一种故障限流器配置方法与流程

本发明涉及一种故障限流器配置方法，属于电力系统自动化控制技术领域。

背景技术：

随着特高压交直流电网的不断发展，电力系统网架结构趋于复杂化。电网装机容量逐渐增长和跨区互联电网输送功率不断增加，系统中短路电流不断上升，断路器动作裕度不断降低，部分地区短路电路甚至超过断路器遮断电流，极有可能造成电网故障后无法快速隔离故障，导致事故范围扩大威胁电网安全稳定运行，因此必须采取有效措施降低短路电流。

传统的电网短路电流限制技术主要有提升电压等级、电网分层分区运行、改变系统运行方式提高电网阻抗和更换高抗设备或高遮断电流断路器。这些被动型的故障电流限制措施增加了系统运行阻抗或破坏了电网结构，在交直流电网安全稳定约束对电网运行要求不断增强的现状下，被动型的电网故障电流限制措施适用性较差，增加系统运行成本，越来越不能满足实际运行要求，迫切需要新的电网故障电流限制措施和手段，能够有效降低短路电流并降低对电网安全稳定性影响。

故障限流器响应速度快，仅在电网故障期间动作，对继电保护和安全稳定影响较小，是目前理论上较为精准的限流措施。一些学者对故障限流器的配置方法进行了研究，但目前对故障限流器的配置方法没有综合考虑经济性和故障限流器的抑制效果，也没有考虑故障限流器异常的影响。因此，为推进故障限流器的实际应用，研究考虑经济性和短路电流抑制效果的故障限流器配置方式，是十分有益的，也是十分必要的。

技术实现要素：

本发明中旨在解决上述技术问题，提供一种故障限流器配置方法。

为实现上述技术目的，本发明采用了以下的技术方案：

本发明提供了一种故障限流器配置方法，包括以下步骤：

步骤一：对电网进行短路电流扫描，确定电网短路电流超标的断路器并计算其短路电流，选定需要限制短路电流的断路器；

步骤二：根据选定断路器的短路电流大小，计算各选定断路器的拒跳概率p(s,is)；根据各选定断路器的拒跳后损失负荷量ps和拒跳概率p(s,is)，计算各选定断路器的拒跳经济损失

步骤三：依次在故障限流器的布置位置试探增加配置故障限流器阻抗δz，且计算每个布置位置增加配置故障限流器阻抗δz后所有选定断路器的拒跳经济损失变化值δws^m和故障限流器的配置成本变化值

根据各个布置位置增加配置故障限流器阻抗δz后所有选定断路器的拒跳经济损失变化值计算所有选定断路器故障电流超标的损失矩阵δw^m；

根据各个布置位置增加配置故障限流器阻抗δz后故障限流器的配置成本变化值计算故障限流器配置成本矩阵δc^m；根据δw^m和δc^m计算成本敏感矩阵r^m；

步骤四：根据所述成本敏感矩阵，确定故障限流器配置最敏感的位置s^m，在位置s^m实际增加故障限流器阻抗δz，形成新的故障限流器配置方案；

重新计算当前故障限流器配置方案后各选定断路器的的短路电流，重复步骤二、步骤三和步骤四，直至选定断路器的故障电流超标的损失矩阵δw^m各行均小于ε，其中ε为损失容忍系数，则退出循环得到最终故障限流器配置方案。

在以上技术方案中，所述拒跳概率p(s,is)的计算方法为：

其中，izd为断路器遮断电流；λmax和λmin为断路器预先确定的历史故障率的最大值和最小值；si为断路器第i次开断的磨损，n为断路器的额定开断次数，m为开断额定电流时的磨损；is为故障限流器安装位置s处的断路器的断路电流。

在以上技术方案中，所述拒跳经济损失的表达式如下：

其中，a为损失调节系数，用于调节断路器拒跳风险损失和故障限流器成本调节；os为调节因子，用于调节不同母线和线路的重要性；p(s,is)为断路器拒跳概率，ps为损失负荷量。

在以上技术方案中，所述所有选定断路器故障电流超标的拒跳经济损失矩阵δw^m表达式如下：

其中，为故障限流器的布置位置s1增加布置故障限流器阻抗δz后所有选定断路器的拒跳经济损失变化值，为在布置位置s2增加布置故障限流器阻抗δz后所有选定断路器的拒跳经济损失变化值，为在布置位置s增加布置故障限流器δz后所有选定断路器的拒跳经济损失变化值；为在布置位置sk增加布置故障限流器阻抗δz后所有选定断路器的拒跳经济损失变化值。

进一步地，在布置位置s增加布置故障限流器δz后所有选定断路器的拒跳经济损失变化值的计算方法如下：

在位置s增加故障限流器阻抗δz后，断路器拒跳经济损失变化值表达式为：

其中，为短路电流为的断路器拒跳概率，为短路电流为的断路器拒跳概率；δp^m(s)为第m次循环中，在位置s增加故障限流器阻抗δz后，断路器拒跳概率变化差值；

则在位置s故障限流器增加阻抗δz，变电站整体所有选定断路器减少的损失为：

其中，为在位置s故障限流器增加阻抗δz后，选定断路器所在变电站内所有断路器的拒跳经济损失变化值之和。因为当在位置s故障限流器增加阻抗δz后所有位置的断路器的短路电流都会降低。

在以上技术方案中，所述故障限流器的配置成本变化值的计算方法为：

在位置s布置阻抗z的故障限流器，配置成本计算为：

cs＝fs+f(z)(6)，

其中，cs为故障限流器安装到位置s的成本；fs为故障限流器配置位置s时，实际现场改造的固定成本；f(z)为故障限流器本体成本；

故障限流器第m次在s位置增加阻抗δz，故障限流器的配置成本变化值为：

其中f(z+δz)为故障限流器第m次在s位置增加阻抗δz之后故障限流器本体成本。

在以上技术方案中，故障限流器配置成本矩阵δc^m计算表达式为：

其中，为在位置s1增加布置故障限流器δz的配置成本变化值，为在位置s2增加布置故障限流器δz的配置成本变化值，为在位置s增加布置故障限流器δz的配置成本变化值。为在位置sk增加布置故障限流器δz的配置成本变化值；

在以上技术方案中，根据δw^m和δc^m计算成本敏感矩阵r^m为：

考虑到故障限流器发生异常的情况，即当任意一个故障限流器发生故障后，电网中的特定断路器的故障电流不超过断路器遮断电流，在以上实施例的基础上还包括步骤五：依次取消故障限流器配置方案中的任意位置故障限流器，计算故障电流超标的损失矩阵δw^m；

如果取消任意位置故障限流器，短路电流超标的损失矩阵δw^m满足各行均小于ε，则完成故障限流器配置方案。否则，在当前位置故障限流器取消的情况下，重复步骤二、步骤三、步骤四，继续计算故障限流器配置方案。

本发明所达到的有益效果为：

1、本发明提高了故障限流器配置的经济性和科学性，保证了电网配置故障限流器后故障电流不超过断路器遮断电流，综合考虑了断路器故障电流超标的损失和故障限流器的配置成本来配置故障限流器，在保证故障限流器效果的同时使故障限流器的配置方案成本更低，经济性更好，便于推广和应用；

2、考虑到故障限流器异常的情况，本发明方法包括取消任意位置故障限流器，短路电流超标的损失矩阵δw^m满足各行均要小于ε；满足任一故障限流器异常退出后，短路故障电流仍旧不超过断路器遮断容量，增加了故障限流器配置方案的有效性和可靠性，进一步支撑了故障限流器的实际大电网应用。

附图说明

图1为本发明具体实施例实际短路电流超标位置的电网结构图；

图2为本发明具体实施例方法整体流程图；

图3为本发明具体实施例方法的详细流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图2所示，本实施例提供一种故障限流器配置方法，具体包括以下步骤：

1、对电网进行短路电流扫描，确定电网短路电流超标的断路器并计算其短路电流，选定需要限制短路电流的断路器；

具体为：

1-1)用电力系统暂态仿真工具对电网进行短路电流扫描，可使用暂态仿真工具bpa、pasap、pss/e等电力系统暂态分析工具，确认电网短路电流超标的断路器。如图1所示，某变电站内共有a条母线，母线i(i∈1,2...a)有ni条支路，变电站共有h条支路，h＝n0+n1+···+na，变电站共有o个母联断路器。在变电站内故障限流器可安装在线路出口处与母联分段位置，安装位置共有k个，其中k＝h+o，安装位置s分别为s1,s2…sk。根据实际需要选定需要限制短路电流的断路器，具体实施例中当不需要对所有短路电流超标的断路器进行电流限定时可以选择对短路电流超标的某一个或某几个断路器的电流进行限定。

2、根据选定断路器的短路电流大小，计算各选定断路器的拒跳概率p(s,is)；根据各选定断路器的拒跳后损失负荷量ps和拒跳概率p(s,is)，计算各选定断路器的拒跳经济损失在本实施例中具体包括以下：2-1)如果选定断路器的短路电流超过其遮断电流，计算各选定的该拒跳断路器的拒跳概率。

断路器的拒跳概率p(s,is)的计算方法为：

其中，is为故障限流器安装位置s处选定断路器的短路电流,izd为选定断路器的遮断电流，可通过查询断路器厂商参数获得，λmax和λmin为断路器前五年历史故障率的最大值和最小值。si为选定断路器第i次开断的磨损(由第i次开断的电流和厂商提供的参数获取)，n为断路器的额定开断次数(厂商提供的参数获取)，m为开断额定电流时的磨损(厂商提供的参数获取)。

2-2)根据各选定断路器的拒跳后损失负荷量ps和拒跳概率p(s,is)，计算各选定断路器的拒跳经济损失

断路器拒跳损失计算方法为：

若is大于或接近断路器遮断电流，存在断路器拒跳风险，发生断路器拒跳概率为p(s,is)，此时损失负荷量ps。因此在断路器安装位置s处断路器的短路电流is时可能产生负荷损失为。

其中，a为损失调节系数，用于调节断路器拒跳风险损失和故障限流器成本调节，一般a取3×10⁵～4×10⁵/mw。os为调节因子，用于调节不同母线和线路的重要性，根据负荷重要性os一般取0.5～1.5。

2-3)如果所有断路器的拒跳损失计算完成，则进行下一步骤。

3、根据各个布置位置增加配置故障限流器阻抗δz后所有选定断路器的拒跳经济损失变化值计算所有选定断路器故障电流超标的损失矩阵δw^m；

根据各个布置位置增加配置故障限流器阻抗δz后故障限流器的配置成本变化值计算故障限流器配置成本矩阵δc^m；根据δw^m和δc^m计算成本敏感矩阵r^m；

具体包括：

3-1)在任一预先选定的故障限流器的布置位置试探增加故障限流器的阻抗δz，这里并不是实际增加故障限流器的阻抗值，只是用来确定假设在特定位置增加了故障限流器的阻抗δz后选定断路器所在变电站的整个成本敏感矩阵。

3-2)使用暂态仿真工具计算电网短路电流。

3-3)计算选定的断路器的拒跳经济损失变化值，计算方法为：

由于本发明方法是依次递归确定最佳的故障限流器配置方案，可能需要循环执行n次来增加故障限流器的阻抗。当第m次故障限流器增加阻抗δz，位置s短路电流由降低为短路电流降低后的选定断路器的拒跳经济损失变化值为：

其中，为位置s短路电流为的断路器拒跳概率，为位置s短路电流为的断路器拒跳概率。δp^m(s)为第m次故障限流器增加阻抗δz后断路器拒跳概率变化差值。

则第m次在位置s故障限流器增加阻抗δz，变电站整体减少的损失为：

其中，为在位置s故障限流器增加阻抗δz，各个位置短路电流降低的选定断路器的拒跳经济损失变化值。这里的位置s是预先选定的故障限流器的安装位置。

3-4)计算故障限流器配置成本，计算方法为：

在安装置s布置阻抗z的故障限流器，配置成本计算为：

cs＝fs+f(z)

其中，cs为故障限流器安装到位置s的成本。fs为故障限流器配置位置s时，实际现场改造的固定成本，需要根据实际安装位置情况进行工程测算。一般安装至母联断路器位置成本远大于线路出口位置f(z)为故障限流器本体成本，所述故障限流器本体成本与故障限流器阻抗z相关，需要根据故障限流器技术方案进行测算。

3-5)计算配置成本变化值，计算方法为：

故障限流器第m次在s位置增加阻抗δz，故障限流器的配置成本变化值为：

如果当前位置没有配置故障限流器(z＝0)，直接使用故障限流器的配置成本计算故障限流器的配置成本变化值。如果在当前位置继续增加故障限流器阻抗(z≠0)，根据故障限流器本体配置成本差值计算故障限流器的配置成本变化值。故障限流器阻抗变化值δz一般取2～5欧姆。

3-6)如果所有位置完成增加抗值δz的计算，则进行下一步骤，否则重新计算步骤3-1)。

3-7)计算故障电流超标的损失矩阵和断路器配置成本敏感矩阵，计算方法为：

故障电流超标的损失矩阵δw^m计算为：

其中，为第m次在位置s1增加布置故障限流器δz的断路器拒跳经济损失变化值，为第m次在位置s2增加布置故障限流器δz的断路器拒跳经济损失变化值，为第m次在位置s增加布置故障限流器δz的断路器拒跳经济损失变化值。为第m次在位置sk增加布置故障限流器δz的断路器拒跳经济损失变化值。

故障限流器配置成本矩阵δc^m计算为：

其中，为第m次在位置s1增加布置故障限流器δz的配置成本变化值，为第m次在位置s2增加布置故障限流器δz的配置成本变化值变化值，为第m次在位置s增加布置故障限流器δz的配置成本变化值失变化值。为第m次在位置sk增加布置故障限流器δz的断路器拒跳经济损失变化值。

3-8)计算故障限流器成本敏感矩阵，计算方法为：

则第m次增加布置故障限流器δz的成本敏感矩阵r^m为：

4.选取成本最敏感位置的方法为：对成本敏感矩阵r^m各行进行比较，选取值最大行为成本最敏感的位置。

4-1)在成本最敏感位置实际增加故障限流器配置阻抗值δz。本发明方法仅在最敏感位置增加故障限流器配置阻抗值δz，其它位置的故障限流器阻抗不变，这样的配置方案最具经济性和限流效果。

4-2)进行短路电流扫描，重新计算当前故障限流器配置方案后各选定断路器的的短路电流，重复进行步骤2～4。如果故障限流器配置后，故障电流超标的损失矩阵各行均小于ε则，得到最终的故障限流器配置方案，即得到故障限流器配置位置和阻抗大小，其中ε为损失容忍系数，一般取2000～10000。

本发明实施例提出了一种考虑经济性和短路电流抑制效果的故障限流器方法，提高了故障限流器配置的科学性和经济性。

另一个实施例，为在以上实施例的基础上为了考虑到故障限流器发生异常的情况，即当任意一个故障限流器发生故障后，电网中的特定断路器的故障电流不超过断路器遮断电流，在以上技术方案的基础上还包括步骤五，如下：

5、取消任意故障限流器，继续计算故障限流器配置方案；

5-1)取消任意位置的故障限流器，进行故障电流扫描，计算故障电流超标的损失矩阵。

5-2)如果故障电流超标的损失矩阵各行均小于ε，则恢复当前位置故障限流器，取消下一位置故障限流器；如果故障电流超标的损失矩阵行不全小于ε，在当前位置故障限流器取消的情况下，重复步骤二、步骤三、步骤四，继续计算故障限流器配置方案，计算成本敏感矩阵r^m，选取故障限流器配置最敏感的位置s^m增加阻抗δz。

5-3)最后，增加阻抗δz后，继续进行步骤5)，直至任一位置故障限流器取消后，故障电流超标的损失矩阵各行均小于ε。

5-4)取消任意故障限流器后，进行故障电流扫描，计算故障电流超标的损失矩阵，如果故障电流超标的损失矩阵各行均小于ε，可认为短路电流不超标，当前故障限流器的实际安装位置和阻抗大小，为故障限流器的最终配置方案。

本实施例在以上实施例的基础上计算完成的故障限流器配置方案能够满足故障限流器n-1约束，即任一故障限流器异常拒动后，仍能够将短路电流抑制到断路器遮断电流以下，不仅提高了故障限流器配置的科学性和经济性，进一步支撑了故障限流器的实际大电网应用，增强了大电网的可靠性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。