CN109449899A - 一种基于斯皮尔曼等级相关系数的纵联保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于斯皮尔曼等级相关系数的纵联保护方法，首先根据不同类型电源的暂态短路电流表达式，获得不同类型电源暂态电流的故障特征；基于所述故障特征，利用斯皮尔曼等级相关系数度量新能源场站送出线路区内故障时两侧暂态电流的波形差异；根据区内故障时两侧暂态电流的波形差异，区分区内外故障，实现对新能源场站送出线路的纵联保护。利用上述方法能够可靠区分出区内外故障，实现对新能源场站送出线路的可靠纵联保护。

Description

一种基于斯皮尔曼等级相关系数的纵联保护方法

技术领域

本发明涉及电力系统技术领域，尤其涉及一种基于斯皮尔曼等级相关系数的纵联保护方法。

背景技术

规模化新能源接入已成为我国能源电力领域的必然趋势，然而新能源电源故障特性受低电压穿越控制策略的影响，表现出了序阻抗不稳定、相角受控、频率偏移、高次谐波等特性，这使得传统比率制动差动保护受到巨大挑战，因此研究可靠的纵联保护新原理对于新能源的高效利用具有重要的意义。

现有技术中对于送出线路的纵联保护研究成果较少，主要方法集中在频域和时域两个方面。在频域上，可以利用故障分量差动电压与故障分量差动电流的比值的大小差异区分区内外故障，但是基于工频量的方法受双馈风机电流频率偏移的影响动作性能下降；在时域上，一种是利用差动电压和差动电流的一阶导数是否符合电容模型来区分区内外故障，但是一阶导数受高频分量影响，保护性能稍差。另外一种是通过皮尔逊相关系数度量两侧暂态电流波形的差异，但是该方法在新能源弱出力情况下故障以及重合于永久性故障均无法正确动作，因此有必要研究新的纵联保护方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于斯皮尔曼等级相关系数的纵联保护方法，利用该方法能够可靠区分出区内外故障，实现对新能源场站送出线路的可靠纵联保护。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于斯皮尔曼等级相关系数的纵联保护方法，所述方法包括：

步骤1、根据不同类型电源的暂态短路电流表达式，获得不同类型电源暂态电流的故障特征；

步骤2、基于所述故障特征，利用斯皮尔曼等级相关系数度量新能源场站送出线路区内故障时两侧暂态电流的波形差异；

步骤3、根据区内故障时两侧暂态电流的波形差异，区分区内外故障，实现对新能源场站送出线路的纵联保护。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，利用上述方法能够可靠区分出区内外故障，实现对新能源场站送出线路的可靠纵联保护。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的基于斯皮尔曼等级相关系数的纵联保护方法流程示意图；

图2为本发明所举实例中新能源场站送出线路的主接线示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例提供的基于斯皮尔曼等级相关系数的纵联保护方法流程示意图，所述方法包括：

步骤1、根据不同类型电源的暂态短路电流表达式，获得不同类型电源暂态电流的故障特征；

具体实现中，逆变型电源直接通过逆变器并网，其暂态电流特性主要由逆变器低电压穿越控制策略决定，实际工程中逆变型电源通常采用定电压矢量控制，从其dq轴坐标系出发可以推导逆变型电源的暂态短路电流表达式为：

其中，下标IV代表逆变型电源；θ_φ代表三相故障后的初相角；ω代表锁相环检测到的角频率；τ₀为故障开始时刻；ξ为二阶系统的阻尼比；ω_n为二阶系统自然振荡角频率；ω_d代表阻尼振荡频率；β为阻尼角；分别表示d轴电流参考值与q轴电流参考值；i_d0表示d轴电流的初始值；

考虑到锁相环的响应需要时间，在故障初期电压跌落后其检测到的角频率会偏离工频角频率，由此获得暂态电流的故障特征为衰减的非工频特性；

为保护转子侧变流器设备，转子侧通常配置撬棒装置，当近端发生故障时机端电压跌落严重，转子侧会出现严重的过电压和过电流，触发撬棒电阻投入，此时的暂态短路电流可以由式(2)表示：

式中：下标III表示双馈风电机组；A₁、A₂和A₃为各分量幅值；T_r、T_s为转速频分量、直流分量的衰减时间常数；ω_r为与转速对应的电角速度。

由式(2)可知，撬棒投入后短路电流中包含衰减的非工频分量、稳定的工频分量以及衰减的直流分量，以转速频分量为主,由于风机的转速往往偏离同步转速，因此故障电流主要表现为非工频的正弦波。

当远端故障机端电压跌落不严重时，撬棒电阻不会投入，此时稳态短路电流的解析表达式为：

式中：k为电压跌落程度；U_s为定子电压矢量的幅值；ω_s代表同步角频率，代表定子电压矢量相对abc坐标系a相的角度；L_s代表定子漏感；R_s代表定子电阻；L_m代表励磁电感；I_r代表转子电流。

由式(3)可知，撬棒不投入情况下的稳态电流主要表现为衰减的正弦波，但是由于故障后转子电流受转子侧换流器的作用而存在短暂波动，在暂态阶段也表现出非工频的特性。

同步发电机机端发生三相短路时的短路电流解析表达式为：

式中：下标S表示同步机；E_q0和x_d分别为同步机内电势和同步电抗；x_d″和x_d′、T_d″和T_d′分别为次暂态和暂态过程中的同步机电抗、交流分量衰减时间常数；ω是工频角率；

T_a是直流分量衰减时间常数；是故障初始角。

由式(4)可知暂态电流的故障特征主要包含按指数衰减的工频正弦波以及直流分量。

步骤2、基于所述故障特征，利用斯皮尔曼等级相关系数度量新能源场站送出线路区内故障时两侧暂态电流的波形差异；

步骤3、根据区内故障时两侧暂态电流的波形差异，区分区内外故障，实现对新能源场站送出线路的纵联保护。

在该步骤中，首先把波形数列x＝{x₁,x₂,…,x_n}按升序或者降序排列得到排序数列a＝{a₁,a₂,…,a_n}；

将数列x内每个元素x_i在数列a中的位置记为r_i，称其为元素x_i的秩次，从而可以得到数列x对应的秩次数列r；

将另一数列y＝{y₁,y₂,…,y_n}按同样方式排列得到排序数列b＝{b₁,b₂,…,b_n}，继而可以得到数列y对应的秩次数列s；

将数列r和数列s相减得到秩次差数列d＝{d₁,d₂,…,d_n},再将其代入斯皮尔曼等级相关系数公式：

式中：n为数列点数，对应于一个窗长的采样点数，ρ代表斯皮尔曼等级相关系数；

在区外发生故障时，流过送出线路均为穿越性电流，两侧波形完全相反，呈完全负相关状态，ρ＝-1；在区内发生短路故障时，两侧短路电流波形差异较大，负相关程度明显减弱，由此可以可靠区分区内外故障，因此动作判据为：

ρ＞ρ_set (6)

式中，ρ_set为整定阈值，其值整定在-0.9；

由于新能源电源在无风、无光情况下出力基本为0，此时在送出线路上流经的电流极小，理论分析认为此时两侧电流均为0，记为上述数列x、y，此时原有秩次数列的获取方法不再适用，为此可将数列x对应的秩次数列r内的元素均取为：

将数列y对应的秩次数列s内的所有秩次均取为：

此时斯皮尔曼等级相关系数的值为：

其相关系数ρ在-17～-5之间变化，由式(9)可知其能够可靠不动；

在新能源出力为0的条件下发生内部短路以及重合于永久性故障时(假设系统侧先行重合)会出现系统侧电流较大，新能源侧电流为0的特殊情况，此时新能源侧电流按式(8)出处理，系统侧电流按一般方法计算秩次数列，将其代入斯皮尔曼等级相关系数计算公式，有：

ρ＝0.5 (10)

该数值必然大于整定阈值ρ_set，使得保护能够可靠动作。

举例来说，如图2所示为本发明所举实例中新能源场站送出线路的主接线示意图，逆变型电源经过箱变升压后接入汇集系统，经过汇集系统汇集后经过主变高压送出接入同步系统，在送出线路上设置5个故障点分别为K1、K2、K3、K4、K5，电流参考正方向均为母线指向线路。

按照本发明实施例所述基于斯皮尔曼等级相关系数的纵联保护手段进行操作，在区外故障时，所提保护方法三相均能可靠不动；在区内发生两相短路时，故障相相关系数在2ms内迅速大于整定阈值，保护可靠动作；非故障相低于整定阈值，可靠不动，从而实现对新能源场站送出线路的纵联保护。

值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种基于斯皮尔曼等级相关系数的纵联保护方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1、根据不同类型电源的暂态短路电流表达式，获得不同类型电源暂态电流的故障特征；

步骤2、基于所述故障特征，利用斯皮尔曼等级相关系数度量新能源场站送出线路区内故障时两侧暂态电流的波形差异；

步骤3、根据区内故障时两侧暂态电流的波形差异，区分区内外故障，实现对新能源场站送出线路的纵联保护。

2.根据权利要求1所述基于斯皮尔曼等级相关系数的纵联保护方法，其特征在于，所述步骤1的过程具体为：

逆变型电源的暂态短路电流表达式为：

其中，下标IV代表逆变型电源；θ_φ代表三相故障后的初相角；ω代表锁相环检测到的角频率；τ₀为故障开始时刻；ξ为二阶系统的阻尼比；ω_n为二阶系统自然振荡角频率；ω_d代表阻尼振荡频率；β为阻尼角；分别表示d轴电流参考值与q轴电流参考值；i_d0表示d轴电流的初始值；

由此获得暂态电流的故障特征为衰减的非工频特性；

当近端发生故障时，触发撬棒电阻投入，转子侧变流器设备的暂态短路电流表达式为：

其中，下标III表示双馈风电机组；A₁、A₂和A₃为各分量幅值；T_r、T_s为转速频分量、直流分量的衰减时间常数；ω_r为与转速对应的电角速度；

由此获得暂态电流的故障特征为非工频的正弦波；

当远端发生故障时，撬棒电阻不会投入，此时转子侧变流器设备的暂态短路电流表达式为：

其中，k为电压跌落程度；U_s为定子电压矢量的幅值；ω_s代表同步角频率，代表定子电压矢量相对abc坐标系a相的角度；L_s代表定子漏感；R_s代表定子电阻；L_m代表励磁电感；I_r代表转子电流；

由此获得暂态电流的故障特征为非工频的正弦波；

同步发电机机端发生三相短路时的暂态短路电流表达式为：

式中：下标S表示同步机；E_q0和x_d分别为同步机内电势和同步电抗；x_d″和x_d′、T_d″和T_d′分别为次暂态和暂态过程中的同步机电抗、交流分量衰减时间常数；ω是工频角率；T_a是直流分量衰减时间常数；是故障初始角；

由此获得暂态电流的故障特征为包含按指数衰减的工频正弦波以及直流分量。

3.根据权利要求1所述基于斯皮尔曼等级相关系数的纵联保护方法，其特征在于，所述步骤3的过程具体为：

首先将波形数列x＝{x₁,x₂,…,x_n}按升序或者降序排列得到排序数列a＝{a₁,a₂,…,a_n}；

将数列x内每个元素x_i在数列a中的位置记为r_i，称其为元素x_i的秩次，从而得到数列x对应的秩次数列r；

将另一数列y＝{y₁,y₂,…,y_n}按同样方式排列得到排序数列b＝{b₁,b₂,…,b_n}，继而得到数列y对应的秩次数列s；

再将数列r和数列s相减得到秩次差数列d＝{d₁,d₂,…,d_n}，再将其代入斯皮尔曼等级相关系数公式：

式中，n为数列点数，对应于一个窗长的采样点数；ρ代表斯皮尔曼等级相关系数；

在区外发生故障时，流过送出线路均为穿越性电流，两侧波形完全相反，呈完全负相关状态，ρ＝-1；

在区内发生短路故障时，两侧短路电流波形差异较大，负相关程度明显减弱，由此来区分区内外故障，动作判据为：

ρ＞ρ_set

式中，ρ_set为整定阈值，其值整定在-0.9；

将数列x对应的秩次数列r内的元素均取为：

将数列y对应的秩次数列s内的所有秩次均取为：

此时斯皮尔曼等级相关系数的值为：

ρ在-17～-5之间变化；

在新能源出力为0的条件下发生内部短路以及重合于永久性故障时，将秩次数列代入斯皮尔曼等级相关系数计算公式，得到：

ρ＝0.5

该数值必然大于整定阈值ρ_set，使保护能可靠动作。