一种快速开关型故障限流器电磁暂态时域仿真建模方法技术

一种快速开关型故障限流器电磁暂态时域仿真建模方法。基于大数据手段，对大量的限流器的试验数据以及电力系统各种限流场景下的运行数据进行特征分析，结合快速开关型故障限流器固有参数与结构特征，得到适用于机器学习的标准化数据集；随后，提取数据集中的特征向量，构建训练样本，搭建BP神经网络算法流程，通过训练得到限流器诺顿等值电路修正函数；最后，基于以上得到的限流器诺顿等值电路修正函数，搭建限流器电磁暂态仿真模块，设计电磁暂态仿真流程，对限流器电磁暂态特性进行仿真。本发明专利技术方法得到的电磁暂态仿真模型可以仿真不同性能参数的快速开关型故障限流器在不同限流场景下限流器内部各支路的电磁时域暂态特征响应。

A Time Domain Modeling Method for Electromagnetic Transient of Fast Switching Fault Current Limiter

【技术实现步骤摘要】
一种快速开关型故障限流器电磁暂态时域仿真建模方法
本专利技术涉及一种故障限流器EMTP电磁暂态时域仿真建模方法。
技术介绍
随着国民经济的持续快速增长，我国电网也得到了迅速发展。电网规模日益扩大，用电需求急剧增长，伴随而来的电力系统负荷增长、大容量机组的投运以及各大区域电网乃至跨国电网的互联，导致系统短路电流水平不断攀升。过大的短路电流会给电力系统带来一系列负面影响，对电力系统安全稳定运行造成极大威胁，破坏系统能量平衡，引发电力系统震荡，严重导致发电机失去同步，引起系统解列，造成大面积停电事故。此外，短路电流流过导体设备时产生的热效应使得短路回路以及附近支路电流大幅度上升，破坏电气设备与系统绝缘；短路故障降低系统电压，影响供电质量，给工业生产带来巨大经济损失；短路电流通过导体产生可观的电动力效应，导致导体变形损坏，扩大事故；不对称接地短路故障会对附近的通信线路产生感应电动势，干扰正常通讯，威胁通信设备安全；短路电流水平增加会提高电力系统热动稳定性要求，大大增加电网建设的投资成本。在我国某些经济发达的区域，电网的预期短路电流水平已经超过了国内所能生产的断路器的开断能力。短路电流如若超过断路器的遮断能力，故障便无法从系统隔离，故障事故扩大蔓延。为保证电力系统安全稳定运行，必须遏制系统短路电流水平的增长。传统限制短路电流的措施主要分为三个方面：调整电网结构、改变系统运行方式、加装电力设备以限制短路电流。虽然传统限流措施一定程度上降低了短路电流水平，但是也存在诸多问题与弊端。在电力系统中加装经济型限流器是一种合理、有效、经济的限流措施。快速开关型故障限流器是一种动作迅速、可靠性高、经济性好的故障限流器，在系统正常运行几乎零损耗，满足系统节能需求，且占地面积小，维护简单，可以灵活应用于电力系统各种限流场合。此外，快速开关型故障限流器可以在电网现有的限流电抗器的基础上通过安装快速开关加以升级改造，技术经济性良好。目前，针对描述快速开关型故障限流器电磁暂态过程的仿真模型研究较少。故障限流器暂态过程极为短暂而且受多种因素影响，瞬时性与复杂性使得传统方法已无法对复杂目标电磁特性进行精确化和定量化的描述，很难建立复杂目标电磁特性的故障限流器模型。已有的研究多是从电力系统运行的方面考虑，将故障限流器的电磁暂态过程理想化，综合电力系统进行仿真分析，并未考虑故障限流器动作前后复杂的电磁耦合的瞬态特性。故障限流器缺乏详细的电磁暂态过程仿真模型，给经济型故障限流器的选址优化与容量配置以及固有限流电抗器的改装配置带来了一系列工程难题，阻碍了限流器的工程推广使用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的上述缺点，基于大数据手段，提出一种快速开关型故障限流器电磁暂态时域特征仿真建模方法。本专利技术通过对大量的限流器的试验数据及电力系统各种限流场景下的运行数据进行大数据特征分析，结合快速开关型故障限流器固有参数与结构特征，建立一种符合实际情况的快速开关型故障限流器电磁暂态仿真模型。运用本专利技术方法得到的电磁暂态仿真模型，可以仿真不同性能参数的快速开关型故障限流器在不同限流场景下限流器内部各支路的电磁时域暂态特征响应，对快速开关型故障限流器的制造以及工程实际应用具有重要作用，对新型故障限流器的拓扑结构设计与参数选择具有很高的参考价值。本专利技术采用的技术方案如下：首先，获取限流器安装及运行环境大数据，并对环境参数、运行参数以及限流器固有参数进行标准化处理，形成标准数据集；随后提取数据集中的特征向量，构建训练样本，搭建BP神经网络算法流程，通过训练得到限流器诺顿等值电路修正函数；最后，基于以上得到的限流器诺顿等值电路修正函数，搭建限流器电磁暂态仿真模型，设计电磁暂态仿真流程，对限流器电磁暂态特性进行仿真。具体如下：1.构建标准数据集首先，获取限流器安装环境的气压、温度、湿度等数据；获取限流器机构的固有参数，例如：限流电抗、合闸励磁线圈、分闸励磁线圈、斥力铜盘、储能电容、真空灭弧室、触头、碟形弹簧保持机构的几何、电磁、机械等固有参数；获取不同故障场景下外部等值网络参数：例如等值电压源、等值电流源、等值电阻等；获取对应限流器动作前后电磁暂态过程测试数据，例如脉冲电流、限流电抗电流、快速开关电流、限流电流、限流器电压等波形数据以及电流开断相位、开断电流等初始条件。对限流器环境参数、限流器固有参数进行大数据标准化处理，统一作为环境影响因子集合，并记为：式中，Mc代表影响因子表，代表影响因子，上标i代表影响因子的索引号，下标c代表数据集样本索引号；对限流器内部及外部各电流、电压波形时间采样序列进行标记，并记为：式中，O代表支路电流电压数组，i代表支路电流，u代表支路电压，下标k代表内部网络，下标s代表外部网络，上标t表示时间；对限流器外部端口进行诺顿等效网络替代，并记为：式中，N代表支路诺顿等效参数数组，I代表支路诺顿等效电流，G代表支路诺顿等效电导，下标s代表外部网络，上标t表示时间；根据以上数据集，计算限流器内部支路诺顿等效网络参数，记为：式中，N代表支路诺顿等效参数数组，I代表支路诺顿等效电流，G代表支路诺顿等效电导，下标k代表内部网络，上标t表示时间，其诺顿等效参数由下式确定：式中Δt为仿真计算步长。基于以上数据提取结果，建立时间样本数据集；式中A代表样本数据表，M代表因子表，N代表支路诺顿等值参数，O代表支路电流电压数组，c表示样本数据索引号，t表示时间，k代表内部网络，s代表外部网络。2.构建限流器诺顿等值电路修正函数首先，建立多层感知器，即建立一种监督学习算法的学习函数。f(·):Rm→Rn式中Rm代表输入变量的取值为m维向量空间，Rn代表输出变量的取值为n维向量空间，训练函数f为一个m维向量空间到n维向量空间的映射。从上述数据集中提取特征向量作为BP神经网络的输入层，记为：式中，X代表输入变量，M代表因子表，O代表支路电流电压数组，c表示样本数据索引号，k代表内部网络，s代表外部网络，Δt为仿真计算步长，t0为限流器动作触发时刻，t为当前仿真时刻，m代表输入向量维度，其大小与数据集的网络支路数及影响因子数量有关。从上述数据集中提取特征向量作为BP神经网络输出层的监督指导样本，记为：Y＝{y1,y2,…,yk,…,yn}n式中Y为输出监督变量，G代表支路诺顿等效电导，Δt为仿真计算步长，n为输出向量维度，其大小与模型内部支路数量有关。通过有监督的函数回归学习算法，并将当前训练反馈结果记为：由BP神经网络算法训练得到作为仿真模型的内部网络参数修改函数，代入训练得到的函数，修改限流器诺顿等效电路；Ik(t+Δt)＝ik(t)Gk(t+Δt)＝f(X(t))·Δt式中，Ik,Gk为限流器内部支路诺顿等值电流与电导，ik为支路电流，X为输入变量，联立外部网络端口计算得到等效电路参数即求得t+Δt时刻的网络状态，进而求得下一步网络状态：ik(t+Δt),uk(t+Δt),is(t+Δt),us(t+Δt)式中ik,uk,is,us为限流器内外网络各支路的电流电压。3.建立限流器电磁暂态仿真模型首先，建立逻辑判断模块：(1)流器状态判断模块：根据限流器当前时刻的投运状态控制仿真算法的流程，若限流器处于“投运状态”，则改变全网拓扑结构，生成限流器子网本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种快速开关型故障限流器电磁暂态时域仿真建模方法，其特征在于，所述的建模方法首先获取限流器安装及运行环境大数据，并对环境参数、运行参数及限流器固有参数进行标准化处理，形成标准数据集；随后提取数据集中的特征向量，构建训练样本，搭建BP神经网络算法流程，通过训练得到限流器诺顿等值电路修正函数；最后基于以上得到的限流器诺顿等值电路修正函数，搭建限流器电磁暂态仿真模型，设计电磁暂态仿真流程，对限流器电磁暂态特性进行仿真。

【技术特征摘要】
1.一种快速开关型故障限流器电磁暂态时域仿真建模方法，其特征在于，所述的建模方法首先获取限流器安装及运行环境大数据，并对环境参数、运行参数及限流器固有参数进行标准化处理，形成标准数据集；随后提取数据集中的特征向量，构建训练样本，搭建BP神经网络算法流程，通过训练得到限流器诺顿等值电路修正函数；最后基于以上得到的限流器诺顿等值电路修正函数，搭建限流器电磁暂态仿真模型，设计电磁暂态仿真流程，对限流器电磁暂态特性进行仿真。2.根据权利要求1所述的快速开关型故障限流器电磁暂态时域建模方法，其特征在于，所述的标准数据集的建立方法为：首先，获取限流器安装环境的气压、温度、湿度数据；获取限流器机构的固有参数：限流电抗、合闸励磁线圈、分闸励磁线圈、斥力铜盘、储能电容、真空灭弧室、触头、碟形弹簧保持机构的几何、电磁、机械参数；获取不同故障场景下外部等值网络参数：等值电压源、等值电流源、等值电阻；获取对应限流器动作前后电磁暂态过程测试数据：脉冲电流、限流电抗电流、快速开关电流、限流电流、限流器电压、数据及电流开断相位、开断电流；对限流器环境参数、限流器固有参数进行大数据标准化处理，统一作为环境影响因子集合，并记为：式中，Mc代表影响因子表，代表影响因子，上标i代表影响因子的索引号，下标c代表数据集样本索引号；对限流器内部及外部各电流、电压波形时间采样序列进行标记，并记为：式中，O代表支路电流电压数组，i代表支路电流，u代表支路电压，下标k代表内部网络，下标s代表外部网络，上标t表示时间；对限流器外部端口进行诺顿等效网络替代，并记为：式中，N代表支路诺顿等效参数数组，I代表支路诺顿等效电流，G代表支路诺顿等效电导，下标s代表外部网络，上标t表示时间；根据以上数据集，计算限流器内部支路诺顿等效网络参数，记为：式中，N代表支路诺顿等效参数数组，I代表支路诺顿等效电流，G代表支路诺顿等效电导，下标k代表内部网络，上标t表示时间，其诺顿等效参数由下式确定：式中Δt为仿真计算步长；基于以上数据提取结果，建立时间样本数据集；式中A代表样本数据表，M代表影响因子表，N代表支路诺顿等值参数，O代表支路电流电压数组，c表示样本数据索引号，t表示时间，k代表内部网络，s代表外部网络。3.根据权利要求1所述的快速开关型故障限流器电磁暂态时域建模方法，其特征在于，提取数据集中的特征向量，构建训练样本，搭建BP神经网络算法流程，通过训练得到限流器诺顿等值电路修正函数的方法如下：首先，建立多层感知器，即建立一种监督学习算法的学习函数；f(·)：Rm→Rn式中Rm代表输入变量的取值为m维向量空间，Rn代表输出变量的取值为n维向量空间，训练函数f为一个m维向量空间到n维向量空间的映射；从上述数据集中提取特征向量作为BP神经网络的输入层，记为：式中，X代表输入变量，M代表影响因子表，O代表支路电流电压数组，c表示样本数据索引号，k代表内部网络，s代表外部网络，Δt为仿真计算步长，t0为限流器动作触发时刻，t为当前仿真时刻，m代表输入向量维度，其大小与数据集的网络支路数及影响因子数量有关；从上述数据集中提取特征向量作为BP神经网络输出层的监督指导样本，记为：Y＝{y1，y2，…，y...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐明忻，王俊生，金国锋，谭捷，袁铁江，杨南，刘玲玲，杨世峰，邢敬舒，石勇，孙天行，
申请(专利权)人：国网内蒙古东部电力有限公司经济技术研究院，国网内蒙古东部电力设计有限公司，国家电网有限公司，安徽徽电科技股份有限公司，大连理工大学，
类型：发明
国别省市：内蒙古,15