CN112269144A - 风力发电输电系统线路单相接地故障定位方法 - Google Patents

风力发电输电系统线路单相接地故障定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种风力发电输电系统线路单相接地故障定位方法，包括：根据风力发电输电系统线路单相接地短路回路阻抗或电抗与测量点到故障点的距离成正比，得到测量阻抗表达式；将测量端电压与零序电流、正序阻抗、过渡电阻建立数学模型；根据测量端流过电流与过渡电阻流过零序电流之间夹角很小，将测量端电压数学模型进行化简；为了消除过渡电阻对故障测距的影响，对测量端电压化简数学模型两侧同时×I0 *，即零序电流共轭复数，并只取虚部，通过测量阻抗与线路阻抗的比值，定位出故障点的位置，通过计算线路故障距离占线路总距离的百分比m，确定风电输电线路故障点所在位置。本发明通过阻抗测距法定位风力发电输电系统线路单相接地故障点。

Description

风力发电输电系统线路单相接地故障定位方法
技术领域
本发明涉及一种风力发电输电系统线路单相接地故障定位方法，通过阻抗测距法定位风力发电输电系统线路单相接地故障点，通过消除过渡电阻相使阻抗测距故障定位更加准确。
背景技术
随着风力发电等新能源系统容量不断增加，风电35kV输电线路日趋复杂，且多分布于不好检修的山川地形，这无疑为线路故障定位与排查带来了新的挑战。单相接地故障作为一种输电线路常见故障，可以占到全部线路故障的90％，如何在风电35kV输电线路中快速定位单相接地故障，排查并解决故障，防止其蔓延，确保系统稳定性，已经成为当今风力发电输电线路研究领域的重点。
目前广泛应用的接地故障测距方法分为：行波测距法和阻抗测距法。行波测距法是利用线路故障点发出的电流、电压行波信号，计量该信号到达检测点的时间来确定故障点位置。但在风电输电线路实际系统中，线路长度、参数往往不尽相同，这就会对行波传输造成影响，同时检测点对于行波数据处理会有一定延时，这就造成测距结果存在差异，无法准确定位故障。阻抗测距法是利用阻抗继电器原理进行单端故障测距，方法是利用故障点发出的电压、电流量计算故障回路阻抗，通过比较回路阻抗来确定故障位置。阻抗测距法用到的电压、电流量可以通过故障录波器或继电器记录得到，无需新增设备，成本可以得到很好控制，而且不受通信条件限制。但是在阻抗测距法实际应用中，实际测量数据受到过渡电阻的影响。
发明内容
本发明针对风电输电线路最常见接地故障——单相短路，分析风电35kV输电线路单相接地故障向量；研究含有过渡电阻的阻抗测距方法；提出一种对测量得到的电流、电压数据进行共轭运算，消除过渡电阻相，使故障定位更加准确的方法。
本发明采取如下技术方案来实现的：
风力发电输电系统线路单相接地故障定位方法，包括以下步骤：
1)根据风力发电输电系统线路单相接地短路回路阻抗或电抗与测量点到故障点的距离成正比，得到测量阻抗表达式；
2)将步骤1)中测量端电压与零序电流、正序阻抗、过渡电阻建立数学模型；
3)根据测量端流过电流与过渡电阻流过零序电流之间夹角很小，将步骤2)测量端电压数学模型进行化简；
4)为了消除过渡电阻对故障测距的影响，对步骤3)测量端电压化简数学模型两侧同时×I0 *，即零序电流共轭复数，并只取虚部，通过测量阻抗与线路阻抗的比值，定位出故障点的位置，通过计算线路故障距离占线路总距离的百分比m，确定风电输电线路故障点所在位置。
本发明进一步的改进在于，步骤1)根据风力发电输电系统线路单相接地短路回路阻抗或电抗与测量点到故障点的距离成正比，得到测量阻抗表达式：
Figure BDA0002724320730000021
其中：M端为测量端，ZM表示测量阻抗；
Figure BDA0002724320730000022
为M端测量电压、电流；mZL为故障线路阻抗；
Figure BDA0002724320730000023
为过渡电阻流过电流；Rf为故障点过渡电阻。
本发明进一步的改进在于，，步骤2)的具体实现方法为：将步骤1)中测量端电压与零序电流、正序阻抗、过渡电阻建立数学模型：
Figure BDA0002724320730000024
其中：k为阻抗补偿系数；mZ1为故障线路正序阻抗；
Figure BDA0002724320730000025
为过渡电阻流过零序电流；
Figure BDA0002724320730000026
为流过线路零序电流。
本发明进一步的改进在于，流过线路零序电流
Figure BDA0002724320730000031
表示为：
Figure BDA0002724320730000032
其中：
Figure BDA0002724320730000033
为A、B、C三相电路线电流。
本发明进一步的改进在于，步骤3)的具体实现方法为：根据测量端流过电流与过渡电阻流过零序电流之间夹角γ＜10°，可近似认为对故障定位精度无影响，
Figure BDA0002724320730000034
与
Figure BDA0002724320730000035
同相位，则步骤3)中
Figure BDA0002724320730000036
用
Figure BDA0002724320730000037
代替，将步骤2)测量端电压数学模型化简为：
Figure BDA0002724320730000038
本发明进一步的改进在于，步骤4)的具体实现方法为：为了消除过渡电阻对故障测距的影响，对步骤3)测量端电压化简数学模型两侧同时×I0 *，即零序电流共轭复数，并只取虚部，通过测量阻抗与线路阻抗的比值，定位出故障点的位置，表达式为：
Figure BDA0002724320730000039
通过计算线路故障距离占线路总距离的百分比m，确定风力发电输电系统线路故障点所在位置。
与现有技术相比，本发明至少具有如下有益的技术效果：
1.本发明将阻抗测距法应用于风电35kV输电线路单相接地故障定位中，该故障定位法所用到的电压、电流量可以通过故障录波器或继电器记录得到，无需新增设备，成本得到很好控制，而且不受通信条件限制。
2.本发明提出一种将测量得到的电流、电压数据进行共轭运算，消除过渡电阻相的阻抗测距法，该方法使风电35kV输电线路单相接地故障定位更加准确。
附图说明
图1为风电35kV输电线路单相接地等效网络图；
图2为单条线路接地故障内部电路图；
图3为A相接地短路接地，三相电压波形；
图4为A相接地短路接地，三相电流波形。
具体实施方式
下面通过附图，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
如图1所示，风电35kV输电线路有n条出线，其中第k条线路发生单相接地故障。Ci(i＝1,2,3,...,n)为线路进线对地电容；Ri(i＝1,2,3,...,n)为各条线路等效电阻；Li(i＝1,2,3,...,n)为各条线路等效电感；
Figure BDA0002724320730000041
为发生故障后，各条线路流过的零序电流。在故障线路上，Rf为故障点过渡电阻；
Figure BDA0002724320730000042
为故障点等效零序电压源；
Figure BDA0002724320730000043
为故障点处电流。
非故障线路上零序电流大小与本线路对地电容流过电流相等，故障线路上零序电流大小等于所有非故障线路零序电流总和。当发生单相接地故障后，为了防止故障扩大为两点、多点接地短路，应该及时定位故障，并予以消除。
如图2所示，为了得到阻抗测距数学模型，需要假设风电35kV输电各条线路为均匀导体，在单相接地短路故障中，故障回路阻抗或电抗与测量点到故障点的距离成正比。设M端为测量端，ZM表示测量阻抗，计算公式为：
Figure BDA0002724320730000044
式中：
Figure BDA0002724320730000045
为M端测量电压、电流；mZL为故障线路阻抗；
Figure BDA0002724320730000046
为过渡电阻流过电流。
风电35kV单条输电线路为abc三相电路，
Figure BDA0002724320730000047
可以表示为：
Figure BDA0002724320730000048
式中：k为阻抗补偿系数；mZ1为故障线路正序阻抗；
Figure BDA0002724320730000049
为过渡电阻流过零序电流；
Figure BDA00027243207300000410
为流过线路零序电流，表达式为：
Figure BDA0002724320730000051
式中：
Figure BDA0002724320730000052
为A、B、C三相电路线电流。
在风电35kV输电线路实际运行中，M端流过电流与过渡电阻流过零序电流之间夹角γ＜10°，可近似认为对故障定位精度无影响，
Figure BDA0002724320730000053
与
Figure BDA0002724320730000054
同相位，则式(2)中
Figure BDA0002724320730000055
可以用
Figure BDA0002724320730000056
代替，式(2)可简化为：
Figure BDA0002724320730000057
当风电35kV输电线路三相线路中A相发生单相接地故障时，式(4)可转换为：
Figure BDA0002724320730000058
为了消除过渡电阻对故障测距的影响，对上式两侧同时×I0 *，即零序电流共轭复数，并只取虚部，通过测量阻抗与线路阻抗的比值，定位出故障点的位置，表达式为：
Figure BDA0002724320730000059
通过计算线路故障距离占线路总距离的百分比m，可以确定风电35kV输电线路故障点所在位置。
为了验证本发明所提方案的有效性。在Matlab/Simulink下搭建与实际风电35kV输电线路匹配的仿真模型，仿真示意图与图1类似，故障测距数据采集点在风机侧，为了抑制单相接地产生的高次谐波，利用LC滤波电路。35kV输电线路仿真参与为：线路长度为10km；相电压有效值为220V；正序电阻为0.22Ω；零序电阻为0.14Ω；正序电抗为3.08Ω；零序电抗为3.38Ω。L滤波电感为1.5mH；滤波电容为10μF。
如图3所示，如图4所示，风电35kV某条输电线路发生A相短路接地故障后，A相电压幅值减小，B、C相电压基本保持不变，当故障消除后三相电压又达到平衡。故障期间A、B、C相电流基本对称，幅值增长满足额定电流限制，故障消除后，很快恢复至系统额定运行。
为了验证本发明所提改进阻抗测距法可以满足故障精确定位要求，每隔1km设置一个短路接地点，分9次仿真，不同过渡电阻对应的仿真结果如表1、表2、表3、表4所示。
表1过渡电阻为0.001Ω，传统测距方法仿真表
Figure BDA0002724320730000061
表2过渡电阻为0.01Ω，传统测距方法仿真表
Figure BDA0002724320730000062
表3过渡电阻为0.001Ω，本发明所提测距方法仿真表
Figure BDA0002724320730000071
表4过渡电阻为0.01Ω，本发明所提测距仿真表
Figure BDA0002724320730000072
通过表1、表2、表3、表4可以得到计算误差随着故障点远离采集点增大，这是由于信号传输距离增长造成的；通过对比表1和表2，可以得到计算误差与过渡电阻有着密切关系，随着过渡电阻的增大10倍，测距误差也增大至100m～110m，测量精度得到影响；通过对比表1和表3，可以看到采用本发明所提阻抗测距方法相较于传统阻抗测距方法，测距误差相对减少3m～10m，但由于本来过渡电阻就接近于0，精度提高不明显；通过对比表2和表4，可以得到用本发明所提阻抗测距方法相较于传统阻抗测距方法，测量误差减少很多，测距误差相对减少100m～122m，故障定位效果对于过渡电阻大的接地工况，故障定位更为准确。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (6)

1.风力发电输电系统线路单相接地故障定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)根据风力发电输电系统线路单相接地短路回路阻抗或电抗与测量点到故障点的距离成正比，得到测量阻抗表达式；
2)将步骤1)中测量端电压与零序电流、正序阻抗、过渡电阻建立数学模型；
3)根据测量端流过电流与过渡电阻流过零序电流之间夹角很小，将步骤2)测量端电压数学模型进行化简；
4)为了消除过渡电阻对故障测距的影响，对步骤3)测量端电压化简数学模型两侧同时×I0 *，即零序电流共轭复数，并只取虚部，通过测量阻抗与线路阻抗的比值，定位出故障点的位置，通过计算线路故障距离占线路总距离的百分比m，确定风电输电线路故障点所在位置。
2.根据权利要求1所述的风力发电输电系统线路单相接地故障定位方法，其特征在于，步骤1)根据风力发电输电系统线路单相接地短路回路阻抗或电抗与测量点到故障点的距离成正比，得到测量阻抗表达式：
Figure FDA0002724320720000011
其中：M端为测量端，ZM表示测量阻抗；
Figure FDA0002724320720000012
为M端测量电压、电流；mZL为故障线路阻抗；
Figure FDA0002724320720000013
为过渡电阻流过电流；Rf为故障点过渡电阻。
3.根据权利要求2所述的风力发电输电系统线路单相接地故障定位方法，其特征在于，步骤2)的具体实现方法为：将步骤1)中测量端电压与零序电流、正序阻抗、过渡电阻建立数学模型：
Figure FDA0002724320720000014
其中：k为阻抗补偿系数；mZ1为故障线路正序阻抗；
Figure FDA0002724320720000015
为过渡电阻流过零序电流；
Figure FDA0002724320720000016
为流过线路零序电流。
4.根据权利要求3所述的风力发电输电系统线路单相接地故障定位方法，其特征在于，流过线路零序电流
Figure FDA0002724320720000021
表示为：
Figure FDA0002724320720000022
其中：
Figure FDA0002724320720000023
为A、B、C三相电路线电流。
5.根据权利要求4所述的风力发电输电系统线路单相接地故障定位方法，其特征在于，步骤3)的具体实现方法为：根据测量端流过电流与过渡电阻流过零序电流之间夹角γ＜10°，可近似认为对故障定位精度无影响，
Figure FDA0002724320720000024
与
Figure FDA0002724320720000025
同相位，则步骤3)中
Figure FDA0002724320720000026
用
Figure FDA0002724320720000027
代替，将步骤2)测量端电压数学模型化简为：
Figure FDA0002724320720000028
6.根据权利要求5所述的风力发电输电系统线路单相接地故障定位方法，其特征在于，步骤4)的具体实现方法为：为了消除过渡电阻对故障测距的影响，对步骤3)测量端电压化简数学模型两侧同时×I0 *，即零序电流共轭复数，并只取虚部，通过测量阻抗与线路阻抗的比值，定位出故障点的位置，表达式为：
Figure FDA0002724320720000029
通过计算线路故障距离占线路总距离的百分比m，确定风力发电输电系统线路故障点所在位置。
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