本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)繼電保護技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種風(fēng)電T接線路的接地故障整定方法。

背景技術(shù)：

隨著風(fēng)電滲透率的增加，電網(wǎng)表現(xiàn)出越來越多異于常規(guī)電網(wǎng)的故障特征，導(dǎo)致按常規(guī)系統(tǒng)配置的繼電保護選擇性、靈敏性和可靠性面臨巨大挑戰(zhàn)。國網(wǎng)公司企業(yè)標準Q/GDW738—2012《配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計技術(shù)導(dǎo)則及編制說明》指出，在110kV高壓配電網(wǎng)中，風(fēng)電電源可采用T接方式并網(wǎng)。配電網(wǎng)為了保證供電的可靠性，往往采用手拉手環(huán)網(wǎng)或雙端電源的供電模式，因此風(fēng)電的T型接入引入了非線性電源且在局部形成了風(fēng)電T接線路，導(dǎo)致保護整定與配置更加復(fù)雜。以風(fēng)電T接線路為研究對象，可將圖1所示含T接風(fēng)電的電網(wǎng)示意圖等效為圖2所示的系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中T接線路拓撲和風(fēng)電故障特性的綜合作用使得按照常規(guī)雙電源供電系統(tǒng)配置的繼電保護存在適應(yīng)性問題，主要結(jié)論如下：

(1)由T接線路拓撲可知，其每側(cè)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，保護范圍將縮小，甚至可能出現(xiàn)保護盲區(qū)，如圖3所示的距離保護保護范圍。

(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(yīng)用到含風(fēng)電的配電網(wǎng)T接線路中，由于每側(cè)保護均需與另外兩側(cè)進行電流矢量信息的交換，需要架設(shè)新的光纖通道，會大大增加電網(wǎng)改造投資成本。

(3)采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(shè)，能夠有效降低成本。但由于線路在T點處有三條分支線路，發(fā)信機所發(fā)出的高頻信號通過T點時將會分流，可等效于線路損耗的增加，嚴重情況下可能導(dǎo)致對端收不到閉鎖信號，保護誤動作。

(4)風(fēng)電機組等效序阻抗的變化破壞了傳統(tǒng)故障分量方向元件的最佳應(yīng)用環(huán)境。風(fēng)電機組與常規(guī)電源存在很大差異，尤其是采用異步發(fā)電機和電力電子裝置相結(jié)合的雙饋風(fēng)電機組，其故障特性十分復(fù)雜。故障期間風(fēng)電電源等效正、負序阻抗受風(fēng)電機組的故障暫態(tài)策略控制，阻抗相角可能發(fā)生較大變化，進而可能

基于以上分析可知，準確評價新場景下傳統(tǒng)繼電保護配置方案存在的問題，尋求一種適用于含T接風(fēng)電的配電網(wǎng)繼電保護配置與整定新方案，對風(fēng)電T接系統(tǒng)的安全運行具有重要意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對上述配電網(wǎng)中風(fēng)電T接線路傳統(tǒng)保護方案的適應(yīng)性問題，提出一種風(fēng)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(jù)圖2所示的風(fēng)電T接線路圖，每側(cè)保護的保護方向不再唯一，如M側(cè)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(cè)距離保護為例分析T接線路中單端量保護的保護范圍。

其中，為距離I段可靠系數(shù)，一般取0.8-0.85；為M側(cè)距離I段整定阻抗；L_M→N＝L_MT+L_NT,L_M→W＝L_MT+L_WT，式中L_MT、L_NT、L_WT分別為三條分支線路的長度，L_M→N、L_M→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(yīng)取兩個保護方向中的最小值，因此相對于風(fēng)電T接前雙端電源系統(tǒng)的距離保護，其保護范圍縮小、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(xiàn)保護盲區(qū)，如圖3所示。

(2)已知風(fēng)電電源包含非線性的電力電子器件，其暫態(tài)電勢在故障期間不能維持恒定，風(fēng)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(wǎng)絡(luò)中保護感受到的風(fēng)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(fēng)電電源出口的正序電壓、正序電流故障分量；為故障后風(fēng)電電源出口的負序電壓和電流。

風(fēng)電場主變高壓側(cè)一般采用中性點直接接地方式，因此故障附加零序網(wǎng)絡(luò)中不包含風(fēng)電機組的零序阻抗。

(3)根據(jù)(2)所述風(fēng)電機組等效序阻抗的特征，當(dāng)T接線路內(nèi)部發(fā)生故障時，其故障附加序網(wǎng)如圖4所示，設(shè)故障點為分支線路MT上的k₁點故障，其中不計數(shù)值很小的變壓器正、負序阻抗，即故障附加正、負序網(wǎng)絡(luò)中Z_SW1、Z_SW2分別為風(fēng)電電源等效正、負序阻抗，零序網(wǎng)絡(luò)中Z_SW0為風(fēng)電場主變的零序阻抗。下面分析風(fēng)電電源等效序阻抗相角變化特征對故障分量方向元件的影響。

區(qū)內(nèi)故障時，保護安裝處的電壓、電流關(guān)系為：

則風(fēng)場側(cè)電壓、電流的相位關(guān)系為：

顯然，故障期間故障暫態(tài)控制作用引起的風(fēng)電電源正、負序阻抗相角的變化，可能導(dǎo)致正序故障分量方向元件和負序方向元件靈敏性不足，當(dāng)相角變化范圍較大時相應(yīng)的方向元件可能誤判。

從零序電壓、電流的相角關(guān)系中可以看到，零序方向元件不受非線性的風(fēng)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(fēng)場側(cè)主變實現(xiàn)了風(fēng)電場和零序網(wǎng)路的有效隔離。

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

考慮各種因素的影響，T接線路區(qū)內(nèi)故障時對應(yīng)的功率方向判據(jù)為：

區(qū)外故障時對應(yīng)的功率方向判據(jù)為：

其中，Z_mr、Z_nr、Z_wr分別為零序方向元件的模擬阻抗，其相角分別與各側(cè)母線背側(cè)的零序等效阻抗相角相等。

基于以上零序方向判據(jù)，所提縱聯(lián)保護的基本工作原理如下：

1)系統(tǒng)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(tǒng)故障時，保護1、2、3均啟動。

2)區(qū)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(fā)信機向2個保護方向發(fā)送高頻閉鎖信號—高頻電流，T接分支MT、NT、WT上出現(xiàn)高頻電流，保護1、2、3被閉鎖，因此T接線路三側(cè)保護都不跳閘。

3)區(qū)內(nèi)故障時，保護1、2、3的功率方向全為正，不發(fā)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(fā)生故障且未收到閉鎖信號，則保護1、2、3瞬時動作于跳閘，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(tǒng)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(fēng)電接入線路時完成光纖通道的架設(shè)，投資成本大大增加，在配電網(wǎng)中的實際應(yīng)用受到限制。目前利用電力線路載波通道實現(xiàn)兩端縱聯(lián)保護的方案被廣泛采用，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(jù)各端的零序方向元件動作情況，實現(xiàn)風(fēng)電T接線路的閉鎖式高頻縱聯(lián)保護。

(2)由于T接線路每側(cè)保護含有2個保護方向，以M側(cè)為例，當(dāng)M側(cè)發(fā)生區(qū)外故障，該側(cè)發(fā)信機發(fā)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，這等效于線路損耗增加，嚴重情況下可能導(dǎo)致其中一個方向或兩個方向上的保護均收不到M側(cè)發(fā)送的閉鎖信號，從而保護誤動作。未解決并聯(lián)分流閉鎖信號衰減的問題，反向故障時每側(cè)保護發(fā)送的閉鎖高頻電流應(yīng)大于一定的整定閾值，MNW側(cè)的發(fā)信閾值分別記作I_bM、I_bN、I_bW，根據(jù)并聯(lián)分流定理可得其計算公式如下：

其中，I_block為收信機實現(xiàn)可靠閉鎖所收到的最小高頻電流值。

圖5給出了所提縱聯(lián)保護的工作原理示意圖。

本發(fā)明的技術(shù)方案是一種風(fēng)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(fēng)電T接線路保護安裝處的零序電壓、零序電流，根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)求出模擬阻抗和發(fā)信機的發(fā)信閾值；

2)計算各側(cè)的功率方向，判斷故障方向；

若側(cè)為反方向故障，則側(cè)保護啟動發(fā)信機發(fā)送高頻閉鎖信號，且其值大于其中可取M、N或W；

3)若側(cè)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(nèi)部故障，側(cè)保護立即動作跳閘。

進一步，所述發(fā)信機的發(fā)信閾值計算方法為，

MNW側(cè)的發(fā)信閾值分別記作I_bM、I_bN、I_bW，其計算公式如下：

其中，I_block為收信機實現(xiàn)可靠閉鎖所收到的最小高頻電流值；

Z_M0+Z_LM0、Z_N0、Z_W0分別為附加網(wǎng)絡(luò)中T點到各側(cè)接地點間的零序等值阻抗。

進一步，所述風(fēng)電T接線路內(nèi)部、外部故障的判別方法如下:

若滿足

則判斷為T接線路區(qū)內(nèi)故障，否則判斷為T接線路外部故障。

本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明所提出的風(fēng)電T接高壓配電網(wǎng)接地故障縱聯(lián)保護方案，重點解決了T接線路拓撲和風(fēng)電故障特性對T接線路保護配置的影響問題并兼顧了方案的經(jīng)濟性，通過零序方向元件的相互配合實現(xiàn)了風(fēng)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(guān)系由保護安裝處到背側(cè)系統(tǒng)中性點間的阻抗決定，不受系統(tǒng)電勢、風(fēng)電序阻抗特征和短路點過渡電阻的影響，方向性明確，無電壓死區(qū)，動作性能基本不受負荷狀態(tài)、系統(tǒng)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(qū)的出現(xiàn)。同時本發(fā)明采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(shè)，大大降低了配電網(wǎng)保護配置成本。為消除分支線路對發(fā)信機高頻閉鎖電流的分流削弱作用，本發(fā)明給給發(fā)信機的發(fā)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(fēng)電T接線路內(nèi)部故障，無需新增通信通道，成本低，不受風(fēng)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(fā)明對提高風(fēng)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(fēng)電的配電網(wǎng)示意圖。

圖2為等效風(fēng)電T接線路示意圖。

圖3為風(fēng)電T接線路的距離保護保護范圍圖。

圖4為區(qū)內(nèi)k₁點短路時系統(tǒng)的故障附加序網(wǎng)圖，其中

(a)為故障附加正序網(wǎng)絡(luò)圖，(b)為故障附加負序網(wǎng)絡(luò)圖，(c)為故障附加零序網(wǎng)絡(luò)圖。

圖5為縱聯(lián)保護工作原理圖。

具體實施方式

本發(fā)明提出一種風(fēng)電T接線路的接地故障整定方法，下面結(jié)合附圖予以說明。

圖2所示為風(fēng)電T接線路示意圖。

其特征在于，所整定方法的分析過程如下：

(1)根據(jù)圖2所示的風(fēng)電T接線路，每側(cè)保護的保護方向不再唯一，如M側(cè)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(cè)距離保護為例分析T接線路中單端量保護的保護范圍。

其中，為距離I段可靠系數(shù)，一般取0.8-0.85；為M側(cè)距離I段整定阻抗；L_M→N＝L_MT+L_NT,L_M→W＝L_MT+L_WT，L_MT、L_NT、L_WT分別為三條分支線路的長度，L_M→N、L_M→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(yīng)取兩個保護方向中的最小值，因此相對于風(fēng)電T接前雙端電源系統(tǒng)的距離保護，其保護范圍縮小、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(xiàn)保護盲區(qū)，如圖3所示。

(2)已知風(fēng)電電源包含非線性的電力電子器件，其暫態(tài)電勢在故障期間不能維持恒定，風(fēng)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(wǎng)絡(luò)中保護感受到的風(fēng)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(fēng)電電源出口的正序電壓、正序電流故障分量；為故障后風(fēng)電電源出口的負序電壓和電流。

風(fēng)電場主變高壓側(cè)一般采用中性點直接接地方式，因此故障附加零序網(wǎng)絡(luò)中不包含風(fēng)電機組的零序阻抗。

(3)根據(jù)(2)所述風(fēng)電機組等效序阻抗的特征，當(dāng)T接線路內(nèi)部發(fā)生故障時，其故障附加序網(wǎng)如圖4所示，設(shè)故障點為分支線路MT上的k₁點故障，其中不計數(shù)值很小的變壓器正、負序阻抗，故障附加零序網(wǎng)絡(luò)中Z_SW0為風(fēng)電場主變的零序阻抗。下面分析風(fēng)電電源等效序阻抗相角變化特征對故障分量方向元件的影響。

區(qū)內(nèi)故障時，三端保護安裝處的電壓、電流關(guān)系為：

則風(fēng)場側(cè)電壓、電流的相位關(guān)系為：

顯然，故障期間故障暫態(tài)控制作用引起的風(fēng)電電源正、負序阻抗相角的變化，可能導(dǎo)致正序故障分量方向元件和負序方向元件靈敏性不足，當(dāng)相角變化范圍較大時相應(yīng)的方向元件可能誤判。

從零序電壓、電流的相角關(guān)系中可以看到，零序方向元件不受非線性的風(fēng)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(fēng)場側(cè)主變實現(xiàn)了風(fēng)電場和零序網(wǎng)路的有效隔離。

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

考慮各種因素的影響，T接線路區(qū)內(nèi)故障時對應(yīng)的功率方向判據(jù)為：

區(qū)外故障時對應(yīng)的功率方向判據(jù)為：

其中，Z_mr、Z_nr、Z_wr分別為零序方向元件的模擬阻抗，其相角分別與各側(cè)母線背側(cè)的零序等效阻抗相角相等。

基于以上零序方向判據(jù)，所提縱聯(lián)保護的基本工作原理如下：

1)系統(tǒng)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(tǒng)故障時，保護1、2、3均啟動。

2)區(qū)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(fā)信機向2個保護方向發(fā)送高頻閉鎖信號—高頻電流，T接分支MT、NT、WT上出現(xiàn)高頻電流，保護1、2、3被閉鎖，因此T接線路三側(cè)保護都不跳閘。

3)區(qū)內(nèi)故障時，保護1、2、3的功率方向全為正，不發(fā)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(fā)生故障且未收到閉鎖信號，則保護1、2、3瞬時動作于跳閘，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(tǒng)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(fēng)電接入線路時完成光纖通道的架設(shè)，投資成本大大增加，在配電網(wǎng)中的實際應(yīng)用受到限制。目前利用電力線路載波通道實現(xiàn)兩端縱聯(lián)保護的方案被廣泛采用，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(jù)各端的零序方向元件動作情況，實現(xiàn)風(fēng)電T接線路的閉鎖式高頻縱聯(lián)保護。

(2)由于T接線路每側(cè)保護含有2個保護方向，以M側(cè)為例，當(dāng)M側(cè)發(fā)生區(qū)外故障，該側(cè)發(fā)信機發(fā)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，這等效于線路損耗增加，嚴重情況下可能導(dǎo)致其中一個方向或兩個方向上的保護均收不到M側(cè)發(fā)送的閉鎖信號，從而保護誤動作。為解決并聯(lián)分流閉鎖信號衰減的問題，反向故障時每側(cè)保護發(fā)送的閉鎖高頻電流應(yīng)大于一定的整定閾值，MNW側(cè)的發(fā)信閾值分別記作I_bM、I_bN、I_bW，根據(jù)并聯(lián)分流定理可得其計算公式如下：

其中，I_block為收信機實現(xiàn)可靠閉鎖所收到的最小高頻電流值。

Z_M0+Z_LM0、Z_N0、Z_W0分別為附加網(wǎng)絡(luò)中T點到各側(cè)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(lián)保護的工作原理示意圖。

實施例

按照圖1搭建含T接風(fēng)電的配電網(wǎng)仿真模型中，系統(tǒng)電壓等級為110kV，兩側(cè)常規(guī)電源的容量均為90MW，風(fēng)電場容量為12MW，負荷均為22MW，功率因素為0.85。線路參數(shù)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(fēng)電T接線路區(qū)內(nèi)k₁點和區(qū)外k₄點發(fā)生單相金屬性接地短路時，采用所述整定方法進行故障判別，包括以下步驟：

1)提取風(fēng)電T接線路保護安裝處的零序電壓、零序電流，根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)求出模擬阻抗和發(fā)信機的發(fā)信閾值，得到Z_mr＝1∠71.86°，Z_nr＝1∠78.34°，Z_wr＝1∠89.23°，I_bM＝(3.08-j0.14)I_block，I_bN＝(2.29-j0.07)I_block，I_bW＝(2.61+j0.01)I_block。

2)計算各側(cè)的功率方向，判斷是否為反方向故障。

k₁點故障時，

判斷M側(cè)、N側(cè)、W側(cè)均為正方向故障。

k₄點故障時，

判斷為M側(cè)反方向故障，N側(cè)和W側(cè)正方向故障，M側(cè)保護啟動發(fā)信機發(fā)送高頻閉鎖信號(>I_bM)。

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

k₄點故障時，，M側(cè)為反方向故障，N側(cè)和W側(cè)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。