风电场双回送出线路时域故障测距新方法_束洪春.pdf

第 47 卷 第 4 期 电 网 技 术 Vol.47 No.4 2023 年 4 月 Power System Technology Apr.2023 文章编号：1000-3673（2023）04-1450-10 中图分类号：TM 721 文献标志码：A 学科代码：47040 风电场双回送出线路时域故障测距新方法 束洪春1,2，邓亚琪1,2璘，曹璞2，朱梦梦3，马御棠3，安娜2（1昆明理工大学机电工程学院，云南省 昆明市 650500；2昆明理工大学电力工程学院，云南省 昆明市 650500；3云南电网有限责任公司电力科学研究院，云南省 昆明市 650217）Novel Method of Time-domain Fault Location for Wind Farm Double-circuit Transmission Lines SHU Hongchun1,2,DENG Yaqi1,2,CAO Pulin2,ZHU Mengmeng3,MA Yutang3,AN Na2(1.Faculty of Mechanical and Electrical Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,Yunnan Province,China;2.Faculty of Electric Power Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,Yunnan Province,China;3.Electric Power Research Institute of Yunnan Power Grid Co.,Ltd.,Kunming 650217,Yunnan Province,China)ABSTRACT:As the short-circuit current output from the new energy power supply at the time of a fault presents the characteristics of frequency shifting,high percentage of the harmonic content,restricted amplitudes,unequal positive and negative sequence impedances,etc.,resulting in the risks of the fault location failures based on the power frequency.Therefore,a fault location method for double-circuit transmission lines of a wind farm is proposed.The transmission line equation is discretized which is expressed in the form of partial differential equations by using the finite-difference time-domain.Then,the transmission line equation is solved by using the modified variational iterative method to obtain the function of line length,using the phase voltage and the phase current at the both ends of the line as the boundary conditions.Last,the fault location is achieved by constructing the fault location function.Through the analysis on the PSCAD/EMTDC and the hardware-in-the-loop test experimental platform,the proposed algorithm is verified to be able to accurately notarize the fault locations.KEY WORDS:fault location;double-circuit transmission lines;modified variational iteration method;wind farm 摘要：由于故障时新能源电源输出的短路电流呈现出频率偏移、谐波含量占比高、幅值受限、正负序阻抗不相等等特征，从而导致基于工频相量的故障定位方法存在失效的风险。为 基金项目：国家自然科学基金项目(52037003，52167012)；云南省重大科技专项计划项目(202002AF080001)；云南省基础研究项目(202001AT070096)。Project Supported by National Natural Science Foundation of China(52037003,52167012);the Support of the Major Science and Technology Projects in Yunnan Province(202002AF080001);the Support of the Yunnan Fundamental Research Project(202001AT070096).此，提出适用于风电场双回送出线路故障测距方法。采用时 域有限差分法离散以偏微分方程形式表示的传输线方程，再利用改进变分迭代法求解传输线方程，得到线长的函数，并将线路两端的相电压、相电流作为边界条件；最后，构造故障测距函数以实现故障定位。通过 PSCAD/EMTDC 和硬件在环测试实验平台进行分析，验证了所提算法能准确地定位故障位置。关键词：故障测距；同塔双回线；改进变分迭代法；风电场 DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2022.1856 0 引言 随着全球气候变暖、极端天气频发等问题的出现，需大力发展新能源，并构建新型电力系统，以缓解能源危机和控制碳排放量，是实现国家“双碳”战略目标的重要手段之一1。然而，新能源电源直接或间接通过电力电子装置实现并网，其输出的短路电流呈现出频率偏移、幅值受限、正负序阻抗不相等等特征2，势必造成基于工频相量的故障定位方法面临挑战。加之新能源资源丰富的地区往往远离负荷中心，新能源集中外送成为趋势3，而同塔架设的双回线路以其输送能力大、出线走廊窄、占地面积小等优势4，可承担新能源远距离、大容量的集中外送。但在实际运行中，输电线路通道常面临恶劣的气候，其发生故障的机率尤其是遭受雷击的机率较高。因此，准确、快速地实现输电线路故障定位对减少故障损失、加快供电恢复、提高风能利用率和系统可靠性具有重要意义。故障测距方法根据算法原理的不同，可分为行第 47 卷 第 4 期 电 网 技 术 1451 波法5-7和故障分析法8-9，而故障分析法分为单端 法和双端法。单端法仅利用一侧的数据进行故障测距，其测距精度受到运行方式，过渡电阻等因素的影响10；双端法是采用线路两端的电气量进行故障测距，但其依赖于站间通信设备11，数据的是否严格同步会直接影响测距结果。为解决双端数据不同步的问题，文献12通过移动一端数据来实现同步匹配，并采用搜寻使测距函数最小来实现故障定位，但搜索步长的选取对测距精度有一定的影响。文献13提出在考虑线路并联电容的影响下，通过计算线路负序电流的幅值来实现故障定位，但该方法对对称性故障存在局限性。文献14基于线路分布参数模型，利用故障位置短路电流的正序分量与正序故障分量相等，推导出以杆塔直线距离为基准的测距算法，进而实现故障测距。文献15根据双回线中单回线内部故障的等效序网络图，结合相应的故障类型推导出其测距方程，该算法不受过渡电阻和系统阻抗影响，但其无法适用于跨线故障。文献16通过建立波速、时间与距离的等式约束，引入平均波速变量的基础上，提出考虑行波波速衰减及波头时间误差的故障定位方法。文献17在分析故障初始行波的基础上，提出初始反极性行波检测的故障测距算法，其极性特征受到母线类型的影响。文献18通过分析本线路和相邻线路故障行波信号在时频域的差异性和相关性，提出基于时频能谱矩阵的故障定位方法。然而，对于连接到风电场的输电线路，风电机组在故障期间通过控制策略来调节励磁电流19，此时内部电势发生变化20，其输出短路电流中包含大量的高次谐波和间谐波，导致故障电流不再维持工频21，并呈现出“多态”故障特征22，与同步发电机的故障特征存在显著差异，难免造成基于工频相量的故障定位方法存在失效风险。鉴于同塔架设的双回线路存在线间互感和跨线故障特点，不能简单地将已有单回线的故障测距方法直接应用到双回线路23。考虑到上述问题，对于连接到风电场的同塔双回线路，本文提出基于改进的变分迭代法来求解故障位置(距离)。首先，在分析风电机组故障特征的基础上，阐明风电电源与常规电源的差异，提出适用于风电场送出线路的故障测距方法；所提方法先采用时域有限差分法对传输线路方程进行离散，用差分方程代替微分方程，将以偏微分方程形式表示的传输线路方程转化为常微分方程；再通过改进的变分迭代法求解传输线方程，以获得线长的函数；最后，通过构建测距函数，以实现风电系统双回送出线路的故障定位。1 双馈风电机组故障特征的影响 当线路发生短路故障时，若机端电压轻度跌落，可通过改变变流器控制策略以削弱故障电流；当机端电压深度跌落时，若仅通过改变控制策略，难以抑制转子过电流，则需投入撬棒电路24。三相电压跌落下，机端短路电流表达式如(1)所示：srAC.steadyDCWTm1sm1AC.dampm1rcos()eecos()tTtTiItIIt (1)式中：AC.steadym1I为稳态工频分量；DCm1I为衰减直流分量；AC.dampm1I为衰减的转速频率分量的幅值，由这三个分量叠加组成撬棒电路投入后的双馈风电机组的短路电流；s和r分别为同步角速度和转子角速度；sT和rT分别是定子和转子的衰减时间常数；为初相角。如图 1 所示，故障初始时刻的电压信号中含有大量谐波，但随着撬棒电路投入，转子电流迅速衰减，而转子绕组因磁势守恒感应出衰减直流分量会在定转子间形成旋转磁场，使定子上感应出与转子角速度对应频率的暂态电势，造成定子电流频率偏移。当撬棒电路被切除时，变流器重新接回转子回路中，来控制发电机励磁，从而形成新的 图 1 电压跌落至 30%时风电机组端口电压电流波形 Fig.1 Voltage and current waveform of wind turbine port after voltage drops to 30%1452 束洪春等：风电场双回送出线路时域故障测距新方法 Vol.47 No.4 磁势。利用快速傅里叶变换提取故障相电流进行频谱分析，得出当撬棒电路投入后，双馈风电机组输出的短路电流频率偏移至 60Hz。双馈风电机组在故障前后不存在恒定不变的暂态电势，采用叠加定理分解得到故障附加网络中，除自身序阻抗外，还有因控制产生的附加电源，而风电机组多采用 dq 解耦控制，该控制仅作用于正序分量，相当于加入了受控的“正序时变电源”19。当撬棒电路投入后，衰减的转子励磁电流会引起附加电源的变化，进而导致风电机组的等值正序阻抗不稳定，如图 2 所示。图 2 电压跌落至 30%时风电机组等值系统正负序阻抗 Fig.2 Positive and negative sequence impedance of wind turbine e