基于频率特征的变速抽蓄机组转子侧单相接地故障区域定位

邢恺; 桂林; 张琦雪; 王凯; 陈龙翔

doi:10.7500/AEPS20241028004

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基于频率特征的变速抽蓄机组转子侧单相接地故障区域定位

研制与开发 | 更新时间：2025-07-14

- 基于频率特征的变速抽蓄机组转子侧单相接地故障区域定位
- Frequency Characteristics Based Location of Single-phase-to-ground Fault Area on Rotor Side of Variable-speed Pumped Storage Unit
- 电力系统自动化 2025年49卷第13期页码：187-194
- 作者机构：
  
  1.新型电力系统运行与控制全国重点实验室（清华大学），北京市 100084
  2.南京南瑞继保电气有限公司，江苏省南京市 211102
  3.国家电网有限公司，北京市 100031
- 作者简介：
  
  邢恺(2001—)，男，硕士研究生，主要研究方向：变速抽水蓄能机组保护与控制。E-mail：xingk23@mails.tsinghua.edu.cn
  桂林(1974—)，男，通信作者，博士，副教授，主要研究方向：大机组保护及故障分析。E-mail：guilin99@mails.tsinghua.edu.cn
  张琦雪(1974—)，男，博士，研究员级高级工程师，主要研究方向：电厂继电保护及自动化装置研发工作。E-mail：zhangqx@nrec.com
- 基金信息：
  
  国家电网有限公司科技项目(4000-202343386A-2-3-XG)
- DOI：10.7500/AEPS20241028004
  中图分类号：
- 收稿：2024-10-28，
  
  修回：2025-03-03，
  
  网络出版：2025-04-09，
  
  纸质出版：2025-07-10
- 稿件说明：
移动端阅览
邢恺,桂林,张琦雪等.基于频率特征的变速抽蓄机组转子侧单相接地故障区域定位[J].电力系统自动化,2025,49(13):187-194.

XING Kai,GUI Lin,ZHANG Qixue,et al.Frequency Characteristics Based Location of Single-phase-to-ground Fault Area on Rotor Side of Variable-speed Pumped Storage Unit[J].Automation of Electric Power Systems,2025,49(13):187-194.
邢恺,桂林,张琦雪等.基于频率特征的变速抽蓄机组转子侧单相接地故障区域定位[J].电力系统自动化,2025,49(13):187-194. DOI： 10.7500/AEPS20241028004.

XING Kai,GUI Lin,ZHANG Qixue,et al.Frequency Characteristics Based Location of Single-phase-to-ground Fault Area on Rotor Side of Variable-speed Pumped Storage Unit[J].Automation of Electric Power Systems,2025,49(13):187-194. DOI： 10.7500/AEPS20241028004.

摘要

抽水蓄能电站因其技术成熟、容量大、经济性高，已成为新型电力系统的重要调节手段。双馈变速抽蓄机组因其高效的运行性能和快速调节能力备受关注。相较于常规同步发电机，双馈变速抽蓄机组的转子绕组和励磁系统更复杂，长期运行更易出现单相接地故障。现有的接地故障保护方案主要针对常规定速机组，难以有效覆盖双馈变速抽蓄机组的转子绕组和励磁系统。为解决这一问题，首先，对故障区域进行划分，并进一步分析了不同区域的单相接地故障特征。然后，通过建模仿真验证了各区域的故障特征分析，并提出了基于中性点电压特征频率分量判据与接地过渡电阻判据的故障区域定位方法，为双馈变速抽蓄机组提供了一种有效的转子接地故障保护方案。

Abstract

Pumped storage power plant has emerged as a critical regulatory means for new power systems due to their mature technology

large capacity

and high economic efficiency. Doubly-fed variable-speed pumped storage units have garnered significant attention owing to their superior operation performance and rapid regulation capabilities. Compared with conventional synchronous generators

doubly-fed variable-speed pumped storage units have more complex rotor windings and excitation systems

making them prone to single-phase-to-ground faults during long-term operation. Existing grounding fault protection schemes

primarily designed for conventional fixed-speed units

fail to adequately address the rotor windings and excitation systems of doubly-fed variable-speed pumped storage units. To solve this issue

a fault area segmentation approach is first implemented

followed by an analysis of single-phase-to-ground fault characteristics across various areas. Then

the fault characteristics analysis of each area is verified through modeling and simulation

and a fault area location method based on the neutral point voltage characteristic frequency component criterion and the grounding transition resistance criterion is proposed

providing an effective rotor grounding fault protection scheme for doubly-fed variable-speed pumped storage units.

关键词

Keywords

references

谢小荣，贺静波，毛航银，等 . “双高”电力系统稳定性的新问题及分类探讨［J］. 中国电机工程学报， 2021 ， 41 （ 2 ）： 461 - 475 .

XIE Xiaorong ， HE Jingbo ， MAO Hangyin ， et al . New issues and classification of power system stability with high shares of renewables and power electronics ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2021 ， 41 （ 2 ）： 461 - 475 .

卓振宇，张宁，谢小荣，等 . 高比例可再生能源电力系统关键技术及发展挑战［J］. 电力系统自动化， 2021 ， 45 （ 9 ）： 171 - 191 .

ZHUO Zhenyu ， ZHANG Ning ， XIE Xiaorong ， et al . Key technologies and developing challenges of power system with high proportion of renewable energy ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2021 ， 45 （ 9 ）： 171 - 191 .

卢伟甫，王勇，樊玉林，等 . 抽水蓄能变速机组应用技术概述［J］. 水电与抽水蓄能， 2019 ， 5 （ 3 ）： 62 - 66 .

LU Weifu ， WANG Yong ， FAN Yulin ， et al . An overview of applied technologies for variable speed pump-turbine ［J］. Hydropower and Pumped Storage ， 2019 ， 5 （ 3 ）： 62 - 66 .

张洪基，丁涛，黄雨涵，等 . 电力市场环境下抽水蓄能电站容量电费定价与成本分摊方法［J］. 电力系统自动化， 2024 ， 48 （ 11 ）： 88 - 99 .

ZHANG Hongji ， DING Tao ， HUANG Yuhan ， et al . Pricing and cost allocation methods for capacity charges of pumped storage power stations in electricity market environment ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2024 ， 48 （ 11 ）： 88 - 99 .

LIU T ， YU J S ， LIN K ， et al . Analysis and research on generator design technology of variable speed pumping and storage units at home and abroad ［C］// 2023 8th International Conference on Power and Renewable Energy（ICPRE）， September 22-25 ， 2023 ， Shanghai， China ： 1058 - 1061 .

陈骁，訾鹏，郝婧，等 . 面向系统功角稳定性提升的变速抽水蓄能机组故障穿越性能优化［J］. 电力系统自动化， 2023 ， 47 （ 24 ）： 156 - 164 .

CHEN Xiao ， ZI Peng ， HAO Jing ， et al . Fault ride-through performance optimization of variable-speed pumped storage units for enhancing power angle stability of power systems ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2023 ， 47 （ 24 ）： 156 - 164 .

王维俭 . 电气主设备继电保护原理与应用［M］. 2版 . 北京：中国电力出版社， 2002 .

WANG Weijian . Principle and application of relay protection for electrical main equipment ［M］. 2nd ed . Beijing ： China Electric Power Press ， 2002 .

姜海军，徐青，张高高，等 . 变速抽水蓄能机组运行工况转换控制研究［J］. 水电与抽水蓄能， 2019 ， 5 （ 4 ）： 31 - 35 .

JIANG Haijun ， XU Qing ， ZHANG Gaogao ， et al . Research on operation conditions conversion control of variable speed pumped storage unit ［J］. Hydropower and Pumped Storage ， 2019 ， 5 （ 4 ）： 31 - 35 .

费万堂，衣传宝，杨梅，等 . 河北丰宁抽水蓄能电站交流励磁变速机组工程设计与认识［J］. 水电与抽水蓄能， 2020 ， 6 （ 4 ）： 12 - 18 .

FEI Wantang ， YI Chuanbao ， YANG Mei ， et al . Engineering design and realization of AC excitation variable speed units of Hebei Fengning pumped storage power station ［J］. Hydropower and Pumped Storage ， 2020 ， 6 （ 4 ）： 12 - 18 .

SELVARAJ R ， DESINGU K ， CHELLIAH T R ， et al . Fault tolerant operation of parallel-connected 3L-neutral-point clamped back-to-back converters serving to large hydro-generating units ［J］. IEEE Transactions on Industry Applications ， 54 （ 5 ）： 5429 - 5443 .

JOSEPH A ， CHELLIAH T R . A review of power electronic converters for variable speed pumped storage plants： configurations， operational challenges， and future scopes ［J］. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics ， 2017 ， 6 （ 1 ）： 103 - 119 .

李宾，屠黎明，苏毅，等 . 发电机转子绕组接地保护综述［J］. 电力设备， 2006 （ 11 ）： 33 - 36 .

LI Bin ， TU Liming ， SU Yi ， et al . Summarization of one point earth-fault protection for generator rotor ［J］. Electrical Equipment ， 2006 （ 11 ）： 33 - 36 .

张琦雪，陈佳胜，陈俊，等 . 大型发电机注入式定子接地保护判据的改进［J］. 电力系统自动化， 2008 ， 32 （ 3 ）： 66 - 69 .

ZHANG Qixue ， CHEN Jiasheng ， CHEN Jun ， et al . Improvement on criterions of stator earth fault protection with voltage injection for large-sized generators ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2008 ， 32 （ 3 ）： 66 - 69 .

谌争鸣 . 大型发电机定子接地保护灵敏度分析与整定计算［J］. 电力系统自动化， 2006 ， 30 （ 19 ）： 57 - 60 .

CHEN Zhengming . Analysis of the sensitivity of large-scale generator stator ground protection and its setting calculation ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2006 ， 30 （ 19 ）： 57 - 60 .

梁廷婷，王凯，陈俊，等 . 变速抽水蓄能机组继电保护方案研究［J］. 水电与抽水蓄能， 2020 ， 6 （ 5 ）： 62 - 67 .

LIANG Tingting ， WANG Kai ， CHEN Jun ， et al . Study on relay protection scheme of variable speed pumped-storage unit ［J］. Hydropower and Pumped Storage ， 2020 ， 6 （ 5 ）： 62 - 67 .

乔健，尹项根，王义凯，等 . 变速抽蓄机组转子绕组接地故障保护及定位方法［J］. 电力自动化设备， 2023 ， 43 （ 3 ）： 217 - 224 .

QIAO Jian ， YIN Xianggen ， WANG Yikai ， et al . Protection and location method of rotor winding grounding fault for variable speed pumping storage unit ［J］. Electric Power Automation Equipment ， 2023 ， 43 （ 3 ）： 217 - 224 .

GUERRERO J M ， NAVARRO G ， PLATERO C A . AC ground fault location method for frequency converters based on AC phases and grounding resistor voltage measurements ［C］// 2020 IEEE International Conference on Environment and Electrical Engineering and 2020 IEEE Industrial and Commercial Power Systems Europe ， June 1 ， 2020， Madrid ， Spain ： 1 - 6 .

陈俊，刘梓洪，王明溪，等 . 不依赖注入式原理的定子单相接地故障定位方法［J］. 电力系统自动化， 2013 ， 37 （ 4 ）： 104 - 107 .

CHEN Jun ， LIU Zihong ， WANG Mingxi ， et al . Location method for stator single-phase ground fault independent of injection type principle ， 2013 ， 37 （ 4 ）： 104 - 107 .

殷林鹏，桂林，张琦雪，等 . 基于基波电势分布特征的大型发电机定子接地故障定位方法［J］. 电力自动化设备， 2019 ， 39 （ 7 ）： 141 - 146 .

YIN Linpeng ， GUI Lin ， ZHANG Qixue ， et al . Stator grounding fault location method based on distribution characteristics of fundamental wave potential ［J］. Electric Power Automation Equipment ， 2019 ， 39 （ 7 ）： 141 - 146 .

张兴，张崇巍 . PWM整流器及其控制［M］. 北京：机械工业出版社， 2003 .

ZHANG Xing ， ZHANG Chongwei . PWM rectifier and its control ［M］. Beijing ： China Machine Press ， 2003 .

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