基于零點預測的斷路器短路電流實驗設計與方法

顏 寧，榮文帥,2，王義賀，蔡志遠

（1. 沈陽工業大學 電氣工程學院，遼寧 沈陽 110870；2. 新松機器人自動化股份有限公司，遼寧 沈陽 110016；3. 國網遼寧省電力有限公司經濟技術研究院，遼寧 沈陽 110015）

在電力系統整個供電環節當中，斷路器作為最主要的設備之一，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不確定分量，多種不確定性加大了短路電流過零點預測的難度[2-4]。

考慮到預測精度及難度等問題，需要一套實驗平臺及實驗方法對短路電流的過零點進行預測以控制斷路器可控開斷短路電流[5]。將此實驗平臺以及實驗方法應用于電力設備認知的教學實驗中，可以使學生更加直觀地了解掌握斷路器的開關過程以及關斷時間等參數的控制方法[6]，為電力系統、繼電保護等課程提供實驗條件。

1 短路電流過零點預測方法

高校應以培養創新性、應用型人才為目標，開展理論研究與實際應用相結合的培養模式[3]。本文以此為出發點，設計了一套短路電流測試實驗平臺，并設計了一套實驗方法和流程來準確地預測短路電流的過零點，從而實現斷路器的同步分斷，有效提高斷路器使用壽命，解決教學實驗儀器精度不夠導致預測不準確問題[7-8]。

斷路器相控分斷短路電流的基本原理是：采用數字信號處理算法對短路電流離散采樣數據進行分析，估算短路電流的特征參數，預測其過零點，以提前發出控制指令[9-11]。相控同步分斷技術的核心在于通過計算得到故障短路電流模型和依次過零時刻，在最合適的時刻使動觸頭動作，開始分斷，進而控制燃弧時間在最小燃弧時間附近，從而在保證分斷短路電流的同時提高電能質量，延長斷路器使用壽命[12]。同時，同步控制技術也可根據負載及使用場合的不同，控制斷路器在最適合的時刻進行分斷或關合，如電容器組投切、空載變壓器投入等，達到控制過電壓及涌流。在整個斷路器同步控制問題中，最關鍵的問題在于智能操作單元在通過監控元件得到監控信號后，需要在短時間內通過程序計算波形，進而尋找到最適合的過零點[13-14]。

根據斷路器相控分斷短路電流的基本原理，采用同步分斷技術分相控制三相電流，將其轉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

根據圖1 可以看出，發生短路故障時，存在著直流衰減及周期分量，整體呈現非周期特性，給預測帶來較大的難度。因此，需要斷路器具備同步分閘能力，快速準確地預測過零點，并發出瞬時的分閘指令，更為恰當的在過零點處實現分離。

為了實現短路電流被同步分斷，最為重要的是預測斷路器短路電流對應的目標零點，預測基本流程如圖2 所示。

圖2 過零點預測的流程圖

為了提高學生對斷路器短路電流實驗掌握的全面性，在對短路電流過零點預測時，采用基于最小二乘法（least squares, LS）與改進傅立葉算法（improved Fourier algorithm, IFA）2 種方法進行預測，并應用于實驗中，檢驗2 種方法對過零點預測的準確性。LS 方法主要是將電流通過泰勒級數展開，僅取一次項轉變成近線性形式，最后進行參數辨識；IFA 方法是分離出周期量與直流對應衰減量，僅通過周期量更新短路電流并進行預測，具體的流程圖如圖3—4 所示。

圖3 基于LS 的預測流程圖

圖4 基于IFA 的預測流程圖

2 短路電流過零點預測的實驗設計

短路電流過零點預測實驗采用 Matlab 編程與實際實驗相結合的方式。首先，依托Simulink 構建短路電路單相故障諧波模型，對仿真數據進行分析；其次，搭建短路電流實驗平臺，導入程序，預測過零點；最后，對比仿真與實驗誤差，確定所提出的零點預測算法的準確性。

2.1 短路電流預測仿真計算過程

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信號轉為離散信號，選取固定的采樣時間t、采樣轉換頻率f，得到一系列的離散信號，通過工作區模塊WS 導入Matlab 中，運用2 種算法對采樣數據進行分析與計算，具體短路電流采樣數據的生成模型如圖5 所示，仿真過程中給定的參數具體如表1 所示。

圖5 短路電流采樣數據的生成模型

表1 仿真參數設置

仿真過程中具體步驟如下：

（1）初始時刻t0，給定斷路器閉合的觸發信號，電路處于短路情況，當衰減的直流分量到0 時，電流從暫態過程轉到穩定狀態；

（2）結合斷路器的動作補償及分閘時間，通過相控分斷預測過零點時刻；

（3）t0時刻后，斷路器合閘，工作區模塊 WS 得到采樣信號后，運用LS 和IFA 算法分別對采樣得到的數據進行計算；

（4）對得到的預測故障曲線與實際曲線對比，判斷2 種算法的優劣性；

（5）為進一步驗證2 種算法的有效性，可加入多次諧波進行分析。

2.2 短路電流預測實驗設計

為了使學生將理論學習應用于實踐過程中，將采用2 種優化算法對短路電流進行過零點預測，并通過實驗的手段驗證所提基本理論的正確性，本文搭建設計了包含直流電流衰減分量的電路，具體的實驗平臺如圖6 所示。

圖6 搭建零點預測實驗平臺

實驗過程中具體步驟如下：

（1）搭建可以產生直流電流衰減分量的實際電路；

（2）設置基本參數，如調壓器的電壓輸入值，額定電流、電壓、容量等；

（3）在相角位為0 時發出合閘時間，并設定合閘控制器的延時時間，得到實際電流曲線；

（4）采用示波器采集短路電流的信號，通過Matlab 對實驗數據進行提取，并采用2 種算法對提取信號進行處理；

（5）得到仿真分析對應的曲線，判斷仿真和實驗的差異性；

（6）為進一步驗證2 種算法的有效性，加入多次諧波進行分析。

2.3 實驗結果與分析

為了使學生們更好驗證所提短路電流零點預測理論的正確性，本文給出采用 2 種算法的仿真分析手段，得到預測的短路故障電流示例，并與實際的曲線進行對比，對比結果如圖7—10 所示。

圖7 LS 算法的仿真結果分析

圖8 LS 算法仿真實際與計算值差異性

圖9 IFA 算法的仿真結果分析

圖10 IFA 算法仿真實際與計算值差異性

根據仿真分析可以看出，2 種算法實際值與計算值擬合得很好，如圖7、圖 9 中的藍色和紅色曲線，因此可以證明2 種算法都能很好地對短路電流參數進行計算。根據圖8、圖10，發現IFA 算法預測后與真實值擬合得更好。因此，學生們可以根據仿真分析確定出哪種算法更適合短路電流零點預測。

采用圖6 所搭建的實驗平臺采集實驗過程總的短路電流波形，如圖11 所示。

圖11 短路電流的實測波形

對比圖7、圖8、圖11 可以看出，預測結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測方法的有效性、實驗的準確性等。

3 結語

為了使電氣工程專業學生更好地掌握理論知識，將課本中所學的理論知識應用于實際中，本文設計了基于零點預測的斷路器短路電流實驗。首先，通過理論學習掌握斷路器相控分斷短路電流的基本原理，建立單相短路故障下電流模型，掌握過零點預測的流程；其次，采用仿真分析的手段，分析所提LS 和IFA算法的預測準確程度；最后，采用實驗的手段，驗證所提方法的準確性。