CN110880743B - 一种基于肯德尔秩相关性的风电场站送出线路纵联保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于肯德尔秩相关性的风电场站送出线路纵联保护方法，首先在待保护的风电场站送出线路的W、S侧分别安装相同的继电保护装置，每套继电保护装置独立测量本侧的三相电流值，并通过光纤信道获取对侧的三相电流值；每套继电保护装置根据获得的本侧和对侧同一时刻对应的相同时间窗长内的同名相电流采样值，计算获得肯德尔秩相关系数值；根据获得的每相肯德尔秩相关系数值与预设的保护整定值之间的关系，判定故障位置及故障类型，并采取相应的保护措施。该方法不受风电场站机组类型、装机容量、运行方式的影响，能够实现全线速动，且在高阻故障下仍具有较高灵敏度，同时避免了区内故障时传统保护灵敏度下降甚至拒动的情况。

Description

一种基于肯德尔秩相关性的风电场站送出线路纵联保护方法

技术领域

本发明涉及风电场站技术领域，尤其涉及一种基于肯德尔秩相关性的风电场站送出线路纵联保护方法。

背景技术

由于我国风电资源与电力负荷呈现逆向分布，风电电源一般由35kV汇集系统汇聚，并集中升压并入220kV系统，经架空输电线路外送，保护不正确动作对风电电源的影响范围很大，可能导致一个或多个场站所有的风电机组脱网。为了提高风电利用的安全性，需要电网继电保护可靠、快速地切除故障，所以研究风电场站集中式并网送出线路的保护具有重要意义。

风电电源的出力具有波动性、随机性等特征导致故障特征量提取困难，且由于在发电原理、控制方式和并网方式上不同于同步发电机，其短路电流特性与同步发电机截然不同。上述原因导致传统的基于工频相量幅值、相位比较的传统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，因此有必要根据新风电电源短路电流特征构造适用于风电场站场站集中式并网送出系统的保护新方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于肯德尔秩相关性的风电场站送出线路纵联保护方法，该方法不受风电场站机组类型、装机容量、运行方式的影响，能够实现全线速动，且在高阻故障下仍具有较高灵敏度，同时避免了区内故障时传统保护灵敏度下降甚至拒动的情况。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于肯德尔秩相关性的风电场站送出线路纵联保护方法，所述方法包括：

步骤1、在待保护的风电场站送出线路的W、S侧分别安装相同的继电保护装置，每套继电保护装置独立测量本侧的三相电流值，并通过光纤信道获取对侧的三相电流值；

步骤2、然后每套继电保护装置根据获得的本侧和对侧同一时刻对应的相同时间窗长内的同名相电流采样值，计算获得肯德尔秩相关系数值；

步骤3、根据获得的每相肯德尔秩相关系数值与预设的保护整定值之间的关系，判定故障位置及故障类型，并采取相应的保护措施。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述方法不受风电场站机组类型、装机容量、运行方式的影响，能够实现全线速动，且在高阻故障下仍具有较高灵敏度，同时避免了区内故障时传统保护灵敏度下降甚至拒动的情况。

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肯德尔秩相关性的风电场站送出线路纵联保护方法流程示意图；

图2为本发明所举实例风电场站集中式并网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风电场站集中式并网送出线路继电保护装置的连接示意图；

图4为本发明所举实例中继电保护装置动作逻辑示意图；

图5为本发明所举实例继电保护装置RTDS动模实验示意图。

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肯德尔秩相关性的风电场站送出线路纵联保护方法流程示意图，所述方法包括：

步骤1、在待保护的风电场站送出线路的W、S侧分别安装相同的继电保护装置，每套继电保护装置独立测量本侧的三相电流值，并通过光纤信道获取对侧的三相电流值；

在步骤1中，当故障启动后，每套继电保护装置实时向对侧传输本侧测量的采样值，且每套继电保护装置均使用三相电流值作为采样值。

步骤2、然后每套继电保护装置根据获得的本侧和对侧同一时刻对应的相同时间窗长内的同名相电流采样值，计算获得肯德尔秩相关系数值；

在步骤2中，具体利用风电场站换流器输出特性与同步发电机输出特性的差异构成保护原理，并采用肯德尔秩相关系数表征两侧波形的相关性，所述肯德尔秩相关系数的计算公式为：

式中，τ_φ为W、S两侧电流φ相的肯德尔秩相关系数值，φ相包括A相、B相、C相；P_φ为两侧电流φ相排列大小关系一致的采样值对数；n为采样点数；

进一步的，设一个时间窗长内有n个采样值，则每个对象有两个属性：

1)在正常运行或区外故障时，两侧电路波形完全相反，导致两个属性排名完全相反，则肯德尔秩相关系数值为-1；

2)在发生区内故障时，两个属性排名是乱序的，则肯德尔秩相关系数值大于-1。

进一步，可以根据风电电源控制系统的暂态调节时间，设定所提送出线路纵联保护的时间窗长为10ms。

步骤3、根据获得的每相肯德尔秩相关系数值与预设的保护整定值之间的关系，判定故障位置及故障类型，并采取相应的保护措施。

在步骤3中，判定故障位置及故障类型的保护判据式为：

τ_φ(i_w,i_s)＞τ_set

式中，下标φ为ABC三相中的任一相，利用同名相的数据计算肯德尔秩相关系数值，该取值范围在[-1,1]之间；τ_set为预设的保护整定值，设置为-0.8；具体是判断A相、B相、C相中任一相电流的肯德尔秩相关系数值是否大于预设的保护整定值。

具体实现中，根据保护判据式的判定结果，包括如下情况：

若A相、B相、C相中任一相电流的肯德尔秩相关系数值大于预设的保护整定值，则保护判定风电场站送出线路内部发生单相故障，继电保护装置发出跳开故障相别断路器的指令；

若A相、B相、C相中的任意两相或者三相电流的肯德尔秩相关系数值大于预设的保护整定值，则保护判定风电场站送出线路内部发生两相或者三相故障，继电保护装置发出三跳指令；

若A相、B相与C相电流的肯德尔秩相关系数值均小于预设的保护整定值，则保护判定风电场站送出线路内部未发生故障，继电保护装置不发出跳闸指令，且继电保护装置整组复归。

下面以具体的实例对上述纵联保护方法的实施过程及效果进行详细说明，如图2所示为本发明所举实例风电场站集中式并网送出线路拓扑及故障位置示意图，图2中风电场站经主变后，通过架空输电线并入外部同步系统，一个100MW的风电场站接入电压等级为220kV的送出线路，其单机额定容量为1.5MW，共有66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)中搭建风电场站集中式并网送出系统电磁暂态模型，用于验证本发明实施例所述的保护方法。

本实例中，故障位置共5处，分别设置在送出线路W、S侧外部出口、内部近端及线路中点，分别记为K1、K2、K3、K4、K5。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风电场站集中式并网送出线路继电保护装置的连接示意图，如图3所示：送出线路W和S侧分别安装了继电保护装置W和S，每一套保护装置均独立测量本侧三相电流，并通过光纤信道获取对侧的采样值。通过本发明提出的肯德尔秩相关系数保护判据，利用同名相场站侧与系统侧电流采样值进行肯德尔秩相关系数计算，判断故障位置与故障类型并向对应断路器发跳闸信号。

如图4所示为本发明所举实例中继电保护装置动作逻辑示意图，其中“&”代表逻辑“与”，若A相、B相、C相中任一相电流的肯德尔秩相关系数大于整定值，则保护判定风电场站送出线路内部发生单相故障，继电保护装置发出跳开故障相别断路器的指令；若A相、B相、C相中的任意两相或者三相电流的相关系数大于整定值，则保护判定风电场站送出线路内部发生两相或者三相故障，继电保护装置发出三跳指令。

如图5所示为本发明所举实例继电保护装置RTDS动模实验示意图，其中风电场集中式并网送出系统模型建立在RTDS中，RTDS通过GTAO板卡输出电气模拟量，并经过功放输入至保护装置，保护装置经肯德尔相关系数判据计算后，返回跳闸命令至RTDS的GTDI板卡，并利用后台监控系统检测保护装置动作情况。

为进一步验证本发明所提方法的有效性，针对图2中展示的不同故障位置、不同故障类型等情况在实时数字仿真器(RTDS)中进行了大量硬件在环动模实验，表1给出了所有仿真结果，表1中“肯德尔秩相关系数计算值”指的是故障后一个数据窗长内的所有采样值计算得到的肯德尔秩相关系数；表2给出了K3点处经过渡电阻短路的情况下，保护的动作性能，表2中的“肯德尔秩相关系数计算值”为利用故障后一个数据窗长内的所有采样值计算得到的肯德尔秩相关系数；表3给出了不同容量的风电场站送出时，K3点处故障的肯德尔相关系数计算值，表3中的“动作时间”为保护样机启动至跳闸命令发出的时间，“肯德尔相关系数计算值”为保护动作时计算得到的肯德尔相关系数：

表1

表2

表3

上述实验结果表明：本发明所述方法能够可靠快速地识别各种类型的区内、外故障，区内故障后10～15ms保护肯德尔秩相关系数计算值大于保护整定值-0.8且趋于稳定，保护装置速动性良好；保护不受风电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；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。

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 (5)

1.一种基于肯德尔秩相关性的风电场站送出线路纵联保护方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1、在待保护的风电场站送出线路的W、S侧分别安装相同的继电保护装置，每套继电保护装置独立测量本侧的三相电流值，并通过光纤信道获取对侧的三相电流值；

步骤2、然后每套继电保护装置根据获得的本侧和对侧同一时刻对应的相同时间窗长内的同名相电流采样值，计算获得肯德尔秩相关系数值；

其中，具体利用风电场站换流器输出特性与同步发电机输出特性的差异构成保护原理，并采用肯德尔秩相关系数表征两侧波形的相关性，所述肯德尔秩相关系数的计算公式为：

式中，τ_φ为W、S两侧电流φ相的肯德尔秩相关系数值，φ相包括A相、B相、C相；P_φ为两侧电流φ相排列大小关系一致的采样值对数；n为采样点数；

进一步的，设一个时间窗长内有n个采样值，则每个对象有两个属性：

1)在正常运行或区外故障时，两侧电路波形完全相反，导致两个属性排名完全相反，则肯德尔秩相关系数值为-1；

2)在发生区内故障时，两个属性排名是乱序的，则肯德尔秩相关系数值大于-1；

步骤3、根据获得的每相肯德尔秩相关系数值与预设的保护整定值之间的关系，判定故障位置及故障类型，并采取相应的保护措施。

2.根据权利要求1所述基于肯德尔秩相关性的风电场站送出线路纵联保护方法，其特征在于，在步骤1中，当故障启动后，每套继电保护装置实时向对侧传输本侧测量的采样值，且每套继电保护装置均使用三相电流值作为采样值。

3.根据权利要求1所述基于肯德尔秩相关性的风电场站送出线路纵联保护方法，其特征在于，在步骤2中，进一步根据风电电源控制系统的暂态调节时间，设定所提送出线路纵联保护的时间窗长为10ms。

4.根据权利要求1所述基于肯德尔秩相关性的风电场站送出线路纵联保护方法，其特征在于，在步骤3中，判定故障位置及故障类型的保护判据式为：

τ_φ(i_w,i_s)＞τ_set

式中，下标φ为ABC三相中的任一相，利用同名相的数据计算肯德尔秩相关系数值，取值范围在[-1,1]之间；τ_set为预设的保护整定值，设置为-0.8。

5.根据权利要求1所述基于肯德尔秩相关性的风电场站送出线路纵联保护方法，其特征在于，在步骤3中，根据保护判据式的判定结果，包括如下情况：

若A相、B相、C相中任一相电流的肯德尔秩相关系数值大于预设的保护整定值，则保护判定风电场站送出线路内部发生单相故障，继电保护装置发出跳开故障相别断路器的指令；

若A相、B相、C相中的任意两相或者三相电流的肯德尔秩相关系数值大于预设的保护整定值，则保护判定风电场站送出线路内部发生两相或者三相故障，继电保护装置发出三跳指令；

若A相、B相与C相电流的肯德尔秩相关系数值均小于预设的保护整定值，则保护判定风电场站送出线路内部未发生故障，继电保护装置不发出跳闸指令，且继电保护装置整组复归。

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