计划调度策略抑制故障电流大小
摘要
传统的断路器，隔离开关容量裕度是不够的。为了提高断路容量，断路器可以升级或者安装一个可以抑制故障电流的设备，从而纠正小故障电流裕度。在这篇论文中，电力调度方式是用来抑制故障电流。执行和总结模拟来展示最好的调度政策来提高断路器容量余裕来保证系统的安全运行。调度政策利用现有设备，因此不需要任何额外购买系统。与传统做法相比，该方法能够直接有效地显著减少故障电流。
关键词：断路器、故障电流、开断能力、电力系统调度、调度策略、短路电流
介绍
这个研究的起源是当系统规划人员发现变电站的故障电流过高时，你需要安装额外的故障电流限制器或者使用分段能力更高的来替换断路器。由于设备的采购以及安装，你将需要几个月的缓冲时间。变电站将承担当接地故障发生在缓冲期间断路器不能中断故障电流的风险。因此最有效的方法就是使用计划调度策略来抑制故障电流的大小，以解决在缓冲期间高故障电流的风险。电力负荷需求随着全球人口数量的增加而增长。因此对发电机的要求和故障电流的来源也增加。网格基础结构的连续扩张有助于增加系统的可靠性，从而降低了整个系统的阻抗。因此，在某些区域，故障电流值已超越了断路器的断路容量。在故障发生时，断路器需要分离故障。因此，断路器足够的断路容量对于系统安全运行来说是必要的。当检查系统冲击时，故障电流应首先被检查。随后的能流分析和稳定性评估才应该被执行。
以下是过高故障电流问题常见的解决方法：
- 通过替换断路容量不足的断路器来升级系统。这是一个明确的、经济的解决方法。
- 使用超导体断路器来抑制故障电流。随着近几年电力电力技术的进步，更多的电力公司正应用这个方法。这个解决方案的优势是它的供电分支不需要被切断来隔离故障电流。然而，缺点是增加设备成本和施工时间的额外损耗。
- 使用电力电子开关组件来抑制电流。
- 使用级联阻抗或高阻抗变压器抑制故障电流。这种方法的缺点是额外的成本和功率损耗增加。
- 使用一个非超导故障电流抑制器。
介绍的方法的共同点是为了抑制故障电流而购买设备额外的成本。因为采购和设备更替都需要时间，不可能立即使用调度策略来抑制故障电流。这个研究使用阻断能源分支，或者基于调度的发电机配置，来隔离故障电流。它甚至能与一个主阻断变压器协调工作来增加系统阻抗，从而抑制故障电流。这种方法不会把引起设备过载和增加开关电路的中断作为电网可靠行的代价。本文模拟最优阻断分支和使用电力系统工程模拟器及Python应用程序接口的调度发电机组。目前，这种方法应用于台湾下个月的电网运行的操作。
通过软件模拟，不难确定哪个为隔离故障电流来源和从故障位置增加系统阻抗而断开的电缆。
故障电流计算的介绍
故障电流检测的主要目的是为了确定断路器是否强大到足以阻断故障电流，隔离故障和防止设备进一步的损坏。
电力系统常见的故障包括：
对称故障
- 三相短路故障（正序网络）
不对称故障
- 单相接地故障(正、负、零序网络串联)
- 相故障（正序和负序网络并联）
- 两相短路接地故障（正、负、零序网络并联）
虽然单相接地故障电流可能大于三相短路故障电流可能大于三相短路故障，但是三相短路故障发生的可能性更高，因为，在维护后，由于人为错误隔离接地开关常常忘记恢复。因此，主要目标是解决三相短路故障。
三相短路故障电流的计算
在电力系统短路故障的情况下，根据戴维南定理，系统可以简化成一个交流电源与电阻和电感串联，如图1所示。
图1 短路故障时戴维南等效电路
在时刻故障发生以后的网络可以用下面的微分方程描述：
微分方程的解是：
表达式的第一项表示的是衰减的直流分量，第二项是稳态电流。直流分量取决于故障发生时刻的电压。当短路时刻电压值不为零时，会出现直流分量。在发生三相短路时，在至少两相之间，总会有一个直流分量。直流分量的衰减是由的比值确定的。
（不对称）故障电流总的有效值由两个部分组成：一个对称的交流分量和一个造成不对称现象的直流分量，如图2所示。
图2 短路故障波形
故障电流总的有效值等于交流分量有效值的平方与直流分量有效值的平方的和的平方根，如公式3所示。
(3)
称为直流影响乘数。
根据台湾电力公司（台电）断路器的电流规格，断路器额定分段电流是对称故障电流值，一个非对称电容倍增器必须符合ANSI的规定。当校验断路器的断路容量，应该首先计算对称短路电流值。所得值然后乘以倍率K获得可以用于验证断路器的不对称开断容量的不对称短路电流。倍率K等于直流效应乘法器D除以不对称容量乘法器S。在60Hz系统下公式中的K如下：
乘法因子也可以通过图3中确定。通过观察，我们发现，如果断路器的接触分离时间是四个周期以及的比值超过25，会得到一个因子K。本文所有仿真案例假定接触分离时间是4个周期，不对称能力乘数。
图3 包括直流和交流影响减量的三相故障乘法因子
考虑到电力公司优先考虑人员和设备的安全，本研究还考虑了总（不对称）故障电流的有效值。从系统的角度来看这些做法看似有些保守，但是它对安全性提供了最高优先级考虑。
同步发电机（SG）
同步发电机主要应用于热电联产的工厂以及小型水电站。由于其分离的励磁系统，他们可以提供一个持续的短路电流。根据[22]当三相短路故障发生时电流值为：
是次暂态电抗，是暂态电抗，是次暂态阻尼时间常数，是暂态时间常数，是非周期分量的时间常数，是发生短路时定子电压的相位角。
取决于故障发生时间的直流分量由上一项给出。在国际电工委员会（IEC）,发电机建模成一个在包含机器次暂态电抗的等效阻抗和一个不等于定子电阻但是阻值大得多的等效电阻（图4）之后的电压源。它是用来计算峰值电流，并把上半周期的交流和直流分量的衰减考虑在内。因为一个等效电压源使用替代了次暂态电压，阻抗可以根据[23]可计算的因子进行校正。
图4 同步、异步发电机IEC同步发电机等效
异步发电机（AG）
这种类型的发电机主要应用于风力发电厂以及小型水电站。有两种类型的异步发电机，鼠笼式异步发电机（SCIG）和绕线转子异步发电机（WRIG）。绕线转子异步发电机具有控制机器的电气特性的能力。同步发电机与异步发电机在短路时的主要区别在于异步发电机能够从网络中接受激励，因此对于三相故障网络的激励完全丢失。由于恒定磁通定理，异步发电机仍然能够在一定时间内供给故障电流。它主要有助于峰值电流。然而几乎没有贡献热短路电流。此外在同一等级下异步发电机的峰值电流低于同步发电机的峰值电流（如图5）。
在短路研究中，异步发电机是直接耦合的（SCIG），被视为大电机负载。由于短路电流只提供在次暂态期间（在那以后剩磁消失），发电机的机械动态部分几乎没有影响。短路分析模型在[19]中发现可以来源于短路电流的等效电路：
其中是次暂态电抗，是次暂态定子时间常数，是短路发生时电子电压的相位角，是总泄漏系数，是同步角速度，是次暂态转子时间常数。
在IEC的标准中，电压源之后的锁定转子阻抗用作机器的模型（图4）。通过锁定转子测试获得锁定转子阻抗。比值取决于机器的规格和在[23]中可找到的很好的近似（如果值是未知的）。
图5 同步、异步发电机在三相脱离故障时的短路电流
利用现有的设备降低故障电流幅值的方法
方法一：通过调度进行发电机分配
通过调度来分配发电机的主要目的是为了隔离断路单元故障电流的来源。这种方法的优点是不需要额外的设备来抑制故障电流，缺点是发电机替换可能会导致高发电成本。
假定图6中所有电缆X方向上的阻抗是0.05每单位（Pu）发电机所有X源设定为0.2Pu，故障母线Bus1的终端电压为1.0Pu，从故障终端看出的每个单元的等效阻抗如图7所示。离故障定位最近的Bus1每单位等效阻抗为，在发电机调度分配之前的故障电流为
为防止系统跳闸，电力公司使用冗余的发电机组作为自动化发电机控制的储备操作（AGC）。如果所有的200兆瓦的电力是由发电机1产生而发电机2解除时，那么发电机2不能够提供故障电流源，如图8所示。
图6 一个简单的双总线三电缆电路图
图7 图6的单位阻抗图
图8 通过调度发电机分配图
从故障端看过去的等效阻抗如图9所示。故障端口看过去的Bus1的等效阻抗为。因此通过调度的发电机分配后的故障电流。
图9 图8的单位阻抗图
通过调度发电机分配之前的故障电流为，在发电机分配以后电流为。通过调度前后发电机分配单位阻抗图的观察，我们可以得出这样一个结论：如果有一种方式来在断路裕度不足区域附近调度发电机，故障电流可以有效地减少。对于台电来说，调度是基于一个高度重视人员、设备、系统操作的算法，而经济因素是次要的。图10给出了方法一个规划流程图。
图10 通过调度可选择发电机分配流程图
方法二：通过断开电路来隔离故障电流
为了提高系统的可靠性，台电经常为它的电力系统正常运行不超载制定计划，甚至当N-1事件发生时。然而一个过于可靠的网络可能导致系统阻抗降低，这导致故障电流的增加。当断路器裕度不足时，现有电力分支的断开可能会初始化用于隔离故障电流源和增加从故障终点看进去的系统阻抗。这种方法的优点是它利用现有的断路器来隔离故障电流，缺点是电力线设备的使用率降低。
图11显示了原始形式的系统图，不破坏任何电缆。图12描绘了从故障端口看进去的等效单位阻抗。假设所有电缆X方向上的阻抗为，发电机所有X源设定为，故障母线Bus1端电压为，那么从故障端点看进去单位等效阻抗为。通过调度发电机分配之前的故障电力为。
假定系统没有过载，我们断开线路4，如图13所示。
图11 一个简单的带有四线的双总线图
图12 图11的单位阻抗图
图13 断开线路4后的系统图
图14 图13中的单位阻抗图
等效单位阻抗图如图14所示。从故障端口看进去的等效等位阻抗为。在断开线路4之后的故障电流为。
线路断开之前的故障电流为，断开线路后的故障电流为。线路断开前后的单位阻抗图的观察得到一个很简单的结论：如果有一种方法不使系统过载来断开线路，从故障端口看进去的等效阻抗会增大，故障电流能得到有效地减少。作为只有一个简单的双母线等效电路作为例子的情况，故障电流减少的差异近乎微不足道。但是，在一个更大的电力系统中，确定最优断开线路会造成断路前后故障电流值明显的差异。
为了确定减少母线故障电流的最优断路电缆，如下图15步骤所示。首先，母线上所有三相短路故障使用工程电力系统模拟器来鉴定。然后，电流过大和裕度不足的母线的故障电流被检测出。使用工程电力系统模拟器（PSS/E）的Python应用程序接口（API），线路中所有有可能断开处被模拟来找到能够减少故障电流的断路线。应当指出的是，在模拟过程中，如果两条母线之间存在两跟电缆，这些电缆应该同时断开。另外，注意方法二中，给出的例子显示出，断开线路前后从故障点来看的等效阻抗能够增量。它没有考虑到两条母线间的两条电缆应该同时段开的情况。本研究不考虑单相接地故障电流。但是，如果从母线来看的正序阻抗比零序阻抗大，单相接地故障电流会比三相短路故障电流要大。方法二对解决过大单相接地故障电流帮助很小；反而电压器的范围应该被考虑在内。然而，这超出了本研究的范围。一旦在断开线路之前确定能够有效减少故障电流的电缆，应该确保不会有其他的电缆和设备由于断路而过载。
方法三：方法一和方法二的结合
如果方法一和方法二没法确定哪根断开可以显著减少故障电流的线路或者能够用于调度分配的发电机组，或者如果保护裕度需要在一些区域增加，这时，结合线路断开和通过调度发电机分配的方法三能够用来减少故障电流。
本研究设法避免额外设备的采购。如果三种方法都不能找到一个有效减少故障电流的解决方法，能够保护设备和人员的设备应该立即购买。表格一比较了各种故障电流抑制策略的优点和缺点。系统暂态和电压恒定的额外模拟必须通过上述介绍的三种方法执行来以最小的风险确保稳定系统运行。
图15 决定最优断开线路流程图
表格1
各种故障电流抑制策略优点和缺点的比较
仿真结果
本次研究使用的仿真软件是工程电力系统模拟器。内置的Python应用程序接口也可以用来编程和仿真。从工程电力系统模拟器32版IEEE-25Bus.sav的示例目录很简单获得的现有文件用来原始仿真文件。因为包含在工程电力系统模拟器中的IEEE-25母线包括变压器过载的相关系数，我们对变压器评级做了细微的调整。修改的细节包括在附录A中。
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方法一的模拟执行用来找到最优可替代发电机组。在模拟所有有可能使用一个以耗尽为基础算法的发电机的断开之后
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