CN104332989B - 基于涡流驱动快速断路器的主动配电网电压骤降治理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于涡流驱动快速断路器的主动配电网电压骤降治理方法，属于电力***电能质量技术领域。本方法利用涡流驱动快速断路器可以快速完成敏感负荷点处的供电电源切换的性能，结合主动配电网中具备的分布式电源在电压骤降时向电源进线提供反向电流，并在供电电源切换过程中为敏感负荷点提供残压支撑的作用，实现了敏感负荷点处电压骤降的治理。本方法是一种低成本、可靠的电压骤降治理方法，在电力***中敏感负荷点处发生电压骤降时，可以通过本发明方法实现敏感负荷的不间断供电，减小敏感负荷用户由电压骤降引起的损失。

Description

基于涡流驱动快速断路器的主动配电网电压骤降治理方法

技术领域

本发明涉及一种基于涡流驱动快速断路器的主动配电网电压骤降治理方法，属于电力***电能质量技术领域。

背景技术

电力***中的电压骤降是供电***中某点的工频电压有效值突然下降至额定值的10％-90％，并在随后的10ms-1min的短暂持续期后恢复正常的过程,它是电力***电能质量技术领域研究的问题。对电力***中的电压骤降敏感的电力负荷称为敏感负荷。

在现代化的工业企业中，敏感负荷的比重日益提高，敏感负荷在电压骤降发生时可能会自动切除，一旦切除，恢复生产需要几个小时甚至几天的时间，由此会造成巨大的损失。

为了削弱电力***中的电压骤降对敏感负荷的影响，世界上从供电***和负荷侧两个方面已经分别提出过一些治理方法。供电***侧的治理方法包括增加网络裕度、使用固态开关改变网络拓扑、改善供电***周边环境等。负荷侧的治理方法包括使用防电压骤降的交流接触器、安装不间断电源(UPS)、安装储能装置及动态电压补偿器(DVR)、电机分批自启动等。

这些治理方法在削弱电压骤降对敏感负荷的影响上均可以起到一定的效果，但是也存在着一些缺点。例如，过多地增加网络裕度可能造成设备能源的浪费；使用电力电子技术的固态开关、DVR的造价过于昂贵；UPS不适用于大功率的敏感负荷；电机的分批自启动是在电压骤降已经影响到生产后，为了避免电机启动再次引起电压骤降，造成进一步损失，对于供电测的电压骤降无能为力。

主动配电网是具有分布式发电、储能、电动汽车和需求侧响应等电源负荷调控手段，能够针对电力***的实际运行状态，以经济性安全性为控制目标，自适应调节其网络、发电及负荷的配电网。研究先进的主动配电网技术，已成为了国内外科技发展及能源技术进步的战略目标。为达到这一战略目标，分布式电源在我国不断普及，采用分布式电源在电压骤降期间进行残压支撑的治理方法已经具有了一定的雏形，但是很多分布式电源本身采用了电力电子逆变器，若电压骤降的持续时间长、幅度大，则对这类分布式电源的低压穿越能力有着过高的要求。

若主动配电网中配备了快速开关，可以实现及时隔离故障电源，并将负荷切换到备用电源的功能，分布式电源进行残压支撑的时间就会得到缩短，对于分布式电源的低压穿越能力便会大大降低，对于不采用电力电子逆变器的柴油发电机一类的分布式电源的容量要求也会大大减小。涡流驱动快速断路器是一种采用电磁力驱动开关分合闸的快速开关，可以在10ms以内实现分闸操作，与采用了电力电子技术的固态开关有着可媲美的动作速度，并且在成本和可靠性方面也要优于固态开关。涡流驱动快速断路器目前一般应用于短路过电流的快速切断。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于涡流驱动快速断路器的主动配电网电压骤降治理方法，将涡流驱动快速断路器应用于电压骤降发生时的故障电源隔离和备用电源快速切换，以迅速隔离故障和向备用电源切换，减少分布式电源残压支撑的时间需求，从而减小分布式电源波动性对敏感负荷的潜在影响。

本发明提出的基于涡流驱动快速断路器的主动配电网电压骤降治理方法，包括以下步骤：

(1)在主动配电网的进线变压器和电源侧分段母线之间连接一个电源进线断路器，在电源侧分段母线和备用电源侧分段母线之间连接一个分段断路器，所述的电源进线断路器和分段断路器为涡流驱动快速断路器；

(2)设定电源进线流入电源侧分段母线的电流方向为正方向，主动配电网中的电流信号采集器检测电源进线上的电流相角主动配电网中的电压信号采集器检测敏感负荷点处的电压相角若则判定电源进线上的电流为正向电流，若则判定电源进线上的电流为反向电流；

(3)主动配电网中的电压信号采集器实时检测电源侧分段母线的电压，根据电源侧分段母线电压，计算电源侧分段母线电压的有效值U(k)，

其中，k为电压信号采集器检测到的电源侧分段母线处电压有效值的序列号，U(k)为电压信号采集器第k次检测到的电源侧分段母线的电压有效值，i为电压信号采集器采集到的电压瞬时值的序列号，u_i为电压信号采集器在第i次采集到的电压瞬时值，N为电压瞬时值的个数，N的取值一般为半个工频周期内电压信号采集器采集的电压瞬时值的个数；

(4)设定敏感负荷电压最低耐受值U_tol，对电源侧分段母线的电压进行判断，若U(k)小于U_tol，则判定电压信号采集器检测到的电源侧分段母线电压为较低，若U(k)大于或等于U_tol，则判定电压信号采集器没有检测到电源侧分段母线较低的电压；

(5)根据上述步骤(2)电源进线上的电流方向和步骤(4)电源侧分段母线电压的判定结果，若电源进线上的电流为反向电流，且电源侧分段母线电压为较低，则判定在主动配电网的电源侧分段母线处发生电压骤降，主动配电网中与所述的电源进线断路器相连的控制器向电源进线断路器发出断开指令，进行步骤(6)，若电源进线上的电流为反向电流，电源侧分段母线电压不为较低，则重复步骤(2)-步骤(4)，若电源进线上的电流为正向电流，且电源侧分段母线电压不为较低，则重复步骤(2)-步骤(4)，若电源侧分段母线电压为较低，且电源进线上的电流为正向电流，则判定电源侧分段母线处发生短路故障，主动配电网中与所述的电源进线断路器相连的控制器向电源进线断路器发出断开指令，进行步骤(6)；

(6)电源进线断路器接收到断开指令后的10毫秒内执行断开指令，并根据步骤(5)的判定结果，进行以下操作：若主动配电网的电源侧分段母线处发生电压骤降，则进行步骤(7)，若电源侧分段母线处发生短路故障，则对电源侧母线进行故障排查；

(7)在所述的电源进线断路器已经断开，而所述的分段断路器尚未合闸时，主动配电网的敏感负荷由主动配电网的分布式电源供电；

(8)对所述的分段断路器的合闸操作进行判断，具体过程如下：

(8-1)主动配电网的电压信号采集器采集电源进线断路器的断开瞬间时电源侧分段母线电压的初始相角φ₁，主动配电网的备用电源侧电压信号采集器采集备用电源侧分段母线电压的初始相角φ₂，计算初始相角差φ₀＝φ₂-φ₁，主动配电网中的电压信号采集器实时采集电源侧分段母线电压的频率f₁，主动配电网的备用电源侧电压信号采集器实时采集备用电源侧分段母线电压的频率f₂，计算频率差Δf＝f₂-f₁；

(8-2)采用下式，计算t时刻主动配电网中敏感负荷点处的电压与备用电源的电压的相角差Δφ：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\φ}\left(t\right)={\mathrm{\φ}}_0+\underset{0}{\overset{t}{\∫}}2\mathrm{\π}\mathrm{\Δ}fdt$

分别设定相角差整定值和频率差的整定值，对分段断路器的合闸操作进行判断，若相角差小于或等于相角差整定值，且频率差小于或等于频率差整定值，则判定分段断路器具备合闸条件，并执行步骤(9)，若相角差大于相角差整定值，且频率差小于或等于频率差整定值，则判定分段断路器不具备合闸条件，进行步骤(8-3)；若相角差大于相角差整定值，且频率差大于频率差整定值，则判定分段断路器不具备合闸条件，进行步骤(8-3)；若相角差小于或等于相角差整定值，且频率差大于频率差整定值，则判定分段断路器不具备合闸条件，进行步骤(8-3)；

(8-3)根据步骤(8-2)的计算公式，继续计算相角差Δφ，直到Δφ＝360°时，判定分段断路器具备合闸条件，进行步骤(9)；

(9)主动配电网中与分段断路器相连的所述的控制器向分段断路器发出合闸指令；

(10)当分段断路器合闸后，由主动配电网中的备用电源与分布式电源共同为敏感负荷供电。

本发明提出的基于涡流驱动快速断路器的主动配电网电压骤降治理方法，其优点是：本方法利用了快速涡流驱动技术的快速真空断路器，作为涡流驱动快速切换装置的核心组成部分，与传统的断路器相比，该断路器利用电磁力执行断路器的分合闸，具有更快的动作速度，可以在10ms以内完成分闸操作。采用快速涡流驱动技术的快速真空断路器通常用于短路大电流的切断，在本发明中安装在电源进线处，可以减少敏感负荷点处电压骤降的持续时间，减少电压骤降对敏感负荷正常工作的影响。利用主动配电网中具备的分布式电源可以实现在电压骤降发生时向快速切换装置的控制器提供反向电流信号，减少快速切换装置误动的可能。在进行故障电源向备用电源切换的过程中，敏感负荷点由分布式电源供电，使得敏感负荷点处仍能保持一定的电压值。本方法可以达到与采用电力电子设备方案相近的电压骤降治理效果，而且避免了电力电子设备的使用，是一种更加低成本、更加可靠的电压骤降治理方法。在电力***中敏感负荷点处发生电压骤降时，***可以通过本发明方法实现敏感负荷的不间断供电，减小敏感负荷用户由电压骤降引起的损失。

附图说明

图1是本发明提出的基于涡流驱动快速断路器的主动配电网电压骤降治理方法涉及的主动配电网双电源供电***的结构框图。

图2是本发明方法中使用的涡流驱动快速断路器的结构示意图。

图1和图2中，1是进线变压器，2是电源进线断路器，3为分段断路器，2和3均采用涡流驱动快速断路器，4是备用电源进线断路器，其型号由实际***决定，5是电源侧分段母线，6是备用电源侧分段母线，7是备用电源侧变压器，8是静触头，9是动触头，10是真空灭弧室。11是绝缘子，12是分闸线圈，13是涡流盘，14是合闸线圈，15是双稳机构，16是分闸检测开关，17是合闸检测开关，18是分闸储能电容，19是合闸储能电容，20是充电电源。

具体实施方式

本发明提出的基于涡流驱动快速断路器的主动配电网电压骤降治理方法，其涉及的主动配电网双电源供电***的结构框图如图1所示，包括以下步骤：

(1)在主动配电网的进线变压器1和电源侧分段母线5之间连接一个电源进线断路器2，在电源侧分段母线5和备用电源侧分段母线6之间连接一个分段断路器3，所述的电源进线断路器2和分段断路器3为涡流驱动快速断路器；

(2)设定电源进线流入电源侧分段母线5的电流方向为正方向，主动配电网中的电流信号采集器检测电源进线上的电流相角主动配电网中的电压信号采集器检测敏感负荷点处的电压相角若则判定电源进线上的电流为正向电流，若则判定电源进线上的电流为反向电流；

(3)主动配电网中的电压信号采集器实时检测电源侧分段母线的电压，根据电源侧分段母线电压，计算电源侧分段母线电压的有效值U(k)，

其中，k为电压信号采集器检测到的电源侧分段母线处电压有效值的序列号，U(k)为电压信号采集器第k次检测到的电源侧分段母线的电压有效值，i为电压信号采集器采集到的电压瞬时值的序列号，u_i为电压信号采集器在第i次采集到的电压瞬时值，N为电压瞬时值的个数，N的取值一般为半个工频周期内电压信号采集器采集的电压瞬时值的个数；

(4)设定敏感负荷电压最低耐受值U_tol，对电源侧分段母线的电压进行判断，若U(k)小于U_tol，则判定电压信号采集器检测到的电源侧分段母线电压为较低，若U(k)大于或等于U_tol，则判定电压信号采集器没有检测到电源侧分段母线较低的电压；

(5)根据上述步骤(2)电源进线上的电流方向和步骤(4)电源侧分段母线电压的判定结果，若电源进线上的电流为反向电流，且电源侧分段母线电压为较低，则判定在主动配电网的电源侧分段母线处发生电压骤降，主动配电网中与所述的电源进线断路器2相连的控制器向电源进线断路器发出断开指令，进行步骤(6)，若电源进线上的电流为反向电流，电源侧分段母线电压不为较低，则重复步骤(2)-步骤(4)，若电源进线上的电流为正向电流，且电源侧分段母线电压不为较低，则重复步骤(2)-步骤(4)，若电源侧分段母线电压为较低，且电源进线上的电流为正向电流，则判定电源侧分段母线处发生短路故障，主动配电网中与所述的电源进线断路器相连的控制器向电源进线断路器发出断开指令，进行步骤(6)；

(6)电源进线断路器接收到断开指令后的10毫秒内执行断开指令，在电源进线电流过零点时断开，并根据步骤(5)的判定结果，进行以下操作：若主动配电网的电源侧分段母线处发生电压骤降，则进行步骤(7)，若电源侧分段母线处发生短路故障，则对电源侧母线进行故障排查；

(7)在所述的电源进线断路器已经断开，而所述的分段断路器尚未合闸时，主动配电网的敏感负荷由主动配电网的分布式电源供电；

(8)对所述的分段断路器3的合闸操作进行判断，具体过程如下：

(8-1)主动配电网的电压信号采集器采集电源进线断路器的断开瞬间时电源侧分段母线5电压的初始相角φ₁，主动配电网的备用电源侧电压信号采集器采集备用电源侧分段母线6电压的初始相角φ₂，计算初始相角差φ₀＝φ₂-φ₁，主动配电网中的电压信号采集器实时采集电源侧分段母线电压的频率f₁，主动配电网的备用电源侧电压信号采集器实时采集备用电源侧分段母线电压的频率f₂，计算频率差Δf＝f₂-f₁；

(8-2)采用下式，计算t时刻主动配电网中敏感负荷点处的电压与备用电源的电压的相角差Δφ：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\φ}\left(t\right)={\mathrm{\φ}}_0+\underset{0}{\overset{t}{\∫}}2\mathrm{\π}\mathrm{\Δ}fdt$

分别设定相角差整定值和频率差的整定值，对分段断路器的合闸操作进行判断，若相角差小于或等于相角差整定值，且频率差小于或等于频率差整定值，则判定分段断路器具备合闸条件，并执行步骤(9)，相角差的整定值一般为10度，频率差的整定值一般为1Hz；若相角差大于相角差整定值，且频率差小于或等于频率差整定值，则判定分段断路器不具备合闸条件，进行步骤(8-3)；若相角差大于相角差整定值，且频率差大于频率差整定值，则判定分段断路器不具备合闸条件，进行步骤(8-3)；若相角差小于或等于相角差整定值，且频率差大于频率差整定值，则判定分段断路器不具备合闸条件，进行步骤(8-3)；

(8-3)根据步骤(8-2)的计算公式，继续计算相角差Δφ，直到Δφ＝360°时，判定分段断路器具备合闸条件，进行步骤(9)；

(9)主动配电网中与分段断路器相连的所述的控制器向分段断路器发出合闸指令；

(10)当分段断路器合闸后，由主动配电网中的备用电源与分布式电源共同为敏感负荷供电。

本发明方法中，将电力***中的电压骤降敏感的电力负荷称为敏感负荷。对于主动配电网中采用双电源供电的敏感负荷点，将其电源进线断路器和分段断路器替换为已有的涡流驱动快速断路器；在敏感负荷点处没有发生电压骤降的状态下，电源进线断路器保持闭合，分段断路器保持断开。本发明方法中使用的涡流驱动快速断路器，其动触头的推动力采用的是冲击大电流产生的电磁力，而不是一般断路器采用的机械力，因此可以实现断路器的快速分闸和快速分闸，在市场上已经有成熟产品。

本发明方法中使用的涡流驱动快速短路器，其结构如图2所示，其中，8是静触头，9是动触头，10是真空灭弧室。11是绝缘子，12是分闸线圈，13是涡流盘，14是合闸线圈，15是双稳机构，16是分闸检测开关，17是合闸检测开关，18是分闸储能电容，19是合闸储能电容，20是充电电源。其基本工作原理为：

(1-1)涡流驱动快速断路器在静止的情况下，分闸检测开关、合闸检测开关均断开，分闸线圈12和合闸线圈14均无电流流过，充电电源向分闸储能电容18和合闸储能电容19充电，使得分闸电容和合闸电容具有与充电电源相同的端电压；

(1-2)涡流驱动快速断路器实现分闸的方式为：分闸检测开关16接收到来自主动配电网中与所述的电源进线断路器相连的控制器的分闸信号，在断路器中的正弦电流过零点时闭合，分闸储能电容18与分闸线圈12构成闭合回路，分闸储能电容18向分闸线圈12充电，分闸线圈上的充电电流产生感应磁场，感应磁场在涡流盘上感应出与分闸线圈上的电流同向的感应电流，该感应电流受到分闸线圈的充电电流的感应磁场的作用，在涡流盘上产生一个向下的作用力，涡流盘受到该作用力向下运动，电弧室中的动触头9向下运动，动触头9与静触头8间的距离增加，动触头9与静触头8间的电弧熄灭，实现分闸；

(1-3)涡流驱动快速断路器实现合闸的方式为：合闸检测开关17接收到来自主动配电网中与所述的备用电源进线断路器相连的控制器的合闸信号闭合。合闸储能电容与合闸线圈构成闭合回路，合闸储能电容向合闸线圈充电，合闸线圈上的充电电流产生感应磁场，感应磁场在涡流盘上感应出与合闸线圈上的电流同向的感应电流，该感应电流受到合闸线圈的充电电流的感应磁场的作用，在涡流盘上产生一个向上的作用力，涡流盘受到该作用力向上运动，电弧室中的动触头向上运动，动触头与静触头间发生接触，实现合闸；

本发明方法中涉及的变压器，为10kV/0.4kV。

Claims (1)

1.一种基于涡流驱动快速断路器的主动配电网电压骤降治理方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)在主动配电网的进线变压器和电源侧分段母线之间连接一个电源进线断路器，在电源侧分段母线和备用电源侧分段母线之间连接一个分段断路器，所述的电源进线断路器和分段断路器为涡流驱动快速断路器；

(2)设定电源进线流入电源侧分段母线的电流方向为正方向，主动配电网中的电流信号采集器检测电源进线上的电流相角主动配电网中的电压信号采集器检测敏感负荷点处的电压相角若则判定电源进线上的电流为正向电流，若则判定电源进线上的电流为反向电流；

(3)主动配电网中的电压信号采集器实时检测电源侧分段母线的电压，根据电源侧分段母线电压，计算电源侧分段母线电压的有效值U(k)，

其中，k为电压信号采集器检测到的电源侧分段母线处电压有效值的序列号，U(k)为电压信号采集器第k次检测到的电源侧分段母线的电压有效值，i为电压信号采集器采集到的电压瞬时值的序列号，u_i为电压信号采集器在第i次采集到的电压瞬时值，N为电压瞬时值的个数；

(4)设定敏感负荷电压最低耐受值U_tol，对电源侧分段母线的电压进行判断，若U(k)小于U_tol，则判定电压信号采集器检测到的电源侧分段母线电压为较低，若U(k)大于或等于U_tol，则判定电压信号采集器没有检测到电源侧分段母线较低的电压；

(5)根据上述步骤(2)电源进线上的电流方向和步骤(4)电源侧分段母线电压的判定结果，若电源进线上的电流为反向电流，且电源侧分段母线电压为较低，则判定在主动配电网的电源侧分段母线处发生电压骤降，主动配电网中与所述的电源进线断路器相连的控制器向电源进线断路器发出断开指令，进行步骤(6)，若电源进线上的电流为反向电流，电源侧分段母线电压不为较低，则重复步骤(2)-步骤(4)，若电源进线上的电流为正向电流，且电源侧分段母线电压不为较低，则重复步骤(2)-步骤(4)，若电源侧分段母线电压为较低，且电源进线上的电流为正向电流，则判定电源侧分段母线处发生短路故障，主动配电网中与所述的电源进线断路器相连的控制器向电源进线断路器发出断开指令，进行步骤(6)；

(6)电源进线断路器接收到断开指令后的10毫秒内执行断开指令，并根据步骤(5)的判定结果，进行以下操作：若主动配电网的电源侧分段母线处发生电压骤降，则进行步骤(7)，若电源侧分段母线处发生短路故障，则对电源侧母线进行故障排查；

(7)在所述的电源进线断路器已经断开，而所述的分段断路器尚未合闸时，主动配电网的敏感负荷由主动配电网的分布式电源供电；

(8)对所述的分段断路器的合闸操作进行判断，具体过程如下：

(8-1)主动配电网的电压信号采集器采集电源进线断路器的断开瞬间时电源侧分段母线电压的初始相角φ₁，主动配电网的备用电源侧电压信号采集器采集备用电源侧分段母线电压的初始相角φ₂，计算初始相角差φ₀＝φ₂-φ₁，主动配电网中的电压信号采集器实时采集电源侧分段母线电压的频率f₁，主动配电网的备用电源侧电压信号采集器实时采集备用电源侧分段母线电压的频率f₂，计算频率差Δf＝f₂-f₁；

(8-2)采用下式，计算t时刻主动配电网中敏感负荷点处的电压与备用电源的电压的相角差Δφ：

$\mathrm{\Δ\φ}\left(t\right)={\mathrm{\φ}}_0+\underset{0}{\overset{t}{\∫}}2\mathrm{\π\Δfdt}$

分别设定相角差整定值和频率差的整定值，对分段断路器的合闸操作进行判断，若相角差小于或等于相角差整定值，且频率差小于或等于频率差整定值，则判定分段断路器具备合闸条件，并执行步骤(9)，若相角差大于相角差整定值，且频率差小于或等于频率差整定值，则判定分段断路器不具备合闸条件，进行步骤(8-3)；若相角差大于相角差整定值，且频率差大于频率差整定值，则判定分段断路器不具备合闸条件，进行步骤(8-3)；若相角差小于或等于相角差整定值，且频率差大于频率差整定值，则判定分段断路器不具备合闸条件，进行步骤(8-3)；

(8-3)根据步骤(8-2)的计算公式，继续计算相角差Δφ，直到Δφ＝360°时，判定分段断路器具备合闸条件，进行步骤(9)；

(9)主动配电网中与分段断路器相连的所述的控制器向分段断路器发出合闸指令；

(10)当分段断路器合闸后，由主动配电网中的备用电源与分布式电源共同为敏感负荷供电。