CN103795048A - 一种短路故障早期检测的故障电流限制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种短路故障早期检测的故障电流限制方法，对电流信号进行固定采样频率的A/D采样及其采样信号噪声的算法滤波；然后，对滤波后的信号进行算法处理，提取电流信号特征量与电压变化率，进行短路故障早期检测；最后，通过短路故障早期检测，判断当前得到的电流信号特征量与电压变化率是否超过短路故障的阈值；若是，则判断线路上发生了短路故障，立即触发FCL限制短路故障电流，继续下次检测；若否，则重新开始检测。本方法先对线路电流进行A/D采样，软件算法滤除噪声干扰，再利用信号奇异性特征提取算法进行故障的早期检测与辨识，辨识后发出触发信号控制FCL投入，由此实现短路故障电流的早期限制。

Description

一种短路故障早期检测的故障电流限制方法

技术领域

本发明属于电气线路故障检测与限制领域，特别是涉及短路故障的早期检测辨识与限制的一种短路故障早期检测的故障电流限制方法。

背景技术

短路故障是配电系统中最常见也是危害最大的故障类型之一。随着电力系统负荷的迅速增长以及大容量机组不断投入运行，各电压等级电网的短路电流不断增长。强大的短路电流对线路、设备及开关本身的动热稳定性提出了更高要求。然而，无限度地提高断路器或熔断器的开断能力及无限度地提高线路、设备的动热稳定性是很不经济，甚至是不可能的，并且断路器的极限分断次数十分有限。为了限制短路电流，一般可从调整电网结构、改变系统运行方式和加装限流设备三方面来考虑。其中，装设FCL是一种有效的技术措施。

近些年，国内外在FCL的研制方面进行了大量的研究，其中超导型、电力电子型和基于常规设备的经济型FCL成为研究与应用热点。超导限流器具有响应速度快、自触发等特性，但由于现阶段技术可靠性以及成本等条件限制，因此超导型FCL的应用有待于进一步完善。电力电子型FCL又称柔性化的短路电流限制器(flexible short current limiter，FSCL) ，已应用于各电压等级的超高压、高压电网，近年来也开始应用于配电网。FSCL 是用半导体器件替代传统的开关设备以达到限流阻抗的快速切换，从而限制短路电流，其主要实现方案为固态短路限流器、功率电子器件的可控故障限流器以及具有可控串联补偿的故障限流器。从技术可行性与经济性考虑，基于常规电气设备或元件的经济型故障限流器，无疑是解决故障限流问题的首选。其中，基于常规电气元件的串联谐振型FCL，不仅可把短路电流限制到较低水平，而且具有运行可靠性高、价格低廉和技术经济性能好等明显优点，能克服现有限流技术的不足，但是其存在不可控的特点。

现有的FCL研究大多集中在对FCL的拓扑结构以及参数优化方面，而对FCL的投入时刻尤其是故障初期对系统的影响未做考虑。传统的FCL投入依据是通过检测线路电流的幅值是否超过了额定电流的8~10倍来实现的。这样的检测方法检测速度较慢，大的短路电流所产生的热和力的效应会对系统的电气设备造成很大的威胁，对电气设备与保护开关的动热稳定性也提出了较高的要求。目前，国内外针对短路故障的检测方法也进行了大量的研究，取得了许多有用的成果。例如：利用基于回归分析的峰值预测法、电压跌落法、小波分析法等方法实现对短路故障的早期检测。

本发明通过短路电流奇异性特征及电压变化率综合分析的检测方法实现对短路故障的早期检测与故障辨识，当判断确有短路故障发生时，将FCL快速接入线路，以达到故障早期的短路电流限制。这样可大幅度提高短路保护电器及FCL的限流性能，减轻短路电流对电力系统及其电气设备造成的威胁，对线路、设备及开关本身动热稳定性的要求也相应降低，同时也克服了常规短路判据的判定时间过长而导致短路电流限制效果不佳等缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种短路故障早期检测的故障限制方法，通过该方法可以有效地实现对短路故障的早期检测与故障辨识，在此基础上在故障早期快速投入FCL，以有效地限制短路电流。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种短路故障早期检测的故障电流限制方法，包括如下步骤，

S01：对电流信号进行固定采样频率的A/D采样，然后对采样信号进行滤波算法滤除信号噪声；

S02：对滤波后的信号进行算法处理，提取电流信号特征量与电压变化率，进行短路故障早期检测；

S03：通过短路故障早期检测，判断当前得到的电流信号特征量与电压变化率是否超过短路故障的阈值；若是，则判断线路上发生了短路故障，立即触发FCL限制短路故障电流，并返回步骤S01执行下一次检测；若否，则直接返回步骤S01。

在本发明实施例中，所述的滤波算法是形态小波滤波算法。

在本发明实施例中，所述的短路故障早期检测是利用短路电流奇异性特征及电压变化率综合分析的检测方法。

在本发明实施例中，所述方法利用短路故障早期检测判据实现FCL投切控制，所述的FCL类型为电力电子型、电力电子型与经济型或者超导型相结合。

在本发明实施例中，所述步骤S03通过触发FCL限制短路故障电流，具体为：依靠FCL的电力电子器件接受短路故障早期检测后发出的触发信号，触发FCL中的可控型电力电子器件导通，以限制短路故障电流。

在本发明实施例中，所述可控型电力电子器件为可关断晶闸管、绝缘门极双极性晶体管或电力场效应晶体管。

在本发明实施例中，所述方法适用于各类短路故障，包括：三相短路、两相短路或单相短路的故障；还适用于各类接地型式。

在本发明实施例中，所述方法适用于各类电压等级，包括：低压，中压，高压甚至是超高压电力系统。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明通过对短路故障的早期检测与故障辨识，同时在此基础上快速投入FCL，在故障早期有效地限制短路电流，方法简单，具有较好的使用价值。

附图说明

图1为本发明的软件处理流程图。

图2为小波包细节分解算法示意图。

图3为小波分解后的第一到第五尺度细节分量。

图4为可控串联谐振型FCL拓扑图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

本发明一种短路故障早期检测的故障电流限制方法，包括如下步骤，

S01：对电流信号进行固定采样频率的A/D采样，然后对采样信号进行滤波算法滤除信号噪声；

S02：对滤波后的信号进行算法处理，提取电流信号特征量与电压变化率，进行短路故障早期检测；

S03：通过短路故障早期检测，判断当前得到的电流信号特征量与电压变化率是否超过短路故障的阈值；若是，则判断线路上发生了短路故障，立即触发FCL限制短路故障电流，并返回步骤S01执行下一次检测；若否，则直接返回步骤S01。

以下为本发明的具体实施例。

本实施例提供的一种短路故障早期检测的故障电流限制方法，该方法的软件处理流程图如图1所示，先对线路电流进行A/D采样，然后利用软件滤波算法滤除噪声干扰，进而利用算法提取出滤波后的信号中的特征量，进行短路故障早期检测与辨识；当判断发生短路故障后，立即触发FCL中的可控型电子器件导通，投入FCL限制故障电流；其中，滤波算法采用形态小波滤波算法。

本方案的具体实施步骤如下： 

S1：对电流信号进行固定采样频率的A/D采样，然后对采样信号进行形态滤波算法滤除信号噪声；

S2：对A/D转换结果进行相应的算法处理，提取出短路电流的特征量；

S3：判断当前得到的短路电流及其电压信号的特征量是否超过短路故障的阈值。若是，则判断线路上发生了短路故障，跳到步骤S4；若否，回到步骤S1；

S4：当判断发生短路故障后，立即触发FCL中的可控电力电子器件导通，投入FCL限制故障电流；

S5：结束本次故障检测，返回步骤S1进入下一个循环，开始新一轮的线路短路检测及辨识的在线监测。 

下面对上述步骤中的短路故障早期检测方法、FCL的类型以及投入方式做进一步的解释。

一、短路故障早期检测方法介绍。

本发明中，短路故障早期检测方法主要是利用短路电流奇异性特征及电压变化率综合分析的检测方法；目前主要有基于回归分析的峰值预测法、电压跌落法、小波分析法等方法实现对短路故障电流的早期检测。

小波变换是目前应用较广泛的时频域分析工具；小波变换是时间(空间)频率的局部化分析，通过伸缩平移运算对信号逐步进行多尺度细化，最终达到高频处时间细分、低频处频率细分，自动适应时频信号分析的要求，从而可聚焦到信号的任意细节，解决傅里叶变换纯频域分析的局限性。

Mallat算法是由多分辨分析理论发展出来的一种正交小波快速算法，具有双尺度函数，可将尺度空间分解为有限个小波分量之和；Mallat算法实际上是将信号在不同时间和不同频率尺度上进行分解，提取信号在各个尺度上所体现的特征；其算法过程为：将信号                                                

通过

(低通滤波器)和

(高通滤波器)得到光滑分量

和细节分量

，从而得到各个尺度上的信号情况，具体的二进制小波分解快速递推如式(1)：

       公式（1）

其中，

为输入信号，

、

、

分别为第一到第三尺度小波分解得到的平滑分量，

为小波分解得到的第四尺度细节分量，

、

分别为相应低通、高通滤波器的有限脉冲响应系数；图2为小波包细节分解算法示意图；图3为小波分解后的第一到第四尺度分量及第五尺度小波包细节分量，可看出小波变换方法可以在滤波的基础上有效地反映短路电流波形的奇异性，且短路早期故障特征检测的最佳时刻在1ms之前。

二、所选FCL的类型以及投入方式。

本发明所用的FCL类型为电力电子型，或电力电子型与经济型或者超导型相结合；电力电子型FCL又称柔性化的短路电流限制器(flexible short current limiter，FSCL)；FSCL 是用半导体器件替代传统的开关设备以达到限流阻抗的快速切换，从而限制短路电流，其主要实现方案为固态短路限流器、功率电子器件的可控故障限流器以及具有可控串联补偿的故障限流器。从技术可行性与经济性考虑，基于常规电气设备或元件的经济型故障限流器，无疑是解决故障限流问题的首选。其中，基于常规电气元件的串联谐振型FCL，不仅可把短路电流限制到较低水平，而且具有运行可靠性高、价格低廉和技术经济性能好等明显优点，能克服现有限流技术的不足，但是其存在不可控的特点。

本发明利用短路早期检测判据实现FCL投切控制利用短路早期检测判据实现FCL投切控制，所选用的FCL类型为电力电子型、电力电子型与经济型或者超导型相结合；具体表现为依靠可关断晶闸管GTO (Gate Turn-off Thyrisyor)，绝缘门极双极性晶体管IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）,电力场效晶体管P-MOSFET（Power-Metal Oxide Semiconductor Filed Effect Transistor）等可控型电力电子器件接受触发信号；本实施例的FCL模型为电力电子型与经济型FCL相结合，即可控串联谐振型FCL；FCL主要由电容C，旁路电感L1，串联电感L2，可关断晶闸管GTO(Gate Turn-off Thyrisyor,GTO)和保护用的避雷器ZnO组成；图4为可控串联谐振型FCL拓扑图。

正常情况下，GTO截止，负荷电流从电容器流过，由于容抗与串联电感L2的感抗相同，所以此时二者处于串联谐振状态，对系统运行无影响；短路故障时，控制GTO导通，旁路电感L1接入；L1与C选择适当的参数，并联后可以得到较大的电抗，与L2串联后共同限流，并且可根据不同的短路情况，即短路电流大小调节GTO的导通角，以改变限流程度。

最后需要提出的是，本发明适用于各类短路故障，包括：三相短路、两相短路、单相短路的故障；也适用于各类接地型式；同时，本发明还适用于各类电压等级，包括低压，中压，高压甚至是超高压电力系统；另外，本发明不局限于以上具体的实施方式，只要采用了本发明的短路故障早期检测的故障限制方法，即在同一检测装置中同时实现对短路故障早期检测与辨识且在此基础上快速投入FCL限制短路电流的，无论采用何种滤波算法或特征量提取算法，以及无论采用何种类型的FCL都落入本发明的保护范围。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。 

Claims (8)

1.一种短路故障早期检测的故障电流限制方法，其特征在于：包括如下步骤，

S01：对电流信号进行固定采样频率的A/D采样，然后对采样信号进行滤波算法滤除信号噪声；

S02：对滤波后的信号进行算法处理，提取电流信号特征量与电压变化率，进行短路故障早期检测；

S03：通过短路故障早期检测，判断当前得到的电流信号特征量与电压变化率是否超过短路故障的阈值；若是，则判断线路上发生了短路故障，立即触发FCL限制短路故障电流，并返回步骤S01执行下一次检测；若否，则直接返回步骤S01。

2.根据权利要求1所述的一种短路故障早期检测的故障限制方法，其特征在于：所述的滤波算法是形态小波滤波算法。

3.根据权利要求1所述的一种短路故障早期检测的故障限制方法，其特征在于：所述的短路故障早期检测是利用短路电流奇异性特征及电压变化率综合分析的检测方法。

4.根据权利要求1所述的一种短路故障早期检测的故障限制方法，其特征在于：所述方法利用短路故障早期检测判据实现FCL投切控制，所述的FCL类型为电力电子型、电力电子型与经济型或者超导型相结合。

5.根据权利要求4所述的一种短路故障早期检测的故障限制方法，其特征在于：所述步骤S03通过触发FCL限制短路故障电流，具体为：依靠FCL的电力电子器件接受短路故障早期检测后发出的触发信号，触发FCL中的可控型电力电子器件导通，以限制短路故障电流。

6.根据权利要求5所述的一种短路故障早期检测的故障限制方法，其特征在于：所述可控型电力电子器件为可关断晶闸管、绝缘门极双极性晶体管或电力场效应晶体管。

7.根据权利要求1所述的一种短路故障早期检测的故障限制方法，其特征在于：所述方法适用于各类短路故障，包括：三相短路、两相短路或单相短路的故障；还适用于各类接地型式。

8.根据权利要求1所述的一种短路故障早期检测的故障限制方法，其特征在于：所述方法适用于各类电压等级，包括：低压，中压，高压甚至是超高压电力系统。

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