CN112083284A - 一种基于零序电流相位差的风电场集电线路故障区段与故障分支识别方法 - Google Patents

一种基于零序电流相位差的风电场集电线路故障区段与故障分支识别方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于零序电流相位差的风电场集电线路故障区段与故障分支识别方法，属于电力系统继电保护技术领域。首先提取集电线路上各个测点的故障后一个周波的零序电流数据，并选用Hanning窗函数对其进行加窗处理，计算得到加窗后的零序电流序列值。对各个测点加窗后的零序电流序列值进行FFT变换，得到变换后的零序电流序列值，计算两个相邻监测点的零序电流故障分量相位谱及其相位谱均值。若相邻两个测点均在主干线上，根据故障区段识别判据判断该区段是否故障；若两个相邻测点分别位于主干线、分支上，则根据故障分支识别判据判断该分支是否故障。本发明仅采用风电场集电线路零序电流构造判据识别故障区段及分支，原理简单，贴合工程实际应用。

Description

一种基于零序电流相位差的风电场集电线路故障区段与故障 分支识别方法
技术领域
本发明涉及一种基于零序电流相位差的风电场集电线路故障区段与故障分支识别方法，属于电力系统继电保护技术领域。
背景技术
与传统单侧电源辐射型的配电网结构类似，许多大型风电场在地理分布上多呈现出多分支的特征，在风电场中下游风机一般为辐射式或链式的接线形式。然而，沿袭配网的一般性架构，风电场一般在与母线直接相连的初级馈线出口装设可获取三相电流、母线三相电压、零序电流、母线零序电压等多种电气量的传感器。只在集电线路主干线出口设置断路器，对其下游分支线路并没有设置测点及断路器，仅在风机箱变高压侧设置熔断器，切除故障风机。当下游分支架空线发生单相接地时，只能靠集电线路出口断路器切除故障。如此以来，整条集电线路被切除，将导致大量风机脱网。
为实现风电场单相接地故障的选择性切除，除应深入对集电线路的单相接地保护进行改进外，还需从集电线路结构入手，借助配网故障识别及保护的理论，合理且有针对性的为复杂集电线路及分支线路关键节点装设测点。确定故障集电线路后，应对故障集电线路进行故障区段有效识别，及时确定故障范围，减小停电时间，降低给风电场带来的损失。
发明内容
本发明要解决的技术问题是对集电线路结构的复杂性及配置保护的单一性，为集电线路关键节点合理增设测点，提出一种基于零序电流相位差的风电场集电线路故障区段与故障分支识别方法，用以解决上述问题。
本发明的技术方案是：一种基于零序电流相位差的风电场集电线路故障区段与故障分支识别方法，首先提取集电线路上各个测点的故障后一个周波的零序电流数据，并选用Hanning窗函数对其进行加窗处理，得到加窗后的零序电流序列值，对各个测点加窗后的零序电流序列值进行FFT变换，得到变换后的零序电流序列值，计算两个相邻监测点的零序电流故障分量相位谱及其相位谱均值，若相邻两个测点均在主干线上，根据故障区段识别判据判断该区段是否故障，若两个相邻测点分别位于主干线、分支上，则根据故障分支识别判据判断该分支是否故障。
具体步骤为：
Step1：首先选用Hanning窗函数根据式(1)计算Hanning卷积窗并归一化，提取各个检测点故障后一个周波的零序电流数据，对其进行加窗处理，根据式(2)分别计算得到2N-1项的零序电流序列
Figure BDA0002668319450000021
Figure BDA0002668319450000022
Figure BDA0002668319450000023
Step2：对各个检测点的
Figure BDA0002668319450000024
分别进行FFT变换，得到
Figure BDA0002668319450000025
根据式(3)～(4)分别计算各个检测点的
Figure BDA0002668319450000026
的实部
Figure BDA0002668319450000027
和虚部
Figure BDA0002668319450000028
Figure BDA0002668319450000029
Figure BDA00026683194500000210
Step3：根据式(5)分别求取两个相邻检测点u、v的零序电流故障分量的相位谱φu(k)、φv(k)。
Figure BDA00026683194500000211
Step4：根据式(6)求取第u、v个检测点零序电流故障分量的相位差序列均值Δφu-v。
Figure BDA00026683194500000212
Step5：若第u、v个检测点均在主干线上，则根据式(7)判断该区段是否故障。
若第u个检测点位于主干线、而第v个检测点位于分支，则根据式(8)判断分支是否故障。
Figure BDA00026683194500000213
Figure BDA00026683194500000214
对于主干线末端，因只有一个检测点，若主干线路两两检测点计算的相位差序列均值均接近于零时，可判断线路末端区段故障。
本发明的有益效果是：
1、本发明仅采用风电场集电线路零序电流构造判据识别故障区段及分支，原理简单，贴合工程实际应用。
2、本发明采用apFFT频谱分析法对集电线路零序电流相位进行计算，相较于传统FFT分析法，可避免检测点之间的非同步采样、非周期截断可能引起的频谱泄露，可减小因故障点下游零序电流数值较小且存在大量高频谐波引起的误差。
附图说明
图1是本发明实施例风电场集电系统仿真模型图；
图2是本发明实施例1风电场集电线路L4的检测点分布图；
图3是本发明实施例1检测点W4的零序电流相位谱分布图；
图4是本发明实施例1检测点1的零序电流相位谱分布图；
图5是本发明实施例1检测点2的零序电流相位谱分布图；
图6是本发明实施例1检测点3的零序电流相位谱分布图；
图7是本发明实施例1检测点4的零序电流相位谱分布图；
图8是本发明实施例1检测点5的零序电流相位谱分布图；
图9是本发明实施例2风电场集电线路L4的检测点分布图；
图10是本发明实施例2检测点W4的零序电流相位谱分布图；
图11是本发明实施例2检测点1的零序电流相位谱分布图；
图12是本发明实施例2检测点2的零序电流相位谱分布图；
图13是本发明实施例2检测点3的零序电流相位谱分布图；
图14是本发明实施例2检测点4的零序电流相位谱分布图；
图15是本发明实施例2检测点5的零序电流相位谱分布图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。
一种基于零序电流相位差的风电场集电线路故障区段与故障分支识别方法，首先提取集电线路上各个测点的故障后一个周波的零序电流数据，并选用Hanning窗函数对其进行加窗处理，得到加窗后的零序电流序列值，对各个测点加窗后的零序电流序列值进行FFT变换，得到变换后的零序电流序列值，计算两个相邻监测点的零序电流故障分量相位谱及其相位谱均值，若相邻两个测点均在主干线上，根据故障区段识别判据判断该区段是否故障，若两个相邻测点分别位于主干线、分支上，则根据故障分支识别判据判断该分支是否故障。
具体步骤为：
Step1：首先选用Hanning窗函数根据式(1)计算Hanning卷积窗并归一化，提取各个检测点故障后一个周波的零序电流数据，对其进行加窗处理，根据式(2)分别计算得到2N-1项的零序电流序列
Figure BDA0002668319450000041
Figure BDA0002668319450000042
Figure BDA0002668319450000043
Step2：对各个检测点的
Figure BDA0002668319450000044
分别进行FFT变换，得到
Figure BDA0002668319450000045
根据式(3)～(4)分别计算各个检测点的
Figure BDA0002668319450000046
的实部
Figure BDA0002668319450000047
和虚部
Figure BDA0002668319450000048
Figure BDA0002668319450000049
Figure BDA00026683194500000410
Step3：根据式(5)分别求取两个相邻检测点u、v的零序电流故障分量的相位谱φu(k)、φv(k)。
Figure BDA00026683194500000411
Step4：根据式(6)求取第u、v个检测点零序电流故障分量的相位差序列均值Δφu-v。
Figure BDA00026683194500000412
Step5：若第u、v个检测点均在主干线上，则根据式(7)判断该区段是否故障。
若第u个检测点位于主干线、而第v个检测点位于分支，则根据式(8)判断分支是否故障。
Figure BDA0002668319450000051
Figure BDA0002668319450000052
对于主干线末端，因只有一个检测点，若主干线路两两检测点计算的相位差序列均值均接近于零时，可判断线路末端区段故障。
下面结合具体的例子，对本发明进行详细说明。
实施例1：如图1所示，构建典型风电场集电系统仿真模型，模型具体参数如下：
(1)35kV汇集母线上有4条集电线路L1～L4，其中L1～L3每条线路有3台双馈风电机组，L4含有分支，共有8台双馈风电机组；共接入17台双馈风机。双馈风电机组经由0.69kV/38.5kV的Y/△型箱变升压连接到集电线路。每台风机容量为2MW，风电机组总容量为17*2MW＝34MW。
(2)L1～L4主干线路总长分别为：24km、17km、14km、23km，其中L1～L4上游为电缆线路，分别长20km、13km、10km、11km，下游风机之间为架空线路，每两台风电机组间距为2km。L4线路分支1、分支2长度分别为8km、4km。
(3)35kV母线经由38.5kV/220kV主变升压至220kV，主变容量为100MVA，Ynd11连接。主变低压侧通过Z型变压器经50Ω电阻接地，主变高压侧经送出线路与220kV大电网系统相连。
如图2所示，集电线路L4主干线上的检测点W4、1、2、3距离母线的间距分别为0.01km、11km、15km、19km；分支检测点4、5距离分支1、2出口0.01km，测点采样率为10kHz。设置距离汇集母线6km，集电线路L4的主干线发生A相接地故障，过渡电阻为300Ω，故障时刻为0.23s，持续时长为0.05s。本例基于零序电流相位差的风电场集电线路故障区段与分支识别方法的具体步骤如下：
按照步骤(1)、(2)、(3)，提取各个检测点故障后一个周波的零序电流数据，采样点数N＝128，对其进行加窗处理，对加窗后的零序电流序列进行FFT变换。得到的各个检测点的相位谱如图3～图8所示。
按照步骤(4)计算得到线路各个区段及分支零序电流故障分量的相位差序列均值，W4-1：174.2463；1-2：0.1763；2-3：0.0916；1-4：174.3396；1-5：174.1368。
按照步骤(5)，可判断线路W4-1区段发生故障。
实施例2：如图1所示，构建典型风电场集电系统仿真模型，模型具体参数如下：
(1)35kV汇集母线上有4条集电线路L1～L4，其中L1～L3每条线路有3台双馈风电机组，L4含有分支，共有8台双馈风电机组；共接入17台双馈风机。双馈风电机组经由0.69kV/38.5kV的Y/△型箱变升压连接到集电线路。每台风机容量为2MW，风电机组总容量为17*2MW＝34MW。
(2)L1～L4主干线路总长分别为：24km、17km、14km、23km，其中L1～L4上游为电缆线路，分别长20km、13km、10km、11km，下游风机之间为架空线路，每两台风电机组间距为2km。L4线路分支1、分支2长度分别为8km、4km。
(3)35kV母线经由38.5kV/220kV主变升压至220kV，主变容量为100MVA，Ynd11连接。主变低压侧通过Z型变压器经50Ω电阻接地，主变高压侧经送出线路与220kV大电网系统相连。
如图9所示，集电线路L4主干线上的检测点W4、1、2、3距离母线的间距分别为0.01km、11km、15km、19km；分支检测点4、5距离分支1、2出口0.01km，测点采样率为10kHz。设置距离汇集母线13km，集电线路L4的分支1出口2km处发生A相接地故障，过渡电阻为0.01Ω，故障时刻为0.23s，持续时长为0.05s。本例基于零序电流相位差的风电场集电线路故障区段与分支识别方法的具体步骤如下：
按照步骤(1)、(2)、(3)，提取各个检测点故障后一个周波的零序电流数据，采样点数N＝128，对其进行加窗处理，对加窗后的零序电流序列进行FFT变换。得到的各个检测点的相位谱如图8～图13所示。
按照步骤(4)计算得到各个线路区段的零序电流故障分量的相位差序列均值，即，W4-1：0.2375；1-2：174.6499；2-3：0.0099；1-4：0.0128；1-5：174.6390。
按照步骤(5)，可判断线路2-3区段发生故障；区段2-3有分支1和分支2，根据分支判据，进一步判断分支1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 (2)

1.一种基于零序电流相位差的风电场集电线路故障区段与故障分支识别方法，其特征在于：首先提取集电线路上各个测点的故障后一个周波的零序电流数据，并选用Hanning窗函数对其进行加窗处理，得到加窗后的零序电流序列值，对各个测点加窗后的零序电流序列值进行FFT变换，得到变换后的零序电流序列值，计算两个相邻监测点的零序电流故障分量相位谱及其相位谱均值，若相邻两个测点均在主干线上，根据故障区段识别判据判断该区段是否故障，若两个相邻测点分别位于主干线、分支上，则根据故障分支识别判据判断该分支是否故障。
2.根据权利要求1所述的基于零序电流相位差的风电场集电线路故障区段与故障分支识别方法，其特征在于具体步骤为：
Step1：首先选用Hanning窗函数根据式(1)计算Hanning卷积窗并归一化，提取各个检测点故障后一个周波的零序电流数据，对其进行加窗处理，根据式(2)分别计算得到2N-1项的零序电流序列
Figure FDA0002668319440000011
Figure FDA0002668319440000012
Figure FDA0002668319440000013
Step2：对各个检测点的
Figure FDA0002668319440000014
分别进行FFT变换，得到
Figure FDA0002668319440000015
根据式(3)～(4)分别计算各个检测点的
Figure FDA0002668319440000016
的实部
Figure FDA0002668319440000017
和虚部
Figure FDA0002668319440000018
Figure FDA0002668319440000019
Figure FDA00026683194400000110
Step3：根据式(5)分别求取两个相邻检测点u、v的零序电流故障分量的相位谱φu(k)、φv(k)；
Figure FDA0002668319440000021
Step4：根据式(6)求取第u、v个检测点零序电流故障分量的相位差序列均值Δφu-v；
Figure FDA0002668319440000022
Step5：若第u、v个检测点均在主干线上，则根据式(7)判断该区段是否故障；
若第u个检测点位于主干线、而第v个检测点位于分支，则根据式(8)判断分支是否故障；
Figure FDA0002668319440000023
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