CN110165644B - 一种基于暂态电流时频特性的新能源场站纵联保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于暂态电流时频特性的新能源场站纵联保护方法，针对通过电力电子换流器并网的新能源场站送出线路，在线路两侧分别安装两套相同的保护装置；每套保护装置独立测量本侧的三相电流、电压，并在一个工频周期内对测量的本侧电流量进行小波变换；每套保护装置通过光纤通道获取对侧的电气信息量，再根据本侧和对侧同一时刻对应的同名相电流小波系数幅值进行结构相似度与平方误差的综合判据运算；每套保护装置通过比较综合判据运算的实际值与整定值之间的大小关系来识别故障类型，并根据故障类型启用相应的保护措施。该方法不受新能源、控制策略、输出功率、运行方式影响，具有高可靠性和灵敏性、速动性好的特点。

Description

一种基于暂态电流时频特性的新能源场站纵联保护方法

技术领域

本发明涉及新能源电源并网保护技术领域，尤其涉及一种基于暂态电流时频特性的新能源场站纵联保护方法。

背景技术

由于我国风、光资源与能源需求之间呈现逆向分布的特征，规模化新能源并网发电已经成为我国能源电力布局的必然发展趋势。然而，规模化新能源场站通过电力电子装置集中式并网改变了传统电力系统的故障特性，其幅值受限、频率偏移、相角受控畸变、含有非基频和低次谐波等故障特性，使得作为主保护之一的传统差动保护面临巨大挑战。为了提高新能源电力利用的安全性，需要电网继电保护可靠、快速地切除故障，所以研究规模化新能源场站送出线路的保护具有重要意义。

新能源电源的出力具有波动性、随机性等特征导致工频故障特征量提取困难，且由于新能源场站一般采用电力电子换流器并入电网，其短路电流呈现出幅值受限、频率偏移、畸变、谐波等独特特性，与同步发电机的故障特性截然不同。上述原因导致传统的基于同步发电机故障特性的保护原理出现灵敏度下降的适应性问题、甚至存在误、拒动风险，传统保护面临挑战。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于暂态电流时频特性的新能源场站纵联保护方法，该方法不受新能源、控制策略、输出功率、运行方式影响，具有高可靠性和灵敏性、速动性好的特点。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于暂态电流时频特性的新能源场站纵联保护方法，所述方法包括：

步骤1、针对通过电力电子换流器并网的新能源场站送出线路，在线路两侧分别安装一套相同的保护装置；其中，每套保护装置独立测量本侧的三相电流、电压，并在一个工频周期内对测量的本侧电流量进行小波变换；

步骤2、每套保护装置通过光纤通道获取对侧的电气信息量，再根据本侧和对侧同一时刻对应的同名相电流小波系数幅值进行结构相似度与平方误差的综合判据运算；

步骤3、每套保护装置通过比较综合判据运算的实际值与整定值之间的大小关系来识别故障类型，并根据故障类型启用相应的保护措施。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述方法不受新能源、控制策略、输出功率、运行方式影响，具有高可靠性和灵敏性、速动性好的特点，且在重合于永久性故障或新能源弱出力场景下体现出良好的性能。

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暂态电流时频特性的新能源场站纵联保护方法流程示意图；

图2为本发明所举实例规模化新能源场站送出线路拓扑及故障位置示意图；

图3为本发明所举实例中区内发生BC相间故障时两侧短路电流小波变换后的小波系数幅值示意图；

图4为本发明所举实例送出线路K3处发生A相接地故障时的保护动作情况示意图；

图5为本发明所举实例送出线路K3处发生BC两相短路故障时的保护动作情况示意图；

图6为本发明所举实例送出线路K3处发生BC两相接地故障时的保护动作情况示意图；

图7为本发明所举实例送出线路K3处发生ABC三相故障时的保护动作情况示意图。

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暂态电流时频特性的新能源场站纵联保护方法流程示意图，所述方法包括：

步骤1、针对通过电力电子换流器并网的新能源场站送出线路，在线路两侧分别安装一套相同的保护装置；

其中，每套保护装置独立测量本侧的三相电流、电压，并在一个工频周期内对测量的本侧电流量进行小波变换；

该步骤中，进行小波变换所采用的公式及母小波函数为：

其中，W_f为小波变换系数；a和b分别代表伸缩因子和平移因子；f(t)代表待处理信号；ψ(t)代表母小波函数；ψ*代表对母小波函数取共轭；f_b和f_c分别为小波变换截止频率和中心频率。

这里，为了准确提取短路电流时频特性，保护装置的采样率为5000Hz，选择20ms时间窗长内的电流采样值进行小波变换数据预处理。由于新能源场站短路电流受低电压穿越策略控制，主要体现为频率偏移、低次谐波的特性，所分析的频率范围设置为10～200Hz，间隔为10Hz。

步骤2、每套保护装置通过光纤通道获取对侧的电气信息量，再根据本侧和对侧同一时刻对应的同名相电流小波系数幅值进行结构相似度与平方误差的综合判据运算；

在该步骤中，根据本侧和对侧同一时刻对应的同名相电流小波系数幅值进行结构相似度与平方误差的综合判据运算的过程具体为：

利用新能源电源与同步机电源之间的短路电流波形差异，构造基于结构相似度与平方误差的纵联保护综合判据，其公式为：

Sq(X,Y)＝∑(x_ij-y_ij)²

其中，①代表结构相似度判据，用于新能源场站正常出力场景；②代表平方误差判据，用于新能源弱出力或重合于永久性故障场景；

S_lset、S_hset分别代表结构相似度判据的低定值与高定值；E_set为平方误差法判据的定值；SSIM(X,Y)代表对X,Y两幅图像的数据进行结构相似度判别；X和Y分别代表两幅图像对应的矩阵数据，分别由新能源场站侧与同步系统侧经过小波变换数据预处理后得到；μ_X和μ_Y分别代表X和Y矩阵的均值；σ_X和σ_Y分别代表X和Y矩阵的方差；σ_XY代表X和Y矩阵的协方差；C₁和C₂分别代表稳定系数，取C₁＝(k₁·L)²，C₂＝(k₂·L)²，且取k₁＝0.01，k₂＝0.03，L为矩阵所有元素中最大值与最小值之间的差值；Sq(X,Y)代表X和Y两组数据的残差平方和；∑代表遍历矩阵中全部元素；x_i和y_i分别代表X和Y两矩阵中第i行、第j列元素的值；

基于上述综合判据公式，当发生区外故障时，由于线路中为穿越性电流，两侧小波系数幅值矩阵完全相同，故结构相似度计算值趋近于1；当发生区内故障且新能源场站正常出力时，两侧小波系数幅值矩阵存在较大差异，导致结构相似度计算值小于1，以此来识别区内、外故障；当发生区内故障且新能源场站弱出力或重合于永久性故障时，由于风场侧电流趋近于0，导致结构相似度计算值为0，此时再利用平方误差法来识别故障。

步骤3、每套保护装置通过比较综合判据运算的实际值与整定值之间的大小关系来识别故障类型，并根据故障类型启用相应的保护措施。

在该步骤中，提出了定值整定方法，具体过程为：

综合判据中总共需要确定三个定值，其中步骤2中判据①中的高、低定值均由CT幅值误差及裕度系数决定，整定原则为躲过CT传变误差；高定值以1为基准设定，而低定值以0为基准设定，其确定式如下：

S_hset＝1·K_mag·K_mar

S_lset＝1-K_mag·K_mar

式中：K_mag为幅值可靠系数；K_mar为裕度可靠系数。

判据②中定值S_lset已经由上式确定，只需要确定定值E_set即可，平方误差判据定值整定原则为躲过正常运行时最大负荷电流，其确定式如下：

式中，I_Load为最大负荷电流对应的小波系数幅值。

根据上述误差的最大可能值并留有一定的裕度，选取幅值可靠系数为0.95、裕度可靠系数为0.95，最大负荷电流对应的小波系数为1p.u.，计算得到结构相似度高定值为0.90、低定值为0.10；平方误差判据定值为1.9p.u.。

进一步的，上述通过比较综合判据运算的实际值与整定值之间的大小关系来识别故障类型，并根据故障类型启用相应的保护措施的过程具体为：

每套保护装置分相进行故障判断，若发生单相故障，则判定满足综合判据的相别为故障相，继电保护装置发出故障相跳闸命令，非故障相仍继续运行；

若发生两相或三相故障，则判定满足综合判据的相别为故障相，继电保护装置发出三相全部跳闸命令。

下面以具体的实例对上述保护方法的过程进行详细说明，如图2所示为本发明所举实例规模化新能源场站送出线路拓扑及故障位置示意图，图2中用风电机组单元表示新能源场站(一般额定容量为50MW或100MW)，然后经架空线并入外部同步系统。图2所示电压等级为220kV的送出线路上接入100MW新能源场站，新能源场站分别为永磁风电场和双馈风电场。其中永磁风电场中单机额定容量为1.5MW，共有99台风机，机端电压为0.69kV；双馈风电场中单机额定容量为3MW，共33台风机，机端电压为0.69kV；箱变额定容量3.5MVA，变比35kV/0.69kV，Dyn接线，短路阻抗6.76％；等值汇集线电阻0.11Ω，电感409.5H。主变额定容量120MVA，变比220kV/35kV，YNd接线，短路阻抗6％。送出线路总长40km，正、负序阻抗均为0.076+j0.338Ω/km，零序阻抗为0.284+j0.824Ω/km。根据图2中的拓扑结构及上述参数在实时数字仿真器(Real time digital simulator，RTDS)中搭建新能源并网系统电磁暂态模型以验证本发明提出的保护方法。

故障位置共5处，分别设置在送出线路W、S侧外部出口，分别记为K1、K5(区外)，以及W、S侧近端和线路中点，分别为K2、K3、K4(区内)。故障类型包含所有4种类型，包括单相接地故障、两相接地故障、两相短路故障、三相短路故障，分别以A相接地、BC两相接地、BC两相短路和ABC三相短路为例，以上4种故障类型分别简记为AG、BCG、BC、ABC。

如图3所示为本发明所举实例中区内发生BC相间故障时两侧短路电流小波变换后的小波系数幅值示意图。由图3可知，非故障相(A相)为穿越性电流，两侧电流小波系数幅值一致，图像上重合在一起。对于故障相(B相和C相)，由于场站侧短路电流相对于负荷电流较小，而系统侧短路电流为负荷电流的数十倍，能明显观察到场站侧电流与风场侧电流的差异，从而利用结构相似度与平方误差构造保护原理。

如图4、图5、图6和图7所示分别为送出线路K3处发生A相接地故障、BC两相短路故障、BC两相接地故障和ABC三相故障时保护的动作情况。其中实线为A相结构相似度计算值，虚线为B相结构相似度计算值，点划线为C相结构相似度计算值；为了清楚地显示保护动作性能，用黑色虚线标出了保护高定值与低定值。图中0ms为故障发生时刻，在区内故障后5ms，故障相的余弦相似度系数计算值就超过了保护定值-0.9，并且在10～15ms内余弦相似度计算值趋于稳定，保护能够可靠、快速地识别区内、外故障，并且动作于断路器跳闸。

为进一步验证本发明所提方法的有效性，构建了硬件在环动模实验平台，该实验平台由两部分组成，分别为RTDS试验系统以及通用换流保护控制平台。在RTDS中根据现场某风电场站的实际拓扑结构及参数，搭建如图2所示的风电场站送出系统。并将所提保护算法固化在通用保护控制平台中，在验证保护新原理性能时，风电场站分别选用永磁风场和双馈风场，两个场站额定容量均为100MW；送出线路电压等级为220kV，从风电场站至外部系统母线线路长度为40km。针对图2中展示的不同故障位置、不同故障类型等情况在硬件在环动模仿真实验平台中进行了大量研究，表1～表4给出了所有仿真结果。其中表1给出了区内、外各种类型故障时保护的动作情况，其中所有系数均为结构相似度系数计算值，均为故障后20ms时的计算值；表2给出了新能源场站不同容量时，保护新方法的动作情况，其中场站出力为0时，为平方误差计算值，其余场站容量时，为结构相似度计算值；表3给出了重合于永久性故障时，平方误差判据的计算值；表4为不同过渡电阻情况下，结构相似度计算值。

表1

表2

表3

表4

上述仿真结果表明，保护能够可靠快速地识别各种类型的区内、外故障，新能源正常出力时，区内故障后10～15ms保护结构相似度计算值小于保护定值0.9、大于0.1，且趋于稳定，保护速动性良好；保护不受新能源场站容量及运行方式影响，各种情况下均能保证较高的灵敏度，尤其在新能源弱出力或重合于永久性故障时，所提保护方法体现更好的性能；经过渡电阻短路的情况下，保护仍具有可靠性，能够耐受高阻故障。

基于上述分析和仿真结果，应用本发明所述方法不受新能源场站并网系统运行条件(如容量、运行方式等)，及逆变器控制策略的影响，能够避免现有相量三端差动保护不能正确动作的风险。

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。

综上所述，本发明实施例所述方法具有如下优点：

(1)送出线路区内故障时，保护能够可靠动作，且能够实现全线速动；

(2)可以耐受高阻故障；

(3)不受新能源电源容量、运行方式影响，且在新能源场站弱出力或重合于永久性故障时，仍能够可靠动作。

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 (4)

1.一种基于暂态电流时频特性的新能源场站纵联保护方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1、针对通过电力电子换流器并网的新能源场站送出线路，在线路两侧分别安装一套相同的保护装置；其中，每套保护装置独立测量本侧的三相电流、电压，并在一个工频周期内对测量的本侧电流量进行小波变换；

步骤2、每套保护装置通过光纤通道获取对侧的电气信息量，再根据本侧和对侧同一时刻对应的同名相电流小波系数幅值进行结构相似度与平方误差的综合判据运算；

步骤3、每套保护装置通过比较综合判据运算的实际值与整定值之间的大小关系来识别故障类型，并根据故障类型启用相应的保护措施。

2.根据权利要求1所述基于暂态电流时频特性的新能源场站纵联保护方法，其特征在于，在步骤1中，进行小波变换所采用的公式及母小波函数为：

其中，W_f为小波变换系数；a和b分别代表伸缩因子和平移因子；f(t)代表待处理信号；ψ(t)代表母小波函数；ψ*代表对母小波函数取共轭；f_b和f_c分别为小波变换截止频率和中心频率。

3.根据权利要求1所述基于暂态电流时频特性的新能源场站纵联保护方法，其特征在于，在步骤2中，所述根据本侧和对侧同一时刻对应的同名相电流小波系数幅值进行结构相似度与平方误差的综合判据运算的过程具体为：

利用新能源电源与同步机电源之间的短路电流波形差异，构造基于结构相似度与平方误差的纵联保护综合判据，其公式为：

Sq(X,Y)＝∑(x_ij-y_ij)²

其中，①代表结构相似度判据，用于新能源场站正常出力场景；②代表平方误差判据，用于新能源弱出力或重合于永久性故障场景；

S_lset、S_hset分别代表结构相似度判据的低定值与高定值；E_set为平方误差法判据的定值；SSIM(X,Y)代表对X,Y两幅图像的数据进行结构相似度判别；X和Y分别代表两幅图像对应的矩阵数据，分别由新能源场站侧与同步系统侧经过小波变换数据预处理后得到；μ_X和μ_Y分别代表X和Y矩阵的均值；σ_X和σ_Y分别代表X和Y矩阵的方差；σ_XY代表X和Y矩阵的协方差；C₁和C₂分别代表稳定系数，取C₁＝(k₁·L)²，C₂＝(k₂·L)²，且取k₁＝0.01，k₂＝0.03，L为矩阵所有元素中最大值与最小值之间的差值；Sq(X,Y)代表X和Y两组数据的残差平方和；∑代表遍历矩阵中全部元素；x_i和y_i分别代表X和Y两矩阵中第i行、第j列元素的值；

基于上述综合判据公式，当发生区外故障时，结构相似度计算值趋近于1；当发生区内故障且新能源场站正常出力时，结构相似度计算值小于1，以此来识别区内、外故障；当发生区内故障且新能源场站弱出力或重合于永久性故障时，结构相似度计算值为0，此时再利用平方误差法来识别故障。

4.根据权利要求1所述基于暂态电流时频特性的新能源场站纵联保护方法，其特征在于，所述步骤3的过程具体为：

每套保护装置分相进行故障判断，若发生单相故障，则判定满足综合判据的相别为故障相，继电保护装置发出故障相跳闸命令，非故障相仍继续运行；

若发生两相或三相故障，则判定满足综合判据的相别为故障相，继电保护装置发出三相全部跳闸命令。

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