陳顥， 李澄， 王成亮， 王伏亮， 曹佳佳

(江蘇方天電力技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210000)

0 引 言

低壓斷路器是低壓配電網(wǎng)中比較關(guān)鍵的一種設(shè)備，能夠?qū)﹄娐愤M(jìn)行保護(hù)和能量的合理分配?，F(xiàn)有技術(shù)對(duì)斷路器進(jìn)行了相關(guān)技術(shù)研究。文獻(xiàn)[1]中通過(guò)對(duì)船舶斷路器可靠性進(jìn)行研究，但是并不能實(shí)現(xiàn)對(duì)斷路器的良好控制。文獻(xiàn)[2]中對(duì)低壓斷路器進(jìn)行綜合分析，但是存在使用能耗較高等不利因素。文獻(xiàn)[3]中對(duì)斷路器能耗問(wèn)題進(jìn)行研究，但是在斷路器控制算法方面受到斷路器測(cè)量模塊的誤操作影響。

針對(duì)于上述方法的缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)型斷路器，并對(duì)斷路器的電流保護(hù)算法和能耗問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化處理[4]。

1 智能斷路器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)型塑殼斷路器是對(duì)傳統(tǒng)電子式塑殼斷路器進(jìn)行改進(jìn)，在此基礎(chǔ)上對(duì)電子控制器進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，增加數(shù)據(jù)采集功能[5]、數(shù)據(jù)傳輸功能和數(shù)據(jù)處理功能等模塊。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能斷路器結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，該種智能斷路器設(shè)計(jì)擁有傳統(tǒng)的斷路器本體和斷路器電子控制模塊兩大部分。在傳統(tǒng)的斷路器本體中設(shè)計(jì)增加了電流保護(hù)傳感器、電流測(cè)量傳感器、電壓采集電路和位置傳感器等不同的數(shù)據(jù)采集的傳感器。對(duì)于斷路器電子控制器包括了保護(hù)模塊、測(cè)量模塊和寬帶載波通信模塊等對(duì)斷路器進(jìn)行控制的模塊。保護(hù)模塊由保護(hù)處理器、電流取電電路、脫扣電路和開關(guān)狀態(tài)輸入電路等組成[6]。保護(hù)處理器實(shí)時(shí)計(jì)算電壓、電流和溫度值，實(shí)時(shí)檢測(cè)斷路器狀態(tài)，在電氣量超限達(dá)到預(yù)設(shè)動(dòng)作時(shí)間后，通過(guò)控制模塊驅(qū)動(dòng)脫扣動(dòng)作執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行脫扣動(dòng)作，以此完成斷路器的跳閘動(dòng)作。電流取電電源僅供保護(hù)模塊使用，同時(shí)由電壓取電電源作雙備份電源，保證保護(hù)模塊供電安全可靠。對(duì)于進(jìn)行保護(hù)電流的互感器磁芯采用能夠極大增強(qiáng)磁化的硅鋼疊壓技術(shù)進(jìn)行處理，提高互感器的靈敏度。由于進(jìn)行電流保護(hù)的電流變化范圍較大，一般能夠達(dá)到5倍范圍，這時(shí)電流互感器將產(chǎn)生磁化的部分飽和現(xiàn)象，這反映出二次側(cè)電流曲線為非線性的特點(diǎn)[7]。為完成對(duì)互感器的設(shè)計(jì)問(wèn)題，需要根據(jù)保護(hù)互感器的二次電流輸出特性進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，通過(guò)采用對(duì)二次曲線的擬合方式對(duì)保護(hù)互感器進(jìn)行磁化能力校正。以此保證在10～14倍電流下，其測(cè)量依然能夠相對(duì)準(zhǔn)確[8]。

2 改進(jìn)電流保護(hù)算法

在現(xiàn)代化和智能化的電力保護(hù)系統(tǒng)中，采用三段電流保護(hù)算法對(duì)電路進(jìn)行保護(hù)是電路保護(hù)的基本模式。三段電流保護(hù)通過(guò)電流大小分割成三種情況分別進(jìn)行分析[9]，分為長(zhǎng)時(shí)過(guò)載保護(hù)、短時(shí)短路保護(hù)以及瞬時(shí)短路保護(hù)三種情況。保護(hù)特性如圖2所示。

圖2 電流三段保護(hù)特性示意圖

如圖2所示，在電流三段保護(hù)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)電流數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以此來(lái)對(duì)斷路器開關(guān)進(jìn)行控制。在電流數(shù)據(jù)中選取了三個(gè)電流進(jìn)行變化的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，這三個(gè)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)分別為I1、I2、I3，其中:I1為電路安全電流上限，表示電路的額定電流；I1～I(xiàn)2為長(zhǎng)時(shí)過(guò)載保護(hù)范圍；I2～I(xiàn)3為短時(shí)短路保護(hù)范圍。當(dāng)電流>I3時(shí)，電流數(shù)據(jù)就處于危險(xiǎn)異常狀態(tài)[10]，對(duì)這種狀態(tài)采用瞬時(shí)短路保護(hù)。電流保護(hù)算法流程圖如圖3所示。

圖3 電流保護(hù)算法流程圖

如圖3所示，通過(guò)對(duì)電路電流進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，通過(guò)對(duì)電流數(shù)據(jù)進(jìn)行分析來(lái)對(duì)斷路器進(jìn)行控制，以下為針對(duì)不同方面進(jìn)行的詳細(xì)分析。

長(zhǎng)時(shí)過(guò)載保護(hù)狀態(tài)設(shè)計(jì)：這種情況為解決電路中電流雖然超過(guò)額定電流，但是時(shí)間不長(zhǎng)，本文設(shè)定當(dāng)過(guò)載時(shí)間

(1)

式中：Q0為一個(gè)確定的能量數(shù)值；K1為數(shù)據(jù)采用系數(shù)，由于電流高低對(duì)于電路的危害程度是不同的，因此本文K1選取0.8；I(t)為實(shí)時(shí)電流數(shù)據(jù)；R為電路的電阻，為定值。

短時(shí)短路保護(hù)狀態(tài)設(shè)計(jì)：對(duì)于這種電流較小的情況，延遲斷開的時(shí)間t2應(yīng)該更小，因此對(duì)于t2的計(jì)算公式如式(2)所示。

(2)

式中：K2為數(shù)據(jù)采用系數(shù)，由于電流高對(duì)于電路有更高的危害程度，因此本文K2選取1.2。

瞬時(shí)短路保護(hù)狀態(tài)設(shè)計(jì)：對(duì)于這種因?yàn)殡娐范搪吩斐呻娏魉查g增大，當(dāng)電流>I3時(shí)，整個(gè)電路已達(dá)到極限，需要斷開電路。但是由于電器啟動(dòng)、電路測(cè)量失誤等原因可能會(huì)產(chǎn)生時(shí)間極短的大電流，對(duì)于這樣持續(xù)時(shí)間<0.5 s的大電流現(xiàn)象，不應(yīng)斷開斷路器。因此，本文對(duì)這種大電流現(xiàn)象進(jìn)行持續(xù)時(shí)間測(cè)量，如果時(shí)間>0.5 s就立刻斷開斷路器。

跨越多狀態(tài)情況設(shè)計(jì)：在正常的生產(chǎn)生活中，電路中的電流會(huì)隨著時(shí)間不斷變化，因此電流數(shù)據(jù)不一定一直處于一個(gè)狀態(tài)，可能會(huì)從一種狀態(tài)變化到另一種狀態(tài)。因?yàn)樗矔r(shí)短路狀態(tài)持續(xù)時(shí)間>0.5 s時(shí)斷路器就會(huì)斷開，不會(huì)影響其他兩種狀態(tài)，因此其中主要是長(zhǎng)時(shí)過(guò)載狀態(tài)和短時(shí)短路狀態(tài)之間產(chǎn)生跨越現(xiàn)象。對(duì)于這種現(xiàn)象延遲時(shí)間計(jì)算如式(3)。

(3)

如式(3)所示，把電路連續(xù)所產(chǎn)生的熱量與相關(guān)系數(shù)相乘達(dá)到Q0就需要斷開斷路器。

3 低壓斷路器能耗優(yōu)化

3.1 低壓斷路器功耗模型

通過(guò)對(duì)國(guó)際電工標(biāo)準(zhǔn)查找可以得出斷路器的相關(guān)信息，斷路器內(nèi)部功耗計(jì)算公式如式(4)所示。

(4)

式中：k為極數(shù)；P為相極數(shù)；ΔU為電壓的變化量;In為低壓斷路器的額定電流。又由于ΔU=InZ，其中Z為電路的阻抗。通過(guò)式(4)可得功耗、電流和阻抗的關(guān)系式，如式(5)所示。

(5)

在式(5)中，由于阻抗由電阻和電抗構(gòu)成，并且本文主要分析電流和電阻相關(guān)的問(wèn)題，因此式(5)可以表示為式(6)。

(6)

(7)

通過(guò)式(7)以及假設(shè)單個(gè)接觸點(diǎn)的耗材為m，就可以建立斷路器的能耗函數(shù),如式(8)所示。

(8)

式中：r1、r2為該函數(shù)的懲罰性因子，一般取值為0.02～0.20。

3.2 改進(jìn)自適應(yīng)慣性權(quán)重POS算法

自適應(yīng)慣性權(quán)重POS算法是一種通過(guò)對(duì)粒子搜索范圍結(jié)果進(jìn)行求解，通過(guò)這種方式去尋求全局最優(yōu)解的一種方法，其中自適應(yīng)慣性權(quán)重算法公式如式(9)所示。

(9)

式中:vi、xi為當(dāng)前這個(gè)粒子的移動(dòng)速度以及其所處的位置；vi+1、xi+1為進(jìn)行傳遞的下一次的粒子移動(dòng)速度以及其所處的位置；φ1、φ2為使系統(tǒng)加速迭代的因子，一般取值為φ1=φ2=2；xi+1為每一次粒子的迭代更新,xi+1=xi+vi+1。

對(duì)于自適應(yīng)PSO算法首先需要求解當(dāng)前時(shí)間粒子與每個(gè)粒子的平均距離，如式(10)所示。

(10)

式中：N為群體中所擁有的總粒子數(shù)量；D為單個(gè)粒子所擁有的獨(dú)立參數(shù)數(shù)量。完成平均距離計(jì)算后進(jìn)行計(jì)算粒子的適應(yīng)度，是計(jì)算一種因素組合構(gòu)建的斷路器能耗情況，其適應(yīng)因子f表達(dá)式如式(11)所示。

(11)

式中:dmax和dmin分別為斷路器配置種類能耗的最大偏差和最小偏差。在算法中利用模糊分類思想對(duì)不同的粒子分散情況選取不同的權(quán)重，其權(quán)重分配方法如式(12)所示。

(12)

如式(12)所示:當(dāng)粒子比較分散，就是f較大時(shí)，選取的權(quán)重接近0.9；當(dāng)f的值接近0時(shí)，選取的權(quán)重為0.4；當(dāng)介與兩者之間時(shí)就需要進(jìn)行自適應(yīng)尋優(yōu)。

4 模擬仿真試驗(yàn)

在本次試驗(yàn)中采用的仿真試驗(yàn)環(huán)境的參數(shù)設(shè)置為：選用Windows 10作為操作系統(tǒng)平臺(tái)，MATLAB2020為仿真軟件，設(shè)置計(jì)算機(jī)內(nèi)存為5G，Intel Xeon W-2145 CPU 3.70 GHz。

4.1 電流保護(hù)模擬試驗(yàn)仿真

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的電流保護(hù)算法合理性，本次試驗(yàn)選取某一斷路器以0.1 s為間隔，采集到的電流變化曲線圖如圖4所示。

圖4 電流變化曲線圖

圖4所示為在某斷路器處采集的電流數(shù)據(jù)，本次試驗(yàn)采用傳統(tǒng)的自適應(yīng)三段電流保護(hù)檢測(cè)方法和本文設(shè)計(jì)電流保護(hù)檢測(cè)方法進(jìn)行比較，對(duì)于傳統(tǒng)的檢測(cè)方法對(duì)電路進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，只要電流>I3，斷路器就會(huì)執(zhí)行斷路器功能，而在本文設(shè)計(jì)的算法中會(huì)對(duì)電流作用時(shí)間進(jìn)行判斷，持續(xù)時(shí)間<0.5 s的這種電信號(hào)并不會(huì)觸發(fā)斷路，這樣可以有效避免斷路器的誤操作。檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1 不同檢測(cè)方法

如表1所示，通過(guò)兩種方法對(duì)電流數(shù)據(jù)分析的結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)兩種方法的區(qū)別是在第三分鐘的一次信號(hào)，該次信號(hào)電流非常大。因此傳統(tǒng)三段保護(hù)測(cè)量方法認(rèn)為這里應(yīng)該執(zhí)行斷路，但是電流持續(xù)時(shí)間<0.5 s，因此該處不應(yīng)該斷路。

4.2 斷路器參數(shù)優(yōu)化

本次參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)對(duì)4 000 A的四相斷路器的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)于該品種的斷路器有一些約束，其中相關(guān)參數(shù)范圍的設(shè)置如表2所示。

表2 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

圖5 斷路器能耗優(yōu)化

如表2所示設(shè)計(jì)的斷路器參數(shù)范圍，采用三種PSO算法進(jìn)行分析。模擬試驗(yàn)進(jìn)行的尋優(yōu)迭代曲線如圖5所示。

如圖5所示，本文設(shè)計(jì)的自適應(yīng)PSO算法僅進(jìn)行12步迭代，就搜尋到了全局最優(yōu)解，能夠比其他兩種算法更快速搜尋到最優(yōu)解。通過(guò)對(duì)自適應(yīng)慣性權(quán)重PSO算法記性優(yōu)化，結(jié)果參數(shù)如表3所示。

如表3所示，通過(guò)該模擬仿真試驗(yàn)進(jìn)行的迭代計(jì)算可以得出該種斷路器最小的能耗。其最小能耗為777.2 W，對(duì)于常見(jiàn)的4 000 A的四相低壓斷路器其能耗為790 W,與本文優(yōu)化的斷路器相比，能耗和材料消耗有明顯的下降。其中能耗約降低了2%，材料消耗降低了約4%?？梢?jiàn)，通過(guò)本文的算法可以較好地降低低壓斷路器對(duì)材料和能源的消耗。

表3 斷路器優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)一種物聯(lián)網(wǎng)型低壓斷路器結(jié)構(gòu)，該設(shè)計(jì)不但具有保護(hù)功能，同時(shí)具有電壓、電流、功率和電量等線路電氣量的測(cè)量功能。對(duì)斷路器狀態(tài)變化，線路諧波、電壓閃變、接頭溫度和設(shè)備壽命具有感知能力。這種物聯(lián)網(wǎng)型塑殼斷路器可以更方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)的感知和控制，有利于智能電網(wǎng)的發(fā)展。雖然本文有一定的技術(shù)創(chuàng)新性，但是仍舊存在很多不足，需要進(jìn)一步的探索和研究。