CN104348144B

CN104348144B - 一种风电场送出线路的故障检测方法

Info

Publication number: CN104348144B
Application number: CN201410603340.3A
Authority: CN
Inventors: 张爽; 黄永宁; 郝治国; 张军; 焦龙; 田蓓
Original assignee: State Grid Corp of China SGCC; Xian Jiaotong University; Electric Power Research Institute of State Grid Ningxia Electric Power Co Ltd
Current assignee: State Grid Corp of China SGCC; Xian Jiaotong University; Electric Power Research Institute of State Grid Ningxia Electric Power Co Ltd
Priority date: 2014-10-31
Filing date: 2014-10-31
Publication date: 2017-11-03
Anticipated expiration: 2034-10-31
Also published as: CN104348144A

Abstract

一种风电场送出线路的故障检测方法，包括：步骤1、在故障发生后，采集当前风电场送出线路的相电流；步骤2、利用最小二乘拟合方法，构建测量间线性关系，估算出所述相电流的频率；步骤3、当计算出的所述相电流的频率处于正常频率范围时，判定撬棒保护电路未启动，进入步骤4；否则，判定所述撬棒保护电路已启动，返回步骤1；步骤4、通过距离保护元件找到线路中发送所述故障的位置。本发明能够免疫于双馈式风电场送出的非工频电流特性，且针对各种故障类型都能很快的计算出故障阻抗和距离保护的动作特性，极大得提高了保护的可靠性和选择性。

Description

一种风电场送出线路的故障检测方法

技术领域

本发明属于故障检测技术领域，尤其是一种风电场送出线路的故障检测方法。

背景技术

目前双馈式风力发电机在新能源发电领域中获得了十分广泛的应用，距离保护作为线路主流后备保护之一对风电场送出线路的安全运行起着极其重要的作用。双馈式风力发电机在电网电压跌落导致转子过流时，为保护转子侧变流器，会投入Crowbar(撬棒)保护电路，此时定子机端会向电网送出非工频故障电流，这给继电保护带来了很多实际工程问题，其中之一就是会导致基于傅氏算法的距离保护元件无法准确计算故障点到保护安装处的阻抗。从而使得距离保护这一后备保护原理在风电并网点附近的区域电网发生严重故障的情况下的动作变得异常不稳定。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种风电场送出线路的故障检测方法，以解决现有技术中的由于非工频故障电流，导致检测结果不准确的问题。

在一些说明性实施例中，所述风电场送出线路的故障检测方法，包括：

步骤1、在故障发生后，采集当前风电场送出线路的相电流；

步骤2、利用最小二乘拟合方法，构建测量间线性关系，估算出所述相电流的频率；

步骤3、当计算出的所述相电流的频率处于正常频率范围时，判定撬棒保护电路未启动，进入步骤4；否则，判定所述撬棒保护电路已启动，返回步骤1；

步骤4、通过距离保护元件找到线路中发送所述故障的位置。

与现有技术相比，本发明的说明性实施例包括以下优点：

本发明能够免疫于双馈式风电场送出的非工频电流特性，且针对各种故障类型都能很快的计算出故障阻抗和距离保护的动作特性，，极大得提高了保护的可靠性和选择性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是按照本发明的说明性实施例的流程图

图2是按照本发明的说明性实施例的2馈直交流系统；；

图3是按照本发明的说明性实施例的2馈直交流系统的等效系统；

图4是按照本发明的说明性实施例的实验结果曲线图。

具体实施方式

在以下详细描述中，提出大量特定细节，以便于提供对本发明的透彻理解。但是，本领域的技术人员会理解，即使没有这些特定细节也可实施本发明。在其它情况下，没有详细描述众所周知的方法、过程、组件和电路，以免影响对本发明的理解。

如图1所述，公开了一种风电场送出线路的故障检测方法，包括：

S11、在故障发生后，采集当前风电场送出线路的相电流；

其中，还可以利用利用S12、对所述步骤1中采集到的相电流进行滤波处理，滤除所述相电流中的高次谐波。

S13、利用最小二乘拟合方法，构建测量间线性关系，估算出所述相电流的频率；

S14、当计算出的所述相电流的频率处于正常频率范围时，判定撬棒保护电路未启动，进入步骤4；否则，判定所述撬棒保护电路已启动，返回步骤1；

S15、通过距离保护元件找到线路中发送所述故障的位置。

实施例：

步骤一：当故障启动模块启动后，通过电流互感器采集风电场送出线路保护安装处的相电流I_A、I_B、I_C；

步骤二：将采集来的电流信号经过低通滤波器，滤除高次谐波，经过0.01s后进入步骤三；

步骤三：利用最小二乘拟合方法，构建测量间线性关系，估算被测信号频率f；

步骤四：判断频率f与系统工频50Hz的差值，若在0.01s的时间内均近似相等，则进入步骤五；若不相等，则判断双馈式风电机组Crowbar保护电路投入，暂时闭锁距离保护继电器，并返回步骤三；

步骤五：利用现有的基于全周傅氏算法的距离保护判断距离保护的动作情况。

步骤一具体如下，是以A相电流为例：

故障发生后，保护安装处测得的电流信号均可以用下式描述，即频率为f的正弦波信号，并且信号中含有衰减直流成分：

I_A(t)＝Asin(2πft+θ)+Dexp(-t/τ) (1)

式中，A是信号的幅值，θ是信号的初相位，τ为衰减直流分量的衰减时间常数，D为指数函数初值，exp为指数函数，t为当前时刻。

步骤三具体如下：

对信号进行采样，得到信号的序列I(n)为：

I_A(n)＝Asin(nΩ+θ)+Dexp(-nΔT/τ) (2)

式中，其中，Ω为数字角频率；ΔT为采样周期，τ为衰减直流分量的衰减时间常数，n为采样时间点。

由I(n)可以构造序列x(n)和y(n)：

x(n)＝2I(n-1) (3)

y(n)＝I(n)+I(n-2) (4)

由于实际电力系统的信号衰减直流分量衰减时间常数比较大(0.02s以上)，采样周期ΔT一般为1200Hz以上，可认为在相邻的两个采样信号中，衰减直流分量幅值相差不大，可近似将其看作一个常数，因此联立式(1)、(2)和(3)，并根据三角函数关系进行化简可以得到：

y(n)＝x(n)cosΩ+2D(1-cosΩ) (5)

经过超过3个采样点后，即可根据下式求解cosΩ：

其中，N为序列x(n)和y(n)的长度，实际使用中从估算准确性考虑，一般在采集从该时刻到之前的半个周波内的数据进行计算。

此时可算得频率f：

步骤四具体如下：

判断频率f与系统工频50Hz的差值，若在0.01s的时间内均近似相等，则进入步骤五；若不相等，则判断双馈式风电机组Crowbar保护电路投入，暂时闭锁距离保护继电器，并返回步骤三。

此处，判定频率f与工频近似相等的算法为：

|f-50Hz|<6Hz (8)

本发明方法基于风电场送出线路电气量的频率信息来判断双馈式机组在故障期间Crowbar保护电路投入与否，从而及时将距离保护闭锁，防止了传统的保护由于Crowbar保护电路投入期间产生的非工频信号影响而导致其不正常工作，甚至导致区外故障误动的严重故障。在检测到电网信号频率恢复正常的第一时间开放距离保护，从而保证主保护由于通讯中断失效后后备保护可以在不长的时间后将故障线路跳开。

实施例2：

如图2所示，给出了50MW装机容量的双馈式风电场仿真模型，系统的正序阻抗为1.0914+j12.45Ω，零序阻抗为5.187+j 22.574Ω。当线路在f1处发生三相故障后，使得风场侧母线电压跌落至20％。

方法包括：

步骤一：当故障启动模块启动后，通过电流互感器采集风电场送出线路保护安装处的相电流I_A、I_B、I_C，如图3所示；

步骤三：利用最小二乘拟合方法，构建测量间线性关系，估算被测信号频率f，不同时刻计算得到的频率结果如图4所示；

步骤四：判断频率f与系统工频50Hz的差值，在故障初始的0.1s内(10.66～10.76s)频率f不满足式(8)条件，即测量频率与工频不相等，则判断双馈式风电机组Crowbar保护电路投入，暂时闭锁距离保护继电器，并返回步骤三，直到0.1s后(10.76s)，检测到频率f满足式(8)的条件，进入步骤五。

步骤五：利用现有的基于全周傅氏算法的距离保护判断距离保护的动作情况，得出此时故障点位于距离保护I段范围内，向风场送出线路两侧断路器发出跳闸命令使得故障线路跳开。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种风电场送出线路的故障检测方法，其特征在于，包括：

步骤1、在故障发生后，采集当前风电场送出线路的相电流；

步骤2、生成所述相电流的信号序列，以采样时间点构造所述相电流的x序列和y序列；利用最小二乘拟合方法，构建测量间线性关系，根据所述信号序列、x序列和y序列进行计算，获得所述相电流的数字角频率；利用所述相电流的数字角频率估算出所述相电流的频率；

步骤4、通过距离保护元件找到线路中发生所述故障的位置。

2.根据权利要求1所述的故障检测方法，其特征在于，在进入所述步骤2之前，还包括：

对所述步骤1中采集到的相电流进行滤波处理，滤除所述相电流中的高次谐波。

3.根据权利要求1所述的故障检测方法，其特征在于，所述信号序列：

I(n)＝Asin(nΩ+θ)+Dexp(-nΔT/τ)

所述x序列和y序列：

x(n)＝2I(n-1)

y(n)＝I(n)+I(n-2)

其中，A是信号的幅值，θ是信号的初相位，Ω为数字角频率；ΔT为采样周期，τ为衰减直流分量的衰减时间常数，n为采样时间点，D为指数函数初值，exp为指数函数。

4.根据权利要求1所述的故障检测方法，其特征在于，所述根据所述信号序列、x序列和y序列进行计算，获得所述相电流的数字角频率，具体包括：

<mrow> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mi>&Omega;</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>N</mi> <munder> <mo>&Sigma;</mo> <mi>k</mi> </munder> <mo>&lsqb;</mo> <mi>x</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mi>y</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&rsqb;</mo> <mo>-</mo> <munder> <mo>&Sigma;</mo> <mi>k</mi> </munder> <mi>x</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <munder> <mo>&Sigma;</mo> <mi>k</mi> </munder> <mi>y</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <mi>N</mi> <munder> <mo>&Sigma;</mo> <mi>k</mi> </munder> <msup> <mi>x</mi> <mn>2</mn> </msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <msup> <mrow> <mo>&lsqb;</mo> <munder> <mo>&Sigma;</mo> <mi>k</mi> </munder> <mi>x</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&rsqb;</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </mfrac> </mrow>

其中，N为采样时间点的长度，k为调节系数。

5.根据权利要求3所述的故障检测方法，其特征在于，所述利用所述相电流的数字角频率估算出所述相电流的频率，具体包括:

<mrow> <mi>f</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mn>2</mn> <mi>&pi;</mi> <mi>&Delta;</mi> <mi>T</mi> </mrow> </mfrac> <mi>a</mi> <mi>r</mi> <mi>c</mi> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mi>&Omega;</mi> </mrow>

根据上述公式计算出所述相电流的频率f。

6.根据权利要求1所述的故障检测方法，其特征在于，所述步骤3中判断计算出的所述相电流的频率是否处于正常频率范围，具体包括：

当f满足如下公式，则判定该f处于正常频率范围；

|f-p|<tv

其中，p为系统工频，tv为频率阀值。

7.根据权利要求1所述的故障检测方法，其特征在于，所述步骤3判定所述撬棒保护电路已启动时，还包括：

闭锁所述距离元件。

8.根据权利要求1所述的故障检测方法，其特征在于，所述步骤4，具体包括：

通过基于全周傅氏算法的距离保护找到线路中发生所述故障的位置。

9.根据权利要求1所述的故障检测方法，其特征在于，在所述步骤4通过距离保护元件找到线路中发生所述故障的位置之后，还包括：

向风电场系统发送存在所述故障的位置的断路器跳闸指令。