本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)保護(hù)和控制技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于故障隔離多時(shí)刻信息的風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)輸電線路瞬時(shí)單相接地故障單端測(cè)距方法。

技術(shù)背景

風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)輸電線路發(fā)生故障時(shí)故障精確測(cè)距能夠幫助縮短故障后巡線時(shí)間，加速排除線路故障和恢復(fù)供電，對(duì)于提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性、保證系統(tǒng)安全運(yùn)行具有重要意義。

實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，輸電線路故障中80～90％為單相接地故障，而其中絕大多數(shù)為瞬時(shí)性故障。已申報(bào)專利CN104198889A可以很好地解決傳統(tǒng)以傳輸火電為代表的輸電線路上發(fā)生瞬時(shí)性單相接地故障的測(cè)距問(wèn)題，然而風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)輸電線路瞬時(shí)性故障時(shí)，由于風(fēng)電場(chǎng)在故障期間的輸出特性與傳統(tǒng)火電電源明顯不同，使得專利CN104198889A中測(cè)距方法成立的前提：對(duì)端系統(tǒng)等值阻抗在整個(gè)故障隔離期間保持恒定不變，不再成立；此外，專利CN104198889A中采用的直接故障距離搜索算法也不適用于風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)輸電線路弱故障電流的情況，上述兩個(gè)因素導(dǎo)致了現(xiàn)有方法無(wú)法進(jìn)行準(zhǔn)確的故障測(cè)距。

對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)輸電線路，單相重合閘不僅提高了瞬時(shí)性故障的快速恢復(fù)，特別是產(chǎn)生的非全相運(yùn)行狀態(tài)中仍包含風(fēng)電場(chǎng)側(cè)的運(yùn)行信息，輸電線路非全相運(yùn)行時(shí)，風(fēng)電機(jī)組將處于穩(wěn)態(tài)的缺相運(yùn)行狀態(tài)，有別于單相接地故障狀態(tài)下的暫態(tài)運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)風(fēng)電場(chǎng)與系統(tǒng)仍然有兩相緊密相連，因此電壓、電流頻率較為穩(wěn)定，且基本上無(wú)零序電流分量，正、負(fù)序分量含量較高，能夠保證測(cè)距的精度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服已有技術(shù)的不足之處，提出一種基于故障隔離多時(shí)刻信息的風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)輸電線路瞬時(shí)單相接地故障單端測(cè)距方法，針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)輸電線路發(fā)生瞬時(shí)性單相接地故障的情況，利用被保護(hù)線路發(fā)生單相接地故障之后且線路上單相斷路器未跳閘之前及線路兩端單相斷路器跳閘之后且未重合閘之前的兩個(gè)時(shí)刻風(fēng)場(chǎng)側(cè)電壓電流信息進(jìn)行故障測(cè)距，僅使用單端電氣量，不需要多端通信和同步技術(shù)，即能夠給出高精度故障距離和過(guò)渡電阻值，測(cè)距精度不受過(guò)渡電阻、負(fù)荷電流、系統(tǒng)阻抗的影響，能有效解決風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)輸電線路故障測(cè)距的難題,提高測(cè)距精度。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：

風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)輸電線路瞬時(shí)單相接地故障單端測(cè)距方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)在風(fēng)電場(chǎng)側(cè)，測(cè)量故障線路瞬時(shí)單相接地故障后單相跳閘前的A、B、C三相電壓相量U_wfa、U_wfb、U_wfc和三相電流相量I_wfa、I_wfb、I_wfc，以及單相跳閘后重合閘之前的A、B、C三相電壓相量U_wha、U_whb、U_whc和三相電流相量I_wha、I_whb、I_whc作為輸入量；由下式計(jì)算故障線路瞬時(shí)單相接地故障后單相跳閘前的正序電壓相量U_wf1，負(fù)序電壓相量U_wf2，零序電壓相量U_wf0，正序電流相量I_wf1，負(fù)序電流相量I_wf2，零序電流相量I_wf0，及風(fēng)場(chǎng)側(cè)在線路兩端單相跳閘后單相自動(dòng)化重合閘之前的正、負(fù)、零序電壓相量U_wh1、U_wh2、U_wh0及正、負(fù)、零序電流相量I_wh1、I_wh2、I_wh0：

其中a＝e^j2π/3；

(2)根據(jù)如下公式計(jì)算在單相跳閘后且重合閘之前時(shí)刻下故障線路系統(tǒng)側(cè)繼電保護(hù)安裝處的正序電壓相量U_sh1、負(fù)序電壓相量U_sh2、零序電壓相量U_sh0、正序電流相量I_sh1、負(fù)序電流相量I_sh2、零序電流相量I_sh0：

其中：

L為輸電線路長(zhǎng)度；

Z_c1為正序波阻抗：R₁、L₁、G₁、C₁分別為單位長(zhǎng)度線路的正序電阻、電感、電導(dǎo)和電容值；

Z_c0為零序波阻抗：R₀、L₀、G₀、C₀分別為單位長(zhǎng)度線路的零序電阻、電感、電導(dǎo)和電容值；

γ₁為正序傳播系數(shù)：

γ₀為零序傳播系數(shù)：

(3)由如下公式計(jì)算系單相跳閘后單相自動(dòng)化重合閘之前系統(tǒng)側(cè)的A、B、C三相電壓相量U_sha、U_shb、U_shc及系統(tǒng)側(cè)的A、B、C三相電流相量I_sha、I_shb、I_shc：

其中a＝e^j2π/3；

(4)設(shè)出未知量：系統(tǒng)側(cè)的電勢(shì)E_N，正序、零序阻抗Z_N1,Z_N0，故障電阻R，故障點(diǎn)與風(fēng)電場(chǎng)之間的距離占線路長(zhǎng)度的百分比x，根據(jù)兩個(gè)時(shí)刻的信息列寫滿足風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)輸電線路發(fā)生瞬時(shí)單相接地故障時(shí)的系統(tǒng)電氣量關(guān)系的如下方程：

a²E_N＝Z_sI_shb+Z_mI_shc+U_shb

aE_N＝Z_mI_shb+Z_sI_shc+U_shc

其中：

Z_s為系統(tǒng)側(cè)的自阻抗

Z_m為系統(tǒng)側(cè)的相間互阻抗

a＝e^j2π/3；

A為電壓傳遞系數(shù)矩陣，B為阻抗矩陣，C為導(dǎo)納矩陣，D為電流傳遞系數(shù)矩陣，具體定義如下：

(5)將步驟(4)中的非線性復(fù)方程組分離實(shí)部虛部，轉(zhuǎn)化成實(shí)數(shù)的非線性方程組，使用高斯-牛頓法(Levenbery-Marquardt)方法，即可得到故障電阻R和故障距離百分比x，并以此求出實(shí)際的故障距離。

本發(fā)明的特點(diǎn)及效果：

本發(fā)明利用被保護(hù)線路發(fā)生單相接地故障之后且線路上單相斷路器未跳閘之前及線路兩端單相斷路器跳閘之后且未重合閘之前的兩個(gè)時(shí)刻風(fēng)場(chǎng)側(cè)電壓電流信息進(jìn)行故障測(cè)距，原理上無(wú)任何近似，測(cè)距結(jié)果為數(shù)學(xué)上的精確解，因此本發(fā)明方法測(cè)距精度很高；本發(fā)明方法能夠精確求解出過(guò)渡電阻、風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)線路對(duì)端的系統(tǒng)電動(dòng)勢(shì)和阻抗等參數(shù)；本發(fā)明方法的物理模型采用分布參數(shù)建模，不受分布電容電流的影響，不受過(guò)渡電阻、負(fù)荷、對(duì)端系統(tǒng)阻抗影響，能有效解決風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)輸電線路發(fā)生瞬時(shí)性單相接地故障的測(cè)距問(wèn)題，具有很高的實(shí)用價(jià)值。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的一種220kV的風(fēng)電場(chǎng)接入輸電系統(tǒng)模型。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提出的基于故障隔離多時(shí)刻信息的T接輸電線路單相接地故障單端測(cè)距方法實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明如下：

應(yīng)用本發(fā)明的一種220kV的風(fēng)電場(chǎng)接入輸電系統(tǒng)模型如圖1所示，線路長(zhǎng)度為100km，線路參數(shù)值如表1所示；風(fēng)場(chǎng)側(cè)為60MW的雙饋型風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)，系統(tǒng)側(cè)電勢(shì)為220∠0°kV；系統(tǒng)側(cè)零序阻抗為28.14∠86.74°Ω；正序阻抗為：32.0∠78.4°Ω。應(yīng)用本發(fā)明方法的故障測(cè)距裝置安裝在風(fēng)場(chǎng)側(cè)，電壓、電流分別來(lái)自線路側(cè)電壓互感器、電流互感器。仿真故障類型為A相瞬時(shí)接地故障，故障發(fā)生在距風(fēng)場(chǎng)側(cè)45km處，過(guò)渡電阻100Ω。

表1 220kV風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)輸電線路主要參數(shù)

應(yīng)用本發(fā)明方法的實(shí)施例具體步驟如下：

(1)在風(fēng)電場(chǎng)側(cè)，測(cè)量故障線路瞬時(shí)單相接地故障后單相跳閘前的A、B、C三相電壓相量U_wfa、U_wfb、U_wfc和三相電流相量I_wfa、I_wfb、I_wfc，以及單相跳閘后重合閘之前的A、B、C三相電壓相量U_wha、U_whb、U_whc和三相電流相量I_wha、I_whb、I_whc作為輸入量；

單相接地故障后，斷路器單相跳閘之前：

A相電壓U_wfa＝154.89–j 39.667kV

B相電壓U_wfb＝–78.541–j 157.87kV

C相電壓U_wfc＝–92.933+j 155.85kV

A相電流I_wfa＝0.5158–j 0.08139kA

B相電流I_wfb＝0.09693–j 0.2046kA

C相電流I_wfc＝0.01391+j 0.03784kA

斷路器單相跳閘后，重合閘之前：

A相電壓U_wha＝–28.421–j 8.3412kV

B相電壓U_whb＝–75.082–j 175.41kV

C相電壓U_whc＝–104.41+j 135.98kV

A相電流I_wha＝0kA

B相電流I_whb＝–0.10315–j 0.28676kA

C相電流I_whc＝–0.27013+j 0.18954kA

由下式計(jì)算故障線路瞬時(shí)單相接地故障后單相跳閘前的正序電壓相量U_wf1，負(fù)序電壓相量U_wf2，零序電壓相量U_wf0，正序電流相量I_wf1，負(fù)序電流相量I_wf2，零序電流相量I_wf0，及風(fēng)場(chǎng)側(cè)在線路兩端單相跳閘后單相自動(dòng)化重合閘之前的正、負(fù)、零序電壓相量U_wh1、U_wh2、U_wh0及正、負(fù)、零序電流相量I_wh1、I_wh2、I_wh0：

(2)根據(jù)如下公式，計(jì)算在單相跳閘后且重合閘之前時(shí)刻下故障線路系統(tǒng)側(cè)繼電保護(hù)安裝處的正序電壓相量U_sh1、負(fù)序電壓相量U_sh2、零序電壓相量U_sh0、正序電流相量I_sh1、負(fù)序電流相量I_sh2、零序電流相量I_sh0：

Z_c1為正序波阻抗：

Z_c0為零序波阻抗：

γ₁為正序傳播系數(shù)：

γ₀為零序傳播系數(shù)：

(3)由如下公式計(jì)算系單相跳閘后單相自動(dòng)化重合閘之前系統(tǒng)側(cè)的A、B、C三相電壓相量U_sha、U_shb、U_shc及系統(tǒng)側(cè)的A、B、C三相電流相量I_sha、I_shb、I_shc：

(4)設(shè)出未知量：系統(tǒng)側(cè)的電勢(shì)E_N，正序、零序阻抗Z_N1,Z_N0，故障電阻R，故障點(diǎn)與風(fēng)電場(chǎng)之間的距離占線路長(zhǎng)度的百分比x，根據(jù)兩個(gè)時(shí)刻的信息列寫滿足風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)輸電線路發(fā)生瞬時(shí)單相接地故障時(shí)的系統(tǒng)電氣量關(guān)系的如下方程：

a²E_N＝Z_sI_shb+Z_mI_shc+U_shb

aE_N＝Z_mI_shb+Z_sI_shc+U_shc

其中：

Z_s為系統(tǒng)側(cè)的自阻抗

Z_m為系統(tǒng)側(cè)的相間互阻抗

a＝e^j2π/3；

A為電壓傳遞系數(shù)矩陣，B為阻抗矩陣，C為導(dǎo)納矩陣，D為電流傳遞系數(shù)矩陣，具體定義如下：

(5)將步驟(4)中的非線性復(fù)方程組分離實(shí)部虛部，轉(zhuǎn)化成實(shí)數(shù)的非線性方程組，使用改進(jìn)高斯-牛頓法(Levenbery-Marquardt)的方法進(jìn)行求解，求解得到的故障電阻R為99.246Ω，故障距離風(fēng)場(chǎng)側(cè)的距離百分比x為0.45548，可以得到實(shí)際故障距離為距風(fēng)場(chǎng)側(cè)0.45548×100＝45.548km處。