張志豐 張 凱 董 軒 池 騰 謝芮芮

基于電流有效值實時算法的限流器快速故障辨識方法

張志豐1張 凱2董 軒3池 騰1謝芮芮3

（1. 中國科學(xué)院應(yīng)用超導(dǎo)重點實驗室（中國科學(xué)院電工研究所），北京 100190；2. 國網(wǎng)河南省電力公司，鄭州 450000；3. 國網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院，鄭州 450052）

故障限流器（FCL）能夠有效限制電網(wǎng)短路電流，成為提高電網(wǎng)運行可靠性的重要方法之一。本文在分析電網(wǎng)短路電流特征和一種含有分裂電抗器的經(jīng)濟型限流器限流性能的基礎(chǔ)上，根據(jù)電抗器的瞬時電流-電壓關(guān)系和有效值概念，建立線路電流有效值實時算法?；?0kV/300A電網(wǎng)實例，研究故障發(fā)生后電流、電壓變化特征，采用電流瞬時值、電流變化率、常規(guī)有效值算法、有效值實時算法等進行快速故障辨識時間的研究和對比分析。最后設(shè)計短路故障限流實驗，對所提算法進行驗證。研究結(jié)果表明，有效值實時算法在各種故障相位下均能可靠實現(xiàn)快速故障辨識，實現(xiàn)限流器快速投入電網(wǎng)，提高了經(jīng)濟型限流器的限流性能和運行可靠性。

有效值；實時算法；快速故障辨識方法；限流器（FCL）；短路故障

0 引言

在各種電力系統(tǒng)故障中，短路故障是最嚴(yán)重的故障之一，危及電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，并導(dǎo)致大規(guī)模的停電事故。短路故障對社會生活各個方面都會帶來損害，造成巨大的經(jīng)濟損失和嚴(yán)重的社會影響[1-2]。

在限流器（fault current limiter, FCL）對電網(wǎng)故障的響應(yīng)方面，有些限流器，比如電阻型超導(dǎo)限流 器[3]、橋路型超導(dǎo)限流器[4]和固態(tài)限流器[5]等，能夠自動響應(yīng)故障和自動限流。大部分限流器需要對短路電流進行檢測，比如零損耗限流器[6-8]、諧振限流 器[9]、分裂電抗型限流器[10]和飽和鐵心型限流器[11]等，才能快速準(zhǔn)確地進行故障判定從而實現(xiàn)限流器的快速投入，確保電網(wǎng)免受短路電流沖擊[12-13]。

快速故障辨識是保護電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的重要措施[14]。顯然，如果線路電流的有效值在故障發(fā)生時響應(yīng)夠快，則它仍是電力系統(tǒng)的首選故障辨識判據(jù)。交流電流有效值的計算方法有很多，例如全周期采樣法、微分法和迭代法等[15-16]，這些方法的實時性有待提高，并且基于多個采樣值，難以滿足快速故障辨識的要求。

文獻[17]使用線路電流變化率作為判據(jù)，在某些故障時刻，比使用線路電流瞬時值作為判據(jù)更加快速，但并不適用于所有時刻；同時，線路電流變化率是通過對線路電流進行差分計算得出的，容易產(chǎn)生誤差。文獻[18]使用諧振分量電壓差，即電抗器和電容器的電壓差作為判據(jù)，該方法容易受到開關(guān)動作和線路雷擊的影響。文獻[19]提出一種基于多個超導(dǎo)FCL的快速故障檢測方法，即電流分配判別法，該方法僅適用于連通程度較高的電力系統(tǒng)。文獻[20]提出基于加乘系數(shù)的瞬時值與變化率結(jié)合的故障電流快速識別改進算法，從而實現(xiàn)快速故障辨識，但無法避免求解差分時容易產(chǎn)生誤差的問題。

本文在研究交流線路故障電流特征、電抗器的瞬時電流和電壓關(guān)系的基礎(chǔ)上，提出一種基于電抗器電流和電壓瞬時值的有效值實時計算方法，以提高有效值計算的快速性和可靠性。從理論上對該方法進行推導(dǎo)，選擇一種包含電抗器的經(jīng)濟型FCL拓?fù)洌_展多種信號的故障辨識對比分析，建立基于有效值實時算法的快速故障辨識控制邏輯，開展系統(tǒng)的故障限流仿真研究，并進行限流實驗研究。

1 基于電抗器的有效值實時算法的建立

1.1 短路電流分析

故障線路的短路電流可以表示為[17]

式中：D和0分別為線路電流的直流分量和交流分量（有效值）；和0分別為電源的頻率和初始相位；為直流分量的時間常數(shù)。

在故障瞬間，直流分量很小，可以忽略不計。因此，線路電流的瞬時值可以表示為

從式（2）可以得出

式（2）和式（3）都包含了電流有效值0，均可用于短路故障判定，但是，它們都是隨時間呈周期性變化的，需要通過多組采樣值求解獲得。而且，受相位（2p0）的影響，對故障判定的反應(yīng)速度有所不同。當(dāng)故障發(fā)生時間為=90°時，采用電流變化率d/d作為判據(jù)能夠更快速辨識故障。而如果故障發(fā)生時間為=0°，采用電流瞬時值作為判據(jù)能夠更快速辨識故障。因此根據(jù)電流電壓等信號隨相位呈周期性變化的特征，采用電流變化率和瞬時值相結(jié)合的方法，尋求快速辨識故障的方法。

雖然電流變化率d/d可以彌補，但是，通過微分方法獲得電流變化率d/d時，容易引入干擾，使有效值求解結(jié)果不準(zhǔn)確。

1.2 線路電流有效值實時算法

線路電流有效值計算是故障辨識的關(guān)鍵。由于大多數(shù)限流器電路拓?fù)浒娍蛊?，因此可以通過分析電抗器瞬時電流和瞬時電壓來獲取線路電流有效值的實時算法。

假設(shè)電抗器串聯(lián)在主線路中，電抗器電流瞬時值為i，依據(jù)式（2）可得

式中：0為線路電流的有效值；和0分別為電源的頻率和初始相位。電流變化率為

有效值0可以表示為

根據(jù)式（6），線路電流有效值0由電抗器電流瞬時值i、變化率di/d和電網(wǎng)頻率求得。

根據(jù)電抗器的工作原理，電抗器的瞬時電壓u和瞬時電流i的關(guān)系為

進而可由式（6）和式（7）獲得電流有效值0為

由式（8）可知，只需對i和u進行一次數(shù)據(jù)采樣就可以獲得有效值0。其優(yōu)點在于：

1）通過電抗器瞬時電流和電壓的一次采樣值，實現(xiàn)了電流有效值的實時計算，提高了求解速度。

2）引入電抗器瞬時電壓檢測，避免了求解電流變化率所造成的干擾，提高了計算結(jié)果的可靠性和求解速度。

在實際應(yīng)用時，電抗器的焦耳熱損失僅為1%～2%。電阻占總阻抗的1%～2%，對有效值0的計算影響非常小，往往可以忽略不計。

1.3 限流器電路拓?fù)浼霸?/h3>

為了提高FCL的限流性能并消除故障過電壓給電網(wǎng)帶來的影響，本文在文獻[16]的限流原理的基礎(chǔ)上，取消價格昂貴的超導(dǎo)限流單元，引入快速真空斷路器K，與分裂電抗器M組成經(jīng)濟型FCL，電路拓?fù)淙鐖D1所示。其中，分裂電抗器M由繞組L1和L2組成，繞組L1和L2的同名磁極相反，磁路方向相反，兩個繞組的自感相同。該經(jīng)濟型FCL是在分裂電抗型超導(dǎo)限流器的基礎(chǔ)上改進的，精減了超導(dǎo)線圈，引入了快速真空斷路器，實現(xiàn)了限流器的經(jīng)濟性。

圖1 經(jīng)濟型FCL電路拓?fù)?/p>

在正常狀態(tài)下，快速真空斷路器K閉合，線路電流流經(jīng)分裂電抗器M時，在繞組L1和L2實現(xiàn)電流均分，磁通抵消，僅表現(xiàn)為很小的漏感。斷路器K上的電流也僅為線路電流的一半。

線路發(fā)生短路故障時，快速真空斷路器K在2～3ms內(nèi)達到額定開距，電流由繞組L1向L2轉(zhuǎn)移，電流過零時，斷路器K的電流分?jǐn)啵瑢崿F(xiàn)了繞組L2單獨限流。同時，電網(wǎng)的繼保裝置檢測到故障后，線路斷路器B斷開，切除線路故障。

該經(jīng)濟型限流器的優(yōu)點和特點有：

1）限流過程中，隨著電流由繞組L1向L2轉(zhuǎn)移，分裂電抗器M的磁通逐漸增大，因此，限流過程是電流控制磁場或電感變化的過程，最終實現(xiàn)了較大的限流電抗，從而避免了限流過程的過電壓沖擊，無需復(fù)雜的吸收回路。

2）穩(wěn)態(tài)時，流經(jīng)快速真空斷路器K的電流僅為線路電流的一半，減小了快速真空斷路器K的制造難度和制造成本。

3）穩(wěn)態(tài)時，分裂電抗器繞組反極性連接，電流均分，磁通抵消，損耗小。

然而，在經(jīng)濟型限流器的拓?fù)渲?，快速真空斷路器只能在電流過零點時實現(xiàn)電流的斷開，對故障檢測和故障響應(yīng)時間有了更高的要求。

2 故障信號特征分析

2.1 故障信號分析

一旦發(fā)生短路故障，F(xiàn)CL主要部件的電流和電壓會迅速變化，幅值和變化率也將有較大變化，甚至波形將產(chǎn)生奇異點，這為辨識故障提供了機會。電流有效值呈上升趨勢，是短路故障的直接判據(jù)。而電流和電壓瞬時值隨相位呈周期性變化，難以通過單一的電流或電壓信號實現(xiàn)快速故障辨識。

為了研究信號的變化特性，以河南某城市典型10kV電網(wǎng)為例進行建模分析，其主要參數(shù)見表1。額定電流為300A，預(yù)期故障電流為4 000A。

表1 10kV電網(wǎng)及FCL的參數(shù)

從限流器的工作原理可知，故障判定是在快速真空斷路器K分?jǐn)嘀斑M行的。通常可以通過電流和電壓瞬時值、有效值及其變化率來進行故障辨識。并且，電流有效值可以采用常規(guī)方均根算法（root mean square algorithm）或?qū)崟r算法（real-time algorithm）來獲得。流經(jīng)分裂電抗器M的電流是線路電流，而流經(jīng)繞組L1、繞組L2的電流是線路電流的一半，因此，有效值計算可以選擇分裂電抗器M（即漏感）或繞組L1、繞組L2作為研究對象。

2.2 電流有效值計算方法對比分析

短路故障的直接判定依據(jù)是電流有效值，線路電流有效值可以采用常規(guī)方均根算法或?qū)崟r算法求得。在常規(guī)方均根算法中，通過半波或全波線路電流的采集數(shù)據(jù)，求解周期函數(shù)的方均根值。在實時算法中，通過分裂電抗器的一組電流、電壓采樣值，根據(jù)式（8），求得電流有效值。圖2為兩種方法求得的故障前后電流有效值波形。在電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)時，兩種方法的計算結(jié)果完全一致。短路故障發(fā)生后，瞬時電流發(fā)生快速變化，兩種方法得到的電流有效值在細(xì)節(jié)上存在較大差異。實時算法求得的有效值展現(xiàn)了電流有效值快速變化的細(xì)節(jié)，而常規(guī)方均根算法則體現(xiàn)出一定滯后。特別在電流上升沿，前者達到3倍、4倍穩(wěn)態(tài)電流有效值的時間比后者分別少9.2ms和13ms，從而能夠更快地實現(xiàn)短路故障辨識。

圖2 兩種方法求得的故障前后電流有效值波形

實時算法通過電流和電壓的一組采樣數(shù)據(jù)來求得其有效值，反映了電流和電壓的實時性和快速性。而常規(guī)方均根算法所求取的有效值僅用上一個周期或半個周期的數(shù)據(jù)求解，反映一定時間段的平均值，無法反映線路電流的實時變化，是對故障判定的延時響應(yīng)。而且，實時算法避免了對電流求解導(dǎo)數(shù)所引入的干擾，提高了數(shù)據(jù)可信度。

2.3 故障相位對故障辨識時間的影響

由于電網(wǎng)電壓和電流的基波均為正弦函數(shù)，其幅值和變化率的變化規(guī)律都隨相位呈周期性變化，因此，故障相位是故障發(fā)生時刻的電網(wǎng)電壓的相位，是影響故障辨識時間的一個重要因素。電壓和電流的瞬時值均以正弦波形變化，這決定了在不同相位下電壓和電流的快慢變化，基于電流電壓瞬時值所計算的有效值，在短路故障的辨識上也會體現(xiàn)為周期性變化的特征。

考慮到故障辨識的快速性和可靠性，故障辨識閾值以電流和電壓額定值的2.5倍作為依據(jù)進行短路故障辨識。從限流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以看出，可以采用分裂電抗器整體（漏感）、繞組L1和繞組L2的電流、電壓、電流變化率等作為故障辨識的信號。故障辨識時間（fault identification time, FIT）分別采用電流瞬時值算法、電流變化率算法、有效值實時算法和常規(guī)方均根算法求得，然后對其結(jié)果進行對比分析。

有效值的方均根算法、實時算法獲得的故障辨識時間隨故障相位的變化規(guī)律如圖3所示?？梢钥闯觯诠收媳孀R時間上，方均根算法遠(yuǎn)大于實時算法。并且，在故障相位分別為70°和110°時，常規(guī)方均根算法的故障辨識時間分別達到最小值4.35ms和最大值10.34ms，而實時算法獲得的最大故障辨識時間為3.04ms（故障相位150°），最小值為0.27ms（故障相位80°）。

圖3 故障辨識時間隨故障相位的變化規(guī)律（方均根算法和實時算法）

線路電流瞬時值直接用于判斷短路故障，與有效值實時算法求得的故障辨識時間對比如圖4所示。在每一個故障相位，有效值實時算法均比電流瞬時值算法的故障辨識時間更短。在故障相位分別為80°和130°時，電流瞬時值算法的故障辨識時間分別達到最小值1.3ms和最大值7.07ms。雖然電流瞬時值方法較差于有效值實時算法，但是優(yōu)于方均根算法。

電流變化率可以用于判斷短路故障。對于分裂電抗器（漏感），其電流變化率可以通過分裂電抗器的端電壓求得，即

圖4 故障辨識時間隨故障相位的變化規(guī)律（電流瞬時值算法和有效值實時算法）

式中，u為分裂電抗器的端電壓瞬時值。

電流變化率與有效值實時算法求得的故障辨識時間對比如圖5所示。在故障相位分別為90°和140°時，電流變化率算法的故障辨識時間分別達到最小值0.37ms和最大值4.49ms。從整體上看，電流變化率方法較差于有效值實時算法，但在個別故障相位，達到或優(yōu)于有效值實時算法。

圖5 故障辨識時間隨故障相位的變化規(guī)律（電流變化率算法和有效值實時算法）

通過上述對比分析可以看出，有效值實時算法是故障辨識的最佳方法，然后依次是電流變化率方法、電流瞬時值方法和常規(guī)有效值方均根方法。有效值實時算法已經(jīng)綜合了電流瞬時值和電流變化率方法的優(yōu)點。但是在某些故障相位，如150°和 330°左右時，電流瞬時值和電流變化率都比較小，即線路電流上升較慢，因此造成故障判定時間較長，此時，故障電流對電網(wǎng)的沖擊影響也較小。

3 快速故障辨識邏輯建立

根據(jù)上述分析，快速故障辨識算法選取兩種采樣量（線路電流和分裂電抗器端電壓U），通過式（8）求得基于實時算法的電流有效值rt作為限流器的判據(jù)，實現(xiàn)了快速故障辨識，提高了故障辨識方法的可靠性。為了實現(xiàn)重合閘，避免誤動作，在故障辨識方法中引入線路斷路器B狀態(tài)和快速真空斷路器K狀態(tài)檢測，實現(xiàn)綜合的故障辨識判斷，快速故障辨識邏輯如圖6所示。

圖6 快速故障辨識邏輯

信號和U首先經(jīng)過低通濾波器，濾除高頻信號，避免瞬時干擾對故障辨識結(jié)果的影響。其次，通過有效值實時算法環(huán)節(jié)，計算出電流有效值rt。再次，在滯環(huán)比較器環(huán)節(jié)，進行短路故障的快速辨識，需要設(shè)定短路電流閾值set和延遲時間閾值set。短路電流閾值set的整定值可設(shè)為

式中：ret為最大運行方式下線路末端短路電流；res與保護范圍相關(guān)，一般取1.2～1.3。延遲時間閾值set整定值可設(shè)為

式中：g為控制器的采樣頻率；為線路電流滿足式（10）條件下的連續(xù)采樣次數(shù)。為了達到快速辨識的目的，延遲時間閾值set設(shè)置為0.2～0.4ms。

當(dāng)電流有效值rt和延遲時間同時滿足式（12）時，可以判定線路發(fā)生了短路故障。

最后，在邏輯與控制環(huán)節(jié)，電流有效值rt作為短路故障的判據(jù)，同時也作為三相電網(wǎng)是否缺相的判據(jù)，與快速真空斷路器K和線路斷路器B狀態(tài)檢測信號相配合，實現(xiàn)系統(tǒng)運行狀態(tài)的綜合判定。

在正常狀態(tài)下，各信號均不超過其閾值，快速真空斷路器K始終處于關(guān)斷狀態(tài)。一旦發(fā)生短路故障，控制器可以快速辨識故障并通過邏輯控制電路觸發(fā)快速真空斷路器K，使其觸頭快速動作，2～3ms到達額定開距后，這時電流從繞組L1轉(zhuǎn)移到繞組L2，當(dāng)電流出現(xiàn)過零點時，快速真空斷路器K斷開支路電流，實現(xiàn)了繞組L2投入限流。

4 限流仿真研究

快速故障辨識和快速真空斷路器K的快速分?jǐn)嘞嗯浜?，實現(xiàn)經(jīng)濟型限流器的快速限流。在判定短路故障之后，快速觸發(fā)斷路器K使其開始動作，斷路器K的觸頭到達額定開距需要2～3ms（假設(shè)3ms），然后，當(dāng)電流過零點時，就可以及時斷開短路電流。如果從故障發(fā)生到短路電流第一次過零的時間為0，0滿足

式中：FIT是故障辨識時間；3ms為斷路器動作時間。如果滿足式（13）的條件，快速真空斷路器K將在第一個過零點斷開短路電流，實現(xiàn)經(jīng)濟型限流器及時投入限流。否則，將會在第二個過零點才能斷開短路電流，而兩個過零點的時間間隔為10ms，電網(wǎng)設(shè)備將經(jīng)受兩次電流波峰的沖擊。

經(jīng)濟型限流器分別在有效值實時算法和有效值方均根算法下，進行故障辨識時間和斷路器故障響應(yīng)時間的分析，故障響應(yīng)時間對比分析如圖7所示。第一過零點所表示的時間0為從故障發(fā)生到電流第一次過零的時間，隨故障相位呈周期性變化，最小為4.4ms，最大為14.4ms。有效值實時算法下的故障響應(yīng)時間，即快速故障辨識時間和快速斷路器動作時間之和。在任意故障相位下，該曲線均在曲線“第一過零點”所限定的時間之內(nèi)，因此，可以確保經(jīng)濟型FCL在第一過零點限流。若采用常規(guī)方均根算法，則在部分故障相位無法實現(xiàn)快速斷路器限流，如90°～130°和270°～310°這兩個區(qū)間超越了曲線“第一過零點”所選定的時間范圍，將會導(dǎo)致無法實現(xiàn)故障后在第一電流過零點開始限流。

圖7 故障響應(yīng)時間對比分析

以故障相位100°為例，采用有效值實時算法進行故障判定，限流器接入前后的線路電流波形如圖8（a）所示，故障發(fā)生后，線路電流第一次過零時，F(xiàn)CL開始限流。若采用方均根算法進行故障判定，限流器接入前后的線路電流波形如圖8（b）所示，故障發(fā)生后，線路電流第二次過零時，F(xiàn)CL開始限流。FCL快速及時投入限流，減少了電網(wǎng)設(shè)備遭受大電流沖擊的時間，提高了限流器的功效性，延長了設(shè)備使用壽命和可靠性。

圖8 線路電流波形對比分析

5 限流實驗研究

設(shè)計如圖9所示的限流實驗電路，開展單相限流器限流實驗研究，調(diào)壓器ac產(chǎn)生線路電壓400V，線路等效阻抗e為2.24W，負(fù)載1為28W，穩(wěn)態(tài)運行時線路電流13A。斷路器S閉合觸發(fā)短路故障。限流器實物組成如圖10所示，快速真空斷路器的分閘動作時間為2～3ms，分裂電抗器M的自感為7.7mH，漏感為1.6mH，損耗為1.5%?？刂破鞑捎肦T-Lab實時仿真機來實現(xiàn)，采集線路電流和分裂電抗器兩端的電壓來計算線路電流有效值，作為短路故障的判據(jù)，電流電壓的采樣頻率為100kHz，故障判定的連續(xù)采樣次數(shù)為20，延遲時間為0.2ms?？刂瓶焖僬婵諗嗦菲鱇分?jǐn)嗪拖蘖鲾嗦菲鰾斷開。

圖9 限流器限流實驗電路

圖10 限流器實物組成

在單相電壓400V時，開展限流測試研究，限流測試結(jié)果如圖11所示。在圖11（a）中，短路故障發(fā)生在線路電流峰值點附近，故障發(fā)生后1.2ms控制器輸出快速真空斷路器分閘信號（正脈沖，寬度1ms），4.2ms時，斷路器分閘到位，8ms時斷路器過零關(guān)斷，實現(xiàn)限流。故障電流從峰值252A減小到116.5A，故障電流限制率53.8%。

圖11 經(jīng)濟型限流器限流測試波形

在圖11（b）中，短路故障發(fā)生在電流過零點附近，故障發(fā)生后1.45ms控制器輸出快速真空斷路器分閘信號，4.45ms時，斷路器分閘到位，12ms時斷路器過零關(guān)斷，實現(xiàn)限流。故障電流從峰值280.5A減小到140.3A，故障電流限制率50%?？梢钥闯?，在不同的短路故障下，限流器均能及時實現(xiàn)限流。

6 結(jié)論

快速故障辨識方法有助于實現(xiàn)限流器快速投入電網(wǎng)限流。本文在分析電網(wǎng)短路電流特征的基礎(chǔ)上，根據(jù)限流電抗器的瞬時電流-電壓關(guān)系，提出了一種有效值實時算法。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)快速故障辨識，并避免了電流、電壓微分運算引入干擾對判據(jù)可靠性的影響。建立了經(jīng)濟型限流器模型，限流分析表明：基于有效值實時算法的故障辨識方法，在任意故障相位下，都能確?？焖僬婵諗嗦菲髟诠收虾蟮牡谝贿^零點分?jǐn)嘀冯娏?，實現(xiàn)限流電抗投入電網(wǎng)限流。在理論分析的基礎(chǔ)上，搭建了400V限流器樣機和測試電路，通過限流測試表明，有效值實時算法能夠快速實現(xiàn)故障辨識，實現(xiàn)經(jīng)濟型限流器快速投入線路限流。

[1] 侯俊杰, 宋國兵, 徐瑞東, 等. 交直流混合電網(wǎng)故障耦合特性分析與繼電保護研究[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2021, 49(14): 176-187.

[2] 郭謀發(fā), 游林旭, 魏曉瑩, 等. 一種基于電壓反饋控制的配電網(wǎng)短路故障柔性限流方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2017, 32(11): 48-56.

[3] QIU Qingquan, XIAO Liye, ZHANG Zhifeng, et al. Design and test of 40kV/2kA DC superconducting fault current limiter[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2020, 30(6): 1-5.

[4] 龔珺, 諸嘉慧, 方進, 等. 電阻型高溫超導(dǎo)限流器暫態(tài)電阻特性分析[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2018, 33(9): 2130-2138.

[5] 涂春鳴, 李慶, 郭祺, 等. 橋式限流與動態(tài)電壓恢復(fù)器融合設(shè)計及控制方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2020, 35(20): 4384-4396.

[6] 艾紹貴, 高峰, 黃永寧, 等. 330kV開關(guān)型零損耗故障限流裝置的研制及人工短路試驗[J]. 智能電網(wǎng), 2015, 3(4): 354-359.

[7] 劉海波, 王浩, 劉樹楓, 等. 節(jié)能型故障限流器的應(yīng)用研究[J]. 電氣技術(shù), 2018, 19(7): 33-38.

[8] 吳剛, 張國彥, 張建民, 等. 基于快速開關(guān)的節(jié)能型故障限流器[J]. 電氣技術(shù), 2016, 17(1): 94-96.

[9] 張志豐, 肖立業(yè), 邱清泉, 等. 一種改進串聯(lián)諧振型限流器[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2015, 30(6): 169-177.

[10] 張志豐, 邱清泉, 張國民, 等. 220kV分裂電抗型超導(dǎo)限流器的仿真與優(yōu)化設(shè)計[J]. 高電壓技術(shù), 2017, 43(4): 1129-1136.

[11] 袁佳歆, 張朝陽, 周航, 等. 交流飽和鐵芯型故障限流器的現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 電力自動化設(shè)備, 2020, 40(5): 209-221.

[12] 韓戈, 韓柳, 吳琳. 各種限制電網(wǎng)短路電流措施的應(yīng)用與發(fā)展[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2010, 38(1): 148-151, 158.

[13] 陳艷霞, 呂立平, 李振興, 等. 基于超導(dǎo)故障限流器的多級饋線電流保護新方案[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2020, 48(24): 86-94.

[14] 劉健, 王浦任, 張志華. 用于限流控制的瞬時值與變化率結(jié)合的故障電流快速識別改進算法[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2020, 48(19): 57-64.

[15] GONG Liang, LIU Chengliang, GUO Lei. Residual adaptive algorithm applied in intelligent real-time calculation of current RMS value during resistance spot welding[C]//2005 International Conference on Neural Networks and Brain, Beijing, 2005: 1800-1806.

[16] WEI Caihong, LEI Sheng, CHEN Wei, et al. Research of effective value measurement method in smart grid[C]//2011 International Conference on Electric Information and Control Engineering, Wuhan, 2011: 1611-1614.

[17] 金雪芬, 戴朝波, 武守遠(yuǎn), 等. 根據(jù)線路電流斜率快速識別故障信號的方法[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2009, 33(9): 29-34.

[18] WANG Huaxin, ZHAO Yongxi. Fault identification method based on current fault limiter resonant voltage difference signal[C]//IEEE PES Innovative Smart Grid Technologies, Tianjin, 2012: 1-4.

[19] BLAIR S M, BOOTH C D, BURT G M, et al. Application of multiple resistive superconducting fault-current limiters for fast fault detection in highly interconnected distribution systems[J]. IEEE Transa- ctions on Power Delivery, 2013, 28(2): 1120-1127.

[20] 劉俊翔, 葉菁菁, 袁召, 等. 一種基于高耦合分裂電抗器的500kV限流器拓?fù)鋄J]. 高電壓技術(shù), 2021, 47(8): 2828-2837.

Fast fault identification method based on real-time algorithm of current root mean square value for fault current limiter

ZHANG Zhifeng1ZHANG Kai2DONG Xuan3CHI Teng1XIE Ruirui3

(1. Key Laboratory of Applied Superconductivity, Chinese Academy of Sciences (Institute of Electrical Engineering Chinese Academy of Sciences), Beijing 100190;2. State Grid He’nan Electric Power Company, Zhengzhou 450000;3. State Grid He’nan Electric Power Research Institute, Zhengzhou 450052)

Fault current limiter (FCL) can effectively limit the short-circuit current of power system, which is one of the important methods to improve the reliability of power system. In this paper, short-circuit current characteristics and current limiting performance of an economical FCL with a split reactor are studied. According to instantaneous current-voltage relationship of a reactor and the concept of the current effective value, a kind of real-time algorithm of the current effective value is established. Based on a 10kV/300A power system example, the characteristics of current’s and voltage’s changes after a short-circuit fault are studied. And the fast fault identification methods are studied and analyzed contrastively by using different signals, such as current instantaneous value, rate of current’s change, conventional RMS (root mean square) algorithm, real-time algorithm. Finally, a short-circuit fault current limiting experiment is designed and the algorithm has been verified. The research results show that the real-time algorithm of current effective value can reliably realize fast fault identification at every fault phase-angle, and the limiting reactor of the FCL can be put into the power line to limit short-circuit current in time, which improves the current limiting performance and operational reliability of the economical FCL.

root mean square (RMS); real-time algorithm; fast fault identification method; fault current limiter (FCL); short-circuit fault

2022-01-11

2022-01-26

張志豐（1966—），男，甘肅省慶陽市人，博士，研究員，主要從事電力系統(tǒng)限流保護技術(shù)和新型電網(wǎng)技術(shù)方面的研究工作。

國網(wǎng)河南省電力公司科技項目（52170220009K）

國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體項目（51721005）