一种快速开关型限流器与断路器的参数优化方法技术

本发明专利技术属于限流器与断路器领域，涉及一种快速开关型限流器与断路器的参数优化方法，利用基于快速开关型限流器的断路器开断特性分析模型，得到包括限流电感、断口均压电容、限流器对地电容、断路器对地电容的多个参数与包括瞬态恢复电压峰值、瞬态恢复电压峰值时间、瞬态恢复电压第一参考电压、瞬态恢复电压首峰值时间、限流器开关数量和限流深度的多个标准要求之间的数学模型，建立快速开关型限流器与断路器的参数优化模型，采用遗传算法对模型的参数进行优化。本发明专利技术的参数优化方法，不仅可以解决限流器断口的过压问题，还可确保断路器可靠开断，有效地解决限流器与断路器的匹配问题。

A Parameter Optimization Method for Fast Switching Current Limiter and Circuit Breaker

The invention belongs to the field of current limiter and circuit breaker, and relates to a parameter optimization method of fast switching current limiter and circuit breaker. By using the breaking characteristic analysis model of circuit breaker based on fast switching current limiter, several parameters including current limiting inductance, voltage equalizing capacitance at break, current limiting capacitance to ground, and circuit breaker capacitance to ground, as well as the peak value of transient recovery voltage and transient recovery capacitance, are obtained. Mathematical models of peak voltage time, first reference voltage of transient recovery voltage, first peak time of transient recovery voltage, number of current limiters and current limiting depth are established. The parameters of the model are optimized by genetic algorithm. The parameter optimization method of the invention can not only solve the overvoltage problem of the fault of the current limiter, but also ensure the reliable interruption of the circuit breaker and effectively solve the matching problem between the current limiter and the circuit breaker.

【技术实现步骤摘要】
一种快速开关型限流器与断路器的参数优化方法
本专利技术属于限流器与断路器领域，涉及一种快速开关型限流器与断路器的参数优化方法。
技术介绍
随着超高压电网的规模不断扩大，限流深度不断攀升，断路器开断能力不足的隐患凸显，严重威胁电网的安全稳定运行。国内外研制的故障限流器结构拓扑各异、种类繁多，主要包括超导型、电力电子型、串联谐振型和快速开关型故障限流器。由于超导型限流器造价高、失超恢复速度慢，电力电子型限流器价格昂贵且稳态功耗和发热严重，串联谐振型限流器控制复杂且装置的电容器、电抗器存在过电压问题，基于常规元器件、结构更简单的快速开关型限流器受到多方关注，是当前故障限流技术的研究热点之一。该限流器可以在故障下快速限制短路电流，有利于提高断路器的开断能力，且具有成本低，正常运行微损耗的特点。为了在超高压电网中应用快速开关型限流器，需要解决快速开关型限流器与断路器的匹配问题，从而确保断路器可靠开断。众所周知，快速开关型限流器与断路器的匹配主要关注以下四方面：1)防止断路器的瞬态恢复电压过高。快速开关型限流器的引入改变了电网参数，从而导致断路器的瞬态恢复电压波形发生变化，可能导致断路器的开断条件更为苛刻。根据IEC62271-100和GB-1984-2014《交流高压断路器》，为了确保高压断路器(126kV及以上)可靠开断，应关注瞬态恢复电压峰值、瞬态恢复电压峰值时间、瞬态恢复电压第一参考电压和瞬态恢复电压首峰值时间及瞬态恢复电压上升率。这些方面由限流电感、断口均压电容、限流器对地电容和断路器对地电容等参数共同决定。2)防止限流器承受电压过高。由于限流器快速开关耐受电压有限，当限流器承受电压过高，开关将被击穿，导致限流器无法投入工作。限流器承受电压与短路电流和限流电感有关。目前单断口限流器在高压电网中受开关的耐压能力限制，限流效果并不理想。多断口限流器有效地解决了这一难题，然而增加开关数量，相应成本也会增加，故需要合理制定开关数量。3)确保短路电流限制到断路器额定开断电流之下，短路电流的大小主要取决于限流电感和线路参数。4)考虑不同的故障距离。限流器出口处故障并非断路器开断最为困难的故障点。与限流器出口处故障相比，由于受到线路分布电容的影响，近区故障下的断路器瞬态恢复电压可能更高，从而导致断路器开断更为困难，故需要确保限流器与断路器在不同故障距离下可以成功匹配。因此，为了满足快速开关型限流器与断路器匹配要求，需要对限流电感、断口均压电容、限流器对地电容、断路器对地电容等参数进行调整，并在不同故障距离下满足瞬态恢复电压峰值、瞬态恢复电压峰值时间、瞬态恢复电压第一参考电压、瞬态恢复电压首峰值时间、限流器开关数量和限流深度等标准要求。现有的匹配方法多采用试错法，需根据经验重复多组试验，且参数对标准要求的影响各不相同，配合过程中相互制约，难以获得最佳的参数组合。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供一种快速开关型限流器与断路器的参数优化方法，该方法利用基于快速开关型限流器的断路器开断特性分析模型，得到包括限流电感、断口均压电容、限流器对地电容、断路器对地电容的多个参数与包括瞬态恢复电压峰值、瞬态恢复电压峰值时间、瞬态恢复电压第一参考电压、瞬态恢复电压首峰值时间、限流器开关数量和限流深度的多个标准要求之间的数学模型，以包括瞬态恢复电压峰值、瞬态恢复电压峰值时间、瞬态恢复电压第一参考电压、瞬态恢复电压首峰值时间、限流器开关数量和限流深度的多个标准要求的冗余度作为目标函数，建立快速开关型限流器与断路器的参数优化模型，采用遗传算法对模型的参数进行优化。本专利技术的参数优化方法，不仅可以解决限流器断口的过压问题，还可确保断路器可靠开断，有效地解决限流器与断路器的匹配问题。本专利技术采用以下技术方案实现：一种快速开关型限流器与断路器的参数优化方法，包括以下步骤：S1、建立基于快速开关型限流器的断路器开断特性分析模型；S2、根据不同故障距离，建立包括限流电感、断口均压电容、限流器对地电容、断路器对地电容的多个参数与包括瞬态恢复电压峰值、瞬态恢复电压峰值时间、瞬态恢复电压第一参考电压、瞬态恢复电压首峰值时间、限流器开关数量和限流深度等多个标准要求之间的数学模型；S3、以包括瞬态恢复电压峰值、瞬态恢复电压峰值时间、瞬态恢复电压第一参考电压、瞬态恢复电压首峰值时间、限流器开关数量和限流深度等多个标准要求的冗余度作为目标函数，建立快速开关型限流器与断路器的参数优化模型；S4、采用遗传算法对快速开关型限流器与断路器的参数优化模型进行优化。进一步地，基于快速开关型限流器的断路器开断特性分析模型为含有快速开关型限流器与断路器的等效电路中各变量之间的数学关联模型。该模型描述了不同故障发生后的振荡机理，包含限流器出口发生接地故障与线路上发生近区接地故障两种情景。设节点i的电压幅值为Ui，发电机出口等效电感为Li，由于发电机出口处电阻通常较小，故忽略不计。设快速开关型限流器开关数量为N，限流电感为NLFCL，断口均压电容CBf/N，发电机电角频率为ω。情景1：限流器出口发生接地故障当限流器出口发生接地故障后，快速开关型限流器投入工作。则短路电流为：设断路器额定开断电流为IBRK，则限流深度为：由此可以得到断路器线路侧B点电压的幅值：设限流器快速开关的耐受电压为Udk，则为了防止被击穿，限流器开关数量应为：由于故障时刻t＝0+时电弧还未熄灭，断路器是闭合的，断路器两端电压相等，有UAm＝UBm。设断路器开断时，电源电压相位对于由发电机出口阻抗、断路器对地电容构成的电源侧回路，有：由此，可求得断路器两端电压分别为：其中，由此可得，当限流器出口处发生接地故障，瞬态恢复电压的数学模型为：其中，X＝[CBRK,CFCL,LFCL,CBf]T，(X)表示限流器与断路器的参数与变量之间存在映射关系。根据三角函数变换公式，可将瞬态恢复电压的数学模型化简为：其中：情景2：线路上发生近区接地故障当线路上发生近区接地故障(又称近区故障)，设单位长度的线路电感为Lline，单位长度的线路对地电容为Cline，故障距离s>0，其他参数与限流器出口处故障相同，则短路电流为：当t＝0+时，电弧还未熄灭，断路器两端电压相等，有由于线路电感和电容沿线路均匀分布，所以电弧熄灭后，线路对地电容的电压以锯齿波的形式沿线路传输。该锯齿波的峰值为周期为假定锯齿波uC从最低点上升到峰值需要1/2个周期，可得锯齿波uC的表达式为：其中，表示某时刻包含的周期数。由此可知，当线路上发生近区接地故障时，在一个周期内，瞬态恢复电压的数学模型为：TRV(s)(X)＝αcosωt-βcosω1t-(α-β-UCm)cosω2t-uC其中，进一步地，步骤S2包括：①建立瞬态恢复电压首峰值时间的数学模型；②建立瞬态恢复电压第一参考电压的数学模型；③求取瞬态恢复电压峰值、瞬态恢复电压峰值时间的数值解；④建立限流器开关数量的数学模型；⑤建立限流深度的数学模型。进一步地，步骤S3包括：S31、确定优化变量；根据基于快速开关型限流器的断路器开断特性分析模型，需要选取的参数有断路器电源侧对地电容CBRK，限流器电源侧对地电容CFCL，限流电感LFCL和断口均压电容CBf。故待优化的设计变量为：X＝[CBRK,CF本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种快速开关型限流器与断路器的参数优化方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、建立基于快速开关型限流器的断路器开断特性分析模型；S2、根据不同故障距离，建立包括限流电感、断口均压电容、限流器对地电容、断路器对地电容的多个参数与包括瞬态恢复电压峰值、瞬态恢复电压峰值时间、瞬态恢复电压第一参考电压、瞬态恢复电压首峰值时间、限流器开关数量和限流深度的多个标准要求之间的数学模型；S3、以包括瞬态恢复电压峰值、瞬态恢复电压峰值时间、瞬态恢复电压第一参考电压、瞬态恢复电压首峰值时间、限流器开关数量和限流深度的多个标准要求的冗余度作为目标函数，建立快速开关型限流器与断路器的参数优化模型；S4、采用遗传算法对快速开关型限流器与断路器的参数优化模型进行优化。

【技术特征摘要】
1.一种快速开关型限流器与断路器的参数优化方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、建立基于快速开关型限流器的断路器开断特性分析模型；S2、根据不同故障距离，建立包括限流电感、断口均压电容、限流器对地电容、断路器对地电容的多个参数与包括瞬态恢复电压峰值、瞬态恢复电压峰值时间、瞬态恢复电压第一参考电压、瞬态恢复电压首峰值时间、限流器开关数量和限流深度的多个标准要求之间的数学模型；S3、以包括瞬态恢复电压峰值、瞬态恢复电压峰值时间、瞬态恢复电压第一参考电压、瞬态恢复电压首峰值时间、限流器开关数量和限流深度的多个标准要求的冗余度作为目标函数，建立快速开关型限流器与断路器的参数优化模型；S4、采用遗传算法对快速开关型限流器与断路器的参数优化模型进行优化。2.根据权利要求1所述的参数优化方法，其特征在于，基于快速开关型限流器的断路器开断特性分析模型描述了不同故障发生后的振荡机理，包含限流器出口发生接地故障与线路上发生近区接地故障两种情景。3.根据权利要求2所述的参数优化方法，其特征在于，设节点i的电压幅值为Ui，发电机出口等效电感为Li，快速开关型限流器开关数量为N，限流电感为NLFCL，断口均压电容CBf/N，发电机电角频率为ω；当限流器出口发生接地故障后，快速开关型限流器投入工作，短路电流为：设断路器额定开断电流为IBRK，则限流深度为：由此可以得到断路器线路侧B点电压的幅值：设限流器快速开关的耐受电压为Udk，则为了防止被击穿，限流器开关数量应为：由于故障时刻t＝0+时电弧还未熄灭，断路器是闭合的，断路器两端电压相等，有UAm＝UBm；设断路器开断时，电源电压相位对于由发电机出口阻抗、断路器对地电容构成的电源侧回路，有：由此，可求得断路器两端电压分别为：其中，由此可得，当限流器出口处发生接地故障，瞬态恢复电压的数学模型为：其中，X＝[CBRK,CFCL,LFCL,CBf]T，(X)表示限流器与断路器的参数与变量之间存在映射关系；根据三角函数变换公式，可将瞬态恢复电压的数学模型化简为：其中：4.根据权利要求2所述的参数优化方法，其特征在于，设节点i的电压幅值为Ui，发电机出口等效电感为Li，快速开关型限流器开关数量为N，限流电感为NLFCL，断口均压电容CBf/N，发电机电角频率为ω；当线路上发生近区接地故障，设单位长度的线路电感为Lline，单位长度的线路对地电容为Cline，故障距离s>0，其他参数与限流器出口处故障相同，则短路电流为：当t＝0+时，电弧还未熄灭，断路器两端电压相等，有由于线路电感和电容沿线路均匀分布，所以电弧熄灭后，线路对地电容的电压以锯齿波的形式沿线路传输，该锯齿波的峰值为周期为假定锯齿波uC从最低点上升到峰值需要1/2个周期，可得锯齿波uC的表达式为：其中，表示某时刻包含的周期数；由此可知，当线路上发生近区接地故障时，在一个周期内,瞬态恢复电压的数学模型为：TRV(s)(X)＝αcosωt-βcosω1t-(α-β-UCm)cosω2t-uC其中，5.根据权利要求2-4中任一项所述的参数优化方法，其特征在于，步骤S2包括：建立瞬态恢复电压首峰值时间的...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁远升，王钢，陈鑫全，李海锋，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44