CN113346466B - 一种计及对地电容的逆变型电站单相接地故障保护方法 - Google Patents

一种计及对地电容的逆变型电站单相接地故障保护方法 Download PDF

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CN113346466B CN202110701032.4A CN202110701032A CN113346466B CN 113346466 B CN113346466 B CN 113346466B CN 202110701032 A CN202110701032 A CN 202110701032A CN 113346466 B CN113346466 B CN 113346466B
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    • H02H3/083—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to excess current for three-phase systems

Abstract

本发明公开了一种计及对地电容的逆变型电站单相接地故障保护方法，基于故障逆变型电源电流正序分量计算故障节点短路电流正序分量；基于故障节点短路电流正序分量计算故障逆变型电源电压正序分量；基于故障逆变型电源电压正序分量计算新的故障逆变型电源电流正序分量，循环迭代，直至相邻两次故障逆变型电源电流正序分量差值满足精度要求，再计算故障节点短路电流分量及各节点电压分量，进而实现故障保护。故障节点短路电流分量由故障节点自阻抗决定，故障节点自阻抗与汇集系统内电缆线路对地电容的总和负相关。本发明在考虑逆变型电源非线性特性的同时，计及了汇集系统对地电容对于零序网络的影响，能够准确计算故障节点短路电流。

Description

一种计及对地电容的逆变型电站单相接地故障保护方法
技术领域
本发明涉及电网继电保护技术领域，特别的涉及一种计及对地电容的逆变型电站单相接地故障保护方法。
背景技术
大力发展清洁能源是解决传统化石能源短缺和环境问题日益严重的必然选择，近年来，以太阳能光伏电源、永磁直驱风电机组、燃气轮机电源和燃料电池发电系统为代表的逆变型电源得到了大力的发展，逆变型电源的非线性特性导致传统的故障分析方法不再适用。
为了有效地降低单相接地故障时的过电压水平，大型逆变型场站已广泛采用中性点经电阻接地的运行方式。由于站内大量敷设电缆线路，导致汇集系统的对地容抗较小，现有的故障分析方法忽略了对地容抗和逆变型电源对零序电流的影响，当中性点电阻的阻值增大到电阻支路阻抗与对地电容支路的容抗可比时，若不考虑对地电容，会给短路电流的计算带来较大的误差，导致保护整定计算失当，并最终引起继电保护的错误动作。
综上所述，如何准确计算短路电流，进而保证继电保护整定和配置的准确，成为了本领域技术人员急需解决的问题。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何准确计算短路电流，进而保证继电保护整定和配置的准确。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
一种计及对地电容的逆变型电站单相接地故障保护方法，包括：
S1、获取逆变型电源未故障时的正序电流值，将逆变型电源未故障时的正序电流值设为k＝0时故障逆变型电源电流正序分量，初始化迭代次数k，使k＝1；
S2、基于第k-1次迭代时故障逆变型电源电流正序分量计算第k次迭代时故障节点短路电流正序分量；
S3、基于第k次迭代时故障节点短路电流正序分量计算第k次迭代时故障逆变型电源电压正序分量；
S4、基于第k次迭代时故障逆变型电源电压正序分量计算第k次迭代时故障逆变型电源电流正序分量；
S5、若第k-1次迭代时故障逆变型电源电流正序分量与第k次迭代时故障逆变型电源电流正序分量差值大于或等于预设阈值，则使迭代次数k的值加1，返回执行步骤S2；否则，执行步骤S6；
S6、基于第k次迭代时故障逆变型电源电流正序分量计算故障节点短路电流分量及各节点电压分量，故障节点短路电流分量基于故障节点自阻抗计算，故障节点自阻抗与逆变型电站中汇集系统内所有电缆线路对地电容的总和负相关；
S7、基于故障节点短路电流分量及各节点电压分量实现继电保护，继电保护包括零序电流保护、纵联零序电流差动保护或零序电压电流保护。
优选地，步骤S2中，第k次迭代时故障节点短路电流正序分量
Figure GDA0003869515960000021
按下式计算：
Figure GDA0003869515960000022
式中，
Figure GDA0003869515960000023
为第k次迭代时系统电源在故障节点产生的电压正常分量，
Figure GDA0003869515960000024
为第k次迭代时故障分量网络中所有逆变型电源接入节点的集合，
Figure GDA0003869515960000025
和
Figure GDA0003869515960000026
分别为第k次迭代时故障节点的正序自阻抗、负序自阻抗和零序自阻抗，
Figure GDA0003869515960000027
为第k次迭代时的过渡阻抗，
Figure GDA0003869515960000028
为第k次迭代时故障节点与故障分量网络中第j个逆变型电源接入节点的正序阻抗，
Figure GDA0003869515960000029
为第k-1次迭代时第j个逆变型电源电流正序分量。
优选地，第k次迭代时故障节点的零序自阻抗
Figure GDA00038695159600000210
Rg为中性点电阻接地回路阻抗，C0∑为汇集系统内所有电缆线路对地电容的总和。
优选地，故障逆变型电源为接入逆变型电站的第i个逆变型电源，步骤S3中，第k次迭代时故障逆变型电源电压正序分量
Figure GDA00038695159600000211
式中，
Figure GDA00038695159600000212
为第k次迭代时系统电源在节点i产生的电压正常分量。
优选地，步骤S4中，第k次迭代时故障逆变型电源电流正序分量
Figure GDA00038695159600000213
式中，
Figure GDA00038695159600000214
和
Figure GDA00038695159600000215
均为中间参数，
Figure GDA00038695159600000216
Pi *(k)和
Figure GDA00038695159600000217
分别为第k次迭代时故障逆变型电源对应的有功参考功率和无功参考功率。
优选地，故障节点短路电流分量包括
Figure GDA0003869515960000031
和
Figure GDA0003869515960000032
按下式计算
Figure GDA0003869515960000033
优选地，为进一步优化上述技术方案，故障网络中任一节点i的电压分量按下式计算
Figure GDA0003869515960000034
其中，
Figure GDA0003869515960000035
分别为节点i的电压分量，
Figure GDA0003869515960000036
和
Figure GDA0003869515960000037
为节点i和故障节点f之间的正负零的互阻抗，GPV为故障分量网络中所有逆变电源接入的节点集合，Ui-S(0)为系统电源在节点i产生的电压正常分量，
Figure GDA0003869515960000038
为节点i和节点j之间的互阻抗。
综上所述，本发明具有以下优点：
本发明在考虑逆变型电源非线性特性的同时，计及了汇集系统对地电容对于零序网络的影响，能够准确计算故障节点短路电流，为继电保护整定和配置的准确性提供了有力保障。
附图说明
图1为本发明公开的一种计及对地电容的逆变型电站单相接地故障保护方法的流程图；
图2为一逆变型电站的通用拓扑结构示意图；
图3至图5为图2中K、K'和K”点发生故障时的故障零序等效网络示意图；
图6为另一逆变型电站的拓扑结构示意图；
图7为图6中K点发生单相接地故障时的故障零序等效网络示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所述，本发明公开了一种计及对地电容的逆变型电站单相接地故障保护方法，包括：
S1、获取逆变型电源未故障时的正序电流值，将逆变型电源未故障时的正序电流值设为k＝0时故障逆变型电源电流正序分量，初始化迭代次数k，使k＝1；
本发明中，发生故障时，逆变型电源可等效为压控电流源，逆变型电源未故障时的正序电流值即是压控电流源输出的故障前电流。
S2、基于第k-1次迭代时故障逆变型电源电流正序分量计算第k次迭代时故障节点短路电流正序分量；
S3、基于第k次迭代时故障节点短路电流正序分量计算第k次迭代时故障逆变型电源电压正序分量；
S4、基于第k次迭代时故障逆变型电源电压正序分量计算第k次迭代时故障逆变型电源电流正序分量；
S5、若第k-1次迭代时故障逆变型电源电流正序分量与第k次迭代时故障逆变型电源电流正序分量差值大于或等于预设阈值，则使迭代次数k的值加1，返回执行步骤S2；否则，执行步骤S6；
本发明中，若
Figure GDA0003869515960000041
则结束迭代，ε即为预设阈值，优选取值为ε＝10- 5pu。
S6、基于第k次迭代时故障逆变型电源电流正序分量计算故障节点短路电流分量及各节点电压分量，故障节点短路电流分量基于故障节点自阻抗计算，故障节点自阻抗与逆变型电站中汇集系统内所有电缆线路对地电容的总和负相关；
S7、基于故障节点短路电流分量及各节点电压分量实现继电保护，继电保护包括零序电流保护、纵联零序电流差动保护或零序电压电流保护。
经过短路电流迭代计算之后，已经求得了逆变电站故障网络中各节点的正负零序电压以及各支路的正负零序电流，即可利用现有的原理进行继电保护配置，S7中具体的继电保护方式为现有技术，在此不再赘述。
本发明在考虑逆变型电源非线性特性的同时，计及了汇集系统对地电容对于零序网络的影响，能够准确计算故障节点短路电流，为继电保护整定和配置的准确性提供了有力保障。
如图2所示为一个大型逆变型电站的通用拓扑结构，PVPS1至PVPSm为第一至第m个逆变型电源侧，其中，逆变型电源侧又分为直接连接的逆变型电源侧与通过联络线连接的逆变型电源侧。与PVPS1相连的是集电线1-1至1-n1；与PVPS2相连的是集电线2-1至2-n2，以及联络线MN2；与PVPSm相连的是集电线m-1至m-nm，以及联络线MNm，设置了三个不同的故障点K、K'和K”，分别位于联络线和两种集电线上。
当联络线MNm上的K点处发生单相接地故障时，有故障零序等效网络如图3所示。
由图3中各支路的串并联关系，可得故障点K处的零序等值阻抗Z∑0如下
Figure GDA0003869515960000042
其中，Z0M为所有非故障的PVPSs对地电容支路和中性点电阻支路，在母线M处并联所得的零序等值阻抗。Z0R为中性点电阻支路的等效零序阻抗；XCi为PVPSi(i＝1,2,…,m)电缆集电线对地电容的容抗，有XCi＝1/jωC0i，其中C0i为集电线的对地电容，忽略集电线线路阻抗；Z0Li为联络线MNi的零序阻抗，Z0MK为故障点K到母线M之间的零序阻抗，
Figure GDA0003869515960000051
为K点到母线Nm之间的零序阻抗，各对地电容支路的线路阻抗远小于容抗，有Z0Li＝XCi，Z0R≈3Rg，再将XCi＝1/jωC0i代入Z0M，当Rg取值较大时，Z0M远大于Z0MK，因此有
Figure GDA0003869515960000052
其中，C0∑＝C01+C02+…+C0m，即汇集系统内所有电缆线路对地电容的总和。当故障发生在K'和K”时，有故障零序等效网络如图4和图5所示，用类似的方法同样可以推出故障点处的零序等值阻抗为：
Figure GDA0003869515960000053
由于故障节点的零序自阻抗即等于零序故障序网的等值阻抗，因此，本发明中，为进一步优化上述技术方案，第k次迭代时故障节点的零序自阻抗
Figure GDA0003869515960000054
Rg为中性点电阻接地回路阻抗，C0∑为汇集系统内所有电缆线路对地电容的总和。
本发明中，故障节点的自阻抗分量可根据节点阻抗矩阵求得。节点阻抗矩阵根据汇集系统不同线路上发生故障时的网络拓扑结构形成，包括系统电源节点，逆变型电源节点以及故障节点，此为现有技术，在此不再赘述。
为进一步优化上述技术方案，步骤S2中，第k次迭代时故障节点短路电流正序分量
Figure GDA0003869515960000055
按下式计算：
Figure GDA0003869515960000056
式中，
Figure GDA0003869515960000057
为第k次迭代时系统电源在故障节点产生的电压正常分量，
Figure GDA0003869515960000058
为第k次迭代时故障分量网络(根据故障分析叠加原理可以把故障网络分解为故障前正常网络和故障分量网络，此为现有技术，在此不再赘述)中所有逆变型电源接入节点的集合，
Figure GDA0003869515960000059
和
Figure GDA00038695159600000510
分别为第k次迭代时故障节点的正序自阻抗、负序自阻抗和零序自阻抗，
Figure GDA00038695159600000511
为第k次迭代时的过渡阻抗，
Figure GDA0003869515960000061
为第k次迭代时故障节点与故障分量网络中第j个逆变型电源接入节点的正序阻抗，
Figure GDA0003869515960000062
为第k-1次迭代时第j个逆变型电源电流正序分量。
为进一步优化上述技术方案，故障逆变型电源为接入逆变型电站的第i个逆变型电源，步骤S3中，第k次迭代时故障逆变型电源电压正序分量
Figure GDA0003869515960000063
式中，
Figure GDA0003869515960000064
为第k次迭代时系统电源在节点i产生的电压正常分量。
为进一步优化上述技术方案，步骤S4中，第k次迭代时故障逆变型电源电流正序分量
Figure GDA0003869515960000065
式中，
Figure GDA0003869515960000066
和
Figure GDA0003869515960000067
均为中间参数，
Figure GDA0003869515960000068
Pi *(k)和
Figure GDA0003869515960000069
分别为第k次迭代时故障逆变型电源对应的有功参考功率和无功参考功率，有功参考功率和无功参考功率与具体的控制策略有关，这部分数学模型已经有大量文献做过研究，在此不再赘述。
为进一步优化上述技术方案，故障节点发生单相接地故障时，故障节点短路电流分量包括
Figure GDA00038695159600000610
和
Figure GDA00038695159600000611
按下式计算
Figure GDA00038695159600000612
为进一步优化上述技术方案，故障网络中任一节点i的电压分量按下式计算
Figure GDA00038695159600000613
其中，
Figure GDA00038695159600000614
分别为节点i的电压分量，
Figure GDA00038695159600000615
和
Figure GDA00038695159600000616
为节点i和故障节点f之间的正负零的互阻抗，GPV为故障分量网络中所有逆变电源接入的节点集合，Ui-S(0)为系统电源在节点i产生的电压正常分量，
Figure GDA00038695159600000617
为节点i和节点j之间的互阻抗。
为了验证本发明公开的计及对地电容的逆变型电站单相接地故障保护方法的效果，以图6所示的两个中型逆变型电站组成的大型逆变型电站为例进行说明。110kV系统短路容量3000MVA，35kV线路MN2长10km，使用LGJ-240，正负序阻抗0.132+j0.386Ω/km。T1的阻抗电压UKT1＝10.75％，PVPS1容量为50MW，由5回集电线组成，PVPS2容量为20MW，共有2回集电线。集电线全部采用电缆，每回集电线电缆总长度为3km，型号为YJV22-3*95mm。
当联络线路MN2上K点发生单(A)相金属性接地故障时，将PVPSs等效为大容量的压控电流源，有联络线MN2故障正序增广网络如图7所示。
图中，Zs为系统阻抗(正负序相等)，ZΔ为附加阻抗，在单相接地短路时ZΔ为Z∑2和Z∑0的串联，即ZΔ＝Z∑2+Z∑0。根据图7的网络拓扑结构，形成节点阻抗矩阵。
计及对地电容和不计对地电容的零序电流计算结果分别如表1和表2所示，其中上标C表示计及对地电容，noC表示不计对地电容，下标S、m和E分别表示K点位于联络线的首端、中点和末端。
表1 计及对地电容时不同故障位置的零序电流
Figure GDA0003869515960000071
表2 不计对地电容时不同故障位置的零序电流
Figure GDA0003869515960000072
Figure GDA0003869515960000081
当Rg≤20Ω时，不计对地电容所带来的最大计算误差为1.46％，这对于电流保护而言是可以忽略不计的。Rg＝30Ω时，最大误差超过了2％，当Rg＝100Ω时，最大计算误差为6.92％，而当电阻进一步增大，Rg＝200Ω时，最大误差达到了20.2％。
通过以上数据对比说明，当Rg取值较小时，可以忽略对地电容的影响，但当Rg逐渐增大到电阻支路的阻抗与电容支路的容抗可比时，短路计算必须计及电缆线路的对地电容，否则会给短路计算带来较大的误差，导致保护整定计算失当，并最终引起继电保护的错误动作。由此可见，在进行短路电流的计算时，采用本发明公开的方法，计及对地电容，是十分必要的。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不以本发明为限制，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种计及对地电容的逆变型电站单相接地故障保护方法，其特征在于，包括：
S1、获取逆变型电源未故障时的正序电流值，将逆变型电源未故障时的正序电流值设为k＝0时故障逆变型电源电流正序分量，初始化迭代次数k，使k＝1；
S2、基于第k-1次迭代时故障逆变型电源电流正序分量计算第k次迭代时故障节点短路电流正序分量；
第k次迭代时故障节点短路电流正序分量
Figure FDA0003869515950000011
按下式计算：
Figure FDA0003869515950000012
式中，
Figure FDA0003869515950000013
为第k次迭代时系统电源在故障节点产生的电压正常分量，
Figure FDA0003869515950000014
为第k次迭代时故障分量网络中所有逆变型电源接入节点的集合，
Figure FDA0003869515950000015
和
Figure FDA0003869515950000016
分别为第k次迭代时故障节点的正序自阻抗、负序自阻抗和零序自阻抗，
Figure FDA0003869515950000017
为第k次迭代时的过渡阻抗，
Figure FDA0003869515950000018
为第k次迭代时故障节点与故障分量网络中第j个逆变型电源接入节点的正序阻抗，
Figure FDA0003869515950000019
为第k-1次迭代时第j个逆变型电源电流正序分量；
S3、基于第k次迭代时故障节点短路电流正序分量计算第k次迭代时故障逆变型电源电压正序分量；
故障逆变型电源为接入逆变型电站的第i个逆变型电源，第k次迭代时故障逆变型电源电压正序分量
Figure FDA00038695159500000110
式中，
Figure FDA00038695159500000111
为第k次迭代时系统电源在节点i产生的电压正常分量
S4、基于第k次迭代时故障逆变型电源电压正序分量计算第k次迭代时故障逆变型电源电流正序分量；
第k次迭代时故障逆变型电源电流正序分量
Figure FDA00038695159500000112
式中，
Figure FDA00038695159500000113
和
Figure FDA00038695159500000114
均为中间参数，
Figure FDA00038695159500000115
Figure FDA00038695159500000116
和
Figure FDA00038695159500000117
分别为第k次迭代时故障逆变型电源对应的有功参考功率和无功参考功率；
S5、若第k-1次迭代时故障逆变型电源电流正序分量与第k次迭代时故障逆变型电源电流正序分量差值大于或等于预设阈值，则使迭代次数k的值加1，返回执行步骤S2；否则，执行步骤S6；
S6、基于第k次迭代时故障逆变型电源电流正序分量计算故障节点短路电流分量及各节点电压分量，故障节点短路电流分量基于故障节点自阻抗计算，故障节点自阻抗与逆变型电站中汇集系统内所有电缆线路对地电容的总和负相关；
S7、基于故障节点短路电流分量及各节点电压分量实现继电保护，继电保护包括零序电流保护、纵联零序电流差动保护或零序电压电流保护。
2.如权利要求1所述的计及对地电容的逆变型电站单相接地故障保护方法，其特征在于，第k次迭代时故障节点的零序自阻抗
Figure FDA0003869515950000021
Rg为中性点电阻接地回路阻抗，C0∑为汇集系统内所有电缆线路对地电容的总和。
3.如权利要求1或2所述的计及对地电容的逆变型电站单相接地故障保护方法，其特征在于，故障节点短路电流分量包括
Figure FDA0003869515950000022
和
Figure FDA0003869515950000023
按下式计算
Figure FDA0003869515950000024
4.如权利要求3所述的计及对地电容的逆变型电站单相接地故障保护方法，其特征在于，任一节点i的电压分量按下式计算
Figure FDA0003869515950000025
其中，
Figure FDA0003869515950000026
分别为节点i的电压分量，
Figure FDA0003869515950000027
和
Figure FDA0003869515950000028
为节点i和故障节点f之间的正负零的互阻抗，GPV为故障分量网络中所有逆变电源接入的节点集合，Ui-S(0)为系统电源在节点i产生的电压正常分量，
Figure FDA0003869515950000029
为节点i和节点j之间的互阻抗。
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