風(fēng)電場輸電線路故障快速分段及定位技術(shù)研究

張國清 舒 來 唐 鋒 劉德平 殷志江

(智聯(lián)新能電力科技有限公司)

0 引言

近年來, 為響應(yīng)“雙碳”目標(biāo), 我國大力推進(jìn)清潔能源發(fā)電, 其中, 風(fēng)機(jī)發(fā)電占比約50.2%, 在新能源發(fā)電中占主導(dǎo)地位[1]。風(fēng)電場輸電線路一般是架空-電纜混合線路, 線路分支多, 且往往位于山脊、臺地、海岸以及島嶼等風(fēng)速較大的地點, 故障概率高, 故障定位難, 人工巡檢耗時耗力, 因此實現(xiàn)風(fēng)電場輸電線路故障快速分段及定位對電網(wǎng)穩(wěn)定性運行具有重要意義[2-3]。

風(fēng)電場是一種多分支、架空-電纜混合排布的混合輸電系統(tǒng), 基于此特征的相關(guān)研究較少。文獻(xiàn)[4]利用輸電線路故障時過渡阻抗是純電阻, 提出了一種適用于T 接線路的故障定位方法, 但其無法向多分支線路進(jìn)行衍生。文獻(xiàn)[5] 和[6] 通過使用多個電流測點進(jìn)行故障選線、測速和故障定位, 但該方法診斷效率低、工程造價高, 實施困難。文獻(xiàn)[7] 針對風(fēng)電場的接線特點, 提出基于故障區(qū)段逐次搜索的單相接地故障測距方法, 但其對應(yīng)用場景要求較為苛刻。

針對風(fēng)電場分支多、線路檔距短、混架區(qū)段多等特點, 本文通過在風(fēng)電場混合段節(jié)點布置電流測點,通過濾波提取節(jié)點的行波特征, 利用各節(jié)點零序電流、零序電壓和行波極性等信息, 通過分析比對實現(xiàn)故障的快速定段, 同時利用改進(jìn)的行波波頭提取技術(shù), 優(yōu)化傳統(tǒng)的波速計算方法, 實現(xiàn)故障的精確定位。

1 風(fēng)電場系統(tǒng)

風(fēng)電場往往是架空-電纜混合線路, 其常見線路結(jié)構(gòu)如圖1, 擁有多條集電線路(圖中架空線路),風(fēng)機(jī)經(jīng)短電纜與集電線路線路。風(fēng)電場是35kV 線路,鑒于主變出線為三角形連接方式, 其往往通過Z 型變壓器人為制造一個接地點[8]。此外, 由于風(fēng)能的分布特性, 多地風(fēng)電機(jī)組匯入集電線路, 形成多分支結(jié)構(gòu), 且整個風(fēng)電場系統(tǒng)是個多電源系統(tǒng), 此特性為傳統(tǒng)的故障快速分段和定位帶來了挑戰(zhàn)[9]。

圖1 風(fēng)電場的結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 零序網(wǎng)絡(luò)圖

2 故障特征分析

記Z0為零序網(wǎng)絡(luò)的等效阻抗, 則Z0可表示為:

式中,w為角頻率。

故障點處集電線路的零序電流可表示為:

健全集電線路流過的零序電流即為該線路的對地零序電流, 可表示為:

3 故障定位原理

傳統(tǒng)的輸電線路往往結(jié)構(gòu)簡單, 分支較少, 而風(fēng)電場線路往往電纜-架空多段混合鋪設(shè), 分支多, 現(xiàn)有的定位方法往往無法有效的對風(fēng)電場進(jìn)行故障快速分段和定位, 需要一種適合風(fēng)電場的故障定位方法。

3.1 故障定段

風(fēng)電場具有多分支、多段短電纜的特點, 當(dāng)線路發(fā)生故障時, 故障區(qū)段不好判斷, 能否快速、準(zhǔn)確的辨別故障發(fā)生區(qū)段是目前最需解決的問題。本文結(jié)合風(fēng)電場特點, 通過分析故障發(fā)生在不同區(qū)段內(nèi)的工頻和行波特征, 給出了以下2 種故障快速分段方法:

3.1.1 行波極性分段法

以圖3 為例, 假設(shè)故障點產(chǎn)生行波波頭朝向為“↑”, 行波監(jiān)測裝置按照潮流方向進(jìn)行分布配置,則可通過比較不同節(jié)點處行波波頭極性進(jìn)行故障快速分段, 該集電線路的故障行波特征規(guī)律如表1, 當(dāng)某區(qū)段發(fā)生故障時, 故障區(qū)段兩端節(jié)點監(jiān)測到的行波極性相反, 且該集電線路故障點上游所有節(jié)點行波波頭極性相同, 與故障點下游所有節(jié)點行波極性相反。

表1 故障行波極性規(guī)律

圖3 風(fēng)電場故障對比

3.1.2 零序分量分段法

以圖3 模型為例, 與風(fēng)電機(jī)組連接的箱式變壓器為三角形接法, 因此當(dāng)系統(tǒng)側(cè)和風(fēng)電機(jī)組側(cè)發(fā)生故障時, 風(fēng)電場檢測不到零序電流。f1～f6為不同區(qū)段內(nèi)的不對稱故障, 通過分析比較不同節(jié)點的零序電流以及零序電壓特征, 得出表2 所示的風(fēng)電場故障零序特征規(guī)律。

表2 故障零序特征規(guī)律

從表2 中可得出以下結(jié)論:

(1) 根據(jù)母線上零序電流是否越限可判斷風(fēng)電場是否發(fā)生不對稱故障

(2) 僅母線上零序電流越限, 則故障發(fā)生在集電線路首端電纜段

(3) 若風(fēng)電機(jī)組電纜出線處的電纜- 架空節(jié)點處監(jiān)測到零序電流越限, 則故障發(fā)生在下游線路, 以此類推, 若發(fā)現(xiàn)下一級節(jié)點零序電流未越限, 則故障發(fā)生在該節(jié)點到下一級節(jié)點架空段或風(fēng)電機(jī)組出線電纜段。

(4) 若監(jiān)測電纜段兩端零序電壓相同, 則故障發(fā)生在電纜段, 否則為架空段。

3.2 波頭提取

風(fēng)電場發(fā)生故障時, 故障點產(chǎn)生的行波是一個具有突變性質(zhì)的信號, 通過比對行波到達(dá)時刻即可實現(xiàn)故障的精確定位[10-11]。然而, 未經(jīng)處理的故障行波會因噪聲、折反射等作用而找不準(zhǔn)波頭, 對定位結(jié)果帶來的影響不可估量, 需要一種能夠較好提取故障行波特征的算法。

(1) 在對采取的故障行波經(jīng)過濾波處理后, 找到波形中所有的幅值最大、最小值后:

式中,y1為所有采樣點的電壓值; V1max為幅值最大值點的合集; V1min為幅值最小值點的合集。

(2) 選取V1max和V1min中前200 個點求差:

式中, A1max、A1min分別為前200 個采樣幅值點中的最大、最小值, A1為最大、最小值之差, 能夠消除行波的漂移量。

(3) 定義故障行波中M 點為:

從前往后找, 找到第一個M 點, 記為M0, 從M0點向行波波頭零點開始查找, 直至找到第一個N0點,滿足:

則N0點即為行波波頭起始點。

3.3 波速矯正

鑒于風(fēng)電場的特殊環(huán)境, 風(fēng)電場線路轉(zhuǎn)角桿塔處跳線多, 行波在電纜架空節(jié)點折反射嚴(yán)重, 每段波速差異大。為提升定位精度, 需對行波在風(fēng)電場集電線路中的傳播速度極性矯正, 以滿足行波在風(fēng)電場線路中的傳播規(guī)律。目前常用的波速計算方法包括: 經(jīng)驗估計法、公式計算法和在線測量法, 而風(fēng)電場的分支線極多, 且每段分支的波速分布不規(guī)律, 且波速受環(huán)境實時影響大, 故經(jīng)驗估計法及公式計算法在風(fēng)電場環(huán)境中適用性差, 故障的定位精度不佳。

傳統(tǒng)線路分布參數(shù)行波波速計算公式可表示為:

式中,m表示模量,k為模分量序號,w為行波中心頻帶角頻率,分別為線路的模電阻、模電感和模電容。通過式可以看出,傳統(tǒng)波速計算方法既需要線路參數(shù)準(zhǔn)確, 又需要找對行波的中心頻率, 這在風(fēng)電場線路中實現(xiàn)困難。

在線測量法[12]是一種包含GPS 時鐘同步的波速計算方法, 具有實時性, 能夠適應(yīng)環(huán)境對行波波速帶來的影響, 通過校正后的波速可表示為:

l為線路長度,t1、t2分別為行波到達(dá)線路兩端的時間。在線測量法通過GPS 準(zhǔn)確對時能夠精確的計算每段線路的波速, 且能夠?qū)崟r矯正。

3.4 定位原理

圖4 為風(fēng)電場故障段的行波傳播路線圖,F為故障點, 行波會從故障點向該段線路兩端傳播, 在兩端M、N 節(jié)點不均勻介質(zhì)處發(fā)生折射和反射,tM、tN分別是故障行波波頭到達(dá)M、N 兩端的時刻, 根據(jù)雙端行波定位測距公式, 故障點距離本側(cè)的距離x可表示為:

圖4 行波傳播路線圖

帶入式(13), 可得

4 結(jié)束語

風(fēng)電場線路具有線路分支多、線路檔距短、電纜-架空混架區(qū)段多等特點, 故障時傳統(tǒng)定位方法往往不能實現(xiàn)故障區(qū)間快速、準(zhǔn)確判斷以及故障精確定位,是電網(wǎng)待解決的一大痛點。本文基于風(fēng)電場的特點,通過分析風(fēng)電場線路故障時零序分量的特征, 總結(jié)出通過比較零序電流、零序電壓以及利用行波極性來實現(xiàn)故障快速分段的方法。針對風(fēng)電場故障定位, 本文對以往提取波頭的方式進(jìn)行了改良, 新的到達(dá)時刻標(biāo)定算法提取波頭到達(dá)時間更加準(zhǔn)確, 并利用波速的在線測量法, 實時測算風(fēng)電場各段線路的波速特征, 更加精確的實現(xiàn)故障定位。