技术领域
[0001] 本
发明涉及防止非同期合闸的电源快速切换方法和系统。
背景技术
[0002] 电源快速切换是现有电
力系统中为可靠供电所必不可少的方法，但是在电源快速切换过程中，异步
电动机失电后，异步电动机由电动状态变为发电状态，
母线电压由于异步电动机产生的反馈电势的存在，
频率由同步转速频率瞬变为异步转速频率，随后母线电压频率与幅值根据异步电动机固有阻尼将逐步衰减，母线残压与备用电源的相
角差逐步增大。因此切换时必须考虑反馈的母线残压与备用
电源电压间的频率差、相角差及电压差引起的
电流电压冲击问题，避免造成电源非同期合闸造成设备损坏或寿命缩短等严重后果。
[0003] 传统的电源快速切换判别方法根据快速切换装置实时测量的母线残压与备用电源电压间的频率差和相角差进行判别切换，当频率差小于定值，且相角差小于定值时，立即发合备用电源
断路器命令，执行电源快速切换，如图1所示，相角差为31.405°。所以，传统的快切判据只能根据启动时刻测量的频率与相角和备用电源的频率与相角作比较，在启动时刻一定时间内，比如15毫秒内发合备用电源断路器命令，由于断路器合闸过程需要消耗一定的时间，传统的切换方法没有考虑断路器合闸过程(最长能达到上百毫秒)时间内，即合闸动作持续时间内的残压的频率差、相角差的变化，极有可能在备用电源断路器合闸瞬间造成非同期合闸，如图2所示，合闸时刻相角差已远大于相角差定值(一般最大不大于60°，但是，图2中的相角差为88.598°)。非同期合闸将产生较大的冲击电流和电磁转矩，将对电动机产生强大的
应力，形成疲劳损耗，缩短有效使用寿命；非同期合闸也将冲击备用电源系统，影响备用电源的稳定。
发明内容
[0004] 本发明的目的是提供一种防止非同期合闸的电源快速切换方法，用以解决传统的切换方法有可能在备用电源断路器合闸瞬间造成非同期合闸的问题。本发明同时提供一种防止非同期合闸的电源快速切换系统。
[0005] 为实现上述目的，本发明的方案包括一种防止非同期合闸的电源快速切换方法，包括以下步骤：
[0006] (1)检测不同
采样时刻的母线残压的频率和相角信息，以及对应采样时刻的备用电源的频率和相角信息；
[0007] (2)根据上述频率和相角信息，断路器的动作持续时间，以及不同时刻母线残压与备用电源的频率差和相角差变化规律，预测断路器合闸时刻母线残压与备用电源的频率差和相角差，对应得到频率差预测值和相角差预测值；
[0008] (3)如果所述频率差预测值小于合闸频率差
阈值，且所述相角差预测值小于合闸相角差阈值，则控制所述断路器闭合，进行电源快速切换。
[0009] 所述预测断路器合闸时刻母线残压与备用电源的频率差和相角差包括：
[0010] 1)根据检测出的至少三个采样时刻的母线残压的频率和相角信息，以及对应采样时刻的备用电源的频率和相角信息，得到各采样时刻母线残压和备用电源的频率差和相角差；
[0011] 2)根据所述各采样时刻母线残压和备用电源的频率差和相角差，得到频率差和相角差的变化速度；
[0012] 3)根据所述频率差和相角差的变化速度，得到频率差和相角差的变化
加速度；
[0013] 4)根据所述频率差和相角差的变化速度，频率差和相角差的变化加速度以及断路器的动作持续时间，按照频率差与时间的二次曲线规律，预测出所述频率差预测值，按照相角差与时间的二次曲线规律，预测出所述相角差预测值。
[0014] 所述步骤1)中，连续检测三个采样时刻的母线残压的频率和相角信息，以及对应采样时刻的备用电源的频率和相角信息。
[0015] 所述三个采样时刻依次为第一采样时刻、第二采样时刻和第三采样时刻，频率差和相角差的变化速度的计算公式为：
[0016]
[0017]
[0018]
[0019]
[0020] 其中，t0时刻为所述第一采样时刻，t1时刻为所述第二采样时刻，t2时刻为所述第三采样时刻，Vf1为t0时刻和t1时刻之间的时间内频率差的变化速度，Vf2为t1时刻和t2时刻之间的时间内频率差的变化速度，VФ1为t0时刻和t1时刻之间的时间内相角差的变化速度，VФ2为t1时刻和t2时刻之间的时间内相角差的变化速度，Δf0＝fm0-fb0，Δf1＝fm1-fb1，Δf2＝fm2-fb2，ΔΦ0＝Φm0-Φb0，ΔΦ1＝Φm1-Φb1，ΔΦ2＝Φm2-Φb2，fm0为t0时刻母线残压的频率，Фm0为t0时刻母线残压的相角，fb0为t0时刻备用电源的频率，Фb0为t0时刻备用电源的相角，fm1为t1时刻母线残压的频率，Фm1为t1时刻母线残压的相角，fb1为t1时刻备用电源的频率，Фb1为t1时刻备用电源的相角，fm2为t2时刻母线残压的频率，Фm2为t2时刻母线残压的相角，fb2为t2时刻备用电源的频率，Фb2为t2时刻备用电源的相角；
[0021] 所述频率差和相角差的变化加速度的计算公式为：
[0022]
[0023]
[0024] 其中，af2为频率差的变化加速度，aФ2为相角差的变化加速度；
[0025] 断路器动作持续时间内变化的频率差和相角差的计算公式为：
[0026]
[0027]
[0028] 断路器合闸时刻的频率差和相角差的计算公式为：
[0029] Δf＝Δf2+Δft
[0030] ΔΦ＝ΔΦ2+ΔΦt。
[0031] 本发明还提供了一种防止非同期合闸的电源快速切换系统，包括以下模
块：
[0032]
数据采集模块，用于检测不同采样时刻的母线残压的频率和相角信息，以及对应采样时刻的备用电源的频率和相角信息；
[0033] 预测模块，用于根据上述频率和相角信息，断路器的动作持续时间，以及不同时刻母线残压与备用电源的频率差和相角差变化规律，预测断路器合闸时刻母线残压与备用电源的频率差和相角差，对应得到频率差预测值和相角差预测值；
[0034] 切换控
制模块，用于如果所述频率差预测值小于合闸频率差阈值，且所述相角差预测值小于合闸相角差阈值，则控制所述断路器闭合，进行电源快速切换。
[0035] 所述预测模块包括：
[0036] 用于根据检测出的至少三个采样时刻的母线残压的频率和相角信息，以及对应采样时刻的备用电源的频率和相角信息，得到各采样时刻母线残压和备用电源的频率差和相角差；
[0037] 用于根据所述各采样时刻母线残压和备用电源的频率差和相角差，得到频率差和相角差的变化速度；
[0038] 用于根据所述频率差和相角差的变化速度，得到频率差和相角差的变化加速度；
[0039] 用于根据所述频率差和相角差的变化速度，频率差和相角差的变化加速度以及断路器的动作持续时间，按照频率差与时间的二次曲线规律，预测出所述频率差预测值，按照相角差与时间的二次曲线规律，预测出所述相角差预测值。
[0040] 连续检测三个采样时刻的母线残压的频率和相角信息，以及对应采样时刻的备用电源的频率和相角信息。
[0041] 所述三个采样时刻依次为第一采样时刻、第二采样时刻和第三采样时刻，频率差和相角差的变化速度的计算公式为：
[0042]
[0043]
[0044]
[0045]
[0046] 其中，t0时刻为所述第一采样时刻，t1时刻为所述第二采样时刻，t2时刻为所述第三采样时刻，Vf1为t0时刻和t1时刻之间的时间内频率差的变化速度，Vf2为t1时刻和t2时刻之间的时间内频率差的变化速度，VФ1为t0时刻和t1时刻之间的时间内相角差的变化速度，VФ2为t1时刻和t2时刻之间的时间内相角差的变化速度，Δf0＝fm0-fb0，Δf1＝fm1-fb1，Δf2＝fm2-fb2，ΔΦ0＝Φm0-Φb0，ΔΦ1＝Φm1-Φb1，ΔΦ2＝Φm2-Φb2，fm0为t0时刻母线残压的频率，Фm0为t0时刻母线残压的相角，fb0为t0时刻备用电源的频率，Фb0为t0时刻备用电源的相角，fm1为t1时刻母线残压的频率，Фm1为t1时刻母线残压的相角，fb1为t1时刻备用电源的频率，Фb1为t1时刻备用电源的相角，fm2为t2时刻母线残压的频率，Фm2为t2时刻母线残压的相角，fb2为t2时刻备用电源的频率，Фb2为t2时刻备用电源的相角；
[0047] 所述频率差和相角差的变化加速度的计算公式为：
[0048]
[0049]
[0050] 其中，af2为频率差的变化加速度，aФ2为相角差的变化加速度；
[0051] 断路器动作持续时间内变化的频率差和相角差的计算公式为：
[0052]
[0053]
[0054] 断路器合闸时刻的频率差和相角差的计算公式为：
[0055] Δf＝Δf2+Δft
[0056] ΔΦ＝ΔΦ2+ΔΦt。
[0057] 本发明提供的防止非同期合闸的电源快速切换方法中，首先，检测若干个不同时刻的母线残压的频率和相角信息，以及对应采样时刻的备用电源的频率和相角信息；然后，根据得到的频率和相角信息，断路器的动作持续时间，以及不同时刻母线残压与备用电源的频率差和相角差变化规律，预测断路器合闸时刻，即断路器合闸瞬间，母线残压与备用电源的频率差和相角差，如果预测得到的在断路器合闸瞬间，母线残压与备用电源之间的频率差小于设定的合闸频率差阈值，且母线残压与备用电源之间的相角差小于设定的合闸相角差阈值，控制断路器闭合，进行电源的切换。所以，通过该方法能够预测出在断路器合闸瞬间母线残压与备用电源之间的频率差和相角差，并且直接利用断路器合闸瞬间母线残压与备用电源之间的频率差和相角差来进行合闸判断，如果这个时刻的频率差小于设定频率差阈值，且相角差小于设定相角差阈值，那么，表示在断路器合闸瞬间进行电源快速切换的话，不会出现非同期合闸的情况，因此，该方法能够避免出现在备用电源断路器合闸瞬间造成非同期合闸的情况，防止厂用电母线上的异步电动机(发电状态)与备用电源的非同期合闸，也就不会产生因非同期合闸造成的较大冲击电流和电磁转矩，不会对电动机产生强大的应力以及形成的疲劳损耗，延长了有效使用寿命。同时，避免因非同期合闸而对备用电源系统造成的冲击，保证了备用电源的稳定，避免对设备造成损坏。因此，带有预测功能的快速切换方法成为快切技术中安全可靠的重要一个环节，保证了电力系统的稳定与电力设备的安全。另外，该方法的实现不需增加额外的
硬件设备，不会对原有的平台提出更高的要求，可以在原有的设备平台上实现，实现
门槛较低，便于推广使用。
附图说明
[0058] 图1是传统快切装置发合备用断路器命令时刻相角差仿真图；
[0059] 图2是传统快切装置备用断路器合上时刻的相角差仿真图；
[0060] 图3是本发明提供的电源快速切换方法和现有方法的比对图。
具体实施方式
[0061] 防止非同期合闸的电源快速切换方法
实施例[0062] 本发明提供的一种防止非同期合闸的电源快速切换方法，整体上包括以下步骤：
[0063] (1)检测不同采样时刻的母线残压的频率和相角信息，以及对应采样时刻的备用电源的频率和相角信息；
[0064] (2)根据上述频率和相角信息，断路器的动作持续时间，以及不同时刻母线残压与备用电源的频率差和相角差变化规律，预测断路器合闸时刻母线残压与备用电源的频率差和相角差，对应得到频率差预测值和相角差预测值；
[0065] (3)如果频率差预测值小于合闸频率差阈值，且相角差预测值小于合闸相角差阈值，则控制断路器闭合，进行电源快速切换。
[0066] 以下结合具体技术手段对上述各步骤进行详细说明。
[0067] 第一步：
[0068] 检测不同采样时刻的母线残压的频率和相角信息，以及对应采样时刻的备用电源的频率和相角信息。由于通常情况下，在数据采集时，根据采样周期进行采集，相邻两次数据采样时刻相隔一个采样周期。那么，在采集母线残压的频率和相角信息，以及备用电源的频率和相角信息时，任两个采样时刻之间相隔一个采样周期，而采样周期的长短根据实际需要进行设定。并且，采样时刻的个数，即采集多少次数据，是根据实际要求进行设定的，以能够实现预测出断路器合闸时刻母线残压与备用电源的频率差和相角差为准(由于后文中需要计算加速度，因此，采样时刻的个数最少得是3)，比如：如果采样时刻的个数是4个，即检测4个不同采样时刻的母线残压的频率和相角信息，以及4个对应采样时刻的备用电源的频率和相角信息，能够实现预测出断路器合闸时刻母线残压与备用电源的频率差和相角差，那么，采样时刻的个数就可以为4。本实施例中，采样时刻的个数是3个，即连续检测三个采样时刻的相应频率和相角信息。
[0069] 这三个采样时刻依次为第一采样时刻、第二采样时刻和第三采样时刻，设定：t0时刻为第一采样时刻，t1时刻为第二采样时刻，t2时刻为第三采样时刻。t0时刻早于t1时刻一个采样周期，t1时刻早于t2时刻一个采样周期，如果设定t2时刻为当前时刻的话(即断路器开始动作的时刻)，那么，t1时刻就是当前时刻前一周期的时刻，t0时刻就是当前时刻前两周期的时刻。
[0070] 那么，检测的频率和相角信息就有：t0时刻母线残压的频率fm0，t0时刻母线残压的相角Фm0，t0时刻备用电源的频率fb0，t0时刻备用电源的相角Фb0。t1时刻母线残压的频率fm1，t1时刻母线残压的相角Фm1，t1时刻备用电源的频率fb1，t1时刻备用电源的相角Фb1。t2时刻母线残压的频率fm2，t2时刻母线残压的相角Фm2，t2时刻备用电源的频率fb2，t2时刻备用电源的相角Фb2。上述各数据均能够根据相关设备检测出，这部分属于常规技术，这里就不再具体说明。
[0071] 第二步：
[0072] 根据各频率和相角信息，断路器的动作持续时间，以及不同时刻母线残压与备用电源的频率差和相角差变化规律(本实施例中，该规律是频率差与时间的二次曲线规律，相角差与时间的二次曲线规律)，预测断路器合闸时刻母线残压与备用电源的频率差和相角差。也就是说，第二步是预测步骤，根据检测的各数据以及备用电源断路器的动作持续时间t预测断路器合闸时刻，即断路器合闸瞬间，母线残压与备用电源的频率差和相角差。本实施例给出以下一种预测过程，当然，本发明并不局限于下述实施方式。
[0073] 1)根据上述检测出的各频率和相角信息计算得到各采样时刻的母线残压和备用电源的频率差和相角差，计算公式为：
[0074] Δf0＝fm0-fb0
[0075] Δf1＝fm1-fb1
[0076] Δf2＝fm2-fb2
[0077] ΔΦ0＝Φm0-Φb0
[0078] ΔΦ1＝Φm1-Φb1
[0079] ΔΦ2＝Φm2-Φb2
[0080] 其中，Δf0为t0时刻母线残压与备用电源的频率差，Δf1为t1时刻母线残压与备用电源的频率差，Δf2为t2时刻母线残压与备用电源的频率差，ΔΦ0为t0时刻母线残压与备用电源的相角差，ΔΦ1为t1时刻母线残压与备用电源的相角差，ΔΦ2为t2时刻母线残压与备用电源的相角差。
[0081] 2)根据得到的各频率差和相角差计算频率差和相角差的变化速度，计算公式如下：
[0082]
[0083]
[0084]
[0085]
[0086] 其中，Vf1为t0时刻和t1时刻之间的时间内频率差的变化速度，Vf2为t1时刻和t2时刻之间的时间内频率差的变化速度，VФ1为t0时刻和t1时刻之间的时间内相角差的变化速度，VФ2为t1时刻和t2时刻之间的时间内相角差的变化速度。
[0087] 3)根据得到的变化速度得到频率差和相角差的变化加速度，计算公式如下：
[0088]
[0089]
[0090] 其中，af2为频率差的变化加速度，aФ2为相角差的变化加速度。
[0091] 4)根据变化速度、变化加速度以及备用电源断路器的动作持续时间t按照二次曲线规律计算断路器动作持续时间t内频率差和相角差的变化量，计算公式如下：
[0092]
[0093]
[0094] 计算断路器合闸时刻的频率差和相角差，计算公式如下：
[0095] Δf＝Δf2+Δft
[0096] ΔΦ＝ΔΦ2+ΔΦt
[0097] 第三步：
[0098] 该步骤是电源快速切换控制步骤，根据第二步预测得到的断路器合闸时刻的频率差和相角差进行切换控制，具体合闸逻辑为：如果断路器合闸时刻的频率差小于设定的合闸频率差阈值，且断路器合闸时刻的相角差小于设定的合闸相角差阈值，那么，控制备用电源断路器闭合，进行电源快速切换。
[0099] 即：Δf＜Δfop及ΔΦ＜ΔΦop同时满足时，发合备用电源断路器命令。其中，Δfop为设定的合闸频率差阈值，ΔΦop为设定的合闸相角差阈值。
[0100] 综上所述，通过对母线残压和备用电源的频率、相角的实时测量，计算母线残压和备用电源的频率差、相角差的变化速度和加速度，充分考虑母线残压的衰减过程，模拟母线残压的衰减规律，预测在备用电源断路器合闸时刻，母线残压与备用电源之间的频率差、相角差，防止在备用电源断路器在合闸瞬间，母线残压与备用电源的非同期合闸。图3是本发明提供的电源快速切换方法和现有方法的比对图。
[0101] 上述实施例中，频率差和相角差满足二次曲线规律，二次函数已经满足快速切换
精度要求，所以，上述实施例只是以最典型的二次曲线为例进行说明，当然，本发明并不局限于二次曲线。
[0102] 以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述电源快速切换方法，并不局限于该方法中各步骤的具体实现手段，在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、
修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。
[0103] 防止非同期合闸的电源快速切换系统实施例
[0104] 本实施例提供一种防止非同期合闸的电源快速切换系统，包括以下模块：
[0105] 数据采集模块，用于检测不同采样时刻的母线残压的频率和相角信息，以及对应采样时刻的备用电源的频率和相角信息；
[0106] 预测模块，用于根据上述频率和相角信息，断路器的动作持续时间，以及不同时刻母线残压与备用电源的频率差和相角差变化规律，预测断路器合闸时刻母线残压与备用电源的频率差和相角差，对应得到频率差预测值和相角差预测值；
[0107] 切换
控制模块，用于如果频率差预测值小于合闸频率差阈值，且相角差预测值小于合闸相角差阈值，则控制断路器闭合，进行电源快速切换。
[0108] 其中，数据采集模块可以理解为是用于实现相关功能的硬件结构。除了数据采集模块之外，该系统的其他组成部分与电源快速切换方法的相关步骤一一对应，这些组成部分可以理解为实现对应步骤所必须建立的功能模块。所以，该系统本质上仍旧是电源快速切换方法，其保护范围与方法的保护范围相同。由于上述方法实施例中已对电源快速切换方法做出了详细地描述，本实施例就不再具体说明。
