CN113777440A - 一种光伏电站集电线路单相接地故障的定位方法 - Google Patents

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孙志锋
杨俊杰
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Abstract

本发明公开了一种光伏电站集电线路单相接地故障的定位方法，具体地说是一种基于零序网络的光伏支路电流等效拟合与故障区段逐次搜索定位的方法。本发明通过智能故障录波设备远程自动测量集电线路出口处的故障相电压、相电流和零序电流，实现了高分辨率、高精度采样；使用集电线路出口处故障相电流和零序电流拟合光伏支路的电流分量，补偿了集电线路上各段之间的电流差异，减少了计算误差，提升了故障测距精度；采用故障区段逐次搜索的故障测距方法，保证了算法运行的高效性；定位过程全程自动化，无需人工干预，大幅度提升故障定位效率，减少光伏电站故障脱网时间及对电网的冲击，提升了经济效益。

Description

一种光伏电站集电线路单相接地故障的定位方法
技术领域
本发明涉及一种光伏电站集电线路单相接地故障的定位方法，具体地说是一种基于零序网络的光伏支路电流等效拟合与故障区段逐次搜索定位的方法，能够提升传统测距算法的精度，减少故障定位时间，提升光伏电站并网运行的安全性。
背景技术
随着我国光伏发电产业的高速发展，光电在电能中的贡献率逐年提升，保证光伏电站的长期可靠运行对电力系统的健康稳定意义重大。
当前，针对小电阻接地系统故障测距的研究多数是针对配电网，主要采用阻抗法和行波法，两者均取得了大量的应用。阻抗法是利用输电线路故障时在观测点处观测到的工频电气量计算出故障回路的阻抗，若忽略线路的分布电容和电导，故障点的距离和阻抗成正比，根据线路阻抗求出故障点到观测点的距离，进而实现故障定位。阻抗法往往建立在简化的方程基础之上，测距精度受故障点过渡电阻以及对侧零序电流注入的影响，且不考虑故障时光伏单元支路电流的影响，另外光伏电站集电线路的长度相比于传统的输配电网要短的多，计算误差被相对放大，实际效果并不理想。行波法是充分利用线路在发生故障时暂态分量出现而实现测距的方法，在线路发生故障时暂态分量以行波的形式向线路两侧传播，通过安装在线路两侧的行波接收设备接收行波量，进一步计算得到故障位置。但是光伏电站网络结构复杂，支路众多，实施成本高昂，且支路之间的干扰较大，测量精度显著降低。
为了解决这个问题，本发明提出了一种光伏电站集电线路单相接地故障的定位方法，该方法使用在集电线路出口处测到的相电流等效拟合光伏支路电流，补偿了支路电流引入的误差，并引入了一种基于故障区段搜索的光伏电站故障测距算法，有效降低了传统测距算法的误差，具有实际的应用价值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种准确计算集电线路单相接地故障距离的方法，用于减少故障定位时间，提升光伏电站并网运行的安全性。与现有技术相比，本发明仅测量集电线路出口处的故障相电压、相电流和零序电流，不需要额外的设备投入，测量方法简单；使用集电线路出口处故障相电流和零序电流拟合光伏支路的电流分量，测距精度提升；采用故障区段逐次搜索的故障测距方法，保证了算法运行的高效性；电气量的采集、传输通过智能故障录波实现，故障定位算法通过计算机编程语言实现并编制成一体化软件，定位过程全程自动化，无需人工干预，大幅度提升故障定位效率，减少光伏电站故障脱网时间。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种光伏电站集电线路单相接地故障的定位方法，该方法包括以下步骤：
(1)采集集电线路出口处的故障相电压
Figure BDA0003198083480000021
相电流
Figure BDA0003198083480000022
和零序电流
Figure BDA0003198083480000023
通过以太网传输给后端故障分析软件，作为输入量；
(2)对故障相电压
Figure BDA0003198083480000024
相电流
Figure BDA0003198083480000025
和零序电流
Figure BDA0003198083480000026
进行滤波处理，去除高次谐波，减少干扰；
(3)利用步骤(2)滤波后的零序电流
Figure BDA0003198083480000027
拟合故障支路电流，令集电线路发生故障后所有N个光伏支路的电流总和为
Figure BDA0003198083480000028
根据KCL(基尔霍夫电流定律)，得到以下等式：
Figure BDA0003198083480000029
假设光伏电站的光伏单元特性相同，在集电线路故障瞬间，可以近似认为故障发生时光伏支路电流相同，得到光伏支路近似电流
Figure BDA00031980834800000210
如下：
Figure BDA00031980834800000211
(4)以集电线路与光伏支路的连接点作为分段点，将集电线路分成N个区段，i表示第i个区段，计算L和
Figure BDA00031980834800000212
Figure BDA0003198083480000031
其中i＝1，2，3...N；
Figure BDA0003198083480000032
为故障相别，为A相、B相或C相；Z1为集电线路单位长度的正序阻抗；L1，L2，L3...LN为各支路在集电线路上的间隔距离；
Figure BDA0003198083480000033
为各光伏分支的故障相电流；L为故障点所在区段始端到故障点的距离，即待求的故障距离；
Figure BDA0003198083480000034
为待求的故障时接地点电压；k为零序电流补偿系数，
Figure BDA0003198083480000035
Z0为集电线路
单位长度的零序阻抗。
(5)判断步骤(4)得出的故障距离L是否在第i个区段，即是否满足L＜Li，若在第i个区段则输出计算结果L1+L2+L3+...+Li-1+L，否则i＝i+1，返回步骤(4)计算下一个区段的故障距离L和故障时接地点电压
Figure BDA0003198083480000036
本发明技术方案可以推广到其他具有相似特性的新能源电站，如风电场等。
进一步地，使用智能故障录波设备测量集电线路主保护出口处的故障相电压、相电流、零序电流，通过以太网协议传输给后端故障分析软件，保证故障发生时数据采集的快速性和可靠性；在故障发生后，智能故障录波设备自动采集多个周波的稳态故障电气量并记录故障类型，高效计算各电气量的幅值和相位，通过以太网协议传输给后端故障分析软件以识别单相接地故障。
进一步地，所述步骤(2)中，采用FFT(快速傅里叶变换)得到基波分量，滤除基波分量的整数倍谐波，较少噪声干扰，提高数据的准确性。
进一步地，在实际测量过程中，为了提高测距精度和可靠性，选取故障后稳态一个周期以上的数据进行计算，并利用最小二乘法进行非线性拟合求解。
本发明与现有技术对比的有益效果是：
1)只需测量集电线出口处的电压向量、电流向量，简化了工程实施方法，降低了硬件成本；
2)考虑了光伏支路电流的汇入，使用集电线路出口处故障相电流和零序电流拟合光伏支路的电流分量，使得集电线路不同区段上的电流拟合更加准确，进而降低了计算误差；
3)采用故障区段逐次搜索的故障测距方法，保证了算法运行的高效性；
4)电气量的采集、传输通过智能故障录波设备实现，故障定位算法通过计算机编程语言实现并编制成一体化软件，定位过程全程自动化，无需人工干预，大幅度提升故障定位效率，减少光伏电站故障脱网时间及对电网的冲击，提升了经济效益。
附图说明
图1是本发明实施例提供的典型的光伏电站集电线单相接地故障示意图。
图2是本发明实施例提供的典型的光伏电站集电线单相接地等效电路图。
图3是本技术方案故障定位方法的流程图。
具体实施方式
为了更好的理解本申请的技术方案，下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。
应当明确，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
本发明揭示了一种准确测量光伏电站集电线路单相接地故障距离的方法，用于减少故障定位时间，提升光伏电站并网运行的安全性。
图1是典型的光伏电站集电线单相接地故障示意图，展示了光伏电站的网络拓扑结构以及故障后形成的故障电流回路，后续的详细说明均围绕该图进行阐述。
如图1所示，在20KV母线处引出集电线路，在该集电线路上分别设有主保护A，光伏支路节点B、C、D、E...其中，在主保护A出口处(集电线出口处)设有智能采集单元，实时采集集电线路出口处相电压、相电流和零序电流，光伏支路上包括且不限于升压变压器、逆变单元、光伏发电单元。
假设在集电线路K点处发生单相接地故障，故障相可以为A相、B相、C相，三相揭示的原理相同。其中，
Figure BDA0003198083480000051
分别为主保护A出口处的故障相电压、相电流、零序电流，
Figure BDA0003198083480000052
为故障点电压，设i＝1，2，3...N为故障所在区段，则L1，L2，L3...LN为各支路在集电线路上的间隔距离，L为故障点所在区段始端到故障点的距离，
Figure BDA0003198083480000053
为各光伏分支的故障相电流。
光伏电站一般采用小电阻接地，当集电线路出现不对称故障，如单相接地故障时，内部会形成零序回路，因此产生零序电流。因为光伏支路高压侧不接地，根据电力系统分析的相关理论，零序电流通过故障点流入大地，并与接地变压器的接地点形成回路，如图1中虚线框所示。
图2是典型的光伏电站集电线单相接地等效电路图，展示了集电线路发生单相接地故障时系统的等效电路，集电线路出口处的电流通过光伏支路和故障点进行分流。其中，故障相电流
Figure BDA0003198083480000054
所有光伏支路的电流总和为
Figure BDA0003198083480000055
故障点电流为
Figure BDA0003198083480000056
图3是本技术方案故障定位算法的流程图，实现步骤如下：
S1：采集集电线路出口处的故障相电压
Figure BDA0003198083480000057
相电流
Figure BDA0003198083480000058
和零序电流
Figure BDA0003198083480000059
作为输入量，其中
Figure BDA00031980834800000510
为故障相别，为A相、B相或C相。
本技术方案的测点配置方案测量主保护A出口处的故障相电压、相电流、零序电流，采用智能故障录波设备，保证故障发生时数据采集的快速性和可靠性。在故障发生后，智能故障录波设备自动采集多个周波的稳态故障电气量并记录故障类型，高效计算各电气量的幅值和相位，通过以太网协议传输给后端故障分析软件以识别单相接地故障。
S2：对故障相电压
Figure BDA00031980834800000511
相电流
Figure BDA00031980834800000512
和零序电流
Figure BDA00031980834800000513
进行滤波处理，去除高次谐波，减少干扰。采用快速傅里叶变换，按照1000HZ的采样率，每个周波0.02秒共50个点进行计算，得到基波分量，滤除基波分量的整数倍谐波，提高数据的准确性。
S3：利用S2滤波后的零序电流
Figure BDA00031980834800000514
拟合故障支路电流，令集电线路发生故障后所有N个光伏支路的电流总和为
Figure BDA00031980834800000515
根据KCL(基尔霍夫电流定律)，得到以下等式：
Figure BDA0003198083480000062
上述计算的原理在于：单相接地故障，不考虑负荷电流，则正序、负序、零序电流相同，故障支路电流可以近似为
Figure BDA0003198083480000063
其中
Figure BDA0003198083480000064
分别为故障相正序、负序、零序电流。
假设光伏电站的光伏单元均为同一型号，且光伏支路输出功率基本一致，在集电线路故障瞬间，可以近似认为光伏支路电流相同，到光伏支路近似电流
Figure BDA0003198083480000065
如下：
Figure BDA0003198083480000066
使用集电线路出口处故障相电流和零序电流拟合光伏支路的电流分量，补偿了集电线路上各段之间的电流差异，减少了计算误差，提升了故障测距精度。
S4：以集电线路与光伏支路的连接点作为分段点，将集电线路分成N个区段，i表示第i个区段，计算故障距离，求解L和
Figure BDA0003198083480000067
Figure BDA0003198083480000061
由上式可知，除L和
Figure BDA0003198083480000068
为待求量，其他均为已知量，求解二元一次方程组，仅需取两个采样点，即可计算得出L和
Figure BDA0003198083480000069
在实际测量过程中，为了提高测距精度和可靠性，选取故障后稳态一个周期以上的数据进行计算，并利用最小二乘法进行非线性拟合求解。最小二乘法收敛速度快，计算精度高，可以避免计算过程陷入局部最小值的问题。
S5：判断S4得出的故障距离L是否在第i个区段，即是否满足L＜Li，若在第i个区段则输出计算结果L1+L2+L3+...+Li-1+L，否则i＝i+1，返回S4计算下一个区段的故障距离L和故障时接地点电压
Figure BDA00031980834800000610
通过迭代求解、逐次比较，最终计算得到故障距离，保证了算法运行的高效性。
以上所述仅为本说明书一个或多个实施例的较佳实施例而已，并不用以限制本说明书一个或多个实施例，凡在本说明书一个或多个实施例的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书一个或多个实施例保护的范围之内。

Claims (4)

1.一种光伏电站集电线路单相接地故障的定位方法，其特征在于，包括：
(1)采集集电线路出口处的故障相电压
Figure FDA0003198083470000011
相电流
Figure FDA0003198083470000012
和零序电流
Figure FDA0003198083470000013
(2)对故障相电压
Figure FDA0003198083470000014
相电流
Figure FDA0003198083470000015
和零序电流
Figure FDA0003198083470000016
进行滤波处理，去除高次谐波，减少干扰；
(3)利用步骤(2)滤波后的零序电流
Figure FDA0003198083470000017
拟合故障支路电流，令集电线路发生故障后所有N个光伏支路的电流总和为
Figure FDA0003198083470000018
根据基尔霍夫电流定律得到以下等式：
Figure FDA0003198083470000019
假设光伏电站的光伏单元特性相同，在集电线路故障瞬间，可以近似认为故障发生时光伏支路电流相同，得到光伏支路近似电流
Figure FDA00031980834700000110
如下：
Figure FDA00031980834700000111
(4)以集电线路与光伏支路的连接点作为分段点，将集电线路分成N个区段，i表示第i个区段，计算L和
Figure FDA00031980834700000112
Figure FDA00031980834700000113
其中i＝1，2，3...N；
Figure FDA00031980834700000114
为故障相别，为A相、B相或C相；Z1为集电线路单位长度的正序阻抗；L1，L2，L3...LN为各支路在集电线路上的间隔距离；
Figure FDA00031980834700000115
为各光伏分支的故障相电流；L为故障点所在区段始端到故障点的距离，即待求的故障距离；
Figure FDA00031980834700000116
为待求的故障时接地点电压；k为零序电流补偿系数，
Figure FDA00031980834700000117
Z0为集电线路单位长度的零序阻抗。
(5)判断步骤(4)得出的故障距离L是否在第i个区段，即是否满足L＜Li，若在第i个区段则输出计算结果L1+L2+L3+...+Li-1+L，否则i＝i+1，返回步骤(4)计算下一个区段的故障距离L和故障时接地点电压Uf。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用智能故障录波设备测量集电线路主保护出口处的故障相电压、相电流、零序电流，通过以太网协议传输给后端故障分析软件，保证故障发生时数据采集的快速性和可靠性；在故障发生后，智能故障录波设备自动采集多个周波的稳态故障电气量并记录故障类型，高效计算各电气量的幅值和相位，通过以太网协议传输给后端故障分析软件以识别单相接地故障。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，采用FFT得到基波分量，滤除基波分量的整数倍谐波，较少噪声干扰，提高数据的准确性。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在实际测量过程中，为了提高测距精度和可靠性，选取故障后稳态一个周期以上的数据进行计算，并利用最小二乘法进行非线性拟合求解。
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