CN116093891A - 基于短路故障电流对称性的发电机断路器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于短路故障电流对称性的发电机断路器控制方法，所述方法包括：控制设备实时采集发电机出口侧电流，当发生短路故障后，在故障电流上升到峰值时，基于电流对称性方法计算出投入转移电流的时刻，通过修正系数对投入转移电流时刻加以修正，然后计算出断路器分闸时刻，实现发电机断路器精确控制。本发明主要针对于现有控制方法不能有效应对发电机出口侧短路故障电流复杂的情况，填补了发电机断路器短路控制有效方法的空白。

Description

基于短路故障电流对称性的发电机断路器控制方法

技术领域

本发明属于发电机出口断路器领域，涉及一种基于短路电流对称性的发电机快速断路器控制方法。

背景技术

近年来，随着电力系统不断发展，电压等级不断提高，发电机单机容量不断增大，导致发电机出口侧发生的短路故障十分严重，亟需发电机断路器进行开断短路电流，尽可能减小短路影响，保护发电机和电力系统的正常稳定运行。

目前，市面上的发电机出口断路器普遍采用传统SF6的方式，其故障开断时间较长，开断电流等级较低，不符合未来电力设备环保化的发展要求。由电力电子组件与机械断路器构成的电流转移式发电机出口断路器能够开断更高电流等级的短路故障，且开断速度快，能够有效解决传统断路器的问题。但是电流转移式断路器对控制方法提出了更高的要求。现有控制方法过于依赖短路电流计算表达式，而发电机出口侧短路故障电流计算表达式过于复杂，预测分闸时刻不够快速准确的问题。

在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种基于短路故障电流对称性的发电机断路器控制方法，通用性强，受干扰影响小。

本发明的目的是通过以下技术方案予以实现：

一种基于短路故障电流对称性的发电机断路器控制方法包括以下步骤：

步骤1，发电机断路器设有主支路和转移支路，基于发电机出口侧短路故障仿真及实测短路电流数据设定修正系数α，按照发电机出口断路器要求设定提前分闸时间阈值ε，转移电流值I_zy及等待断路器开断时间β；

步骤2，实时采集发电机出口侧电流，发电机出口侧发生短路故障为T₀时刻，当I_N-1＜I_zy＜I_N，捕获电流上升阶段时电流值等于转移电流值I_zy的时刻并记为T₁时刻，当I_N，-2＜I_N，-1＞I_N，时，捕获短路电流上升到峰值的时刻并记为T₂时刻，通过离散方式采集发电机出口侧电流，令发电机出口侧发生短路故障T₀时刻，记为第0个采样点，则I_N-1表示第N-1个采样点的电流值，I_N表示第N个采样点的电流值，I_N，-2表示第N′-2个采样点的电流值，I_N，-1表示第N′-1个采样点的电流值，I_N，表示第N′个采样点的电流值，将离散时间坐标转化到连续时间坐标下，得到T₁≈(N-1)Δt+δ，T₂≈(N′-1)Δt+δ，其中Δt为采样间隔；

步骤3，采集到电流峰值时开始预测投入转移电流的时刻T₄以及主支路提前分闸时刻T₃，通过所述修正系数α对投入转移电流的时刻T₄进行修正，T₄＝α·(T₂-T₁)+T₂，并通过提前分闸时间阈值ε值预测出主支路提前分闸时刻T₃＝T₄-ε，计算出发电机断路器分闸等待时间T_wait，

T_wait＝T₃-T₂＝α·(T₂-T₁)-ε，其中，α为修正系数；ε为提前分闸时间阈值；T₁为短路电流上升到转移电流值的时刻；T₂为短路电流峰值时刻；

步骤4，短路电流峰值时刻后等待发电机断路器分闸等待时间T_wait执行断路分闸指令；

步骤5，当电流下降到转移电流I_zy时，通过转移支路投入转移电流，使得主支路上短路电流迅速下降为0，使得主支路实现快速分断；

步骤6，投入转移电流后等待固定时间β，在时刻T₅断路器实现分断故障电路。

所述的方法中，步骤1中，修正系数α为0.85-1。

所述的方法中，步骤1中，发电机短路故障电流为轴对称波形时，修正系数α为1。

所述的方法中，步骤1中，提前分闸时间阈值ε为发电机断路器触头成功开断的最短时间阈值，提前分闸时间阈值ε为恒定值。

所述的方法中，步骤2中，电流峰值为第一个半波内电流峰值。

所述的方法中，步骤2中，δ为

所述的方法中，所述转移支路包括电流转移及阻尼模块。

所述的方法中，修正系数α为0.9。

所述的方法中，投入转移电流的时刻T₄为短路电流从峰值下来后短路电流值等于转移电流值I_zy所处的时刻。

所述的方法中，步骤5中，通过转移支路投入转移电流的时刻根据控制设备采集到转移电流值的时刻确定。

有益效果

本发明提供方法在短路电流上升过程中计算转移电流值时刻与电流峰值时刻之间的时间差，当电流上升到最大值时，通过公式计算出断路器分闸等待时间，计算量小，能够在一个周波内开断短路故障，能够有效解决传统控制方法原理复杂，算法计算时间长的问题。现有控制方法过于依赖短路电流的数学表达式，不能够适应发电机出口侧短路电流的复杂情况。本发明的基于短路电流对称性的控制方法通过短路电流上升阶段内转移电流时刻和电流峰值时刻的时间差来预测断路器分闸时刻，并且并通过修正系数加以修正，预测偏差小，能够适应各种短路情况。

附图说明

通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。

在附图中：

图1为本发明的一种实施例的电流转移式发电机断路器原理示意图；

图2为本发明的一种实施例的短路波形时间节点示意图；

图3为本发明的一种实施例的控制流程图。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。

具体实施方式

下面将参照附图1至图3更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。

如图1所示，本发明应用于流转移式的发电机断路器，发电机处于正常运行状态时，电流从主支路断路器上流过。主支路断路器和转移支路上的断路器S均为快速斥力机构驱动的快速断路器，可以实现触发之后的快速分闸。如图2所示，在T₀时刻，发电机系统发生短路故障，主支路断路器上流过迅速增大的短路电流。当短路电流下降到转移电流值I_zy时，电流转移模块会投入与主支路电流反向的转移电流i_zy，迫使主支路上电流快速过零，从而开断主支路。由于断路器开断能力限制，主支路断路器需要提前分闸时间ε，即在T₃时刻开始分闸。在投入转移电流且主支路断路器触头达到一定开距后，主支路断路器实现成功开断。之后，系统电流会流经阻尼模块并进一步受到阻尼模块的限流作用幅值大幅降低。限流之后让断路器S快速打开，等待固定时间β后，在T₅时刻断路器S完全开断短路故障电路。

在电流转移式发电机断路器系统中，电流转移值I_zy、提前分闸时间ε及等待断路器S开断时间β为根据系统短路电流特性确定的已知固定值。本发明在上述开断原理及特征下，提出的基于短路电流对称性的发电机快速断路器控制方法，能够精准预测主支路断路器开始分闸时刻T₃，并在短路电流下降到I_zy时投入转移电流。等待固定时间β后，在T₅时刻断开断路器S，最终实现完全开断故障电路的目的。

在一个实施例中，本发明的基于短路电流对称性的发电机断路器控制方法包括以下步骤：

步骤1，结合发电机出口侧短路故障仿真及实测短路电流数据，合理设定修正系数α。按照发电机出口断路器要求设定提前分闸时间阈值ε，转移电流值I_zy及等待断路器S开断时间β。

步骤2，实时采集发电机出口侧电流，当检测系统判断出短路故障(T₀时刻)后，启动控制算法，当I_N-1＜I_zy＜I_N，捕获电流上升阶段时电流值等于转移电流值I_zy的时刻并记为T₁。当I_N’-2＜I_N，-1＞I_N’时，捕获短路电流上升到峰值的时刻并记为T₂。

实际控制系统通过离散方式采集发电机出口侧电流，令发电机出口侧发生短路故障T₀时刻，记为第0个采样点。则I_N-1表示第N-1个采样点的电流值，I_N表示第N个采样点的电流值。I_N，-2表示第N′-2个采样点的电流值，I_N’-1表示第N′-1个采样点的电流值，其值为采样电流的峰值。I_N，表示第N′个采样点的电流值。将离散时间坐标转化到连续时间坐标下，可以得到T₁≈(N-1)·Δt+δ，T₂≈(N′-1)·Δt+δ，其中Δt为采样间隔，δ一般默认为

步骤3，当控制设备采集到电流峰值时，开始预测投入转移电流的时刻T₄以及主支路提前分闸时刻T₃。考虑到发电机出口侧短路电流中直流分量的衰减影响，通过提前设定的修正系数α对T₄进行修正，计算出T₄＝α(T₂-T₁)+T₂，并通过提前分闸时间ε值，预测出断路器分闸动作的时刻T₃＝T₄-ε。通过下列公式计算出发电机快速断路器分闸等待时间T_wait。

T_wait＝T₃-T₂＝α(T₂-T₁)-ε；

式中，α为修正系数；

ε为提前分闸时间；

T₁为短路电流上升到转移电流值的时刻；

T₂为短路电流峰值时刻；

步骤4，短路电流峰值时刻后等待T_wait执行断路器分闸指令。

步骤5，当电流下降到转移电流I_zy时，通过转移支路投入转移电流，使得主支路上短路电流迅速下降为0，使得主支路实现快速分断。

步骤6，投入转移电流后等待固定时间β，在T₅时刻断路器S最终实现成功分断故障电路的目的。

实施例

本实施例的基于短路电流对称性的发电机断路器控制方法应用在发电机出口侧发生短路故障后的一个周波内，包括以下步骤：

步骤1，结合发电机出口侧短路故障仿真及实测短路电流数据，合理设定修正系数α。按照发电机出口断路器要求设定提前分闸时间阈值ε，转移电流值I_zy及等待断路器S开断时间β。

步骤2，实时采集发电机出口侧电流，当检测系统判断出短路故障(T₀时刻)后，启动控制算法，当I_N-1＜I_zy＜I_N，捕获电流上升阶段时电流值等于转移电流值I_zy的时刻并记为T₁。当I_N’-2＜I_N，-1＞I_N’时，捕获短路电流上升到峰值的时刻并记为T₂。

实际控制系统通过离散方式采集发电机出口侧电流，令发电机出口侧发生短路故障T₀时刻，记为第0个采样点。则I_N-1表示第N-1个采样点的电流值，I_N表示第N个采样点的电流值。I_N，-2表示第N′-2个采样点的电流值，I_N，-1表示第N′-1个采样点的电流值，其值为采样电流的峰值。I_N，表示第N′个采样点的电流值。将离散时间坐标转化到连续时间坐标下，可以得到T₁≈(N-1)·Δt+δ，T₂≈(N′-1)·Δt+δ，其中Δt为采样间隔，δ一般默认为

步骤3，当控制设备采集到电流峰值时，开始预测投入转移电流的时刻T₄以及主支路提前分闸时刻T₃。考虑到发电机出口侧短路电流中直流分量的衰减影响，通过提前设定的修正系数α对T₄进行修正，计算出T₄＝α(T₂-T₁)+T₂，并通过提前分闸时间ε值，预测出断路器分闸动作的时刻T₃＝T₄-ε。通过下列公式计算出发电机快速断路器分闸等待时间T_wait。

T_wait＝T₃-T₂＝α(T₂-T₁)-ε；

式中，α为修正系数；

ε为提前分闸时间；

T₁为短路电流上升到转移电流值的时刻；

T₂为短路电流峰值时刻；

步骤4，短路电流峰值时刻后等待T_wait执行断路器分闸指令。

步骤5，当电流下降到转移电流I_zy时，通过转移支路投入转移电流，使得主支路上短路电流迅速下降为0，使得主支路实现快速分断。

步骤6，投入转移电流后等待固定时间β，在T₅时刻断路器S最终实现成功分断故障电路的目的。

图1是本发明的一种实施例的注入电流式发电机断路器原理示意图，图中当箭头为电流的流向。当发生短路故障时，主支路上的电流会迅速增大，在恰当的时间投入与主支路电流方向相反的转移支路电流能够将主支路上电流迅速降到零，利于主支路触头的分断。主支路断开后，剩余电流流经阻尼模块，并受到限流作用，最终通过断路器S实现完全开断电路的目的。

特别注意的是本发明的基于短路电流对称性的发电机断路器控制方法仅应用于图1中注入电流式发电机断路器，其他原理的发电机断路器不适用本发明的方法。

图2展示了本实施例的电流波形图，图中发电机出口侧电流波形由稳态变为暂态电流，同时图2中标明了控制方法中捕获的重要时间节点。T₀时刻为发生短路故障时刻，控制设备接收到信号，启动后续控制方法。随着短路电流的不断增大，控制设备相继捕获到转移电流值时刻T₁及短路电流峰值时刻T₂，并在T₂时刻开始预测主支路提前分闸时刻T₃及投入转移电流时刻T₄，并最终实现在T₅时刻完成故障电路的完全开断。

图3是一种是本实施例完整的控制流程图，包含应用基于短路电流对称性的发电机断路器控制方法，其中判断短路故障的方法由控制设备自行选用，本发明的控制方法用于短路故障后。

结合图2和图3所示，转移电流值应当设置合理值，原则上本发明的控制方法必须在接收到短路故障后，才开始捕获转移电流值。设置不合理会导致控制方法失效，造成严重后果。修正系数α默认设置为0.9，一般情况下不需要修改即可满足发电机出口侧短路故障的情况。

尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (10)

1.一种基于短路故障电流对称性的发电机断路器控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1，发电机断路器设有主支路和转移支路，基于发电机出口侧短路故障仿真及实测短路电流数据设定修正系数α，按照发电机出口断路器要求设定提前分闸时间阈值ε，转移电流值I_zy及等待断路器开断时间β；

步骤2，实时采集发电机出口侧电流，发电机出口侧发生短路故障为T₀时刻，当I_N-1＜I_zy＜I_N，捕获电流上升阶段时电流值等于转移电流值I_zy的时刻并记为T₁时刻，当I_N，-2＜I_N，-1＞I_N，时，捕获短路电流上升到峰值的时刻并记为T₂时刻，通过离散方式采集发电机出口侧电流，令发电机出口侧发生短路故障T₀时刻，记为第0个采样点，则I_N-1表示第N-1个采样点的电流值，I_N表示第N个采样点的电流值，I_N，-2表示第N'-2个采样点的电流值，I_N，-1表示第N'-1个采样点的电流值，I_N，表示第N'个采样点的电流值，将离散时间坐标转化到连续时间坐标下，得到T₁≈(N-1)Δt+δ，T₂≈(N'-1)Δt+δ，其中Δt为采样间隔；

步骤3，采集到电流峰值时开始预测投入转移电流的时刻T₄以及主支路提前分闸时刻T₃，通过所述修正系数α对投入转移电流的时刻T₄进行修正，T₄＝α(T₂-T₁)+T₂，并通过提前分闸时间阈值ε值预测出主支路提前分闸时刻T₃＝T₄-ε，计算出发电机断路器分闸等待时间T_wait，

T_wait＝T₃-T₂＝α(T₂-T₁)-ε，其中，α为修正系数；ε为提前分闸时间阈值；T₁为短路电流上升到转移电流值的时刻；T₂为短路电流峰值时刻；

步骤4，短路电流峰值时刻后等待发电机断路器分闸等待时间T_wait执行断路器分闸指令；

步骤5，当电流下降到转移电流I_zy时，通过转移支路投入转移电流，使得主支路上短路电流迅速下降为0，使得主支路实现快速分断；

步骤6，投入转移电流后等待固定时间β，在时刻T₅断路器实现分断故障电路。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，优选的，步骤1中，修正系数α为0.85-1。

3.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，步骤1中，发电机短路故障电流为轴对称波形时，修正系数α为1。

4.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，步骤1中，提前分闸时间阈值ε为发电机断路器触头成功开断的最短时间阈值，提前分闸时间阈值ε为恒定值。

5.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，步骤2中，电流峰值为第一个半波内电流峰值。

6.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，步骤2中，δ为

7.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，所述转移支路包括电流转移及阻尼模块。

8.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，修正系数α为0.9。

9.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，投入转移电流的时刻T₄为短路电流从峰值下来后短路电流值等于转移电流值I_zy所处的时刻。

10.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，步骤5中，通过转移支路投入转移电流的时刻根据控制设备采集到转移电流值的时刻确定。

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