CN102280867A - 线路两相短路故障电流控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出线路两相短路故障电流控制方法。在故障相线路的发送端/接受端串联电感和电压源，使电压源电压与超前/滞后于故障相的电源电压同相，并调节电压幅值和电感值，能控制故障线路的电流等于故障前的电流，并使故障电流为0。同时提出由变压器、可调电感及开关构成的新型故障电流控制器，它等效于电压源和电感的串联，其电压源电压可与超前或滞后于故障相的电源电压同相，并能独立控制电压的幅值和电感的值，因此故障电流控制器能控制两相短路电流为0，并保持线路电流等于故障前的电流。同时提出了两相短路故障电流的控制策略和控制方法。通过理论分析、仿真分析以及实验证明了故障电流控制器及其与之对应的控制策略和控制方法的正确性。

Description

线路两相短路故障电流控制方法

技术领域

本发明涉及电力系统的运行状态控制方法，具体涉及线路两相短路故障电流的控制方法。

背景技术

线路发生故障后，传统方法就是将故障线路切除以保证系统的正常运行，但是被切除的故障线路将无法传输功率，必将引起系统潮流的转移；如果切除的故障线路为重载关键线路，则将引起系统潮流大转移，并可能使多条线路过载而被切除，从而引起大面积停电事故。在国外发生的、产生了重大损失的有些大停电事故，其最初起因就是系统中的关键线路被切除。

但是，线路发生三相短路(或三相短路接地)的概率较低，其主要故障类型为不对称故障，而单相接地故障已有相对成熟的方法控制其故障电流为0，并保持线路电流等于故障前的电流。目前还没有相关文献报道线路发生两相短路时，如何有效地控制短路电流为0，保持故障线路上的电流等于故障前的电流，以进一步提高线路供电的可靠性。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种新型的两相短路故障电流的控制方法以及与之对应的故障电流控制器，它能控制两相短路故障电流为0，并保持故障线路上的电流等于故障前的电流。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种线路两相短路故障电流控制方法，其特征在于，在线路每相的两端均装故障电流控制器；所述故障电流控制器由并联变压器T₁、串联变压器T₂，可调电感L_B、L_C以及开关K_A、K_B、K_C、K_G和S_KS构成，并联变压器T₁的原边绕组一端经开关K_A、K_B、K_C与系统备用电源的

相连，经开关K_G与地相连，T₁的原边绕组的另一端接地；并联变压器T₁的副边绕组与串联变压器T₂的副边绕组和第一可调电感L_B构成第一串联电路；串联变压器T₂的原边绕组和第二可调电感L_C串联构成第二串联电路，该第二串联电路与开关S_KS并联后嵌入在线路中；

分别等于故障电流控制器安装点的A、B、C相母线电压；

正常运行期间，故障电流控制器处于备用状态时，此时其中的S_KS在闭合状态，K_A、K_B、K_C断开，K_G闭合，故障电流控制器对线路的正常运行没有影响；

线路发生两相短路后，断开位于线路故障相两端的故障电流控制器中开关S_KS和K_G，启动故障电流控制器，控制线路发送端故障相的两台故障电流控制器中的开关K_A、K_B、K_C的状态，使它们的并联变压器T₁的原边电压超前于正常运行时其安装点线路的对应相的母线电压2π/3；控制线路接受端故障相的两台故障电流控制器中的开关K_A、K_B、K_C的状态，使它们的并联变压器T₁的原边电压滞后于正常运行时其安装点线路的对应相的母线电压2π/3；所述发送端是指正常运行时线路有功潮流的输出端，所述接受端是指线路有功潮流的输入端；

线路电流的参考方向均为母线指向线路，测量线路两端故障相的电流，并以此计算故障相间线电流的基波分量(简称线电流，下同)，并将它与故障前正常运行期间其对应相间线电流进行比较：

①如果故障期间故障相间的线电流的幅值大于故障前正常运行期间其对应相间的线电流的幅值，则增加故障电流控制器的电感L_C，以减小故障期间故障相间线电流的幅值，使之等于故障前正常运行期间其对应相间的线电流的幅值；如果故障期间故障相间的线电流的幅值小于故障前正常运行期间其对应相间线电流的幅值，则减小故障电流控制器的电感L_C，以增加故障期间故障相间线电流的幅值，使之等于正常运行期间其对应相间线电流的幅值，在调节过程中保持线路一端的两台故障电流控制器中L_C电感值相等；

②如果故障期间故障相间线电流的相位滞后于正常运行期间其对应相间的线电流的相位，则减小位于线路发送端的2台故障电流控制器中的电感L_B，增加位于线路接受端的2台故障电流控制器中的电感L_B，以增加故障相间线电流的相位，使之等于故障前正常运行期间其对应相间的线电流的相位；如果故障期间故障相间线电流的相位超前于故障前正常运行期间其对应相间的线电流的相位，则增加位于线路发送端的2台故障电流控制器中的电感L_B，减小位于线路接受端的2台故障电流控制器中的电感L_B，以减小故障相间线电流的相位，使之等于故障前正常运行期间其对应相间的线电流的相位；在上述调节过程中，保持线路一端的2台故障电流控制器中的L_B相等；

通过上述调节，线路的故障电流不仅为0，同时故障线路上的电流也等于故障前的电流。

相比现有技术，本发明具有如下优点：

1)本发明提出两相故障后，在故障相线路的发送端(接受端)串联电感和电压源，使电压源电压与超前(滞后)于故障相的电源电压同相，适当地调节电压源电压的幅值和电感的值，能控制故障相间的线电流等于正常电流，同时保持线路一端不同故障电流控制器中对应电感的值相等。该状态下，线路的故障电流不仅为0，同时故障线路的电流也等于其故障前的正常运行时的电流。这样可以极大地减小两相短路故障对线路运行的影响，提高线路供电的可靠性。

2)同时，提出了由串联变压器、并联变压器、2个可调电感以及有载调节开关构成的新型的故障电流控制器，该控制器等效于电压源和电感的串联，改变与并联变压器原边相连开关的状态，将改变故障电流控制器等效电压源电压的相位，使其与超前或滞后于故障相的电源电压同相；协调控制两个可调电感，能独立控制其等效电压源电压的幅值和电感的值，同时还分析了故障电流控制器控制两相短路电流为0，并保持线路电流等于故障前正常运行时的电流的可能性。

3)本发明在分析了故障相间线电流与线路串联电压和电感关系的基础上提出了两相短路故障电流的控制策略和控制方法，并建立了与之对应的控制系统。通过实验证明了本发明提出的故障电流控制器能控制故障线路上的电流，使其等于故障前正常运行时的电流，同时通过理论分析和仿真结果也证明了提出的故障电流控制器以及与之对应的两相短路电流的控制原理、控制策略和控制方法的正确性。

本发明为国家自然科学基金项目(50777066)资助项目。

附图说明

图1简单电力系统模型；

图2故障电流控制器的结构原理图；

图3串联电压源电压幅值调整的相量图；

图4故障电流控制原理图；

图5实验原理图；

图6实验中采用的控制系统原理图；

图7控制器投入后控制电流滞后电源电压π/6电流幅值25A；

图8电流从滞后电源电压π/6到滞后π/36，幅值25A不变；

图9电流从滞后电源电压π/36调整到滞后5π/6，幅值保持25A；

图10电流滞后电源电压从5π/6调整到35π/36，幅值25A不变；

图11电流滞后电源电压35π/36，幅值从25A调整到15A；

图12线路电流及短路电流；

图13线路两端A相故障电流控制器的等效串联电压。

具体实施方式

下面结合附图和控制原理对本发明作进一步详细说明。

1、两相短路故障电流的控制原理如下：

图1为具有故障电流控制器的简单电力系统模型，其中

和

(M表示A、B、C相的参数，下同)分别为线路S端和S₁端的电压，

超前

S端和S₁端为线路有功功率的发送端(简称发送端，下同)和接受端(简称接受端，下同)。故障电流控制器等效于电压源

(或

)和电感L_KSM(或L_KSM1)的串联，当它处于备用状态时，

(或

)和L_KSM(或L_KSM1)均等效为0。线路正常运行期间故障电流控制器处于备用状态，线路两端的电流分别为

两相短路且故障电流控制器投入后，线路两端的电流则为

如图1所示。由于输电线路的电抗本身就远大于其电阻，而故障电流控制器的等效串联电感将进一步减小线路电阻对故障电流的影响，因此图1中的线路模型为最简单的电感模型，F点两侧每相线路的电感分别为kL和(1-k)L(其中k为0～1之间的常数，它表征了F点的位置)。以线电压

为参考电压，则正常运行期间线路S端和S₁端B、C相间的线电流

和

分别为：

${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{BC}}=(U_{\mathrm{BC}}-U_{B1C1}\cos \mathrm{\δ}+j{U}_{B1C1}\sin \mathrm{\δ})/\mathrm{j\ωL}$ (1)

${\stackrel{\·}{I}}_{B1C1}=(-U_{\mathrm{BC}}+U_{B1C1}\cos \mathrm{\δ}-j{U}_{B1C1}\sin \mathrm{\δ})/\mathrm{j\ωL}$

其中U_BC和U_B1C1分别为线路S端和S₁端B、C相间线电压的幅值。

线路的B、C相在F点发生短路故障(两相短路)后，启动S端B相和C相的故障电流控制器，控制其等效电抗均为X_L，其等效电压源电压

分别为

${\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{KSB}}=k_S{\stackrel{\·}{U}}_A$ (2)

${\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{KSC}}=k_S{\stackrel{\·}{U}}_B$

其中k_S为实数，即B、C相的串联电压分别与超前于B相和C相(故障相)的电源电压

和

同相，同时保持它们的幅值相等。因此线路S端的B相电流

和C相电流

分别为：

${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{BF}1}=\frac{{\stackrel{\·}{U}}_B+{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{KSB}}-{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{FB}1}}{j(\mathrm{\ωkL}+X_L)}$ (3)

${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{CF}1}=\frac{{\stackrel{\·}{U}}_C+{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{KSC}}-{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{FC}1}}{j(\mathrm{\ωkL}+X_L)}$

其中

等于

它们分别为故障点F处的B相电压和C相电压。根据式(2)和式(3)，线路S端B、C相间的故障线电流

为：

${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{BCF}1}=\frac{{\stackrel{\·}{U}}_B-{\stackrel{\·}{U}}_C+{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{KSB}}-{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{KSC}}}{j(\mathrm{\ωkL}+X_L)}$

$=\frac{{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{BC}}+k_S{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{AB}}}{j(\mathrm{\ωkL}+X_L)}=\frac{U_{\mathrm{BC}}+k_S{U}_{\mathrm{BC}}{e}^{j2\mathrm{\π}/3}}{j(\mathrm{\ωkL}+X_L)}---\left(4\right)$

$=\frac{U_{\mathrm{BC}}+k_S{U}_{\mathrm{BC}}\cos (2\mathrm{\π}/3)+j{k}_S{U}_{\mathrm{BC}}\sin (2\mathrm{\π}/3)}{j(\mathrm{\ωkL}+X_L)}$

控制

$k_S=\frac{U_{B1C1}\sin \mathrm{\δ}}{U_{\mathrm{BC}}\sin \frac{2\mathrm{\π}}{3}-U_{B1C1}\sin (\frac{2\mathrm{\π}}{3}+\mathrm{\δ})}---\left(5\right)$

则

$\frac{U_{\mathrm{BC}}+k_S{U}_{\mathrm{BC}}\cos (2\mathrm{\π}/3)}{U_{\mathrm{BC}}-U_{B1C1}\cos \mathrm{\δ}}=\frac{k_S{U}_{\mathrm{BC}}\sin (2\mathrm{\π}/3)}{U_{B1C1}\sin \mathrm{\δ}}=m_{\mathrm{BC}}---\left(6\right)$

其中m_BC为它们之间的比值。同时再控制X_L等于：

X_L＝ω(m_BC-k)L        (7)

根据式(1)、式(4)、式(5)和式(7)，在短路状态下，S端的线电流

等于正常运行时的线电流即：

${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{BF}1}-{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{CF}1}={\stackrel{\·}{I}}_B-{\stackrel{\·}{I}}_C={\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{BC}}---\left(8\right)$

启动S₁端的B相和C相故障电流控制器，控制其输出等效电抗均为X_L1，等效电压源电压

分别为：

${\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{KSB}1}=k_{S1}{\stackrel{\·}{U}}_{C1}$ (9)

${\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{KSC}1}=k_{S1}{\stackrel{\·}{U}}_{A1}$

其中k_S1为实数，即B、C相的串联电压分别与滞后于B相和C相(故障相)的电源电压

和

同相，同时保持它们的幅值相等。则S₁端的B、C相故障电流

和

分别为：

${\stackrel{\·}{I}}_{B1F1}=\frac{{\stackrel{\·}{U}}_{B1}+{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{KSB}1}-{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{FB}1}}{j(\mathrm{\ω}(1-k)L+X_{L1})}$ (10)

${\stackrel{\·}{I}}_{C1F1}=\frac{{\stackrel{\·}{U}}_{C1}+{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{KSC}1}-{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{FC}1}}{j(\mathrm{\ω}(1-k)L+X_{L1})}$

根据式(10)，S₁端B、C相间的线电流

为：

${\stackrel{\·}{I}}_{B1C1F1}=\frac{{\stackrel{\·}{U}}_{B1}-{\stackrel{\·}{U}}_{C1}+{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{KSB}1}-{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{KSC}1}}{j(\mathrm{\ω}(1-k)L+X_{L1})}$

$=\frac{{\stackrel{\·}{U}}_{B1C1}+k_{S1}{\stackrel{\·}{U}}_{C1A1}}{j(\mathrm{\ω}(1-k)L+X_{L1})}$

$=\frac{U_{B1C1}{e}^{-\mathrm{j\δ}}+k_{S1}{U}_{B1C1}{e}^{-j(\mathrm{\δ}+2\mathrm{\π}/3)}}{j(\mathrm{\ω}(1-k)L+X_{L1})}---\left(11\right)$

$=(U_{B1C1}\cos \mathrm{\δ}+k_{S1}{U}_{B1C1}\cos (\mathrm{\δ}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})-j(U_{B1C1}\×$

$\sin \mathrm{\δ}+k_{S1}{U}_{B1C1}\sin (\mathrm{\δ}+\frac{2\mathrm{\π}}{3}))/j(\mathrm{\ω}(1-k)L+X_{L1})$

控制：

$k_{S1}=\frac{U_{\mathrm{BC}}\sin \mathrm{\δ}}{U_{B1C1}\sin \frac{2\mathrm{\π}}{3}-U_{\mathrm{BC}}\sin (\frac{2\mathrm{\π}}{3}+\mathrm{\δ})}---\left(12\right)$

则：

$\frac{U_{B1C1}\cos \mathrm{\δ}+k_{S1}{U}_{B1C1}\cos (\mathrm{\δ}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})}{-U_{\mathrm{BC}}+U_{B1C1}\cos \mathrm{\δ}}$ (13)

$=\frac{U_{B1C1}\sin \mathrm{\δ}+k_{S1}{U}_{B1C1}\sin (\mathrm{\δ}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})}{U_{B1C1}\sin \mathrm{\δ}}=m_{\mathrm{BC}1}$

其中m_BC1为它们的比值。控制X_L1等于

X_L1＝ωL(m_BC1-1+k)        (14)

则S₁端B、C相间的线电流等于正常运行时线路的线电流

即：

${\stackrel{\·}{I}}_{B1F1}-{\stackrel{\·}{I}}_{C1F1}={\stackrel{\·}{I}}_{B1}-{\stackrel{\·}{I}}_{C1}={\stackrel{\·}{I}}_{B1C1}---\left(15\right)$

根据式(1)、式(8)、式(15)和图1

${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{BF}1}-{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{CF}1}=-({\stackrel{\·}{I}}_{B1F1}-{\stackrel{\·}{I}}_{C1F1})$ (16)

${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{BF}1}+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{CF}1}+{\stackrel{\·}{I}}_{B1F1}+{\stackrel{\·}{I}}_{C1F1}=0$

因此

${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{BF}1}+{\stackrel{\·}{I}}_{B1F1}=0$ (17)

${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{CF}1}+{\stackrel{\·}{I}}_{C1F1}=0$

根据式(17)和图1，该状态下线路的故障电流为0。同时，该状态下线路B相两端的电流和

则为：

${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{BF}1}=-{\stackrel{\·}{I}}_{B1F1}=\frac{{\stackrel{\·}{U}}_B+{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{KSB}}-{\stackrel{\·}{U}}_{B1}-{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{KSB}1}}{j(\mathrm{\ωL}+X_L+X_{L1})}---\left(18\right)$

正常运行期间，由于线路两端电压幅值的差异较小，忽略其差异，即式(5)、式(6)、式(12)和式(13)中的U_BC等于U_B1C1，则式(18)可简化为：

${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{BF}1}=-{\stackrel{\·}{I}}_{B1F1}=\frac{({\stackrel{\·}{U}}_B-{\stackrel{\·}{U}}_B{e}^{-\mathrm{j\δ}})-({\stackrel{\·}{U}}_{B1}-{\stackrel{\·}{U}}_{B1}{e}^{\mathrm{j\δ}})}{2\mathrm{j\ωL}}---\left(19\right)$

同时：

${\stackrel{\·}{U}}_B={\stackrel{\·}{U}}_{B1}{e}^{\mathrm{j\δ}}$ (20)

${\stackrel{\·}{U}}_{B1}={\stackrel{\·}{U}}_B{e}^{-\mathrm{j\δ}}$

则式(19)可进一步简化为：

${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{BF}1}=-{\stackrel{\·}{I}}_{B1F1}=\frac{{\stackrel{\·}{U}}_B-{\stackrel{\·}{U}}_{B1}}{\mathrm{j\ωL}}---\left(21\right)$

由此可知，故障状态下线路B相两端的电流

和

等于其正常运行电流

和

与B相故障电流的情况相同，此时线路C相两端的故障电流也等于其正常运行电流，而B、C相间的短路故障对线路的A相电流没有影响，因此，该状态下，线路两端的3相电流均等于正常电流。

由此可知，两相短路后，在线路故障相的两端串联电压和电感，使发送端的串联电压与超前于故障相的电源电压同相，接受端的串联电压与滞后于故障相的电源电压同相，适当地控制串联电压的幅值和串联电感的值，能控制故障电流为0，同时故障线路上的电流等于正常运行时的电流。

2、故障电流控制器的工作原理：

图2为在线路S端的A相装有故障电流控制器的示意图。故障电流控制器由并联变压器T₁、串联变压器T₂，可调电感L_B、L_C以及开关K_A、K_B、K_C、K_G和S_KS构成。图2中的

分别为A相、B相和C相备用电源，它们分别等于故障电流控制器安装点的A相、B相和C相的正常的母线电压。工作时故障电流控制器中的S_KS处于断开状态。根据图2，T₁的副边电压为：

${\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{CS}}=m{\stackrel{\·}{U}}_S---22$

其中m为T₁的变比，

为T₁的原边电压。根据变压器T₂的工作原理和故障电流控制器的结构：

${\stackrel{\·}{U}}_1=\mathrm{j\ω}{L}_1{\stackrel{\·}{I}}_A+\mathrm{j\ωM}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{CC}}$

${\stackrel{\·}{U}}_2=\mathrm{j\ω}{L}_2{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{CC}}+\mathrm{j\ωM}{\stackrel{\·}{I}}_A---\left(23\right)$

${\stackrel{\·}{U}}_2={\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{CS}}-\mathrm{j\ω}{L}_B{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{CC}}$

其中L₁、L₂、M为T₂的原边绕组电感、副边绕组电感和原、副边绕组之间的互感。为T₂的原边电流，它也等于线路电流，为T₂的原边电压；

为T₂的副边电流，为T₂的副边电压。根据式(23)，

为：

${\stackrel{\·}{U}}_1=\frac{M{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{CS}}}{L_2+L_B}+\mathrm{j\ω}(L_1-\frac{M^2}{L_2+L_B}){\stackrel{\·}{I}}_A---\left(24\right)$

$={\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{ec}}+\mathrm{j\ω}{L}_e{\stackrel{\·}{I}}_A$

其中， ${\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{ec}}=\frac{M{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{CS}}}{L_2+L_B},$ $L_e=L_1-\frac{M^2}{L_2+L_B}.$

因此故障电流控制器等效于电压源

和电感L_D的串联，其中L_D为

L_D＝L_e+L_C        (25)

根据式(22)和式(24)，与

同相，因此控制K_A、K_B、K_C、K_G的状态以控制

的相位，使其与超前或滞后于故障相的电源电压同相。当K_B导通，K_A、K_C、K_G关断时，则

与

同相，它与滞后于故障相(A相)的电源电压

同相；当K_C导通，K_A、K_B、K_G关断时，则

与

同相，它与超前于故障相(A相)的电源电压同相。

根据式(24)和式(25)，调整L_C将改变L_D，但它对

没有影响；调整L_B将改变

的幅值而不会改变

的相位，但该调节会改变L_e从而改变L_D。但是，如果在调整L_B的同时也调整L_C，且满足：

$\mathrm{\Δ}{L}_C=\frac{M^2}{L_2+L_B+{\mathrm{\ΔL}}_B}-\frac{M^2}{L_2+L_B}---\left(26\right)$

则在不改变L_D的情况下调节了

的幅值。式(26)中，ΔL_B为L_B的调节量，其目标是调节

的幅值使其达到希望值；ΔL_C为L_C的调节量，其调节目标是抵消因L_B的调节引起的L_D的变化。由此可知，协调控制L_B和L_C能独立控制

的幅值和L_D。因此，图2所示的故障电流控制器等效于电压源与电感的串联，其电压源电压可以与超前或滞后于故障相的电源电压同相，同时串联电压源电压的幅值和串联电感的值可以独立调节。

为了有效地控制两相短路电流，在线路每相的两端均要装故障电流控制器。两相短路时，启动线路故障相两端的故障电流控制器，控制K_A、K_B、K_C、K_G的状态，使位于发送端的故障电流控制器的等效电压源电压与超前于故障相的电源电压同相，位于接受端的故障电流控制器的等效电压源电压与滞后于故障相的电源电压同相，在此基础上协调控制L_B和L_C，使其等效电压源电压的幅值和电感分别满足式(2)、式(5)、式(7)或者式(9)、式(12)、式(14)，则线路的短路电流为0，线路电流也等于正常运行时的线路电流。因此，图2所示的故障电流控制器能控制两相短路故障电流为0，并使故障线路上的电流等于正常运行时的线路电流。处于备用状态时，故障电流控制器中的S_KS在闭合状态，K_G在闭合状态，K_A、K_B、K_C在断开状态，此时，故障电流控制器对线路的运行没有影响。

3、故障电流的控制策略：

根据两相短路故障电流的控制原理，要准确地控制故障电流控制器的状态以控制故障电流，就必须准确地确定故障点的位置，但是准确地确定故障点的位置比较困难，因此根据式(2)等确定短路情况下故障电流控制器的状态也比较困难。

根据式(4)(或式(11))，改变故障电流控制器的输出等效阻抗X_L(或X_L1)将改变线路故障电流的幅值，它不会改变线路故障电流的相位；而调节L_C将只改变L_D从而改变X_L(或X_L1)，它不会影响故障电流控制器的等效电压源电压，因此调节L_C将只改变故障电流的幅值而不会改变故障电流的相位。

图3为调节线路S端(S₁端的情况相同)串联电压源电压幅值对线路电流影响的相量图。电压幅值为k′_SU_AB时，根据式(4)，B、C相间的短路电流为I′；电压幅值调整为k″_SU_AB时，B、C相间的短路电流为I″。根据图3和式(4)，改变串联电压源电压的幅值将改变故障相间线电流的相位，但同时也将改变该电流的幅值。但是，如果在改变串联电压源电压幅值的同时也改变L_C的值从而改变串联等效电感L_D的值，且，

$L_D^{\′\′}=\frac{\sqrt{k_s^{\′\′2}-k_s^{\′\′}+1}}{\sqrt{k_s^{\′2}-k_s^{\′}+1}}(\mathrm{kL}+L_D^{\′})-\mathrm{kL}---\left(26\right)$

则在不改变故障电流幅值的情况下实现了对故障电流相位的控制。式(26)中的L′_D、L″_D分别为调节前、后故障电流控制器的串联等效电感L_D的值。根据式(26)和故障电流控制器的工作原理，在有效调节范围内，调节L_B将改变串联电压源电压幅值从而改变故障电流的相位，但该调节也将改变故障电流的幅值，但是故障电流幅值的变化总可以通过调节L_C以调节其L_D给予补偿，因此通过协调控制L_B和L_C，可以在不影响故障电流幅值的情况下实现对故障电流相位的控制。因此，通过控制L_B和L_C能独立控制故障电流幅值和相位。

基于上述特点，采用如下策略控制两相短路故障电流：根据线路状态控制K_A、K_B、K_C、K_G和S_SK的状态，在此基础上调节L_B以控制故障线路电流的相位，调节L_C以控制故障线路电流的幅值。图4为故障电流的控制原理图。

正常运行期间，“开关控制模块”控制S_KS和K_G在闭合状态，K_A、K_B、K_C在断开状态，故障电流控制器处于备用状态。两相短路后，S_KS和K_G断开，启动故障相的故障电流控制器。如果故障电流控制器位于线路有功潮流的发送端，则控制K_A、K_B、K_C的状态使其

与超前于故障相的电源电压同相；如果位于接受端，则控制K_A、K_B、K_C的状态使与滞后于故障相的电源电压同相。例如，两相短路后，位于B相发送端的故障电流控制器则控制K_A导通，K_B、K_C关断，使其

与A相电源电压同相，而位于接受端的故障电流控制器则控制其K_C导通，K_A、K_B关断，使其与C相电源电压同相。同时测量故障相电流，计算故障相间的线电流，经FFT(快速傅立叶计算)模块计算其幅值和相位，将该电流幅值与给定值比较，其差作为PI控制器的输入信号，该PI控制器的输出信号作为L_C电感控制器的给定信号；将故障相间线电流的相位值与给定值比较，其误差作为另一个PI控制器的输入信号，该PI控制器的输出信号作为L_B电感控制器的给定信号。在其他相关文献中对可调电感控制器已有详细的描述，这里不再描述。在短路故障电流的控制过程中，位于线路同一端的不同故障电流控制器的等效电压源电压的幅值是相等的，同时其输出的等效电感也是相等的，因此在调节过程中它们的L_B和L_C的电感值也是相等的。故图4中的“控制L_C”和“控制L_B”将作为线路一端已经启动的所有故障电流控制器的可调电感L_C和L_B控制器的给定值。图4中“线电流幅值给定值”和“线电流相位给定值”分别为正常运行期间与之对应的线电流的幅值和相位。

4、实验和仿真：

4.1实验分析：根据式(4)或式(11)，对故障相间的线电压和线电流而言，两相短路故障等效于单相接地故障，而位于线路一端不同相的两个故障电流控制器也等效于1个电压源和1个电感的串联，因此它们也可以等效为1个故障电流控制器。因此实验中采用图5所示系统。

根据两相短路故障电流的控制原理，两相短路后，线路两端故障相间的线电流均等于正常电流时，则线路的故障电流为0，因此故障电流控制器的一个目标就是控制线路两端故障相间的线电流等于正常运行时的电流。

根据图1，正常运行期间线路S端和S₁端B、C相间的线电流

分别为：

${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{BC}}=\frac{{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{BC}}-{\stackrel{\·}{U}}_{B1C1}}{\mathrm{j\ωL}}$ (27)

${\stackrel{\·}{I}}_{B1C1}=\frac{{\stackrel{\·}{U}}_{B1C1}-{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{BC}}}{\mathrm{j\ωL}}$

其中

分别为线路S端和S₁端B、C相间的线电压。正常运行期间，

超前

忽略其幅值差异，则：

${\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{BC}}={\stackrel{\·}{U}}_{B1C1}{e}^{\mathrm{j\δ}}---\left(28\right)$

因此正常运行期间，线路S端和S₁端B、C相间的线电流

分别为：

${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{BC}}=\frac{2\sin \frac{\mathrm{\δ}}{2}\×{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{BC}}}{\mathrm{\ωL}}\×e^{-j\frac{\mathrm{\δ}}{2}}$ (29)

${\stackrel{\·}{I}}_{B1C1}=\frac{2\sin \frac{\mathrm{\δ}}{2}\×{\stackrel{\·}{U}}_{B1C1}}{\mathrm{\ωL}}\×e^{-j(\mathrm{\π}-\frac{\mathrm{\δ}}{2})}$

根据式(29)，正常运行时线路发送端B、C相间的线电流滞后B、C相间母线的线电压δ/2，而接受端B、C相间的线电流滞后B、C相间母线的线电压π-δ/2，其他相间的线电流和线电压也有相同的关系。由于受系统运行稳定性的约束，正常运行期间线路的功率角小于π/3，而轻载时线路的功率角也在π/18左右，因此正常运行期间，线路发送端的线电流滞后与之对应的母线线电压π/36～π/6，而接受端的线电流则滞后与之的母线线电压5π/6～35π/36。

在图5所示的实验系统中，开关K、K_AB、K_CA、K_G为由晶闸管构成的固态开关，

表征了B、C相间电源的线电压，其有效值为250V，60Hz；电阻R和电感L模拟一端线路的故障相电路，其中R为1Ω、L为20mH。故障电流控制器由变压器1、变压器2、可控电感L_B、L_C构成，变压器1是变比为1∶2.5的升压变压器，其原边绕组经开关K_AB、K_CA与电源

相连，

为对称正序电源。变压器2的变比为1∶1，L_B、L_C为负载可调节的可调电抗器，它们的调节范围分别为1mH～10mH和10mH～90mH。由于实验仅模拟了经简化后的故障相线路，它不存在故障前线路的潮流状态，因此其控制方案与图4所示的方案不完全相同，但控制原理完全相同。控制系统如图6所示。

在图6中，“测量电流”和“测量电压”为图5中和

的测量值，经FFT计算得到与之对应的幅值和相位；“电流幅值给定”为控制电流幅值的希望值，“电流相位给定”为控制电流滞后电源电压的希望值。故障电流控制器处于备用状态时，“启动信号”无效，则“判断”模块输出的G将控制K和K_G导通，K_AB和K_CA关断。故障电流控制器处于工作状态时，“启动信号”有效，根据前面的分析，正常运行期间，线路发送端的电流滞后其电源电压π/36～π/6，因此当“电流相位给定”在上述范围内时，表明故障电流控制器处于线路发送端，G信号将控制开关K、K_G、K_CA关断，K_AB导通，则变压器1的原边电压为

它超前于故障相电源电压

当“电流相位给定”在5π/6～35π/36区间时，表明故障电流控制器位于接收端，G将控制开关K、K_G、K_AB关断，K_CA导通，使变压器1的原边电压等于

它滞后于故障相电源电压在图6中，“电流幅值给定”与实际电流幅值的误差控制电感L_C；由于“电流相位给定”为控制电流滞后电源电压的希望值，因此在图6中，首先将电源电压相位减去“电流相位给定”，其差与实际电流相位的误差作为控制电感L_B的依据。L_B、L_C的控制器采用(林泽科，刘和平，江渝等负载可调的变压器式电抗器控制系统的设计[J]电力电子技术2010，44(8)：71-74)中的控制器。

图7为控制器投入前、后的实验波形，故障电流控制器投入前，线路电流的幅值I接近50A，电流滞后电源电压约为4π/9；投入电流控制器将电流相位控制为滞后电源电压π/6，幅值控制为25A，其实验结果如图7所示。保持电流幅值为25A，将电流相位从滞后电源电压π/6调节为滞后电源电压π/36的实验结果如图8所示；将电流从滞后电源电压π/36调节为滞后电源电压5π/6，电流幅值保持25A不变的实验结果如图9所示；将电流相位从滞后电源电压5π/6调节为滞后电源电压35π/36，电流幅值保持25A不变的实验结果如图10所示；保持电流相位滞后电源电压35π/36，电流幅值从25A调整到15A的实验结果如图11所示。根据图7到图11的实验结果可知，在保持电流幅值不变的情况下，故障电流控制器能控制电流的相位，使其等于正常运行时电流的相位；同时能在保持电流相位不变的情况下，控制电流的幅值。因此故障电流控制器能控制故障线路的电流使其等于正常运行时的电流。

4.2仿真分析

为了分析故障电流控制器对两相短路故障电流的控制能力，在SABER仿真软件上建立了图1所示的简单电力系统模型，线路两端电源

和

为对称三相电源，频率为50Hz，幅值为179.6kV，

超前

该系统模拟了220kV电压等级的线路；k参数的值为0.3。与图1不同的是，仿真中的线路模型为电阻、电感的串联模型，其中每相线路的总电阻和电感分别为10.14Ω和0.252H。故障电流控制器为图2所示模型，其中并联变压器T₁是变比为2.2的升压变压器，串联变压器T₂的变比为1，可调电感采用现有成熟技术的电感，其调节范围均为0.1H～1.5H；控制系统为图4所示模型。

在1s以前，线路工作于正常状态，此时3相线路电流对称，短路电流为0，如图12所示；同时故障电流控制器向线路提供的等效电压(该电压为图2中T₂的原边电压与L_C的电压降之和，下同)为0，如图13所示。大约在1s时，线路的A、B相在F点发生短路故障后，短路电流迅速增加，线路S端的A、B相电流均迅速增加，而C相电流基本不变，如图12所示，线路S₁端的电流也有相同的结果，由于篇幅原因，没有附上仿真结果；故障电流控制器投入后的仿真结果如图13所示(由于篇幅的原因，仅附上了线路A相两端故障电流控制器输出的等效串联电压的仿真波形，而B相两端故障电流控制器输出的等效电压具有相同的关系)，在大约1.2s时，线路的故障电流为0，线路3相的电流再次对称，且等于故障前的电流。

5、结论

a、本发明提出了两相短路故障电流的控制原理。在线路故障相的发送端(或接收端)串联电感和电压源，使电压源的电压与超前(或滞后)于故障相的电源电压同相，调节电压源电压的幅值和串联电感的值(在调节过程中，保持线路一端不同相串联电压源电压的幅值和串联电感的值相等)，则能改变线路故障相间的线电流并使其等于正常运行期间的线电流，在该状态下，线路的故障电流不仅为0，而且故障线路上的电流也等于正常运行时的电流。

b、本发明提出了新型的故障电流控制器。故障电流控制器主要由并联变压器、串联变压器和可调电感等元件构成，其中并联变压器的原边经开关K_A、L_B和K_C与系统的备用电源相连，串联、并联变压器的副边绕组和可调电感L_B构成串联结构。串联变压器的原边绕组与可调电感L_C也构成串联结构，并嵌入在线路中。该故障电流控制器等效于电压源和电感的串联，控制K_A、K_B和K_C的状态能改变串联电压源电压的相位，使其与超前或滞后于故障相的电源电压同相，在此基础上协调控制其可调电感，实现了串联电压源电压幅值和电感的独立控制。同时还分析了该故障电流控制器控制两相短路电流为0，并使故障线路电流等于正常电流的可能性。

c、本发明提出了两相短路故障电流的控制策略和控制方法。在分析了线路串联电压的幅值和串联电感的值与两相短路故障电流关系的基础上，提出了控制L_C以控制故障相间线电流的幅值，控制L_B以控制故障相间线电流相位的故障电流控制策略，并建立了与之对应的控制系统。

通过实验证明了本发明提出的故障电流控制器能控制线路一端的故障电流，使其等于正常运行时的电流；通过仿真证明了本发明提出的故障电流控制器以及与之对应的控制原理和控制方法的正确性。

Claims (1)

1.线路两相短路故障电流控制方法，其特征在于，在线路每相的两端均装故障电流控制器；所述故障电流控制器由并联变压器T₁、串联变压器T₂，可调电感L_B、L_C以及开关K_A、K_B、K_C、K_G和S_KS构成，并联变压器T₁的原边绕组一端经开关K_A、K_B、K_C与系统备用电源的

相连，经开关K_G与地相连，T₁的原边绕组的另一端接地；并联变压器T₁的副边绕组与串联变压器T₂的副边绕组和第一可调电感L_B构成第一串联电路；串联变压器T₂的原边绕组和第二可调电感L_C串联构成第二串联电路，该第二串联电路与开关S_KS并联后嵌入在线路中；分别等于故障电流控制器安装点的A、B、C相母线电压；

正常运行期间，故障电流控制器处于备用状态时，此时其中的S_KS在闭合状态，K_A、K_B、K_C断开，K_G闭合，故障电流控制器对线路的正常运行没有影响；

线路发生两相短路后，断开位于线路故障相两端的故障电流控制器中开关S_KS和K_G，启动故障电流控制器，控制线路发送端故障相的两台故障电流控制器中的开关K_A、K_B、K_C的状态，使它们的并联变压器T₁的原边电压超前于正常运行时其安装点线路的对应相的母线电压2π/3；控制线路接受端故障相的两台故障电流控制器中的开关K_A、K_B、K_C的状态，使它们的并联变压器T₁的原边电压滞后于正常运行时其安装点线路的对应相的母线电压2π/3；所述发送端是指正常运行时线路有功潮流的输出端，所述接受端是指线路有功潮流的输入端；

线路电流的参考方向均为母线指向线路，测量线路两端故障相的电流，并以此计算故障相间线电流的基波分量(简称线电流，下同)，并将它与故障前正常运行期间其对应相间线电流进行比较：

①如果故障期间故障相间的线电流的幅值大于故障前正常运行期间其对应相间的线电流的幅值，则增加故障电流控制器的电感L_C，以减小故障期间故障相间线电流的幅值，使之等于故障前正常运行期间其对应相间的线电流的幅值；如果故障期间故障相间的线电流的幅值小于故障前正常运行期间其对应相间线电流的幅值，则减小故障电流控制器的电感L_C，以增加故障期间故障相间线电流的幅值，使之等于正常运行期间其对应相间线电流的幅值，在调节过程中保持线路一端的两台故障电流控制器中L_C电感值相等；

②如果故障期间故障相间线电流的相位滞后于故障前正常运行期间其对应相间的线电流的相位，则减小位于线路发送端的2台故障电流控制器中的电感L_B，增加位于线路接受端的2台故障电流控制器中的电感L_B，以增加故障相间线电流的相位，使之等于故障前正常运行期间其对应相间的线电流的相位；如果故障期间故障相间线电流的相位超前于故障前正常运行期间其对应相间的线电流的相位，则增加位于线路发送端的2台故障电流控制器中的电感L_B，减小位于线路接受端的2台故障电流控制器中的电感L_B，以减小故障相间线电流的相位，使之等于故障前正常运行期间其对应相间的线电流的相位；在上述调节过程中，保持线路一端的2台故障电流控制器中的L_B相等；

通过上述调节，线路的故障电流不仅为0，同时故障线路上的电流也等于故障前的电流。

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