一种次同步/超同步振荡监测保护装置及振荡监测保护方法与流程

本发明属于电力系统稳定与控制技术领域，具体涉及一种应用于新能源接入的次同步振荡监测保护装置和保护方法，在新能源接入产生次同步振荡时快速切除扰动源，保障系统的安全。

背景技术：

以风电、光伏为代表的新能源发展迅猛，部分地区新能源电源装机容量已超过总装机容量的30％。截至到2014年底，并网风电装机容量9581万千瓦，增长25.6％；并网太阳能发电装机容量2652万千瓦，增长67.0％。

根据中国电力企业联合会预计，2020年以前我国仍然处于工业化高级阶段向初级发达经济阶段转型的过程中，电力需求将保持每年5～6％的增长。预计到“十三五”末期(2020年)全国电量需求将达到7～8万亿千瓦时左右，装机总容量18亿千瓦，其中风电装机达到2亿千瓦，光伏装机达到1亿千瓦左右。预计到2050年，我国总装机容量可达到43亿千瓦，其中风电与光伏发电15亿千瓦，占34.9％。

然而，由于新能源电源发电机理不同以及并网所采用的电力电子装备可能导致放大次同步谐波，在交流系统较弱时甚至导致次同步振荡现象；同时风电、光伏与无功补偿装置相互耦合，也有可能在新能源场站大规模汇集地区激发次同步振荡；进一步若该谐波频率与发电机轴系自然振荡频率互补，则会进一步引起火电机组的次同步振荡。

2015年7月1日，新疆某电厂轴系扭振保护(TSR)相继动作跳闸共损失功率128万千瓦；机组跳闸后，国调中心紧急将天中直流功率由450万千瓦降至300万千瓦。事后事故分析表明，造成此次次同步振荡的原因是由于大量新能源汇集在电网中引入了大量的次同步谐波，该谐波频率与发电机轴系的自然振荡频率互补时，导致电气-机械扭振互作用现象发生，即次同步振荡。更重要的是，该次同步振荡的形成机理与传统电力系统不一致，是由于大量新能源汇集引入的次同步谐波造成的，已有的保护与控制方法已经不再适用。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种应用于新能源接入的次同步/超同步振荡监测保护装置以及次同步/超同步振荡监测保护方法，以应对新能源接入系统对系统造成的次同步振荡风险。

次同步/超同步振荡监测保护装置可以安装在风电场也可以安装在风电汇集站来使用。安装在风电场，装置对风电场集电线进行采集，主要接入各集电线的三相相电压和三相相电流。安装在风电汇集站，装置对接入汇集站的来自各个风电场的各线路三相相电压和三相相电流进行监测。装置的保护功能在设计上主要实现三种保护元件：谐波阻抗保护元件、谐波电流保护元件以及功率振荡保护元件。通过这三种保护元件来实现完整的保护功能。谐波阻抗保护主要实现线路上次同步/超同步频带内的阻抗保护功能，通过阻抗特性快速确定是否是扰动源，从而快速切除扰动源；谐波电流保护元件用以在系统发生振荡时，通过次同步/超同步频带内谐波电流的幅值大小辨识振荡的严重程度，在阻抗元件不能满足动作条件时切除振荡线路；功率振荡保护元件通过计算线路的瞬时功率，辨识瞬时功率上各个次同步谐波的含量，如果振荡超过一定幅度，则切除该振荡线路。同时，次同步振荡监测保护装置提供多条线路都要切除时的顺序切除机制，可以人工设置各条线路的重要性，也可以基于潮流情况确定切除顺序，从而实现尽量减小因切除线路对系统的影响。

本申请具体采用以下技术方案：

一种次同步/超同步振荡监测保护装置，所述次同步振荡监测保护装置应用于新能源接入，安装在风电汇集站或者风电场，次同步振荡监测保护装置包括模拟量采集单元(AI)、保护处理单元(CPU)、动作单元(TRIP)，其特征在于：

模拟量单元(AI)采集监测线路的三相相电压、三相相电流信号，并将数据上送保护处理单元(CPU)，保护处理单元(CPU)计算各线路是否发生次同步/超同步振荡，计算各线路是否产生保护动作信号，根据线路保护跳闸顺序设定机制，依次向动作单元(TRIP)发出跳闸指令，由动作单元(TRIP)根据跳闸指令按顺序跳开相应的线路开关。

本发明进一步包括以下优选方案：

所述次同步/超同步振荡监测保护装置还包括管理单元(MASTER)和信号单元(DO)；

其中，信号单元(DO)作为次同步振荡监测保护装置发出的跳闸指令、次同步振荡监测保护装置自检出错事件的信号输出接口，接入其他监控系统进行观察；

管理单元(MASTER)实现次同步振荡监测保护装置对外的通讯接口，采用标准的61850以太网接口。

所述保护处理单元(CPU)包括对应各条线路的保护模块以及线路保护跳闸顺序决策模块；

对应各条线路的保护模块分别实现对各线路的次同步/超同步振荡辨识，计算各线路是否产生保护动作信号，并将保护动作信号传送给线路保护跳闸顺序决策模块，由线路保护跳闸顺序决策模块确定各条线路的跳闸顺序。

对应各条线路的保护模块均包括谐波阻抗保护元件、功率振荡保护元件和谐波电流保护元件，所述保护模块分别计算对应线路是否满足上述3个保护元件的动作判据，满足其中任何一个，所述保护模块都会向线路保护跳闸顺序决策模块发出该线路的保护动作信号。

在对应各条线路的保护模块中，谐波阻抗保护元件作为主保护，谐波电流保护元件为第二级后备保护，功率振荡保护元件为第三级后备保护。

线路保护跳闸顺序决策模块根据设定机制确定发出线路保护动作信号的各线路跳闸顺序，并依次向动作单元(TRIP)发出跳闸指令；

其中，所述设定机制包括可选的人为设定机制和自动潮流计算机制：

人为设定机制是按照人为设定的各条线路的重要程度顺序来确定线路的跳闸顺序；

自动潮流计算机制是指计算各条线路的工频功率，按照工频功率从小至大排序确定线路跳闸顺序。

本申请还包括了一种利用前述次同步振荡监测保护装置的次同步振荡监测保护方法：

一种次同步振荡监测保护方法，所述次同步/超同步振荡监测保护方法应用于新能源接入；其特征在于，所述次同步振荡监测保护方法包含以下步骤：

(1)采集各条集电线或各风电场接入汇集站线路的三相电压、三相电流信号；

(2)计算各集电线或各风电场接入汇集站线路的瞬时功率，并对瞬时功率进行快速傅里叶变换，辨识瞬时功率中的振荡频率和相应振荡频率下的功率幅值，确定当前是否有线路发生次同步/超同步振荡；

(3)根据步骤(2)中计算的功率振荡频率，选择带通滤波器，对步骤(2)判断发生次同步/超同步振荡线路的三相电压和三相电流分别进行滤波处理，获取该线路不同振荡频率下的实时振荡数据，包括A/B/C次同步/超同步电流实时值，A/B/C相次同步/超同步电压实时值；；

(4)分别计算在次同步/超同步振荡期间线路工频功率变化值，根据步骤(2)中计算出的次同步/超同步频率对应的瞬时功率幅值和次同步/超同步振荡期间线路工频功率变化值，判断功率振荡保护元件是否动作；

(5)根据步骤(3)中经滤波获取的三相电压、三相电流中的次同步/超同步振荡分量，分别计算该振荡线路在次同步/超同步振荡频率下的相阻抗，判断谐波阻抗保护元件是否动作；

(6)根据步骤(3)中经滤波获取的三相电流中的次同步/超同步振荡分量实时数据，计算不同振荡频率下的振荡幅值，根据振荡电流幅值的大小以及持续时间，判断谐波电流保护元件是否动作；

(7)发生次同步/超同步振荡的各线路根据步骤(4)-(6)所得到本线路功率振荡保护元件、谐波阻抗保护元件、谐波电流保护元件是否动作的判断结果，确定是否发出线路保护动作信号即线路切除信号；

(8)对于所有发出线路保护动作信号的各条线路，根据设定机制，依次跳闸切除相应线路。

本发明即一种次同步振荡监测保护方法还进一步包括以下优选方案：

在步骤(2)中，快速傅里叶FFT数据窗口选择选择1s的数据窗口。

在步骤(4)中，功率振荡保护元件的动作条件为：

P_sub(k)≥P_set，T_p(k)≥T_{p_set}并且ΔP_ave＜ΔP_{ave_set}；

其中：

P_sub(k)为第k个次同步/超同步振荡频率对应的瞬时功率幅值；

T_p(k)为P_sub(k)≥P_set的持续时间，T_{p_set}为功率振荡保护时间定值(取值范围为12～20s)；

P_set为设定门槛值，取值范围为发生次同步/超同步振荡线路的1％～2％的额定功率；

ΔP_ave为线路工频功率变化值；

ΔP_{ave_set}为工频功率变化量门槛值，取值范围为发生次同步/超同步振荡线路的2％～5％的额定功率。

在步骤(3)中，所有带通滤波器的中心频率间隔1Hz，通带宽度为1Hz，对于步骤(2)辨识出的第k个次同步/超同步振荡频率f_sso(k)，在线载入频率为f₀-f_sso(k)和f₀+f_sso(k)的带通滤波器，其中f₀为工频频率f_sso(k)为第k个次同步/超同步频频率，同一条线路的三相相电压和三相相电流依次通过所有振荡模式的带通滤波器，获取每一相电压、电流中所有次同步分频率f₀-f_sso(k)对应的电压、电流分量和超同步频率f₀+f_sso(k)对应的电压、电流分量；带通滤波器设计在偏离通带中心频率2Hz，衰减40dB。

在步骤(5)中，分别计算线路在的次同步/超同步振荡频率下三相相阻抗

谐波阻抗保护元件动作条件为需同时满足以下两个条件：

三相相阻抗中有两相及以上实部为负或者有两相及以上虚部为负；

该线路三相电流中任一相量幅值大于动作门槛值I_{R_set}(取值范围为发生次同步/超同步振荡线路的0.5％～1％的额定电流)，T_R(k)为电流大于I_{R_set}的持续时间，T_{R_set}为谐波阻抗保护时间定值，取值范围为3～8s。

在步骤(6)中，谐波电流保护元件的动作条件为：

任一相谐波电流幅值大于I_{i_set}，且持续时间大于T_{i_set}，

其中，I_{i_set}为设定的谐波电流门槛值(取值范围为发生次同步/超同步振荡线路的1％～2％的额定功率；)；T_{i_tes}为设定的谐波电流时间定值(取值范围为8～12s；)；

在步骤(7)中，谐波阻抗保护元件作为主保护，谐波电流保护元件为第二级后备保护，功率振荡保护元件为第三级后备保护。其中谐波阻抗保护元件的动作时间最短小于谐波电流保护元件的动作时间，谐波电流保护元件的动作时间小于功率振荡保护元件的动作时间。

在步骤(8)中，当有多条线路发出保护动作信号时，按照根据设定机制，依次跳闸切除相应线路，所述设定机制是指人为设定机制，即人为设定各条线路的重要程度顺序，按照重要性的逆序依次切除发出保护动作信号的线路，直至全部切除完毕或者线路次同步/超同步振荡消失使得相应线路保护动作信号返回。

在步骤(8)中，当有多条线路发出保护动作信号时，按照根据设定机制，依次跳闸切除相应线路，所述设定机制是指自动潮流计算机制，即计算各条线路的工频功率，按照工频功率从小至大排序，依次从工频功率最小的线路开始切除，直至全部切除完毕或者线路次同步/超同步振荡消失使得相应线路保护动作信号返回。。

本申请具有以下有益效果：

本申请提出了一种应用于新能源接入的次同步/超同步振荡监测保护装置及次同步振荡监测保护方法，相对于现有电网侧对于次同步振荡仅依据振荡幅值无选择性的保护控制措施来说，能够精细化的做到定位扰动源，切除扰动源，在既保障系统的安全稳定运行情况下，又尽可能减少新能源机组被误切除的风险，有着非常重要的现实意义。

附图说明

图1为本申请次同步/超同步振荡监测保护装置的结构框图；

图2为本申请次同步/超同步振荡监测保护方法的流程示意图；

图3为本申请线路跳闸顺序逻辑示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的技术方案的具体实施作进一步详细说明。

次同步/超同步振荡监测保护装置功能结构图如图1所示，其中模拟量单元(AI)采集监测线路的三相相电压、三相相电流信号，并将数据上送保护处理单元CM，CM计算瞬时功率并对谐波频率进行辨识，依据频率辨识结果对线路三相电压、电流信号进行滤波处理，获取电流、电压、功率中的次同步/超同步分量，之后对获取的数据进行分析，经谐波阻抗保护元件、谐波电流保护元件以及振荡功率保护元件，判断是否切除线路，最后综合所有线路的动作信息，依据预先人为设定的切除机制或者按照自动潮流机制发出顺序动作指令，由动作单元(TRIP)根据动作指令去跳开线路开关。图中信号单元(DO)对于装置发生的保护动作、自检出错等事件给出相关的接点，以便接入其他监控系统进行观察。管理单元(MASTER)实现对外的通讯接口以及录波文件的管理，采用标准的61850以太网接口。

如附图2所示为本发明公开的一种应用于新能源接入的次同步/超同步振荡监测保护装置保护功能的处理流程包括以下步骤：

(1)装置对各条风电场接入汇集站的线路三相电压、三相电流进行采集，采样频率为1200Hz，所有模拟量通道同步采样；

(2)以1200Hz采样频率的采样点计算各条线路的瞬时功率，然后选取1s的数据窗进行计算傅里叶变换，辨识瞬时功率中的次同步频率内的振荡频率和幅值，从而确定线路当前是否发生振荡，傅里叶变换采用离散傅里叶变换进行计算，具体计算公式如下：

其中：N＝1200；

T_s为采样频率，取1200Hz；

k为谐波次数，计算范围为5～45；

(3)根据某一条线路瞬时功率中的振荡频率选择不同的带通滤波器，对该线路三相电压和三相电流分别进行滤波处理，获取该线路不同振荡频率下的实时振荡数据，带通滤波器的设计为了自适应频率变化以及提高装置的计算能力，采用查表的方式对滤波器参数进行存储频率范围为5Hz～45Hz的带通滤波器系数，滤波器的Z域表达格式为：

其中N(z)，D(z)为算子z的多项式，即：

N(z)＝b_mz^m+b_m-1z^(m-1)+...+b₁z+b₀；

D(z)＝a_mz^m+a_m-1z^(m-1)+...+a₁z+a₀；

以中心频率为5Hz为例，通带宽度为1Hz，m统一取5，则其存储系数为：

[10.5811141289120e-003，-71.8451679981765e-003，199.556371100672e-003，

-271.311026351323e-003，127.721330104613e-003，142.621058250939e-003，

-271.423985741603e-003，191.059425476604e-003，-66.4348295925944e-003，

9.47571062195649e-003，8.45678532126587e-003，6.358695631323e-003]；

前6个系数为分子系数，后6个系数为分母系数，都按照m的降幂排列。

(4)根据步骤(3)中经滤波获取的三相电流中的次同步/超同步振荡分量实时数据，计算不同振荡频率下的功率幅值，并对其进行功率振荡保护元件判断。其中谐波功率保护定值设定为：

功率振荡保护动作定值：10MW；

功率振荡保护时间定值：10s

即：判断瞬时功率中的次同步/超同步振荡分量幅值是否大于定值10MW，且持续时间是否大于10s，若两个条件都满足，则装置发出谐波功率保护动作信号。

(5)根据步骤(3)中经滤波获取的三相电压、三相电流中的次同步/超同步振荡分量，分别计算该振荡线路在次同步/超同步振荡频率下的相阻抗并进行谐波阻抗保护元件判断，其中谐波阻抗保护定值设定为：

谐波阻抗保护动作电阻定值：-0.05Ω；

谐波阻抗保护动作电抗定值：-0.1Ω；

谐波阻抗保护时间定值：5s；

谐波阻抗保护电流定值：5A；

以实际振荡的线路数据为例，计算出的电压谐波相量和电流谐波相量分别为：

则

同理，计算出的B、C相阻电抗分别为：

R_b＝-1.50-j5.85Ω，R_c＝-1.53-j5.89Ω

由于和基本一致，均呈现负电阻和容性的特征，同时I_a的幅值超过5A的持续时间达到了5s，因此可以判定振荡线路为扰动源，根据谐波阻抗判据条件，发出保护动作信号。

(6)根据步骤(3)中经滤波获取的三相电流中的次同步/超同步振荡分量实时数据，计算不同振荡频率下的电流幅值，根据振荡电流幅值的大小以及持续时间，进行谐波电流保护元件判断，其中谐波电流元件定值设定为：

谐波电流保护动作电流定值：10A；

谐波电流保护时间定值：8s；

即：判断I_a的幅值是否大于定值10A，如果大于保护动作定值并且持续时间达到了8s，则发出谐波电流保护动作信号。

(7)对接入系统的所有线路进行(4)-(6)判断，对同一线路中三个保护元件的判定结果进行或操作，即线路中任一保护元件动作，该线路即被切除；

(8)按照图3所示流程，综合所有线路的动作信息，根据设定顺序切除逻辑或者潮流情况以此切除切除线路。以潮流顺序切除为例：

装置接入6条线路进行监视实施保护，这六条线路分为6轮动作，每次只切除一条线路，装置监测到线路1、线路2、线路3、线路4、线路5、线路6各条线路的瞬时功率分别为：20MW、40MW、70MW、50MW、70MW、80MW，此时，线路1、2、5保护元件动作，则判断线路1、2、5三条线路的潮流情况，根据切除功率最小的线路的原则，则切除线路1，同时线路2、线路5放到下一轮再进行判断切除。

申请人结合说明书附图对本发明的实施例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。