风电T接线路的接地故障整定方法与流程

本发明属于电力系统继电保护技术领域，特别涉及一种风电T接线路的接地故障整定方法。

背景技术：

随着风电渗透率的增加，电网表现出越来越多异于常规电网的故障特征，导致按常规系统配置的继电保护选择性、灵敏性和可靠性面临巨大挑战。国网公司企业标准Q/GDW738—2012《配电网规划设计技术导则及编制说明》指出，在110kV高压配电网中，风电电源可采用T接方式并网。配电网为了保证供电的可靠性，往往采用手拉手环网或双端电源的供电模式，因此风电的T型接入引入了非线性电源且在局部形成了风电T接线路，导致保护整定与配置更加复杂。以风电T接线路为研究对象，可将图1所示含T接风电的电网示意图等效为图2所示的系统，在该系统中T接线路拓扑和风电故障特性的综合作用使得按照常规双电源供电系统配置的继电保护存在适应性问题，主要结论如下：

(1)由T接线路拓扑可知，其每侧配置的保护均包含2个保护方向。针对单端量保护，为兼顾2个方向上保护的选择性，保护范围将缩小，甚至可能出现保护盲区，如图3所示的距离保护保护范围。

(2)若直接沿用T接输电线路的保护配置方案，即将电流差动保护应用到含风电的配电网T接线路中，由于每侧保护均需与另外两侧进行电流矢量信息的交换，需要架设新的光纤通道，会大大增加电网改造投资成本。

(3)采用电力线路作为故障信息传输通道，避免了光纤通道的架设，能够有效降低成本。但由于线路在T点处有三条分支线路，发信机所发出的高频信号通过T点时将会分流，可等效于线路损耗的增加，严重情况下可能导致对端收不到闭锁信号，保护误动作。

(4)风电机组等效序阻抗的变化破坏了传统故障分量方向元件的最佳应用环境。风电机组与常规电源存在很大差异，尤其是采用异步发电机和电力电子装置相结合的双馈风电机组，其故障特性十分复杂。故障期间风电电源等效正、负序阻抗受风电机组的故障暂态策略控制，阻抗相角可能发生较大变化，进而可能

基于以上分析可知，准确评价新场景下传统继电保护配置方案存在的问题，寻求一种适用于含T接风电的配电网继电保护配置与整定新方案，对风电T接系统的安全运行具有重要意义。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述配电网中风电T接线路传统保护方案的适应性问题，提出一种风电T接线路的接地故障整定方法，所述整定方法的分析过程如下：

(1)根据图2所示的风电T接线路图，每侧保护的保护方向不再唯一，如M侧保护需同时保护线路MN和线路MW，故其有两个保护方向，分别记为M→N和M→W。以M侧距离保护为例分析T接线路中单端量保护的保护范围。

其中，为距离I段可靠系数，一般取0.8-0.85；为M侧距离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分别为三条分支线路的长度，L_M→N、L_M→W为各自保护方向上的线路总长度。

为保证选择性，距离I段整定阻抗应取两个保护方向中的最小值，因此相对于风电T接前双端电源系统的距离保护，其保护范围缩小、灵敏度下降。若三条分支线路长度差异明显，距离I段可能出现保护盲区，如图3所示。

(2)已知风电电源包含非线性的电力电子器件，其暂态电势在故障期间不能维持恒定，风电电源等效阻抗的具体形式尚不明确。但按照对称分量法，故障附加网络中保护感受到的风电电源正、负序阻抗可以从外特性的角度进行等效，公式如下：

其中，为风电电源出口的正序电压、正序电流故障分量；为故障后风电电源出口的负序电压和电流。

风电场主变高压侧一般采用中性点直接接地方式，因此故障附加零序网络中不包含风电机组的零序阻抗。

(3)根据(2)所述风电机组等效序阻抗的特征，当T接线路内部发生故障时，其故障附加序网如图4所示，设故障点为分支线路MT上的k₁点故障，其中不计数值很小的变压器正、负序阻抗，即故障附加正、负序网络中Z_SW1、Z_SW2分别为风电电源等效正、负序阻抗，零序网络中Z_SW0为风电场主变的零序阻抗。下面分析风电电源等效序阻抗相角变化特征对故障分量方向元件的影响。

区内故障时，保护安装处的电压、电流关系为：

则风场侧电压、电流的相位关系为：

显然，故障期间故障暂态控制作用引起的风电电源正、负序阻抗相角的变化，可能导致正序故障分量方向元件和负序方向元件灵敏性不足，当相角变化范围较大时相应的方向元件可能误判。

从零序电压、电流的相角关系中可以看到，零序方向元件不受非线性的风电电源接入的影响，方向性明确，这是因为中性点直接接地的风场侧主变实现了风电场和零序网路的有效隔离。

(4)根据(3)所述零序方向元件不受风电接入影响的特征，本发明提出了一种风电T接线路接地故障纵联整定方法。

考虑各种因素的影响，T接线路区内故障时对应的功率方向判据为：

区外故障时对应的功率方向判据为：

其中，Z_mr、Z_nr、Z_wr分别为零序方向元件的模拟阻抗，其相角分别与各侧母线背侧的零序等效阻抗相角相等。

基于以上零序方向判据，所提纵联保护的基本工作原理如下：

1)系统正常运行时，保护1、2、3都不启动，T接线路上无高频电流。系统故障时，保护1、2、3均启动。

2)区外故障时，以k₄点为例，保护2、3的功率方向为正，保护1的功率方向为负。此时保护2启动高频发信机向2个保护方向发送高频闭锁信号—高频电流，T接分支MT、NT、WT上出现高频电流，保护1、2、3被闭锁，因此T接线路三侧保护都不跳闸。

3)区内故障时，保护1、2、3的功率方向全为正，不发闭锁信号，T接线路上无高频电流，即保护1、2、3判断出正方向发生故障且未收到闭锁信号，则保护1、2、3瞬时动作于跳闸，可靠切除T接线路故障。

所述电力线路载波通道的分析过程如下：

(1)光纤差动保护是多端电源系统的最佳保护方案，但若利用光纤作为三端故障信息的传输通道，需在新建风电接入线路时完成光纤通道的架设，投资成本大大增加，在配电网中的实际应用受到限制。目前利用电力线路载波通道实现两端纵联保护的方案被广泛采用，实际效果好。因此可利用电力线路作为故障信息传输通道，根据各端的零序方向元件动作情况，实现风电T接线路的闭锁式高频纵联保护。

(2)由于T接线路每侧保护含有2个保护方向，以M侧为例，当M侧发生区外故障，该侧发信机发出的高频信号，在T点分流分别向2个保护方向

M→N和M→W传送，这等效于线路损耗增加，严重情况下可能导致其中一个方向或两个方向上的保护均收不到M侧发送的闭锁信号，从而保护误动作。未解决并联分流闭锁信号衰减的问题，反向故障时每侧保护发送的闭锁高频电流应大于一定的整定阈值，MNW侧的发信阈值分别记作I_bM、I_bN、I_bW，根据并联分流定理可得其计算公式如下：

其中，I_block为收信机实现可靠闭锁所收到的最小高频电流值。

图5给出了所提纵联保护的工作原理示意图。

本发明的技术方案是一种风电T接线路的接地故障整定方法，所述方法包括以下步骤：

1)提取风电T接线路保护安装处的零序电压、零序电流，根据系统参数求出模拟阻抗和发信机的发信阈值；

2)计算各侧的功率方向，判断故障方向；

若侧为反方向故障，则侧保护启动发信机发送高频闭锁信号，且其值大于其中可取M、N或W；

3)若侧为正方向故障，判断其是否收到闭锁信号，若收到闭锁信号，则判断为T接线路外部故障，保护被闭锁；若未收到闭锁信号，则判断为T接线路内部故障，侧保护立即动作跳闸。

进一步，所述发信机的发信阈值计算方法为，

MNW侧的发信阈值分别记作I_bM、I_bN、I_bW，其计算公式如下：

其中，I_block为收信机实现可靠闭锁所收到的最小高频电流值；

Z_M0+Z_LM0、Z_N0、Z_W0分别为附加网络中T点到各侧接地点间的零序等值阻抗。

进一步，所述风电T接线路内部、外部故障的判别方法如下:

若满足

则判断为T接线路区内故障，否则判断为T接线路外部故障。

本发明的有益效果是本发明所提出的风电T接高压配电网接地故障纵联保护方案，重点解决了T接线路拓扑和风电故障特性对T接线路保护配置的影响问题并兼顾了方案的经济性，通过零序方向元件的相互配合实现了风电T接线路全线任意点短路的速动功能。保护安装处零序电压、电流间的相位关系由保护安装处到背侧系统中性点间的阻抗决定，不受系统电势、风电序阻抗特征和短路点过渡电阻的影响，方向性明确，无电压死区，动作性能基本不受负荷状态、系统震荡等因素的影响。各零序方向元件的有效配合使得保护不受分支线路长度差异的影响，避免了保护盲区的出现。同时本发明采用电力线路作为故障信息的传递通道，避免了光纤通道的架设，大大降低了配电网保护配置成本。为消除分支线路对发信机高频闭锁电流的分流削弱作用，本发明给给发信机的发信提供合适的整定阈值。综上所述，所提保护方案能够可靠快速清除风电T接线路内部故障，无需新增通信通道，成本低，不受风电接入和分支线路长度差异的影响，确保了T接线路距离保护的选择性、灵敏性和可靠性。因此，本发明对提高风电T接线路保护的可靠性，确保保护动作的快速准确动作具有重要的工程实际意义。

附图说明

图1为含T接风电的配电网示意图。

图2为等效风电T接线路示意图。

图3为风电T接线路的距离保护保护范围图。

图4为区内k₁点短路时系统的故障附加序网图，其中

(a)为故障附加正序网络图，(b)为故障附加负序网络图，(c)为故障附加零序网络图。

图5为纵联保护工作原理图。

具体实施方式

本发明提出一种风电T接线路的接地故障整定方法，下面结合附图予以说明。

图2所示为风电T接线路示意图。

其特征在于，所整定方法的分析过程如下：

(1)根据图2所示的风电T接线路，每侧保护的保护方向不再唯一，如M侧保护需同时保护线路MN和线路MW，故其有两个保护方向，分别记为M→N和M→W。以M侧距离保护为例分析T接线路中单端量保护的保护范围。

其中，为距离I段可靠系数，一般取0.8-0.85；为M侧距离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分别为三条分支线路的长度，L_M→N、L_M→W为各自保护方向上的线路总长度。

为保证选择性，距离I段整定阻抗应取两个保护方向中的最小值，因此相对于风电T接前双端电源系统的距离保护，其保护范围缩小、灵敏度下降。若三条分支线路长度差异明显，距离I段可能出现保护盲区，如图3所示。

(2)已知风电电源包含非线性的电力电子器件，其暂态电势在故障期间不能维持恒定，风电电源等效阻抗的具体形式尚不明确。但按照对称分量法，故障附加网络中保护感受到的风电电源正、负序阻抗可以从外特性的角度进行等效，公式如下：

其中，为风电电源出口的正序电压、正序电流故障分量；为故障后风电电源出口的负序电压和电流。

风电场主变高压侧一般采用中性点直接接地方式，因此故障附加零序网络中不包含风电机组的零序阻抗。

(3)根据(2)所述风电机组等效序阻抗的特征，当T接线路内部发生故障时，其故障附加序网如图4所示，设故障点为分支线路MT上的k₁点故障，其中不计数值很小的变压器正、负序阻抗，故障附加零序网络中Z_SW0为风电场主变的零序阻抗。下面分析风电电源等效序阻抗相角变化特征对故障分量方向元件的影响。

区内故障时，三端保护安装处的电压、电流关系为：

则风场侧电压、电流的相位关系为：

显然，故障期间故障暂态控制作用引起的风电电源正、负序阻抗相角的变化，可能导致正序故障分量方向元件和负序方向元件灵敏性不足，当相角变化范围较大时相应的方向元件可能误判。

从零序电压、电流的相角关系中可以看到，零序方向元件不受非线性的风电电源接入的影响，方向性明确，这是因为中性点直接接地的风场侧主变实现了风电场和零序网路的有效隔离。

(4)根据(3)所述零序方向元件不受风电接入影响的特征，本文提出了一种风电T接线路接地故障纵联保护方案。

考虑各种因素的影响，T接线路区内故障时对应的功率方向判据为：

区外故障时对应的功率方向判据为：

其中，Z_mr、Z_nr、Z_wr分别为零序方向元件的模拟阻抗，其相角分别与各侧母线背侧的零序等效阻抗相角相等。

基于以上零序方向判据，所提纵联保护的基本工作原理如下：

1)系统正常运行时，保护1、2、3都不启动，T接线路上无高频电流。系统故障时，保护1、2、3均启动。

2)区外故障时，以k₄点为例，保护2、3的功率方向为正，保护1的功率方向为负。此时保护1启动高频发信机向2个保护方向发送高频闭锁信号—高频电流，T接分支MT、NT、WT上出现高频电流，保护1、2、3被闭锁，因此T接线路三侧保护都不跳闸。

3)区内故障时，保护1、2、3的功率方向全为正，不发闭锁信号，T接线路上无高频电流，即保护1、2、3判断出正方向发生故障且未收到闭锁信号，则保护1、2、3瞬时动作于跳闸，可靠切除T接线路故障。

所述电力线路载波通道的分析过程如下：

(1)光纤差动保护是多端电源系统的最佳保护方案，但若利用光纤作为三端故障信息的传输通道，需在新建风电接入线路时完成光纤通道的架设，投资成本大大增加，在配电网中的实际应用受到限制。目前利用电力线路载波通道实现两端纵联保护的方案被广泛采用，实际效果好。因此可利用电力线路作为故障信息传输通道，根据各端的零序方向元件动作情况，实现风电T接线路的闭锁式高频纵联保护。

(2)由于T接线路每侧保护含有2个保护方向，以M侧为例，当M侧发生区外故障，该侧发信机发出的高频信号，在T点分流分别向2个保护方向M→N和M→W传送，这等效于线路损耗增加，严重情况下可能导致其中一个方向或两个方向上的保护均收不到M侧发送的闭锁信号，从而保护误动作。为解决并联分流闭锁信号衰减的问题，反向故障时每侧保护发送的闭锁高频电流应大于一定的整定阈值，MNW侧的发信阈值分别记作I_bM、I_bN、I_bW，根据并联分流定理可得其计算公式如下：

其中，I_block为收信机实现可靠闭锁所收到的最小高频电流值。

Z_M0+Z_LM0、Z_N0、Z_W0分别为附加网络中T点到各侧接地点间的零序等值阻抗，如图4(c)所示。

图5所示为所提纵联保护的工作原理示意图。

实施例

按照图1搭建含T接风电的配电网仿真模型中，系统电压等级为110kV，两侧常规电源的容量均为90MW，风电场容量为12MW，负荷均为22MW，功率因素为0.85。线路参数为Z₁＝0.21+j0.419Ω/km，Z₀＝0.63+j1.257Ω/km，b₁＝2.85e-6S/km，b₀＝6e-6S/km。线路AM、MT、NT、WT、NB长度分别为20km、30km、50km、20km、20km。

针对风电T接线路区内k₁点和区外k₄点发生单相金属性接地短路时，采用所述整定方法进行故障判别，包括以下步骤：

1)提取风电T接线路保护安装处的零序电压、零序电流，根据系统参数求出模拟阻抗和发信机的发信阈值，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)计算各侧的功率方向，判断是否为反方向故障。

k₁点故障时，

判断M侧、N侧、W侧均为正方向故障。

k₄点故障时，

判断为M侧反方向故障，N侧和W侧正方向故障，M侧保护启动发信机发送高频闭锁信号(>I_bM)。

3)k₁点故障时，M侧、N侧、W侧为正方向故障且均未收到闭锁信号，判断为T接线路内部故障，三侧保护立即动作跳闸

k₄点故障时，，M侧为反方向故障，N侧和W侧为正方向故障且收到闭锁信号，判断为T接线路外部故障，保护被闭锁。