孫東， 張昊， 任偉， 仉志華， 韓國強(qiáng)， 李煒

(1. 中國石化股份勝利油田分公司技術(shù)檢測中心，山東 東營 257000； 2. 中國石油大學(xué)(華東)新能源學(xué)院，山東 青島 266580；3. 西南油氣田分公司重慶氣礦開州采輸氣作業(yè)區(qū)，重慶 405400；4. 山東勝利通海集團(tuán)東營天藍(lán)節(jié)能科技有限公司，山東 東營 257200)

0 引言

電力是油田生產(chǎn)的主要動力來源，是穩(wěn)定原油生產(chǎn)的重要保障[1]?，F(xiàn)今油田配電網(wǎng)受天氣等外部因素的影響較大，瞬時性故障幾率較高，由此造成的電壓暫降會引起設(shè)備停機(jī)、線路跳閘等事故，嚴(yán)重影響油田安全穩(wěn)定生產(chǎn)[2—3]。目前，油田不同電壓等級的電網(wǎng)歸屬不同的責(zé)任單位，10 kV以上電網(wǎng)通常由油田電力公司運(yùn)維，10 kV及其以下的中低壓配電網(wǎng)由采油單位管理。電壓暫降擾動具有沿線傳播的特點(diǎn)，確定電壓暫降擾動源的相對位置，對明確不同管理單位責(zé)任、制定電壓暫降治理措施具有重要意義[4]。

目前，國內(nèi)外提出的經(jīng)典電壓暫降擾動源區(qū)段定位方法主要有單變量法、功率和能量法、阻抗計算法、故障成因法等。單變量法主要有電壓量法和電流量法[5]。文獻(xiàn)[6]提出了利用電壓及其相角跳變特性來確定暫降源位置的方法，但未考慮兩側(cè)均為輸電系統(tǒng)的情況。文獻(xiàn)[7]提出了適用于監(jiān)測點(diǎn)兩端都是輸電系統(tǒng)場合的方法，但該方法未考慮變壓器傳播對電壓暫降的影響。文獻(xiàn)[8]利用電流正序分量的相角變化進(jìn)行電壓暫降源定位，但該方法僅適用于放射性電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。功率和能量法最早利用擾動功率、能量初始峰值進(jìn)行暫降源定位[9]，但一定情況下定位結(jié)果可信度低；文獻(xiàn)[10]是對該方法的改進(jìn)，使其能同時處理向系統(tǒng)注入和釋放能量的擾動；文獻(xiàn)[11]引入增量無功功率和無功能量，對該方法進(jìn)行了拓展；文獻(xiàn)[12]利用小波分析的優(yōu)勢計算擾動能量，對該方法進(jìn)行了改進(jìn)。判斷系統(tǒng)軌跡斜率法和電流實部極性法是基于阻抗計算提出的暫降源追溯方法，但該2種方法判斷不對稱性擾動源的準(zhǔn)確度較低[13—15]。空間矢量法利用Clark變換對上述2種算法進(jìn)行改進(jìn)，提高了不對稱性擾動源的追溯準(zhǔn)確度，但效果仍欠佳[16]?；诓煌妷簳航党梢虻亩ㄎ环椒?，是先進(jìn)行暫降源識別，然后針對不同暫降源類型采用前述類似方法進(jìn)行暫降源定位[17]。

文中基于油田配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與管理架構(gòu)特點(diǎn)，提出基于正序電流故障分量相位比較原理的配電網(wǎng)電壓暫降擾動源分界方法。該方法僅利用了站端進(jìn)出線的電流信息，測量信息獲取方便，且不受系統(tǒng)運(yùn)行方式、短路故障類型、短路過渡電阻、電壓暫降相位跳變等因素的影響。仿真驗證了在短路故障、相位跳變及負(fù)荷擾動情況下，該方法均能進(jìn)行暫降擾動源的識別與定位，具有很好的工程應(yīng)用前景。

1 不同故障位置下正序電流故障分量相位分布特征

短路故障、大電機(jī)起動、電容的投切等均可能引起不同程度的電壓暫降。以圖1所示的油田配電網(wǎng)簡化模型為例進(jìn)行分析。其中，Es為上游系統(tǒng)的等效電源電壓；f1，f2，f3為不同位置的故障點(diǎn)。油田電能質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)能夠監(jiān)測10 kV母線電壓、母線進(jìn)線與所有饋線的電流，如圖中M0，M1，M2，M3所示。結(jié)合圖1配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，分析監(jiān)測點(diǎn)上游、母線以及不同饋線側(cè)發(fā)生短路故障時，正序電流故障分量的相位分布特征。

圖1 油田配電網(wǎng)簡化分析模型Fig.1 Simplified analysis model for oilfield distribution network

1.1 監(jiān)測點(diǎn)上游故障

設(shè)Zs為系統(tǒng)的等值阻抗；Zl1，Zl2，Zl3分別為3條負(fù)荷線路的等效線路阻抗；ZD1，ZD2，ZD3分別為3條線路的等效負(fù)荷阻抗。當(dāng)f1處故障時，建立對應(yīng)的正序故障分量等值網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。

圖2 f1處故障時的正序故障分量等值網(wǎng)絡(luò)Fig.2 Positive sequence fault component equivalent network when failure occurs at point f1

(1)

1.2 母線故障

f2處故障時,對應(yīng)的正序故障分量等值網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。

圖3 f2處故障時的正序故障分量等值網(wǎng)絡(luò)Fig.3 Positive sequence fault component equivalent network when failure occurs at point f2

(2)

1.3 饋線側(cè)故障

f3處故障時，對應(yīng)的正序故障分量等值網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。

圖4 f3處故障時的正序故障分量等值網(wǎng)絡(luò)Fig.4 Positive sequence fault component equivalent network when failure occurs at point f3

(3)

假設(shè)配電網(wǎng)共有n條饋線，其中第i條為故障饋線，其他n-1條為非故障饋線，則任一饋線發(fā)生短路故障時母線進(jìn)線與各饋線出口處的正序電流故障分量相位滿足：

(4)

2 基于正序電流故障分量相位比較的電壓暫降擾動源分界方法

由第1章的理論分析可知，電壓暫降擾動源出現(xiàn)在電源側(cè)、母線、不同饋線時，母線進(jìn)線與所有饋線出口處的正序電流故障分量相位存在各自的分布特征，據(jù)此提出基于正序電流故障分量相位比較原理的電壓暫降擾動源分界方法，如圖5所示。

圖5 電壓暫降擾動源分界方法Fig.5 Demarcation method of voltage sag disturbance source

(1) 通過電能質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)對10 kV母線電壓進(jìn)行實時監(jiān)測，判斷系統(tǒng)是否發(fā)生電壓暫降；

(2) 若發(fā)生電壓暫降，通過監(jiān)測系統(tǒng)提取10 kV母線進(jìn)出線正序電流故障分量相位，分別計算10 kV母線進(jìn)線與各饋線出口處正序電流故障分量相位差，并進(jìn)行相位分布特征比較。若滿足式(1)，則擾動源出現(xiàn)在電源側(cè)；若滿足式(2)，則擾動源出現(xiàn)在母線上；若式(1)、式(2)皆不滿足，則擾動源位于某條饋線上，此時執(zhí)行式(4)便可確定擾動源位于第i條饋線上。

3 仿真分析與驗證

為驗證所提暫降擾動源分界方法的有效性，基于圖1搭建仿真模型，按現(xiàn)場實際設(shè)置接地方式為中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，配電網(wǎng)仿真模型的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 仿真模型參數(shù)Table 1 Simulation model parameters

3.1 監(jiān)測點(diǎn)上游故障仿真分析

如圖2所示，當(dāng)監(jiān)測點(diǎn)上游發(fā)生故障時，以AB相間短路故障為例。設(shè)t=3 s時發(fā)生故障，持續(xù)時間為0.1 s，不考慮過渡電阻，系統(tǒng)運(yùn)行方式為最大運(yùn)行方式。仿真得到母線電壓波形、母線進(jìn)線與所有饋線出口處正序電流故障分量瞬時值波形及相位波形如圖6所示。

圖6 f1處故障時監(jiān)測點(diǎn)正序電流故障分量及母線電壓Fig.6 Positive sequence current fault component and bus voltage at monitoring points when failure occurs at point f1

由圖6可知，當(dāng)監(jiān)測點(diǎn)上游位置發(fā)生AB相間短路時，電壓暫降深度為50%，在監(jiān)測點(diǎn)提取到的母線進(jìn)線與所有饋線出口處的正序電流故障分量相位差較小，為-90°～90°，滿足電壓暫降擾動源分界判據(jù)式(1)。考慮短路故障過渡電阻時，分別設(shè)置過渡電阻為0.5 Ω，1 Ω，1.5 Ω，2 Ω，仍以AB相間短路為例，仿真得到上述過渡電阻情況下，各測量點(diǎn)處正序電流故障分量的相位，記錄故障后2個工頻周波的穩(wěn)態(tài)相位，如表2所示。

表2 相間短路故障下各監(jiān)測點(diǎn)處正序電流故障分量相位(監(jiān)測點(diǎn)上游故障)Table 2 Phase of positive sequence current fault component at each monitoring point when phase-to-phase short circuit fault occurs (fault at upstream of the monitoring point)

由表2可知，當(dāng)發(fā)生經(jīng)過渡電阻短路故障時，各測量點(diǎn)的正序電流故障分量相位差為-90°～90°，滿足判據(jù)式(1)，即短路故障考慮過渡電阻的情況，并不會對擾動源分界判據(jù)產(chǎn)生定性影響。

當(dāng)考慮配電網(wǎng)不同運(yùn)行方式對分界方法可靠性的影響時，將系統(tǒng)運(yùn)行方式調(diào)整為最小運(yùn)行方式，仿真得到發(fā)生相間金屬性短路、經(jīng)過渡電阻短路故障時，各測量點(diǎn)處正序電流故障分量的相位，記錄故障后2個工頻周波的穩(wěn)態(tài)相位，如表3所示。

表3 最小運(yùn)行方式下各監(jiān)測點(diǎn)處正序電流故障分量相位(監(jiān)測點(diǎn)上游故障)Table 3 Phase of positive sequence current fault com-ponent at each monitoring point in minimum operation mode(fault at upstream of the monitoring point)

由表3可知，當(dāng)系統(tǒng)處于最小運(yùn)行方式時，各測量處的正序電流故障分量相位差仍為-90°～90°，滿足判據(jù)式(1)。即配電網(wǎng)運(yùn)行方式的改變，并不會對擾動源分界判據(jù)產(chǎn)生定性影響。

為進(jìn)一步驗證結(jié)論的準(zhǔn)確性，充分考慮其他短路故障類型，如三相短路、兩相短路接地及單相接地故障仿真分析，如表4所示。

表4 不同短路故障下各監(jiān)測點(diǎn)處正序電流故障分量相位(監(jiān)測點(diǎn)上游故障)Table 4 Positive sequence current fault component pha-se at each monitoring point under different short cir-cuit faults(fault at upstream of the monitoring point)

由表4可知，當(dāng)監(jiān)測點(diǎn)上游發(fā)生各種類型的短路故障時，各測量點(diǎn)處得到的正序電流故障分量相位分布特征均滿足判據(jù)式(1)。

3.2 母線故障仿真分析

當(dāng)母線上發(fā)生故障時，以AB相間短路故障為例，不考慮過渡電阻。仿真得到母線電壓波形、母線進(jìn)線與所有饋線出口處正序電流故障分量瞬時值波形及相位波形，如圖7所示。

圖7 f2處故障時監(jiān)測點(diǎn)處正序電流故障分量及母線電壓Fig.7 Positive sequence current fault component and bus voltage at monitoring points when failure occurs at point f2

由圖7可知，當(dāng)母線發(fā)生AB相間短路時，電壓暫降深度為50%，各測量點(diǎn)處正序電流故障分量相位滿足電壓暫降擾動源分界判據(jù)式(2)。考慮短路故障過渡電阻時，在仿真模型中設(shè)置過渡電阻同3.1節(jié)，仍以AB相間短路故障為例，仿真得到各測量點(diǎn)處正序電流故障分量的相位，記錄故障后2個工頻周波的穩(wěn)態(tài)相位，如表5所示。

表5 相間短路故障下各監(jiān)測點(diǎn)處正序電流故障分量相位(母線故障)Table 5 Phase of positive sequence current fault component at each monitoring point under phase-to-phase short circuit fault(fault on the bus)

由表5可知，當(dāng)發(fā)生經(jīng)過渡電阻的短路故障時，各測量點(diǎn)處的正序電流故障分量相位關(guān)系同樣滿足電壓暫降擾動源分界判據(jù)式(2)。即短路故障考慮過渡電阻的情況下，并不會對擾動源分界判據(jù)產(chǎn)生定性影響。

將系統(tǒng)運(yùn)行方式調(diào)整為最小運(yùn)行方式，仿真發(fā)生金屬性、經(jīng)過渡電阻的相間短路故障時，各測量點(diǎn)處正序電流故障分量的相位如表6所示。

表6 最小運(yùn)行方式下各監(jiān)測點(diǎn)處正序電流故障分量相位(母線故障)Table 6 Phase of positive sequence current fault component at each monitoring point under minimum operation mode(fault on the bus)

由表6可知，當(dāng)系統(tǒng)處于最小運(yùn)行方式時，各測量點(diǎn)處的正序電流故障分量相位關(guān)系仍滿足電壓暫降源分界判據(jù)式(2)。即配電網(wǎng)運(yùn)行方式的改變，不會對擾動源分界判據(jù)產(chǎn)生定性影響?？紤]其他短路故障類型，如三相短路、兩相短路接地及單相接地故障，仿真結(jié)果如表7所示。由表7可知，當(dāng)10 kV母線上發(fā)生各種類型的短路故障時，各測量點(diǎn)處得到的正序電流故障分量相位分布特征均滿足暫降擾動源分界判據(jù)式(2)。

表7 不同短路故障下各監(jiān)測點(diǎn)處正序電流故障分量相位(母線故障)Table 7 Positive sequence current fault component phase at each monitoring point under different short circuit faults(fault on the bus)

3.3 饋線側(cè)故障仿真分析

當(dāng)饋線側(cè)發(fā)生AB相間金屬性短路故障時，仿真得到母線電壓、母線進(jìn)線與所有饋線出口處正序電流故障分量瞬時值波形及相位波形見圖8。

圖8 f3處故障時監(jiān)測點(diǎn)處正序電流故障分量及母線電壓Fig.8 Positive sequence current fault component and bus voltage at monitoring points when failure occurs at point f3

由圖8可知，當(dāng)饋線l3發(fā)生AB相間短路時，電壓暫降深度為50%，各測量點(diǎn)處得到的正序電流故障分量相位關(guān)系滿足電壓暫降擾動源分界判據(jù)式(3)。考慮短路故障過渡電阻時，在仿真模型中設(shè)置過渡電阻同3.1節(jié)，仍以AB相間短路為例，仿真得到各測量點(diǎn)處正序電流故障分量的相位，記錄故障后2個工頻周波的穩(wěn)態(tài)相位，如表8所示。

表8 相間短路故障下各監(jiān)測點(diǎn)處正序電流故障分量相位(饋線側(cè)故障)Table 8 Phase of positive sequence current fault component at each monitoring point under phase-to-phase short circuit fault(fault on the feeder)

由表8可知，當(dāng)發(fā)生經(jīng)過渡電阻的短路故障時，監(jiān)測點(diǎn)處的正序電流故障分量相位分布特征同樣滿足電壓暫降擾動源分界判據(jù)式(3)。即短路故障考慮過渡電阻的情況下，不會對擾動源分界判據(jù)產(chǎn)生定性影響。

將系統(tǒng)運(yùn)行方式調(diào)整為最小運(yùn)行方式，仿真最小運(yùn)行方式下，發(fā)生相間金屬性短路、經(jīng)過渡電阻短路故障時，各測量點(diǎn)處正序電流故障分量的相位，仿真結(jié)果如表9所示。

表9 最小運(yùn)行方式下各監(jiān)測點(diǎn)處正序電流故障分量相位(饋線側(cè)故障)Table 9 Phase of positive sequence current fault component at each monitoring point under mini-mum operation mode(fault on the feeder)

由表9可知，當(dāng)系統(tǒng)處于最小運(yùn)行方式下時，各測量點(diǎn)處的正序電流故障分量相位關(guān)系仍滿足電壓暫降源分界判據(jù)式(3)。即運(yùn)行方式的改變，并不會對擾動源分界判據(jù)產(chǎn)生定性影響。針對其他短路故障類型，仿真分析不同短路故障下各測量點(diǎn)處正序電流故障分量相位，如表10所示。

由表10可知，當(dāng)饋線側(cè)發(fā)生各種類型的短路故障時，各測量點(diǎn)處得到的正序電流故障分量相位分布特征均滿足暫降擾動源分界判據(jù)式(4)。

表10 不同短路故障下各監(jiān)測點(diǎn)處正序電流故障分量相位(饋線側(cè)故障)Table 10 Positive sequence current fault component phase at each monitoring point under different short circuit faults(fault on the feeder)

3.4 電壓暫降相位跳變對分界方法可靠性影響仿真分析

電壓暫降過程伴隨著電壓、電流相位跳變，可能會對所提分界方法產(chǎn)生影響。經(jīng)仿真分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生三相短路故障且處于最小運(yùn)行方式下時，短路故障過渡電阻越小，10 kV母線電壓相位跳變越嚴(yán)重，對正序電流故障分量相位影響越大。以10 kV母線上t=3 s時發(fā)生三相短路、過渡電阻為0.5 Ω為例，仿真得到母線電壓相位跳變、母線進(jìn)線與所有饋線出口處正序電流相位跳變、正序電流故障分量相位關(guān)系波形，如圖9所示。

由圖9可知，當(dāng)系統(tǒng)因短路故障出現(xiàn)電壓暫降，且電壓、電流相位跳變時，各測量點(diǎn)處正序電流故障分量相位關(guān)系仍滿足所提電壓暫降擾動源分界判據(jù)，故電壓暫降發(fā)生時產(chǎn)生的相位跳變對所提分界方法的準(zhǔn)確性無影響。

3.5 仿真對比分析

傳統(tǒng)的配電網(wǎng)電壓暫降源定位多采用功率方向法，以文獻(xiàn)[4]為例，基于序增量功率電流方向追溯電壓暫降源的方法，需要利用監(jiān)測裝置同時提取電壓、電流量，相較于文中方法，該方法客觀上增大了定位復(fù)雜度，同時此類考慮功率方向的暫降源定位精度受電壓暫降深度的影響。基于圖1配電網(wǎng)簡化分析模型，按文獻(xiàn)[4]所述方法，當(dāng)10 kV母線發(fā)生相間接地短路故障時，各饋線出口監(jiān)測點(diǎn)處負(fù)序功率電流增量應(yīng)大于0，即故障點(diǎn)位于監(jiān)測點(diǎn)上游。

當(dāng)f2處發(fā)生相間接地短路故障且過渡電阻為0.5 Ω時，電壓暫降深度為84%，各饋線出口測量點(diǎn)處負(fù)序功率電流波形如圖10所示。

圖10 f2處發(fā)生相間接地短路故障監(jiān)測點(diǎn)處負(fù)序功率電流波形Fig.10 Negative sequence power current at monitoring points when phase-to-phase earth fault occurs at point f2

由圖10可知，當(dāng)電壓暫降深度較小時，各饋線出口監(jiān)測點(diǎn)處負(fù)序功率電流增量較小，影響該定位方法的可靠性。在完全相同的仿真設(shè)置下，文中所提方法各測量點(diǎn)正序電流故障分量相位關(guān)系波形如圖11所示。

圖11 f2處發(fā)生相間接地短路故障正序電流故障分量相位Fig.11 Positive sequence current fault component phasewhen phase-to-phase earth fault occurs at point f2

由圖11可知，各測量點(diǎn)正序電流故障分量相位分布特征滿足擾動源分界判據(jù)式(2)。且結(jié)合3.1節(jié)—3.3節(jié)仿真分析可知，所提方法判定擾動源位置的精度不受電壓暫降深度的影響。

4 結(jié)語

文中提出了一種新型電壓暫降擾動源分界方法，結(jié)合配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及變電站內(nèi)所有進(jìn)出線量測信息，得到母線進(jìn)線與所有饋線出口處正序電流故障分量相位分布特征。若母線進(jìn)線與所有饋線出口處正序電流故障分量相位差為-90°～90°，則擾動源位于監(jiān)測點(diǎn)上游；若相位差為90°～270°，則擾動源位于母線上；若母線進(jìn)線與第i條饋線出口處正序電流故障分量相位差為-90°～90°，而與其他饋線出口處正序電流故障分量相位差為90°～270°，則擾動源位于第i條饋線上。

同時文中針對系統(tǒng)運(yùn)行方式、短路故障類型、過渡電阻、電壓暫降相位跳變等影響因素進(jìn)行了仿真分析，驗證了所提電壓暫降擾動源分界方法的可靠性。所提方法與實際配電網(wǎng)聯(lián)系緊密，僅依賴于站端進(jìn)出線的電流量測信息，工程實施方便。所提方法同樣適用于電容投切、變壓器投切、大電機(jī)起動等小擾動工況。