开关投切过程建模及其在配网故障诊断算法测试中的应用

doi:10.16183/j.cnki.jsjtu.2023.129

开关投切过程建模及其在配网故障诊断算法测试中的应用

薛贵挺¹, 刘哲¹, 韩兆儒^,², 石访², 王倜¹, 王晓¹

1.国网北京市电力公司海淀供电公司,北京 100195

2.山东大学电气工程学院,济南 250061

Switching Modeling and Application in Fault Diagnosis Algorithm Testing of Distribution Network

XUE Guiting¹, LIU Zhe¹, HAN Zhaoru^,², SHI Fang², WANG Ti¹, WANG Xiao¹

1. State Grid Beijing Haidian Electric Power Supply Company, Beijing 100195, China

2. School of Electrical Engineering, Shandong University, Jinan 250061, China

通讯作者: 韩兆儒,硕士生;E-mail:peaceandjoy77@163.com.

责任编辑: 孙伟

收稿日期: 2023-04-13 修回日期: 2023-06-5 接受日期: 2023-06-29

Received: 2023-04-13 Revised: 2023-06-5 Accepted: 2023-06-29

作者简介 About authors

薛贵挺(1982—),博士,高级工程师,从事微电网运行优化、配电网故障诊断等研究.

摘要

配电网故障诊断是确定故障位置、提高故障处理效率和降低停电损失的重要手段.目前,在故障诊断算法设计与测试过程中较少考虑开关操作等干扰的影响,造成算法在实际应用中易误动、用户体验差.针对配电网开关分闸的暂态过程进行详细分析,结合Mayr与Helmer模型对开关投切过程建模,并在PSCAD中生成仿真波形与现场操作过程暂态波形进行对比分析.在模型精准性检验基础上,构建了包含开关操作过程的配电网典型故障算例;与现有常用模型相比,所提模型可以仿真生成贴近现场开关投切过程的扰动数据,可用于故障诊断算法的可靠性检验.最后通过结果分析,对优化故障诊断算法和测试流程提出了针对性建议.

关键词： 配电网; 开关投切; 电弧模型; 故障诊断

Abstract

Fault diagnosis in power distribution networks is crucial for fault location, enhancement of fault processing efficiency, and reduction of power outage losses. Currently, the impact of switch operations and other interferences is seldomly considered in fault diagnosis algorithm designing and testing, which may lead to frequent mal-function and poor performance in practical applications. In this paper, a detailed analysis and modeling of the transient process of switch operation in distribution networks is proposed with the combination of the Mayr and the Helmer models. The transient waveform of the on-site operation process is compared and analyzed with the simulation waveforms generated in PSCAD. Based on the accuracy verification of the model, typical fault scenarios in distribution networks, including switch operation processes, are constructed for fault diagnosis algorithm tests. Compared to the traditional model, the model proposed can simulate and generate disturbance data close to the on-site switch operation process for reliability testing of fault diagnosis algorithms. Finally, several suggestions for optimizing the fault diagnosis algorithm and testing process are proposed through result analysis.

Keywords： distribution network; switching; arcing model; fault diagnosis

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本文引用格式

薛贵挺, 刘哲, 韩兆儒, 石访, 王倜, 王晓. 开关投切过程建模及其在配网故障诊断算法测试中的应用[J]. 上海交通大学学报, 2024, 58(9): 1381-1389 doi:10.16183/j.cnki.jsjtu.2023.129

XUE Guiting, LIU Zhe, HAN Zhaoru, SHI Fang, WANG Ti, WANG Xiao. Switching Modeling and Application in Fault Diagnosis Algorithm Testing of Distribution Network[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2024, 58(9): 1381-1389 doi:10.16183/j.cnki.jsjtu.2023.129

统计表明,配电线路故障中单相接地故障占比高达80%,因配电网中性点常采用不接地、谐振接地等方式,故障特征较为微弱,传统过流保护难以启动从而造成故障持续存在,威胁人身安全和供电可靠性.通常采用小电流接地选线装置、配电自动化系统等进行故障诊断和区段定位,以及时发现故障并处理,避免损害扩大.现有故障诊断算法多依赖暂态量进行故障检测^[1⇓-3],而正常的开关操作过程也会产生谐波、电压畸变等暂态过程^[4].例如,变电站中大量接入用于提高功率因数、平衡无功的并联电容器,其投切过程会产生类似干扰.开关投切的暂态过程与典型接地故障特征量相似,可导致故障诊断失效或误报,给检修人员工作带来困扰.在故障诊断算法开发与测试时,需重点考虑如何正确辨识开关操作事件,避免故障误告警,因此有必要对开关操作特性进行深入分析和建模.

真空断路器灭弧介质和灭弧后触头间隙的绝缘介质都是真空,具有体积小、质量轻、适于频繁操作、灭弧能力强、开断容量大、无污染等优点,在中压配电系统中广泛应用.现场断路器分合闸瞬间伴有电弧产生,而现有开关投切仿真模型多使用断路器简单开断,无法体现电弧暂态过程.因此,需要对断路器模型进行改进,与电弧模型结合以精确描述开关投切过程.

现有电弧模型研究众多,例如基于能量平衡原理的Cassie模型、Mayr模型^[5⇓-7],以及利用热力学和等离子体物理理论进行电弧热等离子体建模^[8]等,其中断路器开断过程模拟的关键是结合其物理现象建立电弧的数学模型^[9].同时断路器开断电弧研究多针对其开断过程中暂态过电压的描述,侧重于断路器投切时过电压分析与防护问题^[10⇓-12],未探讨断路器投切对配电线路故障诊断的干扰.

为了描述断路器投切过程不同阶段的特性,本文基于Mayr与Helmer电弧模型对投切过程分析及建模.主要针对配电网开关投切操作建立其分闸事件的暂态模型,将断路器分闸暂态过程分为两个阶段,首次开断相电流过零点之前,应用Mayr电弧模型模拟工频电弧续流过程,Mayr电弧模型很适合分析小电流开断时的情景^[13];首次达到过零点后,电路发生高频暂态,此时重点考虑电弧燃烧熄灭过程,认为弧导极大、弧压极小,利用Helmer模型描述高频电弧的产生,侧重电弧重燃特征,Helmer模型适于描述开关投切暂态过程.最后在PSCAD软件中进行了含精细化开关投切模型的10 kV配电网算例研究,与现场操作过程暂态波形进行对比分析,并在模型验证基础上对包含开关操作过程的配电网典型场景进行故障诊断算法测试,分析的结果可用于故障诊断算法优化和测试.

1 电弧模型数学表达

1.1 Mayr电弧模型

电弧现象是气、热、电磁场等混合物理场综合作用的结果,过程时间短、温度高,实验手段分析电弧机理困难.为了描述电弧内部复杂的物理过程,现有研究主要利用电弧各物理参数来建立数学模型.其中Mayr电弧模型是基于弧柱能量平衡原理的经典电弧模型,反映燃弧过程中电弧实时功率与耗散功率比值,是一种黑盒模型,数学表达为

(1)

\frac{1}{G} \frac{d g}{d t}

\frac{1}{τ} (\frac{u i}{P_{0}} - 1)

式中:P₀为电弧耗散功率;u,i分别为电弧电压和电流;G为电弧电导;τ为电弧时间常数.

Mayr电弧模型适合小电流下的电弧变换过程.在断路器分闸时刻至电流过零点之前,电流不能立即熄灭,断路器气隙由工频电弧续流.利用Mayr电弧模型对此过程进行描述,式(1)经过推导后得到电弧电阻的数学表达式:

(2)R_arc=

\frac{1}{G}

=exp

(\int \frac{1}{τ'} (P_{0} - u i) d t)

式中:R_arc为电弧电阻;τ'=τP₀,为电弧时间常数的变式.

1.2 Helmer电弧模型

真空断路器在电流过零点附近分闸时会反复发生电弧的重燃与熄灭,这是断路器瞬态恢复电压(Transient Recovery Voltage, TRV)与断口击穿电压相互竞争的结果.分闸后,当断路器TRV大于断口击穿电压时,会造成断路器气隙间的击穿,电弧随之出现.直到下一次电流过零点附近,受断路器熄弧能力影响将电弧熄灭.随后TRV在间隙处重新出现,并且由于间隙距离随时间增长,间隙的介电强度将提高,导致断路击穿电压升高,下一次电弧重燃将发生于更高电压等级.电弧重燃-熄灭的反复过程主要是3种特性的作用结果:截流值、断口击穿电压、高频熄弧能力.图1可直观表示其作用过程^[14],在A'点处首开相电流过零,工频电弧熄灭,断路器间隙出现TRV并在B'点超过断口击穿电压,电路随即发生高频暂态,直至断路器在C'点高频熄弧,随后TRV重新出现并在D'点开始新一轮击穿,电弧的重燃-熄灭现象持续到断口击穿电压抬升至足够阻止击穿的等级.图中,U_r为断口击穿电压.

图1

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图1 断路器分闸过程电弧重燃-熄灭反复现象

Fig.1 Arc reignition-extinction recurring phenomenon during breaker opening process

传统Helmer模型利用上述3种特征配合动作^[14],模型参数可由经验公式得到.截流值一般为3~8 A,其估算公式为

(3)i_ch=(ωi_mαβ)^q

式中:i_m为工频电流幅值;ω为工频的角频率;α,β,q为与断路器触头材料有关参数.

真空断路器断口击穿电压U_r与间隙距离s可以拟合成线性关系:

(4)U_r=U₀+vs

式中:U₀为电流过零前的恢复电压;v为与距离相关的系数.可用熄弧时的电流变化率临界值表示真空断路器高频熄弧能力,通常认为真空断路器高频熄弧能力不随时间变化,其值为550~700 A/μs.

Helmer电弧模型可以看作对电阻的控制过程,其数据表达式为

(5)R_brk=

\{\begin{array}{l} e^{9}, & u < U_{r} \\ e^{- 6}, & i > i_{c h} ⋂ d i / d t > Q_{i} \end{array}

式中:di/dt为t时刻电弧电流的导数;Q_i为高频熄弧能力.通过截流值、断口击穿电压与高频熄弧能力配合,电阻R_brk呈现极大阻值与极小阻值的交替特性,实际上代表断路器的开关状态.

为了提高Helmer模型的仿真精度,常与量测端实测数据结合起来构造其特性参数^[15].通过断路器两端电压差可以拟合出更符合实际的断口击穿电压曲线;采集熄弧之后电压突变时刻的电流变化率为高频熄弧能力值;截流值可将断路器断口突变电流作多次采集后经统计处理得到.文献[16]中给出了具体参照参数,在相同电压等级电网中具有一定普适性.

2 电弧模型的建立及PSCAD实现

为了更好地描述断路器分闸暂态过程,将电弧模型分为两部分.第一阶段,在断路器分闸开始到电流截流之前,认为此时电弧是工频续流的结果;第二阶段,电流截流后电路发生高频暂态,重点反映电弧重燃-熄灭现象.本质上是结合Mayr与Helmer模型在不同阶段的模拟特性,对整个分闸暂态过程进行分阶段描述.在PSCAD软件中进行上述模型的具体实现.

2.1 Mayr电弧模型的实现

配电网的开关投切时刻具有随机性,在一个周期内,断路器在任意时刻分闸的概率是均匀分布的.当分闸时刻不在电流过零点附近时,电流不能立即熄灭,断路器会因为工频续流产生稳定电弧^[17].使用Mayr模型作为电流截流前的电弧模型,即利用式(2)控制此阶段的电弧电阻R_arc变化,变化规律如图2所示.图中,T=0.02 s,为工频周期.

图2

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图2 电阻变化

Fig.2 Changes in resistance

2.2 Helmer电弧模型的实现

利用PSCAD中的断路器模型作为开关器件,在开关两侧并联RLC串联支路表征真空断路器断口杂散参数.设计自定义模块并利用C语言开发交互程序,构造逻辑单元控制断路器开断,共同组合成Helmer模型.利用PSCAD中的模块生成随机数作为投切时间,用来模拟实际投切事件随机性.具体实现如图3所示,由自定义逻辑单元生成控制策略控制断路器开断,模拟真空断路器分闸暂态过程的电弧重燃-熄灭反复现象.自定义模块设置了6个输入端以及1个输出端,U_k接入断路器两侧电压,I_k接入流过断路器的电流,I_a接入设定的截流值,Q_i接入高频熄弧临界值,di/dt接入I_k每一时刻的电流变化率,接入断路器分闸时刻(t_op).图中,BRK表示断路器开关;g为断路器控制信号.

图3

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图3 Helmer模型在PSCAD中的实现

Fig.3 Implementation of Helmer model in PSCAD

逻辑控制单元内部逻辑判断流程如图4所示.图中,U_d为断路器分闸后断口恢复电压;a,b,c,d,e为实测断口恢复电压曲线进行拟合得出的相关系数;Δt为分闸开始到结束所需时间;t_s为分闸开始后的时间(t_s=t₀-t_op),t₀为仿真开始后的正常时间刻度.通过输出端g来控制断路器的通断,当g输出1,断路器断开;当g输出0,断路器闭合.

图4

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图4 逻辑控制单元程序流程图

Fig.4 Flow chart of logic control unit program

3 模型仿真测试

在PSCAD中搭建如图5所示的某10 kV试验场模型,1号线路为架空线路,2号线路为混合线路,3号线路为电缆线路.节点4、7、12、13、15、18、19与21为负荷节点,且4和12节点负载为不平衡负载.对所提出模型进行仿真测试,分析断路器分闸后配电网的动态过程,并与现场实际操作暂态波形对比分析.开关投切后是否会产生高频电弧与分闸时刻有较大关系,当分闸时刻距下一次电流过零点较远时,断路器间隙的介电强度足以阻止电弧重燃,仿真中设置分闸检测时间为5 ms,模型实现的整体逻辑如图6所示.

图5

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图5 10 kV简化节点网络

Fig.5 Network of 10 kV simplified node

图6

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图6 Mayr-Helmer模型逻辑流程

Fig.6 Logical flow of Mayr-Helmer model

在节点2处设置电抗器并联投切,并将分闸角设置在电流过零点附近,图7为开关分闸后的暂态电弧.可以观察到,断路器分闸后B相作为首开相发生截流现象,随后出现高频暂态,相电流剧烈畸变,即出现电弧反复重燃-熄灭现象.其余两相与B相耦合同样出现电流畸变,这是工频电弧与高频电弧共同作用的结果.实际配电网中,用于投切负载的断路器通常不单独配置量测装置,因此无法直接对间隙电弧进行观测.在节点2所在馈线靠近母线处配置量测,采样率设为20 kHz,可采集开关投切时馈线暂态波形,如图8所示.投切操作后,三相电压、电流发生暂态扰动,且经历短时振荡过程.图9为实际投切扰动波形^[18],三相电压、电流同样存在5~10 ms 的暂态扰动,与仿真结果相同.利用小波变换提取暂态信号特征,选择db4小波作为母小波,对开关操作后1/4周期的零序电压波形进行8层分解,结果如图10所示.两者频段主要分布在1.25~10 kHz 内,具有相似的暂态信号,证明本文模型可以用于模拟开关投切的暂态扰动过程.

图7

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图7 仿真分闸电流波形

Fig.7 Waveform of simulated switching current

图8

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图8 仿真扰动波形

Fig.8 Waveform of simulated disturbance

图9

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图9 实际投切扰动波形

Fig.9 Waveform of actual switching disturbance

图10

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图10 小波分解结果

Fig.10 Results of wavelet decomposition

4 考虑开关投切扰动的配电网故障诊断算法测试

配电网采用小电流接地方式时单相接地故障电流小,特别是当线路与水泥地、沙土、树木等高阻抗物体接触时,故障信息更为微弱,故障检测困难.对此,往往采用降低检测判据门槛值的手段提高灵敏性.开关投切过程暂态特征与高阻故障特征类似,如果采用的故障诊断算法可靠性不足,会造成现场频繁误告警,影响用户使用体验^[19].

本文断路器模型仿真生成包含开关投切事件的录波数据,对故障诊断算法进行测试,以评价算法的鲁棒性.断路器模型参数设置为τ=0.03 ms,P₀=35 kW,I_a=5.2 A,Q_i=627.6 kA/s.采用零序量特征进行单相接地故障诊断.此外,故障发生后 5~20 ms的暂态过程包含丰富的故障信息,通常广泛采用暂态量特征进行故障诊断,本文重点测试开关投切操作对零序量及部分暂态量特征的影响.图11给出了节点2开关投切前后20个周期内的归一化零序电压幅值、零序电流幅值、零序电流总谐波失真(Total Harmonic Distortion, THD)及3种暂态分量:零序电压CODO、暂态能量、小波能量矩的变化情况;其中,CODO表示数学形态学中的闭开差运算(Closing Opening Difference Operation, CODO),用于量化波形的暂态畸变特征.

图11

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图11 故障检测方法的扰动验证

Fig.11 Perturbation verification of fault detection methods

开关投切时(第9个周波),3种零序特征及3种暂态特征皆发生突变,证明开关投切事件可能造成故障诊断算法误告警.对投切地点、投切事件类型以及投切初始相角进行设置,共进行9组实验.实验1、2、3设置为节点2投切并联电抗,B相分闸角分别为40°、80°、170°;实验4、5设置为节点10、17投切并联电抗;实验6设置为节点6投切并联电容;实验7、8设置为在母线处投切1号、2号线路;实验9设置为节点11投切电抗对远端量测装置扰动影响.实验1~8的量测装置配置在距投切点最近的前端节点处;实验9的量测装置配置在2号线路首端.为证明本文模型及测试方法的优势,利用传统断路器模型设置同样的实验进行比较.传统断路器模型基于三相断路器简单的同时分合闸实现,无法体现开关投切时的不平衡过程以及高频暂态,因此系统中没有零序量产生.图12实验结果显示,利用本文模型进行开关投切时,6种特征量会出现平均持续3个周期的连续突变,而传统断路器模型6种特征量没有发生突变.因此本文模型更接近于实际情况,可更好地进行故障诊断算法可靠性测试.

图12

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图12 扰动验证结果

Fig.12 Verification result of perturbation

需要指出的是,分闸暂态过程中高频电弧的产生是断路器重复击穿的结果,是否发生高频暂态取决于投切后第一次电流过零点时刻的断路器端口电压与TRV的大小.在实验2中,到达第一次电流过零点时,TRV远大于端口电压,没有高频电弧的产生;在实验7、8中,由于线路负荷功率因数一般较大,电流过零点与电压过零点时刻接近,端口电压较小,同样没有产生高频电弧.如图13为实验2中的仿真分闸电流波形,C相作为首开断相且没有高频电弧产生,A、B相分闸后存在短暂的工频续流.但因为工频电弧的存在,系统出现三相不平衡现象,上述两种情况同样会对故障诊断造成干扰.

图13

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图13 实验2中的分闸电流波形

Fig.13 Switching current waveform in Experiment 2

在开关投切过程中,部分故障诊断判据会面临可靠性降低的问题.开关操作导致的暂态干扰与故障特征近似,是造成故障诊断误告警的主要原因.正确区分开关投切与故障事件的特征差异是优化故障诊断判据的关键,如采用小波包变换、神经网络模型、图像化处理等方法提取具有更大差异的特征进行故障判别.

5 结语

随着配电网结构演变和风力发电、光伏等新能源不断接入,电网需进行高频率的开关操作以调整运行方式和进行无功补偿等,现有故障诊断算法测试时较少考虑开关操作的干扰,现场故障误告警事件频发.为精确模拟开关投切暂态过程,提出一种配电网开关投切事件的建模方法,并给出模型的理论分析、搭建和仿真实验.将开关投切过程分为工频续流与高频暂态两个过程,并分别用Mayr模型与Helmer模型进行模拟.最后在PSCAD软件中进行了模型实现和仿真验证,所建立模型与实际开关操作的暂态波形特征近似,生成的开关操作数据可更好地进行故障诊断算法的可靠性测试;通过部分故障诊断算法的扰动实验证明了开关投切会导致故障特征突变,表明故障诊断算法开发与测试中,应考虑开关投切对故障判据的干扰.

参考文献

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被引期刊影响因子

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刘科研, 叶学顺, 李昭, 等.

基于多分辨率小波变换的配电网高阻接地故障检测方法

[J]. 高电压技术, 2023, 49(10): 4247-4256.