配电网物理仿真系统柔性故障发生装置

林奥林 郭谋发 高 伟 黄建业

（1. 福州大学电气工程与自动化学院，福州 350108;2. 国网福建省电力有限公司电力科学研究院，福州 350007）

配电网物理仿真系统柔性故障发生装置

林奥林1郭谋发1高 伟1黄建业2

（1. 福州大学电气工程与自动化学院，福州 350108;2. 国网福建省电力有限公司电力科学研究院，福州 350007）

为解决配电网物理仿真系统故障发生装置存在机械触头弹跳和故障初相角不可控的不足，本文提出了基于柔性控制的故障发生装置设计思路。该装置经过零比较器检测物理仿真系统线电压相角，通过控制晶闸管开通时刻实现故障初相角的精确控制。利用晶闸管微秒级导通速度以及良好的动态性能，改善装置故障初相角控制精度并提高其模拟故障与实际故障的暂态拟合效果。配电网物理仿真系统的实物验证结果与PSCAD/EMTDC的等效仿真分析表明，该装置能够较好地保留故障发生过程的暂态特性，且具备较高的初相角控制精度。

配电网；物理仿真；柔性控制；故障发生；故障初相角

配电网物理仿真系统是根据相似性原理建立的等效仿真模型，能够反映配电网在故障时真实的物理特性[1-2]。故障模拟实验可采集并分析配电网故障时的暂态信号，有助于认识配电网故障暂态特性，故障发生装置是该实验的主要设备之一。

传统配电网物理仿真系统的故障发生装置一般采用接触器或者断路器作为动作开关用于故障生成。常见机械开关动作离散时间为1ms左右，对应于50Hz交流电压角度误差约为18°，不能实现故障初相角的精确控制[3]。此外，接触器和断路器均属于机械开关，合闸过程难免产生触头弹跳引起较大的尖峰电流[4]，特别在模拟单相接地故障时，故障电流较小，尖峰电流对暂态特性的影响更加明显，无法真实地再现故障波形的暂态过程。

对于中性点非有效接地的配电网而言，发生单相接地故障瞬间，流过故障点短路电流的幅值和频率主要由暂态电容电流决定。故障发生在相电压过零（ϕ =0）时，暂态电容电流最小。而故障发生在相电压峰值（ϕ =π/2）时，暂态电容电流最大[5-7]。由以上分析可知，不同故障初相角对应不同暂态波形，为更好地对接地短路故障进行研究，要求设计的故障发生装置具备故障初相角可控的功能，故需要进一步提高动作开关的时间控制精度[8-9]。

本文提出一套基于晶闸管的柔性故障发生装置的设计思路，使用电力电子器件作为动作开关，将动作离散时间降低到微秒级，从而实现故障初相角的准确控制。同时晶闸管动态特性良好，导通过程无机械开关触头弹跳现象所引起的尖峰电流[10-11]，提高模拟故障暂态过程与实际故障暂态过程相似度。

研究柔性故障发生装置的硬件实现及其控制策略，在已搭建的配电网物理仿真系统中进行故障生成实验。对物理仿真与PSCAD/EMTDC软件仿真结果进行比较分析，验证该装置能较好地模拟短路故障的暂态过程。

1 系统设计

柔性故障发生装置适用于1kV以下电压等级配电网物理仿真系统，其控制模块及基本结构如图 1所示。接入方式为串联或并联于一次侧的母线或者线路单元中。

图1 系统框图

装置一次侧晶闸管组拓扑如图 2所示。SCRx代表晶闸管，正常工作状态为SCR1至SCR3闭合，SCR4至SCR11断开。通过控制晶闸管的驱动信号模拟母线或线路各类故障的发生，主要包括单相接地、两相短路、三相短路、断线等。同时在接地点前设置拉弧装置，模拟弧光接地故障的发生。

2 硬件设计

2.1 主电路设计

柔性故障发生装置主要由MCU、电压过零比较器、驱动电路、双向晶闸管及拉弧装置组成。

图2 柔性故障发生装置一次侧晶闸管组拓扑图

该装置通过以太网模块接收故障实验指令，根据通信协议对命令进行解析，获取故障类型和故障初相角。解析故障命令完成后，开启 MCU引脚的外部中断，经过零比较器检测电压零相角时刻，考虑其滤波电路的相角滞后因素，引入一定量的时间修正，并将特定的故障初相角换算为定时器装载值。计时完成后发驱动信号，控制相应的双向晶闸管导通，实现柔性故障生成。

故障发生装置作为故障的控制器件，要求控制开关即双向晶闸管在故障电流下能够稳定工作，则晶闸管参数选择尤为重要，双向晶闸管通常用在交流回路，其额定电流不同于一般电力电子器件通常以有效值表示。晶闸管通流能力越大其成本越高，为节约成本，三相短路及两相短路仅在首端进行，而末端SCR7至SCR9配合SCR1至SCR3实现首端断线末端接地的故障类型，模拟实际配电网架空线路断线后末端垂入大地的情况。

根据配电网物理仿真系统的模型计算，得到系统最大三相短路电流，两相接地最大短路电流，单相接地最大短路电流，最大负荷电流，为了提高故障发生装置的运行稳定性，选择晶闸管参数时考虑一定的裕量，可参考如下：

2.2 控制开关选择

常用的电力电子器件主要包括晶闸管、电力场效应晶体管（电力MOSFET）和绝缘栅双极晶体管（IGBT）。电力场效应晶体管控制简单、体积小，但存在通流能力较弱的缺点。通过对配电网物理仿真系统的参数计算，为了能实现母线三相短路，要求所选择电力电子开关最大过载电流超过500A，常用的MOSFET管很难达到要求。由于IGBT寄生反向二极管的存在，导致其反向导通不可控，故交流回路控制时一般不做考虑。

排除以上两种电力电子开关，双向晶闸管是反并联晶闸管的集成，具有耐压高、通流能力强、结构简单等优点，双向晶闸管相比于反并联晶闸管而言驱动电路简化。其动态特性良好以及微秒级响应时间误差，能够精确的控制故障初相角替代断路器或接触器作为故障发生装置的动作开关[12-14]。

2.3 驱动电路

研究发现，接地故障后在系统中故障电流将会产生1～3kHz频率的振荡，对于传统脉冲驱动晶闸管的方式来说，高频的振荡波形会使晶闸管导通后在电流过零点处迅速关断，不能模拟持续一段时间的短路故障。本文采用持续在晶闸管基极注入恒定驱动电流的方式保持晶闸管的导通，达到维持故障状态的目的。

驱动电路拓扑如图3所示，双向晶闸管开关工作状态取决于驱动信号。模拟短路故障时，系统对双向晶闸管导通延时、开通阳极电流上升率的要求较为苛刻，必须提供合适的驱动信号。TIP122为达灵顿结构具有很高的放大系数，保证驱动信号的陡度，较高的驱动信号陡度可以有效加快晶闸管导通过程，提高相角控制精度。

图3 驱动电路

2.4 电压过零比较器

电压过零比较器电路拓扑如图4所示，采集物理仿真系统线电压通过电压互感器降压，输入运算发大器构成的过零比较电路，输出侧由光耦隔离接入MCU。经过互感器与光耦的两级隔离，保护单片机引脚不受高压侧电磁干扰，保证其对逻辑电平的准确判断。虽然低通滤波电路能够有效过滤采样波形中高次谐波，但不可避免地引入了滞后因素。根据低通滤波器的相频特性公式：

式中，ωc=1/RC。

图4 电压过零比较电路

已知滤波器参数及式（5）可得滞后相角，控制驱动信号实现特定初相角故障时需要考虑该延时时间。

2.5 拉弧装置

拉弧装置以 MCU控制伺服电动机带动两个极板实现尖端放电。由于采用脉冲控制，可以精确调节极板位移。如图5所示，高清摄像头用于捕捉放电图像，对放电过程进行全方位、多角度记录。

图5 拉弧装置

3 控制策略

3.1 软件流程

装置软件流程如图6所示，主要由SPI通信控制程序、上位机指令解析程序、电压相角读取及故障初相角控制程序三部分组成。

首先对以太网模块和定时器模块初始化。初始化完成后，将以太网模块的地址和端口绑定，同时设置为监听模式，监听上位机的连接请求。在上位机连接上故障模块后，对接收数据校验并分析命令码，从控制指令中提取故障类型与故障初相角。通过电压过零比较器采集的电压信号求得电压相角，计算延时时间并控制内部定时器精确发出驱动信号，达到控制故障初相角的目的。同时通过不同的命令码，实现接地电阻控制以及故障时间设置。

图6 装置软件流程图

3.2 故障发生的相角的控制算法

物理仿真系统线电压通过电压互感器降压后经过零比较器，将输入正弦波转化为方波。其输出接入 MCU单片机外部中断引脚，通过上升沿时刻即可确定电压过零点时间。采样电路在实际系统中不可避免地存在相角滞后现象，针对以下几个可能引起相角滞后现象的典型情况进行分析：

计算年回淤量时，模型通过计算一个全潮过程（小潮-大潮-小潮）的回淤量，再根据一年的全潮过程数得到一年的回淤量。

1）Uab线电压超前 Ua相电压 30°，则引入固定滞后相角θγ=30°。

2）过零比较器前端低通滤波电路产生的滞后相角θϕ，由上述式（5）可得。

3）过零比较器中光电耦合器产生的滞后相角θε。

4）MCU内部时钟、计算的舍入误差以及其他因素引入的滞后相角θζ。

由于θε与θζ的滞后相角极低，因此可以认为其对相角控制系统不产生影响。常规低通滤波电路相角滞后θϕ＞60°甚至更高，因此主要的相角差来自θϕ。考虑到 MCU不能预知上升沿来临时刻，不能提前发出驱动指令，该种相角滞后现象使得故障初相角在 0～(θϕ-θγ)之间不可控，即存在相角控制死区，不满足实验需求。装置通过控制过零比较器上升沿中断时刻的下一个电压周期内对应初相角故障的方式，避免相角滞后所带来的控制死区现象。设故障初相角为θα，如图 7所示。按照以下几个步骤确定不同相角要求下定时器的装载值 L（晶振频率为 fosc）：

1）50Hz工频信号，单位相角对应延时时间为

3）计算延时触发角度为

4）θβ换算成MCU计数器装载值为

结合上述计算，在 MCU进入上升沿中断后起动定时器，其预分频比设为 p，根据上位机设置故障初相角，计算定时器装载值 L，通过高精度的定时器准确控制驱动信号。

图7 滞后相角与故障初相角关系示意图

4 软件仿真与物理仿真验证

为验证提出的配电网故障发生柔性控制的可行性，搭建配电网物理仿真系统，拓扑结构如图8所示。根据相似性原理，构建 0.4kV系统模拟 10kV系统的配电网模型。主变参数通过标幺值等效方法将原型S(F)11系列的110kV/10kV，20MVA三相电力变压器等效为0.4kV/0.4kV，30kVA变压器。线路模型采用π形等值方式，物理参数见表1，其阻抗与10kV实际线路阻抗相同，即阻抗模拟比为1。主变T为Y0/Δ-11接线，变压器中性点自Z型变引出可选择不接地、经消弧线圈过补偿接地或经高阻接地。

图8 配电网物理仿真系统拓扑图

表1 线路物理参数

4.1 相角误差

相角控制精度是实现精确柔性故障发生的关键，实际故障初相角计算方法如图9所示。结合物理仿真故障录波结果，为排除系统噪声影响，通过观察实验数据以A相电压超过其峰值电压的4%记为相角0°，同时以零序电压超过其峰值电压的4%记为故障发生时刻，计算实际故障初相角的近似值θδ。设装置目标故障初相角为θs，则相角控制误差为|θδ-θs|。

图9 实际故障初相角计算方法示意图

以 K1故障点发生不同故障初相角下的单相金属性接地故障为例，计算目标故障初相角与实际故障初相角的误差考察相角控制精度。目标故障初相角从0～180°，每隔15°为一组，均分为13组。每组进行10次实验，通过上述方法计算实际故障初相角并取平均值，其结果与误差见表 2。误差主要由实际故障初相角计算方法误差(|θε-θζ|)与装置本身的控制误差两部分组成。实验结果表明，其相角控制最大误差为5.4°，即该控制策略能够较为精确地控制故障初相角。

表2 实际故障初相角测量结果及误差

4.2 故障实验

故障发生柔性控制思路的可行性需通过物理仿真与软件仿真对比进一步验证。搭建 PSCAD/EMTDC等效仿真模型，其参数与图 8物理仿真系统一致。

弧光接地实验仿真结果对比如图10所示，为系统中性点经高阻接地，故障点 K1弧光接地的实验仿真波形。仿真电弧模型采用控制论模型，电弧电导G的表达式为

式中，C 为常数，取 5×10-5；时间常数τ =β ×Ic/Lc，峰值电流Ic取14kA，弧长Lc取150cm，系数β 取经验值2.85×10-5；弧柱稳态场强vp取经验值15V/cm。

弧光接地故障电弧电流及电压波形均发生不同程度的畸变。图 10（a）中电弧电流波形，每个工频周期下存在2次明显的“零休”现象。同时，图10（b）中电弧电压在电流“零休”期间急剧变化，呈现马鞍形，并具有明显的燃弧电压和熄弧电压。对比仿真结果，模拟弧光接地实验波形与控制论模型下电弧的特征一致，基本满足实际电弧特性[15-19]。

图10 弧光接地仿真验证波形

中性点不接地，K2故障点进行不同相角的单相金属性接地故障实验如图11与图12所示。当故障相在电压零值（ϕ =0）接地时，暂态电容电流的自由分量达到最小值。反之，故障相在电压峰值（ϕ =π/2）接地时，暂态电容电流的自由振荡分量将有最大值，高频振荡现象最为明显。其生成故障暂态现象和仿真结果基本一致，可以很好地模拟故障的暂态过程。

图11 A相金属性接地故障仿真验证波形（ϕ =0）

图12 A相金属性接地故障仿真验证波形（ϕ =π/2）

5 结论

本文提出基于配电网物理仿真系统的柔性故障发生装置设计思路，对比于传统故障发生装置，改善了故障暂态特性和初相角控制精度。其主要特点如下：①故障发生装置可模拟三相短路、两相短路、弧光接地等多种故障。同时故障接地电阻可调，适应小电阻或高阻接地等故障模拟；②利用晶闸管快速导通特性，保证故障初相角的精确控制。在该装置相角调节范围内，误差不超过5.4°；③利用晶闸管良好的动态特性控制故障生成，物理仿真与软件仿真验证了所提方法可保留故障信号的暂态过程。

下一步的工作是要加快 10kV柔性故障发生装置的研制工作，通过采用串联晶闸管的方式提高电力电子器件的整体耐压水平，使其具备模拟 10kV电压等级故障的能力。

[1] 孙银锋, 吴学光, 李国庆, 等. 基于等时间常数的模块化多电平换流器柔直换流阀动模系统设计[J]. 中国电机工程学报, 2016(9): 2428-2437.

[2] 董鹏, 朱艺颖, 呙虎, 等. 特高压电网建设初期“三华”电网数模混合实时仿真试验研究[J]. 电网技术,2012, 36(1): 18-25.

[3] 何晓燕, 许志红. 交流接触器虚拟样机设计技术[J].电工技术学报, 2016, 31(14): 148-155.

[4] 刘颖异, 陈德桂, 袁海文, 等. 带电流反馈的永磁接触器动态特性仿真与分析[J]. 中国电机工程学报,2010(15): 118-124.

[5] 宋金钊, 李永丽, 石峥, 等. 一种新的谐振接地系统单相接地故障选线方法[J]. 电力系统保护与控制,2017, 45(6): 9-15.

[6] 陈涛. 一种考虑合闸角大小的单相接地故障选线方法[J]. 山西电力, 2014(4): 12-15.

[7] Wang Wencong, Zhu Ke, Zhang Peng, et al.Identification of the faulted distribution line using Thyristor-Controlled grounding[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2009, 24(1): 52-60.

[8] 徐海亮, 章玮, 胡家兵, 等. 可编程电网故障模拟电源的设计[J]. 电工技术学报, 2012(10): 91-97.

[9] 吴巧玲, 缪希仁, 许火炬, 等. 相控开关的早期故障检测及过零预测方法研究[J]. 电气技术, 2016, 17(7):24-30.

[10] 姚伟, 孙海顺, 文劲宇, 等. TCSC动模装置及其实验研究[J]. 电力自动化设备, 2009, 29(2): 51-55,68.

[11] 邓家泽, 王奔, 黄崇鑫, 等. 基于晶闸管 STATCOM的无功补偿控制[J]. 电网技术, 2009, 33(1): 48-51.

[12] 吴峰, 郑建勇, 梅军, 等. 基于可控串补的故障限流器[J]. 电网技术, 2012, 36(2): 53-57.

[13] 李黎, 冯希波, 鲍超斌, 等. 快速晶闸管在纳秒脉冲高压发生器中的应用分析[J]. 中国电机工程学报,2013, 33(16): 197-203, 前插25.

[14] Li Z, Wang J, Zhang F, et al. SCR series technology based on high-speed transient protection[C]//International Conference on Electric Power Equipment-Switching Technology. IEEE, 2011: 657-660.

[15] 许晔, 郭谋发, 陈彬, 等. 配电网单相接地电弧建模及仿真分析研究[J]. 电力系统保护与控制, 2015(7):57-64.

[16] 史永建, 曹现华, 史建省. 基于 PSCAD的改进型交流电弧炉负荷时域模型的仿真应用[J]. 电气技术,2015, 16(11): 29-32.

[17] Khakpour A, Franke S, Uhrlandt D, et al. Electrical arc model based on physical parameters and power calculation[J]. IEEE Transactions on Plasma Science,2015, 43(8): 2721-2729.

[18] Wang Fei, Gao Houlei, Sun Yong, et al. Arc grounding model and simulation in non-effectively grounded system[C]//2015 5th International Conference on Electric Utility Deregulation and Restructuring and Power Technologies (DRPT 2015), 2015: 358-362.

[19] 行晋源, 李庆民, 丛浩熹, 等. 长距离输电线路潜供电弧弧根跳跃与弧长剧变的物理机制与仿真[J]. 电工技术学报, 2016, 31(12): 90-98.

Flexibility Fault Generating Device of Physical Simulation System for Distribution Network

Lin Aolin1Guo Moufa1Gao Wei1Huang Jianye2
(1. College of Electrical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350108;2. State Grid Fujian Electric Power Research Institute, Fuzhou 350007)

Design of flexibility fault generating device in physical simulation system for distribution network has been proposed, to overcome the previous fault generating device’s shortcomings of mechanical contact bounce and uncontrollable fault initial phase. Since the device combines the phase angle of line voltage detected by zero-crossing comparator in physical simulation system, it can control trigger time of thyristor to ensure precise control of fault initial phase. Because of the thyristor’s microsecond-conduction-time and excellent dynamic characteristic, the controlling accuracy of fault initial phase and transient state similarity with actual fault waveform has been improved. This method is verified by experiment in physical simulation system for distribution network and equivalent simulation based on PSCAD/EMTDC. Results show that the device can preserve transient characteristic of short-circuit fault well and has high controlling accuracy of fault initial phase.

distribution network; physical simulation; flexible control; fault generating; fault initial phase

国家自然科学基金项目（51677030、51377023）

晋江市科技局工业科技项目资助（J（2005）235）

林奥林（1992-），男，福建三明人，硕士研究生，研究方向为配电网自动化。