基于TLS‑ESPRIT的风场联络线距离保护改进方法及其系统与流程

本发明涉及的是一种电力系统继电保护领域的技术，具体是一种基于TLS‐ESPRIT(Total Least Squares‐estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Technique，总体最小二乘‐旋转矢量不变技术)的风场联络线距离保护方法及其系统。

背景技术：

我国风力资源主要集中在内蒙古、新疆等地区，距离负荷中心远，输电半径长，因此主要采用大规模高电压等级集中式的接入方案。大规模风电的接入给风电场联络线的继电保护带来了极大的挑战，误动拒动现象时有发生，主要的原因就在于风电场联络线故障电气量表现出与常规电力系统完全不同的特征。这其中，一个突出的不同就是联络线故障时电气量中存在较大的非工频分量。

最近的研究从感应电机的暂态等效电路出发，得到了风力发电机短路电流的表达式，指出了非工频分量的存在；也有一些文献探讨了非工频分量对线路继电保护的影响，指出非工频分量的存在会影响基于傅氏方法的保护元件的准确性和可靠性，其中距离保护元件尤为明显。针对非工频分量的问题，采用自适应的距离保护方案来消除影响，但是该方案需要联络侧两侧实时阻抗、电势比等大量信息的支撑，并且需要对保护定值进行调整，在实际应用中存在诸多困难；研究指出，可以利用解微分方程方法对频率不敏感的特性，用于风电场联络线的距离保护，不过该方法容易受到高频分量的影响。

当联络线发生三相短路故障时，风电场侧故障电流的非工频分量为转子频率，转子频率与故障时风速相关并不唯一固定，非工频分量的时间常数也受到Crowbar阻值的影响；而发生非对称故障时，由于风电场的弱馈特征风电场侧电气量基本表现为工频，可见联络线故障后电气量中交流分量的个数、频率、幅值等信息存在极大的不确定性。根据叠加原理的分析，当联络线发生三相短路故障时，风电场侧的工频电压、电流量计算出的测量阻抗为负值，表示风电场侧的背侧阻抗；而非工频分量信息得到的测量阻抗表示故障点到保护安装处的线路阻抗，可以用于距离保护的整定。TLS‐ESPRIT方法能够准确识别交流分量频率和衰减系数、受噪声影响小，非常适用于联络线故障时频率不固定，非工频分量时间常数受Crowbar阻值影响这一特殊场景。

技术实现要素：

本发明针对现有技术中无法识别短路电流频率、分离工频分量和非工频分量以用于距离 保护的故障判据等缺陷，提出一种基于TLS‐ESPRIT方法的风场联络线距离保护方法及其系统，通过基于TLS‐ESPRIT方法的风电场侧距离保护方法提取风电场侧出现的工频分量和非工频分量，确定电气量各交流分量的参数信息，计算测量阻抗，在不同故障类型、故障位置以及不同的过渡电阻条件下反映故障点位置，降低距离保护的拒动率。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种基于TLS‐ESPRIT的风场联络线距离保护方法，通过对风场联络线故障时风电场侧的电气量信号进行前置处理，得到故障电流和故障电压的数据序列，据以构造Hankel矩阵并进行奇异值分解，确定交流分量的个数；利用TLS‐ESPRIT方法根据交流分量的个数对各交流分量进行参数辨识，进而得到各交流分量的参数信息，并计算相应个数的交流分量下的测量阻抗，最后将测量阻抗代入距离保护判据进行保护动作判定。

所述的前置处理包括低通滤波和差分。

所述的数据序列为按照滑动时间窗选取的一个周波的电气量数据。

所述的Hankel矩阵其中：x(1),x(2),..x(N)为A相故障电流的数据序列，N为一个周波的数据长度。

所述的奇异值分解后的Hankel矩阵其中：∑的对角元素为X的奇异值ξ₁,ξ₂,…,ξ_P,ξ_P+1,…,ξ_N/2+1的(P为复正弦信号分量个数)降序排列，∑_s和∑_n为对角阵，V_s为信号子空间，V_n为噪声子空间，H为共轭转置，U为酉矩阵，U_s为信号酉矩阵，U_n为噪声酉矩阵。

所述的确定电气量交流分量的个数是指：选取数值K，使其满足ξ_i/ξ₁≥K，ξ_i+1/ξ₁＜K，其中：i＝1,2,...,N/2+1；此时为交流分量的个数，表示向上取整数。

所述的参数信息包括：角频率、幅值、相位和衰减系数。

所述的角频率其中：λ_p(p＝1,2,…,P)为电气量的极点，T_s为采样周期。

所述的衰减系数

所述的幅值a_p＝2|c_p|，相位φ_p＝arg c_p，其中：c_p为最小二乘法求得的方程Y＝λc的解； 其中：Y＝[x(1),x(2),…,x(N)]^T，c＝[c₁,c₂,…,c_p]^T，

所述的测量阻抗：1)当交流分量的个数为1时，测量阻抗其中：为故障相别，为工频下的电压，为工频下的电流相量，K_rel为输电线路零序补偿系数，为零序电流。

2)当交流分量的个数为2时，测量阻抗其中：为非工频的测量电阻，j为复数记号，为非工频的测量电抗，f_r为非工频分量的辨识频率，f₁为工频频率， 为非工频的电压，为非工频的电流相量。

所述的将测量阻抗代入距离保护判据是指将测量阻抗与距离保护的三段整定值进行比较。

所述的保护动作判定是指根据距离保护判据决定是否发出断路器跳闸信号。

本发明涉及一种实现上述方法的距离保护系统，包括：电气量信号采集模块、前置处理模块、Hankel矩阵模块、基于TLS‐ESPRIT的参数辨识模块、测量阻抗模块和距离保护模块，其中：前置处理模块将电气量信号采集模块采集到的故障时的电气量信号进行前置处理后输入Hankel矩阵模块构造Hankel矩阵并进行奇异值分解，确定电气量的交流分量个数；基于TLS‐ESPRIT的参数辨识模块对各交流分量进行参数辨识，得到各交流分量的角频率和衰减系数，进而计算得到相应的幅值和相位；测量阻抗模块根据Hankel矩阵模块确定的交流分量个数和基于TLS‐ESPRIT的参数辨识模块得到的参数信息，计算工频下的测量阻抗，并代入距离保护模块的判据以进行距离保护。

技术效果

与现有技术相比，本发明将TLS‐ESPRIT方法应用于风场联络线的距离保护中，准确辨识故障后的电气量信号中各交流分量的参数信息和交流分量的个数，可以灵活选择工频分量或非工频分量计算测量阻抗，保证了距离保护的动作性能，具备一定的抗过渡电阻能力，有效解决了传统距离保护元件可能存在的拒动和误动问题。

附图说明

图1为基于TLS‐ESPRIT的风场联络线距离保护方法示意图；

图2为本发明保护下的三相短路测量阻抗轨迹；

图3为传统保护下的三相短路测量阻抗轨迹；

图4为基于TLS‐ESPRIT的风场联络线距离保护系统示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例包括以下步骤：

步骤1、采集风场联络线故障时风电场侧的电气量信号并进行前置处理，得到A相故障电流和B相故障电压的数据序列，据以构造Hankel矩阵并对Hankel矩阵进行奇异值分解，确定交流分量的个数。

所述的前置处理包括低通滤波和差分。

所述的数据序列为按照滑动时间窗选取的一个周波的电气量数据。

所述的A相故障电流的数据序列为x(1),x(2),..x(N)，其中：N为一个周波的数据长度。

所述的B相故障电压的数据序列为x′(1),x′(2),..x′(N)。

所述的Hankel矩阵

所述的奇异值分解后的Hankel矩阵其中：∑的对角元素为X的奇异值ξ₁,ξ₂,…,ξ_P,ξ_P+1,…,ξ_N/2+1的(P为复正弦信号分量个数)降序排列，∑_s和∑_n为对角阵，V_s为信号子空间，V_n为噪声子空间，H为共轭转置，U为...，U_s为...，U_n为...。

所述的确定电气量交流分量的个数是指：选取数值K，使其满足ξ_i/ξ₁≥K，ξ_i+1/ξ₁＜K，其中：i＝1,2,...,N/2+1；此时为交流分量的个数，表示向上取整数。

若在理论情况下不包含噪声时，仅由P个复正弦信号分量叠加而成的信号满足ξ_P+1＝ξ_P+2＝…＝ξ_N/2+1＝0；因此在噪声能量较小时，奇异值序列ξ₁,ξ₂,…,ξ_P,ξ_P+1,…,ξ_N/2+1在第P个后会显著减小。

步骤2、通过TLS‐ESPRIT对电气量的各交流分量进行参数辨识，计算得到各交流分量的参数信息。

所述的参数信息包括：角频率、幅值、相位和衰减系数。

所述的角频率和衰减系数的计算具体包括以下步骤：

S1：令V₁、V₂分别表示信号子空间V_s删除最后一行和第一行得到的新矩阵，且V₂＝V₁ψ，采用最小二乘法求解矩阵ψ。

S2：根据TLS‐ESPRIT方法可知矩阵ψ的特征值λ_p(p＝1,2,…,P)为电气量的极点，并根据电气量的极点得到各交流分量的角频率ω_p和衰减系数σ_p。

所述的角频率其中：T_s为采样周期。

所述的衰减系数

所述的幅值和相位的计算是指：令Y＝[x(1),x(2),…,x(N)]^T，c＝[c₁,c₂,…,c_p]^T， 并且Y＝λc；根据最小二乘法解得c＝(λ^Hλ)^-1λ^HY，c_p为最小二乘法求得的方程的解；则各交流分量的幅值a_p＝2|c_p|，相位φ_p＝arg c_p。

根据提取到的各交流分量的角频率、幅值、相位和衰减信息，可得到原始电气量信号中各交流分量的相量结果。

步骤3、根据交流分量的个数和对应的参数信息进行分类分析，计算测量阻抗。

当交流分量的个数为1时，求取工频下的电压和电流相量其中：g表示工频量；则测量阻抗的表达式为：

其中：为故障相别，K_rel为输电线路零序补偿系数，为零序电流。

当交流分量的个数为2时，求取工频的电压或者和电流相量或者 非工频的电压或者和电流相量或者其中：f表示非工频交流量；对非工频相量信息按照相间故障计算非工频分量回路的测量阻抗，并折算到实际工频下的 测量阻抗。

所述的非工频分量回路的测量阻抗其中：为非工频的测量电阻，j为复数记号，为非工频的测量电抗。

所述的实际工频下的测量阻抗其中：f_r为非工频分量的辨识频率，f₁为工频频率。

步骤4、将上一步骤得到的测量阻抗代入距离保护判据，进行保护动作判定。

所述的将测量阻抗代入距离保护判据是指将测量阻抗与距离保护的三段整定值进行比较。

所述的保护动作判定是指根据距离保护判据决定是否发出断路器跳闸信号。

如图2和图3所示，与传统保护相比，本实施例的三相短路测量阻抗的轨迹只有一个进出口，避免了基于相量计算的距离保护元件的误动作；并且在短路期间，测量阻抗轨迹保持在整定阻抗圆内，保证了距离保护元件的可靠动作。

如图4所示，本实施例涉及实现上述方法的系统，包括：电气量信号采集模块、前置处理模块、Hankel矩阵模块、基于TLS‐ESPRIT的参数辨识模块、测量阻抗模块和距离保护模块，其中：前置处理模块将电气量信号采集模块采集到的故障时的电气量信号进行前置处理后输入Hankel矩阵模块构造Hankel矩阵并进行奇异值分解，确定电气量的交流分量个数；基于TLS‐ESPRIT的参数辨识模块对各交流分量进行参数辨识，得到各交流分量的角频率和衰减系数，进而计算得到相应的幅值和相位；测量阻抗模块根据Hankel矩阵模块确定的交流分量个数和基于TLS‐ESPRIT的参数辨识模块得到的参数信息，计算工频下的测量阻抗，并代入距离保护模块的判据以进行距离保护。

由于三相短路故障时电气量存在不同于其他故障类型的非工频分量，且交流分量的个数为2，因而确定交流分量的个数是辨识的基础。

所述的TLS‐ESPRIT方法能够准确识别交流分量的角频率和衰减系数，受噪声影响小，适合联络线故障时频率不固定、非工频分量时间常数受Crowbar阻值影响的情况。

所述的前置处理的必要性在于：一是风力发电机组存在大量的电力电子器件，使得电气信号中存在一定量的高频开关分量，因此需要对原始信号进行低通滤波；二是故障期间风电场侧电流中混杂有较大的衰减直流分量，这个分量会混叠在各个频率分段上，严重影响交流分量的辨识精度。为了减少直流分量的影响，目前继电保护中使用最广泛的方法就是对电气信号进行差分。差分处理不会影响交流信号的频率以及衰减系数信息，因而可以根据差分信号方便地 得到原始信号的幅值、相角等信息。

所述的数据序列取一个周波的电气量数据是由于，依据对风场联络线故障电流的分析，联络线故障电气量中复正弦分量的个数不超过3个，因而以目前保护的采样频率，取一个周波的电气量数据就可以实现较高的辨识精度，同时也能够满足距离保护I段的计算时间要求。