CN112083286B - 一种风电场集电线路单相接地故障选线方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种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。若判断系统发生单相接地故障,对各集电线路的零序电流进行采样,选取暂态零序电流进行2层小波分解。提取低频带的零序电流小波系数,并计算各集电线路之间的Hausdorff双向距离,形成各集电线路的Hausdorff距离矩阵。对Hausdorff距离矩阵每列进行求和,形成各集电线路零序电流综合关联系数矩阵。选取零序电流综合关联系数最大的线路,计算该集电线路零序电流综合关联系数商,形成该集电线路零序电流综合关联系数商矩阵。根据该矩阵的互关联系数是否大于阈值,判断该集电线路是否发生单相接地故障。理论分析、仿真及实际录播数据验证本发明效果良好。
Description
技术领域
本发明涉及一种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
从本质上讲,风电场集电系统就是一个有源配电系统。早期风电场集电线路系统多沿用小电流接地方式,但区别于配电网保护的侧重点,近年来,越来越多的风电场将小电流接地方式更换为小电阻接地方式。相较于小电阻接地方式,小电流接地系统发生单相接地故障时,接地电流更加微弱,多数情况下电气量临界于甚至未达到保护整定值,仅依靠继电保护无法保证故障可靠切除。因此,许多学者研究了多种单相接地故障选线及定位方法,对继电保护形成辅助的故障辨识方式,保证故障以可靠切除。
而对于小电阻接地系统,低阻故障时接地电流高达上百或上千安培,基于零序分量的大多数继电保护都有足够的选择性和灵敏性,正确动作,无需进行选线。然而,常规风电场集电线路的保护整定值较高且为定值,在系统发生高阻故障时,系统保护越级动作、或不可靠动作。因此,利用集中保护装置,对集电线路信息集中比较分析,甄选出故障线路,配合常规保护对其进行切除,是一个行之有效的方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对风电场小电阻接地系统集电线路高阻故障时零序保护不可靠的问题,提出一种风电场集电线路单相接地故障选线方法,用以解决上述问题。
本发明的技术方案是:一种风电场集电线路单相接地故障选线方法,利用零序电压突变量判断风电场小电阻接地集电系统是否异常运行,若判断系统发生单相接地故障,对各集电线路的零序电流进行采样,选取暂态零序电流进行2层小波分解,提取低频带的零序电流小波系数,并计算各集电线路之间的Hausdorff双向距离,形成各线路的Hausdorff距离矩阵,对Hausdorff距离矩阵每列进行求和,形成各集电线路零序电流综合关联系数矩阵,选取零序电流综合关联系数最大的线路,计算该集电线路零序电流综合关联系数商,形成该集电线路零序电流综合关联系数商矩阵,若该矩阵的互关联系数均大于阈值,则该条集电线路发生单相接地故障,若该矩阵的互关联系数均小于阈值,则汇集母线发生单相接地故障。
具体步骤为:
Step1:提取风电场集电系统中性点零序电压,定义突变量启动判据为:
式(1)中,k表示当前采样点,K表示一定时窗内的采样点数,k≥K,Δu(k)=u0(k)-u0(k-1), u0(k)为零序电压采样值,当零序电压突变量超过设定的阈值时,判断风电集电系统发生了单相接地故障。
Step2:提取各集电线路出口保护处的故障后5ms(T/4工频周期)的零序电流数据,对各集电线路零序电流进行小波2层分解与重构,提取低频带零序电流小波系数,根据式(2) 求取第i和j条集电线路低频带零序电流小波系数的Hausdorff距离,形成各线路的Hausdorff距离矩阵H。
H(i,j)=max[h(i0i,i0j),h(i0j,i0i)] (2)
式(2)中,h(i0i,i0j) 、 h(i0j,i0i) 分别为第i到第j条集电线路、第j到第i条集电线路零序电流小波系数的Hausdorff单向距离。
Step3:通过式(4)求取各集电线路零序电流波形综合关联系数Hj,并根据式(5)形成零序电流波形综合关联系数矩阵HΣ。
HΣ=[H1 … Hj … Hk … Hm],j=1,…,j,…,k,…m (5)
Step4:假设第k条集电线路对应的元素Hk为矩阵HΣ的最大值,根据式(6)求取各集电线路综合关联系数商Skj,并根据式(7)综合关联系数商矩阵Sk。
Sk=[Sk1 … Skj … 1 … Skm],j=1,…,j,…,k,…m (7)
Step5:设定阈值Sth,若矩阵Sk互关联系数均大于Sth,则第k条集电线路故障;若矩阵Sk互关联系数均小于Sth,则为汇集母线故障。经大量仿真分析,将阈值设为1.5即可对集电线路故障或汇集线路故障有效区分。
本发明的有益效果是:
1、本发明利用零序电压突变量作为故障选线启动,极大提高了选线装置的灵敏性。
2、本发明采用故障后T/4时窗的零序电流,此时电流互感器采集到的零序电流波形还未发生畸变,避免了波形畸变带来的影响。
3、本发明使用的选线算法相较相关系数分析法,能更好地反映各集电线路零序电流波形的相似度,性能较相关系数法占优。
附图说明
图1是本发明实施例中风电场集电系统仿真模型图;
图2是本发明实施例1中暂态零序电流小波系数波形图;
图3是本发明实施例2中暂态零序电流小波系数波形图。
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。
一种风电场集电线路单相接地故障选线方法,利用零序电压突变量判断风电场小电阻接地集电系统是否异常运行,若判断系统发生单相接地故障,对各集电线路的零序电流进行采样,选取暂态零序电流进行2层小波分解,提取低频带的零序电流小波系数,并计算各集电线路之间的Hausdorff双向距离,形成各集电线路的Hausdorff距离矩阵,对Hausdorff距离矩阵每列进行求和,形成各集电线路零序电流综合关联系数矩阵,选取零序电流综合关联系数最大的线路,计算该集电线路零序电流综合关联系数商,形成该集电线路零序电流综合关联系数商矩阵,若该矩阵的互关联系数均大于阈值,则该集电线路发生单相接地故障,若该矩阵的互关联系数均小于阈值,则汇集母线发生单相接地故障。
具体步骤为:
Step1:提取风电场集电系统中性点零序电压,定义突变量启动判据为:
式(1)中,k表示当前采样点,K表示一定时窗内的采样点数,k≥K,Δu(k)=u0(k)-u0(k-1), u0(k)为零序电压采样值,当零序电压突变量超过设定的阈值时,判断风电集电系统发生了单相接地故障。
Step2:提取各集电线路出口保护处的故障后5ms(T/4工频周期)的零序电流数据,对各集电线路零序电流进行小波2层分解与重构,提取低频带零序电流小波系数,根据式(2) 求取第i和j条集电线路低频带零序电流小波系数的Hausdorff距离,形成各集电线路的Hausdorff距离矩阵H。
H(i,j)=max[h(i0i,i0j),h(i0j,i0i)] (2)
式(2)中,h(i0i,i0j) 、 h(i0j,i0i) 分别为第i到第j条集电线路、第j到第i条集电线路零序电流小波系数的Hausdorff单向距离。
Step3:通过式(4)求取各集电线路零序电流波形综合关联系数Hj,并根据式(5)形成零序电流波形综合关联系数矩阵HΣ。
HΣ=[H1 … Hj … Hk … Hm],j=1,…,j,…,k,…m (5)
Step4:假设第k条线路对应的元素Hk为矩阵HΣ的最大值,根据式(6)求取各集电线路综合关联系数商Skj,并根据式(7)综合关联系数商矩阵Sk。
Sk=[Sk1 … Skj … 1 … Skm],j=1,…,j,…,k,…m (7)
Step5:设定阈值Sth,若矩阵Sk互关联系数均大于Sth,则第k条集电线路故障;若矩阵Sk互关联系数均小于Sth,则为汇集母线故障。
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每条集电线路有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)集电线路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。集电线路L4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。
设置距离汇集母线13km,集电线路L4的分支1(距分支1出口2km)上发生A相接地故障,过渡电阻为1000Ω,故障时刻为0.23s,持续时长为0.05s。L1~L4集电线路出口0.01km分别有W1、W2、W3、W4个检测点,采样率为10kHz。本例的风电场集电线路单相接地故障选线方法的具体步骤如下:
按照步骤(1),采集中性点零序电压和各集电线路零序电流,计算零序电压突变量E(k)=203897V2,零序电压突变量大于设定的阈值,判定风电场集电系统发生单相接地故障。
确定集电系统发生单相接地故障后,按照步骤(2),选取故障后5ms各馈线的零序电流进行db4小波2层分解,暂态零序电流0~2.5kHz频带的小波系数波形如图2所示,采用暂态零序电流0~2.5kHz频带的小波系数计算各线路之间的Hausdorff双向距离,集电线路L1~L4的Hausdorff距离矩阵H及综合关联系数矩阵HΣ为
HΣ=[7.4406 7.4406 7.7562 20.5521]
由上述矩阵可看出,第4条集电线路的零序电流综合关联系数最大,计算各集电线路的综合关联系数商S4j,并形成综合关联系数商矩阵S4为
S4=[2.7622 2.7622 2.64981]
由上述矩阵可知,S4的互关联系数均大于Sth,根据步骤(4)可知,可判断集电线路L4为故障集电线路;L1~L3为健全集电线路。
实施例2:2018年2月9日,云南省曲靖市支锅山风电场35kV母线上某集电线路发生单相接地故障。该风电场中性点接地方式为小电阻接地,35kV汇集母线I段上共有5条集电线路。本例的风电场集电线路单相接地故障选线方法的具体步骤如下:
按照步骤(1),采集中性点零序电压和各集电线路零序电流,计算零序电压突变量E(k)=14608V2,零序电压突变量大于设定的阈值,判定风电场集电系统发生单相接地故障。
确定集电系统发生单相接地故障后,按照步骤(2),选取故障后5ms各集电线路的零序电流进行db4小波2层分解,暂态零序电流低频带的小波系数波形如图3所示,采用暂态零序电流低频带的小波系数计算各线路之间的Hausdorff双向距离,L1~L5的Hausdorff距离矩阵H及综合关联系数矩阵HΣ为
HΣ=[3.2046 3.4103 3.2755 10.2535 4.2325]
由上述矩阵可看出,第4条集电线路的零序电流综合关联系数最大,计算各集电线路的综合关联系数商S4j,并形成综合关联系数商矩阵S4为
S4=[3.1996 3.0066 3.1304 1 2.4225]
由上述矩阵可知,S4互关联系数均大于Sth,根据步骤(4)可知,可判断集电线路L4为故障集电线路;L1~L3、L5为健集电全线路。与实际故障集电线路相符。
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 (1)
1.一种风电场集电线路单相接地故障选线方法,其特征在于:利用零序电压突变量判断风电场小电阻接地集电系统是否异常运行,若判断系统发生单相接地故障,对各集电线路的零序电流进行采样,选取暂态零序电流进行2层小波分解,提取低频带的零序电流小波系数,并计算各集电线路之间的Hausdorff双向距离,形成各集电线路的Hausdorff距离矩阵,对Hausdorff距离矩阵每列进行求和,形成各条集电线路的零序电流综合关联系数矩阵,选取零序电流综合关联系数最大的集电线路,计算该条集电线路的零序电流综合关联系数商,形成该条集电线路的零序电流综合关联系数商矩阵,若该矩阵的互关联系数均大于阈值,则该条集电线路发生单相接地故障,若该矩阵的互关联系数均小于阈值,则汇集母线发生单相接地故障;
具体步骤为:
Step1:提取风电场集电系统中性点零序电压,定义突变量启动判据为:
式(1)中,k表示当前采样点,K表示一定时窗内的采样点数,k≥K,Δu(n)=u0(n)-u0(n-1),u0(n)为零序电压采样值,当零序电压突变量超过设定的阈值时,判断风电集电系统发生了单相接地故障;
Step2:提取各集电线路出口保护处的故障后5ms的零序电流数据,对各集电线路零序电流进行小波2层分解与重构,提取低频带零序电流小波系数,根据式(2)求取第i和j条集电线路低频带零序电流小波系数的Hausdorff距离,形成各集电 线路的Hausdorff距离矩阵H;
H(i,j)=max[h(i0i,i0j),h(i0j,i0i)] (2)
式(2)中,h(i0i,i0j) 、 h(i0j,i0i)分别为第i到第j条集电线路、第j到第i条集电线路零序电流小波系数的Hausdorff单向距离;
Step3:通过式(4)求取各集电线路零序电流波形综合关联系数Hj,并根据式(5)形成零序电流波形综合关联系数矩阵HΣ;
HΣ=[H1 … Hj … Hk … Hm],j=1,…,j,…,k,…m (5)
Step4:假设第k条集电 线路对应的元素Hk为矩阵HΣ的最大值,根据式(6)求取各集电线路综合关联系数商Skj,并根据式(7)计算综合关联系数商矩阵Sk;
Sk=[Sk1 … Skj … 1 … Skm],j=1,…,j,…,k,…m (7)
Step5:设定阈值Sth,若矩阵Sk互关联系数均大于Sth,则第k条集电线路故障;若矩阵Sk互关联系数均小于Sth,则为汇集母线故障。
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