基于电流波形相似度的新能源场站送出线路纵联保护方法与流程

本发明涉及新能源电力系统的继电保护领域，尤其涉及一种基于电流波形相似度的新能源场站送出线路纵联保护方法。

背景技术：

在我国，规模化、集群式接入电网是风电、光伏等新能源电源主要的利用方式之一。大型新能源场站发电容量大，往往通过专门的高压送出线路接入电网。当电网发生故障时，为提高新能源利用效率、保证系统安全稳定运行，新能源电源不应轻易脱网，为此需要电网继电保护可靠、快速切除故障。送出线路作为大型新能源场站功率外送的关键通道，其配置的继电保护在电网发生故障时能够正确动作至关重要。

当前送出线路广泛采用基于工频量构造的传统原理继电保护，如差动保护、距离保护。然而风电机组、光伏电池等新能源电源在发电原理、控制方式和并网方式上不同于同步发电机，新能源场站提供的短路电流特性与传统同步发电机截然不同，差动保护、距离保护等传统继电保护应用于送出线路时灵敏性、速动性下降。而且随着新能源电源接入电网规模不断增大，这些传统保护还面临着误拒动的风险。因此需要研究性能更优异的送出线路新原理保护。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于电流波形相似度的新能源场站送出线路纵联保护方法，具有可靠性和灵敏性高、速动性好的优点，适用于各种类型新能源场站。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于电流波形相似度的新能源场站送出线路纵联保护方法，包括：

在新能源场站送出线路的M、N侧分别安装相同的继电保护装置，每一套保护装置均独立测量本侧三相电流，并通过通信信道获取对侧三相电流；

每套继电保护装置根据本侧和对侧同一时刻对应的相同时间窗长内的同名相电流采样值进行相关系数计算；

每一套继电保护装置均根据计算到的每一相电流的相关系数与整定值的大小关系，来判定新能源场站送出线路内部是否发生故障，进而根据故障类别启用相应保护措施。

进一步的，利用故障后两个电流波形的相似度这一故障特征来构造保护原理，并采用了相关系数来衡量两个波形的相似度，所述相关系数的计算公式为：

其中，r_p表示M、N两侧p相电流的相关系数；n为时间窗长N毫秒内的采样点数，满足n＝N×0.001×f_s，f_s为继电保护装置的采样频率；i_Mp(k)、i_Mp(j)分别为M侧第k、j个p相电流采样值；i_Np(k)、i_Np(j)分别为N侧第k、j个p相电流采样值。

进一步的，依据新能源电源控制系统的暂态调节时间，确定了送出线路纵联保护的时间窗长为10ms。

进一步的，所述整定值为-0.9。

进一步的，若A相、B相、C相中任一相电流的相关系数大于整定值，则保护判定新能源场站送出线路内部发生单相故障，故障相为相关系数大于整定值的那一相，继电保护装置发出跳开相应故障相别断路器的指令；

若A相、B相、C相中的任意两相或者三相电流的相关系数大于整定值，则保护判定新能源场站送出线路内部发生两相或者三相故障，故障相为相关系数大于整定值的那两相或三相，继电保护装置发出跳开三相断路器的指令；

若A相、B相与C相电流的相关系数均小于整定值，则保护判定新能源场站送出线路内部未发生故障，继电保护装置不发出跳闸指令。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，通过计算送出线路两侧同名相短路电流波形的相关系数，根据相关系数与整定值的大小关系判断送出线路内部是否存在故障。该方法充分利用新能源电源在暂态过程中短路电流波形变化无规律的特征，构造的新原理保护可靠性和灵敏性高、速动性好，适用于各种类型不同容量大小的新能源场站。

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电流波形相似度的新能源场站送出线路纵联保护方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的新能源场站送出线路继电保护装置连接示意图；

图3为本发明实施例提供的内部故障时继电保护装置逻辑控制图；

图4为本发明实施例提供的仿真模型系统示意图。

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。

图1为本发明实施例提供的基于电流波形相似度的新能源场站送出线路纵联保护方法的流程图。如图1所示，其主要包括如下步骤：

步骤11、在新能源场站送出线路的M、N侧分别安装相同的继电保护装置，每一套保护装置均独立测量本侧三相电流，并通过通信信道获取对侧三相电流。

如图2所示，M、N侧分别安装了继电保护装置M、N，且通过通信信道互通数据。

步骤12、每套继电保护装置根据本侧和对侧同一时刻对应的相同时间窗长内的同名相电流采样值进行相关系数计算。

考虑变流器控制环暂态响应时间一般不少于8ms，为了尽可能利用暂态过程中短路电流波形特征、确保保护灵敏性，同时兼顾保护速动性，时间窗长可取为10ms。

本发明实施例中，利用故障后两个电流波形的相似度这一故障特征来构造保护原理，并采用了相关系数来衡量两个波形的相似度，相关系数计算公式如下：

其中，r_p表示M、N两侧p相电流的相关系数；n为时间窗长N毫秒内的采样点数，满足n＝N×0.001×f_s，f_s为继电保护装置的采样频率；i_Mp(k)、i_Mp(j)分别为M侧第k、j个p相电流采样值；i_Np(k)、i_Np(j)分别为N侧第k、j个p相电流采样值。

步骤13、每一套继电保护装置均根据计算到的每一相电流的相关系数与整定值的大小关系，来判定新能源场站送出线路内部是否发生故障，进而根据故障类别启用相应保护措施。

主要可以分为如下几种情况：

若A相、B相与C相电流的相关系数均小于整定值，则判定新能源场站送出线路内部未发生故障，此处继电保护装置不做任何处理；

若A相、B相、C相中任一相电流的相关系数大于整定值，则判定新能源场站送出线路内部发生单相故障，故障相为相关系数大于整定值的那一相，继电保护装置发出跳开相应故障相别断路器的指令；

若A相、B相、C相中的任意两相或者三相电流的相关系数大于整定值，则判定新能源场站送出线路内部发生两相或者三相故障，故障相为相关系数大于整定值的那两相或三相，继电保护装置发出跳开三相断路器的指令。

为了便于理解，下面以M侧继电保护装置M计算A相电流相关系数为例进行说明。此时送出线路M侧即为本侧，N侧为对侧。继电保护装置M通过电流互感器CT采样本侧的A相电流i_MA，通过通信通道获取同时刻对侧的A相电流i_NA。考虑变流器控制环暂态响应时间一般不少于8ms，为了尽可能利用暂态过程中短路电流波形特征、确保保护灵敏性，同时兼顾保护速动性，时间窗长可取为10ms。整定值记为r_set，考虑送出线路电容电流和电流互感器传变误差的影响，r_set可取为-0.9。

然后对相同时间窗长内的A相电流采样值计算相关系数：

式中：r_A为两侧A相电流相关系数；n为时间窗长10ms内的采样点数，满足n＝10×0.001×f_s，f_s为保护装置M的采样频率，单位Hz；i_MA(k)、i_MA(j)分别为送出线路M侧第k、j个A相电流采样值；i_NA(k)、i_NA(j)分别为送出线路N侧第k、j个A相电流采样值。

当送出线路外部(两侧CT以外区域)发生短路故障时，定义电流由母线流向线路为正方向，则由基尔霍夫电流定律可知，本侧和对侧A相电流波形形状几乎相反，计及线路电容电流和电流互感器传变误差的影响，此时相关系数小于-0.9，即r_A<r_set，M侧保护装置不动作。

当送出线路内部(两侧CT以内区域)发生短路故障时，本侧和对侧A相电流分别由新能源场站提供和外部等值系统提供。受控制器暂态过程影响，新能源场站提供A相电流波形形状无规律，而外部等值系统提供A相电流波形主要以基频正弦波规律变化，此时相关系数大于-0.9，即r_A>r_set，M侧保护装置可靠动作。

以上描述了继电保护装置M对A相电流进行相关系数计算并作出内、外部故障的判断过程以及保护装置的动作情况。继电保护装置M对B相和C相电流波形的处理和判断与此类似。保护装置N对本侧三相电流的处理与判断也与上述过程相同。

图3为内部故障时继电保护装置逻辑控制图，图3同时适用于两套保护装置；图3中“&”代表逻辑“与”，“≥1”代表逻辑“或”。

仍以保护装置M为例，如图3(a)所示，如果“r_A>r_set”有输出，同时“r_B>r_set”和“r_C>r_set”没有输出，说明送出线路内部发生A相故障，继电保护装置M发出跳开本侧A相断路器的指令。如果“r_B>r_set”有输出，同时“r_A>r_set”和“r_C>r_set”没有输出，说明送出线路内部发生B相故障，继电保护装置M发出跳开本侧B相断路器的指令。如果“r_C>r_set”有输出，同时“r_A>r_set”和“r_B>r_set”没有输出，说明送出线路内部发生C相故障，继电保护装置M发出跳开本侧C相断路器的指令。

如图3(b)所示，如果“r_A>r_set”和“r_B>r_set”同时有输出，或者“r_A>r_set”和“r_C>r_set”同时有输出，或者“r_B>r_set”和“r_C>r_set”同时有输出，又或者上述三者同时有输出，说明送出线路内部发生两相或三相故障，继电保护装置M发出跳开本侧三相断路器的指令。

N侧保护装置N同时做出与保护装置M相同的处理和判断，即两个保护装置的动作情况是完全相同的。

下面给出本发明在电力系统实时仿真器(RTDS)上的闭环试验结果。仿真系统一次接线示意图如图4所示，其电压等级为220kV，采样频率1000Hz，新能源场站额定容量495MW。新能源电源为逆变型电源，额定容量1.5MW，额定电压0.69kV。箱变额定容量3.5MVA，额定电压35kV/0.69kV，Dyn接线，短路阻抗6.76％。等值汇集线电阻0.11Ω，电感409.5μH。主变额定容量500MVA，额定电压220kV/35kV，YNd接线，短路阻抗6％。送出线路总长40km，正、负序阻抗均为0.076+j0.338Ω/km，零序阻抗为0.284+j0.824Ω/km。外部系统三序阻抗均为0.2+j6.283Ω。

故障位置共5处，设置在送出线路M与N侧外部出口、内部离场站侧10km/20km/30km，分别记为K1、K2、K3、K4、K5。故障类型包含所有4种类型，包括单相接地故障、两相接地故障、两相短路故障、三相短路故障，前三种故障以A相接地、BC两相接地和BC两相短路为例，以上4种故障类型分别记为AG、BCG、BC、ABC。

表1列出了在K1、K2、K3、K4、K5处发生4种不同类型金属性短路故障时送出线路两侧三相电流波形相关系数的计算结果。从中可知，对于送出线路内部故障时的故障相而言，其相关系数r均大于-0.3892，即大于整定值；对于送出线路内部故障时的健全相和外部故障时的各相，其相关系数r均小于整定值-0.9。由此可知，两套保护装置M和N均能可靠、灵敏地选出送出线路内部故障的故障相，并依据逻辑框图进行相应跳闸；而对于外部故障和内部故障健全相，两侧保护均能可靠不动作。

表1不同故障条件下两侧三相电流相关度

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。