周啟文，朱炳銓，劉云飛，余 越，韓 彬，潘武略

（1.南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102；2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司，杭州 310007；3.電網(wǎng)安全與節(jié)能國家重點實驗室（中國電力科學(xué)研究院），北京 100192）

0 引言

近年來，隨著我國電力建設(shè)的持續(xù)發(fā)展、用電負荷的不斷增加以及各大區(qū)交直流電網(wǎng)的緊密互聯(lián)，電力系統(tǒng)短路電流水平不斷升高，嚴重威脅斷路器開斷能力。目前短路電流超標問題已經(jīng)成為“長三角”“珠三角”等負荷密集地區(qū)以及西北等電源密集地區(qū)的共性問題［1-3］，研究短路電流限制方法對保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行具有重要意義。

從原理上講，限制短路電流主要是通過增大故障點等值短路阻抗來實現(xiàn)的，常規(guī)手段主要有3種。一是改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或運行方式［4-6］，但可能導(dǎo)致電網(wǎng)結(jié)構(gòu)變化較大，犧牲了電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的完整性，對系統(tǒng)運行帶來負面影響。二是加裝限流電抗器［7］，主要有串聯(lián)電抗器、分裂電抗器等。限流電抗器雖然可以有效降低短路電流水平，但可能導(dǎo)致潮流分布不均，影響電網(wǎng)高效運行；同時高電壓等級限流電抗器占地面積較大、造價昂貴，對于負荷中心變電站，受場地限制改造困難，難以實施。三是采用故障限流器，故障限流器技術(shù)方案［8-11］有數(shù)十種之多，其中基于超導(dǎo)材料、固態(tài)器件、串聯(lián)諧振電路的故障限流器能較好地兼顧系統(tǒng)正常運行和限制短路電流，但受技術(shù)成熟度、經(jīng)濟性等因素制約，工程應(yīng)用不多，特別是在220 kV 及以上高電壓等級電網(wǎng)應(yīng)用較少。目前基于電磁斥力操作機構(gòu)的高速開關(guān)技術(shù)成為故障限流器的研究熱點［12-15］，高速開關(guān)可在數(shù)毫秒內(nèi)實現(xiàn)分閘，采用高速開關(guān)動態(tài)投退限流電抗器以限制短路電流的方法已有工程示范應(yīng)用［16-20］，并取得了良好的限流效果，但因設(shè)備總體投資過高限制了其大規(guī)模推廣。文獻［21］采用斷線限流策略和高速開關(guān)技術(shù)，提出了基于高速開關(guān)和拓撲動態(tài)調(diào)整思想的短路電流限制方法，并分析了短路電流限制原理、對系統(tǒng)的影響以及高速開關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，為短路電流抑制問題提供了新的解決方案，但并未對所述方法的核心設(shè)備之一的控制系統(tǒng)作進一步研究。故障限流控制系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵在于其動作的快速性，與常規(guī)繼電保護相比，其動作時間必須足夠小且具備充分的裕量，這也意味著常規(guī)繼電保護裝置的軟硬件設(shè)計方案和基于傅氏變換的故障檢測識別方法不再適用。

針對如何實現(xiàn)故障限流控制系統(tǒng)速動性這一關(guān)鍵問題，本文在分析分段接線拓撲動態(tài)調(diào)整方法的基礎(chǔ)上設(shè)計了基于高速數(shù)據(jù)處理和FT3 通信方案的控制系統(tǒng)架構(gòu)，解決了常規(guī)繼電保護裝置計算能力不足和通信延時大的問題，并提出基于卡爾曼狀態(tài)估計的故障快速識別和相控開斷方法，縮短故障檢測時間和高速開關(guān)燃弧時間，最后通過RTDS（實時數(shù)字仿真）試驗對控制系統(tǒng)進行了驗證。

1 分段接線拓撲動態(tài)調(diào)整方法

1.1 拓撲動態(tài)解列

基于拓撲動態(tài)調(diào)整的故障限流方法基本原理是：在正常運行期間系統(tǒng)保持正常拓撲，發(fā)生故障后通過高速開關(guān)快速動態(tài)調(diào)整系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)，增大系統(tǒng)聯(lián)系阻抗，從而降低故障點短路電流水平。

圖1給出了拓撲動態(tài)調(diào)整方法的基本原理，其中z1和z2分別為電源S1和S2的等效阻抗，z3為節(jié)點p 和節(jié)點q 之間的直接連接阻抗，z4為節(jié)點p 和節(jié)點q 之間除z3外通過其他路徑合環(huán)的等效轉(zhuǎn)移阻抗，K為拓撲調(diào)整高速開關(guān)。當節(jié)點p和節(jié)點q分別為同一變電站的兩條分段母線時，K 為分段開關(guān)，z3=0；當節(jié)點p和節(jié)點q分別為相鄰變電站母線時，K為線路開關(guān)，z3為聯(lián)絡(luò)線阻抗。

圖1 基于拓撲動態(tài)調(diào)整的故障限流基本原理

正常運行方式下高速開關(guān)K 閉合，系統(tǒng)合環(huán)運行；當節(jié)點p所聯(lián)線路出口發(fā)生短路故障時，高速開關(guān)K 快速分斷改變系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)，使電源S2對故障點的轉(zhuǎn)移阻抗從z2+z3||z4迅速增大至z2+z4，從而降低電源S2支路饋入故障點的短路電流，限流起效后由常規(guī)斷路器動作切除故障。

本文主要研究分段接線場合采用拓撲動態(tài)調(diào)整抑制短路電流的方法。當p側(cè)母線、線路出口或者主變壓器低壓側(cè)任意點發(fā)生故障時，分段電流（單分段接線）或其矢量和（雙分段接線）表征了q側(cè)電源及其部分支路對故障點短路電流的貢獻；同樣地，q側(cè)故障時分段電流或其矢量和表征p側(cè)饋入故障點的短路電流。因此分段電流或其矢量和過流可作為高速開關(guān)解列動作判據(jù)。

1.2 拓撲自動恢復(fù)

從提高電力系統(tǒng)自動化、智能化水平的角度，故障切除后拓撲調(diào)整開關(guān)需要自動恢復(fù)到故障前狀態(tài)以確保系統(tǒng)供電可靠性。對于雙分段接線，由于同時控制多個拓撲調(diào)整開關(guān)，各個開關(guān)之間需遵循一定的同期和順控流程，針對分段接線設(shè)計了高速開關(guān)的拓撲恢復(fù)方案，具體流程如圖2所示。

圖2 單個拓撲調(diào)整開關(guān)自動并列流程

故障限流時各個高速開關(guān)同時解列，然后分別按照各自設(shè)定的時序依次恢復(fù)，在解列成功且重合充電完成的條件下啟動并列程序，經(jīng)過設(shè)定延時后判斷前序開關(guān)已并列且檢同期成功時，發(fā)出并列指令，若重合于故障則再次解列，若未重合于故障則并列完成。在整個流程中持續(xù)檢測其充電狀態(tài)，當出現(xiàn)保護閉鎖、重合于故障等放電條件時立即放電，以閉鎖并列流程。

2 故障限流控制系統(tǒng)

2.1 控制系統(tǒng)速動性要求

拓撲動態(tài)調(diào)整方法實現(xiàn)的關(guān)鍵在于高速開關(guān)與故障區(qū)域常規(guī)斷路器的時序配合，圖3給出了常規(guī)斷路器和高速開關(guān)的動作時序示意，從故障發(fā)生到短路電流開斷的整體動作時間均包括保護控制時間、分閘時間和燃弧時間3部分。

圖3 常規(guī)斷路器和高速開關(guān)的動作時序

為達到限制常規(guī)斷路器開斷短路電流的目的，高速開關(guān)最晚必須在常規(guī)斷路器觸頭剛分之前完全開斷，同時拓撲自動恢復(fù)時間應(yīng)躲過故障完全切除的最長時間（考慮重合閘時間和后備保護時間），即滿足：

式中：trelay、topen、trecls分別為常規(guī)斷路器動作時序的保護控制時間、分閘時間和重合閘時間；分別為高速開關(guān)動作時序的保護控制時間、分閘時間、燃弧時間和重合閘時間。

目前常規(guī)高壓繼電保護和斷路器分閘時間之和一般在20～40 ms，因此要求拓撲動態(tài)解列必須在短路電流的第一個周波內(nèi)完成。

2.2 高速解列控制架構(gòu)

為滿足故障限流控制速動性要求，必須從降低鏈路傳輸延時和減小故障檢測時間兩方面實現(xiàn)動作加速，與常規(guī)斷路器動作時間拉開級差。

表1給出了保護控制系統(tǒng)主要環(huán)節(jié)及其延時來源，對于常規(guī)交流繼電保護裝置，采樣率一般為1.2 kHz，中斷周期為833 μs，出口環(huán)節(jié)一般采用出口繼電器硬接線方式，響應(yīng)時間通常在數(shù)毫秒，數(shù)據(jù)采集、處理和傳輸能力在一定程度上限制了其動作速度。

表1 保護控制系統(tǒng)主要環(huán)節(jié)及其延時來源

在現(xiàn)代電網(wǎng)智能化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢下，針對常規(guī)交流繼電保護裝置動作時間慢的問題，本文提出了滿足拓撲動態(tài)調(diào)整方法的高實時性控制裝置技術(shù)方案。故障限流控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示，采用高性能DSP（數(shù)字信號處理器）、大容量FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）和多信道高速總線技術(shù)提高裝置性能，其中采樣率為10 kHz，DSP 中斷執(zhí)行周期為100 μs，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速同步處理，降低采樣和計算環(huán)節(jié)的延時。同時，為提高動作出口速度，控制裝置與拓撲調(diào)整高速開關(guān)本體控制回路之間采用光纖點對點FT3 協(xié)議通信，波特率為10 Mbps，下行高速開關(guān)分合閘指令，上行本體狀態(tài)監(jiān)視信號，從而實現(xiàn)動作指令在100 μs 內(nèi)的可靠即時傳輸，大大縮短了鏈路傳輸延時。

圖4 故障限流控制系統(tǒng)架構(gòu)

對于高速開關(guān)本體控制回路，采用脈沖功率技術(shù)驅(qū)動電磁斥力機構(gòu)實現(xiàn)高速分閘，其中脈沖功率驅(qū)動模塊同樣采用FPGA 實現(xiàn)FT3 動作指令編解碼并控制儲能回路晶閘管開關(guān)快速放電。同時高速開關(guān)保留常規(guī)操作回路，作為保護、測控裝置的接口。

2.3 故障快速識別技術(shù)

對于過流檢測判據(jù)，本文采用快速啟動的卡爾曼狀態(tài)估計算法進行電流狀態(tài)估計?？柭鼱顟B(tài)估計是一種基于一階馬爾科夫模型的貝葉斯估計，包括預(yù)測和更新兩個過程。假設(shè)系統(tǒng)動態(tài)方程表示為：

式中：下標k為第k個計算時刻；Xk為n×1 維的狀態(tài)向量；Zk為m×1維的量測向量；Φk/k-1、Hk為已知的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，分別為n×n維的狀態(tài)一步轉(zhuǎn)移矩陣、m×n維的量測矩陣；Wk為l×1維的過程噪聲向量；Vk為m×1維的量測噪聲向量，兩者都是零均值的高斯白噪聲向量序列，且它們之間互不相關(guān)。

線性卡爾曼估計由式（3）進行遞推求解：

通過卡爾曼狀態(tài)估計方程可以遞推求解出短路電流基波分量幅值I1、初相角φ1、直流分量I0、衰減時間常數(shù)τ以及各次諧波含量，進而通過基波分量幅值I1和過流判據(jù)快速識別故障。同時相控開斷技術(shù)通過預(yù)測故障電流過零點以控制高速開關(guān)動作時刻，可有效控制燃弧時間，減小觸頭電侵蝕，提高開斷能力，并且對于提高高速開關(guān)的可靠性和延長壽命具有十分重要的意義。因此，通過短路電流基波分量幅值I1、初相角φ1、直流分量I0、衰減時間常數(shù)τ以及各次諧波含量可以重構(gòu)短路電流波形，進而預(yù)測過零點以實現(xiàn)燃弧時間的精準調(diào)控。

卡爾曼狀態(tài)估計中P0、Q、R等參數(shù)將對狀態(tài)估計性能產(chǎn)生影響。協(xié)方差矩陣P0表示系統(tǒng)對初始狀態(tài)X0的置信度，由于通常X0無法準確獲取，P0取值應(yīng)盡量大，以加快狀態(tài)估計過程的收斂速度，取P0=κ×diag（a1，a2…an），其中κ為常數(shù)。協(xié)方差矩陣Q表示模型誤差，例如模型的線性化、離散化誤差等；協(xié)方差矩陣R為量測誤差，與傳感器的特性相關(guān)。這兩個參數(shù)通過影響卡爾曼增益K的值，進而影響預(yù)測值和量測值的權(quán)重。在無法確切知道P0、Q、R的準確值先驗信息的情況下，應(yīng)適當增大Q的取值，以增大對實時量測值的利用權(quán)重，進而根據(jù)準確度、動態(tài)性能等要求進行調(diào)整。

卡爾曼算法涉及矩陣運算，在嵌入式系統(tǒng)中對硬件計算能力提出了很高的要求。然而，從卡爾曼狀態(tài)估計方程可以看到，在初始條件確定的情況下，式（3）中矩陣Pk/k-1、Kk、Pk的計算僅由系統(tǒng)參數(shù)Φk/k-1、Hk、Qk、Rk決定，與量測值Zk無關(guān)，因此可以采用離線+在線的計算策略，預(yù)先對卡爾曼增益Kk和量測矩陣Hk進行離線計算，計算結(jié)果作為宏參數(shù)保存在內(nèi)存中，當系統(tǒng)實時運行時直接調(diào)用，不同通道的狀態(tài)計算過程可以復(fù)用參數(shù)。進一步地，取狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣Φk/k-1為單位矩陣，卡爾曼狀態(tài)估計方程的在線實時計算過程可以簡化為僅對式（3）方程組中的方程4 進行遞推求解。式（4）給出了電流狀態(tài)具體計算過程，根據(jù)式（4）可計算得到電流基波幅值和相位等特征量。可以看到，電流每個狀態(tài)量計算平均僅需兩次加法和兩次乘法，大大減少了運算量。

3 RTDS試驗驗證

結(jié)合某500 kV變電站200 kV雙母雙分段接線場合示范應(yīng)用，通過RTDS 試驗驗證拓撲動態(tài)調(diào)整方法的限流效果以及控制系統(tǒng)的有效性。試驗?zāi)Ｐ腿鐖D5所示，拓撲調(diào)整高速開關(guān)布置于1號分段和2號分段位置，替換原常規(guī)分段斷路器，其中主變壓器（以下簡稱為“主變”）容量3×750 MVA，1號主變連接Ⅰ母Ⅰ段，2號主變連接Ⅱ母Ⅰ段，3號主變連接Ⅰ母Ⅱ段。正常運行時，母聯(lián)分段開關(guān)均處于閉合狀態(tài)，系統(tǒng)合環(huán)運行，供電可靠性不受影響；分段電流之和過流后，作為拓撲動態(tài)調(diào)整元件的分段高速開關(guān)迅速動作，在故障區(qū)域常規(guī)斷路器分閘前可靠開斷，從而降低故障區(qū)域常規(guī)斷路器開斷短路電流水平。

圖5 220 kV雙母雙分段典型接線結(jié)構(gòu)

圖6展示了拓撲動態(tài)調(diào)整前，后流經(jīng)各支路的短路電流?？梢钥闯?，拓撲調(diào)整前，線路出口F1點和F2點故障時流經(jīng)相應(yīng)線路斷路器的短路電流最大達到了51.1 kA，超過所裝設(shè)斷路器的遮斷容量；主變低壓側(cè)F3 點和母線F4 點故障時，對應(yīng)斷路器短路電流均在40 kA以下；兩組分段高速開關(guān)解列后將Ⅰ段和Ⅱ段母線隔離，F(xiàn)1點和F2點故障時流經(jīng)斷路器的短路電流均有不同程度的降低，分別降至41.0 kA 和15.3 kA。由于故障時流經(jīng)分段的短路電流僅由部分電源提供，其中F2故障時流經(jīng)1 分段的最大短路電流僅為24.1 kA，遠低于拓撲調(diào)整開關(guān)開斷能力。

圖6 拓撲動態(tài)調(diào)整前后流經(jīng)各支路的短路電流

由于故障合閘相位隨機發(fā)生，短路電流衰減直流分量不可預(yù)知，給定值整定帶來困難。根據(jù)短路電流仿真波形，對比分析了全波傅氏算法、半波傅氏算法和卡爾曼狀態(tài)估計算法3種故障識別算法的效果。圖7給出了原始短路電流采樣波形和3 種故障識別算法提取的短路電流交流分量幅值，其中短路電流首半波為小半波?？梢钥闯觯喝ǜ凳纤惴ㄐ枰?個周波以上的時間才能計算出短路電流交流分量幅值，半波傅氏算法的響應(yīng)時間有所減小，最小可以達到10 ms，但兩種算法均無法消除衰減直流分量的影響，衰減直流分量越大，響應(yīng)時間相應(yīng)也越長。對于卡爾曼狀態(tài)估計算法，計算結(jié)果不受衰減直流分量的影響，最大在3～5 ms之內(nèi)即可遞推求解出準確的短路電流交流分量幅值。

圖7 短路電流及不同算法下的交流分量幅值波形

通過相控開斷算法控制高速開關(guān)燃弧時間，考慮控制高速開關(guān)燃弧時間為5 ms，檢測到相電流過流后控制裝置根據(jù)預(yù)測的短路電流過零點和預(yù)設(shè)的燃弧時間計算等待延時，經(jīng)過等待延時后分別發(fā)出三相出口信號，控制高速開關(guān)分閘。圖8為三相故障時的短路電流和控制裝置發(fā)出的三相高速開關(guān)動作出口信號?？梢钥闯觯簭膭幼餍盘柊l(fā)出到實際短路電流開斷之間的時間間隔分別為4.8 ms、4.9 ms、4.9 ms，即最大相控誤差不超過0.2 ms，其中A相和B相首半波為大半波，高速開關(guān)在首半波過零點開斷，C 相首半波為小半波且不足5 ms，因此需要等待至故障發(fā)生后20 ms時刻開斷。此時若不采用相控開斷算法，C 相高速開關(guān)將遭受長燃弧時間，對其可靠性和壽命會產(chǎn)生不利影響。

圖8 三相短路電流及其動作信號

4 結(jié)語

1）針對母線分段接線本文提出了基于拓撲動態(tài)調(diào)整的短路電流抑制以及拓撲自動恢復(fù)方案。

2）針對拓撲動態(tài)調(diào)整方法的速動性約束，從控制回路的各個環(huán)節(jié)出發(fā)提出了高實時性控制技術(shù)方案，以及基于卡爾曼狀態(tài)估計的故障快速識別和相控開斷方法，有效提高了控制系統(tǒng)動作速度，減小了高速開關(guān)燃弧時間。

3）通過RTDS 試驗驗證了基于拓撲動態(tài)調(diào)整的限流方法以及控制系統(tǒng)速動性和相控開斷算法的有效性。

4）基于拓撲動態(tài)調(diào)整的故障限流方法在實際雙母雙分段接線下的短路試驗驗證有待開展，同時本文所提的方法在線路等其他場合中的應(yīng)用也有待進一步研究。