CN112505489A

CN112505489A - 风电场集电线故障定位方法

Info

Publication number: CN112505489A
Application number: CN202011472359.0A
Authority: CN
Inventors: 卢茂茂; 肖盛忠; 萨仁娜; 朱轶; 李凌峰; 张宇楠; 金鑫
Original assignee: Inner Mongolia Huadian Meiguiying Wind Power Generation Co ltd
Current assignee: Inner Mongolia Huadian Meiguiying Wind Power Generation Co ltd
Priority date: 2020-12-14
Filing date: 2020-12-14
Publication date: 2021-03-16

Abstract

本发明公开了一种风电场集电线故障定位方法，包含以下步骤：S1、计算所有集电线首端零序电流有效值，并通过比较各个集电线首端零序电流有效值的大小定位故障点所在集电线；S2、根据故障集电线各区段的三相电流相量计算故障集电线各区段的电流不对称程度差，并通过比较故障集电线各区段的电流不对称程度差的大小定位故障区段。本发明能迅速准确地判断故障点所在集电线，以及故障集电线上故障点所在的区段，不需要耗费大量时间，不需要进行复杂的现场试验。

Description

风电场集电线故障定位方法

技术领域

本发明涉及电力线路故障定位技术领域，尤其涉及一种风电场集电线不对称接地故障定位方法。

背景技术

当前，新能源发电形势日新月异，其中风力发电正向着大规模、高集中开发方向快速发展，大容量风电场不断涌现。但是，我国风电场大都分布于“三北”地区，自然环境较为恶劣，因此风电场集电线故障频发。比如，风电场风力大时，架空集电线路的绝缘子、耐张塔跳线以及导线都会一直产生较大幅度的摆动，这些摆动有时会造成带电部分同杆塔之间的闪络，从而出现单相或两相接地短路；当架空集电线路某些部分处于雷击较频繁的区域，极易发生雷击；受气候条件和地理环境的影响，绝缘雾闪和线路金具损坏引起的短路故障也时有发生。然而由于风电场地形以山地、荒野为主，故障跳闸后故障点查找困难，导致较长时间的弃风窝电现象，严重影响了风力资源的有效利用。统计资料表明，在各种短路故障中，集电线不对称接地故障一般占85％以上。因此，设计专门针对不对称接地故障的故障定位方案意义重大。

就目前的集电线故障定位方案来说，因为风电场集电线路中性点接地方式特殊，且含有大量的分支线路，且线路较短，中性点直接接地的高压输电线路的故障测距方法在风电场无效，实际工程多采用人工巡线，而且主要针对可通过肉眼观察发现的故障，但需要对整条线路逐一排查；对于那些无法用肉眼看到的故障，需要对线路逐段进行绝缘测试。这些方案均会耗费大量的时间和人力。在理论研究方面，有文献认为集电线故障区段两侧零序电流几乎反相位，而正常区段零序电流同相位，因此文章采用相关系数比较区段两侧零序电流的相似程度，实现了故障区段的识别。上述方案判据简单，但是实际应用时，需要在每个区段的两侧均安装零序电流测量装置，硬件投资大。另有文献首先利用区段测点测得的零序电压零序电流判断故障区间，然后采用改进行波法进一步寻找准确的故障位置；此方案理论上定位更加准确，但是应用时，不仅需要安装大量的零序电压电流测量装置，而且需要昂贵的行波设备。还有文献应用了人工智能机器学习的方法，由不同故障状况的测点数据，训练得到故障定位模型，仅利用母线处的测点即可完成故障定位。但是，此方案要求既有数据的数量较多、对应故障状况较为丰富，对于新建风电场或故障数据不完整、故障种类单一的风电场，应用起来较为困难。

不管是工程实际还是理论研究，目前针对风电场集电线故障定位都缺少实用、有效的方案。

发明内容

本发明提出了一种风电场集电线故障定位方法，通过采集风电场升压站中压母线三相电压、集电线首端三相电流以及集电线各区段三相电流，并基于不同位置出现不对称接地故障时的故障特征差异，能够有效判断出故障类型、故障点所处集电线以及故障点所处区段。

为了达到上述目的，本发明提出了一种风电场集电线故障定位方法，用于定位风电场集电线不对称接地故障，所述风电场包含多条集电线，每条集电线连接有多个风电机组，所述多个风电机组将该条集电线划分为若干区段，所述多条集电线的首端均接入升压站中的中压母线上，并经主变压器与系统相连；所述故障定位方法，包含以下步骤：

S1、计算所有集电线首端零序电流有效值，并通过比较各个集电线首端零序电流有效值的大小定位故障点所在集电线；

S2、计算故障集电线各区段的电流不对称程度差，并通过比较故障集电线各区段的电流不对称程度差的大小定位故障区段。

进一步地，步骤S1中，所述计算所有集电线首端零序电流有效值的方法，包含以下步骤：

采集所有集电线首端三相电流相量；

根据集电线首端三相电流相量分别计算各条集电线首端零序电流的有效值；

所述集电线首端零序电流的有效值等于所述集电线首端零序电流相量的模值，所述集电线首端零序电流相量计算公式为：

式中，分别表示第i条集电线首端的三相电流相量。

进一步地，步骤S1中，所述定位故障点所在集电线的方法，包含：比较所有集电线首端零序电流有效值的大小，并将其中零序电流有效值最大的集电线作为故障点所在集电线。

进一步地，步骤S2中，所述故障集电线各区段的电流不对称程度差的计算方法，包含以下步骤：

采集故障集电线各区段的首端以及最后一个区段的末端的三相电流相量；

根据采集的三相电流相量分别计算各区段的首端以及最后一个区段的末端的电流不对称程度指标；

根据所计算的电流不对称程度指标计算故障集电线各区段的电流不对称程度差；

所述电流不对称程度指标的计算公式为：

式中，

分别表示故障集电线某一区段的首端或最后一个区段的末端的三相电流相量；

所述各区段的电流不对称程度差的计算公式为：

ΔHI_k＝HI_m-HI_n

式中，HI_m、HI_n分别表示故障集电线第k区段的首端的电流不对称程度指标、近邻第k区段的下一区段的首端的电流不对称程度指标，所述第k区段为最后一个区段时，HI_n为第k区段的末端的电流不对称程度指标。

进一步地，步骤S2中，所述定位故障区段的方法，包含：比较故障集电线各区段的电流不对称程度差的大小，并将其中电流不对称程度差数值最大的区段作为故障区段。

进一步地，所述步骤S1前还包括以下步骤：

采集中压母线的零序电压，并根据中压母线的零序电压有效值判断风电场是否出现不对称接地短路故障，若是，则执行步骤S1；若不是，则重复执行本步骤。

进一步地，所述采集中压母线零序电压的方法，包括以下步骤：

采集风电场升压站中的中压母线的三相电压相量；

根据中压母线的三相电压相量计算中压母线零序电压有效值；

所述中压母线零序电压的有效值等于所述中压母线零序电压相量的模值，所述中压母线零序电压相量计算公式为：

式中，分别为中压母线的三相电压相量。

进一步地，所述判断风电场是否出现不对称接地短路故障的方法，包括：判断中压母线的零序电压的有效值是否大于中压母线额定相电压有效值的15％，若是，则所述风电场出现不对称接地短路故障，否则，该风电场未出现不对称接地短路故障。

进一步地，所述风电场集电线故障定位方法，还包括以下步骤：采集中压母线三相电压有效值，并通过比较中压母线三相电压有效值的大小判断风电场故障类型。

进一步地，所述判断风电场故障类型的方法，包含：比较中压母线三相电压有效值的大小，将其中电压幅值跌落最大的相别作为故障相，进而通过故障相的数量得到故障类型为单相接地短路或两相接地短路。

进一步地，在风电场的升压站中的中压母线上安装电压传感器，以便测量中压母线三相电压有效值。

进一步地，在风电场每条集电线的所有区段的首端均安装一个三相电流测量装置，以便测量每条集电线首端的三相电流相量以及每条集电线上各个区段的首端的三相电流相量；在风电场每条集电线上的最后一个区段的末端均安装一个三相电流测量装置，以便测量每条集电线上的最后一个区段的末端的三相电流相量。

本发明具有以下优势：

本发明能构快速、准确地判断出故障点所在集电线，以及故障集电线上故障点所在的区段，不需要耗费大量时间，不需要进行复杂的现场试验，同时，本发明还可以判断出不对称接地故障的故障类型。此外，本发明所需测量装置较少，对于集电线的大部分区段，本发明只在各区段的一侧安装测量装置，大大节省了硬件成本，且仍可以有效描述集电线各区段两端的电流不对称程度的差异，而且，本发明只需要利用当前采集的电压、电流三相向量的数据，无需依赖既往故障数据，使得本发明具有较强的应用性。

附图说明

图1为本发明提供的风电场的拓扑结构图；

图2为本发明提供的一种风电场集电线故障定位方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

如图1所示，为风电场的拓扑结构图。所述风电场通常包含多条集电线，每条集电线上均连接有多个风电机组，所述多个风电机组均经箱式变电站将电能汇集于该条集电线上。同时，所述多个风电机组将该条集电线划分为若干区段。所述多条集电线的首端均接入升压站中的主变压器侧的中压母线上，并经主变压器升压至高压再与系统相连。

风电场的结构特点在于：

每台风电机组通常经一段电缆与集电线相连，并且每条集电线也一般通过一段电缆接入升压站，这使得风电场呈现出线路混合的特点，但是风电场内的电缆都很短。每条集电线连接多台风电机组，形成多分支的辐射型网，并且单条集电线都较短，一般在20km以内，因此使得相邻风电机组的距离同样很短，约在1km左右。为了保证风电场的安全性与可靠性，在主变压器中压母线一般会采用Z型接地变压器接地，或是主变压器中压母线侧采用星型接线，从而可以引出中性点接地。

本发明在风电场的升压站中的中压母线上安装电压传感器，以便测量中压母线三相电压相量。在风电场每条集电线上的所有区段中靠近系统的一侧均安装一个三相电流测量装置，并在每条集电线上的最后一个区段的末端也安装一个三相电流测量装置。集电线上的第一个区段中靠近系统一侧安装的三相电流测量装置用于测量该集电线上的第一个区段的首端的三相电流相量，该三相电流相量同时也是该条集电线首端的三相电流相量；该集电线上的第二个区段中靠近系统一侧安装的三相电流测量装置用于测量该集电线上的第二个区段的首端的三相电流相量，依此类推，从而得到每条集电线首端的三相电流相量、每条集电线上各区段首端的三相电流相量；每条集电线上的最后一个区段的末端安装的三相电流测量装置用于测量每条集电线上最后一个区段的末端的三相电流相量。

如图2所示，为本发明提供的一种风电场集电线故障定位方法，包含以下步骤：

S1、采集中压母线的零序电压，并根据中压母线的零序电压有效值判断风电场是否出现不对称接地短路故障；若是，则执行步骤S2，若不是，则重复执行步骤S1。

当风电场集电线出现不对称接地短路时，在风电场内部会形成故障点-集电线-主变压器(或故障点-集电线-接地变压器)的零序回路，中压母线处电压因此出现零序分量。然而在正常状况或出现三相短路、两相短路时，中压母线电压均不存在零序分量。因此，可通过判断中压母线电压是否出现较大零序分量从而判断风电场内部是否出现不对称接地短路故障。

具体地，步骤S1具体包含以下步骤：

S1.1、采集风电场升压站中的中压母线的三相电压相量；

S1.2、根据中压母线的三相电压相量计算中压母线零序电压有效值；

式中，

分别为中压母线的三相电压相量。

S1.3、判断中压母线的零序电压的有效值是否大于中压母线额定相电压有效值的15％，若是，则所述风电场出现不对称接地短路故障，并执行步骤S2；否则，该风电场未出现不对称接地短路故障，重复执行步骤S1.1-S1.3。

S2、采集中压母线三相电压有效值，并通过比较中压母线三相电压有效值的大小判断风电场故障类型。

当风电场集电线出现接地故障时，故障点处故障相电压会出现跌落。由于风电场集电线较短，一般在20km以内，在集电线因接地故障出现电压跌落时，整个风电场中压母线的三相电压都会被影响，同样会出现跌落。因此，可利用安装在风电场的升压站中的中压母线上的电压传感器，测量中压母线的三相电压有效值，并通过判断中压母线三线电压有效值的跌落情况，从而判断风电场故障类型。

具体地，所述步骤S2具体包含以下步骤：

S2.1、采集中压母线三相电压有效值，分别记为：U_A、U_B、U_C；

S2.2、比较中压母线三相电压有效值的大小，将其中电压幅值跌落最大的相别作为故障相，进而得到风电场的故障类型；同时，也可通过故障相的数量得知风电场故障类型为单相接地短路或两相接地短路。由表1所示：

表1

中压母线三相电压有效值大小关系	故障类型
		U<sub>A</sub><U<sub>B</sub>≈U<sub>C</sub>	A相接地
U<sub>B</sub><U<sub>A</sub>≈U<sub>C</sub>	B相接地
		U<sub>C</sub><U<sub>A</sub>≈U<sub>B</sub>	C相接地
UA≈U<sub>B</sub><U<sub>C</sub>	AB相接地
		U<sub>B</sub>≈U<sub>C</sub><U<sub>A</sub>	BC相接地
U<sub>C</sub>≈U<sub>A</sub><U<sub>B</sub>	CA相接地

S3、计算所有集电线首端零序电流有效值，并通过比较各个集电线首端零序电流有效值的大小定位故障点所在集电线。

由于故障点所在集电线参与构成风电场零序电流回路，而正常集电线处于零序开路状态，因此故障集电线首端会有较大零序电流流过，而正常集电线零序电流几乎为0。所以，通过比较所有集电线首端的零序电流有效值大小，定位故障点所在集电线。

具体地，所述步骤S3具体包含以下步骤：

S3.1、采集所有集电线首端三相电流相量；

S3.2、根据集电线首端三相电流相量分别计算各条集电线首端零序电流的有效值；

式中，

分别表示第i条集电线首端的三相电流相量。

S3.3、比较所有集电线首端零序电流有效值的大小，并将其中零序电流有效值最大的集电线作为故障点所在集电线。

S4、计算故障集电线各区段的电流不对称程度差，并通过比较故障集电线各区段的电流不对称程度差的大小定位故障区段。

在集电线无故障或出现三相短路时，风电场拓扑结构仍然对称，因此稳态时集电线三相电流仍然对称，但是当集电线出现不对称接地故障时，由于拓扑结构的对称性遭到破坏，集电线三相电流会出现负序、零序分量，三相电流因此不再对称。但是，比较故障点两侧电路的拓扑结构可知，故障时故障点至中压母线间的电流相较于故障点至集电线末端间的电流不对称程度更大。原因可以分别从负序、零序网络的拓扑结构来分析：负序网络中，故障点至集电线末端之间对地阻抗主要是风电机组的电源阻抗，而故障点至中压母线之间对地阻抗包含风电机组的电源阻抗以及系统的电源阻抗，由于系统的电源阻抗更小，因此故障点至中压母线这一侧的负序电流更大；另外，由于风电机组箱式变电站在集电线侧均为三角形接线，因此故障点至集电线末端构不成零序回路，没有零序电流，而故障点至中压母线由于有接地变压器或主变压器中性点接地，可以经大地形成零序回路，所以零序电流较大；所以，故障路径(即短路电流流过的路径)上的电流比其他路径上的电流不对称程度更大。因此，在定位得到故障集电线及故障类型后，可通过判断故障集电线上电流不平衡程度的跃变点就可以定位得到故障点所在区段。

具体地，所述步骤S4具体包含以下步骤：

S4.1、采集故障集电线各区段的首端以及最后一个区段的末端的三相电流相量；

S4.2、根据采集的三相电流相量分别计算各区段的首端以及最后一个区段的末端的电流不对称程度指标；

所述电流不对称程度指标的计算公式为：

式中，分别表示故障集电线某一区段的首端或最后一个区段的末端的三相电流相量；

S4.3、根据所计算的电流不对称程度指标计算故障集电线各区段的电流不对称程度差；

所述各区段的电流不对称程度差的计算公式为：

ΔHI_k＝HI_m-HI_n

S4.4、比较故障集电线各区段的电流不对称程度差的大小，并将其中电流不对称程度差数值最大的区段作为故障区段。

故障集电线各区段三相电流相量测量时，由于时钟可能不完全相同，不同安装位置处的三相电流测量装置之间的相量会存在一定的相位误差。若直接用三相电流相量差表示电流不对称程度，那么相位误差会对电流不对称程度的比较产生影响。本发明采用电流不对称程度指标综合衡量故障集电线三相电流之间有效值、相位的差异，可以较充分地表征故障集电线三相电流的不对称程度差，并且可以消除测点间相位误差对电流不对称程度比较的影响。

本发明能准确判断故障点所在集电线，以及故障集电线上故障点所在的区段，同时，本发明还可以判断出不对称接地故障的故障类型。本发明定位迅速，可以自动寻找故障区段，不需要耗费大量时间，不需要进行复杂的现场试验。

此外，本发明所需测量装置较少，对于集电线的大部分区段，本发明在在区段的一侧安装测量装置，大大节省了硬件成本，且仍可以有效描述集电线各区段两端的电流不对称程度的差异。而且，本发明只需要利用当前采集的电压、电流三相向量的数据，无需依赖既往故障数据，使得本发明具有较强的应用性。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims

1.一种风电场集电线故障定位方法，用于定位风电场集电线不对称接地故障，所述风电场包含多条集电线，每条集电线连接有多个风电机组，所述多个风电机组将该条集电线划分为若干区段，所述多条集电线的首端均接入升压站中的中压母线上，并经主变压器与系统相连；其特征在于，所述故障定位方法，包含以下步骤：

2.如权利要求1所述的风电场集电线故障定位方法，其特征在于，所述步骤S1前还包括以下步骤：

3.如权利要求1所述的风电场集电线故障定位方法，其特征在于，所述风电场集电线故障定位方法，还包括以下步骤：采集中压母线三相电压有效值，并通过比较中压母线三相电压有效值的大小判断风电场故障类型。

4.如权利要求1所述的风电场集电线故障定位方法，其特征在于，步骤S1中，所述计算所有集电线首端零序电流有效值的方法，包含以下步骤：

采集所有集电线首端三相电流相量；

式中，

分别表示第i条集电线首端的三相电流相量。

5.如权利要求1所述的风电场集电线故障定位方法，其特征在于，步骤S1中，所述定位故障点所在集电线的方法，包含：比较所有集电线首端零序电流有效值的大小，并将其中零序电流有效值最大的集电线作为故障点所在集电线。

6.如权利要求1所述的风电场集电线故障定位方法，其特征在于，步骤S2中，所述故障集电线各区段的电流不对称程度差的计算方法，包含以下步骤：

所述电流不对称程度指标的计算公式为：

所述各区段的电流不对称程度差的计算公式为：

ΔHI_k＝HI_m-HI_n

7.如权利要求1所述的风电场集电线故障定位方法，其特征在于，步骤S2中，所述定位故障区段的方法，包含：比较故障集电线各区段的电流不对称程度差的大小，并将其中电流不对称程度差数值最大的区段作为故障区段。

8.如权利要求2所述的风电场集电线故障定位方法，其特征在于，所述采集中压母线零序电压的方法，包括以下步骤：

采集风电场升压站中的中压母线的三相电压相量；

式中，分别为中压母线的三相电压相量。

9.如权利要求2所述的风电场集电线故障定位方法，其特征在于，所述判断风电场是否出现不对称接地短路故障的方法，包括：判断中压母线的零序电压的有效值是否大于中压母线额定相电压有效值的15％，若是，则所述风电场出现不对称接地短路故障，否则，该风电场未出现不对称接地短路故障。

10.如权利要求3所述的风电场集电线故障定位方法，其特征在于，所述判断风电场故障类型的方法，包含：比较中压母线三相电压有效值的大小，将其中电压幅值跌落最大的相别作为故障相，进而通过故障相的数量得到故障类型为单相接地短路或两相接地短路。