基于正序電流故障分量相位比較的電壓暫降擾動(dòng)源分界

孫東， 張昊， 任偉， 仉志華， 韓國強(qiáng)， 李煒

(1. 中國石化股份勝利油田分公司技術(shù)檢測中心，山東 東營 257000； 2. 中國石油大學(xué)(華東)新能源學(xué)院，山東 青島 266580；3. 西南油氣田分公司重慶氣礦開州采輸氣作業(yè)區(qū)，重慶 405400；4. 山東勝利通海集團(tuán)東營天藍(lán)節(jié)能科技有限公司，山東 東營 257200)

0 引言

電力是油田生產(chǎn)的主要?jiǎng)恿碓?，是穩(wěn)定原油生產(chǎn)的重要保障[1]。現(xiàn)今油田配電網(wǎng)受天氣等外部因素的影響較大，瞬時(shí)性故障幾率較高，由此造成的電壓暫降會(huì)引起設(shè)備停機(jī)、線路跳閘等事故，嚴(yán)重影響油田安全穩(wěn)定生產(chǎn)[2—3]。目前，油田不同電壓等級(jí)的電網(wǎng)歸屬不同的責(zé)任單位，10 kV以上電網(wǎng)通常由油田電力公司運(yùn)維，10 kV及其以下的中低壓配電網(wǎng)由采油單位管理。電壓暫降擾動(dòng)具有沿線傳播的特點(diǎn)，確定電壓暫降擾動(dòng)源的相對(duì)位置，對(duì)明確不同管理單位責(zé)任、制定電壓暫降治理措施具有重要意義[4]。

目前，國內(nèi)外提出的經(jīng)典電壓暫降擾動(dòng)源區(qū)段定位方法主要有單變量法、功率和能量法、阻抗計(jì)算法、故障成因法等。單變量法主要有電壓量法和電流量法[5]。文獻(xiàn)[6]提出了利用電壓及其相角跳變特性來確定暫降源位置的方法，但未考慮兩側(cè)均為輸電系統(tǒng)的情況。文獻(xiàn)[7]提出了適用于監(jiān)測點(diǎn)兩端都是輸電系統(tǒng)場合的方法，但該方法未考慮變壓器傳播對(duì)電壓暫降的影響。文獻(xiàn)[8]利用電流正序分量的相角變化進(jìn)行電壓暫降源定位，但該方法僅適用于放射性電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。功率和能量法最早利用擾動(dòng)功率、能量初始峰值進(jìn)行暫降源定位[9]，但一定情況下定位結(jié)果可信度低；文獻(xiàn)[10]是對(duì)該方法的改進(jìn)，使其能同時(shí)處理向系統(tǒng)注入和釋放能量的擾動(dòng)；文獻(xiàn)[11]引入增量無功功率和無功能量，對(duì)該方法進(jìn)行了拓展；文獻(xiàn)[12]利用小波分析的優(yōu)勢(shì)計(jì)算擾動(dòng)能量，對(duì)該方法進(jìn)行了改進(jìn)。判斷系統(tǒng)軌跡斜率法和電流實(shí)部極性法是基于阻抗計(jì)算提出的暫降源追溯方法，但該2種方法判斷不對(duì)稱性擾動(dòng)源的準(zhǔn)確度較低[13—15]?？臻g矢量法利用Clark變換對(duì)上述2種算法進(jìn)行改進(jìn)，提高了不對(duì)稱性擾動(dòng)源的追溯準(zhǔn)確度，但效果仍欠佳[16]?；诓煌妷簳航党梢虻亩ㄎ环椒?，是先進(jìn)行暫降源識(shí)別，然后針對(duì)不同暫降源類型采用前述類似方法進(jìn)行暫降源定位[17]。

文中基于油田配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與管理架構(gòu)特點(diǎn)，提出基于正序電流故障分量相位比較原理的配電網(wǎng)電壓暫降擾動(dòng)源分界方法。該方法僅利用了站端進(jìn)出線的電流信息，測量信息獲取方便，且不受系統(tǒng)運(yùn)行方式、短路故障類型、短路過渡電阻、電壓暫降相位跳變等因素的影響。仿真驗(yàn)證了在短路故障、相位跳變及負(fù)荷擾動(dòng)情況下，該方法均能進(jìn)行暫降擾動(dòng)源的識(shí)別與定位，具有很好的工程應(yīng)用前景。

1 不同故障位置下正序電流故障分量相位分布特征

短路故障、大電機(jī)起動(dòng)、電容的投切等均可能引起不同程度的電壓暫降。以圖1所示的油田配電網(wǎng)簡化模型為例進(jìn)行分析。其中，Es為上游系統(tǒng)的等效電源電壓；f1，f2，f3為不同位置的故障點(diǎn)。油田電能質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)能夠監(jiān)測10 kV母線電壓、母線進(jìn)線與所有饋線的電流，如圖中M0，M1，M2，M3所示。結(jié)合圖1配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，分析監(jiān)測點(diǎn)上游、母線以及不同饋線側(cè)發(fā)生短路故障時(shí)，正序電流故障分量的相位分布特征。

圖1 油田配電網(wǎng)簡化分析模型Fig.1 Simplified analysis model for oilfield distribution network

1.1 監(jiān)測點(diǎn)上游故障

設(shè)Zs為系統(tǒng)的等值阻抗；Zl1，Zl2，Zl3分別為3條負(fù)荷線路的等效線路阻抗；ZD1，ZD2，ZD3分別為3條線路的等效負(fù)荷阻抗。當(dāng)f1處故障時(shí)，建立對(duì)應(yīng)的正序故障分量等值網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。

圖2 f1處故障時(shí)的正序故障分量等值網(wǎng)絡(luò)Fig.2 Positive sequence fault component equivalent network when failure occurs at point f1

(1)

1.2 母線故障

f2處故障時(shí),對(duì)應(yīng)的正序故障分量等值網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。

圖3 f2處故障時(shí)的正序故障分量等值網(wǎng)絡(luò)Fig.3 Positive sequence fault component equivalent network when failure occurs at point f2

(2)

1.3 饋線側(cè)故障

f3處故障時(shí)，對(duì)應(yīng)的正序故障分量等值網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。

圖4 f3處故障時(shí)的正序故障分量等值網(wǎng)絡(luò)Fig.4 Positive sequence fault component equivalent network when failure occurs at point f3

(3)

假設(shè)配電網(wǎng)共有n條饋線，其中第i條為故障饋線，其他n-1條為非故障饋線，則任一饋線發(fā)生短路故障時(shí)母線進(jìn)線與各饋線出口處的正序電流故障分量相位滿足：

(4)

2 基于正序電流故障分量相位比較的電壓暫降擾動(dòng)源分界方法

由第1章的理論分析可知，電壓暫降擾動(dòng)源出現(xiàn)在電源側(cè)、母線、不同饋線時(shí)，母線進(jìn)線與所有饋線出口處的正序電流故障分量相位存在各自的分布特征，據(jù)此提出基于正序電流故障分量相位比較原理的電壓暫降擾動(dòng)源分界方法，如圖5所示。

圖5 電壓暫降擾動(dòng)源分界方法Fig.5 Demarcation method of voltage sag disturbance source

(1) 通過電能質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)10 kV母線電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，判斷系統(tǒng)是否發(fā)生電壓暫降；

(2) 若發(fā)生電壓暫降，通過監(jiān)測系統(tǒng)提取10 kV母線進(jìn)出線正序電流故障分量相位，分別計(jì)算10 kV母線進(jìn)線與各饋線出口處正序電流故障分量相位差，并進(jìn)行相位分布特征比較。若滿足式(1)，則擾動(dòng)源出現(xiàn)在電源側(cè)；若滿足式(2)，則擾動(dòng)源出現(xiàn)在母線上；若式(1)、式(2)皆不滿足，則擾動(dòng)源位于某條饋線上，此時(shí)執(zhí)行式(4)便可確定擾動(dòng)源位于第i條饋線上。

3 仿真分析與驗(yàn)證

為驗(yàn)證所提暫降擾動(dòng)源分界方法的有效性，基于圖1搭建仿真模型，按現(xiàn)場實(shí)際設(shè)置接地方式為中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，配電網(wǎng)仿真模型的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 仿真模型參數(shù)Table 1 Simulation model parameters

3.1 監(jiān)測點(diǎn)上游故障仿真分析

如圖2所示，當(dāng)監(jiān)測點(diǎn)上游發(fā)生故障時(shí)，以AB相間短路故障為例。設(shè)t=3 s時(shí)發(fā)生故障，持續(xù)時(shí)間為0.1 s，不考慮過渡電阻，系統(tǒng)運(yùn)行方式為最大運(yùn)行方式。仿真得到母線電壓波形、母線進(jìn)線與所有饋線出口處正序電流故障分量瞬時(shí)值波形及相位波形如圖6所示。

圖6 f1處故障時(shí)監(jiān)測點(diǎn)正序電流故障分量及母線電壓Fig.6 Positive sequence current fault component and bus voltage at monitoring points when failure occurs at point f1

由圖6可知，當(dāng)監(jiān)測點(diǎn)上游位置發(fā)生AB相間短路時(shí)，電壓暫降深度為50%，在監(jiān)測點(diǎn)提取到的母線進(jìn)線與所有饋線出口處的正序電流故障分量相位差較小，為-90°～90°，滿足電壓暫降擾動(dòng)源分界判據(jù)式(1)?？紤]短路故障過渡電阻時(shí)，分別設(shè)置過渡電阻為0.5 Ω，1 Ω，1.5 Ω，2 Ω，仍以AB相間短路為例，仿真得到上述過渡電阻情況下，各測量點(diǎn)處正序電流故障分量的相位，記錄故障后2個(gè)工頻周波的穩(wěn)態(tài)相位，如表2所示。

表2 相間短路故障下各監(jiān)測點(diǎn)處正序電流故障分量相位(監(jiān)測點(diǎn)上游故障)Table 2 Phase of positive sequence current fault component at each monitoring point when phase-to-phase short circuit fault occurs (fault at upstream of the monitoring point)

由表2可知，當(dāng)發(fā)生經(jīng)過渡電阻短路故障時(shí)，各測量點(diǎn)的正序電流故障分量相位差為-90°～90°，滿足判據(jù)式(1)，即短路故障考慮過渡電阻的情況，并不會(huì)對(duì)擾動(dòng)源分界判據(jù)產(chǎn)生定性影響。

當(dāng)考慮配電網(wǎng)不同運(yùn)行方式對(duì)分界方法可靠性的影響時(shí)，將系統(tǒng)運(yùn)行方式調(diào)整為最小運(yùn)行方式，仿真得到發(fā)生相間金屬性短路、經(jīng)過渡電阻短路故障時(shí)，各測量點(diǎn)處正序電流故障分量的相位，記錄故障后2個(gè)工頻周波的穩(wěn)態(tài)相位，如表3所示。

表3 最小運(yùn)行方式下各監(jiān)測點(diǎn)處正序電流故障分量相位(監(jiān)測點(diǎn)上游故障)Table 3 Phase of positive sequence current fault com-ponent at each monitoring point in minimum operation mode(fault at upstream of the monitoring point)

由表3可知，當(dāng)系統(tǒng)處于最小運(yùn)行方式時(shí)，各測量處的正序電流故障分量相位差仍為-90°～90°，滿足判據(jù)式(1)。即配電網(wǎng)運(yùn)行方式的改變，并不會(huì)對(duì)擾動(dòng)源分界判據(jù)產(chǎn)生定性影響。

為進(jìn)一步驗(yàn)證結(jié)論的準(zhǔn)確性，充分考慮其他短路故障類型，如三相短路、兩相短路接地及單相接地故障仿真分析，如表4所示。

表4 不同短路故障下各監(jiān)測點(diǎn)處正序電流故障分量相位(監(jiān)測點(diǎn)上游故障)Table 4 Positive sequence current fault component pha-se at each monitoring point under different short cir-cuit faults(fault at upstream of the monitoring point)

由表4可知，當(dāng)監(jiān)測點(diǎn)上游發(fā)生各種類型的短路故障時(shí)，各測量點(diǎn)處得到的正序電流故障分量相位分布特征均滿足判據(jù)式(1)。

3.2 母線故障仿真分析

當(dāng)母線上發(fā)生故障時(shí)，以AB相間短路故障為例，不考慮過渡電阻。仿真得到母線電壓波形、母線進(jìn)線與所有饋線出口處正序電流故障分量瞬時(shí)值波形及相位波形，如圖7所示。

圖7 f2處故障時(shí)監(jiān)測點(diǎn)處正序電流故障分量及母線電壓Fig.7 Positive sequence current fault component and bus voltage at monitoring points when failure occurs at point f2

由圖7可知，當(dāng)母線發(fā)生AB相間短路時(shí)，電壓暫降深度為50%，各測量點(diǎn)處正序電流故障分量相位滿足電壓暫降擾動(dòng)源分界判據(jù)式(2)。考慮短路故障過渡電阻時(shí)，在仿真模型中設(shè)置過渡電阻同3.1節(jié)，仍以AB相間短路故障為例，仿真得到各測量點(diǎn)處正序電流故障分量的相位，記錄故障后2個(gè)工頻周波的穩(wěn)態(tài)相位，如表5所示。

表5 相間短路故障下各監(jiān)測點(diǎn)處正序電流故障分量相位(母線故障)Table 5 Phase of positive sequence current fault component at each monitoring point under phase-to-phase short circuit fault(fault on the bus)

由表5可知，當(dāng)發(fā)生經(jīng)過渡電阻的短路故障時(shí)，各測量點(diǎn)處的正序電流故障分量相位關(guān)系同樣滿足電壓暫降擾動(dòng)源分界判據(jù)式(2)。即短路故障考慮過渡電阻的情況下，并不會(huì)對(duì)擾動(dòng)源分界判據(jù)產(chǎn)生定性影響。

將系統(tǒng)運(yùn)行方式調(diào)整為最小運(yùn)行方式，仿真發(fā)生金屬性、經(jīng)過渡電阻的相間短路故障時(shí)，各測量點(diǎn)處正序電流故障分量的相位如表6所示。

表6 最小運(yùn)行方式下各監(jiān)測點(diǎn)處正序電流故障分量相位(母線故障)Table 6 Phase of positive sequence current fault component at each monitoring point under minimum operation mode(fault on the bus)

由表6可知，當(dāng)系統(tǒng)處于最小運(yùn)行方式時(shí)，各測量點(diǎn)處的正序電流故障分量相位關(guān)系仍滿足電壓暫降源分界判據(jù)式(2)。即配電網(wǎng)運(yùn)行方式的改變，不會(huì)對(duì)擾動(dòng)源分界判據(jù)產(chǎn)生定性影響?？紤]其他短路故障類型，如三相短路、兩相短路接地及單相接地故障，仿真結(jié)果如表7所示。由表7可知，當(dāng)10 kV母線上發(fā)生各種類型的短路故障時(shí)，各測量點(diǎn)處得到的正序電流故障分量相位分布特征均滿足暫降擾動(dòng)源分界判據(jù)式(2)。

表7 不同短路故障下各監(jiān)測點(diǎn)處正序電流故障分量相位(母線故障)Table 7 Positive sequence current fault component phase at each monitoring point under different short circuit faults(fault on the bus)

3.3 饋線側(cè)故障仿真分析

當(dāng)饋線側(cè)發(fā)生AB相間金屬性短路故障時(shí)，仿真得到母線電壓、母線進(jìn)線與所有饋線出口處正序電流故障分量瞬時(shí)值波形及相位波形見圖8。

圖8 f3處故障時(shí)監(jiān)測點(diǎn)處正序電流故障分量及母線電壓Fig.8 Positive sequence current fault component and bus voltage at monitoring points when failure occurs at point f3

由圖8可知，當(dāng)饋線l3發(fā)生AB相間短路時(shí)，電壓暫降深度為50%，各測量點(diǎn)處得到的正序電流故障分量相位關(guān)系滿足電壓暫降擾動(dòng)源分界判據(jù)式(3)?？紤]短路故障過渡電阻時(shí)，在仿真模型中設(shè)置過渡電阻同3.1節(jié)，仍以AB相間短路為例，仿真得到各測量點(diǎn)處正序電流故障分量的相位，記錄故障后2個(gè)工頻周波的穩(wěn)態(tài)相位，如表8所示。

表8 相間短路故障下各監(jiān)測點(diǎn)處正序電流故障分量相位(饋線側(cè)故障)Table 8 Phase of positive sequence current fault component at each monitoring point under phase-to-phase short circuit fault(fault on the feeder)

由表8可知，當(dāng)發(fā)生經(jīng)過渡電阻的短路故障時(shí)，監(jiān)測點(diǎn)處的正序電流故障分量相位分布特征同樣滿足電壓暫降擾動(dòng)源分界判據(jù)式(3)。即短路故障考慮過渡電阻的情況下，不會(huì)對(duì)擾動(dòng)源分界判據(jù)產(chǎn)生定性影響。

將系統(tǒng)運(yùn)行方式調(diào)整為最小運(yùn)行方式，仿真最小運(yùn)行方式下，發(fā)生相間金屬性短路、經(jīng)過渡電阻短路故障時(shí)，各測量點(diǎn)處正序電流故障分量的相位，仿真結(jié)果如表9所示。

表9 最小運(yùn)行方式下各監(jiān)測點(diǎn)處正序電流故障分量相位(饋線側(cè)故障)Table 9 Phase of positive sequence current fault component at each monitoring point under mini-mum operation mode(fault on the feeder)

由表9可知，當(dāng)系統(tǒng)處于最小運(yùn)行方式下時(shí)，各測量點(diǎn)處的正序電流故障分量相位關(guān)系仍滿足電壓暫降源分界判據(jù)式(3)。即運(yùn)行方式的改變，并不會(huì)對(duì)擾動(dòng)源分界判據(jù)產(chǎn)生定性影響。針對(duì)其他短路故障類型，仿真分析不同短路故障下各測量點(diǎn)處正序電流故障分量相位，如表10所示。

由表10可知，當(dāng)饋線側(cè)發(fā)生各種類型的短路故障時(shí)，各測量點(diǎn)處得到的正序電流故障分量相位分布特征均滿足暫降擾動(dòng)源分界判據(jù)式(4)。

表10 不同短路故障下各監(jiān)測點(diǎn)處正序電流故障分量相位(饋線側(cè)故障)Table 10 Positive sequence current fault component phase at each monitoring point under different short circuit faults(fault on the feeder)

3.4 電壓暫降相位跳變對(duì)分界方法可靠性影響仿真分析

電壓暫降過程伴隨著電壓、電流相位跳變，可能會(huì)對(duì)所提分界方法產(chǎn)生影響。經(jīng)仿真分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生三相短路故障且處于最小運(yùn)行方式下時(shí)，短路故障過渡電阻越小，10 kV母線電壓相位跳變?cè)絿?yán)重，對(duì)正序電流故障分量相位影響越大。以10 kV母線上t=3 s時(shí)發(fā)生三相短路、過渡電阻為0.5 Ω為例，仿真得到母線電壓相位跳變、母線進(jìn)線與所有饋線出口處正序電流相位跳變、正序電流故障分量相位關(guān)系波形，如圖9所示。

由圖9可知，當(dāng)系統(tǒng)因短路故障出現(xiàn)電壓暫降，且電壓、電流相位跳變時(shí)，各測量點(diǎn)處正序電流故障分量相位關(guān)系仍滿足所提電壓暫降擾動(dòng)源分界判據(jù)，故電壓暫降發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的相位跳變對(duì)所提分界方法的準(zhǔn)確性無影響。

3.5 仿真對(duì)比分析

傳統(tǒng)的配電網(wǎng)電壓暫降源定位多采用功率方向法，以文獻(xiàn)[4]為例，基于序增量功率電流方向追溯電壓暫降源的方法，需要利用監(jiān)測裝置同時(shí)提取電壓、電流量，相較于文中方法，該方法客觀上增大了定位復(fù)雜度，同時(shí)此類考慮功率方向的暫降源定位精度受電壓暫降深度的影響?；趫D1配電網(wǎng)簡化分析模型，按文獻(xiàn)[4]所述方法，當(dāng)10 kV母線發(fā)生相間接地短路故障時(shí)，各饋線出口監(jiān)測點(diǎn)處負(fù)序功率電流增量應(yīng)大于0，即故障點(diǎn)位于監(jiān)測點(diǎn)上游。

當(dāng)f2處發(fā)生相間接地短路故障且過渡電阻為0.5 Ω時(shí)，電壓暫降深度為84%，各饋線出口測量點(diǎn)處負(fù)序功率電流波形如圖10所示。

圖10 f2處發(fā)生相間接地短路故障監(jiān)測點(diǎn)處負(fù)序功率電流波形Fig.10 Negative sequence power current at monitoring points when phase-to-phase earth fault occurs at point f2

由圖10可知，當(dāng)電壓暫降深度較小時(shí)，各饋線出口監(jiān)測點(diǎn)處負(fù)序功率電流增量較小，影響該定位方法的可靠性。在完全相同的仿真設(shè)置下，文中所提方法各測量點(diǎn)正序電流故障分量相位關(guān)系波形如圖11所示。

圖11 f2處發(fā)生相間接地短路故障正序電流故障分量相位Fig.11 Positive sequence current fault component phasewhen phase-to-phase earth fault occurs at point f2

由圖11可知，各測量點(diǎn)正序電流故障分量相位分布特征滿足擾動(dòng)源分界判據(jù)式(2)。且結(jié)合3.1節(jié)—3.3節(jié)仿真分析可知，所提方法判定擾動(dòng)源位置的精度不受電壓暫降深度的影響。

4 結(jié)語

文中提出了一種新型電壓暫降擾動(dòng)源分界方法，結(jié)合配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及變電站內(nèi)所有進(jìn)出線量測信息，得到母線進(jìn)線與所有饋線出口處正序電流故障分量相位分布特征。若母線進(jìn)線與所有饋線出口處正序電流故障分量相位差為-90°～90°，則擾動(dòng)源位于監(jiān)測點(diǎn)上游；若相位差為90°～270°，則擾動(dòng)源位于母線上；若母線進(jìn)線與第i條饋線出口處正序電流故障分量相位差為-90°～90°，而與其他饋線出口處正序電流故障分量相位差為90°～270°，則擾動(dòng)源位于第i條饋線上。

同時(shí)文中針對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行方式、短路故障類型、過渡電阻、電壓暫降相位跳變等影響因素進(jìn)行了仿真分析，驗(yàn)證了所提電壓暫降擾動(dòng)源分界方法的可靠性。所提方法與實(shí)際配電網(wǎng)聯(lián)系緊密，僅依賴于站端進(jìn)出線的電流量測信息，工程實(shí)施方便。所提方法同樣適用于電容投切、變壓器投切、大電機(jī)起動(dòng)等小擾動(dòng)工況。