徐明宇，王 冰，孫立鵬，武國良，穆興華，于海洋，邵靜涵

(1．黑龍江省電力科學研究院，哈爾濱 150030;2．哈爾濱智能熱電設(shè)計院，哈爾濱 150090;3．大慶油田電力工程公司，黑龍江 大慶 163453)

風電在環(huán)境保護、整體能源利用、節(jié)能減排效率上是傳統(tǒng)能源不可比擬的。而且，風電在風力資源豐富的山區(qū)或島嶼上的特殊應(yīng)用，能夠延緩建設(shè)集中輸配電系統(tǒng)，提高電網(wǎng)運行經(jīng)濟性和供電可靠性。風電場集電線路一般采用電纜敷設(shè)或架空線加電纜方式，大量電纜的使用會導致系統(tǒng)發(fā)生接地故障，增大容性電流，若容性電流得不到及時控制，容易造成事故擴大。因此風電場接地方式的選擇以及保護的配置顯得尤為重要［1－6］。本文針對風電場集電線路的事故情況，結(jié)合大規(guī)模風電及其接線特點和繼電保護配置，分析了三種不同接地方式(不接地、經(jīng)消弧線圈接地、小電阻接地)應(yīng)用于風電場匯集系統(tǒng)時四種保護裝置的性能，并對四種保護裝置的動作特性進行了比較研究。

1 研究思路

本文利用仿真軟件進行故障模擬仿真，并對相應(yīng)保護裝置進行故障測試，對比分析各保護裝置的性能。

1．1 仿真依據(jù)

本文以黑龍江省某風電場為研究對象。該風電場主要設(shè)備參數(shù)如表1、表2所示。

表1 風電場風機參數(shù)Tab．1 Fan parameters in wind field

該風電場總裝機容量197．2 MW，安裝39臺單機容量850 kW的維斯塔斯風力發(fā)電機組，193臺單機容量850 kW的歌美颯風力發(fā)電機組。場內(nèi)集電線路共分為16回，其中8回以架空線路形式接入場內(nèi)220 kV升壓變電站的35 kVⅠ段母線，另外8回以架空與電纜相結(jié)合的配網(wǎng)線路形式接入場內(nèi)220 kV升壓變電站的35 kVⅡ段母線。風電電力經(jīng)220 kV升壓站統(tǒng)一送出。

表2 風電場集電線路、箱式變壓器參數(shù)Tab．2 Integrated circuit，box type transformer parameters in wind farms

1．2 仿真模型

本文基于ADPSS仿真系統(tǒng)搭建了仿真模型。該模型是由中國電科院研發(fā)的基于高性能PC機群的全數(shù)字仿真系統(tǒng)。該仿真系統(tǒng)利用機群的多節(jié)點結(jié)構(gòu)和高速本地通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了大規(guī)模復(fù)雜交直流電力系統(tǒng)機電暫態(tài)和電磁暫態(tài)的實時和超實時仿真以及外接物理裝置試驗。ADPSS仿真系統(tǒng)與物理接口箱、功率放大器連接后，能夠?qū)⒎抡嫠M出的實時電流、電壓直接輸入到待檢裝置，實現(xiàn)對待檢裝置的動態(tài)檢測。

仿真模型主要根據(jù)風電場圖紙、說明書、接入報告等資料進行搭建。依據(jù)風電場基本信息，利用ADPSS無窮大電壓源來進行等值，對系統(tǒng)進行建模，模型如圖1所示。

2 試驗分析

2．1 試驗對象

試驗主要針對以下裝置的零序保護、接地選線功能進行測試。

1)某廠數(shù)字式線路保護測控裝置。特點:該裝置用于系統(tǒng)為小電阻接地方式時，零序保護能夠正常使用，動作區(qū)為120°～240°(電流超前電壓);用于不接地及消弧線圈接地系統(tǒng)時，該裝置只能使用選線功能，而且需要配合后臺使用。

2)某廠微機小電流接地選線裝置。其特點:該裝置在原理上利用了“S注入法”的主要特征以及小電流系統(tǒng)單相接地的穩(wěn)態(tài)相量、暫態(tài)量;采用了先進的數(shù)字信號處理技術(shù)，解決了微弱信號提取;構(gòu)成了一種自適應(yīng)綜合選線方法;該裝置能夠單獨使用，不需要后臺。

3)某廠微機線路保護測控裝置。特點:該裝置用于系統(tǒng)為小電阻接地方式時，零序保護動作區(qū)為－60°～－210°(電壓超前電流);用于不接地及消弧線圈接地系統(tǒng)中，零序保護動作區(qū)為15°～165°(電壓超前電流);該裝置選線功能需要配合后臺使用。

4)某廠保護測控裝置。特點:該裝置零序保護只判斷電流大小，不判斷方向;該裝置選線功能需要配合后臺使用。

2．2 試驗方法及數(shù)據(jù)

試驗分析只對9號、10號、14號機群線。由于試驗的主要目的是針對不同保護裝置的性能比較，因此，為了簡單起見，試驗故障情況只考慮機群線U相0%處金屬性永久接地。假設(shè)零序保護裝置安裝在9號機群線，接地選線裝置針對的是9號、10號、14號機群線。

試驗分為以下工況:

1)35 kV為不接地系統(tǒng)情況下9號機群線0%處金屬性永久接地故障、10號機群線0%處金屬性永久接地故障、35 kV母線金屬性永久接地故障。

2)35 kV為經(jīng)消弧線圈(8H)接地系統(tǒng)情況下9號機群線0%處金屬性永久接地故障、10號機群線0%處金屬性永久接地故障、35 kV母線金屬性永久接地故障。

3)35 kV為經(jīng)小電阻(66 Ω)接地系統(tǒng)情況下9號機群線0%處金屬性永久接地故障、10號機群線0%處金屬性永久接地故障、35 kV母線金屬性永久接地故障。

試驗錄波曲線如圖2—圖4所示。圖中UU、UV、UW為35 kV三相母線電壓，UL為母線零序電壓，IU、IV、IW分別為9 號、10 號、14 號機群線零序電流。其中35 kV母線的PT變比為35 kV/100 V，機群線零序電流采用三相電流相量和的方式，CT變比為300 A/5 A。

故障瞬間母線零序電壓超前各機群線零序電流角度如表3所示。

圖2 9號機群線0%處U相金屬性永久接地故障錄波圖Fig．2 Phase U gold attribute permanent grounding fault oscillograph at No．9 cluster line 0%site

試驗時各裝置的動作情況如表4所示。注意零序保護裝置僅安裝在9號機群線，接地選線裝置針對的是9號、10號、14號3條機群線。

2．3 動作分析及結(jié)論

1)數(shù)字式線路保護測控裝置。該裝置零序保護在小電阻接地系統(tǒng)中，動作方向正確，沒有誤動情況。但在不接地及消弧線圈接地系統(tǒng)中，只能選用選線功能，但此功能需要監(jiān)控后臺的支持，不能單裝置使用。

圖3 10號機群線0%處U相金屬性永久接地故障錄波圖Fig．3 Phase U gold attribute permanent grounding fault oscillograph at No．10 cluster line 0%site

圖4 35 kV母線U相金屬性永久接地故障錄波圖Fig.4 Phase U gold attribute permanent grounding fault oscillograph on 35 kV bus

表3 故障時母線零序電壓超前零序電流角度Tab．3 Zero sequence voltage of bus ahead of zero sequence current angle in fault (°)

表4 裝置動作情況Tab．4 Device action situation

2)微機線路保護測控裝置。該裝置零序保護能靈活用于不接地、經(jīng)消弧線圈接地、經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)中。另外，該裝置同樣具備選線功能，但此功能同樣需要監(jiān)控后臺的支持，不能單裝置使用。在不接地系統(tǒng)、小電阻接地系統(tǒng)中，該裝置動作正確。在消弧線圈接地系統(tǒng)中，零序方向沒有落入動作區(qū)，裝置沒有動作。該裝置在消弧線圈接地系統(tǒng)中應(yīng)用時存在零序方向動作區(qū)域不準確的問題。

3)線路保護測控裝置。該裝置零序保護沒有方向閉鎖，無論正向還是反向故障都會引起動作。

4)微機小電流接地選線裝置。該裝置性能優(yōu)良，無論在不接地系統(tǒng)，還是消弧線圈接地系統(tǒng)、小電阻接地系統(tǒng)發(fā)生接地故障，在其保護范圍內(nèi)都能正確選線。但是在試驗中發(fā)現(xiàn)該裝置在系統(tǒng)電壓偏移較大、35 kV母線空載、CT飽和的情況下，存在拒動或者選線不正確的情況。

3 結(jié)語

本文通過基于ADPSS仿真系統(tǒng)搭建的仿真模型對四種裝置的零序保護、接地選線功能進行仿真測試得知，風電場集電線路保護系統(tǒng)的應(yīng)用，能夠避免發(fā)生風電機組脫網(wǎng)，保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行及風電場獲取更多的經(jīng)濟效益。

［1］趙福軍，韓德志．淺談風電小電流接地保護的必要性［J］．華北電力技術(shù)，2012(6):62-65，70．ZHAO Fujun，HAN Dezhi．Necessity of non-solid earthed protection in wind farm ［J］．North China Electric Power，2012(6):62-65，70．

［2］何世恩，董新洲．大規(guī)模風電機組脫網(wǎng)原因分析及對策［J］．電力系統(tǒng)保護與控制，2012，40(1):131-137，144．HE Shien，DONG Xinzhou．Cause analysis on large-scale wind turbine tripping and its countermeasures［J］．Power System Protection and Control，2012，40(1):131-137，144．

［3］張麗英，葉廷路，辛耀中，等．大規(guī)模風電接入電網(wǎng)的相關(guān)問題及措施［J］．中國電機工程學報，2010，30(25):3-11．ZHANG Liying，YE Tinglu，XIN Yaozhong，et al．Problems and measures of power grid accommodating large scale wind power［J］．Proceedings of the CSEE，2010，30(25):3-11．

［4］何世恩，姚旭，徐善飛．大規(guī)模風電接入對繼電保護的影響與對策［J］．電力系統(tǒng)保護與控制，2013，41(1):21-27．HE Shien，YAO Xu，XU Shanfei．Impacts of large-scale wind power integration on relay protection and countermeasures［J］．Power System Protection and Control，2013，41(1):21-27．

［5］李丹，賈琳，許曉菲，等．風電機組脫網(wǎng)原因及對策分析［J］．電力系統(tǒng)自動化，2011，35(22):41-44．LI Dan，JIA Lin，XU Xiaofei，et al．Cause analysis on wind turbine tripping and its countermeasures［J］．Power System Automation，2011，35(22):41-44．

［6］楊國生，李欣，周澤昕．風電場接入對配電網(wǎng)繼電報護的影響與對策［J］．電網(wǎng)技術(shù)，2009，33(11):87-91．YANG Guosheng，LI Xin，ZHOU Zexin．Impacts of wind farm on relay protection for distribution network and its countermeasures［J］．Power System Technology，2009，33(11):87-91．