考虑负荷电磁暂态特性的油田智能配电网网络保护整定方法研究

王炳国，陈瑶，康忠健，钟高文

（1.胜利油田电力管理总公司，山东东营　257000；2.中国石油大学（华东）电气工程系，山东青岛　266580）

考虑负荷电磁暂态特性的油田智能配电网网络保护整定方法研究

王炳国1，陈瑶2，康忠健2，钟高文2

（1.胜利油田电力管理总公司，山东东营257000；2.中国石油大学（华东）电气工程系，山东青岛266580）

随着油田智能配网的不断发展，因切换网络重构方式而导致继电保护定值频繁改变的问题日益凸显。另外，油田配网感应电机负荷众多，负荷电磁暂态特性对网络保护的影响也亟待研究。针对上述问题，仿真分析了感应电机故障暂态电流特点。提出一种油田智能配网不同重构方式统一定值保护方案，建立某油田智能配网模型。通过仿真与整定计算，验证该方案的正确性。

油田智能配网；网络重构；负荷电磁暂态特性；统一定值

油田智能电网的发展对继电保护的灵活性和可靠性等方面提出了更高的要求和挑战。因此，现代油田智能配网中对网络重构、负荷特性、保护整定等问题的研究具有一定现实意义。

网络重构是油田智能配电网实现优化运行的重要措施，通过改变网络中分段开关以及联络开关的开、合状态来改变网络的拓扑结构，灵活调整网络的运行方式［1-2］。网络重构不仅可以平衡负荷，提高供电电压质量，还能够降低网损，达到节约能源的目的，是提高配电系统可靠性、安全性和经济性的一种重要手段［3-4］。但是，网络重构也使得继电保护复杂化。由于智能配网中当前保护定值是离线计算的，无法根据电网运行方式的切换而实时修改保护定值，从而给电网的安全稳定运行带来极大隐患。

由于小容量感应电机故障反馈电流数值小，衰减快，因此小型油田配网网络保护整定中大都忽略小容量电机反馈电流对继电保护的影响，采用简单的恒定阻抗负荷模型代替复杂的电磁暂态负荷模型作近似等值计算［5］。然而，随着油田配网规模的不断扩大，感应电机数量不断增多，电网故障时感应电机群作为附加电源向短路点供给暂态短路反馈电流的数额也不断增大［6］，对继电保护的影响愈发不容忽视。简化的负荷模型仿真计算精度和可信度均较低，不能适应大规模油田配网继电保护定值准确性和保护动作可靠性的要求。

针对上述油田智能配电网继电保护出现的问题，本文建立符合油田实际电磁暂态特性的感应电机负荷模型，仿真分析了电机群故障反馈电流对保护动作的影响，在考虑感应电机电磁暂态特性基础上，提出了一种油田智能配网不同重构方式下继电保护统一定值解决方案，应用限时电流速断保护，通过上、下级保护配合使故障可靠切除。

1　感应电机负荷电磁暂态建模及分析

1.1感应电机负荷故障反馈电流简述

油田配网一般为单向多分支辐射状网络，负荷大多为小容量单鼠笼式感应电动机带动抽油机负载。当配网发生短路故障时，电源侧向短路点提供短路电流的同时，负荷侧感应电机群也会向短路点提供短路反馈电流。

故障时短路点电压为0，负荷侧靠近短路点的感应电机机端电压U0因此骤降。短路瞬间由于惯性原因，感应电动机转子转速变化很小，可近似认为不变，因此与电动机转子绕组合成磁链成正比的次暂态电势E″0约等于1，致使感应电动机成为附加电源向短路点反馈短路电流I0［7-8］。故障瞬间负荷侧感应电机简化等值电路如图1所示。

图1　故障瞬间感应电机简化等值电路Fig.1　Simplified equivalent circuit of the induction motor at the moment of failure

由图1得系统短路瞬间感应电机次暂态电势为：

式中：x″为感应电动机的次暂态电抗。由式（1）可知，短路瞬间电机次暂态电流I0大小由次暂态电势E″0和机端电压U0决定：当U0＜E″0时，感应电动机可看作一个临时电源向外部电网反馈电流，且U0越小反馈电流越大；当U0≥E″0时，感应电动机不对电网送出短路电流，但由于次暂态感应电动势E″0的存在，经过电动机的定子绕组电流I0与将感应电机负荷作为一个纯阻抗计算的网络相比也明显不同。

因此，为提高油田配网故障仿真计算精度，深入研究反馈电流对继电保护影响及解决对策，需建立精确的感应电机负荷电磁暂态仿真模型。

1.2感应电机负荷电磁暂态建模

油田感应电机负荷模型由感应电机模型与抽油机负荷模型组成。

油田配网中，单鼠笼式感应电机的转子绕组由嵌入转子槽中的导条和两端的短路环组成，由于转子只有一个简单的绕组，因此其等值电路如图2所示。

图2　感应电机等值电路图Fig.2　Equivalent circuit diagram of the induction motor

感应电机基本方程组如下：

根据以上感应电机等值电路图及方程组建立单鼠笼式感应电机模型。当电机正常运行时，机端电压U.1为额定电压，转子转速为额定转速，转差率s接近于0；若系统发生短路故障，由于感应电机连接抽油机负载，电机转子会在抽油机负载转矩作用下减速，直到转差率s=1时转速为0。因此，抽油机负载转矩影响电机转子时间常数，即电机反馈电流衰减速度。将感应电机与抽油机负载关联，构成感应电机负荷模型，其结构如图3所示。

图3　电机-抽油机模型框架结构Fig.3　Frame structure of the motor-pumping unit model

抽油机负载是一种周期性交变的载荷，利用现场采集的抽油机示意图曲线以及抽油机的冲程、冲次、平衡块质量和平衡块等值半径等运行参数建立抽油机负荷模型［9-11］。

抽油机悬点初始位置：

抽油机悬点随时间变化位移：

抽油机悬点离运动最低点的距离变化：

对式（3）Sf求导可求出悬点速度变化：

抽油机平衡块做功变化：

对式（5）WG求导可求出平衡块作功率变化：

根据式（3）—式（8）建立抽油机负荷模型，由功率平衡原理：

即抽油机上下冲程过程中悬点载荷做功PU、平衡块做功PG和电动机做功PM三者始终平衡，计算抽油机负载反馈转矩，如式（9）所示。

上述式（3）—式（10）中，θ0、Llen、v分别为平衡块初始角度、冲程、电机输入转速经抽油机减速箱等变换后的悬点短时速度；Mg、R、F分别为平衡块重力大小、平衡块所在位置的半径长度、抽油机驴头悬点力；n为电机转速。

利用式（10）抽油机负载反馈转矩将抽油机和感应电机之间进行关联，从而得到感应电机负荷电磁暂态模型。

1.3感应电机负荷电磁暂态模型仿真

利用建立的油田感应电机负荷电磁暂态模型，仿真分析故障后电机反馈电流特点。仿真模型示意图如图4所示。

以负荷侧分别连接5台、10台油田电机负荷（55 kW/0.38 kV）为例进行故障仿真对比分析。设置0.174 s（3/4周波）时线路发生三相接地短路故障，测得机端电压和短路点处电机反馈电流对比波形图如图5所示。

图4　故障仿真模型Fig.4　Fault simulation model

图5　故障前后机端电压及反馈电流仿真图Fig.5　Simulation diagram of terminal voltage and feedback current before and after fault

由图4机端电压仿真曲线可得出，故障前负荷侧电机均在正常电压范围内运行，故障瞬间机端电压迅速降低，而电机次暂态电势维持在故障前水平，满足如式（1）所示的感应电机产生反馈电流条件。由图5短路点处电机反馈电流仿真曲线也可看出，故障瞬间电机反馈电流迅速增大，且反馈电流值衰减较快。对比不同负荷下故障反馈电流冲击值可知，负荷侧产生反馈电流的电机数量越多，短路点总反馈电流越大，符合电流叠加原理。因此，对于负荷电机数量巨大的大规模油田配网来说，不能忽略电机群反馈电流对继电保护的影响。

2　油田智能配电网统一定值保护整定

2.1统一定值整定概述

在大规模油田智能配电网中，重构方式的不同和电机群反馈电流的存在，使得继电保护复杂化。

针对上述问题，并综合考虑继电保护四性要求，本文提出一种统一定值限时电流速断保护方案：同一FTU在不同的网络拓扑结构下统一保护定值，利用短延时电流速断保护避免FTU越级跳闸并降低反馈电流对保护动作可靠性的影响［12-14］。

统一定值限时电流速断保护整定方案包括保护整定仿真计算、统一定值选取与网络保护配合三部分。

2.2保护整定仿真计算

若某系统在M种合理的重构方式切换下运行，该系统共N个FTU，仿真求取N个FTU在M种合理重构方式下的最小短路电流和最大反馈电流。

以第M种重构方式下本级线路故障为例，如图6所示。

图6　本级线路故障时故障电流示意图Fig.6　Schematic diagram of the fault current when this level line faults

本级线路发生短路故障时，由于本级FTU需保护本级线路全长，且故障点越远离电源侧，短路电流越小，因此本级线路末端两相故障时流经本级FTU的短路电流即为第M种重构方式下本级FTU的最小短路电流。由图6也可看出，当本级线路发生短路故障时，下级FTU可获得最大反馈电流。

为保证继电保护装置保护动作的灵敏性，每个FTU保护动作值利用最小短路电流除以可靠系数得到。继电保护动作值与两相故障冲击电流有效值之间有［15］：

式中：Icp为FTU整定值为两相故障冲击电流有效值；Krel为可靠系数。

2.3统一定值选取

分别计算配网在M种合理重构方式下N个FTU的保护动作值后，即可进行N个FTU最终整定值的选定。

以本级FTU统一定值选取为例，由于配网具有M种重构方式，故本级FTU分别对应M个保护动作值与M个最大反馈电流值。由于本级线路须在M种重构方式不断切换下保持安全稳定运行，以保证本级线路在任意一种重构方式下发生短路故障时，本级FTU均可可靠动作。因此，选取本级FTU在M种重构方式下M个保护动作值中的最小值作为本级FTU的最终网络保护定值。

每个FTU最终整定值是M种合理重构方式下所有保护动作值的最小值，致使部分上级FTU保护整定值小于下级FTU保护整定值，当配网发生短路故障时，极易导致越级跳闸。另外，由于负荷侧电机群反馈电流与电源侧短路电流方向相反，若某FTU反馈电流值大于其短路电流整定值，则可能引起保护误动作，故障不能被可靠切除。

2.4网络保护配合

本文应用限时电流速断保护解决上述统一定值中出现的问题，从电源侧FTU保护时限设置开始，沿正常电流方向保护时限设置逐渐减小，相邻两FTU动作时限间隔一般为固定值。利用上下级FTU网络延时保护配合，保证在短路故障发生时近故障点的开关先跳闸，从而避免越级跳闸。

考虑到油田配网故障时电机群反馈电流对FTU保护动作的影响，若存在某重构方式下某FTU最终整定值不能躲过其最大反馈电流，致使该FTU保护误动，故障未被切除，限时速断保护经一定延时后，其上级FTU流过的短路电流就会使上级FTU保护动作，直至切除短路故障。

3　整定计算实例分析

3.1建立配网模型

为验证考虑负荷电磁暂态特性的油田智能配电网继电保护统一定值法的正确性，本文以某油田下二门实际配电网为例进行仿真整定。下二门包括下东线、下北线、下南线等线路，线路之间采用安装联络开关的闭环设计。正常情况下开环运行，近250台油井电机负荷运行，电机数量大，故电机群反馈电流对保护定值的影响不容忽略。采集现场实际运行参数进行建模仿真分析，外部电源、变压器模型均采用电磁暂态模型；线路采用PI型集中参数等值；感应电机负荷采用所建立能反映现场实际典型负荷曲线的电磁暂态模型。

图7为某油田下二门电网模型单线图。

3.2下二门统一定值保护整定

以下二门油田配网下东36号FTU保护整定为例，保护整定可靠系数取1.05。仿真计算所有合理重构方式下下东36号FTU保护动作值及后端最大反馈电流值，结果如表1所示，其中对下东36号FTU最小短路电流以及最大回馈电流无影响的重构方式未被列出。

图7　下二门电网模型单线图Fig.7　Single line diagram of Xiaermen power grid model

表1　下东36号FTU的保护动作值及最大反馈电流值Tab.1　Protection action value and maximum feedback current value of the Xiadong 36#FTU

选取下东36号FTU在所有合理重构方式下保护动作值的最小值作为最终保护定值。由表1可得，下东36号FTU最终保护定值为0.645 kA。

同理，求取下二门油田配网所有FTU的最终保护定值，如表2所示。

由表2可看出，某些重构方式下出现了上级FTU保护定值小于下级FTU保护定值的情况，此时若下级线路出现故障，由于上、下级FTU保护定值均小于短路电流，上级FTU保护可能会误动，使得停电面积扩大。将FTU配合短延时保护，输电线路末端开关时限设置为0，越靠近电源的开关保护时限设置越长，可避免FTU越级跳闸。

另外，由表1可得出，大规模油田配网故障时电机群反馈电流值较大，极易对FTU保护动作产生影响。结合表2可看出，重构方式下东带下南3段和下东带下北2段中，下东36号FTU最大反馈电流值均大于其最终保护定值，故此2种运行方式下，当故障发生在下东36号FTU上级线路上时，36号FTU会因反馈电流值大于整定值而发生误动作，此时需依靠短延时与上级保护配合。下东36号断路器误动作后由于短路故障仍然存在，系统经延时后，流过上级FTU的短路电流使保护跳开，切除短路故障。

表2　下二门FTU最终保护定值Tab.2　Final protection setting value of Xiaermen

4　结论

为解决油田智能配网不同重构方式网络保护定值不统一的问题，以及当前继电保护忽略负荷电磁暂态特性对继电保护的影响的问题，本文在建立油田感应电机负荷电磁暂态模型基础上，提出了一套统一定值限时速断保护方案，不必因网络重构原因而更换系统保护定值，大大减少了智能配网网络保护运行的复杂程度，且考虑反馈电流对保护动作的影响，提高故障切除的可靠性。以某油田下二门配网为研究对象进行了暂态仿真分析与保护整定，验证了该方法的正确性。

所建立的油田负荷电磁暂态仿真模型与统一定值保护整定方案对其他智能电网改造也具有一定参考价值。

［1］庞清乐，高厚磊，杜强，等.面向智能配电网的保护与控制方法［J］.电力系统保护与控制，2010，38（21）：28-32.PANG Qingle，GAO Houlei，DU Qiang，et al.Protection and control method for smart distribution grid［J］.Power System Protection and Control，2010，38（21）：28-32（in Chinese）.

［2］韩林林.智能配电网网络重构方法的研究［D］.郑州：郑州大学，2013.

［3］郝文斌，洪行旅.智能电网地区继电保护定值整定系统关键技术研究［J］.电力系统保护与控制，2011，39（2）：80-87.HAO Wenbin，HONG Xinglü.Key technology research on local net setting system of protective relaying setting for smart grid［J］.Power System Protection and Control，2011，39（2）：80-87（in Chinese）.

［4］李飞，邱正美，马丽，等.配电网络重构算法综述［J］.电网与清洁能源，2011，27（12）：76-80.LI Fei，QIU Zhengmei，MA Li，et al.Overview on algorithms of distribution network reconfiguration［J］.2011，27（12）：76-80（in Chinese）.

［5］廖向旗.基于元件的负荷特性分类方法研究及负荷建模平台开发［D］.长沙：湖南大学，2007.

［6］尹建华.考虑感应电动机负荷电磁暂态特性的系统短路电流计算方法［J］.南方电网技术，2010，4（3）：62-66.YIN Jianhua.A short circuit current calculation method in power system with consideration of the electromagnetic transientcharacteristicsofinduction-motor'sload［J］.Southern Power System Technology，2010，4（3）：62-66（in Chinese）.

［7］康家义，康欢.感应电动机短路反馈电流周期分量的衰减规律［J］.电力科学与工程，1999（3）：28-30.KANGJiayi，KANGHuan.Theattenuationlawof induction motor short-circuit feedback current periodic component［J］.Electric Power Science and Engineering，1999（3）：28-30（in Chinese）.

［8］杨庆赟.电厂电气系统短路电流瞬时值的实用化计算［D］.保定：华北电力大学，2003.

［9］王常斌，陈涛平，王江，等.游梁式抽油机悬点运动参数的计算［J］.大庆石油学院学报，1998，22（1）：23-25.WANG Changbin，CHEN Taoping，WANG Jiang，et al.Calculation of kinematic parameters in beam pumping unit［J］.Journal of Daqing Petroleum Institute，1998，22（1）：23-25（in Chinese）.

［10］周广厚.计算常规游梁式抽油机悬点速度和加速度的新公式［J］.石油机械，1990，18（7）：2-4.ZHOU Guanghou.New formula for calculating the velocity and acceleration of the polished rod on conventional pumping units［J］.China Petroleum Machinery，1990，18（7）：2-4（in Chinese）.

［11］朱益飞.游梁式抽油机功率平衡技术的研究与应用［J］.石油石化节能，2012，7（2）：4-6.ZHU Yifei.Study and application of power balance technology on beam pumping units［J］.Energy Conservation in Petroleum&Petrochemical Industry，2012，7（2）：4-6（in Chinese）.

［12］凌增伍.配电线路保护的整定计算问题研究［J］.科技创新与应用，2012（14）：115-116.LING Zengwu.Study on setting calculation of distribution line protection［J］.Technology Innovation and Application，2012（14）：115-116（in Chinese）.

［13］王慧芳.电网继电保护整定技术及基于多Agent的保护新方法研究［D］.杭州：浙江大学，2006.

［14］李子峰.厂用电系统继电保护优化［J］.热力发电，2015，44（9）：113-116.LI Zifeng.Optimization of relay protection for a auxiliary power system［J］.Thermal Power Generation，2015，44（9）：113-116（in Chinese）.

［15］闫石.油田电力系统保护计算研究［D］.哈尔滨：哈尔滨理工大学，2006.

（编辑冯露）

Study on Protection Setting Method of Oilfield Smart Distribution Grid Considering Load Electromagnetic Transient Characteristics

WANG Bingguo1，CHEN Yao2，KANG Zhongjian2，ZHONG Gaowen2
（1.Shengli Oilfield Electric Power Management Corporation，Dongying 257000，Shandong，China；2.Department of Electrical Engineering，China University of Petroleum（East China），Qingdao 266580，Shandong，China）

With the development of the oilfield smart distribution grid，the problem of frequent change of the relay protection setting caused by switching network reconfiguration mode becomes increasingly prominent.In addition，as induction motor loads are numerous in the oil field，effects of the electromagnetic transient characteristics of the induction motor loads on network protection need to be studied urgently.Aiming at solving these problems，this paper firstly simulates and analyzes the characteristics of the induction motor fault transient current，and then proposes a kind of unified value protection scheme under different reconstruction methods in oilfield smart distribution grid.Finally，it establishes the model of an oilfield smart distribution network and verifies correctness of the proposed scheme by simulation and setting calculation.

oilfield smart distribution grid；network reconfiguration；load electromagnetic transient characteristics；unified value

1674-3814（2016）07-0017-06

TM771

A

教育部中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（14CX05039A）；国家自然科学基金资助项目（61271001）。

Project Supported by the Fundamental Research Funds for the Ministry of Education Central Universities（14CX05039A）；National Natural Science Foundation of China（61271001）.

2015-10-07。

王炳国（1968—），男，硕士，高级工程师，主要从事油田电网调度运行、电网规划及建设研究。