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1、(10)申请公布号 CN 102968519 A(43)申请公布日 2013.03.13CN102968519A*CN102968519A*(21)申请号 201210390289.3(22)申请日 2012.10.15G06F 17/50(2006.01)(71)申请人广东电网公司电力科学研究院地址 510080 广东省广州市东风东路水均岗8号(72)发明人胡玉岚 安然然 王奕 李田刚张健 罗航 梅成林(74)专利代理机构广州知友专利商标代理有限公司 44104代理人周克佑(54) 发明名称电力系统中空心线圈电子式电流互感器模型及其建模方法(57) 摘要本发明公开了一种电力系统中空心线圈电子。
2、式电流互感器模型及其建模方法，该空心线圈电子式电流互感器模型用均匀绕在一个非磁性的骨架上的空心线圈，根据电磁感应原理获取正比于一次电流的弱电压信号，具有无磁饱和、频率响应范围宽、精度高、暂态特性好，有利于新型保护原理的实现及提高保护性能，该空心线圈电子式电流互感器模型的主要环节包括传感头单元、积分单元、放大单元、相位补偿单元，该系统模型建模基于RTDS系统中CBuilder开发环境的空心线圈电子式电流互感器，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。本发明同时公开该空心线圈电子式电流互感器模型的建模方法。(51)Int.Cl.权利要求书2页 说明书6页 附图6页(19)中华人民共和。
3、国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书 2 页 说明书 6 页 附图 6 页1/2页21.电力系统中空心线圈电子式电流互感器模型，用均匀绕在一个非磁性的骨架上的空心线圈，根据电磁感应原理获取正比于一次电流的弱电压信号，空心线圈输出信号是正比于一次电流的微分信号，所述的空心线圈电子式电流互感器模型包括如下单元：（1）传感头单元传感头是获取一次电流信号的部件，在整个电子式互感器中，传感头相当于信号源，该传感头单元的传递函数为：其中，式中：M为罗氏线圈的互感；R0为罗氏线圈的内阻；L0为罗氏线圈的自感；C0为罗氏线圈的匝间电容；RL为负载的等效电阻；0为固有振荡频率；为固有振荡频率；为阻尼系。
4、数；将二阶传递函数分解为两个微分环节和一个增益环节，传感头单元传递函数转化为：其中，式中：T1为第一微分环节时间常数；T2为第一惯性环节时间常数；K3为第一放大环节增益；（2）积分单元传感头输出电压与一次电流存在微分关系，需外加积分处理环节将信号进行还原，使得该信号与一次电流成正比关系，此工作状态称为外积分状态，该积分单元的输出函数权 利 要 求 书CN 102968519 A2/2页3为：式中：Ri为积分环节的电阻；Ci为积分环节的电容；TiRiCi为积分环节的时间常数；（3）放大单元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进行放大，放大单元的传递函数是一个常数，即。
5、放大倍数KO；（4）相位补偿单元经过积分环节电路处理后，二次信号与一次信号还是有一定的相位差，需要相位补偿单元补偿相位，该相位补偿单元的传递函数为：式中：Rp为相位补偿单元的电阻；Cp为相位补偿单元的电容；TpRpCp为积分环节的时间常数。2.权利要求1所述的电力系统中空心线圈电子式电流互感器模型的建模方法，该建模方法基于电力系统RTDS/CBuilder软件，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）建立自定义元件调用文件；（2）自定义元件外观设计；（3）自定义元件I/O接口设计；（4）自。
6、定义元件参数设置；（5）自定义元件程序代码文件编辑；（6）建立权利要求1所得到的空心线圈电子式电流互感器模型。权 利 要 求 书CN 102968519 A1/6页4电力系统中空心线圈电子式电流互感器模型及其建模方法技术领域0001 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空心线圈电子式电流互感器模型及其建模方法。背景技术0002 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。
7、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。0003 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。
8、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5080s。0004 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。
9、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。0005 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。0006 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。
10、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说 明 书CN 102968519 A2/6页5修改模型、参数及其计算代码。0007 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。
11、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：0008 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。0009 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。0010 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。0011 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。
12、序和UD计算程序的验证不足。0012 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：0013 1、采用直接嵌入方式利用Fortran编写。
13、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。0014 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0015 本发明的目的之一是提供一种电力系统中空心线圈电子式电流互感器模型，该。
14、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。0016 本发明解决上述技术问题采用如下的技术方案：一种电力系统中空心线圈电子式电流互感器模型，其特征在于：用均匀绕在一个非磁性的骨架上的线圈，根据电磁感应原理获取正比于一次电流的弱电压信号，具有无磁饱和、频率响应范围宽、精度高、暂态特性好，有利于新型保护原理的实现及提高保护性能，空心线圈输出信号是正比于一次电流的微分信号，需要积分电路积分还原，空心线圈电子式电流互感器模型的结构框图如图1，所述空心线圈电子式电流互感器模型包括如下单元：说 明 书CN 102968519 A3/6页60017 。
15、（1）传感头单元0018 传感头是获取一次电流信号的部件，在整个电子式互感器中，传感头相当于信号源，该传感头单元的传递函数为：0019 0020 其中，0021 式中：M为罗氏线圈的互感；0022 R0为罗氏线圈的内阻；0023 L0为罗氏线圈的自感；0024 C0为罗氏线圈的匝间电容；0025 RL为负载的等效电阻；0026 0为固有振荡频率；0027 为固有振荡频率；0028 为阻尼系数；0029 将二阶传递函数分解为两个微分环节和一个增益环节，传感头单元传递函数转化为：0030 0031 其中，0032 式中：T1为第一微分环节时间常数；0033 T2为第一惯性环节时间常数；0034 K。
16、3为第一放大环节增益；0035 （2）积分单元0036 传感头输出电压与一次电流存在微分关系，需外加积分处理环节将信号进行还说 明 书CN 102968519 A4/6页7原，使得该信号与一次电流成正比关系，此工作状态称为外积分状态，该积分单元的输出函数为：0037 0038 式中：Ri为积分环节的电阻；0039 Ci为积分环节的电容；0040 Ti=RiCi为积分环节的时间常数；0041 （3）放大单元0042 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进行放大，放大单元的传递函数是一个常数，即放大倍数K0；0043 （4）相位补偿单元0044 经过积分环节电路处理后。
17、，二次信号与一次信号还是有一定的相位差，需要相位补偿单元补偿相位，该相位补偿单元的传递函数为：0045 0046 式中：Rp为相位补偿单元的电阻；0047 Cp为相位补偿单元的电容；0048 Tp=RpCp为积分环节的时间常数。0049 根据以上空心线圈电子式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空心线圈电子式电流互感器模型进行建模，建模步骤如下：0050 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。
18、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。0051 S1建立自定义元件调用文件0052 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，对于空心线圈电子式电流互感器来讲可建立ROCT.def，并保存于ULIB文件夹下，便于仿真时自定义元件的调用。0053 S2自定义元件外观设计0054 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。
19、。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ROCT自定义元件外观进行设置的界面详见附图5。0055 S3自定义元件I/O接口设计0056 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。说 明 书CN 102968519 A5/6。
20、页80057 由附图6可知，在ROCT自定义元件中，共有一个输出信号u0和一个输入信号i。0058 S4自定义元件参数设置0059 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。0060 对于控制元件ROCT自定义模型，还需要设置罗氏线圈的互感M、罗氏线圈的内阻R0、罗氏线圈的自感L0、罗氏线圈的匝间电容C0、负载的等效电阻R。
21、L、积分环节的电阻Ri、积分环节的电容Ci、放大单元倍数K0、相位补偿单元的电阻Ri、相位补偿单元的电容Ci、监视各信号点的参量Mon等参量，如附图7所示。0061 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。0062 S5自定义元件程序代码文件编辑0063 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。
22、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 toAssociation、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。0064 除去输入、输出和元件参数外，如还。
23、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ROCT.c文件中编辑，监视信号可在RUNTIME中显示。0065 在Preview标题栏中可预览自定义元件的最终外观和参数栏。ROCT自定义元件的外观和参数栏，详见附图9。0066 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AddComponentUser，从ULIB文件夹中选择ROCT.def文件即可。0067 自定义ROCT空心线圈电子式电流互感器的内部传递函数和逻辑关系，详见图2：0068 附图2中，一次电流信号i作为。
24、第一微分环节元件（1）的输入，信号mon1作为第一惯性环节元件（1）的输出；0069 信号mon1作为第一惯性环节（2）的输入，信号mon2作为第一惯性环节（2）的输出；0070 信号mon2作为第一放大环节（3）的输入，信号mon3作为第一放大环节（3）的输出；0071 信号mon3作为第二惯性环节（4）的输入，信号mon4作为第二惯性环节（4）的输出；0072 信号mon4作为第二放大环节（5）的输入，信号mon5作为第二放大环节（5）的输出；说 明 书CN 102968519 A6/6页90073 信号mon5作为第二微分环节元件（6）的输入，信号mon6作为第二微分环节元件（6）的输出。
25、；0074 信号mon5作为第三惯性环节（7）的输入，信号mon7作为第二微分环节（7）的输出；0075 信号mon6、mon7作为第一加法器（8）的第一、第二输入，二次电压信号u0作为第一加法器单元（8）的输出；0076 有益效果：本申请中提出一种基于电力系统仿真软件自定义建模的空心线圈电子式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。
26、PB5、GPC等处理器板卡的强大计算能力，可以保证所创建的空心线圈电子式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0077 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：0078 图1为本发明空心线圈电子式电流互感器的各个物理环节；0079 图2为本发明空心线圈电子式电流互感器的内部传递函数和逻辑结构；0080 图3为本发明的自定义元件模型建模流程；0081 图4为本发明的进入CBuilder编辑界面；0082 图5为本发明基于CBuilder的自定义元件外观绘制界面；0083 图6为本发明基于CBuilder的自定义元件输入输出点编辑界面；0084 图7为本发明基于CBuilder的自定义元件内部参量编辑界面；0085 图8为本发明基于CBuilder的自定义元件用于用户编辑的C文件设置界面；0086 图9为本发明基于CBuilder的自定义元件空心线圈电子式电流互感器ROCT预览界面。说 明 书CN 102968519 A1/6页10图1图2说 明 书 附 图CN 102968519 A10。