計及風電并網的電網故障診斷方法研究

摘要：分析了風力發電接入對系統原有繼電保護配置的影響作用；明確了雙饋式風電機組接入電網后的保護配置情況；基于結線分析完成了對故障時電網網架變化的基本模式分析，提出了相應故障模式的具體判據；最后結合某地區實際發生的電網實例，驗證了所提出方法的有效性。

關鍵詞：故障診斷；風電；保護配置；結線分析；雙饋式風力發電機

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 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）36-0219-02

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

由于新能源并網發電系統出力的隨機性和波動性特點，接入電網后對電網電能質量勢必造成一定的影響。2006年11月4日歐洲互聯電網發生的大范圍停電事故造成系統重要斷面潮流加重，使電網低頻地區大量風電機組跳閘。此次事故表明風電的接入增加了電網事故的嚴重程度，加劇了調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電接入對系統繼電保護配置的影響作用，明確了雙饋式風電機組接入電網后各電氣元件的保護配置情況，在此基礎上結合電網的網架特性，研究了地區電網故障分析方法，詳細分析了確定故障設備的原理和過程，并例證了方法的有效性和實用性。

一、風電并網后對系統原有繼電保護配置的影響

目前，對于小容量的風電機組，研究學者在繼電保護整定計算或潮流計算時往往將其等值為一個負荷，并不考慮電網故障后風電機組向故障點提供短路電流的情況；而對于大規模并網的風電機組，當電網發生故障后，風電機組會提供較大的短路電流，如果保護裝置的動作時間較短，則必須考慮風電場提供的短路電流對保護裝置的影響。文獻[10]表明當保護裝置的動作時間小于5個周波時，保護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。

當大規模風電機組并網后，由于風能具有很強的隨機波動性和不可準確預測性，因此風電并網對電力系統的穩定性帶來極大的威脅，這也體現在風電并網后對原有電網保護配置狀況的影響。由于風機可以作為單獨的電源，因此當電網故障后可能使原有的單端網絡供電變為多端供電，使電網的網架結構發生變化，影響故障后提供給短路點的短路電流大小和流向，使潮流計算的結果發生較大的改變；同時影響原有保護之間的上下級配合關系。

二、風電機組的保護配置

電網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展型故障、由于電網內功率不平衡而造成的故障。隨著大規模風電等新能源集中并網，由于電網故障而造成電壓跌落致使風電機端電壓越限保護動作而切除風電機組的連鎖事故越來越多，因此分析風電機組的保護配置狀況顯得尤為重要。

以圖1雙饋式風力發電機組保護配置為例來分析各個元件保護的配置狀況。對于風機本體來說，其保護主要包括電壓越限保護、頻率越限保護和電流保護，保護動作于低壓側的QF1斷路器。電壓越限保護指風機端電壓超過額定值的±10%時動作，延時0.1s；頻率越限保護指電網頻率超出50（±0.5）Hz的范圍時風機與系統解列，延時0.1s；電流保護包括電流速斷保護和過電流保護，電流速斷保護瞬時動作，其整定值按照發電機內部發生相間短路的情況來整定，過電流保護的整定值一般按照2倍的額定電流來整定，動作時限為1～3s。[11]

變流器保護一般采用Crowbar（撬杠）保護，[12]當轉子過流、網側變流器支路過流等監測參數有一項超過其整定值時，Crowbar保護在毫秒范圍內投入，將轉子側變流器切斷，同時對于不具備低電壓穿越能力的風電機組，在Crowbar保護投入后，立即切除風電機組的出口斷路器QF1。

風機中的箱式變電站高壓側配置熔斷器保護、避雷器保護和負荷開關。當風機或箱變故障時，風機的保護控制箱變低壓側斷路器跳閘，而高壓側靠熔斷器熔斷或上級保護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，一般采用高阻或低阻母差保護；風電場主變保護采用雙套不同原理的差動保護作為主保護，后備保護在高壓側配置；風電送出線L的主保護一般采用光纖電流保護，而后備保護則采用三段式的距離保護。

三、地區電網故障時電網結構變化模式

當電網發生故障時，由于電氣量發生變化導致保護裝置和斷路器動作，局部網架結構瞬間可能發生較大的變化，因此本文結合故障前后網絡拓撲的結果，通過分析故障后電網結構的變化來定位故障區域，進而確定可疑故障元件。其具體步驟如下：當電網發生故障后，首先根據網絡拓撲分析的結果確定故障后形成的新的失電子系統S1；確定不同失電區域Q內的失電子系統是相互關聯的，如果不關聯，則說明系統內多處發生了停電事故，需要分別來討論每一處的故障事件；針對每一個停電區域Q，分析基于結線分析程序得到的失電子系統集合S，失電設備D、結點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備的兩端，結點定義為故障發生前后開關閉合時相連的端點的統一。

考慮風電場接入電網后系統的網架結構的變化，采用結線分析程序完成電網網架變化模式的分析。其基本變化模式可分為簡單故障模式和復雜故障模式。

簡單故障模式指可以由結線分析的結果可以直接確定故障設備，如故障設備的完全隔離模式。即在故障過程中，與故障設備連接的斷路器全部斷開。以圖1中風電場主變T的完全隔離為例，當主變T發生故障時，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為S=1；D=1；K≥2；N≥2；E≥2。

復雜故障模式指故障后所形成的失電區域內含有多個電氣設備。造成故障的原因包括由于輸電網絡的故障致使風機的機端電壓降落，使電壓越限保護動作，導致風機與系統解列，這種情況發生在不具備低電壓穿越能力的風電機組。

四、例證

以風電機組接入電網為例，圖2為風電機組并網后的地區局部電網圖。其中：風電機組是基于雙饋感應發電機的變速風電機組結構；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及斷路器失靈啟動保護，220kV母線裝設有母線差動保護。

調度中心所收到的某變電站故障信息見表1，由結線分析程序可知當前故障區域內得到一個失電子系統S1，失電子系統S1中有兩個失電設備（變壓器T1和風力發電機G1）。

假設線路L1為故障設備，遍歷線路對應保護裝置RCS-931A和PSL602G的動態故障樹并進行疊加，生成L1故障時的A、B變電站的動態故障樹分析模型及其基本動作模式集合，其中A站L1線保護動作模式集合中包含有：

FiLA1={FiLA11·FiLA12·FiLA13·FiLA14，FiLA15}={A站L1線RCS-931A差動保護動作·A站L1線RCS-931A距離保護I段動作·A站L1線PSL602G縱聯距離動作·A站L1線PSL602G距離保護I段動作，A站QF7斷路器動作}={BRBiLB1，A站QF7斷路器動作}。

五、結語

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

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