一种基于短路电流综合信息的故障限流器投入控制方法与流程

本发明属于电力系统领域，涉及故障限流器的控制技术领域，具体涉及一种用于故障限流器的投入控制方法。

背景技术：

随着互联电网扩大，短路电流水平持续攀升，断路器开断能力及设备动热稳定性不足的隐患凸显，严重威胁电力系统安全可靠运行。针对上述问题，装设故障限流器是一种比较经济、简便和可行的解决方法。故障限流器的类别众多，从技术可能性与经济性等方面考虑，基于常规电气设备的电弧电流转移型限流器的实际应用价值较高。此类限流器主要装设于高压和超高压电网，在检测到故障后，需判别其严重程度，以决定是否投入。由于输电网含有分布的感性、阻性和容性元件，在短路故障发生后，起始阶段电流包含有工频分量和丰富的暂态分量，增加了故障程度判别和限流器投入控制的难度。

目前，故障限流器投入控制的相关研究很少，实际现场普遍采用短路电流工频分量幅值作为故障程度的判别依据，常用提取方法有傅氏算法、最小二乘算法和谱分析方法等。上述方法受故障点电压相角、数据窗长和采样频率等因素的影响，难以兼顾快速判别和准确控制。暂态分量蕴含故障类型、位置、方向、持续时间等信息，利用其反映故障程度，具有速度快且抗ta饱和影响等优点，常用提取方法有小波变换和希尔伯特变换等。上述方法所提取的目标与故障点电压相角具有显著关联性，相角具有随机性，故仅使用暂态分量作为唯一依据也难以保证控制的准确性。

技术实现要素：

为解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种快速可靠的基于短路电流综合信息的故障限流器投入控制方法，能够免疫于故障点电压相角等因素对单一判据的影响，且能够实现在超短数据窗(2.5ms)内快速判别和准确控制，有力保障电力系统的安全稳定运行。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

步骤①：当故障启动模块启动后，通过电流互感器采集线路保护安装处的故障电流if(t)；

步骤②：利用小波变换算法，提取故障电流if(t)的低频能量εl和高频能量εh；

具体实现方法如下：

a.选定小波母函数对其进行伸缩变换及平移变换，得到小波基函数即

其中，t为时间，a为伸缩因子，b为平移因子，r为实数集，为对进行伸缩变换及平移变换的结果；

b.根据式(1)构造关于故障电流if(t)的连续小波变换wf(b,a)，即

其中，为的共轭；

c.根据式(2)的离散形式，选定分解层数n，求解出一个低频近似分量ψ0和n个高频细节分量ψ1,...,ψn，并由其提取低频能量εl和高频能量εh，即

其中，t1和t2分别代表数据窗长的起点和终点，ψi代表被选取的第i个高频细节分量，m代表选取个数；

步骤③：判断高频能量εh是否超过阈值e，若超过，则判定为严重故障，进入步骤⑨；若未超过，则进入步骤④；

步骤④：对故障电流if(t)进行一阶差分滤波，滤除直流分量；

步骤⑤：利用改进的小矢量算法，辨识电流信号的工频分量幅值i；

具体实现方法如下：

a.设定每个采样周期包含q个小矢量，对于首个小矢量其实部和虚部分别为：

其中，n为周波包含的采样点数，k为小矢量包含的采样点数，i[k]代表电流第k个采样值；

b.给定任意正弦信号，在0°初相角和90°初相角时，根据式(5)计算首个小矢量的实部、虚部，结果记为aarry，基于全周傅氏算法计算相量的实部、虚部，结果记为aarry：

其中，每个矩阵的第1、2列分别对应代表0°初相角、90°初相角，矩阵第1、2行分别对应实部、虚部；

c.根据式(6)的结果，计算转换矩阵karry：

d.根据式(7)的结果，将首个小矢量的实部和虚部转换为工频量的实部yr和虚部yi；

e.根据式(8)的结果，计算工频分量幅值i，并进行补偿；

步骤⑥：判断工频分量幅值i是否超过阈值i1，若超过，则判定为严重故障，进入步骤⑨；若未超过，则进入步骤⑦；

步骤⑦：判断工频分量幅值i是否超过阈值i2，若超过，则进入步骤⑧；若未超过，则判定为轻微故障，无需投入限流器，等待继电保护等设备进一步动作；

步骤⑧：判断高频能量εh和低频能量εl之比εh/εl是否超过阈值r，若超过，则判定为严重故障，进入步骤⑨；若未超过，则判定为轻微故障，无需投入限流器，等待继电保护装置及开关设备进一步动作；

步骤⑨：投入限流器，保证设备的动热稳定性，并辅助断路器开断短路电流，等待继电保护装置及开关设备清除故障。

优选地，步骤⑥所述的阈值i1设定为35ka。

优选地，步骤⑦所述的阈值i2设定为30ka。

本发明和现有技术相比较，具备如下优点：

1、本发明方法基于包含工频分量、高频能量和低频能量在内的综合信息来判别短路故障的严重程度，进而快速并准确地确定是否投入故障限流器。对于传统的判别方法，若仅依据工频分量，故障电压相角过大将导致显著正误差，难以避免限流器“误投”；若仅依据暂态能量(高频能量和低频能量)，故障电压相角过小将导致无法提取，难以避免限流器“拒投”。由此，针对故障电压相角的随机性，多判据融合能防止因单一判据提取不准确而造成的误判，避免因断路器开断能力不足及设备动热稳定性破坏对系统运行形成的威胁。

2、能够实现在超短数据窗(2.5ms)内快速判别和准确控制，有力保障电力系统的安全稳定运行。

附图说明

图1是适用于本发明方法的一种输电系统模型图。

图2是适用于本发明方法的一种故障限流器拓扑图。

图3是实现本发明方法的流程图。

图4是单回线路发生单相接地故障后电流波形。

图5是故障限流器动作示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，给出了330kv双端输电系统仿真模型，单台发电机的容量为2200mv·a，单台变压器的容量为2200mv·a，变比为330/20，单条母线的负荷为(1600+j400)mv·a，单回线路的长度为100km，正序阻抗为(3.63+j50.03)ω，零序阻抗为(37.96+j132.78)ω。

如图2所示，给出了电弧电流转移型限流器结构拓扑，虚线部分为限流器主体，由测控单元、快速开关和限流电抗器组成。系统正常运行时，快速开关闭合，损耗近似为零；当测控单元检测到短路并判别为严重故障时，则控制快速开关断开，投入电抗器，限制短路电流。

当单回线路距离母线20km处，在100ms时发生a相接地短路故障时，利用本发明提供的方法可以准确快速控制故障限流器投入。如图3所示，包括以下步骤：

步骤①：当故障启动模块启动后，通过电流互感器采集线路保护安装处的故障电流if(t)，如图4a相所示；

步骤②：利用小波变换算法，提取故障电流if(t)的低频能量εl和高频能量εh；

具体实现方法如下：

a.选定小波母函数对其进行伸缩变换及平移变换，得到小波基函数即

其中，t为时间，a为伸缩因子，b为平移因子，r为实数集，为对进行伸缩变换及平移变换的结果。

b.根据式(1)构造关于故障电流if(t)的连续小波变换wf(b,a)，即

其中，为的共轭。

c.根据式(2)的离散形式，选定分解层数n，求解出一个低频近似分量ψ0和n个高频细节分量ψ1,...,ψn，并由其提取低频能量εl和高频能量εh，即

其中，t1和t2分别代表数据窗长的起点和终点，ψi代表被选取的第i个高频细节分量，m代表选取个数。

本实施例选定小波基为db4小波，分解层数n为6，数据窗t1～t2为故障初期2.5ms，选取高频细节分量个数m为6，即ψ1,ψ2,ψ3,ψ4,ψ5,ψ6均参与提取，得到低频能量εl为270.40ka²·ms，高频能量εh为0.62ka²·ms。

步骤③：判断高频能量εh是否超过阈值e，若超过，则判定为严重故障，进入步骤⑨；若未超过，则进入步骤④；

本实施例设定阈值e为0.8ka²·ms，判断高频能量εh＝0.62ka²·ms未超过，需进入步骤④。

步骤④：对故障电流if(t)进行一阶差分滤波，滤除直流分量；

步骤⑤：利用改进的小矢量算法，辨识电流信号的工频分量幅值i；

具体实现方法如下：

a.设定每个采样周期包含q个小矢量，对于首个小矢量其实部和虚部分别为：

其中，n为周波包含的采样点数，k为小矢量包含的采样点数，i[k]代表电流第k个采样值。

b.给定任意正弦信号，在0°初相角和90°初相角时，根据式(5)计算首个小矢量的实部、虚部，结果记为aarry，基于全周傅氏算法计算相量的实部、虚部，结果记为aarry：

其中，每个矩阵的第1、2列分别对应代表0°初相角、90°初相角，矩阵第1、2行分别对应实部、虚部。

c.根据式(6)的结果，计算转换矩阵karry：

d.根据式(7)的结果，将首个小矢量的实部和虚部转换为工频量的实部yr和虚部yi；

e.根据式(8)的结果，计算工频量的幅值i，并进行补偿；

本实施例选定每个采样周期包含小矢量个数q为4，对于首个小矢量数据窗也为故障初期2.5ms，经过提取，得到工频分量幅值i为38.47ka。

步骤⑥：判断工频分量幅值i是否超过阈值i1，若超过，则判定为严重故障，进入步骤⑨；若未超过，则进入步骤⑦；

本实施例设定阈值i1为35ka，判断工频分量幅值i＝38.47ka超过，则判定为严重故障，进入步骤⑨；

步骤⑨：投入限流器，保证设备的动热稳定性，并辅助断路器开断短路电流，等待继电保护装置及开关设备清除故障。

本实施例在故障电流过零时刻，即114ms时投入限流器，将短路电流工频分量幅值限制在20ka以下，等待继电保护装置及开关设备清除故障，如图5所示。