基于過(guò)渡電阻傾斜角的風(fēng)電T接雙電源系統(tǒng)自適應(yīng)距離保護(hù)方案

傳云,王維慶,王海云,武家輝

(新疆大學(xué) 可再生能源發(fā)電與并網(wǎng)控制教育部工程研究中心,烏魯木齊 830047)

0 引 言

隨著傳統(tǒng)能源的日益衰竭及風(fēng)電技術(shù)的不斷完善,風(fēng)電大規(guī)模接入配電網(wǎng)導(dǎo)致電網(wǎng)表現(xiàn)出許多異于常規(guī)電網(wǎng)的故障特征[1-5],給常規(guī)保護(hù)裝置的選擇性、靈敏性及可靠性帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)[6-10]。風(fēng)電以T接方式并網(wǎng)的系統(tǒng)保護(hù)因其特殊性也得到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。目前,有許多學(xué)者對(duì)此問(wèn)題展開(kāi)了大量研究[11-14]。文獻(xiàn)[11]針對(duì)T接線路提出余弦相似度特征判據(jù)用以解決傳統(tǒng)差動(dòng)保護(hù)存在的區(qū)外故障可靠性與區(qū)內(nèi)故障靈敏性不兼容的問(wèn)題。文獻(xiàn)[12]指出常用差動(dòng)保護(hù)判據(jù)在T接線路上存在的局限性并提出綜合保護(hù)判據(jù),提高保護(hù)的靈敏性及可靠性。文獻(xiàn)[13]指出新能源電源相角畸變、幅值受限對(duì)比率式電流差動(dòng)保護(hù)帶來(lái)很大影響,在并入強(qiáng)同步系統(tǒng)時(shí)容易造成靈敏度下降,并入弱同步系統(tǒng)時(shí)存在拒動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。文獻(xiàn)[14]根據(jù)線路母線電壓互感器的信息,以線路兩端正序補(bǔ)償電壓之間的差值作為輔助判據(jù)消除逆變型DG接入對(duì)電流縱差帶來(lái)的影響。文獻(xiàn)[15]提出一種適用于多節(jié)點(diǎn)T接線路的差動(dòng)保護(hù)方案,對(duì)多點(diǎn)T接線路出現(xiàn)的電流汲取與T點(diǎn)增加帶來(lái)的靈敏度問(wèn)題提供了一種很好的解決方案。

上述針對(duì)T接線路保護(hù)的研究中主要運(yùn)用差動(dòng)保護(hù)這種方法,但差動(dòng)保護(hù)對(duì)通信要求較高。距離保護(hù)具有保護(hù)區(qū)穩(wěn)定并且受系統(tǒng)運(yùn)行方式變化影響小的特點(diǎn),在高壓配電網(wǎng)中應(yīng)用較多。文獻(xiàn)[16-17]對(duì)傳統(tǒng)距離保護(hù)進(jìn)行適應(yīng)性分析,指出測(cè)量阻抗表達(dá)式中包含附加阻抗會(huì)引起傳統(tǒng)距離保護(hù)誤動(dòng)與拒動(dòng),進(jìn)而提出用縱聯(lián)保護(hù)來(lái)解決T接區(qū)域內(nèi)故障的方案,但改變繼電保護(hù)方案投資巨大,經(jīng)濟(jì)性與現(xiàn)實(shí)可行性較差。文獻(xiàn)[18]分析了風(fēng)電T接對(duì)本段保護(hù)及下段保護(hù)造成的影響,仿真驗(yàn)證了故障位置、風(fēng)機(jī)出力及過(guò)渡電阻等對(duì)距離保護(hù)造成的具體影響,但沒(méi)有提出如何消除附加阻抗的具體解決方案。

針對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)于風(fēng)電T接線路在距離保護(hù)方案上研究的欠缺,文章提出一種適用于風(fēng)電T接系統(tǒng)的自適應(yīng)距離保護(hù)方案。文中首先分析了風(fēng)電T接對(duì)電網(wǎng)傳統(tǒng)距離保護(hù)產(chǎn)生的影響,得出當(dāng)過(guò)渡電阻與電源短路電流故障分量共同作用下,產(chǎn)生的附加阻抗使保護(hù)整定過(guò)程變得較為復(fù)雜,可能會(huì)使傳統(tǒng)保護(hù)發(fā)生誤動(dòng)或拒動(dòng)。為了解決上述問(wèn)題,文中從測(cè)量裝置處獲取各電源出口母線處的故障電流分量用于計(jì)算過(guò)渡電阻傾斜角,在過(guò)渡電阻未知的情況下,利用各阻抗與R軸之間的夾角關(guān)系對(duì)測(cè)量阻抗進(jìn)行修正使其能跟蹤到短路阻抗。最后通過(guò)MATLAB/Simulink仿真驗(yàn)證所提方案的有效性與正確性。

1 風(fēng)電T接對(duì)傳統(tǒng)電網(wǎng)距離保護(hù)的影響

圖1為風(fēng)電T型接入含雙電源的常規(guī)配電網(wǎng)的母線中,其中EM與EN為常規(guī)電源等效電動(dòng)勢(shì),EW為風(fēng)電等效電動(dòng)勢(shì),通過(guò)升壓后并入B母線,F1與F2為故障點(diǎn)?？紤]到風(fēng)電的聯(lián)絡(luò)線相對(duì)較短,即故障概率遠(yuǎn)小于其他線路,所以本文暫不分析風(fēng)電聯(lián)絡(luò)線發(fā)生的故障,主要分析風(fēng)電接入系統(tǒng)母線后,在風(fēng)電T接點(diǎn)上下游線路發(fā)生單相接地故障對(duì)距離保護(hù)裝置產(chǎn)生的影響。

圖1 風(fēng)電T接系統(tǒng)示意圖

1.1 風(fēng)電T接對(duì)上游保護(hù)產(chǎn)生的影響

當(dāng)故障位置在F1處時(shí),取T接線路為研究對(duì)象,將以外區(qū)域等效為電源和阻抗串聯(lián)的形式,如圖2所示。

圖2 F1處發(fā)生故障時(shí)的等效電路圖

(1)

測(cè)量阻抗ZMA為:

(2)

圖3 附加阻抗對(duì)保護(hù)裝置的影響

1.2 風(fēng)電T接對(duì)下游保護(hù)產(chǎn)生的影響

當(dāng)故障發(fā)生在F2處時(shí),系統(tǒng)的故障等效電路圖如圖4所示。

圖4 F2處發(fā)生故障時(shí)的等效電路圖

(3)

測(cè)量阻抗ZMB為:

(4)

式(4)中,ΔZ表示附加阻抗。由式(4)可以看出,測(cè)量阻抗在金屬性故障時(shí)ΔZ為零,短路后對(duì)傳統(tǒng)保護(hù)裝置動(dòng)作特性沒(méi)有影響。當(dāng)在非金屬性故障時(shí),ΔZ的值受到ΔIM、IM0、ΔIN、ΔIW、IW0及Rf這幾個(gè)因素的影響。相比于其他幾個(gè)故障電流分量,ΔZ受Rf影響較大。ΔZ呈感性時(shí)會(huì)使母線B的測(cè)量阻抗變大,嚴(yán)重時(shí)將引起保護(hù)裝置拒動(dòng)。ΔZ呈容性時(shí)會(huì)使母線B處測(cè)量阻抗變小,嚴(yán)重時(shí)將引起保護(hù)裝置誤動(dòng)。

2 基于過(guò)渡電阻傾斜角的自適應(yīng)距離保護(hù)方案

由上節(jié)分析可知,當(dāng)線路T接點(diǎn)上游發(fā)生故障時(shí),ΔZ受到ΔIM、IM0、ΔIN、ΔIW及Rf因素的共同影響,具體表現(xiàn)為ΔZ隨著ΔIN、ΔIW及Rf的增大而增大,ΔZ隨著ΔIM與IM0的增大而減小,從而導(dǎo)致保護(hù)裝置的不正確動(dòng)作,因此考慮在測(cè)量阻抗的基礎(chǔ)上,消除附加阻抗ΔZ,從而保證各保護(hù)裝置的正確動(dòng)作。ΔIM、IM0、ΔIN、ΔIW這幾個(gè)電流故障分量可以通過(guò)在保護(hù)安裝處獲得。對(duì)于Rf,卻不容易測(cè)得,因此本文考慮利用向量圖對(duì)測(cè)量阻抗進(jìn)行修正,在Rf未知的情況下,利用各阻抗與R軸之間的夾角關(guān)系對(duì)測(cè)量阻抗進(jìn)行修正,使修正后的阻抗能跟蹤到短路阻抗。同理,當(dāng)線路T接點(diǎn)下游發(fā)生故障時(shí)按照上述思路對(duì)測(cè)量阻抗進(jìn)行修正。

2.1 利用向量圖修正測(cè)量阻抗

當(dāng)T接點(diǎn)上游發(fā)生單相接地故障時(shí),由式(2)中附加阻抗ΔZ,定義過(guò)渡電阻傾斜角[21]為:

(5)

同理,當(dāng)T接點(diǎn)下游發(fā)生單相接地故障時(shí)

(6)

可以采用向量圖的方法,對(duì)測(cè)量阻抗軌跡進(jìn)行修正,具體步驟如下:

1)獲取測(cè)量阻抗ZMA在向量圖中畫(huà)出ZMA,其中ZMA與R軸夾角為γ。

2)通過(guò)測(cè)量阻抗ZMA畫(huà)水平線,由(5)式計(jì)算得到的過(guò)渡電阻傾斜角θ1,然后畫(huà)出與該水平線成夾角θ1的射線,定義為附加阻抗ΔZ1。

3)已知線路阻抗角β,通過(guò)原點(diǎn)畫(huà)出與R軸成β角的射線,于ΔZ1相交于d1點(diǎn),則Zd1表示修正后測(cè)量阻抗。

向量圖如圖5所示,圖中ZSET表示整定圓直徑,當(dāng)θ1>0,則ΔZ1是向上傾斜指向Zd1。同理,若θ2<0,則ΔZ2是向下傾斜指向Zd2。

圖5 修正測(cè)量阻抗的向量圖

根據(jù)三角函數(shù)正弦定理,則Zd的理論計(jì)算如式(7)所得:

(7)

式(7)中θ為過(guò)渡電阻傾斜角,對(duì)于風(fēng)電T接點(diǎn)上游的阻抗繼電器可以由式(5)求得,T接點(diǎn)下游的阻抗繼電器可以由式(6)求得,而式(5)和式(6)中的所有參數(shù)可以通過(guò)在保護(hù)安裝處測(cè)量得到。γ為測(cè)量阻抗ZMA與R軸夾角,β為線路阻抗角,均為已知,所以可以計(jì)算得到修正后的測(cè)量阻抗。由圖5及式(5)或(6)中可見(jiàn),當(dāng)過(guò)渡電阻一定且未知的情況下,通過(guò)計(jì)算過(guò)渡電阻傾斜角,可以判斷出修正后的線路測(cè)量阻抗Zd是否落入阻抗整定圓內(nèi),從而判別線路是否發(fā)生故障,進(jìn)而決定保護(hù)裝置是否動(dòng)作。

綜上所述,由式(5)和(6)可知,隨著線路上故障位置、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、過(guò)渡電阻值的變化,包含這幾個(gè)因素的過(guò)渡電阻傾斜角能夠自適應(yīng)的跟著上述幾個(gè)因素的變化而變化,然后根據(jù)式(7)中計(jì)算結(jié)果反映出短路真實(shí)位置,有效提高保護(hù)裝置動(dòng)作可靠性。

2.2 保護(hù)方案流程圖

保護(hù)方案流程圖如圖6所示。

圖6 保護(hù)方案流程圖

根據(jù)上節(jié)中對(duì)測(cè)量阻抗的修正方法制定保護(hù)方案如下:

1)數(shù)據(jù)濾波及故障選相。當(dāng)故障發(fā)生后,使用傅里葉算法對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理,再利用選相元件判別出故障類(lèi)型及故障相。

2)計(jì)算過(guò)渡電阻傾斜角。從各電源母線處獲取電流故障分量。對(duì)于風(fēng)電T接點(diǎn)上游的阻抗繼電器按照式(5)計(jì)算過(guò)渡電阻傾斜角,T接點(diǎn)下游的阻抗繼電器按照式(6)計(jì)算過(guò)渡電阻傾斜角。

3)對(duì)測(cè)量阻抗進(jìn)行修正。通過(guò)計(jì)算過(guò)渡電阻傾斜角θ、測(cè)量阻抗ZMA、線路阻抗與R軸的夾角β、測(cè)量阻抗與R軸的夾角γ這幾個(gè)數(shù)據(jù),將其代入式(7)中計(jì)算修正后的測(cè)量阻抗Zd。

4)保護(hù)判定。若修正測(cè)量阻抗在本段保護(hù)動(dòng)作區(qū)域內(nèi),則保護(hù)裝置動(dòng)作。若在區(qū)外,則保護(hù)裝置不動(dòng)作并返回至第一步。

3 算例仿真

3.1 系統(tǒng)建模

參照風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)[22],利用MATLAB/Simulink仿真平臺(tái)上搭建如圖1所示的風(fēng)電T接系統(tǒng)仿真模型。系統(tǒng)電壓等級(jí)為110 kV,M側(cè)和N側(cè)電源的正序阻抗參數(shù)均為ZSM1=0.69+j7.97 Ω,零序阻抗為ZSM0=1.03+j11.9 Ω,W側(cè)的風(fēng)電額定容量為18 MW,負(fù)荷均為15 MW。線路AB、BC、CD長(zhǎng)度均為100 km,線路BF長(zhǎng)度為10 km,線路參數(shù)為正序阻抗為ZL1=0.0363+j1.006 Ω/km,零序阻抗ZL0=0.3976+j1.328 Ω/km。

3.2 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證所提自適應(yīng)距離保護(hù)方案的正確性,本文在風(fēng)電T接點(diǎn)上、下游單相接地短路的情況分別進(jìn)行仿真,并通過(guò)改變故障位置、過(guò)渡電阻、系統(tǒng)電源相位、風(fēng)電運(yùn)行方式驗(yàn)證所提方案的自適應(yīng)性。初始條件按如下設(shè)定:雙饋風(fēng)機(jī)的風(fēng)速為15 m/s,輸出功率為9 MW,模型采樣時(shí)間為5 μs,故障持續(xù)時(shí)間0.1 s,過(guò)渡電阻取20 Ω,故障位置在本段線路50%處,M側(cè)和N側(cè)電源的相位差為30°,整定距離取本段線路的85%。

阻抗修正按照前面2.1節(jié)修正測(cè)量阻抗的方法,把測(cè)量阻抗軌跡上每一個(gè)點(diǎn)均映射到線路阻抗角的直線上,形成看起來(lái)像一條線段的所有點(diǎn)的集合。

3.2.1 保護(hù)方案對(duì)T接點(diǎn)上游故障的適應(yīng)性分析

保持上述初始條件不變,故障位置分別取本段線路的25%、50%、75%,驗(yàn)證所提方案對(duì)上游故障位置變化時(shí)的自適應(yīng)性。仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 保護(hù)方案對(duì)上游故障位置變化的適應(yīng)性分析

由圖7可知:隨著故障位置在本段線路上的變化,電抗對(duì)于阻抗測(cè)量軌跡影響比電阻大。當(dāng)在線路75%處發(fā)生故障時(shí),原保護(hù)裝置出現(xiàn)拒動(dòng),而本文所提保護(hù)方案中阻抗修正軌跡能跟蹤到短路點(diǎn)阻抗,能克服原保護(hù)的拒動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。

3.2.2 保護(hù)方案對(duì)過(guò)渡電阻的適應(yīng)性分析

保持上述初始條件不變,過(guò)渡電阻分別取0.1 Ω、10 Ω、30 Ω、50 Ω,驗(yàn)證所提方案對(duì)過(guò)渡電阻變化的自適應(yīng)性。仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 保護(hù)方案對(duì)過(guò)渡電阻變化的適應(yīng)性分析

由圖8可知:過(guò)渡電阻越小,測(cè)量阻抗曲線變化越劇烈,說(shuō)明在短路穩(wěn)定階段測(cè)量阻抗上下波動(dòng)幅度也越大。當(dāng)過(guò)渡電阻為30 Ω時(shí),測(cè)量阻抗進(jìn)入保護(hù)整定邊緣。當(dāng)過(guò)渡電阻為50 Ω時(shí),測(cè)量阻抗軌跡已遠(yuǎn)離整定圓。而本文所提保護(hù)方案在各種不同過(guò)渡電阻的情況下,均能跟蹤到線路短路點(diǎn)阻抗,使保護(hù)裝置正確動(dòng)作。

3.2.3 保護(hù)方案對(duì)系統(tǒng)電源相位的適應(yīng)性分析

保持上述初始條件不變,系統(tǒng)電源EM與EN的相位差分別為30°、45°、60°,驗(yàn)證所提方案對(duì)電源相位變化時(shí)的自適應(yīng)性。仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 保護(hù)方案對(duì)系統(tǒng)電源相位變化的適應(yīng)性分析

由圖9可知:系統(tǒng)電源相位差越大,測(cè)量阻抗軌跡向上有輕微偏移量。相對(duì)于故障位置、過(guò)渡電阻而言,系統(tǒng)電源相位差對(duì)測(cè)量阻抗影響很小。

3.2.4 保護(hù)方案對(duì)風(fēng)電運(yùn)行方式的適應(yīng)性分析

保持上述初始條件不變,風(fēng)電分別按下面三種運(yùn)行方式,如表1所示,驗(yàn)證所提方案對(duì)風(fēng)電運(yùn)行方式變化的自適應(yīng)性。仿真結(jié)果見(jiàn)圖10。

圖10 保護(hù)方案對(duì)風(fēng)電電源變化的適應(yīng)性分析

由圖10可知:阻抗測(cè)量軌跡在上述三種方式下幾乎不變,這是因?yàn)轱L(fēng)電電源提供的短路電流幅值受限,會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于系統(tǒng)電源的提供的短路電流,所以對(duì)測(cè)量軌跡基本沒(méi)有影響。

3.2.5 保護(hù)方案對(duì)T接點(diǎn)下游故障的適應(yīng)性分析

保持上述初始條件不變,故障位置分別取T接點(diǎn)下游線路的25%、50%、75%處,驗(yàn)證所提方案對(duì)下游故障位置變化時(shí)的自適應(yīng)性。仿真結(jié)果如圖11所示。

圖11 保護(hù)方案對(duì)下游故障位置變化的適應(yīng)性分析

由圖11可知:當(dāng)下游線路故障時(shí),從阻抗測(cè)量軌跡可以看出,受諧波影響比上游線路故障時(shí)更大。當(dāng)在線路75%處發(fā)生故障時(shí),原保護(hù)的阻抗測(cè)量軌跡偏離阻抗整定圓,發(fā)生保護(hù)裝置拒動(dòng)。而文章所提保護(hù)方案能跟蹤到短路點(diǎn)阻抗,保證保護(hù)裝置的正確動(dòng)作。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)風(fēng)電T接對(duì)傳統(tǒng)距離保護(hù)的影響,文章提出基于過(guò)渡電阻傾斜角的風(fēng)電T接雙電源系統(tǒng)自適應(yīng)距離保護(hù)方案,主要結(jié)論如下:

1)在風(fēng)電T接雙電源系統(tǒng)后,阻抗繼電器所測(cè)得的阻抗除了線路本身短路阻抗外還包含附加阻抗ΔZ。當(dāng)ΔZ呈感性(容性)時(shí),會(huì)使測(cè)量阻抗變大(變小),嚴(yán)重時(shí)將引起繼電保護(hù)裝置拒動(dòng)(誤動(dòng))。

2)通過(guò)分析附加阻抗ΔZ的構(gòu)成,考慮到過(guò)渡電阻不易測(cè)量,文中利用各阻抗與R軸之間的夾角關(guān)系消除掉過(guò)渡電阻對(duì)保護(hù)裝置產(chǎn)生的影響,能自適應(yīng)修正測(cè)量阻抗使其能跟蹤到短路阻抗。

3)仿真結(jié)果表明文中所提方案受故障點(diǎn)位置、過(guò)渡電阻、電源相位差及風(fēng)電運(yùn)行方式影響較小,可以使保護(hù)裝置可靠動(dòng)作。該方案簡(jiǎn)單有效,無(wú)需改造原距離保護(hù)裝置,經(jīng)濟(jì)性與現(xiàn)實(shí)可操作性較高,具有一定現(xiàn)場(chǎng)工程指導(dǎo)意義。

限于篇幅,本文只分析了單相接地故障,上述分析方法同樣適用于其他接地故障。