CN113433483A - 一种交流系统短路电流在线监测方法及监测装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供交流系统短路电流在线监测方法及监测装置，用于监测电站交流母线处的短路电流。所述方法包括：检测所述电站的交流母线相电压或交流母线线电压并确定所述交流母线相电压有效值；确定所述电站交流母线连接的无功设备的无功功率总和；所述电站正常运行，当所述无功功率总和在第一时间周期的变化量超过第一无功功率阈值时，确定所述无功功率总和在第一时间周期的变化量与所述交流母线相电压有效值在第一时间周期的变化量；或者当所述电站交流母线连接的无功设备的无功功率在第二时间周期变化时，确定所述无功功率总和在第二时间周期的变化量与交流母线相电压有效值在第二时间周期的变化量；确定所述电站交流母线处的短路电流。

Description

一种交流系统短路电流在线监测方法及监测装置

技术领域

本申请涉及柔性交流输电和直流输电技术领域，具体涉及交流系统短路电流在线监测方法及装置。

背景技术

交流系统短路电流通常通过短路试验来得到，作为校核电力系统设备容量的重要技术手段。随着电力系统运行方式的改变，交流系统短路电流可能发生变化，虽然可通过机电暂态仿真程序计算得到，但是准确性仍然需要实际测试进行验证。

交流系统短路电流在线监测可验证机电暂态仿真程序的准确性，为电力系统短路电流超标提供在线预警，同时可用于无功设备的控制算法优化控制参数。因此，交流系统短路电流在线监测对于电力系统安全运行具有重要意义。

发明内容

本申请实施例提供一种交流系统短路电流在线监测方法，用于监测电站交流母线处的短路电流，所述方法包括：检测所述电站的交流母线相电压或交流母线线电压并确定所述交流母线相电压有效值U_A；确定所述电站交流母线连接的无功设备的无功功率总和Q_sum；所述电站正常运行，当所述无功功率总和Q_sum在第一时间周期的变化量超过第一无功功率阈值时，确定所述无功功率总和Q_sum在第一时间周期的变化量dQ₁与所述交流母线相电压有效值在第一时间周期的变化量dU_A1；或者控制所述电站交流母线连接的无功设备的无功功率在第二时间周期变化，确定所述无功功率总和Q_sum在第二时间周期的变化量dQ₂与交流母线相电压有效值在第二时间周期的变化量dU_A2；确定所述电站交流母线处的短路电流Isc；所述短路电流Isc计算公式为：

或

为交流系统等值电路的阻抗角，k为修正系数，其中，k在0.9～1.1之间取值。

根据一些实施例，所述电站包括换流站、变电站、风力电站、光伏电站、储能电站、水电站、发电厂或核电站的至少一种。

根据一些实施例，所述电站交流母线连接的无功设备包括与交流母线直接连接的无功设备和与交流母线通过变压器连接的无功设备；所述通过变压器连接的无功设备的无功功率折算到交流母线侧计入到所述无功功率总和内。

根据一些实施例，所述电站交流母线连接的无功设备包括电容器、交流滤波器、低抗、电网换相换流器、电压源换流器、静止无功补偿装置、静止无功发生器、静止同步补偿器、调相机、串补、光伏逆变器、风电变流器、储能系统、发电机、变压器的至少一种。

根据一些实施例，通过三相电路瞬时无功功率理论确定所述无功设备的无功功率，计算公式为：

式中，u_A、u_B、u_C为三相交流相电压瞬时值，i_A、i_B、i_C为三相交流相电流瞬时值。

根据一些实施例，所述电容器的无功功率计算公式为：

式中，f为实测频率，f_N为额定频率，U_A为实测相电压有效值，U_AN为额定相电压，Q_CAPN为额定无功功率；所述交流滤波器的无功功率计算公式为：

式中，f为实测频率，f_N为额定频率，U_A为实测相电压有效值，U_AN为额定相电压，Q_ACFN为额定无功功率；所述低抗的无功功率计算公式为：

式中，f为实测频率，f_N为额定频率，U_A为实测相电压有效值，U_AN为额定相电压，Q_REACTN为额定无功功率；所述电网换相换流器的无功功率计算公式分为：对于整流侧，

对于逆变侧，

式中，α为触发角，γ为关断角，μ为换相角，I_d为直流电流实测值，U_di0R为整流侧实际空载直流母线电压，U_di0I为逆变侧实际空载直流母线电压；上述公式中，以发出无功功率为正，吸收无功功率为负。

根据一些实施例，所述电站正常运行包括交流母线带电且所述电站无站外无功功率冲击引起的交流电压波动、无交流故障、无设备故障的至少一种。

根据一些实施例，所述控制所述电站交流母线连接的无功设备的无功功率在第二时间周期变化包括控制所述无功设备投切、或控制所述无功设备的无功功率阶跃变化、或控制所述无功设备的无功功率斜坡变化。

根据一些实施例，当所述无功设备为电容器、交流滤波器、低抗、变压器时，所述控制所述电站交流母线连接的无功设备的无功功率在第二时间周期变化为控制所述无功设备投切；当所述无功设备为电网换相换流器时，所述控制所述电站交流母线连接的无功设备的无功功率在第二时间周期变化为所述无功设备的无功功率阶跃变化，包括触发角阶跃、关断角阶跃、直流电流阶跃和直流电压阶跃中的至少一种；当所述无功设备为电压源换流器、静止无功补偿装置、静止无功发生器、静止同步补偿器、调相机、串补、光伏逆变器、风电变流器、储能系统、发电机时，所述电站交流母线连接的无功设备的无功功率变化为所述无功设备的无功功率阶跃变化或斜坡变化。

根据一些实施例，所述交流系统等值电路的阻抗角通过交流系统机电暂态仿真模型进行等值，取值为常数，取值范围为75°～89°。

根据一些实施例，所述修正系数通过所述交流系统机电暂态仿真模型中所述电站交流母线处的短路电流Isc_sim计算得到，公式如下：

或

其中，

为交流系统等值电路的阻抗角，dQ_{1_sim}为所述交流系统机电暂态仿真模型中所述电站交流母线连接的无功设备的无功功率总和在第一时间周期的变化量，dU_{A1_sim}为所述交流系统机电暂态仿真模型中所述交流母线相电压有效值在第一时间周期的变化量，dQ_{2_sim}为所述交流系统机电暂态仿真模型中所述电站交流母线连接的无功设备的无功功率总和在第二时间周期的变化量，dU_{A2_sim}为所述交流系统机电暂态仿真模型中所述交流母线相电压有效值在第二时间周期的变化量。

根据一些实施例，所述修正系数与所述交流系统等值电路的阻抗值有关，如果所述交流系统为无穷大系统，则所述修正系数取值为1；如果所述交流系统为35kV以上高电压等级的交流系统，则所述修正系数取值为1。

根据一些实施例，所述第一时间周期取值为0.01s-100s，所述第二时间周期取值为0.01s-1s。

根据一些实施例，所述方法还包括：确定所述电站交流母线处的短路电流Isc后，如果所述电站交流母线处的短路电流Isc超出安全范围时，进行报警；所述安全范围由电力系统开关和变压器设备参数、电力系统稳定运行参数确定。

根据一些实施例，所述方法还包括：确定所述电站交流母线处的短路电流Isc后，所述无功设备进行控制参数实时优化，减小电力系统扰动时所述交流母线相电压波动。

根据一些实施例，当所述无功设备为电网换相换流器时，所述控制参数为电流控制器参数、电压控制器参数、关断角控制器参数、低压限流环节参数、整流侧最小触发角限制值、移相角度、无功功率参考值、交流电压参考值的至少一种；当所述无功设备为电压源换流器、静止无功补偿装置、静止无功发生器、静止同步补偿器、调相机、串补、光伏逆变器、风电变流器、储能系统、发电机时，所述控制参数为无功功率控制器参数、有功功率控制器参数、电压控制器参数、无功功率参考值、交流电压参考值的至少一种。

根据一些实施例，所述方法还包括：所述无功设备根据所述电站交流母线连接的无功设备的无功功率总和Q_sum，计算交流电压变化为：

如果实际的交流电压变化在0.9ΔU_A至1.1ΔU_A之间，则判定因所述电站交流母线连接的无功设备的无功功率总和引起交流电压变化；否则，判定为交流系统故障引起交流电压变化。

根据一些实施例，所述方法还包括：如果因所述电站交流母线连接的无功设备的无功功率总和引起交流电压变化，控制电网换流器触发角、交流滤波器或电容器投切来减少所述电站和交流系统交换的无功功率。

本申请实施例还提供一种交流系统短路电流在线监测装置，用于监测电站交流母线处的短路电流，所述装置包括检测单元和控制单元，所述检测单元用于检测电站交流母线相电压或交流母线线电压；所述控制单元用于确定电站交流母线相电压有效值U_A，确定所述电站交流母线连接的无功设备的无功功率总和Q_sum；当所述电站正常运行且所述无功功率总和Q_sum在第一时间周期的变化量超过第一无功功率阈值时，确定所述无功功率总和Q_sum在第一时间周期的变化量dQ₁与交流母线相电压有效值在第一时间周期的变化量dU_A1；或者当所述电站正常运行，控制所述电站正常运行且所述电站交流母线连接的无功设备的无功功率在第二时间周期变化，确定所述无功功率总和Q_sum在第二时间周期的变化量dQ₂与交流母线相电压有效值在第二时间周期的变化量dU_A2，确定所述电站交流母线处的短路电流Isc，所述短路电流Isc计算公式为：

或

φ为交流系统等值电路的阻抗角，k为修正系数，其中，k在0.9～1.1之间取值。

本申请实施例提供的技术方案，通过检测电站交流母线连接的无功设备的无功功率总和变化量和交流母线电压的变化量，计算交流系统短路电流，为电力系统短路电流超标提供在线预警，同时可用于无功设备的控制算法优化控制参数。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例的一种换流站示意图。

图2是本申请实施例的一种交流系统短路电流在线监测方法流程示意图。

图3是本申请实施例的另一种交流系统短路电流在线监测方法流程示意图。

图4是本申请提供的一种交流系统短路电流在线监测装置功能框图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应当理解，本申请的说明书和权利要求书中使用的术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

图1是本申请实施例的一种换流站示意图。

换流站为电站的一种，此外，电站还包括但不限于变电站、风力电站、光伏电站、储能电站、水电站、发电厂或核电站等等。

如图1所示，换流站的无功设备包括第一交流滤波器2、第二交流滤波器4、第一电容器6、第二电容器8、第一低抗10，第二低抗12、相连接的极I换流变压器14和极I换流器15、相连接的极II换流变压器17和极II换流器18、相连接的变压器20和调相机21。

第一交流滤波器2通过交流开关1与交流母线22连接。第二交流滤波器4通过交流开关3与交流母线22连接。第一电容器6通过交流开关5与交流母线22连接。第二电容器8通过交流开关7与交流母线22连接。第一低抗10通过交流开关9与交流母线22连接。第二低抗12通过交流开关11与交流母线22连接。极I换流变压器14通过交流开关13与交流母线22连接。极II换流变压器17通过交流开关16与交流母线22连接。变压器20通过交流开关19与交流母线22连接。

图2是本申请实施例的一种交流系统短路电流在线监测方法流程示意图。以图1所示换流站为例，交流系统短路电流在线监测方法包括以下流程。

在S110中，检测电站的交流母线相电压或交流母线线电压并确定交流母线相电压有效值为U_A。

相电压有效值可选择只计算单相交流电压，或选择计算三相交流电压有效值，然后取平均值。

如果检测的是交流母线线电压，那么交流母限线电压有效值为U_AB，电站的交流母线相电压有效值计算如下。

在S120中，确定电站交流母线连接的无功设备的无功功率总和Q_sum。

电站交流母线连接的无功设备包括与交流母线直接连接的无功设备和与交流母线通过变压器连接的无功设备，通过变压器连接的无功设备的无功功率折算到交流母线侧计入到所述无功功率总和内。

电站交流母线连接的无功设备包括但不限于电容器、交流滤波器、低抗、电网换相换流器、电压源换流器、静止无功补偿装置、静止无功发生器、静止同步补偿器、调相机、串补、光伏逆变器、风电变流器、储能系统、发电机、变压器的一种或几种。

通过三相电路瞬时无功功率理论确定无功设备的无功功率，计算公式如下。

式中，u_A、u_B、u_C为三相交流相电压瞬时值，i_A、i_B、i_C为三相交流相电流瞬时值。

以图1所示换流站为例，假设所有无功设备的交流开关都闭合，连接到交流母线，计算所有无功设备的无功功率，其中，无功设备的相电流以流入交流母线为正。

第一交流滤波器2的无功功率计算如下。

或

式中，u_{A_ACF1}、u_{B_ACF1}、u_{C_ACF1}为第一交流滤波器2的三相交流相电压瞬时值，i_{A_ACF1}、i_{B_ACF1}、i_{C_ACF1}为第一交流滤波器2的三相交流相电流瞬时值，f_ACF1为第一交流滤波器2的实测频率，f_{N_ACF1}为第一交流滤波器2的额定频率，U_{A_ACF1}为第一交流滤波器2的实测相电压有效值，U_{AN_ACF1}为第一交流滤波器2的额定相电压，Q_{N_ACF1}为第一交流滤波器2的额定无功功率。

第二交流滤波器4的无功功率计算如下。

或

式中，u_{A_ACF2}、u_{B_ACF2}、u_{C_ACF2}为第二交流滤波器4的三相交流相电压瞬时值，i_{A_ACF2}、i_{B_ACF2}、i_{C_ACF2}为第二交流滤波器4的三相交流相电流瞬时值，f_ACF2为第二交流滤波器4的实测频率，f_{N_ACF2}为第二交流滤波器4的额定频率，U_{A_ACF2}为第二交流滤波器4的实测相电压有效值，U_{AN_ACF2}为第二交流滤波器4的额定相电压，Q_{N_ACF2}为第二交流滤波器4的额定无功功率。

第一电容器6的无功功率计算如下。

或

式中，u_{A_CAP1}、u_{B_CAP1}、u_{C_CAP1}为第一电容器6的三相交流相电压瞬时值，i_{A_CAP1}、i_{B_CAP1}、i_{C_CAP1}为第一电容器6的三相交流相电流瞬时值，f_CAP1为第一电容器6的实测频率，f_{N_CAP1}为第一电容器6的额定频率，U_{A_CAP1}为第一电容器6的实测相电压有效值，U_{AN_CAP1}为第一电容器6的额定相电压，Q_{N_CAP1}为第一电容器6的额定无功功率。

第二电容器8的无功功率计算如下。

或

式中，u_{A_CAP2}、u_{B_CAP2}、u_{C_CAP2}为第二电容器8的三相交流相电压瞬时值，i_{A_CAP2}、i_{B_CAP2}、i_{C_CAP2}为第二电容器8的三相交流相电流瞬时值，f_CAP2为第二电容器8的实测频率，f_{N_CAP2}为第二电容器8的额定频率，U_{A_CAP2}为第二电容器8的实测相电压有效值，U_{AN_CAP2}为第二电容器8的额定相电压，Q_{N_CAP2}为第二电容器8的额定无功功率。

第一低抗10的无功功率计算如下。

或

式中，u_{A_REACT1}、u_{B_REACT1}、u_{C_REACT1}为第一低抗10的三相交流相电压瞬时值，i_{A_REACT1}、i_{B_REACT1}、i_{C_REACT1}为第一低抗10的三相交流相电流瞬时值，f_REACT1为第一低抗10的实测频率，f_{N_REACT1}为第一低抗10的额定频率，U_{A_REACT1}为第一低抗10的实测相电压有效值，U_{AN_REACT1}为第一低抗10的额定相电压，Q_{N_REACT1}为第一低抗10的额定无功功率。

第二低抗12的无功功率计算如下。

或

式中，u_{A_REACT2}、u_{B_REACT2}、u_{C_REACT2}为第二低抗12的三相交流相电压瞬时值，i_{A_REACT2}、i_{B_REACT2}、i_{C_REACT2}为第二低抗12的三相交流相电流瞬时值，f_REACT2为第二低抗12的实测频率，f_{N_REACT2}为第二低抗12的额定频率，U_{A_REACT2}为第二低抗12的实测相电压有效值，U_{AN_REACT2}为第二低抗12的额定相电压，Q_{N_REACT2}为第二低抗12的额定无功功率。

以整流侧为例，极I换流变压器14和极I换流器15的无功功率计算如下。

或

式中，u_{A_CONV1}、u_{B_CONV1}、u_{C_CONV1}为极I换流变压器14原边绕组的三相交流相电压瞬时值，i_{A_CONV1}、i_{B_CONV1}、i_{C_CONV1}为极I换流变压器14原边绕组的三相交流相电流瞬时值，α₁为极I换流器14的触发角，μ₁为极I换流器14的换相角，I_d1为极I换流器14的直流电流实测值，U_di0R1为极I换流器14的实际空载直流母线电压。

极II换流变压器17和极II换流器18的无功功率计算如下。

或

式中，u_{A_CONV2}、u_{B_CONV2}、u_{C_CONV2}为极II换流变压器17原边绕组的三相交流相电压瞬时值，i_{A_CONV2}、i_{B_CONV2}、i_{C_CONV2}为极II换流变压器17原边绕组的三相交流相电流瞬时值，α₂为极II换流器18的触发角，μ₂为极II换流器18的换相角，I_d2为极II换流器18的直流电流实测值，U_di0R2为极II换流器18的实际空载直流母线电压。

调相机21和变压器20的无功功率计算如下。

式中，u_{A_COND}、u_{B_COND}、u_{C_COND}为变压器20原边绕组的三相交流相电压瞬时值，i_{A_COND}、i_{B_COND}、i_{C_COND}为变压器20原边绕组的三相交流相电流瞬时值。

以上无功设备都连接在交流母线，因此各个无功设备的交流电压相同，可统一用交流母线电压u_A、u_B、u_C来代替，相应的有效值都为U_A。

无功功率总和计算如下。

Q_sum＝Q_ACF1+Q_ACF2+Q_CAP1+Q_CAP2+Q_REACT1+Q_REACT2+Q_CONV1R+Q_{CONV 2R}+Q_COND。

在S130中，当电站正常运行且无功功率总和Q_sum在第一时间周期的变化量超过第一无功功率阈值时，确定无功功率总和Q_sum在第一时间周期的变化量dQ₁与交流母线相电压有效值在第一时间周期的变化量dU_A1。

可选地，第一时间周期取值为0.01s-100s。

t1时刻，换流站正常运行，无功功率总和为Q_{sum_t1}，交流母线相电压有效值为U_{A_t1}，在第一时间周期t1～t2之间，极I换流器15因故障闭锁，交流开关13跳开，t2时刻检测到无功功率总和为Q_{sum_t2}，交流母线相电压有效值为U_{A_t2}，无功功率总和Q_sum的变化量dQ₁超过第一无功功率阈值Q_{sum_db}。

Q_{sum_t1}＝Q_{ACF1_t1}+Q_{ACF2_t1}+Q_{CAP1_t1}+Q_{CAP2_t1}+Q_{REACT1_t1}+Q_{REACT2_t1}+Q_{CONV1R_t1}+Q_{CONV2R_t1}+Q_{COND_t1}

Q_{sum_t2}＝Q_{ACF1_t2}+Q_{ACF2_t2}+Q_{CAP1_t2}+Q_{CAP2_t2}+Q_{REACT1_t2}+Q_{REACT2_t2}+Q_{CONV2R_t2}+Q_{COND_t2}

dQ₁＝Q_{sum_t2}-Q_{sum_t1}

dU_A1＝U_{A_t2}-U_{A_t1}。

需要指出，上述相电压有效值可先经过低通滤波后再进行计算。

在S140中，确定电站交流母线处的短路电流Isc。

短路电流Isc计算公式如下。

其中，

为交流系统等值电路的阻抗角，k为修正系数，其中，k在0.9～1.1之间取值。修正系数与交流系统等值电路的阻抗值有关，如果交流系统为无穷大系统，则修正系数取值为1，如果交流系统为35kV以上高电压等级的交流系统，则修正系数取值优选为1。

确定电站交流母线处的短路电流Isc后，无功设备进行控制参数实时优化，减小电力系统扰动时所述交流母线相电压波动。

当无功设备为电网换相换流器时，控制参数包括但不限于电流控制器参数、电压控制器参数、关断角控制器参数、低压限流环节参数、整流侧最小触发角限制值、移相角度、无功功率参考值、交流电压参考值的一种或几种。当无功设备为电压源换流器、静止无功补偿装置、静止无功发生器、静止同步补偿器、调相机、串补、光伏逆变器、风电变流器、储能系统、发电机时，控制参数包括但不限于无功功率控制器参数、有功功率控制器参数、电压控制器参数、无功功率参考值、交流电压参考值的一种或几种。

可选地，确定电站交流母线处的短路电流Isc后，如果电站交流母线处的短路电流Isc超出安全范围时，进行报警，安全范围由电力系统开关和变压器设备参数、电力系统稳定运行参数确定。

图3是本申请实施例的另一种交流系统短路电流在线监测方法流程示意图。以图1所示换流站为例，交流系统短路电流在线监测方法包括以下流程。

在S210中，检测电站的交流母线相电压或交流母线线电压并确定交流母线相电压有效值为U_A。

相电压有效值可选择只计算单相交流电压，或选择计算三相交流电压有效值，然后取平均值。

如果检测的是交流母线线电压，那么交流母限线电压有效值为U_AB，电站的交流母线相电压有效值计算如下。

在S220中，确定电站交流母线连接的无功设备的无功功率总和Q_sum。

电站交流母线连接的无功设备包括与交流母线直接连接的无功设备和与交流母线通过变压器连接的无功设备，通过变压器连接的无功设备的无功功率折算到交流母线侧计入到所述无功功率总和内。

电站交流母线连接的无功设备包括但不限于电容器、交流滤波器、低抗、电网换相换流器、电压源换流器、静止无功补偿装置、静止无功发生器、静止同步补偿器、调相机、串补、光伏逆变器、风电变流器、储能系统、发电机、变压器的一种或几种。

通过三相电路瞬时无功功率理论确定无功设备的无功功率，计算公式如下。

式中，u_A、u_B、u_C为三相交流相电压瞬时值，i_A、i_B、i_C为三相交流相电流瞬时值。

以图1所示换流站为例，假设所有无功设备的交流开关都闭合，连接到交流母线，计算所有无功设备的无功功率，其中，无功设备的相电流以流入交流母线为正。

第一交流滤波器2的无功功率如下。

或

式中，u_{A_ACF1}、u_{B_ACF1}、u_{C_ACF1}为第一交流滤波器2的三相交流相电压瞬时值，i_{A_ACF1}、i_{B_ACF1}、i_{C_ACF1}为第一交流滤波器2的三相交流相电流瞬时值，f_ACF1为第一交流滤波器2的实测频率，f_{N_ACF1}为第一交流滤波器2的额定频率，U_{A_ACF1}为第一交流滤波器2的实测相电压有效值，U_{AN_ACF1}为第一交流滤波器2的额定相电压，Q_{N_ACF1}为第一交流滤波器2的额定无功功率。

第二交流滤波器4的无功功率如下。

或

式中，u_{A_ACF2}、u_{B_ACF2}、u_{C_ACF2}为第二交流滤波器4的三相交流相电压瞬时值，i_{A_ACF2}、i_{B_ACF2}、i_{C_ACF2}为第二交流滤波器4的三相交流相电流瞬时值，f_ACF2为第二交流滤波器4的实测频率，f_{N_ACF2}为第二交流滤波器4的额定频率，U_{A_ACF2}为第二交流滤波器4的实测相电压有效值，U_{AN_ACF2}为第二交流滤波器4的额定相电压，Q_{N_ACF2}为第二交流滤波器4的额定无功功率。

第一电容器6的无功功率如下。

或

式中，u_{A_CAP1}、u_{B_CAP1}、u_{C_CAP1}为第一电容器6的三相交流相电压瞬时值，i_{A_CAP1}、i_{B_CAP1}、i_{C_CAP1}为第一电容器6的三相交流相电流瞬时值，f_CAP1为第一电容器6的实测频率，f_{N_CAP1}为第一电容器6的额定频率，U_{A_CAP1}为第一电容器6的实测相电压有效值，U_{AN_CAP1}为第一电容器6的额定相电压，Q_{N_CAP1}为第一电容器6的额定无功功率。

第二电容器8的无功功率如下。

或

式中，u_{A_CAP2}、u_{B_CAP2}、u_{C_CAP2}为第二电容器8的三相交流相电压瞬时值，i_{A_CAP2}、i_{B_CAP2}、i_{C_CAP2}为第二电容器8的三相交流相电流瞬时值，f_CAP2为第二电容器8的实测频率，f_{N_CAP2}为第二电容器8的额定频率，U_{A_CAP2}为第二电容器8的实测相电压有效值，U_{AN_CAP2}为第二电容器8的额定相电压，Q_{N_CAP2}为第二电容器8的额定无功功率。

第一低抗10的无功功率如下。

或

式中，u_{A_REACT1}、u_{B_REACT1}、u_{C_REACT1}为第一低抗10的三相交流相电压瞬时值，i_{A_REACT1}、i_{B_REACT1}、i_{C_REACT1}为第一低抗10的三相交流相电流瞬时值，f_REACT1为第一低抗10的实测频率，f_{N_REACT1}为第一低抗10的额定频率，U_{A_REACT1}为第一低抗10的实测相电压有效值，U_{AN_REACT1}为第一低抗10的额定相电压，Q_{N_REACT1}为第一低抗10的额定无功功率。

第二低抗12的无功功率如下。

或

式中，u_{A_REACT2}、u_{B_REACT2}、u_{C_REACT2}为第二低抗12的三相交流相电压瞬时值，i_{A_REACT2}、i_{B_REACT2}、i_{C_REACT2}为第二低抗12的三相交流相电流瞬时值，f_REACT2为第二低抗12的实测频率，f_{N_REACT2}为第二低抗12的额定频率，U_{A_REACT2}为第二低抗12的实测相电压有效值，U_{AN_REACT2}为第二低抗12的额定相电压，Q_{N_REACT2}为第二低抗12的额定无功功率。

以整流侧为例，极I换流变压器14和极I换流器15的无功功率如下。

或

式中，u_{A_CONV1}、u_{B_CONV1}、u_{C_CONV1}为极I换流变压器14原边绕组的三相交流相电压瞬时值，i_{A_CONV1}、i_{B_CONV1}、i_{C_CONV1}为极I换流变压器14原边绕组的三相交流相电流瞬时值，α₁为极I换流器14的触发角，μ₁为极I换流器14的换相角，I_d1为极I换流器14的直流电流实测值，U_di0R1为极I换流器14的实际空载直流母线电压。

极II换流变压器17和极II换流器18的无功功率计算如下。

或

式中，u_{A_CONV2}、u_{B_CONV2}、u_{C_CONV2}为极II换流变压器17原边绕组的三相交流相电压瞬时值，i_{A_CONV2}、i_{B_CONV2}、i_{C_CONV2}为极II换流变压器17原边绕组的三相交流相电流瞬时值，α₂为极II换流器18的触发角，μ₂为极II换流器18的换相角，I_d2为极II换流器18的直流电流实测值，U_di0R2为极II换流器18的实际空载直流母线电压。

调相机21和变压器20的无功功率计算如下。

式中，u_{A_COND}、u_{B_COND}、u_{C_COND}为变压器20原边绕组的三相交流相电压瞬时值，i_{A_COND}、i_{B_COND}、i_{C_COND}为变压器20原边绕组的三相交流相电流瞬时值。

以上无功设备都连接在交流母线，因此各个无功设备的交流电压相同，可统一用交流母线电压u_A、u_B、u_C来代替，相应的有效值都为U_A。

无功功率总和计算如下。

Q_sum＝Q_ACF1+Q_ACF2+Q_CAP1+Q_CAP2+Q_REACT1+Q_REACT2+Q_CONV1R+Q_{CONV 2R}+Q_COND。

在S230中，当电站正常运行时，控制电站交流母线连接的无功设备的无功功率在第二时间周期变化，确定无功功率总和Q_sum在第二时间周期的变化量dQ₂与交流母线相电压有效值在第二时间周期的变化量dU_A2。

可选地，第二时间周期取值为0.01s-1s。

电站交流母线连接的无功设备的无功功率变化包括但不限于控制无功设备投切、或无功设备的无功功率阶跃变化、或无功设备的无功功率斜坡变化。

当无功设备为电容器、交流滤波器、低抗、变压器时，电站交流母线连接的无功设备的无功功率变化为控制无功设备投切。

当无功设备为电网换相换流器时，电站交流母线连接的无功设备的无功功率变化为无功设备的无功功率阶跃变化，包括但不限于触发角阶跃、关断角阶跃、直流电流阶跃和直流电压阶跃中的一种或多种。

当无功设备为电压源换流器、静止无功补偿装置、静止无功发生器、静止同步补偿器、调相机、串补、光伏逆变器、风电变流器、储能系统、发电机时，电站交流母线连接的无功设备的无功功率变化为无功设备的无功功率阶跃变化或斜坡变化。

t3时刻，换流站正常运行，无功功率总和为Q_{sum_t3}，交流母线相电压有效值为U_{A_t3}，在第一时间周期t3～t4之间，控制第一电容器6切除，交流开关5跳开，t4时刻检测到无功功率总和为Q_{sum_t4}，交流母线相电压有效值为U_{A_t4}。

Q_{sum_t3}＝Q_{ACF1_t3}+Q_{ACF2_t3}+Q_{CAP1_t3}+Q_{CAP2_t3}+Q_{REACT1_t3}+Q_{REACT2_t3}+Q_{CONV1R_t3}+Q_{CONV2R_t3}+Q_{COND_t3}

Q_{sum_t4}＝Q_{ACF1_t4}+Q_{ACF2_t4}+Q_{CAP2_t4}+Q_{REACT1_t4}+Q_{REACT2_t4}+Q_{CONV1R_t4}+Q_{CONV2R_t4}+Q_{COND_t4}

dQ₂＝Q_{sum_t4}-Q_{sum_t3}

dU_A2＝U_{A_t4}-U_{A_t3}。

在S240中，确定电站交流母线处的短路电流Isc。

短路电流Isc计算公式如下。

为交流系统等值电路的阻抗角，k为修正系数，其中，k在0.9～1.1之间取值。

可根据交流母线22所连接的交流系统机电暂态仿真得到，取值为常数，取值范围为75°～89°。k与上述交流系统等值电路的阻抗值有关，如果交流系统为无穷大系统，则k取值为1；如果交流系统为35kV以上电压等级的交流系统，k优选为1。

当计算得到的Isc超出安全范围时，进行报警，安全范围由电力系统开关和变压器设备参数、电力系统稳定运行参数确定。

以高压直流输电系统为例，计算交流系统短路容量如下。

S_sc＝3U_AI_SC。

计算短路比如下。

当Isc较大(如Isc>63kA)时，存在电力系统开关不能正常断开的风险，进行报警；当SCR较小(如SCR<3)时，影响直流输电系统大功率稳定运行，进行报警。

当得到电站交流母线处的短路电流时，上述无功设备进行控制参数优化，减小电力系统扰动时所述交流母线相电压波动。

当无功设备为电网换相换流器时，控制参数包括但不限于电流控制器参数、电压控制器参数、关断角控制器参数、低压限流环节参数、整流侧最小触发角限制值、移相角度、无功功率参考值、交流电压参考值的一种或几种。当无功设备为电压源换流器、静止无功补偿装置、静止无功发生器、静止同步补偿器、调相机、串补、光伏逆变器、风电变流器、储能系统、发电机时，控制参数包括但不限于无功功率控制器参数、有功功率控制器参数、电压控制器参数、无功功率参考值、交流电压参考值的一种或几种。

以高压直流输电系统为例，根据无功功率总和Q_sum计算电压幅值的跌落水平如下。

如果实际的交流电压变化在0.9ΔU_A至1.1ΔU_A之间，则判定因所述电站交流母线连接的无功设备的无功功率总和引起交流电压变化。如果是因换流站自身无功功率缺额引起的电压跌落不作为交流故障判据，控制电网换流器触发角、交流滤波器或电容器投切来实现换流站无功功率平衡。如果在交流故障恢复的过程中，因整流侧最小触发角限制(RAML)导致的交流电压跌落不作为交流故障判据，减小整流侧最小触发角限制(RAML)。

图4是本申请提供的一种交流系统短路电流在线监测装置功能框图。交流系统短路电流在线监测装置23用于监测电站交流母线处的短路电流。包括检测单元24、控制单元25。

检测单元24用于检测电站交流母线相电压或交流母线线电压。控制单元25用于用于确定电站交流母线相电压有效值U_A，确定电站交流母线连接的无功设备的无功功率总和Q_sum；当电站正常运行且无功功率总和Q_sum在第一时间周期的变化量超过第一无功功率阈值时，确定无功功率总和Q_sum在第一时间周期的变化量dQ₁与交流母线相电压有效值在第一时间周期的变化量dU_A1；或者当电站正常运行，控制电站交流母线连接的无功设备的无功功率在第二时间周期变化，确定无功功率总和Q_sum在第二时间周期的变化量dQ₂与交流母线相电压有效值在第二时间周期的变化量dU_A2，确定电站交流母线处的短路电流Isc。电站交流母线处的短路电流Isc计算公式如下。

或

φ为交流系统等值电路的阻抗角，k为修正系数，其中，k在0.9～1.1之间取值。

本申请实施例提供的技术方案，通过检测电站交流母线连接的无功设备的无功功率总和变化量和交流母线电压的变化量，计算交流系统短路电流，为电力系统短路电流超标提供在线预警，同时可用于无功设备的控制算法优化控制参数。

以上实施例仅为说明本申请的技术思想，不能以此限定本申请的保护范围，凡是按照本申请提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本申请保护范围之内。

Claims (19)

1.一种交流系统短路电流在线监测方法，用于监测电站交流母线处的短路电流，所述方法包括：

检测所述电站的交流母线相电压或交流母线线电压并确定所述交流母线相电压有效值U_A；

确定所述电站交流母线连接的无功设备的无功功率总和Q_sum；

所述电站正常运行，当所述无功功率总和Q_sum在第一时间周期的变化量超过第一无功功率阈值时，确定所述无功功率总和Q_sum在第一时间周期的变化量dQ₁与所述交流母线相电压有效值在第一时间周期的变化量dU_A1；或者控制所述电站交流母线连接的无功设备的无功功率在第二时间周期变化，确定所述无功功率总和Q_sum在第二时间周期的变化量dQ₂与交流母线相电压有效值在第二时间周期的变化量dU_A2；

确定所述电站交流母线处的短路电流Isc；所述短路电流Isc计算公式为：

或

为交流系统等值电路的阻抗角，k为修正系数，其中，k在0.9～1.1之间取值。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电站包括换流站、变电站、风力电站、光伏电站、储能电站、水电站、发电厂或核电站的至少一种。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电站交流母线连接的无功设备包括与交流母线直接连接的无功设备和与交流母线通过变压器连接的无功设备；所述通过变压器连接的无功设备的无功功率折算到交流母线侧计入到所述无功功率总和内。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电站交流母线连接的无功设备包括电容器、交流滤波器、低抗、电网换相换流器、电压源换流器、静止无功补偿装置、静止无功发生器、静止同步补偿器、调相机、串补、光伏逆变器、风电变流器、储能系统、发电机、变压器的至少一种。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，通过三相电路瞬时无功功率理论确定所述无功设备的无功功率，计算公式为：

式中，u_A、u_B、u_C为三相交流相电压瞬时值，i_A、i_B、i_C为三相交流相电流瞬时值。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述电容器的无功功率计算公式为：

式中，f为实测频率，f_N为额定频率，U_A为实测相电压有效值，U_AN为额定相电压，Q_CAPN为额定无功功率；

所述交流滤波器的无功功率计算公式为：

式中，f为实测频率，f_N为额定频率，U_A为实测相电压有效值，U_AN为额定相电压，Q_ACFN为额定无功功率；

所述低抗的无功功率计算公式为：

式中，f为实测频率，f_N为额定频率，U_A为实测相电压有效值，U_AN为额定相电压，Q_REACTN为额定无功功率；所述电网换相换流器的无功功率计算公式分为：

对于整流侧，

对于逆变侧，

式中，α为触发角，γ为关断角，μ为换相角，I_d为直流电流实测值，U_di0R为整流侧实际空载直流母线电压，U_di0I为逆变侧实际空载直流母线电压；上述公式中以发出无功功率为正，吸收无功功率为负。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电站正常运行包括交流母线带电且所述电站无站外无功功率冲击引起的交流电压波动、无交流故障、无设备故障的至少一种。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述控制所述电站交流母线连接的无功设备的无功功率在第二时间周期变化包括控制所述无功设备投切、或控制所述无功设备的无功功率阶跃变化、或控制所述无功设备的无功功率斜坡变化。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，

当所述无功设备为电容器、交流滤波器、低抗、变压器时，所述控制所述电站交流母线连接的无功设备的无功功率在第二时间周期变化为控制所述无功设备投切；

当所述无功设备为电网换相换流器时，所述控制所述电站交流母线连接的无功设备的无功功率在第二时间周期变化为所述无功设备的无功功率阶跃变化，包括触发角阶跃、关断角阶跃、直流电流阶跃和直流电压阶跃中的至少一种；

当所述无功设备为电压源换流器、静止无功补偿装置、静止无功发生器、静止同步补偿器、调相机、串补、光伏逆变器、风电变流器、储能系统、发电机时，所述电站交流母线连接的无功设备的无功功率变化为所述无功设备的无功功率阶跃变化或斜坡变化。

10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述交流系统等值电路的阻抗角通过交流系统机电暂态仿真模型进行等值，取值为常数，取值范围为75°～89°。

11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述修正系数通过所述交流系统机电暂态仿真模型中所述电站交流母线处的短路电流Isc_sim计算得到，公式如下：

或

其中，

为交流系统等值电路的阻抗角，dQ_{1_sim}为所述交流系统机电暂态仿真模型中所述电站交流母线连接的无功设备的无功功率总和在第一时间周期的变化量，dU_{A1_sim}为所述交流系统机电暂态仿真模型中所述交流母线相电压有效值在第一时间周期的变化量，dQ_{2_sim}为所述交流系统机电暂态仿真模型中所述电站交流母线连接的无功设备的无功功率总和在第二时间周期的变化量，dU_{A2_sim}为所述交流系统机电暂态仿真模型中所述交流母线相电压有效值在第二时间周期的变化量。

12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述修正系数与所述交流系统等值电路的阻抗值有关，如果所述交流系统为无穷大系统，则所述修正系数取值为1；如果所述交流系统为35kV以上高电压等级的交流系统，则所述修正系数取值为1。

13.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一时间周期取值为0.01s-100s，所述第二时间周期取值为0.01s-1s。

14.根据权利要求1所述的方法，还包括：

确定所述电站交流母线处的短路电流Isc后，如果所述电站交流母线处的短路电流Isc超出安全范围时，进行报警；所述安全范围由电力系统开关和变压器设备参数、电力系统稳定运行参数确定。

15.根据权利要求1所述的方法，还包括：

确定所述电站交流母线处的短路电流Isc后，所述无功设备进行控制参数实时优化，减小电力系统扰动时所述交流母线相电压波动。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，

当所述无功设备为电网换相换流器时，所述控制参数为电流控制器参数、电压控制器参数、关断角控制器参数、低压限流环节参数、整流侧最小触发角限制值、移相角度、无功功率参考值、交流电压参考值的至少一种；

当所述无功设备为电压源换流器、静止无功补偿装置、静止无功发生器、静止同步补偿器、调相机、串补、光伏逆变器、风电变流器、储能系统、发电机时，所述控制参数为无功功率控制器参数、有功功率控制器参数、电压控制器参数、无功功率参考值、交流电压参考值的至少一种。

17.根据权利要求1所述的方法，还包括：

所述无功设备根据所述电站交流母线连接的无功设备的无功功率总和Q_sum，计算交流电压变化为：

如果实际的交流电压变化在0.9ΔU_A至1.1ΔU_A之间，则判定因所述电站交流母线连接的无功设备的无功功率总和引起交流电压变化；否则，判定为交流系统故障引起交流电压变化。

18.根据权利要求17所述的方法，还包括：如果因所述电站交流母线连接的无功设备的无功功率总和引起交流电压变化，控制电网换流器触发角、交流滤波器或电容器投切来减少所述电站和交流系统交换的无功功率。

19.一种交流系统短路电流在线监测装置，用于监测电站交流母线处的短路电流，所述装置包括：

检测单元，用于检测电站交流母线相电压或交流母线线电压；

控制单元，用于确定电站交流母线相电压有效值U_A，确定所述电站交流母线连接的无功设备的无功功率总和Q_sum；当所述电站正常运行且所述无功功率总和Q_sum在第一时间周期的变化量超过第一无功功率阈值时，确定所述无功功率总和Q_sum在第一时间周期的变化量dQ₁与交流母线相电压有效值在第一时间周期的变化量dU_A1；或者当所述电站正常运行，控制所述电站正常运行且所述电站交流母线连接的无功设备的无功功率在第二时间周期变化，确定所述无功功率总和Q_sum在第二时间周期的变化量dQ₂与交流母线相电压有效值在第二时间周期的变化量dU_A2，确定所述电站交流母线处的短路电流Isc，所述短路电流Isc计算公式为：

或

φ为交流系统等值电路的阻抗角，k为修正系数，其中，k在0.9～1.1之间取值。

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