本发明属于电力系统保护领域；特别涉及一种风电场联络线的纵联保护方法。
背景技术：
风电场交流联络线路一般较长，故障率高，灵敏可靠的继电保护对保证整个系统的安全运行有重要的意义。然而，目前风电场交流联络线继电保护存在着对地电容电流难以精确补偿、高阻接地故障检测的灵敏度不高等问题，风电场交流联络线保护的可靠性受到挑战。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种基于能量平衡原理的风电场联络线纵联保护方法，以克服风电场联络线中现行电流差动保护存在分布电容补偿电流计算困难，高过渡电阻下保护不灵敏的弊端；本发明方法无需计算分布电容补偿电流、可灵敏判别高阻接地故障。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于能量平衡原理的风电场联络线纵联保护方法，包括：
步骤一：在风电场联络线两端，对交流线路的端点处的交流电流、交流电压以预定采样速率进行同步采样，并将所采集的交流电压和交流电流转换为数字量；
步骤二：对步骤一转换后的电气量进行处理，计算能量差δ；
步骤三：筛选出最大能量差，之后与整定值进行比较，从而判断区内区外故障。
进一步的，δ＝|em-en-δel-er|；
em和en为一个时间窗tw内线路m、n两端流过的能量，δel为tw内线路储存能量的变化量，er为沿线分布电阻上的能量损耗。
进一步的，线路能量δel的计算方法：
整条线路能量为：
el＝∫eldx＝∫(ell+ecl)dx(13)
ell为单位长度线路电感上储存的能量；ecl为单位长度线路电容上储存的能量；
ls表示线路单位长度的自感，lm表示线路单位长度的互感，ia、ib、ic分别表示流过a、b、c相的电流。
进一步的，电阻损耗er为：
其中，tw为时间窗窗长，rs表示线路单位长度的自阻，rm表示线路单位长度的互阻。
进一步的，能量差δ由下式(15)求出：
其中，[ump·imp+unp·inp]*ts为一个采样周期ts内第n个采样点处p相的差动能量，δel为时间窗末端时刻线路中的线路储能减去时间窗始端时刻线路的储能；由于从线路m端电压电流采样值计算出一组er和δel，由n端电压电流采样值计算出另外一组er和δel，分别记为δm和δn；取两个能量差中的最大值作为能量差δ，即：
δ＝max{δm,δn}(16)。
进一步的，当δ≥δset时，判别为区内故障，保护动作；δ<δset时，判别为正常运行或区外故障，保护不动作；δset为整定值。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明利用能量平衡方程构建保护原理，克服了传统风电场联络线上电流差动保护中的分布电容电流计算复杂，高过渡电阻不灵敏的缺点，在各种工况下该原理都能够快速、灵敏、可靠地区分区内故障和区外故障，保证了了供电的可靠性。
本发明基于能量平衡原理的保护算法是在收集到联络线路两端电气量数据后，通过计算流入、流出联络线的能量，根据能量平衡原理，计算正常运行(不存在故障)时线路储存能量变化量，与实际的根据两端量推算得到的线路储存能量变化量作比较。若两者相等，则为无故障或区外故障；若两者不等，说明线路中存在故障，也即另外的能量泄放支路。由此构成保护判据。该方法基于能量平衡原理，不受长线路分布参数、电力电子逆变器故障时复杂的故障特征和高阻接地故障特征不明显的影响，可靠性较高。
附图说明
图1为典型的风电场联络线系统正常运行状态的结构原理图；
图2为典型的风电场联络线系统区外故障下的结构原理图；
图3为典型的风电场联络线系统区内故障下的结构原理图；
图4为线路自感互感的二端口网络模型图。
具体实施方式
请参阅图1至图3所示，本发明一种基于能量平衡原理的风电场联络线纵联保护方法，通过构建能量平衡方程来判别区内外故障。典型的风电场联络线系统如图1至图3所示。根据能量平衡方程，输电系统处于正常运行状态下(图1)和区外故障状态下(图1)能量平衡关系符合以下表达式：
em-en-δel-er＝0(1)
其中，em和en为一个时间窗tw内线路m、n两端流过的能量，δel为tw内线路储存能量的变化量，er为沿线分布电阻上的能量损耗。
输电系统发生区内故障时，如图3所示，输电线路的能量平衡关系符合以下表达式：
其中，
由式(1)和(2)可以看出，当线路正常运行和区外故障时，一个时间窗内线路两端流过的能量差减去线路能量的变化量等于线路电阻损耗的能量。当线路区内发生高阻接地故障时，一个时间窗内线路两端流过的能量差减去线路的能量变化量大于正常运行和区外故障时线路电阻损耗的能量。定义式(1)和(2)中的等式左边部分为能量差δ，并按下式构造保护判据：
δ＝|em-en-δel-er|(3)
令δset为接近于0的整定门槛值，当δ≥δset时，判别为区内故障；δ<δset时，判别为正常运行或区外故障。
由式(2)可以看出，得到能量差δ需要计算em，en，δel和er。本发明将介绍δel、er、em、en和能量差δ的计算方法。
步骤一：线路能量δel和电阻损耗er的计算
线路能量是一个随时间变化的即时值，它由电容上储存的电场能和电感上储存的磁场能这两部分构成。本发明以电感中的磁场能为例，电容中的电场能可以同理推导。根据电磁场理论，电感中储存的能量等于电源向零能量电感充电至稳态所消耗的能量。实际的输电线路分布参数模型中，存在自感和互感，构建含有单位长度自感、互感的二端口网络如下图2所示。需要说明的是，本发明假设线路均匀换位且每相导线自电抗相等，相间互电抗相等。
图2中，ls表示线路单位长度的自感，lm表示线路单位长度的互感，ia、ib、ic分别表示流过a、b、c相的电流，uabc(1)和uabc(2)分别代表abc三相在端口1和2处的电压。
根据互感的感应电势，可以列写a相线路电势的关系式：
pa＝(ua(1)-ua(2))*ia(5)
联立式(4)和(5)并求积分后得a相线路中所含的电感能量为:
ela＝∫padt＝∫(lsdia+lmdib+lmdic)*ia(6)
同理，bc两相线路中所含的电感能量为：
elb＝∫pbdt＝∫(lsdib+lmdia+lmdic)*ib(7)
elc＝∫pcdt＝∫(lsdic+lmdib+lmdia)*ic(8)
因此，单位长度线路电感上储存的能量为：
同理，单位长度线路电容上储存的能量为：
其中，cs、cm分别表示单位长度线路自容与互容；ua、ub、uc表示单位线路端口处的abc三相电压；
式(9)和(10)两式相加即为单位长度线路中储存的能量。沿线分布的电压电流可以根据m端或n端的采样值带入贝瑞隆线路模型来求取，即下式(11)和(12)：
i(x,t)＝f(uk,ik)(11)
u(x,t)＝g(uk,ik)(12)
其中uk表示线路首端(或末端)的电压，ik表示线路首端(或末端)的电流。
积分或分段求和后可得整条线路能量。即：
el＝∫eldx＝∫(ell+ecl)dx(13)
至于线路电阻损耗er，与δel不同，它是一个随时间积累的量。可以使用式(12)所示的方法计算：
其中，tw为时间窗窗长，rs表示线路单位长度的自阻，rm表示线路单位长度的互阻。
步骤二：能量差δ的计算
在求出线路中储存能量和线路电阻损耗能量之后，式(3)中的能量差δ由下式(15)可以求出：
其中，[ump·imp+unp·inp]*ts为一个采样周期ts内第n个采样点处p相的差动能量，δel为时间窗末端时刻线路中的线路储能减去时间窗始端时刻线路的储能。由于从线路m端电压电流采样值可以计算出一组er和δel，由n端电压电流采样值可以计算出另外一组er和δel，这意味着可以计算出两个能量差，记为δm和δn。本发明取两个能量差中的最大值作为判据，即：
δ＝max{δm,δn}(16)
当δ≥δset时，判别为区内故障；δ<δset时，判别为正常运行或区外故障。
本发明提供了一种风电场交流联络线的纵联保护新方法。大规模风电场往往远离负荷中心，需要通过长距离超\特高压联络线将电能馈入电网。风力发电对电压的弱支撑能力导致了风电场联络线电压波动大。风力发电系统应对扰动时其电力电子器件的非线性离散控制作用使得故障电压波形严重畸变。风电系统的这些特征会对现有差动保护的安全可靠运行带来影响。即使在传统差动保护中采用电容电流补偿技术，也会因为风电系统电压波动无规律，使得分布电容电流对差动保护的影响难以彻底消除，进而导致纵联电流差动电流保护灵敏度下降，亟待研究适用于大规模风电并网联络线的纵联保护新原理。
为此本发明中的保护方法采用基于能量平衡原理的保护算法，通过联络线两端采集的电气量数据，构建能量方程来区分区内、区外故障。发明人通过研究风电场联络线的能量平衡特征发现，区外故障时，两端系统注入线路的能量、线路存储能量的变化量和线路电阻的耗能，三者之间满足能量平衡关系，且该能量平衡关系与线路长度无关；区内故障时，故障支路的电能泄放破坏了能量平衡。据此提出了基于能量平衡的纵联保护方法。与现有的长线纵联保护原理相比，该保护方法具有不受长线分布参数影响的优势，并且适用于高阻故障的识别。该方法适用于风电场联络线主保护。