基于可控串联电抗电流信息的送出线路故障性质识别方法

1.本发明属于电力系统继电保护领域，具体涉及基于可控串联电抗小电流信息的新能源送出线路故障性质识别新方法，旨在满足新能源送出线路故障性质的识别，提高线路重合闸的重合率，减少系统冲击。


背景技术：

2.双碳目标极大地促进了新能源利用，以光伏和风力新能源集中发电外送是当前电力建设的重心工作。新能源集中外送线路一般采用110kv或者220kv电压等级，线路长度低于100km，所以线路一般并不配置并联电抗器，这就导致常规高压线路基于并联电抗器的线路故障性质识别判据失效。而对于新能源送出线路，两端一般不配置重合闸，主要原因是无法识别故障性质，盲目重合的话，在系统发生永久性故障时，重合于故障所导致的冲击对系统以及新能源发电机存在较大影响。但是不配置重合闸，由于线路瞬时性故障较多，在系统故障后不能够快速恢复线路供电，新能源场站不足以稳定孤网下的系统安全，最终可能导致新能源控制系统闭锁，损失较大电源。
3.故障性质的可靠识别，将有利于线路配置并实现自适应重合闸，很大程度上提高了系统瞬时性故障时快速重合的可靠性，进而提高系统安全稳定性。目前，针对新能源送出线路的故障性质识别文献较少，一方面集中在基于并联电抗器断开瞬间储能实现故障性质识别(邵文权，刘朋跃，王斌，宋国兵等.基于等值阻抗相位特征的带并补电抗线路单相自适应重合闸故障识别方法[j].电网技术，2020，44(5)：1790-1805)；另一方面主要集中在重合闸策略研究(徐岩，鲁振威，王慧.双馈风电场送出线路重合闸时间计算方法[j].华北电力大学学报，2017，44(5)：10-17)。但对于目前研究，当线路不存在并联电抗器时现有算法失效，亦或通过延时躲过电弧可靠熄灭下重合，这种盲目重合对在永久性故障时系统存在较大影响，一定程度上也影响着新能源发电系统的安全性和稳定性。


技术实现要素：

[0004]
为了实现新能源场站送出线路故障性质的可靠识别，提高送出线路重合闸的重合率，减少新能源发电系统脱网的问题，本发明针对现有技术中的不足，提供一种基于可控串联电抗电流信息的送出线路故障性质识别方法，该方法基于断路器并联可控限流电抗器，在线路发生故障时，应用故障阻抗和接地电阻的预判，控制限流电抗使其输出不影响系统安全的小电流，通过测量该小电流信号在瞬时性故障和永久性故障下的差异，构建瞬时性故障电弧熄灭时刻与故障性质识别新方法。
[0005]
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
[0006]
基于可控串联电抗电流信息的送出线路故障性质识别方法，其特征在于，包括：
[0007]
步骤1：设计可控串联限流电抗并联接入断路器，可控串联限流电抗包括电抗器和可控晶闸管tcr，tcr触发角的控制回路接入线路保护装置，在线路保护启动跳断路器时，触发tcr实时检测电抗器输出的电流信号，并启动故障性质识别；
[0008]
步骤2：根据线路故障模型，求解出故障点至线路保护装置处的故障阻抗和接地电阻；
[0009]
步骤3：根据故障点的电弧电阻特性，对故障点进行最大限流值整定；
[0010]
步骤4：基于故障阻抗和接地电阻，并结合最大限流值，计算可控限流电抗值；
[0011]
步骤5：基于可控限流电抗值，计算tcr触发角，并由线路保护装置形成触发脉冲控制tcr，使得故障相输出限流信号；
[0012]
步骤6：根据限流信号建立电流突变量比较判据，判别故障电弧熄灭时刻；
[0013]
步骤7：基于熄弧前的故障电流与瞬时性故障下的容性电流，应用实时电流幅值比较判据，对瞬时性故障和永久性故障进行故障性质识别。
[0014]
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
[0015]
进一步地，所述步骤2具体如下：
[0016]
根据输电线路故障模型，建立如下所示的输电线路微分方程：
[0017][0018]
式中，v
ma
(t)、i
ma
(t)和i
ma0
(t)分别为线路保护装置处测量的相电压、电流和零序分量电流，t表示任意时刻时间，l1、r1、l0和r0分别为线路单位长度的正序电感值、电阻值、零序电感值和电阻值，lf为线路保护装置到故障点的线路长度，rf为接地电阻，其中z
l
＝(r1+2πfl1)lf；
[0019]
基于多点采样数据，代入最小二乘算法迭代计算，求解出故障点至线路保护装置处的故障阻抗x
l
和接地电阻rf。
[0020]
进一步地，所述步骤3具体如下：
[0021]
根据故障点的电弧电阻特性，按下式对故障点进行最大限流值整定：
[0022]varc
＝i
limzarc
＜v
set
[0023]
式中，最大限流值i
lim
为可控串联限流电抗接入后由电源提供给故障相的最大电流，v
set
按躲过电弧过零重燃的电压条件整定，z
arc
为电弧熄灭时刻两点间的介质阻抗。
[0024]
进一步地，所述步骤4具体如下：
[0025]
结合故障阻抗x
l
和接地电阻rf，由线路保护装置计算可控限流电抗实际值x
′
lim
：
[0026][0027]
式中，un为系统额定电压，k
er
为考虑参数预测误差系数；
[0028]
其中，故障熄弧后的线路电流i
ma
≤i
lim
，最大限流值整定的公式作为约束条件。
[0029]
进一步地，所述步骤5具体如下：
[0030]
tcr触发角α与可控限流电抗实际值x
′
lim
的关系为：
[0031]
[0032]
式中，表示限流电抗值，un为系统额定电压，i
lim
为最大限流值；
[0033]
计算出tcr触发角α，由线路保护装置形成触发脉冲控制tcr。
[0034]
进一步地，所述步骤6具体如下：
[0035]
利用电弧熄灭开路下的电流突变特征，基于电流突变量λi
ma
构成熄弧判据λi
ma
＞i
set1
，其中i
set1
为瞬时性故障电弧熄灭时电流突变门槛值；
[0036]
在断路器跳闸后指定时间内突变判别满足熄弧判据，则对应时刻为电弧熄弧时刻；若超过指定时间后仍不满足判据，则预判为永久性故障。
[0037]
进一步地，所述瞬时性故障电弧熄灭时电流突变门槛值取值如下：
[0038]iset1
＝0.5*i
lim
[0039]
式中，i
lim
为最大限流值。
[0040]
进一步地，所述步骤7具体如下：
[0041]
1)记录熄弧前的故障电流i
p
；
[0042]
2)基于故障距离，计算瞬时性故障下的容性电流：
[0043][0044]
式中，w为角速度，c
l
为故障长度线路的分布电容，un为系统额定电压；
[0045]
3)构建幅值比较判据：
[0046]ima
＜k1ic|i
ma
＜k2i
p
[0047]
式中，i
ma
表示故障熄弧后的线路电流，k1、k2为可靠系数；
[0048]
如存在电弧熄灭时刻且满足幅值比较判据则判别为瞬时性故障，否则为永久性故障。
[0049]
进一步地，所述可靠系数的取值如下：k1取1.3～2.0，k2取0.7～0.85。
[0050]
本发明的有益效果是：
[0051]
(1)基于断路器并联可控电抗器，整体串接入系统的设计思路，线路电流小，故障点电压低，不影响电弧熄灭；
[0052]
(2)故障阻抗与接地电阻预判，快速定位可控的电抗值，提高识别效率；
[0053]
(3)故障性质的有效判别，提高线路重合率，提高新能源的工程利用。
附图说明
[0054]
图1为可控串联限流电抗接入方式示意图。
[0055]
图2为不同数据窗下模板直线示意图。
[0056]
图3为tcr触发角与回路等效阻抗的关系示意图。
[0057]
图4为故障相单端带串联电抗线路等效模型示意图。
[0058]
图5为瞬时性故障a相等效电路。
[0059]
图6为永久性故障a相等效电路。
[0060]
图7a为a相接地线路首端故障过程图；图7b为a相接地线路首端故障过程图。
[0061]
图8为熄弧判据仿真结果图。
[0062]
图9为a相接地线路首端故障仿真结果图。
[0063]
图10为a相接地线路末端故障仿真结果图。
[0064]
图11为ab两相短路线路首端仿真结果图。
[0065]
图12为ab两相短路线路末端仿真结果图。
具体实施方式
[0066]
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
[0067]
本发明所提供的一种基于可控串联电抗电流信息的送出线路故障性质识别方法，具体包括以下步骤：
[0068]
步骤1：可控串联限流电抗接入方式。设计可控串联限流电抗并联接入断路器，同时在线路故障保护启动跳断路器时，检测电抗器输出的电流信号，启动故障性质识别。
[0069]
针对新能源场站送出线路，一般的大电源侧重合闸采用检无压方式，小电源侧采用检同期方式；基于此原则，故障性质识别放在检无压侧。如图1所示，在系统侧的断路器按相增加一个并联支路串接线路中，支路包括限流电抗值x
lim
(可选择电阻电抗的串联结构，本部分仅以电抗为例讨论)和可控晶闸管tcr，tcr触发角α的控制回路接入线路保护装置，限流电抗x
lim
取值按线路出口三相短路最大限流i
lim
选取，un为系统额定电压。在线路故障保护动作发出跳断路器命令时触发tcr，实时检测电抗器输出的电流信号，启动故障性质识别。
[0070]
步骤2：故障阻抗和接地电阻的预判。应用参数识别法，初步预判故障点至保护安装处的距离，也即预判了故障阻抗与接地电阻，为限流电抗值计算提供参数。
[0071]
根据如图2所示的输电线路故障模型，以a相接地故障为例，建立如式(1)所示的输电线路微分方程：
[0072][0073]
式中，v
ma
(t)、i
ma
(t)、i
ma0
(t)分别为保护安装处测量的a相电压、电流和零序分量电流，l1、r1、l0、r0分别为线路单位长度的正序电感值、电阻值、零序电感值和电阻值，lf为保护安装处到故障点的线路长度；t是任意时刻时间，rf为接地电阻。
[0074]
在线路保护装置离散采样条件下，式(1)微分项采用式(2)计算：
[0075][0076]
式中，ts为保护采样周期，n为采样点序号。
[0077]
将式(2)代入式(1)，可以得到：
[0078][0079]
考虑到多个未知数，采用多点采样，分别代入式(3)，可以得到多组差分方程，从而形成一个差分方程组。进而利用最小二乘算法对差分方程组进行迭代计算，求解出故障距离l，也即计算出z
l
＝(r1+2πfl1)lf，以及rf。
[0080]
步骤3：最大限流值整定。
[0081]
在断路器断开后，系统通过限流电抗为故障点提供限流，提供的电流如果较大，直接影响电弧的熄灭，也就无法判别故障性质。因此，这里的最大限流值i
lim
定义为可控串联电抗接入后由电源提供给故障相的最大电流。根据故障点电弧电阻特性，在电流过零点时熄灭，但故障点电压如果较高，会直接导致电弧重燃，因此限制电流，也即约束电弧电压，令v
arc
＝i
limzarc
＜v
set
ꢀꢀꢀ
(4)
[0082]vset
按躲过电弧过零重燃的电压条件整定，z
arc
为电弧熄灭时刻两点间的介质阻抗。
[0083]
这里强调，如果电压无法整定，则需要等待电弧熄灭后再投入限流电抗，本发明涵盖这一特点，仅仅影响步骤6的熄弧时刻的确定，不影响故障性质的识别。
[0084]
步骤4：可控限流电抗值计算。在电弧电压和线路限流的约束下，由线路保护装置基于故障阻抗与接地电阻计算限流电抗。
[0085]
考虑到线路故障位置、故障类型、接地电阻均不唯一，若采用固定串联电抗，难以确定故障跳闸后线路的电流。以最不利原则确立最大电抗，将可能导致末端短路或者高阻故障降低故障识别的灵敏度。因此，本发明结合故障阻抗x
l
和接地电阻rf的预判，由线路保护装置计算可控限流电抗实际值x
′
lim
：
[0086][0087]
式中，k
er
为考虑参数预测误差系数，避免影响熄弧时间。
[0088]
实际电抗投入后，要求线路电流实际i
ma
≤i
lim
，这里将式(4)作为式(5)的约束条件。
[0089]
步骤5：晶闸管触发角计算与控制。根据限流电抗值计算对应晶闸管的触发角，并由线路保护装置发出控制脉冲。
[0090]
限流电抗串联晶闸管回路中的目的就是在可控电抗器工作时，改变晶闸管tcr的触发角α，相当于改变了电抗器的等效阻抗。
[0091]
根据晶闸管特点，tcr触发角α与电抗实际值x
′
lim
的关系为：
[0092][0093]
实际上，基于式(6)直接计算触发角α较难，但通过图3可以看出，在触发角在内，等值阻抗与触发角非线性关系，本发明给出如下处理方法，但不局限于此类做法。
[0094]
因为线路保护装置在测量电信号时采用了离散采样的方式，借助于该思路，将非
线性的等值阻抗与触发角关系，按照一定间隔确立对应电抗值或者标幺值，如表1所示，按照1
°
一个值。
[0095]
表1等值阻抗与触发角对应表
[0096]
1.00000.9778 0.39100.3745 0.01760.0151 090
°
91
°…
120
°
121
°…
160
°
161
°…
180
°
[0097]
在实际应用时，在计算实际电抗后在对应表1中取近似偏大电抗值，通过查表得到触发角α，进而再由线路保护装置形成触发脉冲控制晶闸管，实现可控串联电抗的快速调节。
[0098]
步骤6：熄弧时刻判别。实时计算电流信号的突变量，短时间突变判别电弧熄弧时刻，长时间不变预判为永久性故障。
[0099]
在系统发生瞬时性故障时，断开故障相，一般存在二次电弧，串联电抗电流和永久性故障差不多，但对于瞬时性故障在电弧熄灭瞬间，电流突然减小。
[0100]
以故障相单端带串联电抗的线路为例建立计算等效模型，假设线路a相发生单相接地故障，其等效电路如图4所示。
[0101]
对于瞬时性故障，当故障熄弧后，故障点消失，断开相对地支路由对地电容构成。由此可以得到瞬时性故障断开相故障等值回路，如图5所示。
[0102]
由kcl定律可得i
ca
+i
cm
＝i
co
，为简化分析和减少计算量，可近似认为i
ca
＝i
co
。可得如下关系式：
[0103][0104]
联立式(7)中各方程求解，即可得到瞬时性故障熄弧瞬间的电流i
co
。其中，ua、ub、uc为线路三相端电压，ib、ic为线路b、线路c的电流，2cm为非故障相对故障相的等值相间电容，c0为故障相对地电容，u
xla
为a相线路电感电压，rs、ls为线路单位自电感、自电阻，lm为线路互感参数，l为故障距离长度；i
ca
为流过a相可控串联电抗器的电流；u
co
为故障相对地电容c0两端的电压，ω为系统角频率。
[0105]
同理，在瞬时性故障熄弧前，由于故障点的存在，断开相对地支路由故障点与地直接连接，此时流过的电流为满足方程：
[0106][0107]
联立式(8)中各方程求解，即可得到瞬时性故障熄弧前的电流i
co
。
[0108]
设此时瞬时性故障电流突变量为λi
ma
，则有λi
ma
＝i
co-i
co
。
[0109]
对于永久性故障，仍按上述处理方法。区别在于此时线路中并入了过渡电阻，其等效电路模型如图6所示。
[0110]
分析可得如下关系式：
[0111][0112]
式中，c0为故障相对地电容。
[0113]
因此，根据式(9)以及实测的故障距离l和故障电阻rf，可以得到对地通路电流的值if。在熄弧前时刻，瞬时性故障与永久性故障的故障相等效回路一致，流过的电路值都为则此时永久性故障电流突变量为λi
ma
，则有
[0114]
利用电弧熄灭开路下的电流突变特征，基于电流突变量λi
ma
构成熄弧判据λi
ma
＞i
set1
。在断路器跳闸后短时间内突变判别满足熄弧判据，对应时刻为电弧熄弧时刻；若长时间不满足判据，则预判为永久性故障。
[0115]
这里i
set1
为瞬时性故障电弧熄灭时电流突变门槛值，考虑容性电流较小，可以按限流的一半整定，i
set1
＝0.5*i
lim
。
[0116]
步骤7：故障性质识别。基于熄弧前的故障电流与瞬时性故障下的电容电流，应用实时电流幅值比较判据，实现故障性质识别。
[0117]
1)记录熄弧前的故障电流i
p
；
[0118]
2)基于故障距离，计算瞬时性故障下的容性电流其中w为角速度，c
l
为故障长度线路的分布电容；
[0119]
3)构建幅值比较判据：
[0120]ima
＜k1ic|i
ma
＜k2i
p
ꢀꢀꢀ
(10)
[0121]
如存在电弧熄灭时刻，满足判据则判别为瞬时性故障，否则为永久性故障。k1、k2为可靠系数，考虑参数计算误差、rf的变化等影响，k1一般取1.3～2.0、k2一般取0.7～0.85。
[0122]
算例分析：
[0123]
为了验证所提判据的适用性，如图1所示搭建220kv新能源送出线模型，左侧为220kv电源，系统阻抗zs＝9.18+j43.33ω，右侧为新能源电源，送出线路长度l＝75km，线路参数r1＝0.0705ω/km，r0＝0.323ω/km，l1＝1.274mh/km，l0＝3.822mh/km，c1＝0.0086μf/km，c0＝0.0061μf/km。
[0124]
在算例中，首先分别假设a相在线路首端和末端2.0s时发生单相接地故障，在2.1s时出线断路器跳闸，同时投入可控电抗x
lim
，这个故障过程如图7a所示，熄弧前后如图7b所示。针对不同故障位置，不同过渡电阻，分别进行测试，其结果如表2所示。其中可控电抗x
lim
＝1570.80ω，最大限流值i
lim
＝80.86a。
[0125]
表2不同故障位置时电流识别值
[0126][0127]
由表2结果可知，当投入可控电抗x
lim
时，瞬时性故障电流识别值较小，永久性故障电流识别值较大，且与不同故障位置、不同的过渡电阻有关。
[0128]
熄弧时刻验证：以a相在线路首端2.0s时发生单相接地故障，未投入过渡电阻为例，利用电弧熄灭开路下的电流突变特征，基于电流突变量λi
ma
构成熄弧判据λi
ma
＞i
set1
，结果如图8所示，其中i
set1
＝0.5*i
lim
。检测到2.307s时刻电流i
ma
存在突变，且满足熄弧时刻判据，故熄弧时刻判定为t＝2.307s。针对不同故障位置，分别进行测试是否满足熄弧判据，其结果如表3所示。
[0129]
表3熄弧时刻验证表
[0130]
故障位置λi
maiset1
是否满足熄弧判据049.9440.43是1/350.7340.43是1/251.640.43是2/353.0940.43是154.3640.43是
[0131]
故障类型验证：电流幅值比较判据i
ma
＜k1ic|i
ma
＜k2i
p
。瞬时性故障的电弧熄灭后，小电流通过电容流入大地，永久性故障发生后电流则经过接地电阻rf经故障点流入大地，
满足电流幅值比较判据判别为瞬时性故障，否则为永久性故障。其中k1、k2为可靠系数，k1一般取1.3～2.0、k2一般取0.7～0.85，i
p
为熄弧前的电流，瞬时性故障下的容性电流其中w为角速度，c
l
为故障长度线路的分布电容，以a相在线路首端2.0s时发生接地故障，未投入过渡电阻为例，故障点分别设在线路首端和末端，验证电流幅值比较判据的准确性，幅值判据验证表如表4所示，仿真结果图如图9、图10所示。
[0132]
表4幅值判据验证表
[0133]
故障位置判据1：k1ic判据2：k2i
p
是否满足判据1是否满足判据20-50.568-是1/317.15852.717否是1/225.73853.312是是2/334.31854.362是是151.47655.216是是
[0134]
为更好说明故障特征，展示如下仿真结果：不同故障类型下的a相首、末端接地故障仿真如图9、图10，不同故障类型下的ab首、末端两相短路仿真如图11、图12。由图也可知，瞬时性故障在2.3s时电流发生突变，而永久性故障电流未突变，根据式(10)的电流幅值比较判据可准确区分故障类型。
[0135]
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。