含逆变型分布式电源的花瓣型配电网故障定位策略研究

2023-11-18顾大德肖健韦梦立陈文志

电测与仪表 2023年11期

顾大德,肖健,韦梦立,陈文志

(1.广东电网有限责任公司广州供电局,广州 510000; 2.东南大学,南京 411110;3.长沙天恒测控技术有限公司,长沙 336017)

0 引言

城市电网承担着为用户提供优质电力的重要责任。传统的辐射式配电网存在故障范围广、停电时间长等问题。相比之下,以花瓣型配电网为代表的闭环配电网具有灵活的运行控制策略和高效经济的优点,现已在中国、新加坡和法国的一些城市电网中建成[1-3]。

目前,用于低源有压配电网的故障定位方法得到广泛的研究。基于智能算法的故障定位方法通常具备良好的容错性能,并且可以适应复杂结构的配电网[4-6]。但该方法只能对故障线路或故障部分进行定位。另一方面,基于行波的方法可根据行波折射和反射的时间特征来准确确定故障点[7-9]。但该方法受故障时刻相角影响较大,并且行波传输过程中的折射和反射波会互相干扰。此外,安装高采样率的行波测距设备成本较高。基于阻抗的方法源于电路理论,具有灵活的适用性[10-15]。当测量到故障时的电压和电流时,该方法使用这些数据来计算故障段的阻抗。由于线路阻抗与长度成正比,因此可以通过这种方式计算出故障距离。文献[16]利用相邻开关站电压幅值预测误差判断故障发生线路,并研究了不同位置故障情况下的保护灵敏度。文献[17]提出了仅使用电流幅度的算法来解决不平衡电力系统中单相接地故障的定位问题,但该方法的有效性受到系统运行方式、负载电流和故障电阻的影响。文献[18]将行波法和阻抗法相结合,通过故障指示器对故障所在区段进行判断,再利用双端行波法对主线路故障进行测距,使用阻抗法对支路故障进行测距,从而实现对多分支线路故障的定位。但该方法需要加装行波测距设备,因此成本较高。在花瓣型配电网中。环路的两端连接在同一母线上,导致故障线两侧的电流存在相关性,这一特性有利于基于阻抗的方法在花瓣型配电网中的应用。文献[19]利用故障线上的零序电流之间的关系,根据保护装置接收到线路对面零序电流的稳态值后的过线零序电流的比值准确定位故障。该方法通信量小,对数据同步要求低,但未考虑IIDG接入情况。文献[20]研究了带同步分布式发电机的花瓣型配电网的负序电流比较方法。该方法不受负载电流和故障电阻的影响,但对三相故障无效。

另一方面,大量光伏发电、风力发电机组等新能源发电机组以IIDG的形式接入网络。电网结构的变化和IIDG的接入使得配电网的故障特征变得更加复杂。因此,传统配电网的故障定位方法难以应用于具有IIDG的花瓣型配电网[21]。文献[22]针对含IIDG花瓣型配电网的单相接地故障,利用对称分量法得到故障点及线路各序电流的公式,并分析了花瓣型配电网在发生单相接地故障时各电流的变化规律,但没有提出具体的故障定位方法。文献[23]采用了双向过流继电器和时流特性对带有分布式发电机的花瓣型配电网进行故障线路的定位,但该方法的主要目标是识别故障线路,因此无法用于故障位置的准确定位。

综上所述,目前已有的故障定位方法很难计算具有IIDG的花瓣型配电网的故障位置。因此,本文提出了一种基于电气参数的综合故障定位方法。其中,对于两相短路故障,提出基于负序电流相位差的故障线路识别方法,并推导出仅利用负序电流幅值确定故障位置的定位公式。对于单相接地故障,通过配电网的信息采集环节确定零序电压和电流的相关信息,建立关于故障距离的一元二次测距方程,并以区段线路长度为约束确定真实故障位置。对于对称故障,利用线路两端的正序电压和含逆变器接口分布式发电机输出的电流识别故障线路,并利用多条线路上的正序电流来定位故障位置。该方法针对不同类型的故障情况提出相应的识别方法和定位公式,从而使得故障点的识别和定位更加准确可靠。此外,该方法还能够有效降低线路投入成本,并且具有较高的测距精度。

1 花瓣型配电网模型建立

1.1 接入IIDG的花瓣型配电网模型

考虑接入IIDG的花瓣型配电网模型如图1所示。

图1 接入IIDG的花瓣型配电网模型

图1中同一变电站每两回馈线相连组成环网主干线,形成闭环的花瓣式结构,闭环运行。不同的变电站每两个环网通过联络开关相互连接,组成花瓣式相切的形状。重要等级的负荷一般位于两个环网的连接处。正常情况下,联络开关处于常开状态。

单花瓣配电网的拓扑结构如图2所示。图2中花瓣型配电网由五条同一类型的输电线路组成,按照顺时针方向分别表示为线路L1～L5。每条线路的两端均设置断路器。当线路故障发生时,故障线路两端的断路器瞬间动作,隔离故障区域。由于环网结构的存在,花瓣开环运行,手拉手供电,保障了非故障区域的电力供应,实现了电力用户“N-1”安全准则,保证了线路运行的安全可靠。

图2 单花瓣配电网拓扑结构图

在图2中,T2表示系统接地变压器,RN表示中性点接地电阻。小电阻接地方式可以改善不对称故障时的电流水平,有利于提高保护性能。

1.2 IIDG故障输出特性

IIDG的故障等值模型主要取决于其控制策略。并网IIDG一般采用PQ控制策略,在公共耦合点处的电压或频率波动时,PQ控制策略会使得IIDG的功率输出保持稳定。基于正序分量的控制策略在改善IIDG的输出特性和减少对配电网电能质量的影响方面表现出了良好的控制效果,并因此广泛应用。IIDG的故障等效模型可以由正序网络中的电压控制电流源和负序网络中的开路来表示。

1.3 接入IIDG的花瓣型配电网故障等效模型

当图2中f点发生故障时,接入IIDG的花瓣型配电网的正序网络和负序网络如图3和图4所示。正序分量和负序分量分别由下标(1)、(2)表示。ES和ZS分别表示系统的等值电势和等值内阻抗,ZT1表示并网变压器T1的等效阻抗,Z1和Z2分别表示公共耦合点上游和下游线路的阻抗。Zf表示故障点附加电阻,α表示故障分支的位置,I1和I2表示故障线路两端的电流,-Uf(1)和-Uf(2)分别表示虚拟正负序电势。若发生对称故障,则-Uf(1)为零。-UPCC(1)表示公共耦合点的正序电压,IDG是IIDG的输出电流。

图3 正序网络

图4 负序网络

2 故障定位方法

2.1 非对称故障的定位方法

当花瓣型配电网发生不对称故障时,由于三相之间的电气参数不相等,因此故障电流中的负序分量和零序分量会随着故障类型的不同而不同。例如,在单相接地故障中,负序电流会明显增大,而其他电流没有明显变化;在双相短路故障中,零序电流明显增大,而其他电流没有明显变化。因此,需要根据不同的故障类型采用不同的故障定位方法。此外,根据IIDG的输出特性,其负序电流的特性不受IIDG接入的影响,因此本文先利用负序电流的特性定位故障段,再分别用不同的方法定位具体的故障点。

首先,假设点f处发生故障,由图4和欧姆定律得两端的负序电流I1(2)和I2(2)为:

(1)

(2)

由于每条线路的单位阻抗相同,因此I1(2)和I2(2)具有相同的相位。因此,通过对两侧负序电流相位差进行检测,当相位差为180°时,该线路为正常线路;当相位差为0时,则该线路为故障线路。

确定故障线路后,需要判断出现故障的类型。使用专门的负序电流传感器和零序电流传感器来检测故障线路,当零序电流明显增大时,此时故障为双相短路故障,需要进一步定位故障点。联立上式可得故障位置α:

(3)

则母线A到故障点f的距离可由下式求得:

(4)

式中Z0(2)为每公里线路负序阻抗;ltotal为环路的总长度。

当负序电流传感器检测到电路中负序电流明显增大时,此时故障类型为单相接地故障。由于此时根据式(1)和(2)已确定故障段的范围,因此需要进一步得到故障点。根据对称分量法,得到花瓣型配电网中一段线路发生单相接地故障时的等效零序网络,如图5所示。

图5 花瓣型配电网BC段零序网络图

(5)

式中ZCB为线路B侧零序电容的容抗值;C0为单位长度线路零序电容;Z0为单位长度线路零序阻抗;R0为单位长度线路零序电阻;L0为单位长度线路零序电感;d′为故障点到B端的距离。

(6)

式中ZCC为线路C侧零序电容的容抗值;LBC为线路BC的总长度。

(7)

对式(7)求解,即可求得故障点到B端的距离d′。由于解一元二次方程会出现多根的情况,真实根为0～LBC内的实数。

2.2 对称故障的定位方法

当花瓣型配电网发生对称故障时,故障电流中不包含负序分量和零序分量。因此,利用正序电流的性质进行故障定位分析。由图3和欧姆定律可知,故障线路两端的正序电流为:

(8)

(9)

联立式(8)和(9)可得:

(10)

取每条线路两端的正序电流分别代入上式计算,若计算结果为无穷大,则该线路为正常线路;若计算结果在[0,1]以内,则为故障线路。当故障电阻较低时,负载电流在正序电流中的比例很小,此时计算距离精度较高。但当故障电阻较大时,负载电流所占比例较大,此时估计距离与实际距离误差较大。因此,对于通信水平更高的配电网系统,可根据基尔霍夫电压定律获得精度更高的故障定位结果,具体公式如下:

(11)

式中ZLf(1)为故障线路Lf的正序阻抗;ZLx(1)为故障线下游线路Lx的正序阻抗;ZLy(1)为故障线路上游线路Ly的正序阻抗。

结合上述技术和理论分析,文中提出的花瓣型配电网故障定位流程如图6所示。

图6 故障定位流程图

首先,使用传感器采集配电网的正、负、零序分量。然后,检测线路内是否存在负序和零序分量,以判断是否为对称故障。若不存在负序和零序分量,则属于对称故障。在这种情况下,需要计算故障线路两端的正序电流,再根据式(10)来定位故障位置。若线路内存在负序和零序分量,则为不对称故障。在这种情况下,需要首先根据负序电流相位差来定位故障段,然后再检测线路内的零序电流和负序电流,以判断故障类型。当负序电流明显增大时,表明故障为单相接地故障。此时需计算故障线路两端的零序电压,并根据式(7)来定位故障位置。当零序电流明显增大时,表明故障为双相短路故障。此时需要计算故障线路两端的负序电流,并根据式(4)来定位故障位置。最后,输出故障定位结果。

3 仿真实验

本节在PSCAD/EMTDC系统中对提出的方法进行测试。单位长度线路参数如表1所示。

为比较在不同故障位置处的测量结果准确性以及分析接地电阻的影响,分别将实际故障点设置在距离左端点500 m、1 000 m、1 500 m和2 000 m处,并设定接地电阻分别为0 Ω、1 Ω、10 Ω、100 Ω。当故障类型为双相短路故障时,由式(4)可计算故障点距左端点距离,结果如表2所示。

表2 双相短路故障测距结果

通过对比表2的结果,可以发现使用提出的方法测量不同故障点的双相短路故障距离时,最大绝对误差为10.6 m,最大相对误差为0.96%。这表明所提出的方法具有较高的测距精度。此外,观察上表还可以发现接地电阻的变化对计算得到的故障点距离没有影响。无论接地电阻的值如何增大,得到的结果保持不变,这也降低了对接地电阻变化的敏感性,减少了在现场环境中的复杂度和不确定性。

在单相接地故障类型下,由式(7)得计算故障点距左端点距离。首先需对两侧零序电压及左侧零序电流进行同步采样,并进行傅里叶变换,得到基波零序电压、电流相量值,随后将这些值代入一元二次方程式(7)中,即可得到故障点位置,结果如表3所示。

通过对比表3中不同故障点发生单项接地故障时的测距结果,可以观察到最大的绝对误差为7.1 m,并且最大的相对误差为0.41%。这些数据显示出所提出的算法在解决不对称故障定位方面具备优异的性能。同时,由于单相接地故障定位依赖于简单的电压和距离测量,而双相接地故障的电流路径更加复杂且不稳定,因此单相接地故障定位具有更高的精度。

当故障类型为对称故障时,由式(11)得计算故障点距左端点距离,结果如表4所示。

表4 对称故障测距结果

通过对比发生对称故障时不同故障点测距结果可知,最大绝对误差为5.1 m,最大相对误差为0.32%,这说明在发生对称故障的情况下,所提出的算法仍能准确定位故障段和故障点,并且定位的精度比发生不对称故障时更高。这种准确性的实现归因于对称故障中电网两侧的电压、电流等参数变化相同,因此其信号可以在各个节点上得到共享,并通过测量数据进行准确测量。进一步分析发现,接地电阻即使在发生对称故障的情况下也没有对测距结果产生明显影响。这一点十分重要,因为接地电阻是一个十分常见的问题,若它会对测距结果产生显著影响,那么所提出的方法的应用性和实用性将大打折扣。同时,通过对比表2、3、4可以发现,本文提出的故障定位综合方法适用于花瓣型配电网可能发生的常见故障类型,包括线路短路、接地故障、相间短路等。此外,该方法能够实现快速精确定位故障源,具有广泛的应用范围。除了定位故障点,该方法还能够帮助分析故障的具体原因,从而有针对性地采取相应的措施进行修复和防范,为未来的故障预防提供有力的参考和依据。

最后,为了验证所提方法的优越性,与文献[24]中的方法进行对比,对比结果如表5所示。