配電網(wǎng)物理仿真系統(tǒng)柔性故障發(fā)生裝置

林奧林 郭謀發(fā) 高 偉 黃建業(yè)

（1. 福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，福州 350108;2. 國網(wǎng)福建省電力有限公司電力科學(xué)研究院，福州 350007）

配電網(wǎng)物理仿真系統(tǒng)柔性故障發(fā)生裝置

林奧林1郭謀發(fā)1高 偉1黃建業(yè)2

（1. 福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，福州 350108;2. 國網(wǎng)福建省電力有限公司電力科學(xué)研究院，福州 350007）

為解決配電網(wǎng)物理仿真系統(tǒng)故障發(fā)生裝置存在機械觸頭彈跳和故障初相角不可控的不足，本文提出了基于柔性控制的故障發(fā)生裝置設(shè)計思路。該裝置經(jīng)過零比較器檢測物理仿真系統(tǒng)線電壓相角，通過控制晶閘管開通時刻實現(xiàn)故障初相角的精確控制。利用晶閘管微秒級導(dǎo)通速度以及良好的動態(tài)性能，改善裝置故障初相角控制精度并提高其模擬故障與實際故障的暫態(tài)擬合效果。配電網(wǎng)物理仿真系統(tǒng)的實物驗證結(jié)果與PSCAD/EMTDC的等效仿真分析表明，該裝置能夠較好地保留故障發(fā)生過程的暫態(tài)特性，且具備較高的初相角控制精度。

配電網(wǎng)；物理仿真；柔性控制；故障發(fā)生；故障初相角

配電網(wǎng)物理仿真系統(tǒng)是根據(jù)相似性原理建立的等效仿真模型，能夠反映配電網(wǎng)在故障時真實的物理特性[1-2]。故障模擬實驗可采集并分析配電網(wǎng)故障時的暫態(tài)信號，有助于認識配電網(wǎng)故障暫態(tài)特性，故障發(fā)生裝置是該實驗的主要設(shè)備之一。

傳統(tǒng)配電網(wǎng)物理仿真系統(tǒng)的故障發(fā)生裝置一般采用接觸器或者斷路器作為動作開關(guān)用于故障生成。常見機械開關(guān)動作離散時間為1ms左右，對應(yīng)于50Hz交流電壓角度誤差約為18°，不能實現(xiàn)故障初相角的精確控制[3]。此外，接觸器和斷路器均屬于機械開關(guān)，合閘過程難免產(chǎn)生觸頭彈跳引起較大的尖峰電流[4]，特別在模擬單相接地故障時，故障電流較小，尖峰電流對暫態(tài)特性的影響更加明顯，無法真實地再現(xiàn)故障波形的暫態(tài)過程。

對于中性點非有效接地的配電網(wǎng)而言，發(fā)生單相接地故障瞬間，流過故障點短路電流的幅值和頻率主要由暫態(tài)電容電流決定。故障發(fā)生在相電壓過零（? =0）時，暫態(tài)電容電流最小。而故障發(fā)生在相電壓峰值（? =π/2）時，暫態(tài)電容電流最大[5-7]。由以上分析可知，不同故障初相角對應(yīng)不同暫態(tài)波形，為更好地對接地短路故障進行研究，要求設(shè)計的故障發(fā)生裝置具備故障初相角可控的功能，故需要進一步提高動作開關(guān)的時間控制精度[8-9]。

本文提出一套基于晶閘管的柔性故障發(fā)生裝置的設(shè)計思路，使用電力電子器件作為動作開關(guān)，將動作離散時間降低到微秒級，從而實現(xiàn)故障初相角的準(zhǔn)確控制。同時晶閘管動態(tài)特性良好，導(dǎo)通過程無機械開關(guān)觸頭彈跳現(xiàn)象所引起的尖峰電流[10-11]，提高模擬故障暫態(tài)過程與實際故障暫態(tài)過程相似度。

研究柔性故障發(fā)生裝置的硬件實現(xiàn)及其控制策略，在已搭建的配電網(wǎng)物理仿真系統(tǒng)中進行故障生成實驗。對物理仿真與PSCAD/EMTDC軟件仿真結(jié)果進行比較分析，驗證該裝置能較好地模擬短路故障的暫態(tài)過程。

1 系統(tǒng)設(shè)計

柔性故障發(fā)生裝置適用于1kV以下電壓等級配電網(wǎng)物理仿真系統(tǒng)，其控制模塊及基本結(jié)構(gòu)如圖 1所示。接入方式為串聯(lián)或并聯(lián)于一次側(cè)的母線或者線路單元中。

圖1 系統(tǒng)框圖

裝置一次側(cè)晶閘管組拓撲如圖 2所示。SCRx代表晶閘管，正常工作狀態(tài)為SCR1至SCR3閉合，SCR4至SCR11斷開。通過控制晶閘管的驅(qū)動信號模擬母線或線路各類故障的發(fā)生，主要包括單相接地、兩相短路、三相短路、斷線等。同時在接地點前設(shè)置拉弧裝置，模擬弧光接地故障的發(fā)生。

2 硬件設(shè)計

2.1 主電路設(shè)計

柔性故障發(fā)生裝置主要由MCU、電壓過零比較器、驅(qū)動電路、雙向晶閘管及拉弧裝置組成。

圖2 柔性故障發(fā)生裝置一次側(cè)晶閘管組拓撲圖

該裝置通過以太網(wǎng)模塊接收故障實驗指令，根據(jù)通信協(xié)議對命令進行解析，獲取故障類型和故障初相角。解析故障命令完成后，開啟 MCU引腳的外部中斷，經(jīng)過零比較器檢測電壓零相角時刻，考慮其濾波電路的相角滯后因素，引入一定量的時間修正，并將特定的故障初相角換算為定時器裝載值。計時完成后發(fā)驅(qū)動信號，控制相應(yīng)的雙向晶閘管導(dǎo)通，實現(xiàn)柔性故障生成。

故障發(fā)生裝置作為故障的控制器件，要求控制開關(guān)即雙向晶閘管在故障電流下能夠穩(wěn)定工作，則晶閘管參數(shù)選擇尤為重要，雙向晶閘管通常用在交流回路，其額定電流不同于一般電力電子器件通常以有效值表示。晶閘管通流能力越大其成本越高，為節(jié)約成本，三相短路及兩相短路僅在首端進行，而末端SCR7至SCR9配合SCR1至SCR3實現(xiàn)首端斷線末端接地的故障類型，模擬實際配電網(wǎng)架空線路斷線后末端垂入大地的情況。

根據(jù)配電網(wǎng)物理仿真系統(tǒng)的模型計算，得到系統(tǒng)最大三相短路電流，兩相接地最大短路電流，單相接地最大短路電流，最大負荷電流，為了提高故障發(fā)生裝置的運行穩(wěn)定性，選擇晶閘管參數(shù)時考慮一定的裕量，可參考如下：

2.2 控制開關(guān)選擇

常用的電力電子器件主要包括晶閘管、電力場效應(yīng)晶體管（電力MOSFET）和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）。電力場效應(yīng)晶體管控制簡單、體積小，但存在通流能力較弱的缺點。通過對配電網(wǎng)物理仿真系統(tǒng)的參數(shù)計算，為了能實現(xiàn)母線三相短路，要求所選擇電力電子開關(guān)最大過載電流超過500A，常用的MOSFET管很難達到要求。由于IGBT寄生反向二極管的存在，導(dǎo)致其反向?qū)ú豢煽兀式涣骰芈房刂茣r一般不做考慮。

排除以上兩種電力電子開關(guān)，雙向晶閘管是反并聯(lián)晶閘管的集成，具有耐壓高、通流能力強、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，雙向晶閘管相比于反并聯(lián)晶閘管而言驅(qū)動電路簡化。其動態(tài)特性良好以及微秒級響應(yīng)時間誤差，能夠精確的控制故障初相角替代斷路器或接觸器作為故障發(fā)生裝置的動作開關(guān)[12-14]。

2.3 驅(qū)動電路

研究發(fā)現(xiàn)，接地故障后在系統(tǒng)中故障電流將會產(chǎn)生1～3kHz頻率的振蕩，對于傳統(tǒng)脈沖驅(qū)動晶閘管的方式來說，高頻的振蕩波形會使晶閘管導(dǎo)通后在電流過零點處迅速關(guān)斷，不能模擬持續(xù)一段時間的短路故障。本文采用持續(xù)在晶閘管基極注入恒定驅(qū)動電流的方式保持晶閘管的導(dǎo)通，達到維持故障狀態(tài)的目的。

驅(qū)動電路拓撲如圖3所示，雙向晶閘管開關(guān)工作狀態(tài)取決于驅(qū)動信號。模擬短路故障時，系統(tǒng)對雙向晶閘管導(dǎo)通延時、開通陽極電流上升率的要求較為苛刻，必須提供合適的驅(qū)動信號。TIP122為達靈頓結(jié)構(gòu)具有很高的放大系數(shù)，保證驅(qū)動信號的陡度，較高的驅(qū)動信號陡度可以有效加快晶閘管導(dǎo)通過程，提高相角控制精度。

圖3 驅(qū)動電路

2.4 電壓過零比較器

電壓過零比較器電路拓撲如圖4所示，采集物理仿真系統(tǒng)線電壓通過電壓互感器降壓，輸入運算發(fā)大器構(gòu)成的過零比較電路，輸出側(cè)由光耦隔離接入MCU。經(jīng)過互感器與光耦的兩級隔離，保護單片機引腳不受高壓側(cè)電磁干擾，保證其對邏輯電平的準(zhǔn)確判斷。雖然低通濾波電路能夠有效過濾采樣波形中高次諧波，但不可避免地引入了滯后因素。根據(jù)低通濾波器的相頻特性公式：

式中，ωc=1/RC。

圖4 電壓過零比較電路

已知濾波器參數(shù)及式（5）可得滯后相角，控制驅(qū)動信號實現(xiàn)特定初相角故障時需要考慮該延時時間。

2.5 拉弧裝置

拉弧裝置以 MCU控制伺服電動機帶動兩個極板實現(xiàn)尖端放電。由于采用脈沖控制，可以精確調(diào)節(jié)極板位移。如圖5所示，高清攝像頭用于捕捉放電圖像，對放電過程進行全方位、多角度記錄。

圖5 拉弧裝置

3 控制策略

3.1 軟件流程

裝置軟件流程如圖6所示，主要由SPI通信控制程序、上位機指令解析程序、電壓相角讀取及故障初相角控制程序三部分組成。

首先對以太網(wǎng)模塊和定時器模塊初始化。初始化完成后，將以太網(wǎng)模塊的地址和端口綁定，同時設(shè)置為監(jiān)聽模式，監(jiān)聽上位機的連接請求。在上位機連接上故障模塊后，對接收數(shù)據(jù)校驗并分析命令碼，從控制指令中提取故障類型與故障初相角。通過電壓過零比較器采集的電壓信號求得電壓相角，計算延時時間并控制內(nèi)部定時器精確發(fā)出驅(qū)動信號，達到控制故障初相角的目的。同時通過不同的命令碼，實現(xiàn)接地電阻控制以及故障時間設(shè)置。

圖6 裝置軟件流程圖

3.2 故障發(fā)生的相角的控制算法

物理仿真系統(tǒng)線電壓通過電壓互感器降壓后經(jīng)過零比較器，將輸入正弦波轉(zhuǎn)化為方波。其輸出接入 MCU單片機外部中斷引腳，通過上升沿時刻即可確定電壓過零點時間。采樣電路在實際系統(tǒng)中不可避免地存在相角滯后現(xiàn)象，針對以下幾個可能引起相角滯后現(xiàn)象的典型情況進行分析：

計算年回淤量時，模型通過計算一個全潮過程（小潮-大潮-小潮）的回淤量，再根據(jù)一年的全潮過程數(shù)得到一年的回淤量。

1）Uab線電壓超前 Ua相電壓 30°，則引入固定滯后相角θγ=30°。

2）過零比較器前端低通濾波電路產(chǎn)生的滯后相角θ?，由上述式（5）可得。

3）過零比較器中光電耦合器產(chǎn)生的滯后相角θε。

4）MCU內(nèi)部時鐘、計算的舍入誤差以及其他因素引入的滯后相角θζ。

由于θε與θζ的滯后相角極低，因此可以認為其對相角控制系統(tǒng)不產(chǎn)生影響。常規(guī)低通濾波電路相角滯后θ?＞60°甚至更高，因此主要的相角差來自θ??？紤]到 MCU不能預(yù)知上升沿來臨時刻，不能提前發(fā)出驅(qū)動指令，該種相角滯后現(xiàn)象使得故障初相角在 0～(θ?-θγ)之間不可控，即存在相角控制死區(qū)，不滿足實驗需求。裝置通過控制過零比較器上升沿中斷時刻的下一個電壓周期內(nèi)對應(yīng)初相角故障的方式，避免相角滯后所帶來的控制死區(qū)現(xiàn)象。設(shè)故障初相角為θα，如圖 7所示。按照以下幾個步驟確定不同相角要求下定時器的裝載值 L（晶振頻率為 fosc）：

1）50Hz工頻信號，單位相角對應(yīng)延時時間為

3）計算延時觸發(fā)角度為

4）θβ?lián)Q算成MCU計數(shù)器裝載值為

結(jié)合上述計算，在 MCU進入上升沿中斷后起動定時器，其預(yù)分頻比設(shè)為 p，根據(jù)上位機設(shè)置故障初相角，計算定時器裝載值 L，通過高精度的定時器準(zhǔn)確控制驅(qū)動信號。

圖7 滯后相角與故障初相角關(guān)系示意圖

4 軟件仿真與物理仿真驗證

為驗證提出的配電網(wǎng)故障發(fā)生柔性控制的可行性，搭建配電網(wǎng)物理仿真系統(tǒng)，拓撲結(jié)構(gòu)如圖8所示。根據(jù)相似性原理，構(gòu)建 0.4kV系統(tǒng)模擬 10kV系統(tǒng)的配電網(wǎng)模型。主變參數(shù)通過標(biāo)幺值等效方法將原型S(F)11系列的110kV/10kV，20MVA三相電力變壓器等效為0.4kV/0.4kV，30kVA變壓器。線路模型采用π形等值方式，物理參數(shù)見表1，其阻抗與10kV實際線路阻抗相同，即阻抗模擬比為1。主變T為Y0/Δ-11接線，變壓器中性點自Z型變引出可選擇不接地、經(jīng)消弧線圈過補償接地或經(jīng)高阻接地。

圖8 配電網(wǎng)物理仿真系統(tǒng)拓撲圖

表1 線路物理參數(shù)

4.1 相角誤差

相角控制精度是實現(xiàn)精確柔性故障發(fā)生的關(guān)鍵，實際故障初相角計算方法如圖9所示。結(jié)合物理仿真故障錄波結(jié)果，為排除系統(tǒng)噪聲影響，通過觀察實驗數(shù)據(jù)以A相電壓超過其峰值電壓的4%記為相角0°，同時以零序電壓超過其峰值電壓的4%記為故障發(fā)生時刻，計算實際故障初相角的近似值θδ。設(shè)裝置目標(biāo)故障初相角為θs，則相角控制誤差為|θδ-θs|。

圖9 實際故障初相角計算方法示意圖

以 K1故障點發(fā)生不同故障初相角下的單相金屬性接地故障為例，計算目標(biāo)故障初相角與實際故障初相角的誤差考察相角控制精度。目標(biāo)故障初相角從0～180°，每隔15°為一組，均分為13組。每組進行10次實驗，通過上述方法計算實際故障初相角并取平均值，其結(jié)果與誤差見表 2。誤差主要由實際故障初相角計算方法誤差(|θε-θζ|)與裝置本身的控制誤差兩部分組成。實驗結(jié)果表明，其相角控制最大誤差為5.4°，即該控制策略能夠較為精確地控制故障初相角。

表2 實際故障初相角測量結(jié)果及誤差

4.2 故障實驗

故障發(fā)生柔性控制思路的可行性需通過物理仿真與軟件仿真對比進一步驗證。搭建 PSCAD/EMTDC等效仿真模型，其參數(shù)與圖 8物理仿真系統(tǒng)一致。

弧光接地實驗仿真結(jié)果對比如圖10所示，為系統(tǒng)中性點經(jīng)高阻接地，故障點 K1弧光接地的實驗仿真波形。仿真電弧模型采用控制論模型，電弧電導(dǎo)G的表達式為

式中，C 為常數(shù)，取 5×10-5；時間常數(shù)τ =β ×Ic/Lc，峰值電流Ic取14kA，弧長Lc取150cm，系數(shù)β 取經(jīng)驗值2.85×10-5；弧柱穩(wěn)態(tài)場強vp取經(jīng)驗值15V/cm。

弧光接地故障電弧電流及電壓波形均發(fā)生不同程度的畸變。圖 10（a）中電弧電流波形，每個工頻周期下存在2次明顯的“零休”現(xiàn)象。同時，圖10（b）中電弧電壓在電流“零休”期間急劇變化，呈現(xiàn)馬鞍形，并具有明顯的燃弧電壓和熄弧電壓。對比仿真結(jié)果，模擬弧光接地實驗波形與控制論模型下電弧的特征一致，基本滿足實際電弧特性[15-19]。

圖10 弧光接地仿真驗證波形

中性點不接地，K2故障點進行不同相角的單相金屬性接地故障實驗如圖11與圖12所示。當(dāng)故障相在電壓零值（? =0）接地時，暫態(tài)電容電流的自由分量達到最小值。反之，故障相在電壓峰值（? =π/2）接地時，暫態(tài)電容電流的自由振蕩分量將有最大值，高頻振蕩現(xiàn)象最為明顯。其生成故障暫態(tài)現(xiàn)象和仿真結(jié)果基本一致，可以很好地模擬故障的暫態(tài)過程。

圖11 A相金屬性接地故障仿真驗證波形（? =0）

圖12 A相金屬性接地故障仿真驗證波形（? =π/2）

5 結(jié)論

本文提出基于配電網(wǎng)物理仿真系統(tǒng)的柔性故障發(fā)生裝置設(shè)計思路，對比于傳統(tǒng)故障發(fā)生裝置，改善了故障暫態(tài)特性和初相角控制精度。其主要特點如下：①故障發(fā)生裝置可模擬三相短路、兩相短路、弧光接地等多種故障。同時故障接地電阻可調(diào)，適應(yīng)小電阻或高阻接地等故障模擬；②利用晶閘管快速導(dǎo)通特性，保證故障初相角的精確控制。在該裝置相角調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，誤差不超過5.4°；③利用晶閘管良好的動態(tài)特性控制故障生成，物理仿真與軟件仿真驗證了所提方法可保留故障信號的暫態(tài)過程。

下一步的工作是要加快 10kV柔性故障發(fā)生裝置的研制工作，通過采用串聯(lián)晶閘管的方式提高電力電子器件的整體耐壓水平，使其具備模擬 10kV電壓等級故障的能力。

[1] 孫銀鋒, 吳學(xué)光, 李國慶, 等. 基于等時間常數(shù)的模塊化多電平換流器柔直換流閥動模系統(tǒng)設(shè)計[J]. 中國電機工程學(xué)報, 2016(9): 2428-2437.

[2] 董鵬, 朱藝穎, 咼虎, 等. 特高壓電網(wǎng)建設(shè)初期“三華”電網(wǎng)數(shù)模混合實時仿真試驗研究[J]. 電網(wǎng)技術(shù),2012, 36(1): 18-25.

[3] 何曉燕, 許志紅. 交流接觸器虛擬樣機設(shè)計技術(shù)[J].電工技術(shù)學(xué)報, 2016, 31(14): 148-155.

[4] 劉穎異, 陳德桂, 袁海文, 等. 帶電流反饋的永磁接觸器動態(tài)特性仿真與分析[J]. 中國電機工程學(xué)報,2010(15): 118-124.

[5] 宋金釗, 李永麗, 石崢, 等. 一種新的諧振接地系統(tǒng)單相接地故障選線方法[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制,2017, 45(6): 9-15.

[6] 陳濤. 一種考慮合閘角大小的單相接地故障選線方法[J]. 山西電力, 2014(4): 12-15.

[7] Wang Wencong, Zhu Ke, Zhang Peng, et al.Identification of the faulted distribution line using Thyristor-Controlled grounding[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2009, 24(1): 52-60.

[8] 徐海亮, 章瑋, 胡家兵, 等. 可編程電網(wǎng)故障模擬電源的設(shè)計[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2012(10): 91-97.

[9] 吳巧玲, 繆希仁, 許火炬, 等. 相控開關(guān)的早期故障檢測及過零預(yù)測方法研究[J]. 電氣技術(shù), 2016, 17(7):24-30.

[10] 姚偉, 孫海順, 文勁宇, 等. TCSC動模裝置及其實驗研究[J]. 電力自動化設(shè)備, 2009, 29(2): 51-55,68.

[11] 鄧家澤, 王奔, 黃崇鑫, 等. 基于晶閘管 STATCOM的無功補償控制[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2009, 33(1): 48-51.

[12] 吳峰, 鄭建勇, 梅軍, 等. 基于可控串補的故障限流器[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2012, 36(2): 53-57.

[13] 李黎, 馮希波, 鮑超斌, 等. 快速晶閘管在納秒脈沖高壓發(fā)生器中的應(yīng)用分析[J]. 中國電機工程學(xué)報,2013, 33(16): 197-203, 前插25.

[14] Li Z, Wang J, Zhang F, et al. SCR series technology based on high-speed transient protection[C]//International Conference on Electric Power Equipment-Switching Technology. IEEE, 2011: 657-660.

[15] 許曄, 郭謀發(fā), 陳彬, 等. 配電網(wǎng)單相接地電弧建模及仿真分析研究[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2015(7):57-64.

[16] 史永建, 曹現(xiàn)華, 史建省. 基于 PSCAD的改進型交流電弧爐負荷時域模型的仿真應(yīng)用[J]. 電氣技術(shù),2015, 16(11): 29-32.

[17] Khakpour A, Franke S, Uhrlandt D, et al. Electrical arc model based on physical parameters and power calculation[J]. IEEE Transactions on Plasma Science,2015, 43(8): 2721-2729.

[18] Wang Fei, Gao Houlei, Sun Yong, et al. Arc grounding model and simulation in non-effectively grounded system[C]//2015 5th International Conference on Electric Utility Deregulation and Restructuring and Power Technologies (DRPT 2015), 2015: 358-362.

[19] 行晉源, 李慶民, 叢浩熹, 等. 長距離輸電線路潛供電弧弧根跳躍與弧長劇變的物理機制與仿真[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2016, 31(12): 90-98.

Flexibility Fault Generating Device of Physical Simulation System for Distribution Network

Lin Aolin1Guo Moufa1Gao Wei1Huang Jianye2
(1. College of Electrical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350108;2. State Grid Fujian Electric Power Research Institute, Fuzhou 350007)

Design of flexibility fault generating device in physical simulation system for distribution network has been proposed, to overcome the previous fault generating device’s shortcomings of mechanical contact bounce and uncontrollable fault initial phase. Since the device combines the phase angle of line voltage detected by zero-crossing comparator in physical simulation system, it can control trigger time of thyristor to ensure precise control of fault initial phase. Because of the thyristor’s microsecond-conduction-time and excellent dynamic characteristic, the controlling accuracy of fault initial phase and transient state similarity with actual fault waveform has been improved. This method is verified by experiment in physical simulation system for distribution network and equivalent simulation based on PSCAD/EMTDC. Results show that the device can preserve transient characteristic of short-circuit fault well and has high controlling accuracy of fault initial phase.

distribution network; physical simulation; flexible control; fault generating; fault initial phase

國家自然科學(xué)基金項目（51677030、51377023）

晉江市科技局工業(yè)科技項目資助（J（2005）235）

林奧林（1992-），男，福建三明人，碩士研究生，研究方向為配電網(wǎng)自動化。