CN106501675B - 风电场并网输电线路瞬时单相接地故障单端测距方法 - Google Patents

Abstract

风电场并网输电线路瞬时单相接地故障单端测距方法，首先在风场侧采集两个特定时刻的三相电压和三相电流作为输入量，然后利用风场侧测量到的两个时刻的电压、电流信息计算对应的正、负、零序电压、电流相量；基于输电线路分布参数模型，利用计算得到的风场侧电压、电流序分量建立电气方程组描述输电线路两端的电压、电流关系；以系统侧的电源电势、等值系统阻抗、故障距离和过渡电阻为未知量，使用改进高斯‑牛顿法求解建立的非线性电气方程组，得出精确的故障测距结果；本发明有效解决风电场并网输电线路故障测距的难题。

Description

风电场并网输电线路瞬时单相接地故障单端测距方法

技术领域

本发明属于电力系统保护和控制技术领域，特别涉及一种基于故障隔离多时刻信息的风电场并网输电线路瞬时单相接地故障单端测距方法。

技术背景

风电场并网输电线路发生故障时故障精确测距能够帮助缩短故障后巡线时间，加速排除线路故障和恢复供电，对于提高电力系统稳定性、保证系统安全运行具有重要意义。

实际运行数据表明，输电线路故障中80～90％为单相接地故障，而其中绝大多数为瞬时性故障。已申报专利CN104198889A可以很好地解决传统以传输火电为代表的输电线路上发生瞬时性单相接地故障的测距问题，然而风电场并网输电线路瞬时性故障时，由于风电场在故障期间的输出特性与传统火电电源明显不同，使得专利CN104198889A中测距方法成立的前提：对端系统等值阻抗在整个故障隔离期间保持恒定不变，不再成立；此外，专利CN104198889A中采用的直接故障距离搜索算法也不适用于风电场并网输电线路弱故障电流的情况，上述两个因素导致了现有方法无法进行准确的故障测距。

对于风电场并网输电线路，单相重合闸不仅提高了瞬时性故障的快速恢复，特别是产生的非全相运行状态中仍包含风电场侧的运行信息，输电线路非全相运行时，风电机组将处于稳态的缺相运行状态，有别于单相接地故障状态下的暂态运行状态，此时风电场与系统仍然有两相紧密相连，因此电压、电流频率较为稳定，且基本上无零序电流分量，正、负序分量含量较高，能够保证测距的精度。

发明内容

本发明的目的是克服已有技术的不足之处，提出一种基于故障隔离多时刻信息的风电场并网输电线路瞬时单相接地故障单端测距方法，针对风电场并网输电线路发生瞬时性单相接地故障的情况，利用被保护线路发生单相接地故障之后且线路上单相断路器未跳闸之前及线路两端单相断路器跳闸之后且未重合闸之前的两个时刻风场侧电压电流信息进行故障测距，仅使用单端电气量，不需要多端通信和同步技术，即能够给出高精度故障距离和过渡电阻值，测距精度不受过渡电阻、负荷电流、系统阻抗的影响，能有效解决风电场并网输电线路故障测距的难题,提高测距精度。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

风电场并网输电线路瞬时单相接地故障单端测距方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在风电场侧，测量故障线路瞬时单相接地故障后单相跳闸前的A、B、C三相电压相量U_wfa、U_wfb、U_wfc和三相电流相量I_wfa、I_wfb、I_wfc，以及单相跳闸后重合闸之前的A、B、C三相电压相量U_wha、U_whb、U_whc和三相电流相量I_wha、I_whb、I_whc作为输入量；由下式计算故障线路瞬时单相接地故障后单相跳闸前的正序电压相量U_wf1，负序电压相量U_wf2，零序电压相量U_wf0，正序电流相量I_wf1，负序电流相量I_wf2，零序电流相量I_wf0，及风场侧在线路两端单相跳闸后单相自动化重合闸之前的正、负、零序电压相量U_wh1、U_wh2、U_wh0及正、负、零序电流相量I_wh1、I_wh2、I_wh0：

其中a＝e^j2π/3；

(2)根据如下公式计算在单相跳闸后且重合闸之前时刻下故障线路系统侧继电保护安装处的正序电压相量U_sh1、负序电压相量U_sh2、零序电压相量U_sh0、正序电流相量I_sh1、负序电流相量I_sh2、零序电流相量I_sh0：

其中：

L为输电线路长度；

Z_c1为正序波阻抗：R₁、L₁、G₁、C₁分别为单位长度线路的正序电阻、电感、电导和电容值；

Z_c0为零序波阻抗：R₀、L₀、G₀、C₀分别为单位长度线路的零序电阻、电感、电导和电容值；

γ₁为正序传播系数：

γ₀为零序传播系数：

(3)由如下公式计算单相跳闸后单相自动化重合闸之前系统侧的A、B、C三相电压相量U_sha、U_shb、U_shc及系统侧的A、B、C三相电流相量I_sha、I_shb、I_shc：

其中a＝e^j2π/3；

(4)设出未知量：系统侧的电势E_N，正序、零序阻抗Z_N1,Z_N0，故障电阻R，故障点与风电场之间的距离占线路长度的百分比x，根据两个时刻的信息列写满足风电场并网输电线路发生瞬时单相接地故障时的系统电气量关系的如下方程：

a²E_N＝Z_sI_shb+Z_mI_shc+U_shb

aE_N＝Z_mI_shb+Z_sI_shc+U_shc

其中：

Z_s为系统侧的自阻抗

Z_m为系统侧的相间互阻抗

a＝e^j2π/3；

A为电压传递系数矩阵，B为阻抗矩阵，C为导纳矩阵，D为电流传递系数矩阵，具体定义如下：

(5)将步骤(4)中的非线性复方程组分离实部虚部，转化成实数的非线性方程组，使用高斯-牛顿法(Levenbery-Marquardt)方法，即可得到故障电阻R和故障距离百分比x，并以此求出实际的故障距离。

本发明的特点及效果：

本发明利用被保护线路发生单相接地故障之后且线路上单相断路器未跳闸之前及线路两端单相断路器跳闸之后且未重合闸之前的两个时刻风场侧电压电流信息进行故障测距，原理上无任何近似，测距结果为数学上的精确解，因此本发明方法测距精度很高；本发明方法能够精确求解出过渡电阻、风电场并网线路对端的系统电动势和阻抗等参数；本发明方法的物理模型采用分布参数建模，不受分布电容电流的影响，不受过渡电阻、负荷、对端系统阻抗影响，能有效解决风电场并网输电线路发生瞬时性单相接地故障的测距问题，具有很高的实用价值。

具体实施方式

本发明提出的基于故障隔离多时刻信息的T接输电线路单相接地故障单端测距方法实施例详细说明如下：

应用本发明的一种220kV的风电场接入输电系统模型如图1所示，线路长度为100km，线路参数值如表1所示；风场侧为60MW的双馈型风电场接入系统，系统侧电势为220∠0°kV；系统侧零序阻抗为28.14∠86.74°Ω；正序阻抗为：32.0∠78.4°Ω。应用本发明方法的故障测距装置安装在风场侧，电压、电流分别来自线路侧电压互感器、电流互感器。仿真故障类型为A相瞬时接地故障，故障发生在距风场侧45km处，过渡电阻100Ω。

表1 220kV风电场并网输电线路主要参数

应用本发明方法的实施例具体步骤如下：

(1)在风电场侧，测量故障线路瞬时单相接地故障后单相跳闸前的A、B、C三相电压相量U_wfa、U_wfb、U_wfc和三相电流相量I_wfa、I_wfb、I_wfc，以及单相跳闸后重合闸之前的A、B、C三相电压相量U_wha、U_whb、U_whc和三相电流相量I_wha、I_whb、I_whc作为输入量；

单相接地故障后，断路器单相跳闸之前：

A相电压U_wfa＝154.89–j 39.667kV

B相电压U_wfb＝–78.541–j 157.87kV

C相电压U_wfc＝–92.933+j 155.85kV

A相电流I_wfa＝0.5158–j 0.08139kA

B相电流I_wfb＝0.09693–j 0.2046kA

C相电流I_wfc＝0.01391+j 0.03784kA

断路器单相跳闸后，重合闸之前：

A相电压U_wha＝–28.421–j 8.3412kV

B相电压U_whb＝–75.082–j 175.41kV

C相电压U_whc＝–104.41+j 135.98kV

A相电流I_wha＝0kA

B相电流I_whb＝–0.10315–j 0.28676kA

C相电流I_whc＝–0.27013+j 0.18954kA

由下式计算故障线路瞬时单相接地故障后单相跳闸前的正序电压相量U_wf1，负序电压相量U_wf2，零序电压相量U_wf0，正序电流相量I_wf1，负序电流相量I_wf2，零序电流相量I_wf0，及风场侧在线路两端单相跳闸后单相自动化重合闸之前的正、负、零序电压相量U_wh1、U_wh2、U_wh0及正、负、零序电流相量I_wh1、I_wh2、I_wh0：

(2)根据如下公式，计算在单相跳闸后且重合闸之前时刻下故障线路系统侧继电保护安装处的正序电压相量U_sh1、负序电压相量U_sh2、零序电压相量U_sh0、正序电流相量I_sh1、负序电流相量I_sh2、零序电流相量I_sh0：

Z_c1为正序波阻抗：

Z_c0为零序波阻抗：

γ₁为正序传播系数：

γ₀为零序传播系数：

(3)由如下公式计算单相跳闸后单相自动化重合闸之前系统侧的A、B、C三相电压相量U_sha、U_shb、U_shc及系统侧的A、B、C三相电流相量I_sha、I_shb、I_shc：

(4)设出未知量：系统侧的电势E_N，正序、零序阻抗Z_N1,Z_N0，故障电阻R，故障点与风电场之间的距离占线路长度的百分比x，根据两个时刻的信息列写满足风电场并网输电线路发生瞬时单相接地故障时的系统电气量关系的如下方程：

a²E_N＝Z_sI_shb+Z_mI_shc+U_shb

aE_N＝Z_mI_shb+Z_sI_shc+U_shc

其中：

Z_s为系统侧的自阻抗

Z_m为系统侧的相间互阻抗

a＝e^j2π/3；

A为电压传递系数矩阵，B为阻抗矩阵，C为导纳矩阵，D为电流传递系数矩阵，具体定义如下：

(5)将步骤(4)中的非线性复方程组分离实部虚部，转化成实数的非线性方程组，使用改进高斯-牛顿法(Levenbery-Marquardt)的方法进行求解，求解得到的故障电阻R为99.246Ω，故障距离风场侧的距离百分比x为0.45548，可以得到实际故障距离为距风场侧0.45548×100＝45.548km处。

Claims (1)

1.风电场并网输电线路瞬时单相接地故障单端测距方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在风电场侧，测量故障线路瞬时单相接地故障后单相跳闸前的A、B、C三相电压相量U_wfa、U_wfb、U_wfc和三相电流相量I_wfa、I_wfb、I_wfc，以及单相跳闸后重合闸之前的A、B、C三相电压相量U_wha、U_whb、U_whc和三相电流相量I_wha、I_whb、I_whc作为输入量；由下式计算故障线路瞬时单相接地故障后单相跳闸前的正序电压相量U_wf1，负序电压相量U_wf2，零序电压相量U_wf0，正序电流相量I_wf1，负序电流相量I_wf2，零序电流相量I_wf0，及风场侧在线路两端单相跳闸后单相自动化重合闸之前的正、负、零序电压相量U_wh1、U_wh2、U_wh0及正、负、零序电流相量I_wh1、I_wh2、I_wh0：

其中a＝e^j2π/3；

(2)根据如下公式计算在单相跳闸后且重合闸之前时刻下故障线路系统侧继电保护安装处的正序电压相量U_sh1、负序电压相量U_sh2、零序电压相量U_sh0、正序电流相量I_sh1、负序电流相量I_sh2、零序电流相量I_sh0：

其中：

L为输电线路长度；

Z_c1为正序波阻抗：R₁、L₁、G₁、C₁分别为单位长度线路的正序电阻、电感、电导和电容值；

Z_c0为零序波阻抗：R₀、L₀、G₀、C₀分别为单位长度线路的零序电阻、电感、电导和电容值；

γ₁为正序传播系数：

γ₀为零序传播系数：

(3)由如下公式计算单相跳闸后单相自动化重合闸之前系统侧的A、B、C三相电压相量U_sha、U_shb、U_shc及系统侧A、B、C三相电流相量I_sha、I_shb、I_shc：

其中a＝e^j2π/3；

(4)设未知量：系统侧电势E_N，正序、零序阻抗Z_N1,Z_N0，故障电阻R，故障点与风电场之间的距离占线路长度的百分比x，根据两个时刻的信息列写满足风电场并网输电线路发生瞬时单相接地故障时的系统电气量关系，如下方程：

a²E_N＝Z_sI_shb+Z_mI_shc+U_shb

aE_N＝Z_mI_shb+Z_sI_shc+U_shc

其中：

Z_s为系统侧自阻抗

Z_m为系统侧相间互阻抗

a＝e^j2π/3；

A为电压传递系数矩阵，B为阻抗矩阵，C为导纳矩阵，D为电流传递系数矩阵，具体定义如下：

(5)将步骤(4)中的非线性复方程组分离实部虚部，转化成实数的非线性方程组，使用改进高斯-牛顿法的方法进行求解，即可得到故障电阻R和故障距离百分比x，并以此求出实际的故障距离。