CN113054661A - 一种基于堪培拉距离的新能源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堪培拉距离的新能源场站送出线路纵联保护方法，在新能源场站送出线路两侧分别安装相同的线路保护装置，每套保护装置独立测量本侧的三相电流，并利用光纤通道获取对侧的电流信息；对一侧短路电流波形进行反相后，利用堪培拉距离来衡量新能源场站送出线路两侧暂态短路电流的波形相似度；基于新能源场站送出线路发生区内外故障时，两侧暂态短路电流的波形相似度不同，并在考虑相角误差和幅值误差的情况下计算得到堪培拉距离判据的整定值，以此来构造保护判据；根据所述保护判据来识别故障类型，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、运行方式、系统容量的影响，具有可靠性高、速动性好的优点。

Description

一种基于堪培拉距离的新能源场站送出线路纵联保护方法

技术领域

本发明涉及新能源电源并网保护技术领域，尤其涉及一种基于堪培拉距离的新能源场站送出线路纵联保护方法。

背景技术

随着能源短缺和环境污染的加剧，新能源发电已成为解决该问题的主要途径之一，由于我国大型新能源发电厂往往远离负荷中心，因此需要采用长线路集中送往负荷中心。然而由于换流器故障穿越控制策略的影响，新能源电源的短路特性不同于同步发电机，呈现出幅值受限、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，因此开展新能源场站送出线路新型保护的研究具有重要意义。

目前，利用送出线路时域暂态短路电流波形的保护新原理研究成果较少，衡量波形相似度主要有相似度度量和距离度量，常用的相似度度量主要有皮尔逊相关系数、余弦相似度，相应的保护原理为基于皮尔逊相关系数的纵联保护原理和基于余弦相似度的纵联保护新原理，然而这类保护原理在新能源弱出力情况下故障以及重合于永久性故障的场景下，保护原理存在性能下降、甚至无法正确动作的风险；Hausdroff距离为常用的距离度量方法，相应的保护新原理为基于Hausdroff距离的纵联保护新原理，然而Hausdroff距离的本质为最小点距的最大值，受短路电流幅值和异常数据的影响较大，在不同系统运行方式的新能源电站中，保护整定值的计算比较困难。由此可见，新能源场站送出线路仍缺乏可靠性高、速动性好的保护方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于堪培拉距离的新能源场站送出线路纵联保护方法，该方法不受新能源、控制策略、运行方式、系统容量的影响，具有可靠性高、速动性好的优点，且在异常数据和新能源弱出力或重合于永久性故障的场景下也能呈现出良好的动作性能。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于堪培拉距离的新能源场站送出线路纵联保护方法，所述方法包括：

步骤1、在新能源场站送出线路两侧分别安装相同的电流互感器，每套电流互感器独立测量本侧的三相电流，并利用光纤通道获取对侧的电流信息；

步骤2、对对侧传输的短路电流波形进行反相后，利用堪培拉距离来衡量新能源场站送出线路两侧暂态短路电流的波形相似度；

步骤3、基于新能源场站送出线路发生区内外故障时，两侧暂态短路电流的波形相似度不同，并在考虑相角误差和幅值误差的情况下计算得到堪培拉距离判据的整定值，以此来构造保护判据；

步骤4、根据所述保护判据来识别故障类型，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、运行方式、系统容量的影响，具有可靠性高、速动性好的优点，且在异常数据和新能源弱出力或重合于永久性故障的场景下也能呈现出良好的动作性能。

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堪培拉距离的新能源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为本发明所举实例发生逆变电源区外故障内时两侧短路电流波形和堪培拉距离示意图。

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堪培拉距离的新能源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、在新能源场站送出线路两侧分别安装相同的电流互感器，每套电流互感器独立测量本侧的三相电流，并利用光纤通道获取对侧的电流信息；

步骤2、对对侧传输的短路电流波形进行反相后，利用堪培拉距离来衡量新能源场站送出线路两侧暂态短路电流的波形相似度；

在该步骤中，利用堪培拉距离来衡量新能源场站送出线路两侧暂态短路电流的波形相似度，具体公式为：

式中，d(x,y)代表两侧电流采样值之间的堪培拉距离计算值，该值的范围为[0,1]；向量x＝{x₁,x₂,…,x_n}为线路风场侧电流互感器的采样值；向量y＝{y₁,y₂,…,y_n}为线路系统侧电流互感器的采样值；n为采样点数；

基于上式，当新能源场站送出线路正常运行或者发生区外故障时，对一侧电流采样值进行反相后，两侧电流完全重合，堪培拉距离计算值d(x,y)为0；当发生区内故障时，对一侧电流采样值进行反相后，两侧短路电流差异较大，堪培拉距离计算值d(x,y)接近1；当新能源出力较弱或者重合于永久性故障时，新能源场站侧短路电流为0，堪培拉距离计算值d(x,y)为1。

步骤3、基于新能源场站送出线路发生区内外故障时，两侧暂态短路电流的波形相似度不同，并在考虑相角误差和幅值误差的情况下计算得到堪培拉距离判据的整定值，以此来构造保护判据；

在该步骤中，所构造的保护判据表达式为：

d(x,y)＞d_set (2)

式中，d(x,y)为两侧电流采样值之间的堪培拉距离计算值；d_set为堪培拉距离判据的整定值。

具体实现中，在考虑相角误差和幅值误差的情况下计算得到堪培拉距离判据的整定值，具体过程为：

在正常运行时，保护装置安装处电流互感器测得的短路电流为：

式中，I_φ表示三相短路电流；φ代表abc三相；I_M表示电流幅值；

表示初相角；

考虑相角误差时，对侧电流互感器传送的电流为：

两侧电流的堪培拉距离为：

然后利用matlab对式(5)进行数值求解，并考虑1.5倍的裕度，得到堪培拉距离判据的整定值d_set为0.25。

步骤4、根据所述保护判据来识别故障类型，并根据故障类型启用相应的保护措施。

在该步骤中，当某一相的堪培拉距离计算值大于整定值0.25时，判定该相为区内故障，启动保护措施，切断故障；当某一相的堪培拉距离计算值小于整定值0.25时，判定该相为区外故障，保护复归。

另外，根据故障类型启用相应的保护措施，具体过程为：

由新能源场站送出线路两侧的保护装置分相进行故障判断，若发生单相故障，则判定满足保护判据的相别为故障相，保护装置发出跳闸命令，切断故障相，非故障相继续正常运行；

若发生两相或三相故障，则判定满足保护判据的相别为故障相，保护装置发出三相跳闸命令，直接跳开三相。

下面以具体的实例对上述方法的过程进行详细描述，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，图中新能源场站分别为永磁风电场和双馈风电场，容量均为100MW,送出线路电压等级为220kV,长度为40km，正、负序阻抗均为0.076+j0.338Ω/km，零序阻抗为0.284+j0.824Ω/km。主变额定容量120MVA，变比220kV/35kV，YNd接线，短路阻抗6％。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。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)和通用保护平台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。

如图2所示，故障位置共5处，分别设置在送出线路场站侧外部出口、内部离场站侧10、20、30km和系统侧外部出口，分别记为K1、K2、K3、K4和K5，故障类型分别设为A相接地、BC两相短路、BC两相短路接地，ABC三相短路，分别记为AG、BC、BCG、ABC。

如图3所示为本发明所举实例发生逆变电源区外故障内时两侧短路电流波形和堪培拉距离示意图，左侧为逆变电源区内(K3)故障示意图，右侧为逆变电源区外(K1)故障示意图，由图中的对比可以看出：送出线路发生区外故障时，保护可靠不动作；当发生区内故障时，在故障后5ms，故障相的堪培拉距离计算值就超过了整定值d_set(0.25)，保护快速可靠动作，而非故障相始终低于整定值d_set，保护可靠不动作。

为验证基于堪培拉距离纵联保护方法的性能，构建了硬件在环动模实验平台，该实验平台由RTDS试验系统以及通用换流保护控制平台两部分组成，根据现场某风电场站的实际拓扑结构及参数，在RTDS中搭建图2所示的风电场站送出系统。所述方法固化在通用保护平台的DSP中，两平台通过电缆连接，在验证保护方法性能时，风电场站分别选用永磁风场和双馈风场，两类场站额定容量均为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环动模仿真实验平台中进行了大量研究，下表1～表3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，其中所有系数均为堪培拉距离计算值；表2为不同过渡电阻情况下，堪培拉距离计算值；表3给出了新能源场站不同容量时，保护新方法的动作情况，表中数值为堪培拉距离计算值。

表1

表2

表3

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，在各种故障场景下，发生区内故障时，堪培拉距离均大于保护整定值，保护可靠动作。在不同的系统容量和故障电阻情况下，所提保护受短路电流幅值影响较小，保护可靠动作。

为了进一步验证所提保护方法的动作性能，将本申请所述保护方法与现有技术基于余弦相似度和Haudroff距离的纵联保护原理进行性能比较，下表4～表6给出了所有仿真结果，其中表4给出了不同故障类型时三种相似度保护在新能源弱出力或者重合于永久性故障的保护动作性能；表5给出了K3处发生BC两相短路时三种相似度保护在不同短路容量比(短路容量比是系统侧短路电流幅值与场站侧短路电流幅值之比，同一场站容量在不同的系统参数下短路时得到不同的短路容量比)的保护动作性能；表6给出了三种相似度保护在人为设置的三种异常数据下发生BC两相短路时的保护动作性能，人为的设置三种异常数据情况为：M为出现离群值，N为出现采空数据。比如M3＝0.5,N14＝0,表示第3ms的数据误采为0.5，第14ms的数据采空，为0。

表4

表中余弦相似度中的‘-’表示保护原理失效，无法进行计算，其他数值为相应保护原理的计算值。

表5

表6

由上述的仿真对比结果可以看出：本发明实施例所述保护方法在上述三种场景下均能可靠的区分区内外故障，动作性能较好，因为堪培拉距离的分子对差异进行量化，而分母对差异进行归一化，受短路电流幅值和异常数据的影响较小；但基于余弦相似度的纵联保护原理在新能源弱出力或者重合于永久性故障时面临异常计算，保护无法正确动作，在三种人为设置的异常数据的情况下，当出现离群数据时，非故障相的余弦相似度低于保护定值，保护将误动作；基于Haudroff距离的纵联保护原理受短路容量比的影响较大，在短路容量比较小时，Haudroff距离很小，可能会导致保护误动作或灵敏度下降，当出现离群数据时，非故障相的Haudroff距离增大，可能高于保护定值，导致保护误动作。

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)在新能源场站送出线路发生区内故障时，本方法能够快速可靠动作，且能够实现全线速动；

(2)该保护方法受故障电阻和异常数据的影响较小；

(3)该保护方法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 (6)

1.一种基于堪培拉距离的新能源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、在新能源场站送出线路两侧分别安装相同的电流互感器，每套电流互感器独立测量本侧的三相电流，并利用光纤通道获取对侧的电流信息；

步骤2、对对侧传输的短路电流波形进行反相后，利用堪培拉距离来衡量新能源场站送出线路两侧暂态短路电流的波形相似度；

步骤3、基于新能源场站送出线路发生区内外故障时，两侧暂态短路电流的波形相似度不同，并在考虑相角误差和幅值误差的情况下计算得到堪培拉距离判据的整定值，以此来构造保护判据；

步骤4、根据所述保护判据来识别故障类型，并根据故障类型启用相应的保护措施。

2.根据权利要求1所述基于堪培拉距离的新能源场站送出线路纵联保护方法，其特征在于，在步骤2中，利用堪培拉距离来衡量新能源场站送出线路两侧暂态短路电流的波形相似度，具体公式为：

式中，d(x,y)代表两侧电流采样值之间的堪培拉距离计算值，该值的范围为[0,1]；向量x＝{x₁,x₂,…,x_n}为线路风场侧电流互感器的采样值；向量y＝{y₁,y₂,…,y_n}为线路系统侧电流互感器的采样值；n为采样点数；

基于上式，当新能源场站送出线路正常运行或者发生区外故障时，对一侧电流采样值进行反相后，两侧电流完全重合，堪培拉距离计算值d(x,y)为0；当发生区内故障时，对一侧电流采样值进行反相后，两侧短路电流差异较大，堪培拉距离计算值d(x,y)接近1；当新能源出力较弱或者重合于永久性故障时，新能源场站侧短路电流为0，堪培拉距离计算值d(x,y)为1。

3.根据权利要求1所述基于堪培拉距离的新能源场站送出线路纵联保护方法，其特征在于，在步骤3中，所构造的保护判据表达式为：

d(x,y)＞d_set (2)

式中，d(x,y)为两侧电流采样值之间的堪培拉距离计算值；d_set为堪培拉距离判据的整定值。

4.根据权利要求1所述基于堪培拉距离的新能源场站送出线路纵联保护方法，其特征在于，在步骤3中，在考虑相角误差和幅值误差的情况下计算得到堪培拉距离判据的整定值，具体过程为：

在正常运行时，保护装置安装处电流互感器测得的短路电流为：

式中，I_φ表示三相短路电流；φ代表abc三相；I_M表示电流幅值；

表示初相角；

考虑相角误差时，对侧电流互感器传送的电流为：

两侧电流的堪培拉距离为：

然后利用matlab对式(5)进行数值求解，并考虑1.5倍的裕度，得到堪培拉距离判据的整定值d_set为0.25。

5.根据权利要求1所述基于堪培拉距离的新能源场站送出线路纵联保护方法，其特征在于，在步骤4中，根据故障类型启用相应的保护措施，具体过程为：

由新能源场站送出线路两侧的保护装置分相进行故障判断，若发生单相故障，则判定满足保护判据的相别为故障相，保护装置发出跳闸命令，切断故障相，非故障相继续正常运行；

若发生两相或三相故障，则判定满足保护判据的相别为故障相，保护装置发出三相跳闸命令，直接跳开三相。

6.根据权利要求1所述基于堪培拉距离的新能源场站送出线路纵联保护方法，其特征在于，在步骤4中，根据所述保护判据来识别故障类型的过程具体为：

当某一相的堪培拉距离计算值大于整定值0.25时，判定该相为区内故障，启动保护措施，切断故障；

当某一相的堪培拉距离计算值小于整定值0.25时，判定该相为区外故障，保护复归。

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