基于零点预测的断路器短路电流实验设计与方法

颜 宁，荣文帅,2，王义贺，蔡志远

（1. 沈阳工业大学 电气工程学院，辽宁 沈阳 110870；2. 新松机器人自动化股份有限公司，辽宁 沈阳 110016；3. 国网辽宁省电力有限公司经济技术研究院，辽宁 沈阳 110015）

在电力系统整个供电环节当中，断路器作为最主要的设备之一，如何保证其可靠性和提高智能化控制水平极为重要[1]。目前，断路器在开断过程中存在短路电流，短路电流中包含非周期的随机不确定分量，多种不确定性加大了短路电流过零点预测的难度[2-4]。

考虑到预测精度及难度等问题，需要一套实验平台及实验方法对短路电流的过零点进行预测以控制断路器可控开断短路电流[5]。将此实验平台以及实验方法应用于电力设备认知的教学实验中，可以使学生更加直观地了解掌握断路器的开关过程以及关断时间等参数的控制方法[6]，为电力系统、继电保护等课程提供实验条件。

1 短路电流过零点预测方法

高校应以培养创新性、应用型人才为目标，开展理论研究与实际应用相结合的培养模式[3]。本文以此为出发点，设计了一套短路电流测试实验平台，并设计了一套实验方法和流程来准确地预测短路电流的过零点，从而实现断路器的同步分断，有效提高断路器使用寿命，解决教学实验仪器精度不够导致预测不准确问题[7-8]。

断路器相控分断短路电流的基本原理是：采用数字信号处理算法对短路电流离散采样数据进行分析，估算短路电流的特征参数，预测其过零点，以提前发出控制指令[9-11]。相控同步分断技术的核心在于通过计算得到故障短路电流模型和依次过零时刻，在最合适的时刻使动触头动作，开始分断，进而控制燃弧时间在最小燃弧时间附近，从而在保证分断短路电流的同时提高电能质量，延长断路器使用寿命[12]。同时，同步控制技术也可根据负载及使用场合的不同，控制断路器在最适合的时刻进行分断或关合，如电容器组投切、空载变压器投入等，达到控制过电压及涌流。在整个断路器同步控制问题中，最关键的问题在于智能操作单元在通过监控元件得到监控信号后，需要在短时间内通过程序计算波形，进而寻找到最适合的过零点[13-14]。

根据断路器相控分断短路电流的基本原理，采用同步分断技术分相控制三相电流，将其转化成单相短路情况下的电流模型，具体如图1 所示。

图1 单相短路故障下电流模型

根据图1 可以看出，发生短路故障时，存在着直流衰减及周期分量，整体呈现非周期特性，给预测带来较大的难度。因此，需要断路器具备同步分闸能力，快速准确地预测过零点，并发出瞬时的分闸指令，更为恰当的在过零点处实现分离。

为了实现短路电流被同步分断，最为重要的是预测断路器短路电流对应的目标零点，预测基本流程如图2 所示。

图2 过零点预测的流程图

为了提高学生对断路器短路电流实验掌握的全面性，在对短路电流过零点预测时，采用基于最小二乘法（least squares, LS）与改进傅立叶算法（improved Fourier algorithm, IFA）2 种方法进行预测，并应用于实验中，检验2 种方法对过零点预测的准确性。LS 方法主要是将电流通过泰勒级数展开，仅取一次项转变成近线性形式，最后进行参数辨识；IFA 方法是分离出周期量与直流对应衰减量，仅通过周期量更新短路电流并进行预测，具体的流程图如图3—4 所示。

图3 基于LS 的预测流程图

图4 基于IFA 的预测流程图

2 短路电流过零点预测的实验设计

短路电流过零点预测实验采用 Matlab 编程与实际实验相结合的方式。首先，依托Simulink 构建短路电路单相故障谐波模型，对仿真数据进行分析；其次，搭建短路电流实验平台，导入程序，预测过零点；最后，对比仿真与实验误差，确定所提出的零点预测算法的准确性。

2.1 短路电流预测仿真计算过程

搭建短路电流模型，通过加入电压源的手段，给定仿真中的谐波分量，利用电流采集模块得到所需的电流，利用零阶保持模块将电流连续信号转为离散信号，选取固定的采样时间t、采样转换频率f，得到一系列的离散信号，通过工作区模块WS 导入Matlab 中，运用2 种算法对采样数据进行分析与计算，具体短路电流采样数据的生成模型如图5 所示，仿真过程中给定的参数具体如表1 所示。

图5 短路电流采样数据的生成模型

表1 仿真参数设置

仿真过程中具体步骤如下：

（1）初始时刻t0，给定断路器闭合的触发信号，电路处于短路情况，当衰减的直流分量到0 时，电流从暂态过程转到稳定状态；

（2）结合断路器的动作补偿及分闸时间，通过相控分断预测过零点时刻；

（3）t0时刻后，断路器合闸，工作区模块 WS 得到采样信号后，运用LS 和IFA 算法分别对采样得到的数据进行计算；

（4）对得到的预测故障曲线与实际曲线对比，判断2 种算法的优劣性；

（5）为进一步验证2 种算法的有效性，可加入多次谐波进行分析。

2.2 短路电流预测实验设计

为了使学生将理论学习应用于实践过程中，将采用2 种优化算法对短路电流进行过零点预测，并通过实验的手段验证所提基本理论的正确性，本文搭建设计了包含直流电流衰减分量的电路，具体的实验平台如图6 所示。

图6 搭建零点预测实验平台

实验过程中具体步骤如下：

（1）搭建可以产生直流电流衰减分量的实际电路；

（2）设置基本参数，如调压器的电压输入值，额定电流、电压、容量等；

（3）在相角位为0 时发出合闸时间，并设定合闸控制器的延时时间，得到实际电流曲线；

（4）采用示波器采集短路电流的信号，通过Matlab 对实验数据进行提取，并采用2 种算法对提取信号进行处理；

（5）得到仿真分析对应的曲线，判断仿真和实验的差异性；

（6）为进一步验证2 种算法的有效性，加入多次谐波进行分析。

2.3 实验结果与分析

为了使学生们更好验证所提短路电流零点预测理论的正确性，本文给出采用 2 种算法的仿真分析手段，得到预测的短路故障电流示例，并与实际的曲线进行对比，对比结果如图7—10 所示。

图7 LS 算法的仿真结果分析

图8 LS 算法仿真实际与计算值差异性

图9 IFA 算法的仿真结果分析

图10 IFA 算法仿真实际与计算值差异性

根据仿真分析可以看出，2 种算法实际值与计算值拟合得很好，如图7、图 9 中的蓝色和红色曲线，因此可以证明2 种算法都能很好地对短路电流参数进行计算。根据图8、图10，发现IFA 算法预测后与真实值拟合得更好。因此，学生们可以根据仿真分析确定出哪种算法更适合短路电流零点预测。

采用图6 所搭建的实验平台采集实验过程总的短路电流波形，如图11 所示。

图11 短路电流的实测波形

对比图7、图8、图11 可以看出，预测结果与示波器中显示的短路电流波形一致，很好地证明了所提预测方法的有效性、实验的准确性等。

3 结语

为了使电气工程专业学生更好地掌握理论知识，将课本中所学的理论知识应用于实际中，本文设计了基于零点预测的断路器短路电流实验。首先，通过理论学习掌握断路器相控分断短路电流的基本原理，建立单相短路故障下电流模型，掌握过零点预测的流程；其次，采用仿真分析的手段，分析所提LS 和IFA算法的预测准确程度；最后，采用实验的手段，验证所提方法的准确性。