一种基于第五代通信系统的故障限流器在线调度控制方法与流程

[0001]
本发明涉及一种针对电力系统故障场景下的保护设备调度方法，特别是涉及了一种基于第五代通信系统的故障限流器在线调度控制方法。


背景技术：

[0002]
随着电力系统互联规模的不断扩大和可再生能源及火电厂并网数量的不断增加，电力系统中出现短路电流幅值日益显著。以我国华东电网为例，近30％的500kv母线已经出现了短路电流越限的情况。越限的短路电流将超过电力系统中安装的交流断路器的最大切断电流，导致发生短路故障时交流断路器不能及时投切，进而导致各类电力设备在持续的短路电流下因为过热而损坏，引发电力系统出现连锁故障甚至发生整个电力系统的大停电。因此，对于电力系统调度部门来说，在电力系统运行时有效减少短路电流是亟待解决的一项任务。
[0003]
近年来，随着电力电子技术的发展，故障限流器逐步成为减少短路电流的最有效的设备之一。故障限流器在电力系统正常运行时不投切，呈现出低阻抗的特性，而在检测到短路电流的情况下进行投切，立刻转变为高阻抗元件，从而实现对短路电流幅值的抑制，使其低于交流短路器的最大切断电流，保证交流断路器切断短路电流。虽然故障限流器在我国电力系统中已经得到了广泛的应用，但现有的故障限流器调度控制模型主要以分布式就地控制模型为主，即由各故障限流器基于各自安装位置的电压电流信息按照预先设定的阈值进行投切控制，故障限流器之间无信息交互，因此在电力系统出现短路故障的时候容易出现多个故障限流器的投切，造成故障限流器的投切容量冗余，进而引发电压暂降等问题，导致电能质量大幅下降，不利于电力系统的安全稳定运行。
[0004]
随着近几年通信技术的发展，以第五代通信系统为代表的先进通信技术具有高带宽、低延迟、快传输的特点，能良好适应故障限流器在电力系统出现短路故障后快速响应的需求，如何基于第五代通信系统，针对电力系统中安装故障限流器的在线调度控制，以实现在短路故障时有效减少短路电流的同时避免调度控制的故障限流器阻抗值过度冗余，从而减少电力系统的电压暂降，保证电能质量，是现阶段急需研究的一项重要内容。


技术实现要素：

[0005]
针对上述背景技术中的问题，本发明提供了一种基于第五代通信系统的故障限流器在线调度控制方法，可以简单高效地得到电力系统出现短路故障时电力系统所安装的故障限流器的最佳调度控制方式，能够用于电力系统调度机构在实际电力系统出现短路故障时对故障限流器进行有效的调度控制，具有切实的价值与意义。
[0006]
本发明具体包括以下步骤：
[0007]
本发明根据故障限流器的调度控制特点和电力系统继电保护设备的配合要求，构建了基于第五代通信系统的故障限流器在线调度控制框架，按照故障限流器在线调度控制框架在发生短路故障情况下产生故障限流器调度控制信号，进而控制故障限流器进行调度
工作；
[0008]
本发明基于故障限流器调度对电压暂降和短路电流幅值限制的耦合关系，建立了故障限流器最优调度控制模型；具体是以所调度控制的故障限流器阻抗和短路故障导致的电压暂降值之和最小为目标函数，并考虑短路故障电流约束和电压暂降约束，实现以最小的故障限流器阻抗调度控制来使短路故障电流满足断路器关断的要求，并同时尽可能降低短路故障带来的电压暂降。
[0009]
考虑第五代通信系统可能出现的故障，同时建立了基于分布式就地调度控制方法的故障限流器备用调度控制方式进行分类调度：故障限流器预先设定一个时延δt，当检测到短路故障后，若第五代通信系统发生故障了，即若在时延δt过后故障限流器未接收到故障限流器调度控制信号，则启动分布式就地调度控制方式对自身进行调度控制；若第五代通信系统未发生故障，即若在时延δt之前故障限流器接收到故障限流器调度控制信号，则按照故障限流器调度控制信号进行调度控制。
[0010]
所述的电力系统为多端直流输电系统馈入区域。所述的第五代通信系统为5g第五代移动通信技术的系统。
[0011]
具体是利用第五代通信系统低时延、高可靠性的特点，传感器测量对地电压和对地电流并传递给中心变电站，经中心变电站处理分析后产生故障限流器调度控制信号，将故障限流器调度控制信号发送传递给故障限流器，由故障限流器控制母线的关断，从而实现与电力系统继电保护设备有效配合。
[0012]
所述的故障限流器在线调度控制框架主要由传感器、中心变电站、第五代通信网络和故障限流器组成，传感器连接到电力系统内各母线上，故障限流器连接到电力系统内与各母线连接的线路上，传感器、中心变电站、故障限流器均连接到第五代通信网络，使得传感器和中心变电站之间、中心变电站和故障限流器之间均通过第五代通信网络连接通信；
[0013]
由传感器测量电力系统内各母线的对地电压和对地电流，测量所需时间为t
m
；中心变电站包括故障定位模块和调度控制模块，并将对地电压和对地电流通过第五代通信网络发送传递到中心变电站的故障定位模块，发送传递所需时间为t
c
；在中心变电站的故障定位模块接收到对地电压和对地电流后进行分析，分析所需时间为t
fld
，对于母线i为例，按照公式进行判断：
[0014][0015]
v
i
＝v0[0016]
其中，i
i
和v
i
为传感器测量的母线i的对地电压和对地电流，i
j
为母线j注入到母线i的电流，n
b
为母线总数；v0为短路故障发生时母线i对地电压的临界值，一般取为0，表示为v0→
0。
[0017]
若母线j均满足上述公式，则故障定位模块将判断母线j出现了短路故障，并检测获得短路故障的母线位置，并将出现短路故障的母线位置传递给调度控制模块；
[0018]
根据短路故障的母线位置，调度控制模块采用短路故障场景离线扫描方式调用母线位置出现短路故障的场景所对应的故障限流器在线调度控制方式生成故障限流器调度控制信号，工作所需时间为t
fsd
，并通过第五代通信网络将故障限流器调度控制信号发送传
递给到对应的故障限流器，发送传递所需时间为t
c
，最后由故障限流器根据故障限流器调度控制信号完成实际调度控制，调度控制所需时间为t
f
。
[0019]
所述的短路故障场景离线扫描方式具体是：
[0020]
在离线时，分析电力系统中所有种类的潜在的短路故障场景，采用故障限流器最优调度控制模型对每一种类的潜在的短路故障场景下的故障限流器调度控制进行模拟获得故障限流器最优调度控制方式集合；
[0021]
在实时在线时，根据短路故障的母线位置，调度控制模块判断实际发生的短路故障属于潜在的短路故障场景的种类，并从故障限流器最优调度控制方式集合中直接调用该短路故障场景对应的最优调度控制变量集合，作为故障限流器在线调度控制方式。
[0022]
故障限流器最优调度控制方式集合包括了短路故障、短路故障的母线位置和最优调度控制变量集合及其相互之间的对应关系。
[0023]
本发明考虑到中心变电站的调度控制模块在线优化的时间要求，建立了上述短路故障场景离线扫描方式，这样以便于中心变电站的调度控制模块在实际在线运行时，根据短路故障的母线位置，判断实际发生短路故障属于哪一种短路故障场景，并直接调用该短路故障场景对应的故障限流器最优调度控制方式，实现对故障限流器的快速响应的在线调度控制。
[0024]
所述的故障限流器最优调度控制模型包括目标函数和约束条件，目标函数为：
[0025][0026]
其中，x
f
为故障限流器f的阻抗值，f表示故障限流器的序号，v
f
为故障限流器f是否被调度的最优调度控制变量，具体为0-1控制变量，f为全部故障限流器的集合，δv
j
为母线j的电压暂降值，j表示母线的序号，故障母线用i，未故障的母线用j，为母线j的电压暂降阈值，n
b
为母线总数；当v
f
＝0时，故障限流器f不被调度控制自身连接的母线，母线不被限流；当v
f
＝1时，故障限流器f被调度控制自身连接的母线限流。
[0027]
该目标函数为故障限流器被调度的阻抗值和其中母线电压暂降和预设的电压暂降阈值的差值之和。
[0028]
母线i发生三相同时短路故障，在出现短路故障的母线位置设置以下约束条件：
[0029]
1)短路电流约束：
[0030][0031]
其中，i
s,i
为母线i的短路电流值，和i
s,i
分别为控制的母线i的短路电流上限和下限；为母线i在发生短路故障前的电压值，为发生短路故障前母线i的自阻抗；δz
ii
为短路故障后母线i和自身之间由于故障限流器调度而增加的自阻抗；
[0032]
2)电压暂降约束：
[0033]
对于未发生短路故障的母线j来说，在母线i发生短路故障后，电压暂降值δv
j
计算为：
[0034][0035]
其中，为发生短路故障前母线j和母线i之间的互阻抗，δz
ij
为短路故障后母线i和母线j之间由于故障限流器调度而增加的互阻抗；δz
ii
为短路故障后母线i由于故障限流器调度而增加的自阻抗；
[0036]
输入固定的短路故障及其母线位置下的i
s,i
,δz
ij
和δz
ii
参数采用线性规划的方法求解上述故障限流器最优调度控制模型，计算得到各个故障限流器的最优调度控制变量v
f
，构成了该短路故障及其母线位置下各个故障限流器的最优调度控制变量集合；
[0037]
由不同的短路故障及其母线位置进行处理获得各自的最优调度控制变量集合，由所有短路故障及其母线位置的最优调度控制变量集合组成故障限流器最优调度控制方式集合。
[0038]
所述的故障限流器的时延δt设置为δt＝t
m
+t
c
+t
fld
+t
fsd
+t
c
。
[0039]
所述的分布式就地调度控制方式是通过以下公式自主产生故障限流器f的最优调度控制变量v
f
：
[0040][0041]
其中，i1和i0分别为故障后和故障前故障限流器测量得到的电流值，λ为预设的故障限流器临界过流系数，用以确定故障限流器的最优调度控制变量v
f
。
[0042]
所述的短路电流约束中，母线l和母线k之间安装了故障限流器f，短路故障后由于故障限流器调度而增加的自阻抗δz
ii
由以下公式计算得到：
[0043][0044]
其中，为故障限流器f所处的连接母线l和母线k的线路上的阻抗，和分别为母线l和母线k的自阻抗，和为发生短路故障的母线i分别和母线l与母线k之间的互阻抗，为母线l和母线k的互阻抗。
[0045]
所述的电压暂降约束中，短路故障后由于故障限流器调度而增加的互阻抗δz
ij
由以下公式计算得到：
[0046][0047]
其中，和分别为母线j分别和母线l、母线k之间的互阻抗；
[0048]
对于母线j的电压暂降阈值按照以下设置：
[0049]
若母线j为只与交流母线相连接，则为纯交流母线，电压暂降阈值根据母线要求自由选取；
[0050]
若母线j还与直流母线连接，则为交直流耦合母线，电压暂降阈值需要保证与母线j相连的直流母线上的换流器m能正常工作，则电压暂降阈值设置为：
[0051][0052]
其中，为故障前母线j的电压，n
m
为换流器m的换流比，i
m,dc
为流经换流器m的额定直流电流，x
m
为换流器m的等效换流电抗，θ
m
为换流器m的换流控制角，为换流器m的最小关断角，一般设为7
°
。
[0053]
本发明根据故障限流器的调度控制特点以及各其他继电保护设备的配合要求，建立了基于第五代通信系统的故障限流器在线调度控制框架，并在框架中同时针对通信系统可能出现的故障，将分布式就地控制方法设定为备用调度控制方式。同时建立了故障限流器的最优调度控制模型，并在上述模型中引入了短路故障场景离线扫描方式，使得所有的电力系统短路故障能通过离线的方法预先扫描得到对应的故障限流器最优调度控制方式，以保障电力系统实时运行时，电力系统调度机构能根据识别到的短路故障场景及时有效地调用相应的故障限流器调度控制方式，实现对故障限流器的快速高效调度控制。
[0054]
本发明的有益效果：
[0055]
本发明方法结合第五代通信系统高带宽、低延迟、快传输的特点，建立的故障限流器在线调度控制框架能保证在短路故障时故障限流器有效投切，并在通信系统故障时调用分布式就地控制方法，确保故障限流器在通信系统故障时能按照分布式就地控制方法及时投切，从而保证本方法能在通信系统故障时也能有效可靠使用。
[0056]
此外，本方法建立的故障限流器在线调度控制模型能有效减少短路故障时故障限流器的调度控制阻抗，避免短路故障时故障限流器冗余调度导致的电压暂降，从而实现用最小的故障限流器调度控制阻抗满足电力系统短路电流抑制需求的同时保证电力系统的电能质量。
[0057]
由此，本发明通过基于电力系统各母线的在短路故障情况下的对地电压和对地电流，对故障限流器进行在线调度控制，可以在有效实现对短路电流快速抑制的同时，进一步减少故障限流器的调度阻抗，避免因为故障限流器大量阻抗被调度带来的电压暂降问题，保证电网运行的安全稳定。
附图说明
[0058]
图1是本发明的基于第五代通信系统的故障限流器在线调度控制框架图；
[0059]
图2是本发明的短路故障场景离线扫描方式示意图；
[0060]
图3是本发明的通信系统故障场景下备用调度控制方式时序衔接示意图；
[0061]
图4是本发明用于仿真的39节点交直流系统拓扑图；
[0062]
图5是本发明的故障限流器在线调度控制结果仿真示意图；
[0063]
图6是本发明的故障限流器调度控制结果对短路故障电流的效果示意图。
具体实施方式
[0064]
以下结合实施例及其附图作进一步说明。
[0065]
按照本发明发明内容完整方法实施的实施例如下：
[0066]
1、基于第五代通信系统的故障限流器在线调度控制框架
[0067]
如图1所示，本发明中基于第五代通信系统的故障限流器在线调度控制框架主要由传感器，中心变电站、第五代通信网络以及故障限流器组成。传感器连接到电力系统内各母线上，故障限流器连接到电力系统内与各母线连接的线路上，传感器、中心变电站、故障限流器均连接到第五代通信网络，使得传感器和中心变电站之间、中心变电站和故障限流器之间均通过第五代通信网络连接通信。
[0068]
若以多端直流输电系统馈入的电力系统作为研究对象，则首先由传感器通过测量多端直流输电系统馈入的电力系统各母线的对地电压和对地电流，测量时间为t
m
。
[0069]
接下来，传感器将测量得到的对地电压和对地电流通过第五代通信网络传递到中心变电站，传递时间为t
c
。
[0070]
在中心变电站收到对地电压和对地电流测量值后，首先基于故障定位模块进行分析，分析时间为t
fld
，以母线i为例，故障定位模块的分析公式如下：
[0071][0072]
v
g
＝v0[0073]
其中，i
i
和v
i
为传感器测量的母线i的对地电压和对地电流，i
j
为母线j注入到母线i的电流，n
b
为母线总数；v0为短路故障发生时母线i对地电压的临界值，一般取为0，表示为v0→
0。
[0074]
若母线i均满足上述公式，则故障定位模块将判断母线j出现了短路故障，并检测获得短路故障的母线位置，并将出现短路故障的母线位置传递给调度控制模块；
[0075]
根据短路故障的母线位置，调度控制模块采用短路故障场景离线扫描方式调用母线位置出现短路故障的场景所对应的故障限流器在线调度控制方式生成故障限流器调度控制信号，工作所需时间为t
fsd
，并通过第五代通信网络将故障限流器调度控制信号发送传递给到对应的故障限流器，发送传递所需时间为t
c
，最后由故障限流器根据故障限流器调度控制信号完成实际调度控制，调度控制所需时间为t
f
。
[0076]
2、短路故障场景离线扫描方式
[0077]
如图2所示，在离线时，通过分析多端直流输电系统馈入的电力系统中所有潜在的短路故障场景，采用故障限流器最优调度控制模型对每一种潜在的短路故障场景进行模拟，形成故障限流器最优调度控制方式集合。
[0078]
在线运行时，根据短路故障的母线位置，调度控制模块将判断实际发生短路故障属于离线获得的故障限流器最优调度控制方式集合中的哪种场景，并直接调用该场景对应的故障限流器调度控制方式，形成故障限流器调度控制信号结果。
[0079]
其中的故障限流器最优调度控制模型的目标函数为：
[0080][0081]
母线i发生三相同时短路故障，在出现短路故障的母线位置设置以下约束条件：
[0082]
1)短路电流约束：
[0083][0084][0085]
2)电压暂降约束：
[0086][0087][0088]
对于母线j的电压暂降阈值按照以下设置：
[0089]
若母线j为只与交流母线相连接，则为纯交流母线，电压暂降阈值根据母线要求自由选取；
[0090]
若母线j还与直流母线连接，则为交直流耦合母线，电压暂降阈值需要保证与母线j相连的直流母线上的换流器m能正常工作，则电压暂降阈值设置为：
[0091][0092]
输入固定的短路故障及其母线位置下的i
s,i
,δz
ij
和δz
ii
采用线性规划的方法求解上述故障限流器最优调度控制模型，计算得到各个故障限流器的最优调度控制变量v
f
，构成了该短路故障及其母线位置下的最优调度控制变量集合；
[0093]
由不同的短路故障及其母线位置进行处理获得各自的最优调度控制变量集合，由所有短路故障及其母线位置的最优调度控制变量集合组成故障限流器最优调度控制方式集合。
[0094]
3、通信系统故障场景下备用调度控制方式
[0095]
若第五代通信系统发生故障，如图3所示，同时建立了基于分布式就地调度控制方法的故障限流器备用调度控制方式进行分类调度：故障限流器预先设定一个时延δt，时延δt设置为δt＝t
m
+t
c
+t
fld
+t
fsd
+t
c
。
[0096]
当检测到短路故障后，若第五代通信系统发生故障了，即若在时延δt过后故障限流器未接收到故障限流器调度控制信号，则启动分布式就地调度控制方式对自身进行调度控制，具体是通过以下公式自主产生故障限流器f的最优调度控制变量v
f
：
[0097][0098]
若第五代通信系统未发生故障，即若在时延δt之前故障限流器接收到故障限流器调度控制信号，则按照故障限流器调度控制信号进行调度控制。
[0099]
4、案例仿真
[0100]
如图4所示，以一个包含39节点的三端直流输电系统馈入的电力系统为例进行案例仿真。假设当母线电流超过20p.u.时断路器无法关断，需要通过故障限流器的调度降低短路故障电流进行关断，则共有7个母线满足上述要求。将这7个母线的短路故障视为独立事件，等效为7个短路故障场景，如表1所示。假设区域内安装了5个故障限流器，每个故障限流器的阻抗和安装位置如表2所示。
[0101]
表1
[0102][0103][0104]
表2
[0105][0106]
不同场景下采用本发明提出的基于第五代通信系统的故障限流器在线调度控制模型产生的故障限流器调度控制结果如图5所示，可见在不同场短路故障景下，除了场景1
和场景5的故障限流器调度控制结果相同，其他场景下的故障限流器调度结果均出现了差异，体现了本发明提出的基于第五代通信系统的故障限流器在线调度控制模型能有效针对不同场景下短路故障位置和短路故障电流的不同有针对性的形成最优的故障限流器调度控制方案。
[0107]
将各短路故障场景下采用本发明提出的基于第五代通信系统的故障限流器在线调度控制模型得到的故障限流器调度控制方案后形成的短路故障电流和未安装故障限流器下各短路故障场景的短路故障电流进行对比，如图6所示。可以看出，本发明提出的基于第五代通信系统的故障限流器在线调度控制模型形成的故障限流器调度控制方案能有效控制各短路故障场景下的短路电流在预设的上下限范围内，保证电力系统在出现短路故障的情况下依旧能正常完成断路器关断。
[0108]
将各短路故障场景下采用本发明提出的基于第五代通信系统的故障限流器在线调度控制模型得到的故障限流器调度控制方案后形成的电压暂降越限情况和采用分布式就地控制方法调度控制形成的各短路故障场景的电压暂降越限情况进行对比，如表3所示。
[0109]
表3
[0110][0111]
可以看出，本发明提出的技术方案能有效减少各短路故障场景下电压暂降超过预设电压暂降阈值的母线数，保证电力系统在出现短路故障情况下的电压稳定性。