学术简报｜断路器同步分断短路电流零点预测方法研究
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沈阳工业大学电气工程学院的研究人员荣文帅、蔡志远，在2019年第15期《电工技术学报》上撰文指出，断路器同步分断可以有效地提高断路器分断能力和减小触头电弧磨损，是智能电器领域的发展方向之一。为实现断路器同步分断，需要对实测短路电流进行波形分解和重建，以预测短路电流过零点。
该文对目前应用较广的最小二乘参数辨识和改进快速傅里叶变换两种零点预测算法进行了理论分析，建立了单相短路电流仿真模型，给含有直流衰减分量和谐波分量的短路电流信号添加不同信噪比的高斯白噪声，对含有噪声的信号进行了量化处理，模拟电网频率波动，得到了同步采样和非同步采样下短路电流离散时间序列，分别用两种算法对短路电流过零点进行了预测。此外，搭建了短路电流实测平台，对实测短路电流进行了波形分析和零点预测。
对理论和实测短路电流进行零点预测的结果表明：理想状态下改进快速傅里叶算法的预测精度优于最小二乘参数辨识，但对数字化测量系统的信噪比、模数转换的有效位数和电网频率的稳定性等要求较高；最小二乘参数辨识算法对噪声和扰动等的耐受能力高于改进快速傅里叶算法。
断路器作为整个供电系统中的重要设备，其可靠性是电力系统安全运行的保证。因此，提高断路器分断操作的智能化水平，对电网安全运行具有重要意义。断路器在开断短路电流的过程中，存在暂态变化过程，短路电流中存在随时间衰减的非周期分量，且非周期衰减分量随机不确定，这给精确预测短路电流过零点增加了难度。如何快速计算短路电流的特征参数以预测其过零点是断路器可控开断短路电流必须解决的首要问题。
断路器相控分断短路电流的基本原理是：采用数字信号处理算法对短路电流离散采样数据进行分析，估算短路电流的特征参数，预测短路电流过零点，以提前发出控制指令。
针对短路电流零点预测，有学者采用改进半波傅里叶算法，依靠半个周波加两个采样点的数据窗口预测短路电流的过零点，计算精度达到 1ms。
有学者采用一种基于最小二乘法发展出来的WLMS算法，对电流参数进行估计，可以在10ms内实现短路电流过零点的预测，预测误差在 1ms以内。
有学者对安全点算法、自适应算法及改进半波傅里叶算法进行对比，得出自适应算法适用于不含谐波分量情况下，当存在谐波分量，自适应算法并不适用，当谐波分量中存在偶次谐波，改进半波傅里叶算法不适用。
有学者采用改进快速傅里叶算法，通过对短路电流分解计算，数字处理只需要6个采样数据，但未对存在谐波分量情况进行分析。
综上所述，现有的短路电流零点预测方法都是采用数字算法加以实现。但是，为将实际连续变化的短路电流转换成可供分析的数字信号，需要采用电流互感器和模拟放大电路对短路电流信号进行变换和调理，需要采用模数转换器将调理后的电信号转换成离散时间序列，这样才能运用数字信号处理算法对离散短路电流时间序列进行分析，预测出短路电流过零点，适时发出控制指令，使断路器触头在短路电流过零附近分断。因此，短路电流零点预测的实现不仅与所运用的数字信号分析算法有关，还受诸多因素限制，包括模拟测量环节的信噪比、模数转换的有效位数和被控电力线路的频率稳定性等。
本文介绍了短路电流同步分断零点预测原理，建立了单相短路电流仿真模型，搭建了短路电流实验平台；运用最小二乘参数辨识和改进快速傅里叶算法对含暂态分量和谐波分量的短路电流进行分解和重建，预测短路电流过零点；并从采样精度、噪声干扰、电网频率偏移、谐波分量等几个方面对两种算法的优缺点和适用性进行了对比和实验验证。
图7 实际短路电流测试平台
为实现短路电流零点预测技术，从测量电路信噪比、模数转换有效位数、电网频率偏移、谐波分量和暂态分量影响等方面对最小二乘参数辨识和改进快速傅里叶算法二种短路电流零点预测算法进行了对比，并对实测数据进行了分析。
1）理想状态下，无论是否含有谐波分量，改进快速傅里叶算法精度均优于最小二乘参数辨识。
2）在添加高斯白噪声情况下，最小二乘参数辨识的耐受能力为20dB，改进快速傅里叶算法的耐受能力为90dB；在电网频率偏移干扰情况下，两种算法的抗扰能力基本相同；改进快速傅里叶算法对短路电流数字化测量系统模数转换精度有较高的要求。
3）最小二乘参数辨识在适用性方面高于改进快速傅里叶算法，但在噪声较低的情况下，可以选择改进快速傅里叶算法。