电力系统继电保护装置短路电流平抑技术.pdf

0引言随着电网建设速度不断加快、相关电力系统建设规模逐步扩大，不同电压等级的网络对应的环网联系密切程度越来越高1-2。此外，从变电站的角度看，其容量和负荷密度也呈现出迅猛增长的发展趋势。在此背景下，电网各节点处的短路电流超标现象愈发严重，电力系统继电保护装置面临的运行压力也随之增大3。为了最大限度地降低局部短路对整体电网环境造成的影响，用于对短路电流进行平抑的技术成为研究热点。赵鹏翔4等在综合需求响应分析的基础上，提出一种以大学城综合能源系统为基础的尖峰负荷平抑方法，该方法在一定程度上实现了对峰值负荷参数的平抑，但对于处置异常状态的效果并未进行深入的研究。林莉等5以混合储能的风电功率波动控制为核心目标，利用SOC（荷电状态）自恢复机制，设计对应的平抑方法，在一定程度上实现了对风电功率波动的有效控制，但仍存在适应性偏低的问题。孙乾等6以“风储荷”联合单元为研究对象，以事件优化理论为基础，设计一种最优平抑控制方法，达到了降低电流波动幅度的目的，但该方法的在应用范围方面存在一定的局限性。由此可知，进一步加深对平抑技术的研究对于电力系统而言具有重要的现实意义。本文提出一种电力系统继电保护装置短路电流平抑技术，并搭建具体的测试环境，采用对比测试的方式分析、验证该技术的应用性能及应用效果。1设计方案1.1模型构建要实现对电力系统继电保护装置短路电流的有效平抑控制，明确继电保护装置短路电流与不同状态参数之间的关系极为重要。为研究继电保护装置的性能和特性，本文创建了一个数学模型，在保持继电保护装置运行环境参数不变的前提下，将继电保护装置的电路结构转化为理想电流源与二极管并联的形式，这种转化可以简化电路结构，更精确地描述电路中的电流分布和流向。理想电流源模拟继电保护装置的输出电流，并联的二极管用于模拟电路中的非线性元件和反向电流。利用数学模型可以对继电保护装置的性能进行定量分析和评估7。本文构建的继电保护装置等效电路结构如图1所示。图1中，Iph被等效为继电保护装置电路中的恒流源电流参数，在实际的运行过程中，设置电流输出值保持恒定不变的状态；Id表示二极管内部P-N结电力系统继电保护装置短路电流平抑技术张宝庚（海洋石油工程股份有限公司，天津 300461）摘要：由于电力系统继电保护装置之间的运行机制具有关联性，因此在对短路电流进行平抑处理时，效果很难得到保障。为解决此问题，文章提出电力系统继电保护装置短路电流平抑技术。在保持继电保护装置运行环境参数不变的前提下，将继电保护装置的电路结构转化为理想电流源与二极管并联的形式，并构建继电保护装置的数学模型，分析继电保护装置运行参数之间的关系；根据不同类型电能传输下对继电保护装置不同程度的扰动在响应速度方面呈现出的差异，采用以低通滤波器为基础的异常电流分配策略，确定短路电流吸收/释放的总补偿量。测试结果表明，短路电流平抑技术可以控制不同程度的短路电流，在短时间内将电流的波动范围控制在设备运行允许的区间范围内。关键词：继电保护装置；短路电流；平抑技术；低通滤波器；异常电流分配中图分类号：TP27文献标识码：A文章编号：1674-0688（2023）09-0068-04【作者简介】张宝庚，男，天津人，任职于海洋石油工程股份有限公司，工程师，研究方向：电气工程。【引用本文】张宝庚.电力系统继电保护装置短路电流平抑技术 J.企业科技与发展，2023（9）：68-70，80.张宝庚.电力系统继电保护装置短路电流平抑技术企业技术实践68的电流参数信息；Rs表示继电保护装置内部的并联电阻参数，当继电保护装置处于理想运行状态时，对应的并联电阻可以理解为无穷大；Ish为对应并联电阻中通过的电流，Rsh为继电保护装置的串联内阻，由继电保护装置内部的导电材料和电极组成，当继电保护装置处于理想运行状态下时，串联内阻为0；I和U分别表示流过继电保护装置负载的电流参数和空载状态下继电保护装置的电压参数8。基尔霍夫电流定律是计算电路中各分支电流的一个重要原理，根据该定律，电路中任意节点的电流总和等于进入节点的电流总和。本文将基尔霍夫电流定律应用于计算继电保护装置的负载电流参数，通过对电路进行节点分析和电流平衡方程的求解计算出继电保护装置所处电路中各个分支的这些电流值，即可获得继电保护装置所需的负载电流参数。计算公式可以表示为I=Iph-Id-Ish（1）其中，二极管内部 P-N 结的电流参数信息可以表示为Id=I eqAKT(IRs+U)-1（2）其中：Id表示通过继电保护装置内部的反向饱和电流参数，A表示常数因子，其具体的取值取决于实际继电保护装置的材料配置，K表示玻尔兹曼常数，T表示继电保护装置内部的导电材料的热力学温度参数，q表示在继电保护装置运行的过程中通过二极管的电荷量。按照上述所示的方式，实现对继电保护装置模型的构建，为后续的短路电流平抑提供可靠的执行基础。需要注意的是，不同的继电保护装置在实际运行阶段对客观环境的适应性不同，因此具体的电阻和电流参数信息可能与设置值存在不同程度的差异。在实际的模型构建过程中，可以通过实际测量采集的方式确定精准的参数信息，最大限度地保障构建模型的可靠性及其在短路电流平抑阶段的应用价值。1.2继电保护装置短路电流平抑本文对断流电流进行平抑处理时，结合构建的装置模型，充分考虑混合供电阶段对继电保护装置短路电流的控制要求，从实际需求的角度出发，使实时分配电流与能量型电能传输和功率型电能传输间建立起关联。其中，最终的平抑效果不仅与控制策略的优劣直接相关，还与整个继电保护装置甚至是电力系统是否可以安全、稳定地运行密切相关。通过分析负载波动电流的频谱信息，发现具体的频率集中域分布情况。这些频率集中域反映了负载电流波动的主要成分和周期性变化，为后续的电流分配和保护策略的制定提供了依据。结合不同类型的电能传输情况，继电保护装置在响应速度方面呈现出差异性。例如，在高频率的电能传输中，需要快速响应并触发适当的保护动作；在低频率的电能传输中，可以通过适度降低响应速度提高稳定性。为实现对短路电流的初步分配，本文提出基于低通滤波器的异常电流分配策略。通过将负载电流信号进行低通滤波处理，消除高频噪声和干扰，保留低频成分，可有效地识别负载电流中的异常波动9。该策略基于算路电流波动曲线中的频率集中域分布情况，能够更准确地分配短路电流的承担比例，实现继电保护装置各部分之间的均衡负载，提高系统的可靠性和稳定性。本文以基本RC电路为例，推导一阶低通滤波器的基础理论，具体的计算方式为RCdU0dt+U0=IdRs（3）其中：RC表示继电保护装置RC电路系数，即低通滤波器的一阶低通滤波系数；U0表示额定运行状态下继电保护装置RC电路的电压参数，一般情况下，该参数为继电保护装置出厂阶段的设置值，部分长期运行的继电保护装置也可能会出现不同程度的波动10，考虑该部分影响对于U0而言微乎其微，因此本文对其忽略不计。低通滤波器对短路电流的吸收/释放的总补偿量的计算方式可以表示为I(t)=RCdU0dtI（4）其中：I(t)表示低通滤波器对短路电流的吸收/释放的总补偿量，I表示继电保护装置短路电流与额定电流之间的差值。+-RsIIshIdIphRshUUIIdRsRshIshIph+-图1继电保护装置等效电路结构示意图企业科技与发展，2023年，第9期，总第503期69按照上述方式，即可实现对继电保护装置短路电流的平抑处理。2应用测试2.1测试环境设置在分析电力系统继电保护装置短路电流平抑技术实际应用效果的过程中，本文将KP500A继电保护装置作为具体的测试对象。为便于后续的平抑效果分析，在KP500A继电保护装置中嵌入高性能数字信号处理器，借助其极强的数据处理、逻辑运算和信息存储能力，准确地输出KP500A继电保护装置的设计运行状态参数。在此基础上，分析KP500A继电保护装置的配置情况，其全封闭金属机箱具有很强的抗静电、抗电磁干扰、抗机械振动能力，因此可以最大限度地降低测试工程中干扰因素对测试结果的影响，保障测试结果的可靠性和准确性。在工艺上，KP500A 继电保护装置采用表面贴工艺，重要器件（如电源模块、互感器、继电器、液晶显示器、接线端等）的平均无故障时间可以达到 100 000 h以上。此外，KP500A继电保护装置还具有完善的自检能力，当装置存在异常时，能自动告警。KP500A继电保护装置运行参数配置情况见表1。表1KP500A继电保护装置运行参数配置情况配置电源电压范围（V）电源频率范围（Hz）电源正常功耗（W）电源最大功耗（W）电源电源跌落（ms）电源输入保险（A）电源隔离耐压（kV）参数85264（AC或DC）407010.020.0200.04.03.0配置回路额定电流（A）回路功率消耗（VA）回路过载能力回路隔离耐压（kV）回路分析电压回路分析功率参数5 02倍额定电流：连续工作；10倍额定电流：允许10 s；40倍额定电流：允许1 s4250 VAC，220 VDC交流：1 250 VA直流：120 W（电阻性负载）交流：500 V直流：75 W（电感性负载）以表1所示的测试环境为基础，分别设置具体的短路电流为额定电流的3倍（35 A）、5倍（55 A）、10倍（105 A）、20 倍（205 A）、30 倍（305 A）、50 倍（505 A），测试应用本文设计的平抑方法，KP500A继电保护装置是否能在回路过载能力的范围内将电流控制在允许区间范围内 低于2倍额定电流（25 A）。为客观地评价继电保护装置短路电流平抑技术的实际应用效果，本文设计SOC自恢复平抑技术和事件优化理论平抑技术作为测试的对照组，分别测试不同技术的应用效果。2.2测试结果与分析在上述测试环境中，结合表1中KP500A继电保护装置回路过载能力的配置情况，分别以不同平抑技术实施后过载能力允许的最长时间为基准节点，统计高性能数字信号处理器设备显示的KP500A继电保护装置实时回路的电流情况，得到的数据见表2。表2不同技术实时回路电流测试结果对比（单位：A）短路电流强度35 A55 A105 A205 A305 A505 ASOC自恢复平抑技术5.466.117798.649.7910.58事件优化理论平抑技术5.866.647.798.9210.3310.97本文设计平抑技术5.445.625.735.855.926.17从表2的测试结果可以看出，随着短路电流强度的逐渐增大，采用不同平抑技术的效果表现出不同的发展趋势。在 SOC 自恢复平抑技术下，当测试KP500A继电保护装置的短路电流强度不超过额定电流的30倍时，均可以在过载能力允许的最长时间范围内将对应的电流控制在可连续工作的区间范围内，但当短路电流强度达到额定电流的50倍时，作用时间达到过载能力允许的最长时间后的电流达到10.58 A，超出了装置回路可连续工作的阈值（25A）。在事件优化理论平抑技术的测试结果中，整体性能发展趋势与SOC自恢复平抑技术相似，但其在测试KP500A继电保护装置的短路电流强度达到额定电流的30倍时，出现了作用时间达到过载能力允许的最长时间后，电流超过回路可连续工作阈值（10.33 A）的情况。相比之下，本文设计的平抑技术作用时间达到过载能力允许的最长时间后，对应的电流始终稳定在装置回路可连续工作的阈值范围内（25 A），最大值仅为6.17 A。测试结果表明，本文设计的电力系统继电保护装置短路电流平抑技术可以实现对不同程度短路电流的控制，并且能在短时间内将电流的波动控制在设备运行允许的区间范围内。（下转第80页）张宝庚.电力系统继电保护装置短路电流平抑技术703结语升压电机控制系统具有提升系统效率、减少相电流、扩大电机外特性以及能让电机系统与电池解耦等优点，但也存在需要增加Boost模块和成本的问题，因此选取车型时需要综合考虑性能、成本、纯电续航里程、性价比等因素。电机控制器是决定电动汽车动力性和舒适性的关键部件，也是保证整车安全的重要部件。电机控制器的研发主要围绕硬件和软件2个方面开展。将来，电机控制器硬件的发展方向如下：IGBT（绝缘栅双极晶体管）采用新一代SiC高功率半导体；芯片封装采用纳米银烧结工艺；母线电容采用水冷薄膜电容。电机控制器软件的发展趋势如下：基于 ISO26262，不断完善功能与安全要求；提升转矩高控制精度；采用成熟的抖动抑制算法；采用智能化波形控制策略；汽车 OTA（Over-The-Air）能随时随地地进行在线软件系统升级、更新及修补漏洞。4参考文献1 吴剑.并联式混合动力汽车能量管理策略优化研究 D.济南：山东大学，2008.2 余志生.汽车理论 M.北京：机械工业出版社，2018：55-59，88-95.3 刘娜.纯电动汽车电机控制器的现状及发展趋势 J.职大学报，2019（2）：84-86，5.4 王加雪.双电机混合动力系统参数匹配与协调控制研究D.长春：吉林大学，2011.5 高惠民.本田i-MMD混合动力系统PCU和电机的开发 J.汽车维修与保养，2021（10）：68-71.6 尹伟.纯电动汽车电机控制器的研究 D.济南：山东大学，2014.7 苏志彬.高速纯电动汽车电机控制器设计 D.济南：济南大学，2020.3结语为能最大限度地降低异常情况对整体电力系统的影响，对异常参数进行有效的平抑处理极为必要。本文提出的电力系统继电保护装置短路电流平抑技术，在充分考虑电力系统继电保护装置短路电流属性特征的基础上，针对性地设计平抑方法，实现了对异常电流的有效控制。本文对装置短路电流平抑技术的研究与设计，希望能为电力系统的稳定运行提供有益的参考。4参考文献1 王镇林，陈麒宇，张雅静，等.基于混合储能减小平抑功率滞后性的风电平抑策略 J.电力建设，2023，44（9）：149-159.2 秦磊，董海鹰，王润杰.基于卡尔曼滤波和模型预测控制的混合储能平抑风电功率波动策略 J.电网技术，2023，11（5）：1-12.3 毛志宇，李培强，马德鑫，等.基于风功率波动平抑的复合储能两次功率分配容量配置方法研究 J.电网技术，2022，25（40）：1-13.4 赵鹏翔，丛琳，窦真兰，等.基于综合需求响应的大学城综合能源系统尖峰负荷平抑策略J/OL.电测与仪表，（2023-04-21）2023-07-30.https:/ 林莉，林雨露，谭惠丹，等.计及SOC自恢复的混合储能平抑风电功率波动控制 J.电工技术学报，（2023-03-21）2023-07-30.https:/ 孙乾，李翠萍，李江，等.基于事件优化理论的“风储荷”联合单元最优平抑控制策略 J.电力自动化设备，2023（9）：85-92.7 杨炜晨，苗世洪，刘志伟，等.面向分布式电源功率波动平抑的变频空调集群多时间尺度模型预测控制策略 J.电工技术学报，2022，37（19）：4848-4861.8 王苏蓬，张新慧，张军，等.基于WPD-LPF和灰色关联度的混合储能平抑风电波动控制策略 J.可再生能源，2022，40（9）：1241-1248.9 蒋雪怡，徐箭，廖思阳，等.考虑工业用户响应意愿差异性的工业园区多类型负荷协同平抑风电功率波动控制方法J.武汉大学学报（工学版），2022，55（9）：876-885.10 王腾，张新燕，何星柱，等.风储系统风电功率平抑与故障穿越的新型复合功率控制策略 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