风电场输电线路故障快速分段及定位技术研究

张国清 舒 来 唐 锋 刘德平 殷志江

(智联新能电力科技有限公司)

0 引言

近年来, 为响应“双碳”目标, 我国大力推进清洁能源发电, 其中, 风机发电占比约50.2%, 在新能源发电中占主导地位[1]。风电场输电线路一般是架空-电缆混合线路, 线路分支多, 且往往位于山脊、台地、海岸以及岛屿等风速较大的地点, 故障概率高, 故障定位难, 人工巡检耗时耗力, 因此实现风电场输电线路故障快速分段及定位对电网稳定性运行具有重要意义[2-3]。

风电场是一种多分支、架空-电缆混合排布的混合输电系统, 基于此特征的相关研究较少。文献[4]利用输电线路故障时过渡阻抗是纯电阻, 提出了一种适用于T 接线路的故障定位方法, 但其无法向多分支线路进行衍生。文献[5] 和[6] 通过使用多个电流测点进行故障选线、测速和故障定位, 但该方法诊断效率低、工程造价高, 实施困难。文献[7] 针对风电场的接线特点, 提出基于故障区段逐次搜索的单相接地故障测距方法, 但其对应用场景要求较为苛刻。

针对风电场分支多、线路档距短、混架区段多等特点, 本文通过在风电场混合段节点布置电流测点,通过滤波提取节点的行波特征, 利用各节点零序电流、零序电压和行波极性等信息, 通过分析比对实现故障的快速定段, 同时利用改进的行波波头提取技术, 优化传统的波速计算方法, 实现故障的精确定位。

1 风电场系统

风电场往往是架空-电缆混合线路, 其常见线路结构如图1, 拥有多条集电线路(图中架空线路),风机经短电缆与集电线路线路。风电场是35kV 线路,鉴于主变出线为三角形连接方式, 其往往通过Z 型变压器人为制造一个接地点[8]。此外, 由于风能的分布特性, 多地风电机组汇入集电线路, 形成多分支结构, 且整个风电场系统是个多电源系统, 此特性为传统的故障快速分段和定位带来了挑战[9]。

图1 风电场的结构示意图

图2 零序网络图

2 故障特征分析

记Z0为零序网络的等效阻抗, 则Z0可表示为:

式中,w为角频率。

故障点处集电线路的零序电流可表示为:

健全集电线路流过的零序电流即为该线路的对地零序电流, 可表示为:

3 故障定位原理

传统的输电线路往往结构简单, 分支较少, 而风电场线路往往电缆-架空多段混合铺设, 分支多, 现有的定位方法往往无法有效的对风电场进行故障快速分段和定位, 需要一种适合风电场的故障定位方法。

3.1 故障定段

风电场具有多分支、多段短电缆的特点, 当线路发生故障时, 故障区段不好判断, 能否快速、准确的辨别故障发生区段是目前最需解决的问题。本文结合风电场特点, 通过分析故障发生在不同区段内的工频和行波特征, 给出了以下2 种故障快速分段方法:

3.1.1 行波极性分段法

以图3 为例, 假设故障点产生行波波头朝向为“↑”, 行波监测装置按照潮流方向进行分布配置,则可通过比较不同节点处行波波头极性进行故障快速分段, 该集电线路的故障行波特征规律如表1, 当某区段发生故障时, 故障区段两端节点监测到的行波极性相反, 且该集电线路故障点上游所有节点行波波头极性相同, 与故障点下游所有节点行波极性相反。

表1 故障行波极性规律

图3 风电场故障对比

3.1.2 零序分量分段法

以图3 模型为例, 与风电机组连接的箱式变压器为三角形接法, 因此当系统侧和风电机组侧发生故障时, 风电场检测不到零序电流。f1～f6为不同区段内的不对称故障, 通过分析比较不同节点的零序电流以及零序电压特征, 得出表2 所示的风电场故障零序特征规律。

表2 故障零序特征规律

从表2 中可得出以下结论:

(1) 根据母线上零序电流是否越限可判断风电场是否发生不对称故障

(2) 仅母线上零序电流越限, 则故障发生在集电线路首端电缆段

(3) 若风电机组电缆出线处的电缆- 架空节点处监测到零序电流越限, 则故障发生在下游线路, 以此类推, 若发现下一级节点零序电流未越限, 则故障发生在该节点到下一级节点架空段或风电机组出线电缆段。

(4) 若监测电缆段两端零序电压相同, 则故障发生在电缆段, 否则为架空段。

3.2 波头提取

风电场发生故障时, 故障点产生的行波是一个具有突变性质的信号, 通过比对行波到达时刻即可实现故障的精确定位[10-11]。然而, 未经处理的故障行波会因噪声、折反射等作用而找不准波头, 对定位结果带来的影响不可估量, 需要一种能够较好提取故障行波特征的算法。

(1) 在对采取的故障行波经过滤波处理后, 找到波形中所有的幅值最大、最小值后:

式中,y1为所有采样点的电压值; V1max为幅值最大值点的合集; V1min为幅值最小值点的合集。

(2) 选取V1max和V1min中前200 个点求差:

式中, A1max、A1min分别为前200 个采样幅值点中的最大、最小值, A1为最大、最小值之差, 能够消除行波的漂移量。

(3) 定义故障行波中M 点为:

从前往后找, 找到第一个M 点, 记为M0, 从M0点向行波波头零点开始查找, 直至找到第一个N0点,满足:

则N0点即为行波波头起始点。

3.3 波速矫正

鉴于风电场的特殊环境, 风电场线路转角杆塔处跳线多, 行波在电缆架空节点折反射严重, 每段波速差异大。为提升定位精度, 需对行波在风电场集电线路中的传播速度极性矫正, 以满足行波在风电场线路中的传播规律。目前常用的波速计算方法包括: 经验估计法、公式计算法和在线测量法, 而风电场的分支线极多, 且每段分支的波速分布不规律, 且波速受环境实时影响大, 故经验估计法及公式计算法在风电场环境中适用性差, 故障的定位精度不佳。

传统线路分布参数行波波速计算公式可表示为:

式中,m表示模量,k为模分量序号,w为行波中心频带角频率,分别为线路的模电阻、模电感和模电容。通过式可以看出,传统波速计算方法既需要线路参数准确, 又需要找对行波的中心频率, 这在风电场线路中实现困难。

在线测量法[12]是一种包含GPS 时钟同步的波速计算方法, 具有实时性, 能够适应环境对行波波速带来的影响, 通过校正后的波速可表示为:

l为线路长度,t1、t2分别为行波到达线路两端的时间。在线测量法通过GPS 准确对时能够精确的计算每段线路的波速, 且能够实时矫正。

3.4 定位原理

图4 为风电场故障段的行波传播路线图,F为故障点, 行波会从故障点向该段线路两端传播, 在两端M、N 节点不均匀介质处发生折射和反射,tM、tN分别是故障行波波头到达M、N 两端的时刻, 根据双端行波定位测距公式, 故障点距离本侧的距离x可表示为:

图4 行波传播路线图

带入式(13), 可得

4 结束语

风电场线路具有线路分支多、线路档距短、电缆-架空混架区段多等特点, 故障时传统定位方法往往不能实现故障区间快速、准确判断以及故障精确定位,是电网待解决的一大痛点。本文基于风电场的特点,通过分析风电场线路故障时零序分量的特征, 总结出通过比较零序电流、零序电压以及利用行波极性来实现故障快速分段的方法。针对风电场故障定位, 本文对以往提取波头的方式进行了改良, 新的到达时刻标定算法提取波头到达时间更加准确, 并利用波速的在线测量法, 实时测算风电场各段线路的波速特征, 更加精确的实现故障定位。