計及風(fēng)電并網(wǎng)的電網(wǎng)故障診斷方法研究

摘要：分析了風(fēng)力發(fā)電接入對系統(tǒng)原有繼電保護(hù)配置的影響作用；明確了雙饋式風(fēng)電機(jī)組接入電網(wǎng)后的保護(hù)配置情況；基于結(jié)線分析完成了對故障時電網(wǎng)網(wǎng)架變化的基本模式分析，提出了相應(yīng)故障模式的具體判據(jù)；最后結(jié)合某地區(qū)實際發(fā)生的電網(wǎng)實例，驗證了所提出方法的有效性。

關(guān)鍵詞：故障診斷；風(fēng)電；保護(hù)配置；結(jié)線分析；雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)

作者簡介：平軼玲（1980-），女，山西長治人，長治供電公司，工程師，技師。（山西 長治 046000）

中圖分類號：TM774 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）36-0219-02

目前，關(guān)于電網(wǎng)故障診斷的理論研究[1-4]愈來愈成熟，許多研究學(xué)者從電網(wǎng)故障診斷的基本方法及多種方法的綜合利用角度進(jìn)行闡述；也有研究者從電網(wǎng)故障診斷的數(shù)據(jù)源及多種數(shù)據(jù)源的綜合利用的角度[5-6]來研究電網(wǎng)故障診斷系統(tǒng)及模型；還有從電網(wǎng)故障診斷理論的實用化角度[7]來闡述這一問題，但結(jié)合新能源發(fā)電的電網(wǎng)故障診斷的研究鮮有報道，文獻(xiàn)[8-9]從保護(hù)工程的角度研究了風(fēng)電機(jī)組并入電網(wǎng)后的故障特性，這對于提高風(fēng)電場繼電保護(hù)動作的有效性和可靠性具有重要的意義。

由于新能源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)出力的隨機(jī)性和波動性特點，接入電網(wǎng)后對電網(wǎng)電能質(zhì)量勢必造成一定的影響。2006年11月4日歐洲互聯(lián)電網(wǎng)發(fā)生的大范圍停電事故造成系統(tǒng)重要斷面潮流加重，使電網(wǎng)低頻地區(qū)大量風(fēng)電機(jī)組跳閘。此次事故表明風(fēng)電的接入增加了電網(wǎng)事故的嚴(yán)重程度，加劇了調(diào)控人員對于事故的處理難度。

針對上述問題，本文分析了新能源發(fā)電接入對系統(tǒng)繼電保護(hù)配置的影響作用，明確了雙饋式風(fēng)電機(jī)組接入電網(wǎng)后各電氣元件的保護(hù)配置情況，在此基礎(chǔ)上結(jié)合電網(wǎng)的網(wǎng)架特性，研究了地區(qū)電網(wǎng)故障分析方法，詳細(xì)分析了確定故障設(shè)備的原理和過程，并例證了方法的有效性和實用性。

一、風(fēng)電并網(wǎng)后對系統(tǒng)原有繼電保護(hù)配置的影響

目前，對于小容量的風(fēng)電機(jī)組，研究學(xué)者在繼電保護(hù)整定計算或潮流計算時往往將其等值為一個負(fù)荷，并不考慮電網(wǎng)故障后風(fēng)電機(jī)組向故障點提供短路電流的情況；而對于大規(guī)模并網(wǎng)的風(fēng)電機(jī)組，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障后，風(fēng)電機(jī)組會提供較大的短路電流，如果保護(hù)裝置的動作時間較短，則必須考慮風(fēng)電場提供的短路電流對保護(hù)裝置的影響。文獻(xiàn)[10]表明當(dāng)保護(hù)裝置的動作時間小于5個周波時，保護(hù)裝置的整定需按雙電源供電來考慮，可以配置方向性電流保護(hù)。

當(dāng)大規(guī)模風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)后，由于風(fēng)能具有很強(qiáng)的隨機(jī)波動性和不可準(zhǔn)確預(yù)測性，因此風(fēng)電并網(wǎng)對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來極大的威脅，這也體現(xiàn)在風(fēng)電并網(wǎng)后對原有電網(wǎng)保護(hù)配置狀況的影響。由于風(fēng)機(jī)可以作為單獨的電源，因此當(dāng)電網(wǎng)故障后可能使原有的單端網(wǎng)絡(luò)供電變?yōu)槎喽斯╇姡闺娋W(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，影響故障后提供給短路點的短路電流大小和流向，使潮流計算的結(jié)果發(fā)生較大的改變；同時影響原有保護(hù)之間的上下級配合關(guān)系。

二、風(fēng)電機(jī)組的保護(hù)配置

電網(wǎng)故障的類型可分為單一故障、多重故障及連鎖故障。連鎖故障主要包括發(fā)展型故障、由于電網(wǎng)內(nèi)功率不平衡而造成的故障。隨著大規(guī)模風(fēng)電等新能源集中并網(wǎng)，由于電網(wǎng)故障而造成電壓跌落致使風(fēng)電機(jī)端電壓越限保護(hù)動作而切除風(fēng)電機(jī)組的連鎖事故越來越多，因此分析風(fēng)電機(jī)組的保護(hù)配置狀況顯得尤為重要。

以圖1雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組保護(hù)配置為例來分析各個元件保護(hù)的配置狀況。對于風(fēng)機(jī)本體來說，其保護(hù)主要包括電壓越限保護(hù)、頻率越限保護(hù)和電流保護(hù)，保護(hù)動作于低壓側(cè)的QF1斷路器。電壓越限保護(hù)指風(fēng)機(jī)端電壓超過額定值的±10%時動作，延時0.1s；頻率越限保護(hù)指電網(wǎng)頻率超出50（±0.5）Hz的范圍時風(fēng)機(jī)與系統(tǒng)解列，延時0.1s；電流保護(hù)包括電流速斷保護(hù)和過電流保護(hù)，電流速斷保護(hù)瞬時動作，其整定值按照發(fā)電機(jī)內(nèi)部發(fā)生相間短路的情況來整定，過電流保護(hù)的整定值一般按照2倍的額定電流來整定，動作時限為1～3s。[11]

變流器保護(hù)一般采用Crowbar（撬杠）保護(hù)，[12]當(dāng)轉(zhuǎn)子過流、網(wǎng)側(cè)變流器支路過流等監(jiān)測參數(shù)有一項超過其整定值時，Crowbar保護(hù)在毫秒范圍內(nèi)投入，將轉(zhuǎn)子側(cè)變流器切斷，同時對于不具備低電壓穿越能力的風(fēng)電機(jī)組，在Crowbar保護(hù)投入后，立即切除風(fēng)電機(jī)組的出口斷路器QF1。

風(fēng)機(jī)中的箱式變電站高壓側(cè)配置熔斷器保護(hù)、避雷器保護(hù)和負(fù)荷開關(guān)。當(dāng)風(fēng)機(jī)或箱變故障時，風(fēng)機(jī)的保護(hù)控制箱變低壓側(cè)斷路器跳閘，而高壓側(cè)靠熔斷器熔斷或上級保護(hù)跳開集電線路從而切除故障。

匯流母線配置專門的母線保護(hù)，一般采用高阻或低阻母差保護(hù)；風(fēng)電場主變保護(hù)采用雙套不同原理的差動保護(hù)作為主保護(hù)，后備保護(hù)在高壓側(cè)配置；風(fēng)電送出線L的主保護(hù)一般采用光纖電流保護(hù)，而后備保護(hù)則采用三段式的距離保護(hù)。

三、地區(qū)電網(wǎng)故障時電網(wǎng)結(jié)構(gòu)變化模式

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時，由于電氣量發(fā)生變化導(dǎo)致保護(hù)裝置和斷路器動作，局部網(wǎng)架結(jié)構(gòu)瞬間可能發(fā)生較大的變化，因此本文結(jié)合故障前后網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞慕Y(jié)果，通過分析故障后電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的變化來定位故障區(qū)域，進(jìn)而確定可疑故障元件。其具體步驟如下：當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障后，首先根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治龅慕Y(jié)果確定故障后形成的新的失電子系統(tǒng)S1；確定不同失電區(qū)域Q內(nèi)的失電子系統(tǒng)是相互關(guān)聯(lián)的，如果不關(guān)聯(lián)，則說明系統(tǒng)內(nèi)多處發(fā)生了停電事故，需要分別來討論每一處的故障事件；針對每一個停電區(qū)域Q，分析基于結(jié)線分析程序得到的失電子系統(tǒng)集合S，失電設(shè)備D、結(jié)點N、端點E以及動作分閘的斷路器K。其中端點定義為每個設(shè)備的兩端，結(jié)點定義為故障發(fā)生前后開關(guān)閉合時相連的端點的統(tǒng)一。

考慮風(fēng)電場接入電網(wǎng)后系統(tǒng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的變化，采用結(jié)線分析程序完成電網(wǎng)網(wǎng)架變化模式的分析。其基本變化模式可分為簡單故障模式和復(fù)雜故障模式。

簡單故障模式指可以由結(jié)線分析的結(jié)果可以直接確定故障設(shè)備，如故障設(shè)備的完全隔離模式。即在故障過程中，與故障設(shè)備連接的斷路器全部斷開。以圖1中風(fēng)電場主變T的完全隔離為例，當(dāng)主變T發(fā)生故障時，與T相連的斷路器QF3、QF4全部斷開，由此得到完全隔離模式的判據(jù)為S=1；D=1；K≥2；N≥2；E≥2。

復(fù)雜故障模式指故障后所形成的失電區(qū)域內(nèi)含有多個電氣設(shè)備。造成故障的原因包括由于輸電網(wǎng)絡(luò)的故障致使風(fēng)機(jī)的機(jī)端電壓降落，使電壓越限保護(hù)動作，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)與系統(tǒng)解列，這種情況發(fā)生在不具備低電壓穿越能力的風(fēng)電機(jī)組。

四、例證

以風(fēng)電機(jī)組接入電網(wǎng)為例，圖2為風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)后的地區(qū)局部電網(wǎng)圖。其中：風(fēng)電機(jī)組是基于雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的變速風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)；母線B1—B4；變壓器T1—T3；線路L1，L2；斷路器QF1—QF11。各線路配置有雙重化全線速動保護(hù)及斷路器失靈啟動保護(hù)，220kV母線裝設(shè)有母線差動保護(hù)。

調(diào)度中心所收到的某變電站故障信息見表1，由結(jié)線分析程序可知當(dāng)前故障區(qū)域內(nèi)得到一個失電子系統(tǒng)S1，失電子系統(tǒng)S1中有兩個失電設(shè)備（變壓器T1和風(fēng)力發(fā)電機(jī)G1）。

假設(shè)線路L1為故障設(shè)備，遍歷線路對應(yīng)保護(hù)裝置RCS-931A和PSL602G的動態(tài)故障樹并進(jìn)行疊加，生成L1故障時的A、B變電站的動態(tài)故障樹分析模型及其基本動作模式集合，其中A站L1線保護(hù)動作模式集合中包含有：

FiLA1={FiLA11·FiLA12·FiLA13·FiLA14，F(xiàn)iLA15}={A站L1線RCS-931A差動保護(hù)動作·A站L1線RCS-931A距離保護(hù)I段動作·A站L1線PSL602G縱聯(lián)距離動作·A站L1線PSL602G距離保護(hù)I段動作，A站QF7斷路器動作}={BRBiLB1，A站QF7斷路器動作}。

五、結(jié)語

隨著風(fēng)力發(fā)電集中并網(wǎng)，由于風(fēng)電場事故而引起的電網(wǎng)故障的事例越來越多，大規(guī)模風(fēng)電機(jī)組的集中脫網(wǎng)，不僅引起電網(wǎng)中頻率和電壓的大幅度波動，而且影響到電網(wǎng)運行的安全性和可靠性。本文考慮風(fēng)電并網(wǎng)后的電網(wǎng)故障診斷，研究了具備低電壓穿越能力的風(fēng)電機(jī)組的保護(hù)配置特性，在此基礎(chǔ)上結(jié)合故障前后電網(wǎng)網(wǎng)架變化的特點，根據(jù)網(wǎng)架變化模式與保護(hù)動作模式來定位故障元件，具有一定的研究意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]Minakawa T，Kunugi M，Shimada K.Development and implementation of a power system fault diagnosis expert system[J].IEEE Transactions on Power Systems，1995，（2）：932-940.

[2]楊健維，何正友，臧天磊.基于方向性加權(quán)模糊Petri網(wǎng)的電網(wǎng)故障診斷方法[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2010，30（34）：42-49.

[3]劉道兵，顧雪平，李海鵬.電網(wǎng)故障診斷的一種完全解析模型[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2011，31（34）：85-93.

[4]趙冬梅，張旭，張東英，等.地區(qū)電網(wǎng)故障診斷基本分析模式研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2012，36（11）：184-191.

[5]許君德，趙冬梅，張東英，等.基于雙數(shù)據(jù)源的地區(qū)電網(wǎng)故障診斷實用化應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)自動化，2006，30（13）：68-72.

[6]顧雪平，劉道兵，孫海新，等.面向SCADA系統(tǒng)的電網(wǎng)故障診斷信息的獲取[J].電網(wǎng)技術(shù)，2012，36（6）：64-70.

[7]李再華，白曉民，周子冠，等.基于特征挖掘的電網(wǎng)故障診斷方法[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2010，30（10）：16-22.

[8]楊國生，李欣，周澤昕.風(fēng)電場接入對配電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響與對策[J].電網(wǎng)技術(shù)，2009，33（11）：87-91.

[9]COMECH M P，MONT ANES M A，GARCIA M.Overcurrent protection behavior before wind farm contribution[C]//Proceedings of the 14th IEEE Mediterranean Electrotechnical Conf erence，May 5-7，2008，Ajaccio，

France：762-767.

[10]文玉玲，晁勤，等.風(fēng)電場對電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響[J].電網(wǎng)技術(shù)，

2008，32（14）：15-18.

[11]姚興佳，宋俊.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組原理與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011：193-227.

[12]張保會，王進(jìn)，李光輝，等.具有低電壓穿越能力的風(fēng)電接入電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的配合[J].電力自動化設(shè)備，2012，32（3）：1-6.