風電T接線路的接地故障整定方法與流程

2023-05-24 01:05:21

本發明屬於電力系統繼電保護技術領域，特別涉及一種風電T接線路的接地故障整定方法。

背景技術：

隨著風電滲透率的增加，電網表現出越來越多異於常規電網的故障特徵，導致按常規系統配置的繼電保護選擇性、靈敏性和可靠性面臨巨大挑戰。國網公司企業標準Q/GDW738—2012《配電網規劃設計技術導則及編制說明》指出，在110kV高壓配電網中，風電電源可採用T接方式併網。配電網為了保證供電的可靠性，往往採用手拉手環網或雙端電源的供電模式，因此風電的T型接入引入了非線性電源且在局部形成了風電T接線路，導致保護整定與配置更加複雜。以風電T接線路為研究對象，可將圖1所示含T接風電的電網示意圖等效為圖2所示的系統，在該系統中T接線路拓撲和風電故障特性的綜合作用使得按照常規雙電源供電系統配置的繼電保護存在適應性問題，主要結論如下：

(1)由T接線路拓撲可知，其每側配置的保護均包含2個保護方向。針對單端量保護，為兼顧2個方向上保護的選擇性，保護範圍將縮小，甚至可能出現保護盲區，如圖3所示的距離保護保護範圍。

(2)若直接沿用T接輸電線路的保護配置方案，即將電流差動保護應用到含風電的配電網T接線路中，由於每側保護均需與另外兩側進行電流矢量信息的交換，需要架設新的光纖通道，會大大增加電網改造投資成本。

(3)採用電力線路作為故障信息傳輸通道，避免了光纖通道的架設，能夠有效降低成本。但由於線路在T點處有三條分支線路，發信機所發出的高頻信號通過T點時將會分流，可等效於線路損耗的增加，嚴重情況下可能導致對端收不到閉鎖信號，保護誤動作。

(4)風電機組等效序阻抗的變化破壞了傳統故障分量方向元件的最佳應用環境。風電機組與常規電源存在很大差異，尤其是採用異步發電機和電力電子裝置相結合的雙饋風電機組，其故障特性十分複雜。故障期間風電電源等效正、負序阻抗受風電機組的故障暫態策略控制，阻抗相角可能發生較大變化，進而可能

基於以上分析可知，準確評價新場景下傳統繼電保護配置方案存在的問題，尋求一種適用於含T接風電的配電網繼電保護配置與整定新方案，對風電T接系統的安全運行具有重要意義。

技術實現要素：

本發明的目的是針對上述配電網中風電T接線路傳統保護方案的適應性問題，提出一種風電T接線路的接地故障整定方法，所述整定方法的分析過程如下：

(1)根據圖2所示的風電T接線路圖，每側保護的保護方向不再唯一，如M側保護需同時保護線路MN和線路MW，故其有兩個保護方向，分別記為M→N和M→W。以M側距離保護為例分析T接線路中單端量保護的保護範圍。

其中，為距離I段可靠係數，一般取0.8-0.85；為M側距離I段整定阻抗；LM→N＝LMT+LNT,LM→W＝LMT+LWT，式中LMT、LNT、LWT分別為三條分支線路的長度，LM→N、LM→W為各自保護方向上的線路總長度。

為保證選擇性，距離I段整定阻抗應取兩個保護方向中的最小值，因此相對於風電T接前雙端電源系統的距離保護，其保護範圍縮小、靈敏度下降。若三條分支線路長度差異明顯，距離I段可能出現保護盲區，如圖3所示。

(2)已知風電電源包含非線性的電力電子器件，其暫態電勢在故障期間不能維持恆定，風電電源等效阻抗的具體形式尚不明確。但按照對稱分量法，故障附加網絡中保護感受到的風電電源正、負序阻抗可以從外特性的角度進行等效，公式如下：

其中，為風電電源出口的正序電壓、正序電流故障分量；為故障後風電電源出口的負序電壓和電流。

風電場主變高壓側一般採用中性點直接接地方式，因此故障附加零序網絡中不包含風電機組的零序阻抗。

(3)根據(2)所述風電機組等效序阻抗的特徵，當T接線路內部發生故障時，其故障附加序網如圖4所示，設故障點為分支線路MT上的k1點故障，其中不計數值很小的變壓器正、負序阻抗，即故障附加正、負序網絡中ZSW1、ZSW2分別為風電電源等效正、負序阻抗，零序網絡中ZSW0為風電場主變的零序阻抗。下面分析風電電源等效序阻抗相角變化特徵對故障分量方向元件的影響。

區內故障時，保護安裝處的電壓、電流關係為：

則風場側電壓、電流的相位關係為：

顯然，故障期間故障暫態控制作用引起的風電電源正、負序阻抗相角的變化，可能導致正序故障分量方向元件和負序方向元件靈敏性不足，當相角變化範圍較大時相應的方向元件可能誤判。

從零序電壓、電流的相角關係中可以看到，零序方向元件不受非線性的風電電源接入的影響，方向性明確，這是因為中性點直接接地的風場側主變實現了風電場和零序網路的有效隔離。

(4)根據(3)所述零序方向元件不受風電接入影響的特徵，本發明提出了一種風電T接線路接地故障縱聯整定方法。

考慮各種因素的影響，T接線路區內故障時對應的功率方向判據為：

區外故障時對應的功率方向判據為：

其中，Zmr、Znr、Zwr分別為零序方向元件的模擬阻抗，其相角分別與各側母線背側的零序等效阻抗相角相等。

基於以上零序方向判據，所提縱聯保護的基本工作原理如下：

1)系統正常運行時，保護1、2、3都不啟動，T接線路上無高頻電流。系統故障時，保護1、2、3均啟動。

2)區外故障時，以k4點為例，保護2、3的功率方向為正，保護1的功率方向為負。此時保護2啟動高頻發信機向2個保護方向發送高頻閉鎖信號—高頻電流，T接分支MT、NT、WT上出現高頻電流，保護1、2、3被閉鎖，因此T接線路三側保護都不跳閘。

3)區內故障時，保護1、2、3的功率方向全為正，不發閉鎖信號，T接線路上無高頻電流，即保護1、2、3判斷出正方向發生故障且未收到閉鎖信號，則保護1、2、3瞬時動作於跳閘，可靠切除T接線路故障。

所述電力線路載波通道的分析過程如下：

(1)光纖差動保護是多端電源系統的最佳保護方案，但若利用光纖作為三端故障信息的傳輸通道，需在新建風電接入線路時完成光纖通道的架設，投資成本大大增加，在配電網中的實際應用受到限制。目前利用電力線路載波通道實現兩端縱聯保護的方案被廣泛採用，實際效果好。因此可利用電力線路作為故障信息傳輸通道，根據各端的零序方向元件動作情況，實現風電T接線路的閉鎖式高頻縱聯保護。

(2)由於T接線路每側保護含有2個保護方向，以M側為例，當M側發生區外故障，該側發信機發出的高頻信號，在T點分流分別向2個保護方向

M→N和M→W傳送，這等效於線路損耗增加，嚴重情況下可能導致其中一個方向或兩個方向上的保護均收不到M側發送的閉鎖信號，從而保護誤動作。未解決並聯分流閉鎖信號衰減的問題，反向故障時每側保護髮送的閉鎖高頻電流應大於一定的整定閾值，MNW側的發信閾值分別記作IbM、IbN、IbW，根據並聯分流定理可得其計算公式如下：

其中，Iblock為收信機實現可靠閉鎖所收到的最小高頻電流值。

圖5給出了所提縱聯保護的工作原理示意圖。

本發明的技術方案是一種風電T接線路的接地故障整定方法，所述方法包括以下步驟：

1)提取風電T接線路保護安裝處的零序電壓、零序電流，根據系統參數求出模擬阻抗和發信機的發信閾值；

2)計算各側的功率方向，判斷故障方向；

若側為反方向故障，則側保護啟動發信機發送高頻閉鎖信號，且其值大於其中可取M、N或W；

3)若側為正方向故障，判斷其是否收到閉鎖信號，若收到閉鎖信號，則判斷為T接線路外部故障，保護被閉鎖；若未收到閉鎖信號，則判斷為T接線路內部故障，側保護立即動作跳閘。

進一步，所述發信機的發信閾值計算方法為，

MNW側的發信閾值分別記作IbM、IbN、IbW，其計算公式如下：

其中，Iblock為收信機實現可靠閉鎖所收到的最小高頻電流值；

ZM0+ZLM0、ZN0、ZW0分別為附加網絡中T點到各側接地點間的零序等值阻抗。

進一步，所述風電T接線路內部、外部故障的判別方法如下:

若滿足

則判斷為T接線路區內故障，否則判斷為T接線路外部故障。

本發明的有益效果是本發明所提出的風電T接高壓配電網接地故障縱聯保護方案，重點解決了T接線路拓撲和風電故障特性對T接線路保護配置的影響問題併兼顧了方案的經濟性，通過零序方向元件的相互配合實現了風電T接線路全線任意點短路的速動功能。保護安裝處零序電壓、電流間的相位關係由保護安裝處到背側系統中性點間的阻抗決定，不受系統電勢、風電序阻抗特徵和短路點過渡電阻的影響，方向性明確，無電壓死區，動作性能基本不受負荷狀態、系統震蕩等因素的影響。各零序方向元件的有效配合使得保護不受分支線路長度差異的影響，避免了保護盲區的出現。同時本發明採用電力線路作為故障信息的傳遞通道，避免了光纖通道的架設，大大降低了配電網保護配置成本。為消除分支線路對發信機高頻閉鎖電流的分流削弱作用，本發明給給發信機的發信提供合適的整定閾值。綜上所述，所提保護方案能夠可靠快速清除風電T接線路內部故障，無需新增通信通道，成本低，不受風電接入和分支線路長度差異的影響，確保了T接線路距離保護的選擇性、靈敏性和可靠性。因此，本發明對提高風電T接線路保護的可靠性，確保保護動作的快速準確動作具有重要的工程實際意義。

附圖說明

圖1為含T接風電的配電網示意圖。

圖2為等效風電T接線路示意圖。

圖3為風電T接線路的距離保護保護範圍圖。

圖4為區內k1點短路時系統的故障附加序網圖，其中

(a)為故障附加正序網絡圖，(b)為故障附加負序網絡圖，(c)為故障附加零序網絡圖。

圖5為縱聯保護工作原理圖。

具體實施方式

本發明提出一種風電T接線路的接地故障整定方法，下面結合附圖予以說明。

圖2所示為風電T接線路示意圖。

其特徵在於，所整定方法的分析過程如下：

(1)根據圖2所示的風電T接線路，每側保護的保護方向不再唯一，如M側保護需同時保護線路MN和線路MW，故其有兩個保護方向，分別記為M→N和M→W。以M側距離保護為例分析T接線路中單端量保護的保護範圍。

其中，為距離I段可靠係數，一般取0.8-0.85；為M側距離I段整定阻抗；LM→N＝LMT+LNT,LM→W＝LMT+LWT，LMT、LNT、LWT分別為三條分支線路的長度，LM→N、LM→W為各自保護方向上的線路總長度。

為保證選擇性，距離I段整定阻抗應取兩個保護方向中的最小值，因此相對於風電T接前雙端電源系統的距離保護，其保護範圍縮小、靈敏度下降。若三條分支線路長度差異明顯，距離I段可能出現保護盲區，如圖3所示。

(2)已知風電電源包含非線性的電力電子器件，其暫態電勢在故障期間不能維持恆定，風電電源等效阻抗的具體形式尚不明確。但按照對稱分量法，故障附加網絡中保護感受到的風電電源正、負序阻抗可以從外特性的角度進行等效，公式如下：

其中，為風電電源出口的正序電壓、正序電流故障分量；為故障後風電電源出口的負序電壓和電流。

風電場主變高壓側一般採用中性點直接接地方式，因此故障附加零序網絡中不包含風電機組的零序阻抗。

(3)根據(2)所述風電機組等效序阻抗的特徵，當T接線路內部發生故障時，其故障附加序網如圖4所示，設故障點為分支線路MT上的k1點故障，其中不計數值很小的變壓器正、負序阻抗，故障附加零序網絡中ZSW0為風電場主變的零序阻抗。下面分析風電電源等效序阻抗相角變化特徵對故障分量方向元件的影響。

區內故障時，三端保護安裝處的電壓、電流關係為：

則風場側電壓、電流的相位關係為：

顯然，故障期間故障暫態控制作用引起的風電電源正、負序阻抗相角的變化，可能導致正序故障分量方向元件和負序方向元件靈敏性不足，當相角變化範圍較大時相應的方向元件可能誤判。

從零序電壓、電流的相角關係中可以看到，零序方向元件不受非線性的風電電源接入的影響，方向性明確，這是因為中性點直接接地的風場側主變實現了風電場和零序網路的有效隔離。

(4)根據(3)所述零序方向元件不受風電接入影響的特徵，本文提出了一種風電T接線路接地故障縱聯保護方案。

考慮各種因素的影響，T接線路區內故障時對應的功率方向判據為：

區外故障時對應的功率方向判據為：

其中，Zmr、Znr、Zwr分別為零序方向元件的模擬阻抗，其相角分別與各側母線背側的零序等效阻抗相角相等。

基於以上零序方向判據，所提縱聯保護的基本工作原理如下：

1)系統正常運行時，保護1、2、3都不啟動，T接線路上無高頻電流。系統故障時，保護1、2、3均啟動。

2)區外故障時，以k4點為例，保護2、3的功率方向為正，保護1的功率方向為負。此時保護1啟動高頻發信機向2個保護方向發送高頻閉鎖信號—高頻電流，T接分支MT、NT、WT上出現高頻電流，保護1、2、3被閉鎖，因此T接線路三側保護都不跳閘。

3)區內故障時，保護1、2、3的功率方向全為正，不發閉鎖信號，T接線路上無高頻電流，即保護1、2、3判斷出正方向發生故障且未收到閉鎖信號，則保護1、2、3瞬時動作於跳閘，可靠切除T接線路故障。

所述電力線路載波通道的分析過程如下：

(1)光纖差動保護是多端電源系統的最佳保護方案，但若利用光纖作為三端故障信息的傳輸通道，需在新建風電接入線路時完成光纖通道的架設，投資成本大大增加，在配電網中的實際應用受到限制。目前利用電力線路載波通道實現兩端縱聯保護的方案被廣泛採用，實際效果好。因此可利用電力線路作為故障信息傳輸通道，根據各端的零序方向元件動作情況，實現風電T接線路的閉鎖式高頻縱聯保護。

(2)由於T接線路每側保護含有2個保護方向，以M側為例，當M側發生區外故障，該側發信機發出的高頻信號，在T點分流分別向2個保護方向M→N和M→W傳送，這等效於線路損耗增加，嚴重情況下可能導致其中一個方向或兩個方向上的保護均收不到M側發送的閉鎖信號，從而保護誤動作。為解決並聯分流閉鎖信號衰減的問題，反向故障時每側保護髮送的閉鎖高頻電流應大於一定的整定閾值，MNW側的發信閾值分別記作IbM、IbN、IbW，根據並聯分流定理可得其計算公式如下：

其中，Iblock為收信機實現可靠閉鎖所收到的最小高頻電流值。

ZM0+ZLM0、ZN0、ZW0分別為附加網絡中T點到各側接地點間的零序等值阻抗，如圖4(c)所示。

圖5所示為所提縱聯保護的工作原理示意圖。

實施例

按照圖1搭建含T接風電的配電網仿真模型中，系統電壓等級為110kV，兩側常規電源的容量均為90MW，風電場容量為12MW，負荷均為22MW，功率因素為0.85。線路參數為Z1＝0.21+j0.419Ω/km，Z0＝0.63+j1.257Ω/km，b1＝2.85e-6S/km，b0＝6e-6S/km。線路AM、MT、NT、WT、NB長度分別為20km、30km、50km、20km、20km。

針對風電T接線路區內k1點和區外k4點發生單相金屬性接地短路時，採用所述整定方法進行故障判別，包括以下步驟：

1)提取風電T接線路保護安裝處的零序電壓、零序電流，根據系統參數求出模擬阻抗和發信機的發信閾值，得到Zmr＝1∠71.86°，Znr＝1∠78.34°，Zwr＝1∠89.23°，IbM＝(3.08-j0.14)Iblock，IbN＝(2.29-j0.07)Iblock，IbW＝(2.61+j0.01)Iblock。

2)計算各側的功率方向，判斷是否為反方向故障。

k1點故障時，

判斷M側、N側、W側均為正方向故障。

k4點故障時，

判斷為M側反方向故障，N側和W側正方向故障，M側保護啟動發信機發送高頻閉鎖信號(>IbM)。

3)k1點故障時，M側、N側、W側為正方向故障且均未收到閉鎖信號，判斷為T接線路內部故障，三側保護立即動作跳閘

k4點故障時，，M側為反方向故障，N側和W側為正方向故障且收到閉鎖信號，判斷為T接線路外部故障，保護被閉鎖。