CN106786427A - 基于波形相关的风电场集电线路电流保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于波形相关的风电场集电线路电流保护方法，包括以下步骤，首先采集风电场内各条集电线路保护安装处的三相电流。进行滤波处理，并编程提取各相故障分量电流。根据故障分量电流计算集电线路间的各相相关系数，两两遍历。若某相的相关系数属于(0,1]，则两条集电线路的所述相均未发生故障，将其记作线路i、线路j；若该相的相关系数不属于(0,1]，则有且仅有一条集电线路的所述相发生故障，将其记作线路u、线路v；此时当线路u、线路j间的该相相关系数属于(0,1]时，则集电线路u的所述相未发生故障，集电线路v的所述相发生故障，而当线路u、线路j间的该相相关系数不属于(0,1]时，则集电线路u的所述相发生故障，集电线路v的所述相未发生故障。

Description

基于波形相关的风电场集电线路电流保护方法

技术领域

本发明属于电力系统继电保护技术领域，特别涉及一种基于波形相关的风电场集电线路电流保护方法。

背景技术

我国风电发展具有独特的发展模式，多为大规模集中开发、远距离外送模式。这种发展模式导致风电对电网的影响不容忽视，随着风电装机容量的不断增加，风电并网引发的问题越来越突出。近年来甘肃酒泉等风电基地发生了多起大规模风电连锁脱网事故，导致电网损失大量出力，影响电力系统的安全稳定运行。事故调查显示，大规模风电场连锁脱网事故多由风电场内轻微故障的非及时清除而引发。由此可见，风电场场内保护的性能对保证风电并网系统的安全稳定运行至关重要，亟待解决。风电场装机容量不断增加，风电机组故障特性复杂多变，场内集电线路距离长、回路数多且同一条集电线路上有多台风电机组分散接入，这导致集电线路的故障概率大、故障特性更加复杂多变，简单地沿用配电系统的继电保护配置方案已无法满足要求。

图1所示为风电场典型网架结构。各台双馈风电机组(DFIG)按照就近原则分组由集电线路汇集至35kV集电母线，再经升压变压器升压至220kV，最后经送出线向电网供电。该风场中共m条集电线路，每台风电机组采用单元接线方式连接箱式变压器。风电场在35kV母线处接入接地变压器，人为引入中性点，以实现风电场的有效接地。参考《西北电网风电场继电保护配置及整定技术规范》，集电线路所采用的三段式过流保护的整定原则为：I段按本线路末端故障，保护有足够的灵敏度整定，时间取为0s；II段按躲过本线路最大负荷电流整定，时间比I段多0.3s；III段视具体情况整定，可不采用。箱变高压侧配备有熔断器和隔离开关作为箱变本体及低压侧故障的保护，箱变低压侧不配备专门的保护装置。现以风电场集电线路为研究对象，分析按照配电网配置的集电线路电流保护的适应性，主要结论如下：

(1)1条集电线路上分散接有多台DFIG，且每台DFIG高压侧仅配备熔断器保护，导致集电线路保护与箱变的熔断器保护配合十分困难，箱变高压侧故障时，集电线路的过流I段保护会越级跳闸。

(2)某集电线路故障时，非故障集电线路上风电机组提供的低穿电流可能大于负荷电流，导致无方向元件的过流II段误动作。

(3)为解决(2)中过流II段误动作的问题，通过增加方向元件来判别方向。但风电机组等效序阻抗的变化破坏了传统故障分量方向元件的最佳应用环境。风电机组与常规电源存在很大差异，尤其是采用异步发电机和电力电子装置相结合的双馈风电机组，其故障特性十分复杂。故障期间风电电源等效正、负序阻抗受风电机组的故障暂态策略控制，阻抗相角可能发生较大变化，进而可能导致故障分量方向元件灵敏性不足或误判。因此问题(2)并未得到实质上的解决。

基于以上分析可知，寻求一种适用于风电场集电线路保护的继电保护配置与整定方法，对兼顾风机安全与系统可靠性具有重要意义。针对过流I段保护与熔断器保护的配合问题已有较多研究，因此本发明重点研究集电线路的过流II段保护方法。

发明内容

本发明的目的是针对上述风电场集电线路中传统保护配置方案的适应性问题，提出一种基于波形相关的风电场集电线路电流保护方法。

所述保护方法的分析过程如下：

(1)相关技术是信号处理的基本方法，主要用来研究两个信号波形之间的相似或相依程度，在电力系统中得到广泛应用。相关系数是其主要衡量指标。

设x(n)和y(n)是两个信号序列，定义两信号对应数据的乘积之和为互相关函数r_xy，即：

上式除以x(n)，y(n)各自能量乘积的开平方，得到归一化相关系数：

根据Schwartz不等式，有

|ρ_xy|≤1

当x(n)＝k·y(n),k∈N⁺时，ρ_xy＝1，两信号完全正相关，波形完全相同；当x(n)＝-k·y(n),k∈N⁺时，ρ_xy＝-1，两信号完全负相关，波形完全相反；当x(n)，y(n)完全不相关时，ρ_xy＝0；当x(n)，y(n)有某种程度的相关时，ρ_xy在[-1,1]之间取值。由此相关系数ρ_xy可以用来表征两信号x(n)，y(n)之间的相似程度。

(2)图2为风电场内故障示意图，电流正方向指向被保护元件。根据图2，分析不同位置故障时各条集电线路电流方向的相关性。系统正常运行时各条集电线路向电网输送电流，电流方向为负。记表示取电流矢量的方向，Dr为Direction的简写，正方向时负方向时

k₁点故障时， 与负相关，与负相关，与正相关；

k₂点故障时， 与负相关，与正相关，与负相关；

k₃点故障时， 与正相关，与负相关，与负相关；

k₄点故障或系统正常运行时， 两两正相关。

其中， 分别为集电线路1、集电线路2和集电线路3的故障分量电流。

由以上分析可知，故障线路的故障分量电流方向为正，非故障线路的故障分量电流方向为负；故障线路与非故障线路的故障分量电流负相关，非故障线路与非故障线路的故障分量电流正相关。注：多条线路同时故障的概率很小，本发明不予考虑。

(3)结合双馈风电机组的故障特性，根据图2，分析各集电线路间电流波形的相关性。

所述风电机组的故障特性分析如下：

当机端发生故障时，电网要求DFIG具有低电压穿越能力，在低电压穿越期间，根据电压跌落程度的不同，DFIG处于撬棒投入或变流器控制作用下。根据电机理论可知，DFIG将产生衰减非周期电流分量(以下简称衰减直流分量)，且衰减直流分量的幅值与电压跌落程度有关。衰减直流分量与周期分量叠加，将改变电流波形甚至导致瞬时电流符号的改变。图3给出了不同电压跌落程度下一条集电线路上所有风机提供的低电压穿越电流总和的波形。

分析图3可知，对称故障时电压跌落程度不同，故障暂态电流的对称程度不同。周期分量的幅值与电压跌落程度有关，电压跌落越深，周期分量幅值越小，如图3(a)机端电压完全跌落时，故障后定子电压为零，则基频分量基本不存在，只存在直流衰减分量和转速频率衰减分量，波形明显不对称。随着电压跌落程度的降低，周期分量幅值增大，直流分量的相对占比减小，波形对称性逐渐变好。故障暂态期间，电压跌落较严重时，直流分量使得原本以0.02s周期变化的波形在长时间内维持符号不变，继而影响(2)中电流方向的判别。

虽然电压跌落程度较浅时，故障暂态后期的波形周期性更好，但针对电压严重跌落情况下，如图3(a)中故障暂态的第一个周波内波形周期性却更好，这主要是因为此时稳态基频分量很小，而衰减转速频率分量的存在能够部分抵消直流分量。因此为弱化直流分量的影响，使得方案具有普适性，本发明选取故障后第一个周波内的波形数据。

基于以上分析，我们选取故障后第一个周波内的电流波形做相关性，为进一步明确方向、避免负荷电流的影响，本发明选取故障后一个周波的故障分量电流。

根据图4所示的k₁点故障时短路电流流向图知，故障集电线路的短路电流＝系统提供的短路电流+所有非故障集电线路提供的低穿电流，即

Δi₁＝-Δi₂-Δi₃-Δi₄

非故障集电线路的短路电流＝本线路上所有风电机组提供的低穿电流。系统提供的工频短路电流幅值一般远大于非故障集电线路提供的低穿电流，因此故障集电线路中直流分量占比相对较小。因此故障集电线路和非故障集电线路的故障全电流在幅值和波形上将差别很大，见图5。图5给出了k₁点发生三相故障时集电线路1和2的故障全电流波形图。

图6给出了k₁点发生三相故障时集电线路1和2的故障分量电流波形图。分析图6知故障后第一周波内的故障分量电流波形并非完全相同或相反，接下来用相关系数来定量分析集电线路间故障分量电流的正相关或负相关程度。

根据定义计算集电线路间故障分量电流的相关系数，两两遍历，共种组合。其中m为同一风电场内集电线路的总条数。图7给出了含3条集电线路的风电场内故障分量电流的相关系数，(a)为集电线路1和集电线路2，(b)为集电线路1和集电线路3，(c)为集电线路2和集电线路3。图7说明非故障集电线路与非故障集电线路的故障分量电流波形正相关，相关系数约为1；故障集电线路与非故障集电线路的故障分量电流波形负相关，相关系数约为-0.801。

考虑到风电故障电流的复杂性和其他各种因素的影响，故障线路与非故障线路对应的相关系数判据为

-1≤ρ(故障线路，非故障线路)≤0

非故障线路与非故障线路对应的相关系数判据为

0<ρ(故障线路，非故障线路)≤1

综上所述，可根据集电线路间电流波形的相关系数选出故障线路，且该方案具有自然选相功能，能够自然识别出故障线路的故障相，进而切除故障。

(4)根据(3)所述的集电线路间故障分量电流的相关特征，本发明提出一种基于波形相关的风电场集电线路电流保护方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、采集同一风电场内所有集电线路出口的三相电流数据(记为x₁(n),x₂(n),…,x_m(n))，经数据同步后发送给集电线路保护。电流由母线流向线路为正方向。

步骤2、进行数据预处理，对采集得到的电流数据进行低通滤波，接着按照微机继电保护算法编程获得各相的故障分量电流Δx_1s(n),Δx_2s(n),…，Δx_ms(n)。其中，s可取a、b或c，分别代表a相、b相和c相。

步骤3、求解每两条集电线路间相同相的故障分量电流的相关系数，其特征在于，相关系数的具体方法为

将1周波故障分量电流的采样信号等周期延拓，形成2周波的观察窗。计算数据窗取为1周期，则两故障分量电流在第r个点处的s相相关系数计算公式为：

其中，N为采样率，即一个周波内的采样点数；Δx_is(n)、Δx_js(n)分别为集电线路i和j的s相故障分量电流信号序列；r∈[1,N]。

每相共可求得组相关系数，记为其中，i从1取到m，j从1取到m且i≠j。m为同一风电场内集电线路的总条数。

步骤4、将步骤3)求得的各相相关系数分别带入判据中，选出故障线路以及故障相，判别方法如下：

若则两条集电线路的s相均未发生故障；

若则其中有且仅有一条集电线路的s相发生了故障，此时若满足则集电线路u的s相未发生故障，集电线路v的s相故障，若不满足则集电线路u的s相故障，集电线路v的s相未发生故障。

步骤5、保护动作于断开故障线路的故障相断路器，切除故障，具体步骤为：

步骤501：判断s相的相关系数是否满足其中，i从1取到m，j从1取到m，且i≠j。

若存在u、v，不满足则u、v中有且仅有一条集电线路的s相发生了故障，且对其它所有的i、j均满足其中，i从1取到m，j从1取到m，且进入步骤502；

若对所有的i、j，均满足则风电场所有集电线路的s相均未发生故障；

步骤502：若满足则集电线路u的s相未发生故障，集电线路v的s相故障，进入步骤503；若不满足则集电线路u的s相故障，集电线路v的s相未发生故障，进入步骤504；

步骤503：相关II段保护动作于集电线路v的s相断路器经0.3s延时跳闸；

步骤504：相关II段保护动作于集电线路u的s相断路器经0.3s延时跳闸。

图8给出了基于波形相关的风电场集电线路电流保护的工作原理示意图。

本发明的有益效果是本发明所提出的基于波形相关的风电场集电线路电流保护方法，重点解决了非故障集电线路第II段保护的误动作问题。原电流第II段保护按照躲过最大负荷电流进行整定，为集电线路的后备保护，应具备足够的可靠性。鉴于此，本发明提出的相关II段保护利用集电线路间电流波形的相关性进行判别，几乎不受风电故障特性和集电线路拓扑的影响，能够可靠切除集电线路内任一点任意故障类型，确保了集电线路第II段保护的选择性、灵敏性和可靠性。且相关II段保护具有自然分相功能，在不对称故障时能够判别出故障相，并动作于仅断开故障相断路。因此，本发明对提高风电场集电线路保护的四性要求，兼顾风机安全和系统可靠性具有重要的工程实际意义。

注：本发明方法不考虑多条集电线路同时发生故障的情况；且风电场内的集电线路条数大于等于三。

附图说明

图1为风电场典型网架结构图。

图2为风电场内故障示意图。

图3给出了不同电压跌落程度下一条集电线路上所有风机提供的低电压穿越电流总和的波形图。其中，(a)100％，(b)70％，(c)30％。

图4为k₁点故障时短路电流流向图。

图5给出了k₁点发生三相故障时集电线路1和2的故障全电流波形图。其中，(a)集电线路1，(b)集电线路2。

图6给出了k₁点发生三相故障时集电线路1和2的故障分量电流波形图。其中，(a)集电线路1，(b)集电线路2。

图7给出了含3条集电线路的风电场内故障分量电流的相关系数示意图，(a)集电线路1和集电线路2，(b)集电线路1和集电线路3，(c)集电线路2和集电线路3。

图8为基于波形相关的风电场集电线路电流保护的工作原理示意图。

图9为系统仿真模型图。

具体实施方式

本发明提出基于波形相关的风电场集电线路电流保护方法，其特征在于，该方案的具体过程为

步骤1、采集同一风电场内所有集电线路出口的三相电流数据(记为x₁(n)，x₂(n)，…，x_m(n))，经数据同步后发送给集电线路保护。电流由母线流向线路为正方向。

步骤2、进行数据预处理，对采集得到的电流数据进行低通滤波，接着按照微机继电保护算法编程获得各相的故障分量电流Δx_1s(n),Δx_2s(n),…，Δx_ms(n)。其中，s可取a、b或c，分别代表a相、b相和c相。

步骤3、求解每两条集电线路间相同相的故障分量电流的相关系数，其特征在于，相关系数的具体计算方法为：

将1周波故障分量电流的采样信号等周期延拓，形成2周波的观察窗。计算数据窗取为1周期，则两故障分量电流在第r个点处的s相相关系数计算公式为：

其中，N为采样率，即一个周波内的采样点数；Δx_is(n)、Δx_js(n)分别为集电线路i和j的s相故障分量电流信号序列；r∈[1,N]。

每相共可求得组相关系数，记为其中，i从1取到m，j从1取到m且i≠j。m为同一风电场内集电线路的总条数。

步骤4、将步骤3)求得的各相相关系数分别带入判据中，选出故障线路以及故障相。

若则其中有且仅有一条集电线路的s相发生了故障；若则两条集电线路的s相均未发生故障。

步骤5、保护动作于断开故障线路的故障相断路器，切除故障，具体步骤为：

步骤501：判断s相的相关系数是否满足其中，i从1取到m，j从1取到m，且i≠j。

若存在u、v，不满足则u、v中有且仅有一条集电线路的s相发生了故障，且对其它所有的i、j均满足其中，i从1取到m，j从1取到m，且进入步骤502；

若对所有的i、j，均满足则风电场所有集电线路的s相均未发生故障；

步骤502：若满足则集电线路u的s相未发生故障，集电线路v的s相故障，进入步骤503；若不满足则集电线路u的s相故障，集电线路v的s相未发生故障，进入步骤504；

步骤503：相关II段保护动作于集电线路v的s相断路器经0.3s延时跳闸；

步骤504：相关II段保护动作于集电线路u的s相断路器经0.3s延时跳闸。

实施例

在图9所示的系统仿真模型中，风电场共包含4条集电线路，且均为架空线，场内采用1.5MW的双馈风电机组(DFIG)。DFIG出口电压为690V，经箱式变压器升压至35kV。集电线路1全长7.045km、包含18台DFIG；集电线路2全长4.317km、包含15台DFIG；集电线路3全长8.63km、包含20台DFIG；集电线路4全长5.967km，包含16台DFIG。

针对风电场内集电线路1上k₁点和集电线路外送出线上k₄点发生a相金属性接地短路时，采用所提保护方案进行故障判别：

1)首先分别提取4条集电线路出口保护安装处的三相电流数据，接着利用Maltab编程进行低通滤波处理并编程得到各相的故障分量电流，分别记作Δx_1s(n)、Δx_2s(n)、Δx_3s(n)、Δx_4s(n)。其中，s可取a、b或c，分别代表a相、b相和c相。

2)计算集电线路两两之间的各相相关系数，以k₁点故障为例。

k₁点故障时，有：

i)a相

ii)b相

iii)c相

3)将计算得到的各相相关系数带入判据中，进行故障的判别。

k₁点故障时，有

i)a相

满足则集电线路1,3,4的a相未发生故障；

又不满足则集电线路1的a相发生故障；

ii)b相、c相

当s取b或c时，所有相关系数 均成立，则集电线路1、2、3和4的b相和c相均未发生故障。

综上所述知，集电线路1发生a相故障，集电线路2、3和4未发生任何故障，相关II段保护动作于集电线路1的a相断路器跳闸，切除故障。

同理，k₄点故障时，有：

当s取a、b或c时，所有相关系数 均成立，则集电线路1、2、3和4的a相、b相和c相均未发生故障，相关II保护不动作。

上述实施例对本发明的技术方案进行了详细说明。显然，本发明并不局限于所描述的实施例。基于本发明中的实施例，熟悉本技术领域的人员还可据此做出多种变化，但任何与本发明等同或相类似的变化都属于本发明保护的范围。

Claims (4)

1.一种基于波形相关的风电场集电线路电流保护方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)采集同一风电场内所有集电线路出口的三相电流数据；

2)进行数据预处理，对采集得到的电流数据进行低通滤波，并提取得到各相的故障分量电流Δx_1s(n),Δx_2s(n),…，Δx_ms(n)，其中，s取a、b或c，分别代表a相、b相和c相；

3)计算每两条集电线路间相同相的故障分量电流的相关系数；

4)将步骤3)求得的各相相关系数分别带入判据中，选出故障线路以及故障相；

5)保护动作于断开故障线路的故障相断路器，切除故障。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤3)中所述电流相关系数的计算方法如下：

将1周波故障分量电流的采样信号等周期延拓，形成2周波的观察窗，计算数据窗取为1周期，则两故障分量电流在第r个点处的s相相关系数计算公式为：

${\mathrm{\&rho;}}_{{\mathrm{\&Delta;x}}_{is}{\mathrm{\&Delta;x}}_{js},r}=\frac{\underset{n=r}{\overset{r+N-1}{\&Sigma;}}{\mathrm{\&Delta;x}}_{is}\left(n\right)\&CenterDot;{\mathrm{\&Delta;x}}_{js}\left(n\right)}{{\left(\underset{n=r}{\overset{r+N-1}{\&Sigma;}}{\mathrm{\&Delta;x}}_{is}^2\right(n)\&CenterDot;\underset{n=r}{\overset{r+N-1}{\&Sigma;}}{\mathrm{\&Delta;x}}_{js}^2(n\left)\right)}^{1/2}}$

其中，N为采样率，即一个周波内的采样点数；Δx_is(n)、Δx_js(n)分别为集电线路i和j的s相故障分量电流信号序列；r∈[1,N]；

每相共可求得组相关系数，记为其中i从1取到m，j从1取到m且i≠j，m为同一风电场内集电线路的总条数。

3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤4)中

所述故障集电线路故障相的判别方法如下:

若则集电线路i和j的s相均未发生故障；

若则有且仅有一条集电线路的s相发生了故障，此时若满足则集电线路u的s相未发生故障，集电线路v的s相故障，若不满足则集电线路u的s相故障，集电线路v的s相未发生故障。

4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤5)中保护动作的步骤为：

步骤501：判断s相的相关系数是否满足其中，i从1取到m，j从1取到m，且i≠j；

若存在u、v，不满足则u、v中有且仅有一条集电线路的s相发生了故障，且对其它所有的i、j均满足其中，i从1取到m，j从1取到m，且进入步骤502；

若对所有的i、j，均满足则风电场所有集电线路的s相均未发生故障；

步骤502：若满足则集电线路u的s相未发生故障，集电线路v的s相故障，进入步骤503；若不满足则集电线路u的s相故障，集电线路v的s相未发生故障，进入步骤504；

步骤503：相关II段保护动作于集电线路v的s相断路器经0.3s延时跳闸；

步骤504：相关II段保护动作于集电线路u的s相断路器经0.3s延时跳闸。