计及电弧长度的集电线路弧光高阻接地故障测距方法与流程

本发明属于电力系统故障检测与保护领域，特别涉及一种计及电弧长度的集电线路弧光高阻接地故障测距方法。

背景技术：

随着风电的迅速发展，电力系统中风电渗透率逐年上升，风电场故障对系统安全稳定运行的影响也越来越大。风电场大多建在风速高但地理环境恶劣的地区，受自然环境等因素影响，集电线路常发生树障、雷击等导致的单相弧光高阻接地故障。伴随大部分故障产生的电弧的长度是表征故障原因(树障、雷击、污闪、绝缘破坏等)的重要信息，但弧光高阻接地故障发生后，可供利用的量测信息仅能从集电线路出口处量测获得，受信息量不足的局限，确定故障位置以及电弧长度的难度较大。

对于风电场集电线路故障测距的研究，发明人已于2017年申请了专利“一种风电场集电线路单相接地故障测距算法”(专利申请号：201710341377.7)，在发生纯电阻单相接地故障的情况下具有较高的测距精度，但当线路发生弧光高阻接地故障时，电弧的产生导致故障支路非线性明显，基于频域的阻抗测距法将存在较大误差，不再适用。为了减小弧光高阻接地故障测距的误差，对故障支路动态电弧的建模成为关键，虽然发明人申报了计及间隙长度的对数电弧模型国家发明专利(专利申请号：201811072692.5)，可用于高压输电线路计及电弧长度的弧光高阻接地故障研究，但是用于低压配电网时，仍需根据实际情况对模型的相关参数进行修正。截止目前，关于计及电弧长度的风电场集电线路单相弧光高阻接地故障测距未有相关研究成果。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种计及电弧长度的集电线路弧光高阻接地故障测距方法，可同时求解故障距离和电弧长度，基于均分原则求解出每台风机故障后的支路电流；利用集电线路出口处零序电流拟合故障支路电流，基于集电线路的实际拓扑结构以及计及间隙长度的对数电弧模型，在时域写出保护安装处至接地点之间的故障回路方程，利用阻尼最小二乘法对方程进行非线性拟合求解，采用故障区段搜索的方式逐段计算故障距离和电弧长度，当计算的故障距离值恰好位于假设的故障区段时，搜索结束，此时的故障距离和电弧长度即为最终测量结果，。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

计及电弧长度的集电线路弧光高阻接地故障测距方法，包括以下步骤：

1)测量风电场集电线路出口保护安装处故障20ms后的多采样点相电压、相电流以及零序电流数据，作为输入量，即：

故障相电压故障相电流零序电流i0；

其中为故障相别：A相、B相或C相；

2)基于均分原则，计算故障后每台风机的支路电流iDFIG：

其中n为该集电线路上所连接的风机数量。

3)将连有n台风机的集电线路以风机支路并网节点作为分界点，分成n段，每一段的长度分别为L1、L2……Ln，从m＝1开始对L1段进行搜索，设置故障距离l的拟合初值为线路总长的一半，电弧长度的拟合初值为15cm，测距公式中的电弧参数c1、c2、T、Is根据集电线路弧光高阻接地故障现场实测的经验数据设置，用阻尼最小二乘法拟合求出最优解，求得第m段的故障距离和电弧长度；m值依次增加，对应搜索的区段也相应增加，直到求出的故障距离l恰好落在所搜索的区段时为止，则此时的故障距离l和电弧长度d则为最终计算结果。

所述的最小二乘法拟合求最优解，代入的公式如下：

m＝(1，2，3，4...n-1，n)，

Z1、Z2、Z0为集电线路单位长度的正、负、零序阻抗；

分别为集电线路的正序、零序的电阻以及正序、零序的电感值；

KR为电阻零序电流补偿系数，

KL为电感零序电流补偿系数，

c1、c2为燃弧常数，T为燃弧温度，Is为外电离因素引起的饱和光电流，d为电弧长度，Rf为塔基电阻。

本发明的特点及技术效果：

本发明基于对零序故障网络的分析，利用零序电流求解风机支路电流，结合计及间隙长度的对数电弧模型在时域列出可同时求解故障距离和电弧长度的线路方程，采用非线性拟合的方式求出最优解，无需安装新量测设备，成本低，收敛速度快，可同时求出风电场集电线路发生弧光高阻接地故障时的故障距离和伴随产生电弧的大概长度，有助于线路检修人员更好地了解线路故障情况，对于故障类型辨识具有重要意义。

附图说明

图1为应用本发明方法的风电场结构示意图。

图2为风机支路接线示意图。

图3为风电场集电线路单相接地故障后零序等值网络图。

具体实施方式

本发明提出的一种计及电弧长度的风电场集电线路单相弧光高阻接地故障测距方法，实施例详细说明如下：

应用本发明方法的双馈风电场模型如图1所示，其中集电线路长度为8km，线路参数值如表1所示。集电线路上一共连接了4台1.5MW的双馈风机，集电线路上每两台风机之间的间距为2km，因此将风电场集电线路分成4个区段，每个区段长度2km。应用本发明方法的故障测距装置分别通过电压互感器(PT)、电流互感器(CT)量测母线电压和集电线路出口处电流值。假设图1中CD段中点A相发生单相弧光高阻接地故障，实际故障距离为5km，采用仿真电弧长度设为15cm，塔基电阻设为30Ω。

表1风电场集电线路主要参数

表2电弧长度可变的对数电弧模型主要参数

1)测量线路在保护安装处故障1s后的100组数据(一个周期为80组数据)作为输入量，即相电压ua、相电流ia、零序电流i0；

2)基于均分原则计算故障后每台风机的支路电流iDFIG：

3)逐步分段搜索得出计算结果：

假设故障点位于第1区段，将步骤1)得到的量测量带入如下公式，设故障距离初值为l0＝4km，电弧长度初值d＝20cm，塔基电阻初值Rf0＝10Ω，用阻尼最小二乘法求出最优解：

计算得到l＝4.5123km，d＝14.3751cm，故障距离与故障区段不符，因此判定为不在此区段，继续搜索。

进一步假设故障点位于第2区段，将步骤1)得到的量测量带入如下公式继续拟合求解：

计算得到l＝4.8858km，d＝15.5226cm，故障距离与故障区段不符，因此判定为不在此区段，继续搜索。

再假设故障点位于第3区段，将步骤1)得到的量测量带入如下公式进行拟合求解：

计算得到得l＝5.0320km，d＝16.0121cm，故障距离与故障区段相符，搜索完毕，得出计算结果为故障距离为5.0320km，电弧长度为16.0121cm。

表3风电场集电线路上不同故障点的测距结果与误差