解　超, 李鳳婷, 王　賓, 周識(shí)遠(yuǎn), 樊艷芳, 陳偉偉

(1. 可再生能源發(fā)電與并網(wǎng)技術(shù)教育部工程研究中心(新疆大學(xué)), 新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市 830047;2. 電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(清華大學(xué)), 北京市 100084;3. 國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司風(fēng)電技術(shù)中心, 甘肅省蘭州市 730050; 4. 國(guó)網(wǎng)新疆電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院, 新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市 830013)

0　引言

工程中帶并補(bǔ)電抗的風(fēng)電送出線采用單相自動(dòng)重合閘,重合前不檢測(cè)故障性質(zhì),經(jīng)固定延時(shí)后重合故障相。一旦重合失敗,引發(fā)的二次沖擊將對(duì)風(fēng)電場(chǎng)和系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成威脅[1-3]。因此,研究一種能可靠識(shí)別線路故障性質(zhì)的帶并補(bǔ)電抗風(fēng)電送出線自適應(yīng)單相重合閘策略至關(guān)重要。

目前,帶并補(bǔ)電抗的輸電線路單相重合閘策略研究大多針對(duì)常規(guī)能源輸電線路,相關(guān)專家提出的故障性質(zhì)判據(jù)主要分為基于恢復(fù)電壓幅值[4-6]、并補(bǔ)電抗電流幅值[7-9]以及頻率特性[10-13]三類。其中,基于電壓、電流幅值的故障性質(zhì)判據(jù)對(duì)風(fēng)電出力波動(dòng)的適應(yīng)性較差;區(qū)外雷擊會(huì)影響電壓判據(jù)結(jié)果的準(zhǔn)確性;雙饋風(fēng)電系統(tǒng)的偏頻特性也會(huì)影響基于頻率特性的故障性質(zhì)判據(jù)的判定結(jié)果[1,2,14-16]。

上述判據(jù)均以故障相電壓或電流為單一考察對(duì)象,抗干擾能力較差。本文結(jié)合二者特征,利用瞬時(shí)功率理論求得故障相有功、無功功率的同時(shí),達(dá)到減小干擾的目的。在分析帶并補(bǔ)電抗的風(fēng)電送出線功率特性的基礎(chǔ)上,提出一種基于功率比的帶自適應(yīng)單相重合閘策略,并參照新疆某風(fēng)電送出線,以PSCAD/EMTDC為平臺(tái)搭建模型,仿真驗(yàn)證了該策略對(duì)風(fēng)電場(chǎng)出力波動(dòng)的適應(yīng)性,能夠避免雷擊和偏頻對(duì)故障性質(zhì)判別的干擾,有效提高重合成功率。

1　送出線故障相有功、無功特性分析

本文以單端帶并聯(lián)電抗器的220 kV風(fēng)電送出線為例,分析送出線發(fā)生A相接地跳閘后,故障消失前后的A相有功、無功特性。電壓互感器安裝在并補(bǔ)電抗線路側(cè),電流互感器安裝在電抗器中性點(diǎn)小電抗側(cè),故障相有功、無功功率可通過數(shù)字濾波的方法獲得[17](具體方法見附錄A)。

1.1　故障消失前故障相有功、無功特性分析

故障消失前,線路暫態(tài)過程結(jié)束后,線路A相等效電路如圖1所示[18]。

圖1　故障狀態(tài)線路A相等效電路Fig.1　Equivalent circuit of phase A in the line with fault condition

1.2　故障消失后故障相有功特性分析

故障消失后,Rt所在支路斷路,線路等效儲(chǔ)能元件開始互相充放電,在由并補(bǔ)電抗、送出線阻抗、分布電容組成的振蕩回路中形成一個(gè)衰減的低頻自由分量[20]。同時(shí),在相間電容和相間互感的作用下,故障相還存在一個(gè)與健全相電流頻率相同的基頻分量。對(duì)于基于雙饋風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)電送出線,受低電壓穿越(LVRT)過程中偏頻的影響,基頻分量頻率不一定是工頻?？紤]到故障性質(zhì)判定所需時(shí)間較短,自由分量衰減可忽略不計(jì),故障消失后,故障相電壓u(t)和電流i(t)為:

(1)

式中:U,I,ω,θ分別為電壓幅值、電流幅值及其角頻率和初相角;下標(biāo)1和2分別表示基頻分量和自由分量;下標(biāo)u,i分別表示電壓量和電流量。

故障相有功功率為:

P1(t)+P2(t)+P3(t)+P4(t)+P5(t)

(2)

式中:T為一個(gè)工頻周期;P(t)包含一個(gè)直流分量P1(t),三個(gè)高頻分量P2(t),P3(t),P4(t)以及一個(gè)低頻分量P5(t),其表達(dá)式分別如式(3)至式(7)所示。

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

式中:

(8)

(9)

1.3　故障消失后故障相無功特性分析

將故障相電壓u(t)的基頻、自由分量移相90°得到:

u′(t)=U1sin(ω1t+θu1)+U2sin(ω2t+θu2)

(10)

故障相無功功率為[17]:

Q1(t)+Q2(t)+Q3(t)+Q4(t)+Q5(t)

(11)

Q(t)包含一個(gè)直流分量Q1(t),三個(gè)高頻分量Q2(t),Q3(t),Q4(t)以及一個(gè)低頻分量Q5(t),其表達(dá)式分別如式(12)至式(16)所示。

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

1.4　基于功率比的送出線故障性質(zhì)判據(jù)

帶并補(bǔ)電抗線路等效感抗遠(yuǎn)大于等效電阻,故有

(17)

忽略健全相電磁耦合影響時(shí),有

(18)

將式(17)、式(18)代入式(3)、式(7)、式(12)和式(16),可得:

(19)

(20)

由式(19)、式(20)可知,Q1(t),Q5(t)的幅值遠(yuǎn)大于P1(t),P5(t);由式(4)至式(6)、式(13)至式(15)可知,P2(t),P3(t),P4(t)的幅值與Q2(t),Q3(t),Q4(t)的幅值大小相等。設(shè)送出線中點(diǎn)A相接地故障3.2 s時(shí)消失,不同風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行方式下(以不同出力為例),A相有功、無功功率的直流、低頻分量和(以下簡(jiǎn)稱為低通分量)的變化特征見附錄A圖A3。

由上述結(jié)果知,因低通分量的幅值與故障相電壓、電流關(guān)系密切,而故障相電壓、電流與送出線輸送功率也有關(guān)[21],故風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行方式對(duì)故障相有功、無功功率的低通分量幅值影響較大。由第1節(jié)分析,忽略健全相電磁耦合影響時(shí),注意到故障相有功、無功功率的低通分量均與U1I1成正比。由此,可通過對(duì)故障相無功、有功功率的低通分量做比,約去U1I1,減小風(fēng)電運(yùn)行方式變化對(duì)判定結(jié)果的影響。據(jù)此可以提出基于功率比(無功功率/有功功率)的風(fēng)電送出線故障性質(zhì)判據(jù):風(fēng)電送出線單相接地跳閘0.5 s后[22],若式(21)在0.05 s的判定時(shí)間內(nèi)持續(xù)成立,則判定送出線單相接地故障為瞬時(shí)性,并且故障已于0.05 s前消失。

(21)

式中:RMS(·)表示求有效值;K為裕度系數(shù),本文取為2;XLA為線路A相等效感抗;ε為為避免分母過零而設(shè)定的補(bǔ)償量,其大小為潛供電流在故障線路中產(chǎn)生的最大有功,計(jì)算方法如下

(22)

式中:Isc，max為線路開斷前運(yùn)行方式下可能產(chǎn)生的最大潛供電流,其計(jì)算方式可參考文獻(xiàn)[23]。

由于故障相無功、有功功率的低通分量主要受故障相電氣量基頻分量和自由分量的頻率差影響,并不受基頻分量頻率大小的影響,因此,本判據(jù)不會(huì)受雙饋風(fēng)電場(chǎng)LVRT期間偏頻特性的影響。

2　送出線自適應(yīng)單相重合閘策略

基于式(21)所述判據(jù)制定基于功率比的帶并補(bǔ)電抗的風(fēng)電送出線自適應(yīng)單相重合閘策略，其流程圖如圖2所示。

圖2　自適應(yīng)單相重合閘策略流程圖Fig.2　Flow chart of adaptive single-phase reclosing scheme

所提自適應(yīng)單相重合閘策略有以下幾個(gè)步驟。

步驟1：帶并補(bǔ)電抗的風(fēng)電送出線單相跳閘,計(jì)時(shí)器歸零(t=0)并開始計(jì)時(shí)。

步驟2：判定斷路器跳閘的原因,若為偷跳,延時(shí)0.1 s后重合故障相[24];若是人為操作,則閉鎖重合閘;若非上述兩種情況,則進(jìn)入步驟3。

步驟3：慮及線路熄弧時(shí)間,延時(shí)0.5 s后開始計(jì)算送出線故障相有功、無功功率[22],并使用截止頻率為30 Hz的低通濾波器處理所得線路故障相有功、無功功率。

步驟4：若0.05 s內(nèi)式(21)持續(xù)成立,則判定送出線故障為瞬時(shí)性,并且已于0.05 s前消失,延時(shí)0.05 s后重合故障相,流程結(jié)束。否則,判定故障依然存在,轉(zhuǎn)入步驟5。

步驟5：若計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)t小于當(dāng)?shù)鼐€路單相重合閘整定動(dòng)作時(shí)間tset,返回步驟4,進(jìn)行循環(huán)判定;若t>tset時(shí),判定結(jié)果仍為“故障依然存在”,則判定故障為永久性,閉鎖重合閘。

需要說明的是,對(duì)于線路發(fā)生間歇性接地故障的情況,本文做出如下論證。本文判據(jù)為在0.05 s內(nèi),式(21)持續(xù)成立,則判定送出線單相接地故障為瞬時(shí)性,設(shè)故障間歇時(shí)間(即每次故障消失的時(shí)間)為tg,當(dāng)tg<0.05 s時(shí),故障重現(xiàn)于判定時(shí)間內(nèi),本文判據(jù)不受影響;0.05 s 0.1 s時(shí),故障重現(xiàn)于重合成功后,本文判據(jù)亦不受影響。文獻(xiàn)[25]指出,多數(shù)間歇性接地故障的間歇時(shí)間為半個(gè)工頻周期,綜上,在大多數(shù)情況下,本文的故障性質(zhì)判據(jù)并不會(huì)受到間歇性接地故障的影響。

3　仿真結(jié)果與分析

參照新疆淖毛湖—山北風(fēng)電送出線,以PSCAD/EMTDC為平臺(tái),構(gòu)建其仿真模型。線路電壓等級(jí)為220 kV,線路長(zhǎng)度為134 km。單位長(zhǎng)度送出線參數(shù)見附錄A表A1。

3.1　送出線故障性質(zhì)判據(jù)仿真驗(yàn)證

令故障位置分別為0%,25%,50%,75%,100%線路長(zhǎng)度,仿真驗(yàn)證過渡電阻分別為0,100 Ω時(shí),所提送出線故障性質(zhì)判據(jù)的正確性和可行性。設(shè)帶并補(bǔ)電抗的風(fēng)電送出線在2.5 s時(shí)發(fā)生A相接地故障,2.55 s時(shí)線路跳閘;故障時(shí)長(zhǎng)為0.7 s;據(jù)附錄A表A1中的數(shù)據(jù)及式(21)得整定值為-7.81;考慮送出線開斷前工況,算得線路最大潛供電流為30.1 A,根據(jù)式(22),取ε為0.01,故障消失前后的仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3　單相接地故障前后故障相功率比特征Fig.3　Characteristics of faulty phase power ratio before and after single-phase to ground fault

由圖3仿真結(jié)果可知,帶并補(bǔ)電抗的風(fēng)電送出線發(fā)生單相接地故障,不論故障位于線路何處,是否帶過渡電阻,故障未消失時(shí),功率比均大于整定值,仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提故障性質(zhì)判據(jù)的正確性和可行性。

3.2　出力波動(dòng)對(duì)送出線故障性質(zhì)判據(jù)影響仿真驗(yàn)證

設(shè)帶并補(bǔ)電抗的風(fēng)電送出線發(fā)生A相接地故障,故障位置為50%線路長(zhǎng)度處;故障發(fā)生時(shí)間與故障時(shí)長(zhǎng)同3.1節(jié);送出線于3.05 s時(shí)由于風(fēng)資源突變、投切風(fēng)電機(jī)組等原因發(fā)生風(fēng)電出力波動(dòng),波動(dòng)幅度為先前出力的兩倍;令過渡電阻分別為0 Ω和100 Ω,對(duì)比故障相電壓、電流及功率比對(duì)出力波動(dòng)的耐受能力,其仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4　單相接地故障時(shí)出力波動(dòng)的影響Fig.4　Influence of output power fluctuation under single-phase to ground fault

由圖4仿真結(jié)果可知,風(fēng)電送出線單相接地故障消失前,風(fēng)電出力波動(dòng)影響故障相電壓、電流波形,有可能使得基于電壓、電流幅值或拍頻特性的判別方法產(chǎn)生誤判。本文所提故障性質(zhì)判據(jù)雖有影響,但未超過整定值,均在安全范圍內(nèi),判定結(jié)果正確。驗(yàn)證了本文所提送出線故障性質(zhì)判據(jù)對(duì)風(fēng)電送出線傳輸功率波動(dòng)具有較好的適應(yīng)性。

3.3　區(qū)外雷擊對(duì)故障性質(zhì)判據(jù)影響仿真驗(yàn)證

送出線故障情況同3.2節(jié);送出線區(qū)外于3.1 s時(shí)發(fā)生雷擊,仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5　單相接地故障時(shí)區(qū)外雷擊影響Fig.5　Influence of external lightning stroke under single-phase to ground fault

由圖5仿真結(jié)果可知,帶并補(bǔ)電抗的風(fēng)電送出線發(fā)生單相接地故障且故障未消失時(shí),若區(qū)外線路發(fā)生雷擊,影響故障相電壓,有可能使得基于電壓幅值或拍頻特性的判別方法產(chǎn)生誤判;本文所得故障相有功、無功功率經(jīng)過低通濾波器處理,降低了高頻雷電波產(chǎn)生的影響,區(qū)外雷電并未致使功率比越過整定值,說明區(qū)外雷電并不會(huì)使本文所提故障性質(zhì)判據(jù)產(chǎn)生誤判。

3.4　送出線自適應(yīng)單相重合閘策略仿真驗(yàn)證

設(shè)當(dāng)?shù)貑蜗嘀睾祥l整定動(dòng)作時(shí)間tset為3 s。令故障時(shí)長(zhǎng)為0.7 s或無窮大,整定值及分母補(bǔ)償量ε的取值同3.1小節(jié),風(fēng)電送出線分別在0%,25%,50%,75%及100%線路長(zhǎng)度處發(fā)生A相金屬接地故障以及經(jīng)100 Ω過渡電阻接地故障時(shí),仿真驗(yàn)證本文所提送出線自適應(yīng)單相重合閘策略的正確性和可行性,仿真結(jié)果見附錄A表A2。由仿真結(jié)果可知,本文所提送出線自適應(yīng)單相重合閘策略兼具快速性與準(zhǔn)確性,對(duì)風(fēng)電送出線具有良好的適應(yīng)性。

4　結(jié)語

本文提出了一種基于功率比的帶并補(bǔ)電抗風(fēng)電場(chǎng)送出線自適應(yīng)單相重合閘策略。理論分析和仿真驗(yàn)證表明,該策略具有如下特點(diǎn)。

1)本方案的實(shí)現(xiàn)只需測(cè)量故障相有功、無功功率,對(duì)其做低通濾波處理,求取有功部分的有效值,無需增加新設(shè)備,成本低廉易實(shí)現(xiàn)。

2)功率比波形簡(jiǎn)單,識(shí)別難度低,判據(jù)靈敏度高,計(jì)算量小,動(dòng)作速度快。

3)本方案判據(jù)判定結(jié)果不受過渡電阻、故障位置、風(fēng)電場(chǎng)輸出功率變化、區(qū)外雷擊及雙饋風(fēng)電場(chǎng)LVRT期間偏頻現(xiàn)象的影響,能夠很好地適應(yīng)風(fēng)電送出線多變的工況。

然而,故障相有功、無功功率包含的頻率成分較多,相比傳統(tǒng)方法,本文所提重合閘策略基礎(chǔ)理論更加復(fù)雜,需采用附錄A中數(shù)字濾波的方法獲得故障相有功、無功功率。相比之下,傳統(tǒng)重合策略更適用于天氣狀況良好,出力波動(dòng)不大的輸電線路。本文所提重合策略更適用于天氣多變,有可能出現(xiàn)出力大幅波動(dòng)的風(fēng)電送出線。該方案雖經(jīng)理論分析和仿真驗(yàn)證,仍需進(jìn)行動(dòng)模實(shí)驗(yàn),進(jìn)一步驗(yàn)證其可行性。

本文得到了新疆大學(xué)優(yōu)秀博士創(chuàng)新項(xiàng)目(XJUBSCX-2017021)支持，特此感謝！

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。