CN111157836A - 一种适用于油田配电网确定故障线路范围的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适用于油田配电网确定故障线路范围的方法，属于电力系统技术领域。其技术方案为：一种适用于油田配电网确定故障线路范围的方法，其特征在于，根据实际油田配电网系统，分析油田配电网系统中节点和各支路情况，检测并获得油田配电网系统中母线参数、故障支路参数和非故障且具有负载运行支路参数，分析运算得到线路参数的阻抗角，分别对各个参数和阻抗角进行建模并分析推导确定电压暂降凹陷域临界距离与各个参数以及阻抗角的关系。本发明的有益效果为：与传统的计算方法相比减小故障线路电压暂降的临界距离的计算误差，更加精准的确定故障实际发生的范围。

Description

一种适用于油田配电网确定故障线路范围的方法

技术领域

本发明涉及电力系统技术领域，尤其涉及一种适用于油田配电网确定故障线路范围的方法。

背景技术

电压暂降是指电力系统中电压有效值瞬时减小到10％～90％额定值，且持续时间为10毫秒到数秒钟的一种暂态电能质量现象。电压暂降主要由故障、大功率感应电机启动、变压器励磁涌流以及线路遭受雷击等引起。由于油田配电网运行特点有别于常规配电网，且大功率用电设备以及配电变压器数量众多，电压暂降问题较为突出。电压暂降幅值超出用电设备耐受能力后，会导致设备自动停机，从而影响油田产量甚至引起设备损坏等间接损失。目前，电压暂降已成为油田配电网电能质量领域普遍关注的问题。因此但为了保证油田高产井、注水等重要负荷运行可靠性，在该类设备的开关执行电路中安装有抗晃电装置，确保油田配电网中出现电压暂降现象时，该类设备能够持续运行，以减小负载停运对于油田生产的影响。

目前，在分析常规配电网中故障引起的电压暂降幅度时，通常忽略负荷分支电流的影响。而在油田配电网中，发生电压暂降时，故障线路的设备会停机，非故障线路的设备在抗晃电装置的作用下不会停机，依然存在较大的负荷分支电流。此时，传统的计算方法不再适用于此种情况。

另外，在常规配电网中，通常认为系统阻抗的阻抗角与线路单位阻抗阻抗角的大小基本一致，从而忽略其对于暂降域临界距离的影响，而在油田配电网的电力系统中，其系统阻抗中绝大部分为感抗，而油田线路中使用的LJ-120型号架空线线路的感抗略大于其电阻，由于负荷支路的功率因数比较高，所以负荷支路的等值阻抗绝大部分为阻性，线路参数的阻抗角存在较大差异。因此，为了计算电压暂降凹陷域的临界距离，准确确定故障线路范围，就不能忽略线路参数的差异对于临界距离计算产生的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于油田配电网确定故障线路范围的方法。

本发明是通过如下措施实现的：一种适用于油田配电网确定故障线路范围的方法，其特征在于，根据实际油田配电网系统，分析油田配电网系统中节点和各支路情况，检测并获得油田配电网系统中母线参数、故障支路参数和非故障且具有负载运行支路参数，分析推导得到线路参数的阻抗角，分别对各个参数和阻抗角进行建模并分析推导确定电压暂降凹陷域临界距离与各个参数以及阻抗角的关系。

根据各个参数和阻抗角建立油田配电网系统的模型图分别为线路等效电路图和电流电压相量的关系图。

根据线路等效电路图和电流电压相量的关系图具体分析推导得到母线参数、故障支路参数以及非故障且具有负载运行的支路参数和阻抗角与电压暂降凹陷域临界距离倒数的关系公式为，

Z_S＝R_S+jX_S z₁＝r₁+jx₁

路单位长度的线路电阻值，X_S为系统阻抗的电抗值，R_S为系统阻抗，Z_load为非故障支路阻抗的电阻值，j为虚数，β为系统阻抗的阻抗角，α为非故障支路线路单位阻抗的阻抗角。

具体推导过程，检测获得电网中母线、故障支路参数以及非故障且具有负载运行支路参数，分别对各个参数进行分析推导确定电压暂降凹陷域临界距离与各个参数之间的关系，根据各个参数建立电网系统的线路等效电路图,并得到电流电压相量的关系图。初步推导分析得：根据线路等效电路图可知：

其中

Z_k为故障支路阻抗的电阻值。

推理分析得到：

其中：z₁＝r₁+jx₁，Z_S＝R_S+jX_S，l_crit为临界距离，Z_S为系统阻抗，z₁为非故障支路单位阻抗，

U_sag为母线电压，U_S为系统电压，x₁为非故障支路单位长度的线路电抗值，r₁为非故障支路单位长度的线路电阻值，X_S为系统阻抗的电抗值，R_S为系统阻抗，Z_load为非故障支路阻抗的电阻值，j为虚数。

根据

取l_crit的倒数可得：

通过电流电压相量的关系图分析参数系统阻抗的阻抗角与线路单位阻抗阻抗角，其中，β为系统阻抗的阻抗角，α为线路单位阻抗的阻抗角，分析可得

由于β₁＝γ+α，所以θ＝π-γ-β₂＝π-(β₁+β₂)+α，可以得到： cosθ＝-cos[(β₁+β₂)-α]。

再电压三角形中由余弦公式可以得到：

推导得出：

综合上式，可以得到在系统阻抗角与线路阻抗角存在明显差异情况下的电压暂降临界距离公式：

其中

为母线暂降电压标幺值。

根据实际线路状况搭建仿真模型，带入公式确定电压暂降凹陷域临界距离，以便能够精确找到线路发生故障的范围。

另外，在油田配电网系统中，三相短路的故障为主，当三相短路发生前，系统中某相电压和电流分别为：u_a＝U_msin(ωt+α)，

当电路中放入k点发生短路时，电流的变化符合以下微分方程：

解微分方程得：

式中，i_p为短路电流的周期分量，I_pm为周期分量电流的幅值，

i_np为电路电流的非周期分量，T_a为非周期分量电流的衰减时间常数，

α为电源电压的相位角(合闸相位角)，Z为电源至短路点的阻抗，

为短路电流与电压之间的相角，C为积分常数，由初始条件决定。

在含有电感的电路中，电流不能突变，短路前一瞬间的电流应与短路后一瞬间的电流相等：

则有：

其中，

非周期分量电流的初始值，所以短路全电流为：

其中，短路电流周期分量为：

在短路的实用计算中，一般使用周期分量电流有效值来进行计算即I_k＝RMS(i_p)求得最大/最小运行方式下母线短路电流I_k，其短路容量S_k等于短路电流乘以短路点的平均额定电压U_av，即

电力系统的阻抗Z_S为

求得系统阻抗Z_S，可将此

带入

中，更加准确的确地油田配电网中故障线路的范围。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：与传统的计算分析方法相比减小故障线路电压暂降的临界距离的误差，进而更加准确的确定油田配电网故障线路的范围。

附图说明

图1为电网系统的线路等效电路图。

图2为电网系统的电流电压相量图。

图3为临界距离与暂降深度关系表。

图4为临界距离与暂降深度的关系曲线。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，对本方案进行阐述。

实施例一：

参见图1-图2，一种适用于油田配电网确定故障线路范围的方法，根据实际油田配电网系统，分析油田配电网系统中节点和各支路情况，检测并获得油田配电网系统中母线参数、故障支路参数和非故障且具有负载运行支路参数，分析运算得到线路参数的阻抗角，分别对各个参数和阻抗角进行建模并分析推导确定电压暂降凹陷域临界距离与各个参数以及阻抗角的关系。

根据各个参数和阻抗角建立油田配电网系统的模型图分别为线路等效电路图和电流电压相量的关系图。

根据线路等效电路图和电流电压相量的关系图具体分析推导得到母线参数、故障支路参数以及非故障且具有负载运行的支路参数和阻抗角与电压暂降凹陷域临界距离倒数的关系公式为，

Z_S＝R_S+jX_S z₁＝r₁+jx₁

路单位长度的线路电阻值，X_S为系统阻抗的电抗值，R_S为系统阻抗，Z_load为非故障支路阻抗的电阻值，j为虚数，β为系统阻抗的阻抗角，α为非故障支路线路单位阻抗的阻抗角。

根据实际线路状况搭建仿真模型，带入公式确定电压暂降凹陷域临界距离，最终确定实际线路故障发生的范围。

具体推导过程，检测并获得电网中母线、故障支路参数以及非故障且具有负载运行支路参数，分别对各个参数进行分析运算确定电压暂降凹陷域临界距离与各个参数之间的关系，根据各个参数建立电网系统的线路等效电路图,并得到电流电压相量的关系图。初步推导分析得：具体推导过程，根据线路等效电路图可知：

其中

Z_k为故障支路阻抗的电阻值。推理分析得到：

其中：z₁＝r₁+jx₁，Z_S＝R_S+jX_S，l_crit为临界距离，Z_S为系统阻抗，z₁为非故障支路单位阻抗，

U_sag为母线电压，U_S为系统电压，x₁为非故障支路单位长度的线路电抗值，r₁为非故障支路单位长度的线路电阻值，X_S为系统阻抗的电抗值，R_S为系统阻抗，Z_load为非故障支路阻抗的电阻值，j为虚数。

根据

取l_crit的倒数可得：

通过电流电压相量的关系图分析参数系统阻抗的阻抗角与线路单位阻抗阻抗角，其中，β为系统阻抗的阻抗角，α为线路单位阻抗的阻抗角，分析可得

由于β₁＝γ+α，所以θ＝π-γ-β₂＝π-(β₁+β₂)+α，可以得到： cosθ＝-cos[(β₁+β₂)-α]。

再电压三角形中由余弦公式可以得到：

推导得出：

综合上式，可以得到在系统阻抗角与线路阻抗角存在明显差异情况下的电压暂降临界距离公式：

其中

为母线暂降电压标幺值。

根据实际线路状况搭建仿真模型，带入公式确定电压暂降凹陷域临界距离，以便能够精确找到线路发生故障的范围

参见图3-图4，以线路架空线型号为LJ-120的10kV电网线路为例，检测分析得到系统阻抗Z_S为0.2+j1.183Ω,其线路单位阻抗z₁为0.27+j0.35Ω，系统阻抗与线路阻抗阻抗角差异明显，不能忽略其对暂降深度的影响，其中安装有抗晃电装置的负荷功率约为 P_load＝450kW，由于其功率因数很高，所以可认为为纯阻性负载，计算得其阻抗约为 Z_load＝221.9Ω。

根据线路状况搭建仿真模型，在不同故障点处设置短路故障，测得其母线电压的暂降深度，并根据传统计算方法与考虑线路参数差异(负载支路和阻抗角)的计算方法进行比较，得到故障距离与暂降深度关系表如图3所示，根据图表中的数据绘制故障距离与暂降深度的关系曲线，如图4所示。在图4中可以明显看出，考虑线路参数差异(负载支路和阻抗角)的计算结果比传统的计算结果更加趋近于实际的仿真数据，可以看出此种方法在计算油田配电网的电压暂降凹陷域的临界距离时更加的准确，可为故障点的判断提供更加明确的参考。

本发明未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述，当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种适用于油田配电网确定故障线路范围的方法，其特征在于，根据实际油田配电网系统，分析油田配电网系统中节点和各支路情况，检测并获得油田配电网系统中母线参数、故障支路参数和非故障且具有负载运行支路参数，分析运算得到线路参数的阻抗角，分别对各个参数和阻抗角进行建模并分析推导确定电压暂降凹陷域临界距离与各个参数以及阻抗角的关系。

2.根据权利要求1所述的适用于油田配电网确定故障线路范围的方法，其特征在于，根据各个参数和阻抗角建立油田配电网系统的模型图分别为线路等效电路图和电流电压相量的关系图。

3.根据权利要求2所述的适用于油田配电网确定故障线路范围的方法，其特征在于，根据线路等效电路图和电流电压相量的关系图具体分析推导得到母线参数、故障支路参数以及非故障且具有负载运行的支路参数和阻抗角与电压暂降凹陷域临界距离倒数的关系公式为，

Z_S＝R_S+jX_S z₁＝r₁+jx₁

其中，式中，l_crit为临界距离，Z_S为系统阻抗，z₁为非故障支路线路单位阻抗，

U_sag为母线电压，U_S为系统电压，x₁为非故障支路单位长度的线路电抗值，r₁为非故障支路单位长度的线路电阻值，X_S为系统阻抗的电抗值，R_S为系统阻抗，Z_load为非故障支路阻抗的电阻值，j为虚数，β为系统阻抗的阻抗角，α为非故障支路线路单位阻抗的阻抗角。

4.根据权利要求3所述的适用于油田配电网确定故障线路范围的方法，其特征在于，根据实际线路状况搭建仿真模型，带入公式确定电压暂降凹陷域临界距离，最终确定实际线路故障发生的范围。

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