CN106199330A

CN106199330A - 一种海上风电场集电线路故障定位系统和方法

Info

Publication number: CN106199330A
Application number: CN201610465622.0A
Authority: CN
Inventors: 吴仕平; 李永国; 葛军; 魏世贵; 许波
Original assignee: NARI Nanjing Control System Co Ltd
Current assignee: NARI Nanjing Control System Co Ltd
Priority date: 2016-06-24
Filing date: 2016-06-24
Publication date: 2016-12-07
Anticipated expiration: 2036-06-24
Also published as: CN106199330B

Abstract

本发明公开一种海上风电场集电线路故障定位系统和方法，系统根据风机箱变接入点在海上风电场集电线路的上设置电流互感器，同时利用多个终端单元采集箱变高压侧CT、集电线路上的CT电流数据，然后在升压站站端故障定位智能单元进行处理和判别，最终得到故障定位结果。在数据处理过程中，利用网络传输模型确定不同电流终端单元的时差，然后通过插值计算对数据进行同步处理修正；再利用差动保护原理进行故障的判别时，提出三折线差动保护的判据，能躲过正常时的不平衡电流以及CT饱和的情况，判断差动电流和制动电流的关系，确定出故障区域。因此本发明能对海上风电场集电线路故障迅速定位，在保护跳闸的同时，判断出故障区。

Description

一种海上风电场集电线路故障定位系统和方法

技术领域

本发明涉及风电场安全运行技术领域，特别是一种海上风电场集电线路故障定位系统和方法。

背景技术

参考说明书附图图1所示，海上风电场集电线路一般采用一条线路每隔一段距离并接一台风力发电机，每台风力发电机配置1台箱式变压器的接线方式。集电线路与升压站35kV母线之间装设断路器DL，各风机箱变之间的联络线路装设负荷开关QL。当集电线路发生故障时，由安装在断路器处的保护装置跳开断路器以隔离故障。

目前，对集电线路故障区域的定位主要有以下几种方案：

一种是阻抗法，即直流电桥法。该方法精确度较高，但接线较为复杂，只能用于低阻故障测距；

一种为行波法，行波法包括低压脉冲反射法、脉冲电压法和脉冲电流法等。对集电线路的低阻性接地和短路故障，在集电线路测试端注入低压脉冲信号，根据脉冲信号在集电线路中的传播速度和反射波的返回时间，来确定故障点到测试端的距离。对高阻性故障，因在低电压的脉冲作用下仍呈现很高的阻抗，使反射波不明显甚至无反射，需配置高压发生器，对故障集电线路施加一定的直流高压或交流冲击高压使其放电击穿，形成闪络电弧，然后再注入低压脉冲信号，利用闪络电弧形成瞬间短路产生的反射波进行测试。这种方法受环境因素影响较大，只能在完全停电之后测试，故障点查找较慢，故障的修复时间较长，不利于集电线路快速恢复供电。另外对于高阻性故障，现有技术需配高压发生器，这使得现场操作存在安全隐患；

也有利用光纤感温电缆测量温度的原理，对故障的集电线路实现在线定位，但这种方法需要在集电线路全线铺设感温电缆，对集电线路一次电缆的生产制造、施工有特殊要求，施工复杂，经济性比较差；

还有一种方法是人为的先将集电线路上所有负荷开关拉开，然后逐级试合，直到断路器跳开为止，此方法虽然不需要任何设备的配合，完全靠人工寻找故障区域，人力物力投入大，效率低下、耗时长，不利于风机并网发电。

发明内容

本发明的目的是，提供一种海上风电场集电线路故障定位系统和方法，以方便、快捷的对海上风电场集电线路故障区域进行定位。

本发明采取的技术方案具体为：一种海上风电场集电线路故障定位系统，海上风电场集电线路上并接有多个分别通过箱式变压器连接集电线路的风力发电机；相邻风机箱变之间的联络线路上分别设置有负荷开关；集电线路与升压站电力母线之间装设有断路器；

海上风电场集电线路故障定位系统包括升压站站端故障定位智能单元，多个电流终端单元，设置于各风机箱变高压侧出线上的箱变高压侧CT，以及风机箱变与升压站电力母线之间或相邻风机箱变之间的联络线路上分别设置的联络线路CT；升压站站端故障定位智能单元与各电流终端单元之间通过网络连接通信；

根据各风机箱变接入的位置，将集电线路分为不同的节点区域，各节点区域为由各风机箱变高压侧CT与相应风机箱变两侧联络线路上的联络线路CT，所围成的集电线路区域；

电流终端单元采集各节点区域中箱变高压侧CT和两个联络线路CT的感应电流数据，并将采集到的数据传输至升压站站端故障定位智能单元。

优选的，本发明中升压站及各风机箱变接入点分别对应设置有一个电流终端单元，位于升压站的电流终端单元采集第一级节点区域连接升压站一侧联络线路上的联络线路CT的感应电流；位于各风机箱变接入点的电流终端单元分别采集各相应节点区域的箱变高压侧CT，和该节点区域连接下一级节点区域一侧的联络线路CT的感应电流。

优选的，本发明中升压站站端故障定位智能单元与各电流终端单元之间的通信利用光纤环网实现。

本发明依据的原理为：在集电线路中，任何时刻，对任何区域可以看成是一个节点，所有流出节点的支路电流的相量和等于零。正常运行时，在每个区域中，电流相量和总为零，当区域中发生故障时，故障区域中电流相量和不再为零，此电流称为差动电流，也形成本发明的差动电流判据。即当某个区域存在故障时，故障所在区域内所有支路的电流相量和形成的差动电流达到一定数值并且集电线路保护动作，即可认为故障发生在本区域。对于本发明来说，各节点区域包含三条支路，即箱变高压侧出线，和该节点区域连接两侧相邻节点区域的联络线路。

基于上述系统，本发明海上风电场集电线路故障定位方法包括以下步骤：

步骤一，将海上风电场同一条集电线路分为若干个节点区域，定义从集电线路连接升压站电力母线的一侧开始，节点区域依次为G1、G2…Gn区域，电流终端单元依次为电流终端单元0至电流终端单元n；Gn区域对应第n个箱变接入点；

定义1≤i≤n，对于Gi区域，电流终端单元i-1采集Gi区域连接G(i-1)区域或升压站一侧的联络线路CT的感应电流；电流终端单元i采集Gi区域中箱变高压侧CT，和Gi区域连接G(i+1)区域一侧的联络线路CT的感应电流；其中电流终端单元n仅采集位于集电线路末端的Gn区域中箱变高压侧CT的感应电流；

定义通过电流终端单元i和电流终端单元i-1采集到的Gi区域中箱变高压侧CT电流数据和两个联络线路CT电流模拟信号，分别为I_Gi1、I_Gi2和I_G(i-1)2；其中，视位于集电线路末端的Gn区域的I_Gn2值为0；

步骤二，进行模数转换，将各区域采集到的电流模拟信号I_Gi1、I_Gi2和I_G(i-1)2转换为数字信号i_Gi1、i_Gi2和i_G(i-1)2，然后上送至升压站站端故障定位智能单元进行处理；对于电流数字信号的处理包括步骤：

2.1对于任意Gi区域，以电流终端单元i的采样时间为基准，对该节点区域内电流i_Gi1、i_Gi2和i_G(i-1)2进行时间同步计算，然后通过傅里叶变换得到时间同步后各电流数据对应的有效值I_Gi1、I_Gi2和I'_G(i-1)2；

2.2基于电流有效值I_Gi1、I_Gi2和I'_G(i-1)2，计算各区域内的差动电流和制动电流：

I_di＝|I’_G(i-1)2+I_Gi1+I_Gi2|

I_ri＝0.5(|I'_G(i-1)2|+|I_Gi1|+|I_Gi2|)

其中，I_di为差动电流，I_ri为制动电流；

步骤三，升压站站端故障定位智能单元根据每个节点区域内差动电流和制动电流数据，对集电线路故障进行定位：

定义差动电流启动值1为I_di>、差动电流启动值2为I_di>>，和差动制动系数K1、K2，由上述所得区域Gi的差动电流和制动电流，考虑正常运行时的不平衡电流以及CT饱和时的情形，电流差动动作三折线特性方程如下：

I_di>(I_di>) I_ri≤Kb₁Ie

I_di-(I_di>)>K1*(I_ri-Kb₁Ie) Kb₁Ie<I_ri≤Kb₂Ie

I_d2-(I_d2>)-K1*(Kb₂-Kb₁)Ie>K2*(I_ri-Kb₂Ie) I_r2>Kb₂Ie

其中，Ie为二次额定电流，Kb₁Ie、Kb₂Ie为动作特性曲线的起始点；

电流差动动作三折线上方为保护动作区；

当集电线路保护跳闸，且站端定位智能单元获取的Gi区域的差动电流和制动电流满足上述电流差动动作三折线上方规定的保护动作区，则确定当前故障位于Gi区域内。

上述步骤三中，I_d2>为差动电流启动值1，主要考虑躲过正常运行时的不平衡电流，取0.2～0.5倍Ie；I_d2>>为差动电流启动值2，一般取6倍Ie；差动制动系数K1、K2可分别取0.50、0.70，Kb₁Ie、Kb₂Ie为动作特性曲线的起始点，Kb₁Ie取值为0.6～1.0倍Ie，Kb₂Ie取5.00倍Ie。每个节点区域内，各CT的二次额定电流一般相同。

进一步的，本发明步骤二中，步骤2.1对Gi区域内电流I_Gi1、I_Gi2和I_G(i-1)2进行时间同步计算方法为：

2.1.1对于Gi区域，基于网络传输模型，确定获取来自电流终端单元i-1与电流终端单元i采集于同一时刻电流数据的时间差Δt：

2.1.2以电流终端单元i的采样时刻为基准点，将终端单元i-1的采样电流数据值经线性插值计算，换算到基准点时刻上来：

定义时间同步前电流终端单元i-1的I_G(i-1)2的第k个采样值记为i_G(i-1)2k，第k+1个采样值记为i_G(i-1)2(k+1)，则同步后电流终端单元i-1的第k个采样值为：

{i_{G (i - 1) 2 k}}^{'} = i_{G (i - 1) 2 k} + \frac{i_{G (i - 1) 2 (k + 1)} - i_{G (i - 1) 2 k}}{T s} \times Δ t - - - (4)

上式中，Ts是采样周期；i_G(i-1)2'即为Gi区域中电流i_G(i-1)2的同步后电流。

更进一步的，步骤2.1.1中基于网络传输模型，来自电流终端单元i-1与电流终端单元i采集于同一时刻电流数据的时间差Δt满足以下数学模型：

\{\begin{matrix} T_{2} = T_{1} + Δ t + t_{1} \\ T_{4} = T_{3} - Δ t + t_{2} \\ θ = t_{1} + t_{2} \end{matrix}

其中：T1为终端单元i-1发送查询请求时间；T2为终端单元i收到查询请求时间；T3为终端单元i回复时间信息包时间；T4为终端单元i-1收到时间信息包时间；t1为请求信息在网络上传播所消耗的时间；t2为回复请求信息在网络上传播所消耗的时间；θ为总的网络延时；T1、T2、T3、T4为已知量；

由于请求和回复在网络上传播时间相同，即t1＝t2，则可解得：

\{\begin{matrix} Δ t = \frac{(T_{2} - T_{1}) - (T_{4} - T_{3})}{2} \\ θ = (T_{2} - T_{1}) + (T_{4} - T_{3}) \end{matrix} .

有益效果

本发明通过在海上风电场集电线路的各箱变节点上设置电流互感器，同时利用多个终端单元采集箱变高压侧CT、集电线路上的CT电流数据，然后在升压站升压站站端故障定位智能单元进行处理和判别，最终得到故障定位结果。

在数据处理过程中，本发明利用网络传输模型确定不同电流终端单元的时差，然后通过插值计算，对数据进行同步处理修正；在利用差动保护原理进行故障的判别时，本发明将所划分的区域内各支路电流进行相量相和以及矢量和计算，得到各个区域的差动电流和制动电流，提出三折线差动保护的判据，能躲过正常时的不平衡电流以及CT饱和的情况，判断差动电流和制动电流的关系，确定出故障区域。

因此，本发明能对海上风电场集电线路故障迅速定位，在保护跳闸的同时，判断出故障区，不需要额外的定位工作，保障故障迅速排查与清除，解决了海上风电场集电线路故障查找难度大的问题不同于其他定位方法在事故跳闸后再进行故障定位；且本发明实时计算各个区域的差动电流，在集电线路发生故障时，故障定位智能单元就定位到故障区域，实现起来方便、快捷；大大节省了维护成本，提高了风机并网发电效率。

附图说明

图1所示为海上风电场集电线路故障定位系统结构示意图；

图2所示为海上风电场集电线路故障区域差动电流分析图；

图3所示为网络传输模型示意图；

图4所示为不同终端单元电流数据同步示意图

图5所示为集电线路三折线电流差动动作特性示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例进一步描述。

参考图1，海上风电场集电线路包括多个相互并接，并分别通过箱式变压器连接集电线路的风力发电机，即风机箱变；集电线路通过断路器DL连接升压站35KV电力母线；相邻风机箱变之间的联络线路上分别设置有负荷开关QL1-QLn；集电线路与升压站电力母线之间装设有断路器；各箱变高压侧出线与两侧联络线路之间通过母排连接；

系统实施例

参考图1所示，本发明中升压站及各风机箱变接入点分别对应设置有一个电流终端单元，位于升压站的电流终端单元采集第一级节点区域连接升压站一侧联络线路上的联络线路CT的感应电流；位于各风机箱变接入点的电流终端单元分别采集各相应节点区域的箱变高压侧CT，和该节点区域连接下一级节点区域一侧的联络线路CT的感应电流。

本发明依据的原理为：根据基尔霍夫电流定律(KCL)，在集电线路中，任何时刻，对任何区域可以看成是一个节点，所有流出节点的支路电流的相量和等于零。正常运行时，在每个区域中，电流相量和总为零，当区域中发生故障时，故障区域中电流相量和不再为零，此电流称为差动电流，也形成本发明的差动电流判据。参考图2，如Gi区域的F1处或F2处发生故障时，故障所在区域即Gi区域中的电流相量和不再为零，形成的差动电流达到一定数值并且集电线路保护动作，即可认为故障发生在本区域。对于本发明来说，各节点区域包含三条支路，即箱变高压侧出线，和该节点区域连接两侧相邻节点区域的联络线路。

本发明方法为，首先将海上风电场集电线路根据风机箱变接入点分为多个节点区域，然后利用多个终端单元采集各节点区域内箱变高压侧CT、联络线路CT的电流数据，再对采集到的电流数据进行时间同步处理，和傅里叶变换，得到电流有效值；最后基于得到的电流有效值，利用差动保护原理进行故障的判别时，进而确定故障区域。

实施例

按照风机箱变的安装位置，以附图1、2为例，将一条海上风电场集电线路划分为若干个区域，即区域G1、G2…Gn；电流终端单元0采集1号风机箱变接入点与35KV母线之间联络线路上的联络线路CT电流I_G02，电流终端单元1采集1号风机接点箱变高压侧电流I_G11、集电线路侧电流I_G12，终端单元2采集2号风机接点箱变高压侧电流I_G21、集电线路侧电流I_G22，依次类推，终端单元n采集n号风机接点箱变高压侧电流I_Gn1、集电线路侧电流I_Gn2。各电流终端单元通过模数转换，将采集到的电流模拟信号转换为数字信号，通过光纤环网将数据传输至升压站故障定位智能单元，便于对本条集电线路所有物理参数的统一处理。电流终端单元采用现有的具有电流采集、模数转换和数据通信传输功能的电流采集模块。

基于所采集的一条集电线路完整电流数据，对于Gi节点区域进行处理判别时，对于来自终端单元i-1和终端单元i的数据，存在采样时差，为了获知这一时差，终端单元i-1和终端单元i之间进行时间信息的交互，结合附图3的网络传输模型，来自电流终端单元i-1与电流终端单元i采集于同一时刻电流数据的时间差Δt满足以下数学模型：

\{\begin{matrix} T_{2} = T_{1} + Δ t + t_{1} \\ T_{4} = T_{3} - Δ t + t_{2} \\ θ = t_{1} + t_{2} \end{matrix}

\{\begin{matrix} Δ t = \frac{(T_{2} - T_{1}) - (T_{4} - T_{3})}{2} \\ θ = (T_{2} - T_{1}) + (T_{4} - T_{3}) \end{matrix} .

上述步骤确定时间差Δt后，对不同终端单元上送的电流数据进行数据同步，结合附图4，以节点区域G2为例，用于采集G2区域内三个CT电流的为电流终端单元1和2，同步算法即是以终端单元2的采样时刻为基准点，将终端单元1的采样值经过线性插值计算换算到基准点的时刻上来；

时间同步前电流终端单元1的对应I_G12的第k个采样值记为i_G12k，第k+1个采样值记为i_G12(k+₁₎，则同步后电流终端单元1的第k个采样值为：

{i_{G 12 k}}^{'} = i_{G 12 k} + \frac{i_{G 12 (k + 1)} - i_{G 12 k}}{T s} \times Δ t

上式中，Ts是采样周期；i_G12'即为G2区域中电流iG12的同步后电流。

经过数据同步后，再通过现有傅里叶变换算法计算各支路电流的有效值，进而得到终端单元1采集到的电流对应的电流有效值I'_G12，与终端单元2采集到的两个支路的电流数据有效值I_G21、I_G22，按照以下相量和以及矢量和计算公式，分别计算区域G2内的差动电流I_d2、制动电流I_r2：

I_d2＝|I’_G12+I_G21+I_G22|

I_r2＝0.5(|I'_G12|+|I_G21|+|I_G22|)

由上述所得区域G2的差动电流和制动电流，根据附图5所示，考虑正常运行时的不平衡电流以及CT饱和时的情形，电流差动动作三折线特性方程如下：

I_d2>(I_d2>) I_r2≤Kb₁Ie

I_d2-(I_d2>)>K1*(I_r2-Kb₁Ie) Kb₁Ie<I_r2≤Kb₂Ie

I_d2-(I_d2>)-K1*(Kb₂-Kb₁)Ie>K2*(I_r2-Kb₂Ie) I_r2>Kb₂Ie

其中，其中，Ie为CT的二次额定电流，一般同一区域内三个CT的二次额定电流相等；I_d2>为差动电流启动值1，主要考虑躲过正常运行时的不平衡电流，取0.2～0.5倍Ie；I_d2>>为差动电流启动值2，一般取6倍Ie。K1、K2为差动制动系数,分别取0.50、0.70，Kb₁Ie、Kb₂Ie为动作特性曲线的起始点，Kb₁Ie取值为0.6～1.0倍Ie，Kb₂Ie取5.00倍Ie；图中阴影部分为保护动作区。

当故障出现在G2区域内时，对于其他区域，由于区域内没有故障，差动电流为0，不会动作；当由于互感器本身的误差不一致导致的不平衡电流较大时，提高电流起动值I_d2>即可，当区外故障出现电流互感器饱和的情况，此时制动电流I_r2会同步增大，差动的判据将会采用Kb₁Ie、Kb₂Ie段的特性曲线。当集电线路保护跳闸，同时故障定位智能单元所得数据满足上述步骤所描述的动作区，即可确定当前故障位于集电线路的G2区域内。其他区域的方法同以上步骤，本方法不局限于G2区域，适用于附图1所示集电线路上的每个区域。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种海上风电场集电线路故障定位系统，海上风电场集电线路上并接有多个分别通过箱式变压器连接集电线路的风力发电机；相邻风机箱变之间的联络线路上分别设置有负荷开关；集电线路与升压站电力母线之间装设有断路器；其特征是，

2.根据权利要求1所述的海上风电场集电线路故障定位系统，其特征是，升压站及各风机箱变接入点分别对应设置有一个电流终端单元，位于升压站的电流终端单元采集第一级节点区域连接升压站一侧联络线路上的联络线路CT的感应电流；位于各风机箱变接入点的电流终端单元分别采集各相应节点区域的箱变高压侧CT，和该节点区域连接下一级节点区域一侧的联络线路CT的感应电流。

3.基于权利要求1或2所述的海上风电场集电线路故障定位系统的故障定位方法，其特征是，包括以下步骤：

2.1对于任意Gi区域，以电流终端单元i的采样时间为基准，对该节点区域内电流i_Gi1、i_Gi2和i_G(i-1)2进行时间同步计算，然后通过傅里叶变换得到时间同步后各电流数据对应的有效值I_Gi1、I_Gi2和I’_G(i-1)2；

2.2基于电流有效值I_Gi1、I_Gi2和I′_G(i-1)2，计算各区域内的差动电流和制动电流：

I_di＝|I′_G(i-1)2+I_Gi1+I_Gi2|

I_ri＝0.5(|I’_G(i-1)2|+|I_Gi1|+|I_Gi2|)

其中，I_di为差动电流，I_ri为制动电流；

I_di>(I_di>) I_ri≤Kb₁Ie

I_di-(I_di>)>K1*(I_ri-Kb₁Ie) Kb₁Ie<I_ri≤Kb₂Ie

I_d2-(I_d2>)-K1*(Kb₂-Kb₁)Ie>K2*(I_ri-Kb₂Ie) I_r2>Kb₂Ie

电流差动动作三折线上方为保护动作区；

4.根据权利要求3所述的方法，其特征是，步骤二中，步骤2.1对Gi区域内电流I_Gi1、I_Gi2和I_G(i-1)2进行时间同步计算方法为：

{i_{G (i - 1) 2 k}}^{'} = i_{G (i - 1) 2 k} + \frac{i_{G (i - 1) 2 (k + 1)} - i_{G (i - 1) 2 k}}{T s} \times Δ t - - - (4)

5.根据权利要求3所述的方法，其特征是，步骤2.1.1中基于网络传输模型，来自电流终端单元i-1与电流终端单元i采集于同一时刻电流数据的时间差Δt满足以下数学模型：

\{\begin{matrix} T_{2} = T_{1} + Δ t + t_{1} \\ T_{4} = T_{3} - Δ t + t_{2} \\ θ = t_{1} + t_{2} \end{matrix}

\{\begin{matrix} Δ t = \frac{(T_{2} - T_{1}) - (T_{4} - T_{3})}{2} \\ θ = (T_{2} - T_{1}) + (T_{4} - T_{3}) \end{matrix} .