鐵芯磁滯回線的特征，使得基于物理實驗建立的j-a仿真模型的可靠性大大提升。
附圖說明
圖1為本發明實施例提供基于物理實驗確定電流互感器j-a仿真模型的方法流程示意圖；
圖2為本發明實施例提供的基于物理實驗的電流互感器j-a仿真模型參數獲取方法流程示意圖；
圖3為本發明實施例提供的物理實驗模型電路示意圖；
圖4為本發明實施例提供的混合遺傳模擬退火擬合算法流程圖；
圖5為本發明實施例提供的p級電流互感器磁滯回線試驗結果和j-a仿真模型運行結果示意圖；
圖6為本發明實施例提供的pr級電流互感器磁滯回線試驗結果和j-a仿真模型運行結果示意圖；
圖7為本發明實施例提供的tpy級電流互感器磁滯回線試驗結果和j-a仿真模型運行結果示意圖。
具體實施方式
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。
圖1為本發明實施例提供基于物理實驗的電流互感器j-a模型參數確定方法流程示意圖；包括步驟102-步驟104。
在步驟101，通過在電流互感器的鐵芯上繞制n1匝線圈來構建電流互感器的物理實驗模型，n1根據電網測量使用的電流互感器的額定一次電流和所述物理實驗模型的額定一次電流確定。可選地，n1通過以下公式確定：
其中，ipn_ct為電網測量使用的電流互感器的額定一次電流，in_test為所述物理實驗模型的額定一次電流。
具體地，物理實驗加的一次側電壓的數量級較低，相應帶來的一次側電流也較低，對應物理實驗加的額定電流的數量級也較低。當鐵芯的規格參數變化時，對應不同類型的工業實用電流互感器物理模型。也就是說，本發明實施例可以利用數量級較低的物理實驗電流和不同規格的鐵芯構建不同類型的工業實用電流互感器物理實驗模型，具有很大的推廣價值。
在步驟102，通過在所述物理實驗模型的一次側加載電壓，確定待擬合的磁滯回線，所述磁滯回線為鐵芯上的磁通密度與磁場強度的變化關系對應的曲線。
在步驟103，預設電流互感器j-a仿真模型的9個參數及其初始值，根據所述9個參數的初始值和所述待擬合的磁滯回線迭代擬合確定所述電流互感器j-a仿真模型的9個參數；所述9個參數為描述所述鐵芯磁滯回線的參數。
在步驟s104，根據所述電流互感器j-a仿真模型的9個參數確定所述電流互感器j-a仿真模型，所述電流互感器j-a仿真模型用于模擬所述電網測量使用的電流互感器的測量過程。
本發明實施例可以基于不同工業實用類型的物理實驗模型測得的b-h曲線，模擬出j-a仿真模型的9個參數，可以直接應用于現在的數字仿真軟件中。
針對現有技術不能精確獲取不同類型的工業實用電流互感器j-a模型的問題，本發明提供了一種基于物理試驗和參數擬合算法的電流互感器j-a仿真模型參數獲取方法，旨在獲取實際不用類型電流互感器的j-a仿真模型參數。獲取的參數可以直接用于數學分析或者磁暫態仿真軟件(powersystemscomputeraideddesign，pscad)數字仿真，為構建現場電流互感器的仿真模型，分析現場事故有著重大的作用。
按照本發明，提供一種基于物理試驗和參數擬合算法的電流互感器j-a仿真模型參數獲取方法，該方法包括以下步驟，流程圖如圖2所示。
(1)構建適用于物理試驗的電流互感器物理模型。
(2)測試電流互感器物理模型的鐵芯面積s和磁路長度l等基本參數。
(3)搭建測試電路，測試得到用于參數擬合的電流互感器的磁滯回線。
(4)基于混合遺傳模擬退火擬合算法，擬合得到描述電流互感器鐵磁特性的j-a仿真模型參數。
進一步地(1)中構建適用于物理試驗的電流互感器物理模型主要包括如下內容：
(11)計算一次繞組匝數。實用電流互感器的額定一次電流ipn_ct(數千安培)，動態模型實驗室不能產生ka級的一次電流，為了保證磁通勢不變，依據磁動勢等效原則需增加一次繞組的線圈匝數。若物理試驗加的額定電流in_test，則需要在電流互感器一次側繞線圈匝數為
(12)按照計算出匝數，將該匝數的線圈采用密繞的方式繞在電流互感器鐵芯上，即構建了用于物理實驗的電流互感器的物理模型。
(3)測量電流互感器的磁滯回線包括如下步驟。
(31)搭建測試電路，將繞制完成的一次側線圈兩端并聯至交流可調電壓，并串入取樣電阻以測量電流。
(32)如圖3所示，一次繞組側對應一次電流，二次繞組側對應二次電流。通過調節一次側輸入的不同電壓有效值的交流電壓，記錄不同電壓大小下一次繞組上的電壓及采樣電阻上的電壓，分別為up和ur，設up對應的通道為“通道1”、ur對應的通道為“通道2”。
(33)計算勵磁電流原始值，如式(1)所示；進行電流調平，如式(2)所示；采用平滑函數對電流進行去毛刺處理。
采用離線電壓積分法計算鐵芯磁通原始值，如式(3)所示；隨后進行磁通調平，如式(4)～(6)所示，φpz為磁通偏置值，磁通偏置值為該點未來一個周期內的有效值，時刻變化。
im1＝im-(max(im)+min(im))/2(2)
φ1＝φ-φpz(5)
φ2＝φ1-(max(φ1)+min(φ1))/2(6)
(34)通過式(7)和式(8)計算磁通密度b和磁場強度h。
(35)根據上述數據作圖即可得到電流互感器的磁滯回線，即測量b-h曲線。
(36)對比不同電壓大小下的各條磁滯回線，挑選一條已經飽和的曲線作為參數擬合之曲線。
(4)采用混合遺傳模擬退火擬合算法(遺傳算法、模擬退火算法)，擬合得到電流互感器j-a仿真模型參數的流程圖如圖4所示，具體包括如下步驟。
(a)輸入b-h數組以及算法的控制參數：起始溫度ts、終結溫度tf、降溫系數k和最大降溫次數mmax，可依據精度要求靈活設置參數，這里可給出一組參數(ts＝10、tf＝1、k＝0.96、mmax＝100)；
(b)初始化。設定9個參數的初始值(所設定初始值參考軟件給的默認值)，產生滿足條件的初始種群g1；算法相關的參數：并令降溫次數累計m＝0，運行代數n＝0；
(c)重置控制溫度t＝ts；
(d)g1通過遺傳算法的基因操作產生新子代g2，對g2進行作圖得到b-h曲線，計算其評價函數值j(g)，其中一種評價函數如式(9)所示，根據metropolis準則選擇較優解，以p(g2)的概率接受新解g2取代g1；
(e)算法進入下一代，n＝n+1，控制溫度降低為t＝t*k；
(f)判斷是否達到終結溫度tf，若是，則轉(g)，否則轉(d)；
(g)修正降溫次數，m＝m+1；
(h)判斷降溫次數是否達到限值mmax，若是，則轉(i)，否則轉(c)；
(i)輸出優化結果。
評價函數j(g)描述了所擬合得到參數的優劣度，即仿真所得b-h曲線與原始b-h曲線的擬合相似度，表達式由式(9)給出，j(g)越小則擬合度越高。
metropolis準則描述了接受遺傳算法產生的新子代g2的概率，由式(10)給出。
若j(g2)＜j(g1)，表示新解g2優于g1，則一定接受g2；否則僅以一定概率接受g2。在一個可選的示例中，本發明提供的基于物理試驗和混合遺傳模擬退火擬合算法的電流互感器j-a仿真模型參數獲取方法包括如下步驟：
(1)構建適用于物理試驗的不同實用類型(p、pr及tpy型)電流互感器物理模型。
(11)計算一次繞組匝數。實用電流互感器的額定一次電流為2500a，實驗室額定電流為10a左右，依據磁動勢等效原則需增加一次繞組的線圈匝數。則需要在電流互感器一次側繞線圈匝數為
(12)按照計算出的匝數，將該匝數的線圈繞在電流互感器鐵芯上，即構建了用于物理實驗的電流互感器的物理模型。
(2)測試電流互感器物理模型的鐵芯面積s和磁路長度l。
具體地，本發明實施例提供的基于物理實驗的電流互感器j-a模型參數確定方法適用于物理試驗的不同實用類型的電流互感器物理模型。其中，不同實用類型的電流互感器物理模型的區別在于它們的鐵芯截面積s和平均磁路長度l不同。其中，不同實用類型的電流互感器模型對應電網測量使用的不同類型的電流互感器。因此電網測量使用的電流互感器也可理解為實用電流互感器。可根據s和l將不同實用類型的電流互感器分為p、pr及tpy型電流互感器，如表1所示。
表1電流互感器基本參數
(3)測試得到p、pr及tpy型電流互感器的磁滯回線，并挑選得到飽和程度較深的曲線作為參數擬合之曲線，如圖5～圖7中的實線所示。
(4)基于混合遺傳模擬退火擬合算法，擬合描述電流互感器鐵磁特性的j-a模型參數，如表2所示，輸入仿真模型，得到仿真的磁滯回線如圖5～圖7中的虛線所示。
表2p級、pr級、tpy級電流互感器j-a模型參數
圖5-圖7分別為本發明實施例提供的p、pr及tpy級電流互感器磁滯回線試驗結果和j-a仿真模型運行結果示意圖；對比圖5至圖7的實驗結果可見，根據本發明實施例提供的j-a仿真模型仿真得到的磁滯回線與實際測量的磁滯回線的吻合度較高，說明本發明實施例提供的基于物理試驗和混合遺傳模擬退火擬合算法的j-a仿真模型參數辨識方法應用效果良好，能有效擬合不同實用類型的j-a仿真模型參數，具體很好的應用前景。
本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
- 還沒有人留言評論。精彩留言會獲得點贊！