CN107328981B - 一种变压器中性点故障电压的分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变压器中性点故障电压的分析方法，首先对含分布式光伏电源接入配电网发生单相接地故障的边界条件进行序网分析；再根据保护动作情况得到新的故障边界条件，并在此基础上得到保护动作后主变中性点电压偏移的解析方程及其影响因素；然后根据分布式光伏电源在短时内脱网的输出特性，得到主变中性点电压与本地负荷以及光伏电源输出功率的关系；再将采集到的分布式光伏电源典型日输出功率曲线和本地负载功率需求曲线进行比较，并在此基础上求得不同时刻故障后主变中性点电压的偏移程度。该方法适用于含分布式光伏配网新场景下的主变间隙保护配置分析，且不受其他运行条件和线路特征数据的限制，方法操作简单、实用性强。

Description

一种变压器中性点故障电压的分析方法

技术领域

本发明涉及电力系统分析技术领域，尤其涉及一种变压器中性点故障电压的分析方法。

背景技术

目前，分布式光伏的迅速发展，有利于缓解我国能源与负荷需求的矛盾，但是光伏等分布式电源的接入改变了配电网的结构，使得配网网架结构由单电源辐射状网络变为双电源、甚至多电源的复杂拓扑结构，对电网系统故障特性及其继电保护带来的影响日益突出。受地域限制，我国不少地区大力发展分布式光伏，经10kV汇集后接入110kV变电站。传统无源配电网发生不对称接地故障后，上级线路保护正确动作，主变中性点偏移电压消失，不会带来绝缘威胁，因此大部分现有变电站已经取消主变的间隙保护。但当变压器低压侧存在分布式光伏接入时，其持续提供的故障电流可能会进一步抬高主变中性点偏移电压，对中性点的绝缘造成威胁，原有变压器中性点零序过电压保护及放电间隙的相关配置将受到影响。

现有技术中关于分布式电源对继电保护影响的研究主要针对配电网线路保护的影响，分布式光伏电源接入对变压器中性点电压抬高及间隙保护配置等困扰现场运行问题有待深入研究，现有技术中未能给出含分布式光伏接入配网变电站主变中性点电压的位移程度以及其与本地负载和分布式光伏容量的定量关系。由于越来越多的地区存在包括光伏在内的分布式电源接入110kV变电站，为此有必要深入研究考虑了分布式光伏电源接入的变压器中性点故障电压分析方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种变压器中性点故障电压的分析方法，该方法适用于含分布式光伏配网新场景下的主变间隙保护配置分析，且不受其他运行条件和线路特征数据的限制，方法操作简单、实用性强。

一种变压器中性点故障电压的分析方法，所述方法包括：

步骤1、对含分布式光伏电源接入配电网发生单相接地故障的边界条件进行序网分析，得到含分布式光伏电源接地的故障电流及两侧线路的保护动作情况；

步骤2、根据保护动作情况得到新的故障边界条件，并在此基础上得到保护动作后主变中性点电压偏移的解析方程及其影响因素；

步骤3、根据分布式光伏电源在短时内脱网的输出特性，得到主变中性点电压与本地负荷以及光伏电源输出功率的关系；

步骤4、将采集到的分布式光伏电源典型日输出功率曲线和本地负载功率需求曲线进行比较，求取不同时刻的匹配程度，并在此基础上求得不同时刻故障后主变中性点电压的偏移程度。

在所述步骤1中，对含分布式光伏电源接入配电网发生单相接地故障的边界条件进行序网分析的过程为：

首先针对联络线近变电站侧发生单相接地故障的边界条件确定含分布式光伏电源接入的复合序网；

根据所确定的复合序网利用叠加定理分别求取联络线两侧线路保护的检测电流，判断保护动作情况，具体包括：

当仅考虑系统侧电源作用时，故障点正序故障电流i′_f为系统等效电源E_s及联络线等效阻抗Z_AB的函数，联络线近系统侧保护得以检测到明显的故障电流；

当仅考虑分布式光伏电源作用时，故障点正序故障电流i′_f′为光伏故障条件下输出电流及本地负荷、线路等效阻抗的函数。

在所述步骤2中，

首先根据保护动作情况得到新的故障边界条件，确定保护动作后的复合序网；

由此得到主变中性点电压U_N0为本地负载等效阻抗Z_Load和光伏输出电流I_DG(1)的函数，具体表示为：

U_N0＝Z_LoadI_DG(1)。

在所述步骤3中，

分布式光伏电源与本地负荷不同匹配度条件下发生单相接地故障且保护动作后的光伏输出电流表示为：

令k＝P_PV/P_Load，表示断网后本地负荷和光伏容量的匹配程度；其中，P_Load表示本地负荷，P_PV表示光伏电源输出功率；

最终得到主变中性点电压与本地负荷以及光伏电源输出功率的关系为：

在所述步骤4中，

首先采集含分布式光伏电源配网在典型日的本地负荷功率需求曲线和光伏电源输出功率曲线，并进行标幺化处理，得到不同时刻两者之间的匹配程度；

根据所得到的主变中性点电压与本地负荷以及光伏电源输出功率的关系，得到不同时刻发生故障保护动作后的偏移电压程度曲线。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述方法适用于含分布式光伏配网新场景下的主变间隙保护配置分析，同时仅通过本地负荷需求曲线和光伏输出功率曲线就可以得到中性点电压偏移程度，不受其他运行条件和线路特征数据的限制，方法操作简单、实用性强。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例所提供的变压器中性点故障电压的分析方法流程示意图；

图2为本发明所举实例含分布式光伏接入配电网的结构示意图；

图3为本发明所举实例单相接地故障复合序网等值示意图；

图4为本发明所举实例中保护动作后复合序网等值示意图；

图5为本发明实施例所求取的中性点偏移电压与匹配度关系示意图；

图6为本发明所举实例故障点电流的仿真结果示意图；

图7为本发明所举实例不同条件下不同故障阶段电压情况仿真结果示意图；

图8为本发明所举实例中典型日光伏电源有功出力的曲线示意图；

图9为本发明所举实例中本地负载有功需求的曲线示意图；

图10为本发明所举实例中求取典型日不同时刻故障中性点电压曲线示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例所述分析方法的对象为分布式光伏接入后对配网110kV变电站非直接接地运行方式下的主变压器中性点电压；考虑到变电站并网联络线较短，线路电纳影响可以忽略不计，分析等效时采用短线路RL模型；同时采用正序控制策略的分布式光伏电源，将其模型等效为仅输出正序电流的恒流源。下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例所提供的变压器中性点故障电压的分析方法流程示意图，所述方法包括：

步骤1、对含分布式光伏电源接入配电网发生单相接地故障的边界条件进行序网分析，得到含分布式光伏电源接地的故障电流及两侧线路的保护动作情况；

在该步骤中，首先针对联络线近变电站侧发生单相接地故障的边界条件确定含分布式光伏电源接入的复合序网；

然后根据所确定的复合序网利用叠加定理分别求取联络线两侧线路保护的检测电流，判断保护动作情况，具体包括：

当仅考虑系统侧电源作用时，故障点正序故障电流i′_f为系统等效电源E_s及联络线等效阻抗Z_AB的函数，联络线近系统侧保护得以检测到明显的故障电流，为正确动作；

当仅考虑分布式光伏电源作用时，故障点正序故障电流i″_f为光伏故障条件下输出电流及本地负荷、线路等效阻抗的函数；另外，由于10kV侧光伏电源归算至110kV母线侧的阻抗较大且由于光伏发电的控制策略特点，使得光伏电源提供的故障电流较小，近变电站侧保护的启动元件可能检测不到故障电流，因此近变电站侧保护可能拒动。

步骤2、根据保护动作情况得到新的故障边界条件，并在此基础上得到保护动作后主变中性点电压偏移的解析方程及其影响因素；

在该步骤中，首先根据保护动作情况得到新的故障边界条件，确定保护动作后的复合序网；

由于主变中性点不接地，加上此时线路保护动作，零序网络无通路，此时故障点零序电压等同于主变中性点电压，所得到的主变中性点电压U_N0为本地负载等效阻抗Z_Load和光伏输出电流I_DG(1)的函数，具体表示为：

U_N0＝Z_LoadI_DG(1)。

步骤3、根据分布式光伏电源在短时内脱网的输出特性，得到主变中性点电压与本地负荷以及光伏电源输出功率的关系；

在该步骤中，根据线路保护开断前后瞬时的功率关系，同时考虑逆变器的限流环节，可以得到分布式光伏电源与本地负荷不同匹配度条件下发生单相接地故障且保护动作后的光伏输出电流表示为：

令k＝P_PV/P_Load，表示断网后本地负荷和光伏容量的匹配程度；

然后通过光伏输出电流与输出功率的关系、本地负荷等效阻抗和有功功需求的关系，得到主变中性点电压与本地负荷P_Load以及光伏电源输出功率P_PV的关系表示为：

步骤4、将采集到的分布式光伏电源典型日输出功率曲线和本地负载功率需求曲线进行比较，求取不同时刻的匹配程度，并在此基础上求得不同时刻故障后主变中性点电压的偏移程度。

在该步骤中，首先采集含分布式光伏电源配网在典型日的本地负荷功率需求曲线和光伏电源输出功率曲线，并进行标幺化处理，得到不同时刻两者之间的匹配程度；

根据步骤3所得到的主变中性点电压与本地负荷以及光伏电源输出功率的关系，得到不同时刻发生故障保护动作后的偏移电压程度曲线。

下面结合附图对上述分析方法进行举例说明，如图2所示为本发明所举实例含分布式光伏接入配电网的结构示意图，110kV变电站主变高压侧采用中性点非直接接地的运行方式，低压侧存在分布式光伏发电接入。并网联络线AB配置有电流保护，其中在A侧配置保护1，B侧配置保护2。考虑在并网联络线AB上B点发生A相单相接地故障，根据单相接地故障边界条件得到如图3所示单相接地故障复合序网等值示意图。

当仅考虑主电源作用时，故障点正序故障电流为：

式中，Z_m(1)、Z_m(2)分别为主变低压侧正序、负序等效阻抗；ZS为复合序网总阻抗的等效阻抗。

Z_m(1)＝Z_T(1)+Z_l(1)+Z_L(1) (2)

Z_m(2)＝Z_T(2)+Z_l(2)+Z_L(2) (3)

由于10kV侧线路与本地负荷阻抗归算至110kV母线侧的等效阻抗值远大于主变高压侧联络线等效阻抗，则式(1)可简化为：

当仅考虑分布式光伏作用时，故障点正序故障电流为：

根据式(5)和式(6)表明，故障点的故障电流主要由系统侧提供，不受分布式光伏接入的影响。联络线近系统侧A点保护1感受到明显的故障电流，得以可靠动作；联络线近主变侧B点保护2无法检测到明显的故障电流，保护拒动。

当联络线A侧保护1启动元件检测到故障电流，保护动作使含光伏配网与系统断开。此时分布式光伏电源和本地负载短时内脱网运行，如图4所示为本发明所举实例中保护动作后复合序网等值示意图，此时故障点的零序电压为：

由于主变低压侧光伏电源仅提供正序电流，在主变高压侧绕组感应电势为三相平衡对称电势。值得注意的是，此时主变感应的三相电势大小与并网时不一定相同，是光伏实际输出功率和负载需求的函数，在高压侧线路仍保持单相接地故障条件下，由于三相线路参数不再对称，会导致中性点电压进一步的抬升。

此时，主变中性点电压变为故障相主变感应电势，大小由低压侧光伏电源在脱网时输出及本地负荷决定，与主变高压侧无关，而光伏在脱网条件下提供的正序电流又受到本地负载大小影响，由于零序无通路，过渡电阻不会对中性点电压偏移产生影响。此外，当发生两相接地故障时，由于序网并联，主变中性点上的电压偏移程度将低于单相接地故障情况。

根据线路保护开端前后瞬时的功率关系，可以得到光伏短时脱网运行的电压为：

式中，U_DG、U_N分别为光伏电源短时运行和并网运行的电压，P_DG、P_Load为光伏电源容量和负荷需求的有功。

当负载有功需求大于光伏提供的功率时，电压下降，输出电流增大；当负载有功需求小于光伏提供的功率时，电压抬高，输出电流减小。则此时光伏的输出电流为：

考虑到光伏逆变器的限幅环节，当本地负载过小，光伏输出电流达到极限时将不再继续增大。

(1)当本地负荷较小，满足P_Load＜1.44P_PV时：

保护动作后短时脱网期间，光伏输出电流没有达到逆变器限流上限，负载所需有功小于光伏电源发出有功功率的1.44倍，此时为保持功率平衡，负载功率增大，光伏电源并网点电压增大，而光伏输出电流随电压抬升而降低。

此时中性点电压为：

(2)当本地负荷较大，满足：P_Load≥1.44P_PV时：

负载所需有功大于光伏电源发出有功功率的1.44倍，光伏电源不再满足恒功率源特性。此时光伏输出电流达到稳态短路电流上限，则中性点电压等于1.2倍额定电流与本地负载等效阻抗的乘积，即：

令k＝P_PV/P_Load，表示断网后本地负荷和光伏容量的匹配，进而得到主变中性点电压与k的关系式为：

如图5所示为本发明实施例所求取的中性点偏移电压与匹配度关系示意图，当k≥1.0816时，存在高压侧线路单相故障引起中性点过电压而导致的中性点绝缘击穿的风险，要求110kV变电所主变加装中性点间隙保护。

这样就可以根据分布式光伏电源的输出功率曲线以及本地负荷需求曲线求取其不同时刻的匹配关系以及发生故障中性点电压偏移程度，从而判断不同时刻发生故障主变中性点间隙击穿的可能性。

下面再给出本发明在PSCAD上的仿真实验结果，如图6所示为本发明所举实例故障点电流的仿真结果示意图，如图7所示为本发明所举实例不同条件下不同故障阶段电压情况仿真结果示意图。分布式光伏电源容量1MW，并网控制采用对称控制策略，逆变器输出功率因数为1，通过10kV/260V并网变压器接入10kV配电网，并网变压器采用Y/Δ接线方式，其中一次Y侧中性点非直接接地，取本地负载RLC负载振荡频率等于电网工频频率，负载功率与逆变器输出完全匹配。

根据图6可以看出，当联络线AB靠近110kV变电站出口处B点发生A相单相接地故障时，出现明显的故障电流，直到靠近系统侧CB1三相跳开，故障点电流消失。联络线靠近系统侧保护1检测电流与故障点电流曲线基本完全重合，证明其可以在故障发生后检测到明显的故障电流，正确跳开CB1。而联络线靠近变电站侧保护2检测电流基本与i＝0重合，无法检测到明显的故障电流，CB2不会动作。

根据图7可以看出，光伏有功输出与本地负荷需求在不同匹配度k时刻的110kV变电站主变中性点电压情况。从故障发生到保护1动作后的中性点电压偏移，其仿真结果与理论计算结果非常接近，可以看出主变中性点电压在故障后受电源不对称的影响产生电压偏移至1/3工况相电压，短时内可以维持正常运行。

但在线路保护动作后，中性点电压受线路参数不对称的影响电压偏移变化为低压侧分布式光伏持续提供的电流在主变上引起的压降。随着分布式光伏容量增大大或本地负荷减小，中性点电压会持续增大，可能会超过中性点击穿电压。当光伏容量与本地有功功率需求恰好匹配时(k＝1)，主变中性点电压为工况下系统相电压。当光伏容量为本地有功功率需求的1.2倍(k＝1.2)时，主变中性点电压升高为69.57kV，此时极有可能击穿间隙，造成设备损害，当此时要求加装中性点间隙保护，由此可见仿真结果验证了理论分析的正确性。

下面再以具体的事例来说明上述分析方法的有益效果，在该示例中分别取一典型日光伏电源有功出力和有功负荷需求，如图8所示为本发明所举实例中典型日光伏电源有功出力的曲线示意图，如图9所示为本发明所举实例中本地负载有功需求的曲线示意图。根据典型日光伏出力及本地负荷数据，易得本地有功负荷和光伏输出在不同时刻的匹配率。在不同匹配度的情况下，可根据式(12)分别求得该典型日内不同时刻联络线发生单相接地故障时，主变中性点的电压偏移程度。

如图10所示为本发明所举实例中求取典型日不同时刻故障中性点电压曲线示意图，由图10可知：在晚19时至早6时之间由于光伏无输出功率，不存在中性点电压偏移问题。从早6时日出后至14时之间，中性点电压偏移程度上升趋势明显，但在12时左右由于明显的有功负荷增加略有下降。而从14时后直至晚19时，中性点电压的偏移程度下降趋势明显，中性点击穿电压取略高于工况条件下的系统相电压。

根据工程实际情况，在仿真中设定为66kV，以光伏接入点额定电压为基准，击穿电压的标幺值为1.04pu。将间隙击穿电压值与典型日不同时刻故障点中性点电压偏移曲线相比较，可以看出当最大负荷与光伏出力最大值匹配时，从10时至16时发生单相接地故障会导致间隙击穿。

综上所述，本发明实施例所述方法考虑了分布式光伏电源的输出特性及接入配网后对主变中性点电压的影响，适用于含分布式光伏配网新场景下的主变间隙保护配置分析；同时仅通过本地负荷需求曲线和光伏输出功率曲线就可以得到中性点电压偏移程度，不受其他运行条件和线路特征数据的限制，方法操作简单，实用性强。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种变压器中性点故障电压的分析方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1、对含分布式光伏电源接入配电网发生单相接地故障的边界条件进行序网分析，得到含分布式光伏电源接地的故障电流及两侧线路的保护动作情况；

步骤2、根据保护动作情况得到新的故障边界条件，并在此基础上得到保护动作后主变中性点电压偏移的解析方程及其影响因素；

步骤3、根据分布式光伏电源在短时内脱网的输出特性，得到主变中性点电压与本地负荷以及光伏电源输出功率的关系；

其中，分布式光伏电源与本地负荷不同匹配度条件下发生单相接地故障且保护动作后的光伏输出电流表示为：

令k＝P_PV/P_Load，表示断网后本地负荷和光伏容量的匹配程度；其中，P_Load表示本地负荷，P_PV表示光伏电源输出功率；

最终得到主变中性点电压与本地负荷以及光伏电源输出功率的关系为：

步骤4、将采集到的分布式光伏电源典型日输出功率曲线和本地负载功率需求曲线进行比较，求取不同时刻的匹配程度，并在此基础上求得不同时刻故障后主变中性点电压的偏移程度。

2.根据权利要求1所述变压器中性点故障电压的分析方法，其特征在于，在所述步骤1中，对含分布式光伏电源接入配电网发生单相接地故障的边界条件进行序网分析的过程为：

首先针对联络线近变电站侧发生单相接地故障的边界条件确定含分布式光伏电源接入的复合序网；

根据所确定的复合序网利用叠加定理分别求取联络线两侧线路保护的检测电流，判断保护动作情况，具体包括：

当仅考虑系统侧电源作用时，故障点正序故障电流i′_f为系统等效电源E_s及联络线等效阻抗Z_AB的函数，联络线近系统侧保护得以检测到明显的故障电流；

当仅考虑分布式光伏电源作用时，故障点正序故障电流i′_f′为光伏故障条件下输出电流及本地负荷、线路等效阻抗的函数。

3.根据权利要求1所述变压器中性点故障电压的分析方法，其特征在于，在所述步骤2中，

首先根据保护动作情况得到新的故障边界条件，确定保护动作后的复合序网；

由此得到主变中性点电压U_N0为本地负载等效阻抗Z_Load和光伏输出电流I_DG(1)的函数，具体表示为：

U_N0＝Z_LoadI_DG(1)。

4.根据权利要求1所述变压器中性点故障电压的分析方法，其特征在于，在所述步骤4中，

首先采集含分布式光伏电源配网在典型日的本地负荷功率需求曲线和光伏电源输出功率曲线，并进行标幺化处理，得到不同时刻两者之间的匹配程度；

根据所得到的主变中性点电压与本地负荷以及光伏电源输出功率的关系，得到不同时刻发生故障保护动作后的偏移电压程度曲线。

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