CN112083270A - 一种基于相关系数的风电场集电线路单相接地故障选线方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于相关系数的风电场集电线路单相接地故障选线方法，属于电力系统继电保护技术领域。新能源出力较弱，噪声强，故障时含有大量高次谐波，对故障选线造成很多困难，若风电场集电线路发生故障后不及时切除，有可能导致相邻风机、线路甚至风电场发生事故，造成大规模脱网。本发明通过电磁暂态仿真在风电场的一条集电线路上沿线路设置单相接地故障作为故障线路，提取该故障线路零序电流，根据多条线路零序电流波形相关程度进行对比，进而来推断故障线路。本发明能够识别故障线路和非故障线路的相关系数，适用于风电场多条集电线路故障选线，简化了判断过程，且判断结果真实可靠。

Description

一种基于相关系数的风电场集电线路单相接地故障选线方法

本发明涉及一种基于相关系数的风电场集电线路单相接地故障选线方法，属于电力系统继电保护技术领域。

背景技术

随着经济社会的快速发展，人类面临着越来越严峻的能源危机，发展可再生清洁能源成为世界各国的发展战略。风能因为投资规模较为灵活，开发成本相对较低等优点，成为如今最具有开发前景、发展最快的可再生能源之一。

现今我国风电场建设通常以风力资源为导向，风能资源丰富的地段多为山顶、峡谷、海上等地理环境较为恶劣的区域，风电场集电线路发生故障的几率极高。大规模风电通过高压输电线路远距离输送到负荷中心，如果风电场集电线路发生故障后不及时切除，有可能导致相邻风机、线路甚至风电场发生事故，造成大规模脱网。风电场集电线路单相接地故障占百分之八十以上，因此，寻找合理的技术手段提高风电场集电线路继电保护能力对风电场本身以及电力系统安全运行都具有重要意义。

风电场常规零序电流保护为一定值，为兼顾高阻接地时保护的可靠性，增大保护整定的灵敏度，可能导致集电线路发生金属性故障时健全线路的零序电流大于整定值而误动。考虑保护整定过程的复杂性，利用健全线路和故障线路之间零序电流的差异性集中分析比较，鉴别故障线路，无需保护动作。

由于风电场集电线路多为线缆混合，且线路长度不规律，受到谐波影响，在某些故障情况下健全线路的相似度受到影响。但因故障线路零序电流相位与健全线路零序电流相位相反，根据斯皮尔曼等级相关系数计算两条线路之间波形差异，可以很好反映两条线路之间零序电流的相似性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于相关系数的风电场集电线路单相接地故障选线方法，用以正确选择集电线路中单相接地故障线路，对风力发电场(简称风电场)的可靠运行有着积极的意义。

本发明的技术方案是：一种基于相关系数的风电场集电线路单相接地故障选线方法，包括如下步骤：

Step1：通过电磁暂态仿真在风力发电场(简称风电场)的一条集电线路上沿线路进行测量，若发生单相接地故障则将该条线路作为故障集电线路，并于测量点提取出该故障线路的零序电流。

Step2：截取发生故障后每条集电线路20ms的零序电流波形数列。

Step3：将所有集电线路的零序电流波形数列进行分组，两条集电线路分为一组，且每一条集电线路都需要和其它三条线路分别组成一组进行对比，在MATLAB中代入斯皮尔曼等级相关系数公式中进行计算。

Step4：通过对所有计算结果进行对比，当发生故障时，对一组中的两条集电线路进行等级相关系数对比，若计算结果大于0，则该组中的两条集电线路都为非故障线路；若计算结果小于0，则该组中有且仅有一条集电线路为故障线路；对所有组进行判断，得到故障线路。

所述Step1中，提取风力发电场每一条集电线路的母线侧零序电流，定义故障选线启动判据为：

式(1)中，k表示采样点，K表示一定时窗内采样点数，K≤k，Δi(k)＝i₀(k)-i₀(k-1),i₀(k)和i₀(k-1)为相邻两个采样点的零序电流采样值；

当零序电流超过设定的阀值时，判断风力发电场中的集电线路发生了单相接地故障。但在进行选线算法计算之前并不确定是哪一条集电线路发生单相接地故障，仅作为开始截取零序电流的判据。

所述Step3中斯皮尔曼计算具体为：

收集一组中线路A和线路B的零序电流波形数列，把收集到的零序电流波形数列A＝{a1,a2,...,an}按升序或降序排列得到数列x＝{x1,x1,...,xn}，将数列A内每个元素ai在数列x中的位置记为hi，得到数列h。

把收集到的零序电流波形数列B＝{b1,b2,...,bn}按升序或降序排列得到数列y＝{y1,y2,...,yn}，将数列B内每个元素bi在数列y中的位置记为gi，得到数列g。

将数列h和数列g中的每个元素对应相减，得到秩次差数列d_i：

d_i＝h_i-g_i (2)

将秩次差数列d_i带入斯皮尔曼等级相关系数公式：

式(3)中，ρ为斯皮尔曼相关系数，n为输入数列点数，d为数列对应相减的秩次差系数。

将所有组的计算结果形成矩阵S：

矩阵中主对角线ρ₁₁、ρ₂₂、ρ₃₃、ρ₄₄是一条集电线路和自身进行等级相关系数对比，其值均为1。

矩阵中，ρ₁₂与ρ₂₁都表示集电线路1与集电线路2进行相关系数对比，其值相等。

当一条集电线路发生单相接地故障时，若ρ₁₂的计算数值为正，则说明集电线路1与集电线路2都为非故障线路。若值为负数，则说明集电线路1与集电线路2中有且仅有一条线路发生故障。根据提取的集电线路3和集电线路4与集电线路1和集电线路2的零序电流波形数列分别进行斯皮尔曼相关系数计算，相互对比后可判断故障线路，当其它线路发生故障时同理。

本发明的有益效果是：

1、通过理论分析及仿真表明，本发明能够识别故障线路和非故障线路的相关系数，适用于风电场多条集电线路故障选线，简化了判断过程，且判断结果真实可靠。

2、本发明具备较强的抗过度电阻和噪声能力，不需要较高的采样率，在新能源弱出力以及故障时谐波较大的情况下也具备清晰的计算结果准确选线。

附图说明

图1是本发明风电场集电线路结构图；

图2是本发明实施1中发生单相接地故障时非故障线路L1的零序电流图；

图3是本发明实施1中发生单相接地故障时故障线路L2的零序电流图；

图4是本发明实施1中发生单相接地故障时非故障线路L3的零序电流图；

图5是本发明实施1中发生单相接地故障时非故障线路L5的零序电流图；

图6是本发明实施1中故障后0ms至20ms内四条线路截取的零序电流图；

图7是本发明实施2中发生单相接地故障时故障线路L1的零序电流图；

图8是本发明实施2中发生单相接地故障时非故障线路L2的零序电流图；

图9是本发明实施2中发生单相接地故障时非故障线路L3的零序电流图；

图10是本发明实施2中发生单相接地故障时非故障线路L4的零序电流图；

图11是本发明实施2中故障后0ms至20ms内四条线路截取的零序电流图。

应用实例

下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。

一种基于相关系数的风电场集电线路单相接地故障选线方法，包括如下步骤：

Step1：通过电磁暂态仿真在风力发电场(简称风电场)的一条集电线路上沿线路进行测量，若发生单相接地故障则将该条线路作为故障集电线路，并于测量点提取出该故障线路的零序电流。该仿真模型有一条母线和四条集电线路，如图1所示。

Step2：截取发生故障后每条集电线路20ms的零序电流波形数列。

Step3：将所有集电线路的零序电流波形数列进行分组，两条集电线路分为一组，且每一条集电线路都需要和其它三条线路分别组成一组进行对比，该模型四条集电线路可分为六组，在MATLAB中代入斯皮尔曼等级相关系数公式中进行计算；

Step4：通过对所有计算结果进行对比，当发生故障时，对一组中的两条集电线路进行等级相关系数对比，若计算结果大于0，则该组中的两条集电线路都为非故障线路；若计算结果小于0，则该组中有且仅有一条集电线路为故障线路；对所有组进行判断，得到故障线路。该模型仅适用于一条集电线路发生单相接地故障，若两条集电线路同时发生单相接地故障，则两条故障线路互为正相关，需要更多条线路数据进行对比。

所述Step1中，提取风力发电场每一条集电线路的母线侧零序电流，定义故障选线启动判据为：

式(1)中，k表示采样点，K表示一定时窗内采样点数，K≤k，Δi(k)＝i₀(k)-i₀(k-1),i₀(k)和i₀(k-1)为相邻两个采样点的零序电流采样值。

当零序电流超过设定的阀值时，判断风力发电场中的集电线路发生了单相接地故障；但在进行选线算法计算之前并不确定是哪一条集电线路发生单相接地故障，仅作为开始截取零序电流的判据。

所述Step3中斯皮尔曼计算具体为：

以一个组中两条集电线路零序电流波形数列为例，收集一组中线路A和线路B的零序电流波形数列，把收集到的零序电流波形数列A＝{a1,a2,...,an}按升序或降序排列得到数列x＝{x1,x1,...,xn}，将数列A内每个元素ai在数列x中的位置记为hi，得到数列h。

把收集到的零序电流波形数列B＝{b1,b2,...,bn}按升序或降序排列得到数列y＝{y1,y2,...,yn}，将数列B内每个元素bi在数列y中的位置记为gi，得到数列g。

将数列h和数列g中的每个元素对应相减，得到秩次差数列d_i：

d_i＝h_i-g_i (2)

将秩次差数列d_i带入斯皮尔曼等级相关系数公式：

式(3)中，ρ为斯皮尔曼相关系数，n为输入数列点数，d为数列对应相减的秩次差系数。

将所有组的计算结果形成矩阵S：

矩阵中主对角线ρ₁₁、ρ₂₂、ρ₃₃、ρ₄₄是一条集电线路和自身进行等级相关系数对比，其值均为1。

矩阵中，ρ₁₂与ρ₂₁都表示集电线路1与集电线路2进行相关系数对比，其值相等。

当一条集电线路发生单相接地故障时，若ρ₁₂的计算数值为正，则说明集电线路1与集电线路2都为非故障线路。若值为负数，则说明集电线路1与集电线路2中有且仅有一条线路发生故障。根据提取的集电线路3和集电线路4与集电线路1和集电线路2的零序电流波形数列分别进行斯皮尔曼相关系数计算，相互对比后可判断故障线路，当其它线路发生故障时同理。

故障线路零序电流幅值是健全线路的数倍，因健全线路之间由于线路对地分布电容不大，因此零序电流幅值相差不大。故障线路零序电流相位与所有健全线路零序电流合成矢量的反向，而健全线路之间相位一致。

若2个波形完全相同，则其相关系数的值为1，若2个波形完全相反，则其其相关系数的值为-1，其它情况下在-1～1之间变化。若计算数值大于0，则说明两条集电线路呈正相关性，在选线中，此组的两条集电线路为非故障线路或两条线路均为故障线路；反之，则两条线路中有且仅有一条线路为故障线路。

实施例1：

(1)假设在距离母线13公里处的线路L2上发生过渡电阻不变的单相接地故障，故障发生后经过100ms结束，线路L1、L2、L3、L4零序电流波形分别如图2、图3、图4、图5所示。

(2)截取故障后4条线路0ms至20ms零序电流波形如图6所示，将数据带入matlab进行斯皮尔曼相关系数计算，计算结果为：

(3)经过对比，线路L2与其它线路的斯皮尔曼相关系数均小于0，其余线路斯皮尔曼相关系数均大于0，故可判断线路L2发生单相接地故障。

实施例2：

(1)假设在距离母线20公里处的线路L1上发生过渡电阻不变的单相接地故障，故障发生后经过100ms结束，线路L1、L2、L3、L4零序电流波形分别如图6、图7、图8、图9所示。

(2)截取故障后4条线路0ms至20ms零序电流波形如图11所示，将数据带入matlab进行斯皮尔曼相关系数计算，计算结果为：

(3)经过对比，线路L1与其它线路的斯皮尔曼相关系数均小于0，其余线路斯皮尔曼相关系数均大于0，故可判断线路L1发生单相接地故障。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (3)

1.一种基于相关系数的风电场集电线路单相接地故障选线方法，其特征在于，包括如下步骤：

Step1：通过电磁暂态仿真在风力发电场的一条集电线路上沿线路进行测量，若发生单相接地故障则将该条线路作为故障集电线路，并于测量点提取出该故障线路的零序电流；

Step2：截取发生故障后每条集电线路20ms的零序电流波形数列；

Step3：将所有集电线路的零序电流波形数列进行分组，两条集电线路分为一组，且每一条集电线路都需要和其它三条线路分别组成一组进行对比，在MATLAB中代入斯皮尔曼等级相关系数公式中进行计算；

Step4：通过对所有计算结果进行对比，当一条集电线路发生故障时，若计算结果大于0，则为非故障线路；若计算结果小于0，则这一组中有一条线路为故障线路，通过计算结果排除非故障线路，得到故障线路。

2.根据权利要求1所述的基于相关系数的风电场集电线路单相接地故障选线方法，其特征在于：所述Step1中，提取风力发电场每一条集电线路的母线侧零序电流，定义故障选线启动判据为：

式(1)中，k表示采样点，K表示一定时窗内采样点数，K≤k，Δi(k)＝i₀(k)-i₀(k-1),i₀(k)和i₀(k-1)为相邻两个采样点的零序电流采样值；

当零序电流超过设定的阀值时，判断风力发电场中的集电线路发生了单相接地故障。

3.根据权利要求1所述的基于相关系数的风电场集电线路单相接地故障选线方法，其特征在于，所述Step3中斯皮尔曼计算具体为：

收集一组中线路A和线路B的零序电流波形数列，把收集到的零序电流波形数列A＝{a1,a2,...,an}按升序或降序排列得到数列x＝{x1,x1,...,xn}，将数列A内每个元素ai在数列x中的位置记为hi，得到数列h；

把收集到的零序电流波形数列B＝{b1,b2,...,bn}按升序或降序排列得到数列y＝{y1,y2,...,yn}，将数列B内每个元素bi在数列y中的位置记为gi，得到数列g；

将数列h和数列g中的每个元素对应相减，得到秩次差数列d_i：

d_i＝h_i-g_i (2)

将秩次差数列d_i带入斯皮尔曼等级相关系数公式：

式(3)中，ρ为斯皮尔曼相关系数，n为输入数列点数，d为数列对应相减的秩次差系数；

将所有组的计算结果形成矩阵S：

矩阵中主对角线ρ₁₁、ρ₂₂、ρ₃₃、ρ₄₄是一条集电线路和自身进行等级相关系数对比，其值均为1；

矩阵中，ρ₁₂与ρ₂₁都表示集电线路1与集电线路2进行相关系数对比，其值相等。

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