故障电流限制器通用模型构建方法及系统与流程

本发明涉及一种故障电流限制器通用模型构建方法及系统，属于电工技术领域。

背景技术

随着电力系统输送容量的剧增，电网互联的网络架构愈加复杂，各级电网中，特别是我国三大负荷中心京津塘、长江三角洲、珠江三角洲地区的短路电流水平不断增加。部分地区的短路容量已经达到甚至超过断路器的遮断容量，已经严重威胁到系统的安全运行。

传统的被动型故障电流限制措施如采用高阻抗变压器、固定电抗器、母线分裂运行存在着破坏电网结构，增加稳态运行时系统阻抗，降低系统安全稳定性等固有缺点，在目前复杂大电网中越来越不适用。故障电流限制器(faultcurrentlimitation，fcl)在不改变电网架构的前提下可有效限制电网故障状态下的暂态故障电流水平，同时对电网正常稳态运行工况影响较为轻微，装设故障电流限制器是地区电网解决上述问题最有效的手段之一。为研究不同类型故障电流限制器原理特性及接入超高压电网后故障电流抑制效果，需要一种故障电流限制器通用模型。

技术实现要素：

本发明提供了一种故障电流限制器通用模型构建方法及系统，实现了一种可适用于不同类型故障电流限制器的通用模型。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

故障电流限制器通用模型构建方法，包括，

分析电网中故障电流限制器的工作过程；

根据故障电流限制器对外表现阻抗与时间的关系构建通用模型，

通用模型为：

其中，zfcl为故障电流限制器外表现阻抗；x1为故障电流限制器无投入阻抗时，故障电流限制器外表现阻抗；x2为故障电流限制器投入阻抗稳定时，故障电流限制器外表现阻抗；t表示时间；t1为故障电流限制器投入阻抗的开始时间；t4为故障电流限制器投入阻抗的结束时间；t2为故障电流限制器投入阻抗稳定的开始时间；t3为故障电流限制器投入阻抗稳定的结束时间，δt1＝t2-t1，δt3＝t4-t3。

故障电流限制器的工作过程分为正常阶段、检测阶段和阻抗阶段；

正常阶段和检测阶段内故障电流限制器无投入阻抗；正常阶段的时间范围为t＜t0∪t＞t4，t0为故障发生时间；检测阶段，故障电流限制器检测故障电流，时间范围为t0≤t＜t1；

阻抗阶段：故障电流限制器投入阻抗，时间范围为t1≤t≤t4。

阻抗阶段包括投入阶段、持续阶段和退出阶段；

投入阶段：故障电流限制器外表现阻抗从x1增大至x2；

持续阶段：故障电流限制器投入阻抗稳定，故障电流限制器外表现阻抗持续为x2；

退出阶段：故障电流限制器外表现阻抗从x2减小至x1。

在投入阶段，故障电流限制器外表现阻抗随时间逐渐增大。

在退出阶段，故障电流限制器外表现阻抗随时间逐渐减小。

故障电流限制器通用模型构建系统，包括

分析模块：分析电网中故障电流限制器的工作过程；

模型构建模块：根据故障电流限制器对外表现阻抗与时间的关系构建通用模型。

本发明所达到的有益效果：本发明实现了一种可适用于不同类型故障电流限制器的通用模型，有利于保障磁路控制的故障电流限流器统一比较和分析，有利于研究故障电流限流器对电网输电能力，有利于研究对电网安全稳定性影响分析，为提高故障电流限制水平研究提供理论基础。

附图说明

图1为故障电流限流器通用模型阻抗时间响应曲线；

图2为磁通约束型故障电流限流器的阻抗响应曲线；

图3为磁饱和开关型故障电流限流器的阻抗响应曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

故障电流限制器通用模型构建方法，包括以下步骤：

步骤1，分析电网中故障电流限制器的工作过程。

按照故障电流限制器功能作用可知，故障电流限制器均在电网稳态状况下表现出极低的阻抗，在电网故障，电流急速增加时表现为一个较大阻抗，以限制故障电流，增强故障情况下断路器开关动作裕度。当继电保护切除故障后，故障电流迅速消失，故障电流限制器迅速降低投入阻抗，维持初始较低阻抗值，完成一个完整的投入周期。

故障电流限制器投入阻抗是基于电流大小与电流变化的相应函数，由于在电网故障时，尤其是短路故障开始至故障被继电保护切除的阶段，故障电流是基于时间典型暂态相应曲线；因此，故障电流限制器投入阻抗也可认为是基于时间的相应函数。如图1所示，将故障电流限制器的工作过程分为正常阶段、检测阶段和阻抗阶段，阻抗阶段包括投入阶段、持续阶段和退出阶段，具体顺序为正常阶段->检测阶段->投入阶段->持续阶段->退出阶段->正常阶段，构成一个完成的投入推出循环。

其中，图中x1为故障电流限制器无投入阻抗时，故障电流限制器外表现阻抗，该x1为故障电流限制器自带的阻抗，值非常小；x2为故障电流限制器投入阻抗稳定时，故障电流限制器外表现阻抗，x2＝x1+投入阻抗；t1为故障电流限制器投入阻抗的开始时间；t4为故障电流限制器投入阻抗的结束时间；t2为故障电流限制器投入阻抗稳定的开始时间；t3为故障电流限制器投入阻抗稳定的结束时间。

正常阶段和检测阶段内故障电流限制器无投入阻抗；正常阶段的时间范围为t＜t0∪t＞t4，t0为故障发生时间；检测阶段，故障电流限制器检测故障电流，时间范围为t0≤t＜t1。阻抗阶段：故障电流限制器投入阻抗，时间范围为t1≤t≤t4。投入阶段：故障电流限制器外表现阻抗从x1增大至x2。持续阶段：故障电流限制器投入阻抗稳定，故障电流限制器外表现阻抗持续为x2。退出阶段：故障电流限制器外表现阻抗从x2减小至x1。

步骤2，根据故障电流限制器对外表现阻抗与时间的关系构建通用模型。

在正常阶段和检测阶段，故障电流限制器外表现阻抗保持不变，其值很小，几乎忽略不计。

在投入阶段，故障电流限制器外表现阻抗随时间逐渐增大。

在持续阶段，故障电流限制器外表现阻抗稳定，保持不变。

在退出阶段，故障电流限制器外表现阻抗随时间逐渐减小。

综上，通用模型如下：

其中，zfcl为故障电流限制器外表现阻抗，δt1＝t2-t1，δt3＝t4-t3，x1很小，几乎忽略不计，x1≈0。

下面以常见的磁通约束型故障电流限流器和磁饱和开关型故障电流限流器为例。

磁通约束型故障电流限流器a相的实时阻抗：

其中，za为a相的实时阻抗，zoa为a相的漏阻抗，ia、ib、ic分别为三相电流，zma为a相励磁阻抗，f为电流频率，μ为磁导率，a为磁路截面积，n为线圈匝数，l为磁路长度。

磁通约束型故障电流限流器b、c相与a相参数对称一致，其实时阻抗表达式同理可得：

其中，zb为b相的实时阻抗，zob为b相的漏阻抗，zmb为b相励磁阻抗，zc为c相的实时阻抗，zoc为c相的漏阻抗，zmc为c相励磁阻抗。

由上面公式可以看出，在正常阶段，三相是平衡的，即有ia+ib+ic＝0，此时串入系统的磁通约束型故障电流限流器三相阻抗为漏阻抗zoa、zob、zoc，漏阻抗非常小，可以忽略不计，对系统影响很小，电网系统无法感知到磁通约束型故障电流限流器的存在，在此阶段，两种故障电流限流器对外表现特性完全一致。

当t0时刻发生故障时，此时流过磁通约束型故障电流限流器的电流急剧增加，表现为暂态故障电流。此时磁通约束型故障电流限流器进入检测阶段，这个阶段是检测故障电流的阶段，区别于电网正常状况下的电流，磁通约束型故障电流限流器根据检测电流决定是否投入阻抗。

若a相短路，短路发生瞬间，此时则即a相漏抗和a相励磁阻抗之和，这个值很大，将会有效限制a相的短路电流。b、c相短路时的情况类似。

由于故障限流器原理不同，对检测阶段所需要的时间不同。磁通约束型故障电流限流器由于投入原理不需要二次检测电流，由磁通约束阻抗自动投入，一般认为无需检测时间，即t0＝t1，如图2所示。磁饱和开关型故障电流限流器需要二次回路对故障电流检测，因此需要检测时间完成故障电流判别。一般情况下，磁饱和开关型故障电流限流器检测时间约为若干毫秒，如图3中δt1所示。

当故障电流限流器检测电流超越稳态正常电流，判断为故障电流时，此时在t1启动故障电流限流器，投入阶段区别于检测阶段在于此时已经启动故障电流限流器投入阻抗，投入阻抗随电流与时间逐渐增大，直到达到设计的恒定阻抗值，即x2，如果阻抗投入值达到设计阻抗，此时故障电流限流器进入持续阶段。此时故障电流限流器投入阻抗保持不变，直至故障电流消失。在这两个阶段，两种故障电流限流器外部特性一致。

当切除故障后，此时故障电流快速消失，故障电流限流器快速降低投入阻抗，经过δt3恢复至正常阶段。两种故障电流限流器外部特性一致，仅在具体时间上有一些差别，但都是毫秒级的时间。

综上所述，上述方法实现了一种可适用于不同类型故障电流限制器的通用模型，有利于保障磁路控制的故障电流限流器统一比较和分析，有利于研究故障电流限流器对电网输电能力，有利于研究对电网安全稳定性影响分析，为提高故障电流限制水平研究提供理论基础。

故障电流限制器通用模型构建系统，包括，

分析模块：分析电网中故障电流限制器的工作过程；

模型构建模块：根据故障电流限制器对外表现阻抗与时间的关系构建通用模型。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。