基于零點(diǎn)預(yù)測的斷路器短路電流實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

顏 寧，榮文帥,2，王義賀，蔡志遠(yuǎn)

（1. 沈陽工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870；2. 新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司，遼寧 沈陽 110016；3. 國網(wǎng)遼寧省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，遼寧 沈陽 110015）

在電力系統(tǒng)整個(gè)供電環(huán)節(jié)當(dāng)中，斷路器作為最主要的設(shè)備之一，如何保證其可靠性和提高智能化控制水平極為重要[1]。目前，斷路器在開斷過程中存在短路電流，短路電流中包含非周期的隨機(jī)不確定分量，多種不確定性加大了短路電流過零點(diǎn)預(yù)測的難度[2-4]。

考慮到預(yù)測精度及難度等問題，需要一套實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及實(shí)驗(yàn)方法對(duì)短路電流的過零點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測以控制斷路器可控開斷短路電流[5]。將此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以及實(shí)驗(yàn)方法應(yīng)用于電力設(shè)備認(rèn)知的教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，可以使學(xué)生更加直觀地了解掌握斷路器的開關(guān)過程以及關(guān)斷時(shí)間等參數(shù)的控制方法[6]，為電力系統(tǒng)、繼電保護(hù)等課程提供實(shí)驗(yàn)條件。

1 短路電流過零點(diǎn)預(yù)測方法

高校應(yīng)以培養(yǎng)創(chuàng)新性、應(yīng)用型人才為目標(biāo)，開展理論研究與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合的培養(yǎng)模式[3]。本文以此為出發(fā)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套短路電流測試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并設(shè)計(jì)了一套實(shí)驗(yàn)方法和流程來準(zhǔn)確地預(yù)測短路電流的過零點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)斷路器的同步分?jǐn)啵行岣邤嗦菲魇褂脡勖?，解決教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器精度不夠?qū)е骂A(yù)測不準(zhǔn)確問題[7-8]。

斷路器相控分?jǐn)喽搪冯娏鞯幕驹硎牵翰捎脭?shù)字信號(hào)處理算法對(duì)短路電流離散采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，估算短路電流的特征參數(shù)，預(yù)測其過零點(diǎn)，以提前發(fā)出控制指令[9-11]。相控同步分?jǐn)嗉夹g(shù)的核心在于通過計(jì)算得到故障短路電流模型和依次過零時(shí)刻，在最合適的時(shí)刻使動(dòng)觸頭動(dòng)作，開始分?jǐn)?，進(jìn)而控制燃弧時(shí)間在最小燃弧時(shí)間附近，從而在保證分?jǐn)喽搪冯娏鞯耐瑫r(shí)提高電能質(zhì)量，延長斷路器使用壽命[12]。同時(shí)，同步控制技術(shù)也可根據(jù)負(fù)載及使用場合的不同，控制斷路器在最適合的時(shí)刻進(jìn)行分?jǐn)嗷蜿P(guān)合，如電容器組投切、空載變壓器投入等，達(dá)到控制過電壓及涌流。在整個(gè)斷路器同步控制問題中，最關(guān)鍵的問題在于智能操作單元在通過監(jiān)控元件得到監(jiān)控信號(hào)后，需要在短時(shí)間內(nèi)通過程序計(jì)算波形，進(jìn)而尋找到最適合的過零點(diǎn)[13-14]。

根據(jù)斷路器相控分?jǐn)喽搪冯娏鞯幕驹?，采用同步分?jǐn)嗉夹g(shù)分相控制三相電流，將其轉(zhuǎn)化成單相短路情況下的電流模型，具體如圖1 所示。

圖1 單相短路故障下電流模型

根據(jù)圖1 可以看出，發(fā)生短路故障時(shí)，存在著直流衰減及周期分量，整體呈現(xiàn)非周期特性，給預(yù)測帶來較大的難度。因此，需要斷路器具備同步分閘能力，快速準(zhǔn)確地預(yù)測過零點(diǎn)，并發(fā)出瞬時(shí)的分閘指令，更為恰當(dāng)?shù)脑谶^零點(diǎn)處實(shí)現(xiàn)分離。

為了實(shí)現(xiàn)短路電流被同步分?jǐn)?，最為重要的是預(yù)測斷路器短路電流對(duì)應(yīng)的目標(biāo)零點(diǎn)，預(yù)測基本流程如圖2 所示。

圖2 過零點(diǎn)預(yù)測的流程圖

為了提高學(xué)生對(duì)斷路器短路電流實(shí)驗(yàn)掌握的全面性，在對(duì)短路電流過零點(diǎn)預(yù)測時(shí)，采用基于最小二乘法（least squares, LS）與改進(jìn)傅立葉算法（improved Fourier algorithm, IFA）2 種方法進(jìn)行預(yù)測，并應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)中，檢驗(yàn)2 種方法對(duì)過零點(diǎn)預(yù)測的準(zhǔn)確性。LS 方法主要是將電流通過泰勒級(jí)數(shù)展開，僅取一次項(xiàng)轉(zhuǎn)變成近線性形式，最后進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)；IFA 方法是分離出周期量與直流對(duì)應(yīng)衰減量，僅通過周期量更新短路電流并進(jìn)行預(yù)測，具體的流程圖如圖3—4 所示。

圖3 基于LS 的預(yù)測流程圖

圖4 基于IFA 的預(yù)測流程圖

2 短路電流過零點(diǎn)預(yù)測的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

短路電流過零點(diǎn)預(yù)測實(shí)驗(yàn)采用 Matlab 編程與實(shí)際實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式。首先，依托Simulink 構(gòu)建短路電路單相故障諧波模型，對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行分析；其次，搭建短路電流實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，導(dǎo)入程序，預(yù)測過零點(diǎn)；最后，對(duì)比仿真與實(shí)驗(yàn)誤差，確定所提出的零點(diǎn)預(yù)測算法的準(zhǔn)確性。

2.1 短路電流預(yù)測仿真計(jì)算過程

搭建短路電流模型，通過加入電壓源的手段，給定仿真中的諧波分量，利用電流采集模塊得到所需的電流，利用零階保持模塊將電流連續(xù)信號(hào)轉(zhuǎn)為離散信號(hào)，選取固定的采樣時(shí)間t、采樣轉(zhuǎn)換頻率f，得到一系列的離散信號(hào)，通過工作區(qū)模塊WS 導(dǎo)入Matlab 中，運(yùn)用2 種算法對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與計(jì)算，具體短路電流采樣數(shù)據(jù)的生成模型如圖5 所示，仿真過程中給定的參數(shù)具體如表1 所示。

圖5 短路電流采樣數(shù)據(jù)的生成模型

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

仿真過程中具體步驟如下：

（1）初始時(shí)刻t0，給定斷路器閉合的觸發(fā)信號(hào)，電路處于短路情況，當(dāng)衰減的直流分量到0 時(shí)，電流從暫態(tài)過程轉(zhuǎn)到穩(wěn)定狀態(tài)；

（2）結(jié)合斷路器的動(dòng)作補(bǔ)償及分閘時(shí)間，通過相控分?jǐn)囝A(yù)測過零點(diǎn)時(shí)刻；

（3）t0時(shí)刻后，斷路器合閘，工作區(qū)模塊 WS 得到采樣信號(hào)后，運(yùn)用LS 和IFA 算法分別對(duì)采樣得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算；

（4）對(duì)得到的預(yù)測故障曲線與實(shí)際曲線對(duì)比，判斷2 種算法的優(yōu)劣性；

（5）為進(jìn)一步驗(yàn)證2 種算法的有效性，可加入多次諧波進(jìn)行分析。

2.2 短路電流預(yù)測實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了使學(xué)生將理論學(xué)習(xí)應(yīng)用于實(shí)踐過程中，將采用2 種優(yōu)化算法對(duì)短路電流進(jìn)行過零點(diǎn)預(yù)測，并通過實(shí)驗(yàn)的手段驗(yàn)證所提基本理論的正確性，本文搭建設(shè)計(jì)了包含直流電流衰減分量的電路，具體的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖6 所示。

圖6 搭建零點(diǎn)預(yù)測實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)過程中具體步驟如下：

（1）搭建可以產(chǎn)生直流電流衰減分量的實(shí)際電路；

（2）設(shè)置基本參數(shù)，如調(diào)壓器的電壓輸入值，額定電流、電壓、容量等；

（3）在相角位為0 時(shí)發(fā)出合閘時(shí)間，并設(shè)定合閘控制器的延時(shí)時(shí)間，得到實(shí)際電流曲線；

（4）采用示波器采集短路電流的信號(hào)，通過Matlab 對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，并采用2 種算法對(duì)提取信號(hào)進(jìn)行處理；

（5）得到仿真分析對(duì)應(yīng)的曲線，判斷仿真和實(shí)驗(yàn)的差異性；

（6）為進(jìn)一步驗(yàn)證2 種算法的有效性，加入多次諧波進(jìn)行分析。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了使學(xué)生們更好驗(yàn)證所提短路電流零點(diǎn)預(yù)測理論的正確性，本文給出采用 2 種算法的仿真分析手段，得到預(yù)測的短路故障電流示例，并與實(shí)際的曲線進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖7—10 所示。

圖7 LS 算法的仿真結(jié)果分析

圖8 LS 算法仿真實(shí)際與計(jì)算值差異性

圖9 IFA 算法的仿真結(jié)果分析

圖10 IFA 算法仿真實(shí)際與計(jì)算值差異性

根據(jù)仿真分析可以看出，2 種算法實(shí)際值與計(jì)算值擬合得很好，如圖7、圖 9 中的藍(lán)色和紅色曲線，因此可以證明2 種算法都能很好地對(duì)短路電流參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)圖8、圖10，發(fā)現(xiàn)IFA 算法預(yù)測后與真實(shí)值擬合得更好。因此，學(xué)生們可以根據(jù)仿真分析確定出哪種算法更適合短路電流零點(diǎn)預(yù)測。

采用圖6 所搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采集實(shí)驗(yàn)過程總的短路電流波形，如圖11 所示。

圖11 短路電流的實(shí)測波形

對(duì)比圖7、圖8、圖11 可以看出，預(yù)測結(jié)果與示波器中顯示的短路電流波形一致，很好地證明了所提預(yù)測方法的有效性、實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性等。

3 結(jié)語

為了使電氣工程專業(yè)學(xué)生更好地掌握理論知識(shí)，將課本中所學(xué)的理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際中，本文設(shè)計(jì)了基于零點(diǎn)預(yù)測的斷路器短路電流實(shí)驗(yàn)。首先，通過理論學(xué)習(xí)掌握斷路器相控分?jǐn)喽搪冯娏鞯幕驹?，建立單相短路故障下電流模型，掌握過零點(diǎn)預(yù)測的流程；其次，采用仿真分析的手段，分析所提LS 和IFA算法的預(yù)測準(zhǔn)確程度；最后，采用實(shí)驗(yàn)的手段，驗(yàn)證所提方法的準(zhǔn)確性。