基于拓撲動態調整的分段接線故障限流控制方案

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.國網浙江省電力有限公司，杭州 310007；3.電網安全與節能國家重點實驗室（中國電力科學研究院），北京 100192）

0 引言

近年來，隨著我國電力建設的持續發展、用電負荷的不斷增加以及各大區交直流電網的緊密互聯，電力系統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成為“長三角”“珠三角”等負荷密集地區以及西北等電源密集地區的共性問題［1-3］，研究短路電流限制方法對保障電網安全穩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的，常規手段主要有3種。一是改變系統結構或運行方式［4-6］，但可能導致電網結構變化較大，犧牲了電網結構的完整性，對系統運行帶來負面影響。二是加裝限流電抗器［7］，主要有串聯電抗器、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，但可能導致潮流分布不均，影響電網高效運行；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，故障限流器技術方案［8-11］有數十種之多，其中基于超導材料、固態器件、串聯諧振電路的故障限流器能較好地兼顧系統正常運行和限制短路電流，但受技術成熟度、經濟性等因素制約，工程應用不多，特別是在220 kV 及以上高電壓等級電網應用較少。目前基于電磁斥力操作機構的高速開關技術成為故障限流器的研究熱點［12-15］，高速開關可在數毫秒內實現分閘，采用高速開關動態投退限流電抗器以限制短路電流的方法已有工程示范應用［16-20］，并取得了良好的限流效果，但因設備總體投資過高限制了其大規模推廣。文獻［21］采用斷線限流策略和高速開關技術，提出了基于高速開關和拓撲動態調整思想的短路電流限制方法，并分析了短路電流限制原理、對系統的影響以及高速開關關鍵技術，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備之一的控制系統作進一步研究。故障限流控制系統實現的關鍵在于其動作的快速性，與常規繼電保護相比，其動作時間必須足夠小且具備充分的裕量，這也意味著常規繼電保護裝置的軟硬件設計方案和基于傅氏變換的故障檢測識別方法不再適用。

針對如何實現故障限流控制系統速動性這一關鍵問題，本文在分析分段接線拓撲動態調整方法的基礎上設計了基于高速數據處理和FT3 通信方案的控制系統架構，解決了常規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燃弧時間，最后通過RTDS（實時數字仿真）試驗對控制系統進行了驗證。

1 分段接線拓撲動態調整方法

1.1 拓撲動態解列

基于拓撲動態調整的故障限流方法基本原理是：在正常運行期間系統保持正常拓撲，發生故障后通過高速開關快速動態調整系統拓撲結構，增大系統聯系阻抗，從而降低故障點短路電流水平。

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

圖1 基于拓撲動態調整的故障限流基本原理

正常運行方式下高速開關K 閉合，系統合環運行；當節點p所聯線路出口發生短路故障時，高速開關K 快速分斷改變系統拓撲結構，使電源S2對故障點的轉移阻抗從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調整抑制短路電流的方法。當p側母線、線路出口或者主變壓器低壓側任意點發生故障時，分段電流（單分段接線）或其矢量和（雙分段接線）表征了q側電源及其部分支路對故障點短路電流的貢獻；同樣地，q側故障時分段電流或其矢量和表征p側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解列動作判據。

1.2 拓撲自動恢復

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

圖2 單個拓撲調整開關自動并列流程

故障限流時各個高速開關同時解列，然后分別按照各自設定的時序依次恢復，在解列成功且重合充電完成的條件下啟動并列程序，經過設定延時后判斷前序開關已并列且檢同期成功時，發出并列指令，若重合于故障則再次解列，若未重合于故障則并列完成。在整個流程中持續檢測其充電狀態，當出現保護閉鎖、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

2.1 控制系統速動性要求

拓撲動態調整方法實現的關鍵在于高速開關與故障區域常規斷路器的時序配合，圖3給出了常規斷路器和高速開關的動作時序示意，從故障發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 常規斷路器和高速開關的動作時序

為達到限制常規斷路器開斷短路電流的目的，高速開關最晚必須在常規斷路器觸頭剛分之前完全開斷，同時拓撲自動恢復時間應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，因此要求拓撲動態解列必須在短路電流的第一個周波內完成。

2.2 高速解列控制架構

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動作加速，與常規斷路器動作時間拉開級差。

表1給出了保護控制系統主要環節及其延時來源，對于常規交流繼電保護裝置，采樣率一般為1.2 kHz，中斷周期為833 μs，出口環節一般采用出口繼電器硬接線方式，響應時間通常在數毫秒，數據采集、處理和傳輸能力在一定程度上限制了其動作速度。

表1 保護控制系統主要環節及其延時來源

在現代電網智能化、網絡化的發展趨勢下，針對常規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調整方法的高實時性控制裝置技術方案。故障限流控制系統架構如圖4所示，采用高性能DSP（數字信號處理器）、大容量FPGA（現場可編程門陣列）和多信道高速總線技術提高裝置性能，其中采樣率為10 kHz，DSP 中斷執行周期為100 μs，實現數據的高速同步處理，降低采樣和計算環節的延時。同時，為提高動作出口速度，控制裝置與拓撲調整高速開關本體控制回路之間采用光纖點對點FT3 協議通信，波特率為10 Mbps，下行高速開關分合閘指令，上行本體狀態監視信號，從而實現動作指令在100 μs 內的可靠即時傳輸，大大縮短了鏈路傳輸延時。

圖4 故障限流控制系統架構

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

2.3 故障快速識別技術

對于過流檢測判據，本文采用快速啟動的卡爾曼狀態估計算法進行電流狀態估計。卡爾曼狀態估計是一種基于一階馬爾科夫模型的貝葉斯估計，包括預測和更新兩個過程。假設系統動態方程表示為：

式中：下標k為第k個計算時刻；Xk為n×1 維的狀態向量；Zk為m×1維的量測向量；Φk/k-1、Hk為已知的系統結構參數，分別為n×n維的狀態一步轉移矩陣、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。

線性卡爾曼估計由式（3）進行遞推求解：

通過卡爾曼狀態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和過流判據快速識別故障。同時相控開斷技術通過預測故障電流過零點以控制高速開關動作時刻，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τ以及各次諧波含量可以重構短路電流波形，進而預測過零點以實現燃弧時間的精準調控。

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

卡爾曼算法涉及矩陣運算，在嵌入式系統中對硬件計算能力提出了很高的要求。然而，從卡爾曼狀態估計方程可以看到，在初始條件確定的情況下，式（3）中矩陣Pk/k-1、Kk、Pk的計算僅由系統參數Φk/k-1、Hk、Qk、Rk決定，與量測值Zk無關，因此可以采用離線+在線的計算策略，預先對卡爾曼增益Kk和量測矩陣Hk進行離線計算，計算結果作為宏參數保存在內存中，當系統實時運行時直接調用，不同通道的狀態計算過程可以復用參數。進一步地，取狀態轉移矩陣Φk/k-1為單位矩陣，卡爾曼狀態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）給出了電流狀態具體計算過程，根據式（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

結合某500 kV變電站200 kV雙母雙分段接線場合示范應用，通過RTDS 試驗驗證拓撲動態調整方法的限流效果以及控制系統的有效性。試驗模型如圖5所示，拓撲調整高速開關布置于1號分段和2號分段位置，替換原常規分段斷路器，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，母聯分段開關均處于閉合狀態，系統合環運行，供電可靠性不受影響；分段電流之和過流后，作為拓撲動態調整元件的分段高速開關迅速動作，在故障區域常規斷路器分閘前可靠開斷，從而降低故障區域常規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構

圖6展示了拓撲動態調整前，后流經各支路的短路電流。可以看出，拓撲調整前，線路出口F1點和F2點故障時流經相應線路斷路器的短路電流最大達到了51.1 kA，超過所裝設斷路器的遮斷容量；主變低壓側F3 點和母線F4 點故障時，對應斷路器短路電流均在40 kA以下；兩組分段高速開關解列后將Ⅰ段和Ⅱ段母線隔離，F1點和F2點故障時流經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。由于故障時流經分段的短路電流僅由部分電源提供，其中F2故障時流經1 分段的最大短路電流僅為24.1 kA，遠低于拓撲調整開關開斷能力。

圖6 拓撲動態調整前后流經各支路的短路電流

由于故障合閘相位隨機發生，短路電流衰減直流分量不可預知，給定值整定帶來困難。根據短路電流仿真波形，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。可以看出：全波傅氏算法需要1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，響應時間相應也越長。對于卡爾曼狀態估計算法，計算結果不受衰減直流分量的影響，最大在3～5 ms之內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燃弧時間，考慮控制高速開關燃弧時間為5 ms，檢測到相電流過流后控制裝置根據預測的短路電流過零點和預設的燃弧時間計算等待延時，經過等待延時后分別發出三相出口信號，控制高速開關分閘。圖8為三相故障時的短路電流和控制裝置發出的三相高速開關動作出口信號。可以看出：從動作信號發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 相高速開關將遭受長燃弧時間，對其可靠性和壽命會產生不利影響。

圖8 三相短路電流及其動作信號

4 結語

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

2）針對拓撲動態調整方法的速動性約束，從控制回路的各個環節出發提出了高實時性控制技術方案，以及基于卡爾曼狀態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動作速度，減小了高速開關燃弧時間。

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

4）基于拓撲動態調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用也有待進一步研究。