CN105162096A - 风电场集电线路的保护装置与保护方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种风电场集电线路的保护装置与保护方法。该保护装置包括：至少一个合并单元、一个数字式保护单元、至少一个箱变终端设备与一个集电线路终端设备。其中，合并单元用来将从箱变与集电线路采集得到的模拟信号转化为数字信号；数字式保护单元通过第一传输线路与至少一个合并单元电连接，用于判断箱变和/或集电线路是否需要跳闸，当箱变和/或集电线路需要跳闸时，发出对应的跳闸信号；箱变终端设备通过第二传输线路与数字式保护单元相连接，用于接收跳闸信号，对箱变下达跳闸命令；集电线路终端设备通过第二传输线路与数字式保护单元相连接，用于接收跳闸信号，对集电线路下达跳闸命令。该保护装置可避免现有技术中的越级跳闸的现象。

Description

风电场集电线路的保护装置与保护方法

技术领域

本申请涉及电力技术领域，具体而言，涉及一种风电场集电线路的保护装置与保护方法。

背景技术

风电场集电线路一般采用一条线路并接多台箱式变压器(以下简称箱变)，箱变一般在高压侧配置熔断器作为本体及低压侧短路故障保护，集电线路一般采用三段式电流保护，该接线方式造价较低，但集电线路保护普遍没有选择性，箱变高压侧故障时，集电线路保护会越级动作，扩大停电范围。内蒙古、甘肃等风电基地曾发生过多起箱变故障导致集电线路保护越级跳阐的事故，损失出力累计高达几十万千瓦。

为了提高保护选择性，避免集电线路保护越级跳阐事故的发生，目前普遍釆用的一种方案是集电线路配短时限电流速断保护，电流定值按线路末端两相短路有灵敏度整定，时间定值为0.3s，该方案在一定程度上可以提高线路保护的选择性，但不能从根本上解决保护选择性的问题。其原因是熔断器保护具有反时限特性，其动作时间与短路电流的平方成反比，集电线路短时限电流速断的延时时间很难与其精确配合，当箱变发生故障时，集电线路保护仍有可能会越级动作，使整个线路上的所有箱变停电。另外，当集电线路靠近中压母线侧故障时，由于集电线路保护设有的延时，保护不能快速动作，而风力发电机定子侧电压多数会跌落至20％额定电压以下，整个中压母线上的所有风电机组都有可能经短延时而跳闸，扩大跳闸范围。

因此，亟需一种能从根本上避免集电线路保护越级跳阐事故发生的风电场集电线路的保护装置与方法。

发明内容

本申请旨在提供一种风电场集电线路的保护装置与保护方法，以解决现有技术中不能从根本上避免集电线路保护越级跳阐事故发生问题。

为了实现上述目的，根据本申请的一个方面，提供了一种风电场集电线路的保护装置，上述保护装置包括：至少一个合并单元、一个数字式保护单元、至少一个箱变终端设备与一个集电线路终端设备。其中，合并单元用来将从箱变与集电线路采集得到的模拟信号转化为数字信号；数字式保护单元通过第一传输线路与至少一个上述合并单元电连接，用于判断上述箱变和/或上述集电线路是否需要跳闸，当上述箱变和/或上述集电线路需要跳闸时，发出对应的跳闸信号；箱变终端设备通过第二传输线路与上述数字式保护单元相连接，用于接收上述跳闸信号，并对上述箱变下达跳闸命令；集电线路终端设备通过上述第二传输线路与上述数字式保护单元相连接，用于接收上述跳闸信号，并对上述集电线路下达跳闸命令。

进一步地，上述数字式保护单元具有嵌入式IEC61850通信功能。

进一步地，上述数字式保护单元包括箱变差动保护模块、集电线路电流速断保护模块、集电线路限时电流速断保护模块与集电线路方向过流保护模块。

进一步地，上述保护装置包括箱变和风机的合并单元与集电线路合并单元。

进一步地，上述保护装置还包括箱变断路器与集电线路断路器，上述箱变断路器设置在各上述箱变的高压侧，上述集电线路断路器设置在中压母线侧。

进一步地，上述保护装置还包括至少一个交换机，上述交换机设置在上述第一传输线路和/或上述第二传输线路上。

进一步地，上述保护装置包括两个交换机。

进一步地，上述交换机为SV与GOOSE共网的交换机。

根据本申请的另一个方面，提供了一种风电场集电线路的保护方法，采用上述保护装置实施，上述保护方法包括：采集箱变与集电线路的模拟信号，上述模拟信号包括电流信号与电压信号；利用上述合并单元将上述模拟信号转化为数字信号；采用上述数字式保护单元比较上述数字信号与阈值信号，判断是否发出箱变的跳闸信号或集电线路的跳闸信号；以及当上述数字式保护单元发出箱变跳闸信号时，上述箱变一一对应接收上述箱变跳闸信号并执行跳闸，当上述数字式保护单元发出集电线路跳闸信号时，上述集电线路接收上述集电线路跳闸信号并执行跳闸。

进一步地，上述采用上述数字式保护单元比较上述数字信号与阈值信号，判断是否发出箱变的跳闸信号和/或集电线路的跳闸信号的步骤包括：计算各上述箱变的流入电流与流出电流的电流差值，当至少一个上述箱变的电流差值大于等于第一阈值时，发出对应上述箱变的跳闸信号和闭锁信号，并将上述集电线路的电流速断保护和集电线路限时电流速断保护闭锁；当各上述箱变的电流差值均小于上述第一阈值时，不发出上述箱变的跳闸信号和闭锁信号，并且当上述集电线路的速断电流大于等于第二阈值时，经过第一延时时间后，发出集电线路跳闸信号，当上述集电线路限时速断电流大于第三阈值时，经过第二延时时间后，发出集电线路跳闸信号。

进一步地，上述采用上述数字式保护单元比较上述数字信号与阈值信号，判断是否发出箱变的跳闸信号和/或集电线路的跳闸信号的步骤还包括：当集电线路流向箱变方向的电流大于等于第四阈值时，经过第三延时时间后，上述数字式保护单元发出上述集电线路跳闸信号。

应用本申请的保护装置，数字式保护单元对通过第一传输线路发送来的数字信号进行分析，分别判断各个箱变与集电线路是否需要跳闸，当某个箱变需要跳闸时，数字式保护单元将跳闸信号传送到对应的箱变终端设备中，其对箱变执行跳闸；当集电线路需要跳闸时，数字式保护单元将跳闸信号传送到集电线路终端设备中，并对集电线路执行跳闸。这样通过该保护装置能够准确地判断出是哪个设备出现了问题，并对该设备执行跳闸，避免了现有技术中的越级跳闸的现象。

附图说明

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

图1示出了本申请一种典型实施方式提出的一种风电场集电线路的保护装置的结构示意图；

图2示出了一种优选实施例提供的数字式保护单元的结构示意图；

图3示出了图2所示的数字式保护单元的逻辑图；

图4示出了一种优选实施例提供的风电场集电线路的保护装置结构示意图；

图5示出了一种优选实施例提供的风电场集电线路的保护装置结构示意图；以及

图6示出了一中典型实施方式提供的一种风电场集电线路的保护方法。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的现有技术中的风电场集电线路的保护装置不能从根本上避免集电线路保护越级跳闸事故的发生，为了解决如上问题，本申请提出了一种风电场集电线路的保护装置与方法。

本申请一种典型的实施方式中，提供了一种风电场集电线路的保护装置，该保护装置包括至少一个合并单元10、一个数字式保护单元30、至少一个箱变终端设备50与一个集电线路终端设备70。其中，合并单元10用来将从箱变与集电线路采集得到的模拟信号转化为数字信号；数字式保护单元30通过第一传输线路01与任意一个合并单元10电连接，用于判断上述箱变和/或上述集电线路是否需要跳闸，当上述箱变和/或上述集电线路需要跳闸时，发出对应的跳闸信号；箱变终端设备50通过第二传输线路03与上述数字式保护单元30相连接，用于接收上述跳闸信号，并对上述箱变下达跳闸命令；集电线路终端设备70通过上述第二传输线路03与上述数字式保护单元30相连接，用于接收上述跳闸信号，并对上述集电线路下达跳闸命令，图1示出了一种风电场集电线路的保护装置，该装置中包括一个合并单元10、一个数字式保护单元30、一个箱变终端设备50与一个集电线路终端设备70。

通过上述的保护装置，数字式保护单元30对通过第一传输线路01发送来的数字信号进行分析，分别判断各个箱变与集电线路是否需要跳闸，当某个箱变需要跳闸时，数字式保护单元30将跳闸信号传送到对应的箱变终端设备50中，其对箱变执行跳闸；当集电线路需要跳闸时，数字式保护单元30将跳闸信号传送到集电线路终端设备70中，并对集电线路执行跳闸。这样通过该保护装置能够准确地判断出是哪个设备出现了问题，并对该设备执行跳闸，避免了现有技术中的越级跳闸的现象。

本申请一种实施例中，上述第一传输线路01与第二传输线路03均为光纤。

为了扩大该保护装置的应用范围，本申请优选上述数字式保护单元30具有嵌入式IEC61850通信功能。

本申请的一种优选的实施例中，如图2所示，上述数字式保护单元30包括箱变差动保护模块31、集电线路电流速断保护模块33、集电线路限时电流速断保护模块35与集电线路方向过流保护模块37。也就是说集电线路通采用三段保护。

图3为数字式保护单元30的控制逻辑图，图中的“……”表示其它的未画出的箱变差动保护模块31，箱变差动保护模块31首先计算出各个箱变的流入电流与流出电流的电流差值，再将电流差值与第一阈值(即电流差值的阈值)作比较，根据比较的结果来判断是否需要发出箱变的跳闸信号。当有一个箱变的电流差值大于等于第一阈值时，箱变差动保护模块31发出对应的箱变跳闸信号，并将该跳闸信号传送到对应的箱变终端设备50中，并对对应的箱变执行跳闸，在箱变差动保护模块31发送跳闸信号的同时，还会发送闭锁信号，通过闭锁信号控制集电线路不执行跳闸(即使集电线路电流速断保护模块33与集电线路限时电流速断保护模块35发出跳闸信号，也不执行跳闸)。

当所有箱变的电流差值都小于第一阈值时，箱变差动保护模块31不发出箱变的跳闸信号和闭锁信号，这时，当集电线路判断出集电线路的速断电流大于等于第二阈值(即速断电流阈值)时，经过第一延时时间T1后，集电线路电流速断保护模块33发出集电线路跳闸信号并传输至集电线路终端设备70中，并使集电线路跳闸。本领域技术人员可以根据实际情况设置第一延时时间T1的大小，并且第一延时时间T1是按照躲开某一点的最大短路电流来整定，一般将第一延时时间T1设置为0s。集电线路电流速断保护模块33作为主保护，其优点是简单、可靠、动作迅速，但是它不能保护线路的全长。

当所有箱变的电流差值都小于第一阈值时，箱变差动保护模块31不发出箱变的跳闸信号和闭锁信号，这时，当集电线路限时速断电流保护模块35判断出上述集电线路限时速断电流大于等于第三阈值(即限时速断电流阈值)时，经过第二延时时间T2后，发出集电线路跳闸信号，并将其传输至集电线路终端设备70中，使集电线路跳闸。同样，本领域技术人员可以根据实际情况设置第二延时时间T2的大小。集电线路限时电流速断保护模块35可以保护线路用于切断本线路上集电线路电流速断保护模块33保护范围以外的故障，作为集电线路电流速断保护模块33的后备。第二延时时间T2是按照躲开下一级相邻元件电流速断保护的动作电流来整定。

集电线路方向过流保护模块37为集电线路及箱变充当总后备保护，当箱变断路器失灵时由其经过第三延时时间T3切除故障，第三延时时间T3一般是按照躲开最大负荷电流来整定，一般第三延时时间T3比第一延时时间T1与第二延时时间T2都要大。

为了更加高效准确地将从箱变与集电线路采集得到的模拟信号分别转化为箱变数字信号与集电线路数字信号，如图4所示，图中的“……”表示未画出的箱变和风机的合并单元11与箱变终端设备50。本申请优选上述保护装置包括箱变和风机的合并单元11与集电线路合并单元13。箱变和风机的合并单元11设置在箱变的就地控制柜内，集电线路合并单元13设置在集电线路室内保护柜中。

本申请的另一种优选的实施例中，上述保护装置还包括箱变断路器与集电线路断路器，上述箱变断路器设置在各上述箱变的高压侧，上述集电线路断路器设置在中压母线侧。这样通过箱变断路器就可以执行箱变跳闸，通过集电线路断路器就可以执行集电线路跳闸，更加方便地将箱变和集电线路执行跳闸。

一般将箱变断路器、箱变和风机的合并单元11与箱变终端设备50设置在一个设备箱中。

为了将跳闸信号与闭锁信号更加高效准确地传输到对应的箱变终端设备50中或集电线路终端设备70中，本申请优选上述保护装置还包括至少一个设置在上述第一传输线路01上的交换机，为了更加高效准确地将采集得到的模拟信号传输至数字式保护单元30中，优选上述保护装置包括设置在第二传输线路03上的至少一个交换机。

更优选地，如图5所示，保护装置中包括两个交换机，分别为第一交换机21与第二交换机23。并且两个交换机同时设置在第一传输线路01与第二传输线路03上。这样能够更进一步保证将跳闸信号与闭锁信号更加高效准确地传输到对应的箱变终端设备50或集电线路设备中，进一步保证将采集得到的模拟信号传输至数字式保护单元30中。

本申请一种优选的实施例中，上述交换机为SV与GOOSE共网的交换机，采用此结构，能够减少使用交换机数量。

为保证数据传输的可靠性，上述交换机的网络结果为双星型网络。

本申请另一种典型的实施方式中，提供了一种风电场集电线路的保护方法，如图6所示，该保护方法采用上述的保护装置实施，首先，采集箱变与集电线路的模拟信号，该模拟信号包括电流信号与电压信号；其次，利用上述合并单元将上述模拟信号转化为数字信号；再次，采用上述数字式保护单元比较上述数字信号与阈值信号，判断是否发出箱变的跳闸信号或集电线路的跳闸信号；最后，当上述数字式保护单元发出箱变跳闸信号时，上述箱变终端设备50一一对应接收上述箱变跳闸信号并使对应箱变执行跳闸，当上述数字式保护单元发出集电线路跳闸信号时，上述集电线路终端设备接收上述集电线路跳闸信号并使集电线路执行跳闸。

该方法通过单独判断是否发出箱变的跳闸信号，单独判断是否发出集电线路的跳闸信号来准确判断出具体需要发出哪一个设备的跳闸信号，进而对该设备执行跳闸。避免了现有的保护方法的越级跳闸问题的发生。

本申请的一种实施例中，上述采用上述数字式保护单元比较上述数字信号与阈值信号，判断是否发出箱变的跳闸信号和/或集电线路的跳闸信号的步骤包括：计算各上述箱变的流入电流与流出电流的电流差值，当至少一个上述箱变的电流差值大于等于第一阈值时，发出对应上述箱变的跳闸信号和闭锁信号，并将上述集电线路的电流速断保护和集电线路限时速断电流保护闭锁；当各上述箱变的电流差值均小于上述第一阈值时，不发出上述箱变的跳闸信号和闭锁信号，并且当上述集电线路的速断电流大于等于第二阈值(即速断电流阈值)时，经过第一延时时间后，发出集电线路跳闸信号，当上述集电线路限时速断电流大于等于第三阈值时(限时速断电流阈值)时，经过第二延时时间后，发出集电线路跳闸信号。

第一延时时间是按照躲开某一点的最大短路电流来整定，一般将第一延时时间设置为0s。第二延时时间是按照躲开下一级相邻元件电流速断保护的动作电流来整定。

为了避免箱变差动模块判断错误，导致错误跳闸的发生，本申请一种优选的实施例中，上述采用上述数字式保护单元比较上述数字信号与阈值信号，判断是否发出箱变的跳闸信号和/或集电线路的跳闸信号的步骤还包括：当集电线路方向电流大于上述第二阈值时，经过第三延时时间后，上述数字式保护单元发出上述集电线路跳闸信号。第三延时时间一般是按照躲开最大负荷电流来整定，一般第三延时时间比第一延时时间与第二延时时间都要大。

从以上的描述中，可以看出，本申请上述的实施例实现了如下技术效果：

1)、本申请的保护装置，数字式保护单元对通过第一传输线路发送来的数字信号进行分析，分别判断各个箱变与集电线路是否需要跳闸，当某个箱变需要跳闸时，数字式保护单元将跳闸信号传送到对应的箱变中，并对其执行跳闸；当集电线路需要跳闸时，数字式保护单元将跳闸信号传送到集电线路中，并对其执行跳闸。这样通过该保护装置能够准确地判断出是哪个设备出现了问题，并对该设备执行跳闸，避免了现有技术中的越级跳闸的现象。

2)、本申请中的保护方法通过单独判断是否发出箱变的跳闸信号，单独判断是否发出集电线路的跳闸信号来准确判断出具体需要发出哪一个设备的跳闸信号，进而对该设备执行跳闸。避免了现有的保护方法的越级跳闸问题的发生。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种风电场集电线路的保护装置，其特征在于，所述保护装置包括：

至少一个合并单元(10)，用来将从箱变与集电线路采集得到的模拟信号转化为数字信号；

一个数字式保护单元(30)，通过第一传输线路(01)与至少一个所述合并单元(10)电连接，用于判断所述箱变和/或所述集电线路是否需要跳闸，当所述箱变和/或所述集电线路需要跳闸时，发出对应的跳闸信号；

至少一个箱变终端设备(50)，通过第二传输线路(03)与所述数字式保护单元(30)相连接，用于接收所述跳闸信号，并对所述箱变下达跳闸命令；以及

一个集电线路终端设备(70)，通过所述第二传输线路(03)与所述数字式保护单元(30)相连接，用于接收所述跳闸信号，并对所述集电线路下达跳闸命令。

2.根据权利要求1所述的保护装置，其特征在于，所述数字式保护单元(30)具有嵌入式IEC61850通信功能。

3.根据权利要求1所述的保护装置，其特征在于，所述数字式保护单元(30)包括箱变差动保护模块(31)、集电线路电流速断保护模块(33)、集电线路限时电流速断保护模块(35)与集电线路方向过流保护模块(37)。

4.根据权利要求1所述的保护装置，其特征在于，所述保护装置包括箱变和风机的合并单元(11)与集电线路合并单元(13)。

5.根据权利要求1所述的保护装置，其特征在于，所述保护装置还包括箱变断路器与集电线路断路器，所述箱变断路器设置在各所述箱变的高压侧，所述集电线路断路器设置在中压母线侧。

6.根据权利要求1所述的保护装置，其特征在于，所述保护装置还包括至少一个交换机，所述交换机设置在所述第一传输线路(01)和/或所述第二传输线路(03)上。

7.根据权利要求6所述的保护装置，其特征在于，所述保护装置包括两个交换机。

8.根据权利要求7所述的保护装置，其特征在于，所述交换机为SV与GOOSE共网的交换机。

9.一种风电场集电线路的保护方法，其特征在于，采用权利要求1至8中任一项的所述保护装置实施，所述保护方法包括：

采集箱变与集电线路的模拟信号，所述模拟信号包括电流信号与电压信号；

利用所述合并单元将所述模拟信号转化为数字信号；

采用所述数字式保护单元比较所述数字信号与阈值信号，判断是否发出箱变的跳闸信号或集电线路的跳闸信号；以及

当所述数字式保护单元发出箱变跳闸信号时，所述箱变一一对应接收所述箱变跳闸信号并执行跳闸，当所述数字式保护单元发出集电线路跳闸信号时，所述集电线路接收所述集电线路跳闸信号并执行跳闸。

10.根据权利要求9所述的保护方法，其特征在于，所述采用所述数字式保护单元比较所述数字信号与阈值信号，判断是否发出箱变的跳闸信号和/或集电线路的跳闸信号的步骤包括：

计算各所述箱变的流入电流与流出电流的电流差值，当至少一个所述箱变的电流差值大于等于第一阈值时，发出对应所述箱变的跳闸信号和闭锁信号，并将所述集电线路的电流速断保护和集电线路限时电流速断保护闭锁；以及

当各所述箱变的电流差值均小于所述第一阈值时，不发出所述箱变的跳闸信号和闭锁信号，并且当所述集电线路的速断电流大于等于第二阈值时，经过第一延时时间后，发出集电线路跳闸信号，当所述集电线路限时速断电流大于第三阈值时，经过第二延时时间后，发出集电线路跳闸信号。

11.根据权利要求10所述的保护方法，其特征在于，所述采用所述数字式保护单元比较所述数字信号与阈值信号，判断是否发出箱变的跳闸信号和/或集电线路的跳闸信号的步骤还包括：

当集电线路流向箱变方向的电流大于等于第四阈值时，经过第三延时时间后，所述数字式保护单元发出所述集电线路跳闸信号。