電力系統(tǒng)繼電保護裝置短路電流平抑技術(shù)

張寶庚

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300461）

0 引言

隨著電網(wǎng)建設(shè)速度不斷加快、相關(guān)電力系統(tǒng)建設(shè)規(guī)模逐步擴大，不同電壓等級的網(wǎng)絡對應的環(huán)網(wǎng)聯(lián)系密切程度越來越高［1-2］。此外，從變電站的角度看，其容量和負荷密度也呈現(xiàn)出迅猛增長的發(fā)展趨勢。在此背景下，電網(wǎng)各節(jié)點處的短路電流超標現(xiàn)象愈發(fā)嚴重，電力系統(tǒng)繼電保護裝置面臨的運行壓力也隨之增大［3］。為了最大限度地降低局部短路對整體電網(wǎng)環(huán)境造成的影響，用于對短路電流進行平抑的技術(shù)成為研究熱點。趙鵬翔［4］等在綜合需求響應分析的基礎(chǔ)上，提出一種以大學城綜合能源系統(tǒng)為基礎(chǔ)的尖峰負荷平抑方法，該方法在一定程度上實現(xiàn)了對峰值負荷參數(shù)的平抑，但對于處置異常狀態(tài)的效果并未進行深入的研究。林莉等［5］以混合儲能的風電功率波動控制為核心目標，利用SOC（荷電狀態(tài)）自恢復機制，設(shè)計對應的平抑方法，在一定程度上實現(xiàn)了對風電功率波動的有效控制，但仍存在適應性偏低的問題。孫乾等［6］以“風—儲—荷”聯(lián)合單元為研究對象，以事件優(yōu)化理論為基礎(chǔ)，設(shè)計一種最優(yōu)平抑控制方法，達到了降低電流波動幅度的目的，但該方法的在應用范圍方面存在一定的局限性。由此可知，進一步加深對平抑技術(shù)的研究對于電力系統(tǒng)而言具有重要的現(xiàn)實意義。本文提出一種電力系統(tǒng)繼電保護裝置短路電流平抑技術(shù)，并搭建具體的測試環(huán)境，采用對比測試的方式分析、驗證該技術(shù)的應用性能及應用效果。

1 設(shè)計方案

1.1 模型構(gòu)建

要實現(xiàn)對電力系統(tǒng)繼電保護裝置短路電流的有效平抑控制，明確繼電保護裝置短路電流與不同狀態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系極為重要。為研究繼電保護裝置的性能和特性，本文創(chuàng)建了一個數(shù)學模型，在保持繼電保護裝置運行環(huán)境參數(shù)不變的前提下，將繼電保護裝置的電路結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為理想電流源與二極管并聯(lián)的形式，這種轉(zhuǎn)化可以簡化電路結(jié)構(gòu)，更精確地描述電路中的電流分布和流向。理想電流源模擬繼電保護裝置的輸出電流，并聯(lián)的二極管用于模擬電路中的非線性元件和反向電流。利用數(shù)學模型可以對繼電保護裝置的性能進行定量分析和評估［7］。

本文構(gòu)建的繼電保護裝置等效電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1 中，Iph被等效為繼電保護裝置電路中的恒流源電流參數(shù)，在實際的運行過程中，設(shè)置電流輸出值保持恒定不變的狀態(tài)；Id表示二極管內(nèi)部P-N 結(jié)的電流參數(shù)信息；Rs表示繼電保護裝置內(nèi)部的并聯(lián)電阻參數(shù)，當繼電保護裝置處于理想運行狀態(tài)時，對應的并聯(lián)電阻可以理解為無窮大；Ish為對應并聯(lián)電阻中通過的電流，Rsh為繼電保護裝置的串聯(lián)內(nèi)阻，由繼電保護裝置內(nèi)部的導電材料和電極組成，當繼電保護裝置處于理想運行狀態(tài)下時，串聯(lián)內(nèi)阻為0；I和U分別表示流過繼電保護裝置負載的電流參數(shù)和空載狀態(tài)下繼電保護裝置的電壓參數(shù)［8］。

圖1 繼電保護裝置等效電路結(jié)構(gòu)示意圖

基爾霍夫電流定律是計算電路中各分支電流的一個重要原理，根據(jù)該定律，電路中任意節(jié)點的電流總和等于進入節(jié)點的電流總和。本文將基爾霍夫電流定律應用于計算繼電保護裝置的負載電流參數(shù)，通過對電路進行節(jié)點分析和電流平衡方程的求解計算出繼電保護裝置所處電路中各個分支的這些電流值，即可獲得繼電保護裝置所需的負載電流參數(shù)。計算公式可以表示為

其中，二極管內(nèi)部P-N 結(jié)的電流參數(shù)信息可以表示為

其中：Id表示通過繼電保護裝置內(nèi)部的反向飽和電流參數(shù)，A表示常數(shù)因子，其具體的取值取決于實際繼電保護裝置的材料配置，K表示玻爾茲曼常數(shù)，T表示繼電保護裝置內(nèi)部的導電材料的熱力學溫度參數(shù)，q表示在繼電保護裝置運行的過程中通過二極管的電荷量。

按照上述所示的方式，實現(xiàn)對繼電保護裝置模型的構(gòu)建，為后續(xù)的短路電流平抑提供可靠的執(zhí)行基礎(chǔ)。需要注意的是，不同的繼電保護裝置在實際運行階段對客觀環(huán)境的適應性不同，因此具體的電阻和電流參數(shù)信息可能與設(shè)置值存在不同程度的差異。在實際的模型構(gòu)建過程中，可以通過實際測量采集的方式確定精準的參數(shù)信息，最大限度地保障構(gòu)建模型的可靠性及其在短路電流平抑階段的應用價值。

1.2 繼電保護裝置短路電流平抑

本文對斷流電流進行平抑處理時，結(jié)合構(gòu)建的裝置模型，充分考慮混合供電階段對繼電保護裝置短路電流的控制要求，從實際需求的角度出發(fā)，使實時分配電流與能量型電能傳輸和功率型電能傳輸間建立起關(guān)聯(lián)。其中，最終的平抑效果不僅與控制策略的優(yōu)劣直接相關(guān)，還與整個繼電保護裝置甚至是電力系統(tǒng)是否可以安全、穩(wěn)定地運行密切相關(guān)。

通過分析負載波動電流的頻譜信息，發(fā)現(xiàn)具體的頻率集中域分布情況。這些頻率集中域反映了負載電流波動的主要成分和周期性變化，為后續(xù)的電流分配和保護策略的制定提供了依據(jù)。結(jié)合不同類型的電能傳輸情況，繼電保護裝置在響應速度方面呈現(xiàn)出差異性。例如，在高頻率的電能傳輸中，需要快速響應并觸發(fā)適當?shù)谋Ｗo動作；在低頻率的電能傳輸中，可以通過適度降低響應速度提高穩(wěn)定性。為實現(xiàn)對短路電流的初步分配，本文提出基于低通濾波器的異常電流分配策略。通過將負載電流信號進行低通濾波處理，消除高頻噪聲和干擾，保留低頻成分，可有效地識別負載電流中的異常波動［9］。該策略基于算路電流波動曲線中的頻率集中域分布情況，能夠更準確地分配短路電流的承擔比例，實現(xiàn)繼電保護裝置各部分之間的均衡負載，提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

本文以基本RC 電路為例，推導一階低通濾波器的基礎(chǔ)理論，具體的計算方式為

其中：RC表示繼電保護裝置RC 電路系數(shù)，即低通濾波器的一階低通濾波系數(shù)；U0表示額定運行狀態(tài)下繼電保護裝置RC電路的電壓參數(shù)，一般情況下，該參數(shù)為繼電保護裝置出廠階段的設(shè)置值，部分長期運行的繼電保護裝置也可能會出現(xiàn)不同程度的波動［10］，考慮該部分影響對于U0而言微乎其微，因此本文對其忽略不計。

低通濾波器對短路電流的吸收/釋放的總補償量的計算方式可以表示為

其中：I(t)表示低通濾波器對短路電流的吸收/釋放的總補償量，ΔI表示繼電保護裝置短路電流與額定電流之間的差值。

按照上述方式，即可實現(xiàn)對繼電保護裝置短路電流的平抑處理。

2 應用測試

2.1 測試環(huán)境設(shè)置

在分析電力系統(tǒng)繼電保護裝置短路電流平抑技術(shù)實際應用效果的過程中，本文將KP500A 繼電保護裝置作為具體的測試對象。為便于后續(xù)的平抑效果分析，在KP500A 繼電保護裝置中嵌入高性能數(shù)字信號處理器，借助其極強的數(shù)據(jù)處理、邏輯運算和信息存儲能力，準確地輸出KP500A 繼電保護裝置的設(shè)計運行狀態(tài)參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，分析KP500A 繼電保護裝置的配置情況，其全封閉金屬機箱具有很強的抗靜電、抗電磁干擾、抗機械振動能力，因此可以最大限度地降低測試工程中干擾因素對測試結(jié)果的影響，保障測試結(jié)果的可靠性和準確性。在工藝上，KP500A 繼電保護裝置采用表面貼工藝，重要器件（如電源模塊、互感器、繼電器、液晶顯示器、接線端等）的平均無故障時間可以達到100 000 h 以上。此外，KP500A 繼電保護裝置還具有完善的自檢能力，當裝置存在異常時，能自動告警。KP500A 繼電保護裝置運行參數(shù)配置情況見表1。

表1 KP500A繼電保護裝置運行參數(shù)配置情況

以表1所示的測試環(huán)境為基礎(chǔ)，分別設(shè)置具體的短路電流為額定電流的3倍（3×5 A）、5倍（5×5 A）、10倍（10×5 A）、20 倍（20×5 A）、30 倍（30×5 A）、50 倍（50×5 A），測試應用本文設(shè)計的平抑方法，KP500A繼電保護裝置是否能在回路過載能力的范圍內(nèi)將電流控制在允許區(qū)間范圍內(nèi)［低于2倍額定電流（2×5 A）］。

為客觀地評價繼電保護裝置短路電流平抑技術(shù)的實際應用效果，本文設(shè)計SOC 自恢復平抑技術(shù)和事件優(yōu)化理論平抑技術(shù)作為測試的對照組，分別測試不同技術(shù)的應用效果。

2.2 測試結(jié)果與分析

在上述測試環(huán)境中，結(jié)合表1 中KP500A 繼電保護裝置回路過載能力的配置情況，分別以不同平抑技術(shù)實施后過載能力允許的最長時間為基準節(jié)點，統(tǒng)計高性能數(shù)字信號處理器設(shè)備顯示的KP500A 繼電保護裝置實時回路的電流情況，得到的數(shù)據(jù)見表2。

表2 不同技術(shù)實時回路電流測試結(jié)果對比 （單位：A）

從表2的測試結(jié)果可以看出，隨著短路電流強度的逐漸增大，采用不同平抑技術(shù)的效果表現(xiàn)出不同的發(fā)展趨勢。在SOC 自恢復平抑技術(shù)下，當測試KP500A 繼電保護裝置的短路電流強度不超過額定電流的30 倍時，均可以在過載能力允許的最長時間范圍內(nèi)將對應的電流控制在可連續(xù)工作的區(qū)間范圍內(nèi)，但當短路電流強度達到額定電流的50倍時，作用時間達到過載能力允許的最長時間后的電流達到10.58 A，超出了裝置回路可連續(xù)工作的閾值（2×5 A）。在事件優(yōu)化理論平抑技術(shù)的測試結(jié)果中，整體性能發(fā)展趨勢與SOC 自恢復平抑技術(shù)相似，但其在測試KP500A 繼電保護裝置的短路電流強度達到額定電流的30 倍時，出現(xiàn)了作用時間達到過載能力允許的最長時間后，電流超過回路可連續(xù)工作閾值（10.33 A）的情況。相比之下，本文設(shè)計的平抑技術(shù)作用時間達到過載能力允許的最長時間后，對應的電流始終穩(wěn)定在裝置回路可連續(xù)工作的閾值范圍內(nèi)（2×5 A），最大值僅為6.17 A。測試結(jié)果表明，本文設(shè)計的電力系統(tǒng)繼電保護裝置短路電流平抑技術(shù)可以實現(xiàn)對不同程度短路電流的控制，并且能在短時間內(nèi)將電流的波動控制在設(shè)備運行允許的區(qū)間范圍內(nèi)。

3 結(jié)語

為能最大限度地降低異常情況對整體電力系統(tǒng)的影響，對異常參數(shù)進行有效的平抑處理極為必要。本文提出的電力系統(tǒng)繼電保護裝置短路電流平抑技術(shù)，在充分考慮電力系統(tǒng)繼電保護裝置短路電流屬性特征的基礎(chǔ)上，針對性地設(shè)計平抑方法，實現(xiàn)了對異常電流的有效控制。本文對裝置短路電流平抑技術(shù)的研究與設(shè)計，希望能為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提供有益的參考。