电力系统继电保护装置短路电流平抑技术

张宝庚

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300461）

0 引言

随着电网建设速度不断加快、相关电力系统建设规模逐步扩大，不同电压等级的网络对应的环网联系密切程度越来越高［1-2］。此外，从变电站的角度看，其容量和负荷密度也呈现出迅猛增长的发展趋势。在此背景下，电网各节点处的短路电流超标现象愈发严重，电力系统继电保护装置面临的运行压力也随之增大［3］。为了最大限度地降低局部短路对整体电网环境造成的影响，用于对短路电流进行平抑的技术成为研究热点。赵鹏翔［4］等在综合需求响应分析的基础上，提出一种以大学城综合能源系统为基础的尖峰负荷平抑方法，该方法在一定程度上实现了对峰值负荷参数的平抑，但对于处置异常状态的效果并未进行深入的研究。林莉等［5］以混合储能的风电功率波动控制为核心目标，利用SOC（荷电状态）自恢复机制，设计对应的平抑方法，在一定程度上实现了对风电功率波动的有效控制，但仍存在适应性偏低的问题。孙乾等［6］以“风—储—荷”联合单元为研究对象，以事件优化理论为基础，设计一种最优平抑控制方法，达到了降低电流波动幅度的目的，但该方法的在应用范围方面存在一定的局限性。由此可知，进一步加深对平抑技术的研究对于电力系统而言具有重要的现实意义。本文提出一种电力系统继电保护装置短路电流平抑技术，并搭建具体的测试环境，采用对比测试的方式分析、验证该技术的应用性能及应用效果。

1 设计方案

1.1 模型构建

要实现对电力系统继电保护装置短路电流的有效平抑控制，明确继电保护装置短路电流与不同状态参数之间的关系极为重要。为研究继电保护装置的性能和特性，本文创建了一个数学模型，在保持继电保护装置运行环境参数不变的前提下，将继电保护装置的电路结构转化为理想电流源与二极管并联的形式，这种转化可以简化电路结构，更精确地描述电路中的电流分布和流向。理想电流源模拟继电保护装置的输出电流，并联的二极管用于模拟电路中的非线性元件和反向电流。利用数学模型可以对继电保护装置的性能进行定量分析和评估［7］。

本文构建的继电保护装置等效电路结构如图1所示。图1 中，Iph被等效为继电保护装置电路中的恒流源电流参数，在实际的运行过程中，设置电流输出值保持恒定不变的状态；Id表示二极管内部P-N 结的电流参数信息；Rs表示继电保护装置内部的并联电阻参数，当继电保护装置处于理想运行状态时，对应的并联电阻可以理解为无穷大；Ish为对应并联电阻中通过的电流，Rsh为继电保护装置的串联内阻，由继电保护装置内部的导电材料和电极组成，当继电保护装置处于理想运行状态下时，串联内阻为0；I和U分别表示流过继电保护装置负载的电流参数和空载状态下继电保护装置的电压参数［8］。

图1 继电保护装置等效电路结构示意图

基尔霍夫电流定律是计算电路中各分支电流的一个重要原理，根据该定律，电路中任意节点的电流总和等于进入节点的电流总和。本文将基尔霍夫电流定律应用于计算继电保护装置的负载电流参数，通过对电路进行节点分析和电流平衡方程的求解计算出继电保护装置所处电路中各个分支的这些电流值，即可获得继电保护装置所需的负载电流参数。计算公式可以表示为

其中，二极管内部P-N 结的电流参数信息可以表示为

其中：Id表示通过继电保护装置内部的反向饱和电流参数，A表示常数因子，其具体的取值取决于实际继电保护装置的材料配置，K表示玻尔兹曼常数，T表示继电保护装置内部的导电材料的热力学温度参数，q表示在继电保护装置运行的过程中通过二极管的电荷量。

按照上述所示的方式，实现对继电保护装置模型的构建，为后续的短路电流平抑提供可靠的执行基础。需要注意的是，不同的继电保护装置在实际运行阶段对客观环境的适应性不同，因此具体的电阻和电流参数信息可能与设置值存在不同程度的差异。在实际的模型构建过程中，可以通过实际测量采集的方式确定精准的参数信息，最大限度地保障构建模型的可靠性及其在短路电流平抑阶段的应用价值。

1.2 继电保护装置短路电流平抑

本文对断流电流进行平抑处理时，结合构建的装置模型，充分考虑混合供电阶段对继电保护装置短路电流的控制要求，从实际需求的角度出发，使实时分配电流与能量型电能传输和功率型电能传输间建立起关联。其中，最终的平抑效果不仅与控制策略的优劣直接相关，还与整个继电保护装置甚至是电力系统是否可以安全、稳定地运行密切相关。

通过分析负载波动电流的频谱信息，发现具体的频率集中域分布情况。这些频率集中域反映了负载电流波动的主要成分和周期性变化，为后续的电流分配和保护策略的制定提供了依据。结合不同类型的电能传输情况，继电保护装置在响应速度方面呈现出差异性。例如，在高频率的电能传输中，需要快速响应并触发适当的保护动作；在低频率的电能传输中，可以通过适度降低响应速度提高稳定性。为实现对短路电流的初步分配，本文提出基于低通滤波器的异常电流分配策略。通过将负载电流信号进行低通滤波处理，消除高频噪声和干扰，保留低频成分，可有效地识别负载电流中的异常波动［9］。该策略基于算路电流波动曲线中的频率集中域分布情况，能够更准确地分配短路电流的承担比例，实现继电保护装置各部分之间的均衡负载，提高系统的可靠性和稳定性。

本文以基本RC 电路为例，推导一阶低通滤波器的基础理论，具体的计算方式为

其中：RC表示继电保护装置RC 电路系数，即低通滤波器的一阶低通滤波系数；U0表示额定运行状态下继电保护装置RC电路的电压参数，一般情况下，该参数为继电保护装置出厂阶段的设置值，部分长期运行的继电保护装置也可能会出现不同程度的波动［10］，考虑该部分影响对于U0而言微乎其微，因此本文对其忽略不计。

低通滤波器对短路电流的吸收/释放的总补偿量的计算方式可以表示为

其中：I(t)表示低通滤波器对短路电流的吸收/释放的总补偿量，ΔI表示继电保护装置短路电流与额定电流之间的差值。

按照上述方式，即可实现对继电保护装置短路电流的平抑处理。

2 应用测试

2.1 测试环境设置

在分析电力系统继电保护装置短路电流平抑技术实际应用效果的过程中，本文将KP500A 继电保护装置作为具体的测试对象。为便于后续的平抑效果分析，在KP500A 继电保护装置中嵌入高性能数字信号处理器，借助其极强的数据处理、逻辑运算和信息存储能力，准确地输出KP500A 继电保护装置的设计运行状态参数。在此基础上，分析KP500A 继电保护装置的配置情况，其全封闭金属机箱具有很强的抗静电、抗电磁干扰、抗机械振动能力，因此可以最大限度地降低测试工程中干扰因素对测试结果的影响，保障测试结果的可靠性和准确性。在工艺上，KP500A 继电保护装置采用表面贴工艺，重要器件（如电源模块、互感器、继电器、液晶显示器、接线端等）的平均无故障时间可以达到100 000 h 以上。此外，KP500A 继电保护装置还具有完善的自检能力，当装置存在异常时，能自动告警。KP500A 继电保护装置运行参数配置情况见表1。

表1 KP500A继电保护装置运行参数配置情况

以表1所示的测试环境为基础，分别设置具体的短路电流为额定电流的3倍（3×5 A）、5倍（5×5 A）、10倍（10×5 A）、20 倍（20×5 A）、30 倍（30×5 A）、50 倍（50×5 A），测试应用本文设计的平抑方法，KP500A继电保护装置是否能在回路过载能力的范围内将电流控制在允许区间范围内［低于2倍额定电流（2×5 A）］。

为客观地评价继电保护装置短路电流平抑技术的实际应用效果，本文设计SOC 自恢复平抑技术和事件优化理论平抑技术作为测试的对照组，分别测试不同技术的应用效果。

2.2 测试结果与分析

在上述测试环境中，结合表1 中KP500A 继电保护装置回路过载能力的配置情况，分别以不同平抑技术实施后过载能力允许的最长时间为基准节点，统计高性能数字信号处理器设备显示的KP500A 继电保护装置实时回路的电流情况，得到的数据见表2。

表2 不同技术实时回路电流测试结果对比 （单位：A）

从表2的测试结果可以看出，随着短路电流强度的逐渐增大，采用不同平抑技术的效果表现出不同的发展趋势。在SOC 自恢复平抑技术下，当测试KP500A 继电保护装置的短路电流强度不超过额定电流的30 倍时，均可以在过载能力允许的最长时间范围内将对应的电流控制在可连续工作的区间范围内，但当短路电流强度达到额定电流的50倍时，作用时间达到过载能力允许的最长时间后的电流达到10.58 A，超出了装置回路可连续工作的阈值（2×5 A）。在事件优化理论平抑技术的测试结果中，整体性能发展趋势与SOC 自恢复平抑技术相似，但其在测试KP500A 继电保护装置的短路电流强度达到额定电流的30 倍时，出现了作用时间达到过载能力允许的最长时间后，电流超过回路可连续工作阈值（10.33 A）的情况。相比之下，本文设计的平抑技术作用时间达到过载能力允许的最长时间后，对应的电流始终稳定在装置回路可连续工作的阈值范围内（2×5 A），最大值仅为6.17 A。测试结果表明，本文设计的电力系统继电保护装置短路电流平抑技术可以实现对不同程度短路电流的控制，并且能在短时间内将电流的波动控制在设备运行允许的区间范围内。

3 结语

为能最大限度地降低异常情况对整体电力系统的影响，对异常参数进行有效的平抑处理极为必要。本文提出的电力系统继电保护装置短路电流平抑技术，在充分考虑电力系统继电保护装置短路电流属性特征的基础上，针对性地设计平抑方法，实现了对异常电流的有效控制。本文对装置短路电流平抑技术的研究与设计，希望能为电力系统的稳定运行提供有益的参考。