电力系统中铁心线圈低功率电流互感器模型及其建模方法

摘要

本发明公开了一种电力系统中铁心线圈低功率电流互感器模型及其建模方法。该铁心线圈低功率电流互感器通过一个分流电阻Rsh将二次电流转换成电压输出，实现I/V变换。由于分流电阻很小，故二次绕组消耗的功率很小，负荷要求的二次功率也很小，因此其测量范围和准确度较为理想。铁心线圈式低功率电流互感器的测量范围较大，尺寸较小。该铁心线圈低功率电流互感器模型的主要环节包括传感头单元、放大环节、移相环节和隔直环节，该模型的建立基于RTDS系统中CBuilder自定义元件开发环境，能够满足用户对电力系统数字动模仿真软件不断增加的需求。本发明同时公开该铁心线圈低功率电流互感器模型的建模方法。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电力系统中的模型及其建模方法，具体是指一种电力系统中 铁心线圈低功率电流互感器模型及其建模方法。

背景技术

近年来，随着我国电力系统迅速发展，规模不断扩大，新型元件及系统控制 技术不断在系统中得到应用，对电力系统数字动模仿真技术带来新的挑战。各种 新型调节和保护装置的不断研制和开发并投入运行，以及数字化变电站的不断发 展，要求电力系统仿真技术能够灵活建立各种系统装置的模型，以满足电力系统 规划设计、运行、调度、科学研究对系统分析的要求。数字化变电站中过程层的 数字化主要表现于电子式互感器与合并单元的使用上。过程层的数字化不仅从物 理结构上改变了保护、测控等电子装置，同时由于电子式互感器频率响应范围较 宽，由此也影响了保护等电子装置原理和算法。因此，为提高数字化变电站测试 的有效性，电力仿真系统必需能够仿真电子式互感器的各种特性。

随着电力系统数字仿真技术的发展，包括RTDS在内的实时数字仿真系统对 于复杂电力系统的仿真精度和速度都取得了较大的进步。RTDS是国际上研制和 投入商业化应用最早的数字实时仿真装置，也是目前世界上使用最多、最广泛采 用的电力系统实时数字仿真装置。RTDS由计算软件、计算处理和接口等硬件设 备组成，包括配套的工作站，可以连续和实时地模拟电力系统的电磁暂态和机电 暂态现象，典型仿真步长为50~80μs。

但在RTDS仿真系统中仅仅存在常规互感器模型，并未包括电子式互感器模 型，正因为如此，有必要在RTDS中对电子式互感器进行自定义建模。传统的仿 真程序是由软件开发者根据事先确定好的模型进行设计和开发，用户无法改动原 有模型或者增加新的模型。模型的变动或增加只能由原开发者通过改写源代码来 实现。由于这些改动必须与原来的程序严格对应和协调，开发周期长，可靠性测 试困难，故很难及时满足众多用户的不同要求。这种被动的开发方式必然落后于 实际的需要。用户自定义建模功能是解决上述问题的有效方法。它为用户提供统 一的建模平台，使用户无须了解仿真程序内部结构和算法实现的情况下，就可用 直观的方式自行建立新的模型，并由该平台完成与仿真程序的接口，从而完成用 户建立新仿真模型的需要。

为适应电力系统新型元件的不断引入以及实际电力生产中特定元件特性的仿 真需求，电力系统实时仿真软件RTDS提供了以CBuilder为基础的自定义建模平 台以满足用户对元件的自定义需求。

CBuilder是RTDS软件提供的用户自定义建模功能程序，是由RTDS早起应 用的用户自定义软件UDC(User Defined Compont)的基础上发展而来，相比其有更 友好的编辑环境和处理方式。用户无须了解仿真软件程序内部的结构和算法实现， 可根据仿真要求，直观地自行搭建自定义模型。CBuilder平台自动与RTDS仿真 程序和用户模型库接口，用户自定义的类C代码通过元件直接嵌入RTDS主程序 之中，无需对外部子程序进行编译及频繁的调用，因而运行效率较高。CBuilder具 有友好的自定义建模界面，用户能够方便的进行搭建或修改模型、参数及其计算 代码。

现有技术包括中国电力科学研究院研发了基于高性能PC机群的电力系统全 数字仿真装置ADPSS，该装置可以用于电磁、机电暂态分网并行计算，也可以通 过数模和模数变换连接实际控制装置，能够实现大规模复杂交直流电力系统电磁 暂态和机电暂态的实时和超实时仿真。ADPSS中的电磁暂态程序ETSDAC为用 户提供了UD建模，即自定义建模功能，并开发了相关软件。该软件存在以下不 足：

1、功能框库不够丰富。没有根据用户需要，提供足够多的基本功能单元，以 搭建更为复杂的模型的需要。

2、UD的输入/输出变量类型偏少。没有提供更完备的输入/输出变量，使得 模型与仿真主系统之间的数据交换的途径不够丰富。

3、UD建模平台有待继续测试，对于工程技术人员来讲，建模平台不够直观、 简单。

4、UD建模的数量和种类有限，且测试与验证工作并不充分。对图形界面程 序和UD计算程序的验证不足。

现有技术还包括被广泛使用的一种电力系统仿真分析软件PSCAD/EMTDC。 该软件主要功能是进行电力系统时域和频域计算仿真，典型应用是计算电力系统 遭受扰动或参数变化时，电参数随时间变化的规律程序。EMTDC能与MATLAB 接口，用户可以将MATLAB中的数学和控制功能模块（包括各种工具箱）应用 到PSCAD/EMTDC中。同时，用户还可以通过编制M文件定义用户所需的元件 模型。由于M文件采用语法简单、可读性强、调试容易、人机交互性强的MATLAB 语言编制，因此用户可以根据需要自定义元件模型。该软件存在以下不足：

1、采用直接嵌入方式利用Fortran编写源代码的自定义元件，对于在Fortran 语言上实现的PSCAD/EMTDC来说，无需对外部子程序进行编译及频繁的调用， 但Fortran语言的格式限制较多，用户编写大型程序时往往会感觉不方便，且程序 出错后所给出的错误信息不明确，使得调试难度增加。

2、对于采用间接调用方式的基于C语言和MATLAB构建的自定义元件， MATLAB拥有强大的数值计算能力、图形处理能力以及完备的工具箱，但运行效 率较低。而除了两者本身所固有的运算速度上的差异以外，由于间接调用的关系， 两者间的通信也很大程度上影响了整个仿真的效率。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种电力系统中铁心线圈低功率电流互感器模型， 该模型基于RTDS系统中CBuilder开发环境，能够满足用户对电力系统数字动模 仿真软件不断增加的需求。

本发明解决上述技术问题采用如下的技术方案：电力系统中铁心线圈低功率 电流互感器模型，该模型通过一个取样电阻R_sh将电力系统中的二次电流转换成 电压输出，实现I/V变换；在理想情况下，铁心线圈低功率互感器的二次输出电 压与电力系统的一次电流成正比，能够真实地反应电力系统中一次电流的情况；

该模型包括如下单元：

（1）传感头单元

传感头是获取一次电流信号的关键部件，在电子式互感器中相当于信号源； 忽略电容和负荷时，传感头的传递函数如下：

$H_0\left(s\right)=\frac{U_s}{I_p}=\frac{{\mathrm{sL}}_m{R}_{\mathrm{Fe}}{R}_{\mathrm{sh}}}{s(R_{\mathrm{Fe}}+L_m{R}_s+L_m{R}_{\mathrm{sh}})+R_{\mathrm{Fe}}{R}_s+R_{\mathrm{Fe}}{R}_{\mathrm{sh}}}=K_h·\frac{{\mathrm{sT}}_h}{{\mathrm{sT}}_h+1}---\left(1\right)$

式中：I_p为一次电流；

U_s为二次输出电压；

R_sh为取样电阻；

R_Fe为铁心损耗等效电阻；

L_m为等效归一化电感；

R_s为二次绕组的总电阻；

K_h为传感头等效增益；

T_h为传感头等效时间常数；

s为时间对应频域的变量；

（2）放大环节

传感头的输出电压变化范围较大，电压信号在A/D转换前需通过放大电路对 传感头的输出电压进行放大，放大环节的传递函数为；

H₁(s)＝K₁*K₂＝14.9                       （2）

式中：K₁、K₂分别为放大环节增益；

（3）移相环节

经过传感头的处理，此时的输出电压信号与一次电流信号存在相位差，需要 进行补偿相位，该移相环节的传递函数为：

$H_2\left(s\right)=\frac{1-{\mathrm{sT}}_{\mathrm{ph}}}{1+{\mathrm{sT}}_{\mathrm{ph}}}---\left(3\right)$

式中：T_ph为移相环节的时间常数，一般取5×10^-7；

（4）隔直环节

移相环节的输出信号存在直流信号，需要隔直环节，其传递函数为：

$H_3\left(s\right)=\frac{{\mathrm{sT}}_g}{1+{\mathrm{sT}}_g}---\left(4\right)$

式中：T_g为隔直环节的时间常数，一般取1.1。

上述电力系统中铁心线圈低功率电流互感器模型的建模方法，用户自定义元 件模型由图形模型、I/O接口、模型内部参数与模型代码四部分组成，模型类型 包括控制元件和电力系统元件两类，该建模方法包括如下步骤：

（1）建立铁心线圈低功率电流互感器自定义元件调用文件；

（2）铁心线圈低功率电流互感器自定义元件外观设计；

（3）铁心线圈低功率电流互感器自定义元件I/O接口设计；

（4）铁心线圈低功率电流互感器自定义元件参数设置；

（5）铁心线圈低功率电流互感器自定义元件程序代码文件编辑；

（6）建立权利要求1所得到的铁心线圈低功率电流互感器。

与现有技术相比，本发明提出一种基于电力系统仿真软件自定义建模的铁心 线圈低功率电流互感器模型及其建模方法，具体采用RTDS/CBuilder的电力系统 仿真软件，相对于其他仿真系统的自定义建模方法，CBuilder的限制相对较少， 功能更完善，利用类C语言编写简洁方便，且直接嵌入RTDS系统中，无需外部 接口程序的调用，为利用其开发复杂的大型计算程序提供了可能。同时，基于 RTDS硬件中PB5、GPC等处理器板卡的强大计算能力，可以保证所创建的铁心 线圈低功率电流互感器自定义仿真模型只要能正确的编译通过，即可在RTDS下 严格的实时运行，即实时性由RTDS的硬件本身和实时编译系统来保证。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

图1为本发明铁心线圈低功率电流互感器的各个物理环节；

图2为本发明铁心线圈低功率电流互感器的内部传递函数和逻辑结构；

图3为本发明的铁心线圈低功率自定义元件模型建模流程；

图4为本发明的进入CBuilder编辑界面；

图5为本发明基于CBuilder的LPCT自定义元件外观绘制界面；

图6为本发明基于CBuilder的LPCT自定义元件输入输出点编辑界面；

图7为本发明基于CBuilder的LPCT自定义元件内部参量编辑界面；

图8为本发明基于CBuilder的LPCT自定义元件用于用户编辑的C文件设置 界面；

图9为本发明基于CBuilder的自定义元件铁心线圈低功率电流互感器LPCT 预览界面。

具体实施方式

互感器是电力系统中电压、电流量测的基本设备，互感器二次线圈除对一次 电压或电流进行传感检测外，同时还承担着高压绝缘隔离、模拟信号传输、负载 驱动等功能，并通过与二次设备配合实现对电力系统的计量、保护、隔离、标准 化的作用：

测量：将电力系统一次侧的电流、电压信息传递到二次侧与测量仪表和计量 装置配合，可以测量一次系统电流、电压和电能；

保护：当电力系统发生故障时，互感器能争取反映故障状态下电流、电压波 形，与继电保护和自动装置配合，对电力系统的各种故障构成保护和自动控制；

隔离：测量和保护装置不能直接接入高电压、大电流的电力回路中，互感器 将一次侧高压设备与二次侧设备及系统在电气方面隔离，从而保证二次设备和人 身安全；

标准化：将一次高电压、大电流变换为二次侧的低电压、小电流，使计量和 保护标准化；

长期以来电力系统运行的互感器几乎全部是电磁式互感器，它的精度、可靠 性基本满足电力系统的要求，同时积累了大量的运行经验；但随着电力工业的快 速发展，传输容量不断增加，导致电力系统的电压越来越高，电流越来越大；

铁心线圈低功率电流互感器是传统电磁电流互感器的发展；与传统电流互感 器的I/I变换不同，它通过一个取样电阻R_sh将二次电流转换成电压输出，实现I/V 变换。

如图1至图2所示的电力系统中铁心线圈低功率电流互感器模型，该模型通 过一个取样电阻R_sh将电力系统中的二次电流转换成电压输出，实现I/V变换；在 理想情况下，铁心线圈低功率互感器的二次输出电压与电力系统的一次电流成正 比，能够真实地反应电力系统中一次电流的情况；

该模型包括如下单元：

（1）传感头单元

传感头是获取一次电流信号的关键部件，在电子式互感器中相当于信号源； 忽略电容和负荷时，传感头的传递函数如下：

$H_0\left(s\right)=\frac{U_s}{I_p}=\frac{{\mathrm{sL}}_m{R}_{\mathrm{Fe}}{R}_{\mathrm{sh}}}{s(R_{\mathrm{Fe}}+L_m{R}_s+L_m{R}_{\mathrm{sh}})+R_{\mathrm{Fe}}{R}_s+R_{\mathrm{Fe}}{R}_{\mathrm{sh}}}=K_h·\frac{{\mathrm{sT}}_h}{{\mathrm{sT}}_h+1}---\left(1\right)$

式中：I_p为一次电流；

U_s为二次输出电压；

R_sh为取样电阻；

R_Fe为铁心损耗等效电阻；

L_m为等效归一化电感；

R_s为二次绕组的总电阻；

K_h为传感头等效增益；

T_h为传感头等效时间常数；

s为时间对应频域的变量；

（2）放大环节

传感头的输出电压变化范围较大，电压信号在A/D转换前需通过放大电路对 传感头的输出电压进行放大，放大环节的传递函数为；

H₁(s)＝K₁*K₂＝14.9                       （2）

式中：K₁、K₂分别为放大环节增益；

（3）移相环节

经过传感头的处理，此时的输出电压信号与一次电流信号存在相位差，需要 进行补偿相位，该移相环节的传递函数为：

$H_2\left(s\right)=\frac{1-{\mathrm{sT}}_{\mathrm{ph}}}{1+{\mathrm{sT}}_{\mathrm{ph}}}---\left(3\right)$

式中：T_ph为移相环节的时间常数，一般取5×10^-7；

（4）隔直环节

移相环节的输出信号存在直流信号，需要隔直环节，其传递函数为：

$H_3\left(s\right)=\frac{{\mathrm{sT}}_g}{1+{\mathrm{sT}}_g}---\left(4\right)$

式中：T_g为隔直环节的时间常数，一般取1.1。

根据以上铁心线圈低功率电流互感器的内部结构，为便于自定义建模，建立 模型的内部传递函数，如图2所示。本发明利用电力系统仿真软件RTDS的自定 义开发环境CBuilder对上述的电力系统中铁心线圈低功率电流互感器模型进行建 模，建模步骤如下：

基于RTDS/CBuilder的用户自定义元件模型一般由图形模型、I/O接口、模 型内部参数与模型代码四部分组成，模型类型包括控制元件和电力系统元件两类。 基于以上元件组成和类型，设计基于RTDS/CBuilder的用户自定义基本建模流程， 详见附图3。

S1建立自定义元件调用文件

在RTDS的软件部分RSCAD欢迎界面中点击CBuilder进入自定义界面，见 附图4。进入CBuilder编辑界面后，可选择save键，建立该元件的DEF文件， 对于铁心线圈低功率电流互感器来讲可建立LPCT.def，并保存于ULIB文件夹下， 便于仿真时自定义元件的调用。

S2自定义元件外观设计

用户需要在Design标题栏内绘制自定义元件的外观，同时用户对于元件外观 的操作会自动写入Graphics标题栏内。如该元件某些线条或文字是在有条件下显 示，或者该元件在draft内不允许旋转时，可在Graphics内选择Add Condition键 进行编辑。对LPCT自定义元件外观进行设置的界面详见附图5。

S3自定义元件I/O接口设计

在完成自定义元件外观设置之后，需要为元件添加信号输入和输出接口，从 而使得该控制元件可与外部控制元件或信号点相连接。如该元件某信号输入或输 出点为有条件显示时，可在IO Points标题栏内选择Add Condition键进行编辑。 CBuilder可以设置IO Points的输入输出类型以及信号数据类型，详见附图6。

由附图6可知，在LPCT自定义元件中，共有一个输出信号u₀和一个输入信 号i。

S4自定义元件参数设置

在完成元件外观和I/O接口设置后，用户需选择Parameters标题栏，添加自 定义元件所必须的参数。控制元件包括指定控制处理器Proc、优先级Pri、处理器 板卡类型prtyp等3个默认参数；而电力系统元件包括的默认参数有处理器板卡 类型prtyp、元件名称name、指派模型板卡AorM、Card、Rprc、Aprc等。

对于控制元件LPCT自定义模型，还需要设置传感头的取样电阻R_sh、铁心 损耗等效电阻R_Fe、等效归一化电感L_m、二次绕组的总电阻R_s。监视各信号点的 参量Mon等参量，如附图7所示。

所设参量的类型主要包括INTEGER、REAL、NAME、TOGGLE（选择变量） 等，其中Proc、Pri为整形，prtyp、Mon为TOGGLE，其他参与计算的RLC等参 量均为REAL。如要对元件内部的变量进行监视，需添加SECTION，并设置监视 条件，同时添加类型为NAME的变量名。

S5自定义元件程序代码文件编辑

用户需要在C File Associations标题栏完成自定义元件最后的建模工作。首先 应对调用时该元件的名称进行编辑，从而生成*.c文件和*.h文件等元件相关文件。 根据自定义元件的内部传递函数和逻辑结构，选择准确合理的数学算法，在准备 数据文件的*.c文件中依据CBuilder编程原则编写元件的程序代码。文件编写完 成后，点击Add Variable to H File、Add New IO Points/Parameters/Computations to  Association、Auto Assign H File Variable等按钮，并对元件进行编译Compile，将 元件执行代码集成到RTDS元件库中，从而形成最终的自定义元件，详见附图8。

除去输入、输出和元件参数外，如还需要设置滑块、按钮、监视等功能，就 需要设置该功能所对应的变量，该变量可在RUNTIME中调用；同时为监视内部 变量还需添加相关的输出信号，并在LPCT.c文件中编辑，监视信号可在RUNTIME 中显示。

在Preview标题栏中可预览自定义元件的最终外观和参数栏。LPCT自定义元 件的外观和参数栏，详见附图9。

用户需要调用自定义元件时，可在draft文件中library右击鼠标选择Add Component→User，从ULIB文件夹中选择LPCT.def文件即可。

自定义LPCT铁心线圈低功率电流互感器的内部传递函数和逻辑关系，详见 图2：

附图2中，一次电流信号i作为传感头单元（1）的输入，信号mon1作为传 感头单元（1）的输出；

信号mon1作为放大环节（2）的输入，信号mon2作为放大环节（2）的输 出；

信号mon2作为移相环节（3）的输入，信号mon3作为移相环节（3）的输 出；

信号mon3作为隔直环节（4）的输入，二次电压信号u₀作为隔直环节（4） 的输出。