CN107272645A - 中性点经电阻接地的光伏电站并网故障模型与分析方法 - Google Patents

中性点经电阻接地的光伏电站并网故障模型与分析方法 Download PDF

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Abstract

中性点经电阻接地的光伏电站并网故障模型以及分析方法,基于带低电压穿越控制策略的逆变电源故障等值模型,对含有中性点经电阻接地的光伏电站并网***进行建模,针对该并网***的***线路和站内汇集线路两类线路各自的特性,分别建立了故障计算模型。结合该线路故障计算模型的各序网络方程和相应的故障边界条件即可获得故障网络多元非线性方程组,然后用牛顿拉夫逊迭代法构造迭代修正方程求得收敛解,实现故障分析。并网光伏电站多采用中性点经小电阻接地的方式,本发明解决了该***的故障建模问题,尤其是站内汇集线路故障计算模型的建立为完整分析线路故障提供了可能,充分虑及中性点接地电阻对***零序网络的影响,为后续的保护设计提供依据。

Description

中性点经电阻接地的光伏电站并网故障模型与分析方法
技术领域
本发明涉及太阳能光伏发电与输电技术领域,特别是涉及一种中性点经电阻接地的光伏电站并网故障模型,本发明还提供一种基于中性点经电阻接地的光伏电站并网故障模型的分析方法。
背景技术
随着大型光伏电站的不断并入电网,电力***故障发生率不可避免地增大,并且输电线路短路电流大小也随之增加,并可能超过某些电力元件的最大电流承受能力,从而引起连锁故障。因此,必须根据大型光伏电站并网后可能出现的最大短路电流进行电网的建设与改进。于是,含大型光伏电站的故障计算成为发展光伏发电技术首要任务之一。
传统故障分析对大型光伏电站并网的情况研究还相对较少,且大多没有考虑光伏电站的故障控制策略和中性点经电阻接地的情况,不可避免地造成故障计算的局限性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种中性点经电阻接地的光伏电站并网故障模型,本发明的另一目的在于提供一种基于中性点经电阻接地的光伏电站并网故障模型的分析方法。
本发明实现上述目的采取的技术方案是:一种中性点经电阻接地的光伏电站并网故障模型,包括对含有中性点经电阻接地的光伏电站并网***建立基础模型、建立***线路故障计算模型和汇集线路故障计算模型;具体如下所述:
(1)基于带低电压穿越控制策略的逆变电源故障等值模型,对含有中性点经电阻接地的光伏电站并网***建立基础模型;包括故障时光伏逆变器的三相输出电压和三相输出电流;根据瞬时无功功率理论定义的光伏逆变器输出的电流和电压;三相瞬时有功功率;三相瞬时无功功率;在电压跌落时,逆变器为了尽量维持输出的有功无功功率的稳定,逆变器输出电流参考值以及任一台光伏逆变器的有功、无功参考值。
(2)针对含有中性点经电阻接地的光伏电站并网***的两类线路——***线路和站内汇集线路各自的特性,相应建立***线路故障计算模型和汇集线路故障计算模型。
(3)当故障发生在***线路上时,将整个光伏电站等效为一个大容量的电源,且呈现压控电流源的特性,分别建立正负零序网络模型,采取正序控制的光伏电流源只含正序分量,注入正序网络,负序和零序网络均不含有电源。
(4)当故障发生在光伏站内汇集线路上时,不能再将整个光伏站等效为一个电源,要将未故障汇集线和故障汇集线分别等效。未故障汇集线等效为一个受控电流源,故障汇集线从故障点断开等效为两个电源,设故障点位于电缆ZCf上,则汇集母线到故障电缆ZCf之间的逆变器组等效为一个受控电流源,ZCf到汇集线路末端之间的逆变器组等效为另一个受控电流源。整个并网***将等效为一个***电源和三个光伏电源的网络,分别建立正负零序网络模型,每个光伏电流源都将各自的正序短路电流注入正序网络中,负序和零序网络均不含有电源。
一种基于中性点经电阻接地的光伏电站并网故障模型的分析方法,其特征在于:基于中性点经电阻接地的光伏电站并网故障模型步骤(2)建立的***线路故障计算模型,将光伏电源当成受控源来处理,结合各种故障类型的边界条件,即可获得故障网络多元非线性方程组;然后用牛顿拉夫逊迭代法构造迭代修正方程求得收敛解,实现故障分析。以典型光伏电站并网为例,如图1网络:
(1)当故障发生在***线路上时,有正负零序网络如图2,再将图2各支路阻抗做串并联合并,得到正负零序的等值网络如图3。当***线路发生单相接地故障时,结合单相接地故障边界条件:即接地点的正负零序电压电流的关系,得到***线路单相接地故障复合序网图4,进而通过回路电流法得到回路电流方程组;其中为故障点对地正负零序电压,为故障点的正负零序电流。
式(1)中,Ii:回路i的回路电流;ZS35:35kV***正序等效阻抗;ZL351:M母线到故障点K之间的线路阻抗;ZT:光伏源等效变压器阻抗;ES:35kV***相电压;光伏电源端电压;光伏源故障电流;Z∑0:零序综合阻抗;P*和Q*为故障穿越z时逆变器控制的有功和无功参考值。
再结合基于中性点经电阻接地的光伏电站并网故障模型步骤(1)所述的逆变电源故障等值模型,建立***线路单相接地故障的非线性求解方程组如下:
式(2)中,ZS35:35kV***正序等效阻抗;ZL351:M母线到故障点K之间的线路阻抗;ZT:光伏源等效变压器阻抗;Z∑0:零序综合阻抗;ES:35kV***相电压;光伏电源端电压;光伏源故障电流;故障点零序电流;
η为故障后逆变器的容量系数, 为故障后光伏电源端电压正序分量;Imax为逆变器最大允许电流,根据最新标准Imax=1.5In;Sn、Un和In为逆变器额定容量、电压和电流;kq为无功支持系数;P*和Q*为故障时逆变器输出有功和无功参考值;为正常运行时逆变器输出有功和无功参考值。
式(2)为***线路单相接地故障的求解方程组,有五个未知数,fx=[f1f2f3f4f5]T五个方程,可以求解,但是由于方程的非线性关系,不能直接求得解析解,所以用牛顿拉夫逊迭代法构造迭代修正方程求得收敛解,实现单相接地故障分析。
(2)基于中性点经电阻接地的光伏电站并网故障模型步骤(2)建立的汇集线路故障计算模型,再进一步进行故障分析;将汇集线路故障正负零序网络拓扑图5中各支路阻抗做串并联合并,得到正负零序的等值网络图6。
当光伏站内汇集线路发生单相接地故障时,结合边界条件:故障处正负零序电流电压的关系,其中为故障点对地正负零序电压,为故障点的正负零序电流),即接地点的正负零序电压电流的关系,得到汇集线路单相接地故障复合序网图7,通过回路电流法得到回路电流方程组;
式(3)中,Ii:回路i的回路电流;ZS35:35kV***正序等效阻抗;ZL35:35kV线路阻抗;ZT40:非故障汇集线光伏源等效变压器阻抗;ZTm,ZTn1:故障汇集线光伏源等效变压器阻抗;ES:35kV***相电压;非故障汇集线等效光伏源端电压和故障电流;汇集母线与故障点间的光伏逆变等效电源端电压和故障电流;故障点到汇集线末的光伏逆变等效电源端电压和故障电流;Z∑0:零序综合阻抗;Z∑2:负序综合阻抗。
再结合基于中性点经电阻接地的光伏电站并网故障模型步骤(1)所述的光伏逆变电源故障等值模型,汇集线路故障计算模型含有一个***电源和三个光伏电源,每个光伏电源都有自己的电流方程及有功无功方程,建立光伏汇集线路单相接地故障的非线性求解方程组如下:
式(4)~(7)中,故障点零序电流;ZS35:35kV***正序等效阻抗;ZL35:35kV线路阻抗;ZT40:非故障汇集线光伏源等效变压器阻抗;ZTm,ZTn1:故障汇集线光伏源等效变压器阻抗;Zm:汇集母线与故障点间的电缆正负序阻抗;ZCf1:故障电缆的线路阻抗;ES:35kV***相电压;
汇集线路故障计算模型含有三个光伏电流源,每个光伏源都有自己的电流方程及有功无功方程:
非故障汇集线等效光伏源端电压和故障电流;η40S为该等效光伏逆变电源的容量系数, 为故障时该等效光伏逆变电源输出有功和无功参考值;为正常运行时逆变器输出有功和无功参考值。
汇集母线与故障点间的光伏逆变等效电源端电压和故障电流;ηmS为该等效光伏逆变电源的容量系数, 为故障时该等效光伏逆变电源输出有功和无功参考值;为正常运行时逆变器输出有功和无功参考值。
故障点到汇集线末的光伏逆变等效电源端电压和故障电流;ηnS为该等效光伏逆变电源的容量系数, 为故障时该等效光伏逆变电源输出有功和无功参考值;为正常运行时逆变器输出有功和无功参考值。
式(4)~(7),共有十三个方程及十三个未知数,同样用牛顿拉夫逊迭代法构造迭代修正方程求得收敛解,实现光伏汇集线路单相接地故障分析。
并网光伏电站越来越多地采用中性点经小电阻接地的方式,本发明解决了经电阻接地的光伏电站并网***的线路故障计算建模问题,尤其是光伏电站站内汇集线路故障计算模型的建立为完整地分析线路故障提供了可能,充分考虑了中性点接地电阻对并网***零序网络的影响,可以方便地求得各种故障条件下的短路电流尤其是零序电流和节点电压,为后续的保护方案设计提供了依据,特别是为线路零序保护的整定和校验提供了依据,解决了光伏站并网***快速切除接地故障以避免故障扩大引起光伏大面积脱网的问题。
附图说明
图1是本发明方法具体实施方式中研究的中性点经电阻接地的光伏站并网***;
其中ZS330:330kV***阻抗;ZL110:110kV线路阻抗;ZL35:35kV线路阻抗;L1~L5:五条光伏站内汇集线路;T1:330kV主变压器;T2:110kV升压变压器;Rg:中性点接地电阻;ZC1~ZC10:汇集线路第一段~第十段电缆阻抗;1:汇集线路保护,2:***线路保护。
图2是本发明方法具体实施方式中***线路故障正负零序网络拓扑图;
(a)(b)(c)分别为正负零序拓扑图;其中330kV***阻抗;110kV正负零序线路阻抗;M母线到故障点K之间的正负零序线路阻抗;故障点K到N母线之间的正序线路阻抗;330kV主变压器正负零序阻抗;330kV主变压器对地支路零序阻抗;110kV升压变压器正负零序阻抗;110kV升压变压器对地支路零序阻抗;箱变压器正负零阻抗;光伏电流源的端电压;光伏源正序故障电流;故障点对地正负零序电压。
图3是本发明方法具体实施方式中***线路故障各序等值网络图;
其中,35kV***正序等效阻抗;35kV ***负序等效阻抗;35kV***零序等效阻抗;Rg为中性点接地电阻;故障点的正负零序电流。
图4是本发明方法具体实施方式中线路单相接地故障复合序网图;
其中Ii:回路i的回路电流;正负序阻抗相等,35kV***正负序等效阻抗;光伏电源等效变压器正负序阻抗;零序综合阻抗。
图5是本发明方法具体实施方式中汇集线路故障正负零序网络拓扑图;
(a)(b)(c)分别为正负零序拓扑图;其中330kV***阻抗;110kV 正负零序线路阻抗;35kV正负零序线路阻抗;330kV主变压器正负零序阻抗;330kV主变压器对地支路零序阻抗;110kV升压变压器正负零序阻抗; 110kV升压变压器对地支路零序阻抗;故障点上游故障电缆线路阻抗;故障点下游故障电缆线路阻抗;汇集母线与故障点间的电缆正负零序阻抗;故障点到汇集线末的电缆正负零序阻抗;非故障汇集线光伏源等效变压器正序阻抗;故障点上游汇集线光伏源等效变压器正序阻抗;故障点下游汇集线光伏源等效变压器正序阻抗;非故障汇集线等效光伏源端电压和故障电流;汇集母线与故障点间的光伏逆变等效电源端电压和故障电流;故障点到汇集线末的光伏逆变等效电源端电压和故障电流;Rg:中性点接地电阻;故障点对地正负零序电压。
图6是本发明方法具体实施方式中汇集线路故障各序等值网络图;
其中,35kV***正序等效阻抗;35kV ***负序等效阻抗;35kV***零序等效阻抗;故障点的正负零序电流。
图7是本发明方法具体实施方式中汇集线路故障单相接地复合序网图。
其中Ii:回路i的回路电流;正负序阻抗相等,35kV***正负序等效阻抗;35kV线路阻抗;汇集母线与故障点间的电缆正负序阻抗;故障点上游故障电缆线路正负序阻抗;下游汇集线光伏源等效变压器正序阻抗;零序综合阻抗;负序综合阻抗。
具体实施方式
一种中性点经电阻接地的光伏电站并网故障模型,包括对含有中性点经电阻接地的光伏电站并网***建立基础模型、建立***线路故障计算模型和汇集线路故障计算模型;具体为:
(1)基于带低电压穿越控制策略的逆变电源故障等值模型,对含有中性点经电阻接地的光伏电站并网***建立基础模型;包括故障时光伏逆变器的三相输出电压和三相输出电流;根据瞬时无功功率理论定义的光伏逆变器输出的电流和电压;三相瞬时有功功率;三相瞬时无功功率;在电压跌落时,逆变器为了尽量维持输出的有功无功功率的稳定,逆变器输出电流参考值以及任一台光伏逆变器的有功、无功参考值。
(2)针对含有中性点经电阻接地的光伏电站并网***的两类线路——***线路和站内汇集线路各自的特性,相应建立***线路故障计算模型和汇集线路故障计算模型。
(3)当故障发生在***线路上时,则将整个光伏电站等效为一个大容量的电源,且呈现压控电流源的特性,按照正负零序网络进行建模,其中光伏电站将短路电流的正负零序分量分别注入正负零序网络。
(4)当故障发生在光伏站的汇集线路上时,不能再将整个光伏站等效为一个电源,重新建立汇集线路故障计算模型;若故障点位于汇集线其中一段电缆ZCf上。未发生故障的汇集线路等效为一个受控电流源,发生故障的那条汇集线路单独等效,汇集母线到故障电缆ZCf之间的逆变器组等效为一个受控电流源, ZCf到汇集线路末端之间的逆变器组等效为一个受控电流源,整个***等值为一个多电源的网络,再将***电源和各部分阻抗均折算到汇集母线侧,按照正负零序网络进行建模,其中光伏电站将短路电流的正负零序分量分别注入正负零序网络。
下面为本发明提供的一种基于中性点经电阻接地的光伏电站并网故障模型的分析方法的具体应用实例。
以一典型中性点经电阻接地的大型光伏站(50MW)并网***为例,网络拓扑如图1。光伏电源在故障中呈现受控电流源特性,工程中,由于同一光伏站内的各个发电单元一致性很强,且决定光伏电池功率的光照强度和温度在同一光伏站内基本一致,因此可以假设各发电单元的所有参数相等、各个发电单元在同一时刻发送的功率一致。
因此,当故障发生在35kV***线路上时,我们可以将整个光伏电站等效为一个大容量的电源。在发生接地故障时,光伏源呈现压控电流源的特性,光伏逆变器采取正序控制策略,将短路电流的正序分量注入网络,如图2所示,建立起***线路故障的正负零序网络模型。
当故障发生在光伏站内汇集线路上时,不能再将整个光伏站等效为一个电源,需重新建立汇集线路故障计算模型。设故障点位于汇集线其中一段电缆ZCf上。未发生故障的4条汇集线路等效为一个40MW的受控电流源I40S,发生故障的那条汇集线路单独等效,35kV汇集母线到故障电缆ZCf之间的m个1MW逆变器组等效为一个mMW的受控电流源ImS,ZCf到汇集线路末端之间的n个1MW逆变器组等效为一个nMW的受控电流源InS,其中m+n=10,整个***等值为一个多电源的网络,再将***电源和各部分阻抗均折算到35kV 侧,建立起光伏汇集线路故障的正负零序网络模型如图5。
基于前述建立的***线路故障计算模型,进一步进行故障分析;将***线路故障正负零序网络拓扑图2中各支路阻抗做串并联合并,得到正负零序的等值网络图3。
当***线路发生单相接地故障时,结合单相接地故障边界条件:即接地点的正负零序电压电流的关系,得到***线路单相接地故障复合序网图4,进而通过回路电流法得到回路电流方程组;其中为故障点对地正负零序电压,为故障点的正负零序电流。
式(1)中,Ii:回路i的回路电流;ZS35:35kV***正序等效阻抗;ZL351:M母线到故障点K之间的线路阻抗;ZT:光伏源等效变压器阻抗;ES:35kV***相电压;光伏电源端电压;光伏源故障电流;Z∑0:零序综合阻抗;P*和Q*为故障穿越时逆变器控制的有功和无功参考值。
再结合前述的逆变电源故障等值模型,建立***线路单相接地故障的非线性求解方程组如下:
式(2)中,ZS35:35kV***正序等效阻抗;ZL351:M母线到故障点K之间的线路阻抗;ZT:光伏源等效变压器阻抗;Z∑0:零序综合阻抗;ES:35kV***相电压;光伏电源端电压;光伏源故障电流;故障点零序电流;
η为故障后逆变器的容量系数, 为故障后光伏电源端电压正序分量;Imax为逆变器最大允许电流,根据最新标准Imax=1.5In;Sn、Un和In为逆变器额定容量、电压和电流;kq为无功支持系数;P*和Q*为故障时逆变器输出有功和无功参考值;为正常运行时逆变器输出有功和无功参考值。
式(2)为***线路单相接地故障的方程组,有五个未知数,fx=[f1f2f3f4f5]T五个方程,可以求解,但是由于方程的非线性关系,不能直接求得解析解,所以用牛顿拉夫逊迭代法构造迭代修正方程求得收敛解,实现单相接地故障分析。
同样的,基于前述汇集线路故障计算模型,再进一步进行故障分析;将汇集线路故障正负零序网络拓扑图5中各支路阻抗做串并联合并,得到正负零序的等值网络图6。
当光伏站内汇集线路发生单相接地故障时,结合边界条件:故障处正负零序电流电压的关系,其中为故障点对地正负零序电压,为故障点的正负零序电流),即接地点的正负零序电压电流的关系,得到汇集线路单相接地故障复合序网图7,通过回路电流法得到回路电流方程组;
式(3)中,Ii:回路i的回路电流;ZS35:35kV***正序等效阻抗;ZL35:35kV线路阻抗;ZT40:非故障汇集线光伏源等效变压器阻抗;ZTm,ZTn1:故障汇集线光伏源等效变压器阻抗;ES:35kV***相电压;非故障汇集线等效光伏源端电压和故障电流;汇集母线与故障点间的光伏逆变等效电源端电压和故障电流;故障点到汇集线末的光伏逆变等效电源端电压和故障电流;Z∑0:零序综合阻抗;Z∑2:负序综合阻抗。
再结合前述光伏逆变电源故障等值模型,汇集线路故障计算模型含有一个***电源和三个光伏电源,每个光伏电源都有自己的电流方程及有功无功方程,建立光伏汇集线路单相接地故障的非线性求解方程组如下:
式(4)~(7)中,故障点零序电流;ZS35:35kV***正序等效阻抗;ZL35:35kV线路阻抗;ZT40:非故障汇集线光伏源等效变压器阻抗;ZTm,ZTn1:故障汇集线光伏源等效变压器阻抗;Zm:汇集母线与故障点间的电缆正负序阻抗;ZCf1:故障电缆的线路阻抗;ES:35kV***相电压;
汇集线路故障计算模型含有三个光伏电流源,每个光伏源都有自己的电流方程及有功无功方程:
非故障汇集线等效光伏源端电压和故障电流;η40S为该等效光伏逆变电源的容量系数, 为故障时该等效光伏逆变电源输出有功和无功参考值;为正常运行时逆变器输出有功和无功参考值。
汇集母线与故障点间的光伏逆变等效电源端电压和故障电流;ηmS为该等效光伏逆变电源的容量系数, 为故障时该等效光伏逆变电源输出有功和无功参考值;为正常运行时逆变器输出有功和无功参考值。
故障点到汇集线末的光伏逆变等效电源端电压和故障电流;ηnS为该等效光伏逆变电源的容量系数, 为故障时该等效光伏逆变电源输出有功和无功参考值;为正常运行时逆变器输出有功和无功参考值。
式(4)~(7),共有十三个方程及十三个未知数,同样用牛顿拉夫逊迭代法构造迭代修正方程求得收敛解,实现光伏汇集线路单相接地故障分析。
为了得出完善的中性点经电阻接地的光伏电站并网故障保护方案,必须完整的研究在中性点接地电阻Rg取不同阻值的情况下,***线路和汇集线路的不同故障位置发生各种对称和不对称故障的特性,并且必须充分考虑图1中所示保护1和保护2的相互配合关系。所以需分别计算不同情况下***线路和汇集线路的故障短路相电流和序电流。其中,当故障发生在***线路上时,汇集线路上仅流过光伏电源产生的正序电流,不含零序电流。
基于算例的计算结果,可以研究此典型网络的35kV***线路和光伏汇集线路的继电保护方案。

Claims (3)

1.一种中性点经电阻接地的光伏电站并网线路故障计算模型,其特征在于包括如下步骤:
(1)基于带低电压穿越控制策略的逆变电源故障等值模型,对含有中性点经电阻接地的光伏电站并网***进行建模;包括故障时光伏逆变器的三相输出电压和三相输出电流;根据瞬时无功功率理论定义的光伏逆变器输出的电流和电压;三相瞬时有功功率;三相瞬时无功功率;在电压跌落时,逆变器为了尽量维持输出的有功无功功率的稳定,逆变器输出电流参考值以及任一台光伏逆变器的有功、无功参考值;
(2)对典型的中性点经电阻接地的光伏电站并网***网络结构进行研究,得知并网故障可以分为两种类型,第一种故障发生在***线路上,第二种故障发生在光伏站内汇集线路上;针对这两类线路故障的特性,分别建立故障计算模型;
(3)当故障发生在***线路上时,可以将整个光伏电站等效为一个大容量的电源,电源呈现压控电流源特性,分别建立正负零序网络模型,采取正序控制的光伏电流源只含正序分量,注入正序网络,负序和零序网络均不含有电源;
(4)当故障发生在光伏站内汇集线路上时,不能再将整个光伏站等效为一个电源,要将未故障汇集线和故障汇集线分别等效;未故障汇集线等效为一个受控电流源,故障汇集线从故障点断开等效为两个电源,设故障点位于电缆ZCf上,则汇集母线到故障电缆ZCf之间的逆变器组等效为一个受控电流源,ZCf到汇集线路末端之间的逆变器组等效为另一个受控电流源;整个***等值为一个多电源的网络,分别建立正负零序网络模型,每个光伏电流源都将各自的正序短路电流注入正序网络中,负序和零序网络均不含有电源。
2.一种中性点经电阻接地的光伏电站并网***的故障分析方法,其特征在于:基于权利要求1建立的线路故障计算模型,将光伏电源当成受控源来处理,结合各种故障类型的边界条件,获得故障网络多元非线性方程组,然后用牛顿拉夫逊迭代法构造迭代修正方程求得收敛解,实现故障分析。以典型光伏电站并网为例,如图1网络:
(1)当故障发生在***线路上时,有正负零序网络如图2,再将图2各支路阻抗做串并联合并,得到正负零序的等值网络如图3;
以单相接地故障为例,根据边界条件,得到复合序网络图4,得到回路电流方程组;
联立回路电流方程组和光伏逆变电源模型方程得到***线路单相接地故障的求解方程组;求解方程组有五个未知数和五个方程,可以求解,但是由于方程的非线性关系,不能直接求得解析解,所以用牛顿拉夫逊迭代法构造迭代修正方程求得收敛解,实现故障分析;
(2)当故障发生在光伏站内汇集线路上时,有正负零序网络如图5,再将各支路阻抗做串并联合并,得到正负零序的等值网络如图6;
以单相接地故障为例,结合故障边界条件,得到复合序网图7,可得回路电流方程组;
汇集线路故障计算模型含有三个光伏电流源,每个光伏源都有自己的电流方程及有功无功方程,将这些方程组与回路电流方程组联立,得到光伏汇集线路单相接地故障的方程组,共有十三个方程和十三个未知数,可以求解,同样用牛顿拉夫逊迭代法构造迭代修正方程求得收敛解,实现故障分析。
3.利用权利要求2所述的中性点经电阻接地的光伏电站并网***的故障分析方法,分析线路不同故障位置发生各种对称和不对称故障的特性,其特征在于充分考虑图1中所示汇集线路保护与***线路保护之间的配合关系,分别计算***线路和汇集线路的故障短路相电流和序电流,以便继电保护的整定。
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