考虑电流变化量相似性的风电场送出线路保护方法

1.本发明属于电力系统继电保护技术领域，尤其涉及一种考虑电流变化量相似性的风电场送出线路保护方法。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.随着世界化石燃料的日益枯竭，以风电、光伏为代表的新能源发电技术得到迅速发展，其中由于海上风电具有利用小时数高、不占用土地资源等优点受到世界各国研究人员的重视。由于海上风电场往往距离用户较远，因此常采用柔性高压直流输电(voltage source converter based high voltage direct current transmission,vsc-hvdc)技术，将海上风电场产生的电能进行并网，随着海上风电场装机容量的增加，为保障电网的正常运行，要求其具有一定的故障穿越能力。
4.而对于两端均为电力电子器件的交流送出线路，线路两侧的低压穿越方式以及控制策略的不同使故障后的电流呈现出幅值受限，两侧电流存在相角差等不同于传统电网的故障特征，使得传统电流纵联保护面临适应性的问题，因此有必要从故障特征的其他角度研究新的保护原理。


技术实现要素：

5.为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种考虑电流变化量相似性的风电场送出线路保护方法，本发明利用海上风电场交流送出线路在系统正常运行时电流变化量基本为零，发生区内故障时线路两侧电流变化量向同方向变化，有相同的变化趋势，相似性较强，发生区外故障时交流送出线路两侧电流变化量向反方向变化，变化趋势相反，相似性较弱的特点形成保护原理。并选用不受幅值影响的肯德尔相关系数反映上述特征，形成保护判据。该方法具有不受数据窗长、噪声以及线路两侧控制策略影响，耐过渡电阻能力较强等优点，克服了传统纵联保护在经柔直并网的海上风电场送出线路中面临的问题。
6.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.本发明提供了一种考虑电流变化量相似性的风电场送出线路保护方法。
8.一种考虑电流变化量相似性的风电场送出线路保护方法，包括：
9.在大规模海上风电场交流送出线路两端分别安装继电保护装置，并采集线路两端每一相电流瞬时值；
10.确定故障时刻，依据相电流突变量检测法，判断保护是否启动；
11.当满足启动条件后，利用采集到的故障后一周波电流瞬时值减去故障前一周波的电流瞬时值，获得线路两侧的电流变化量，并将得到的电流变化量传输到线路对侧；
12.根据故障时刻，采用肯德尔算法计算线路两端同一故障时刻、相同数据窗长时间
内的电流变化量相似性；
13.依据所述电流变化量相似性和保护整定值，控制保护动作。
14.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
15.本发明首先利用安装在线路两端的继电保护装置采集电流瞬时值，并利用相电流突变检测法作为判断保护是否启动的方法，当连续三个电流突变量大于整定值时保护启动，选用电流故障后一周波减去故障前一周波的数值作为线路两侧的电流变化量，并选择不受波形幅值影响的放大后的肯德尔相关系数衡量相同时间窗长内线路两端电流变化量的相似性，当计算结果大于保护整定值时保护动作，反之保护不动作。本发明方法不受系统弱馈性、控制策略以及数据窗长的影响，具有较强的耐过渡电阻能力，能够适应线路两端均为电力电子器件的交流送出线路。
附图说明
16.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
17.图1为本发明实施例提供的一种考虑电流变化量相似性的风电场送出线路保护方法的流程示意图；
18.图2为本发明实施例提供的经柔直并网的海上风电场系统结构；
19.图3为在区内(k2点)发生a相接地故障后线路两侧电流变化量的波形；
20.图4为在区外(k3点)发生a相接地故障后线路两侧电流变化量的波形；
21.图5为在区内(k2点)发生a相接地故障后τ'2数值在20ms内的变化趋势；
22.图6为在区外(k3点)发生a相接地故障后τ'2数值在20ms内的变化趋势。
具体实施方式
23.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
24.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
25.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
26.需要注意的是，附图中的流程图和框图示出了根据本公开的各种实施例的方法和系统的可能实现的体系架构、功能和操作。应当注意，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，所述模块、程序段、或代码的一部分可以包括一个或多个用于实现各个实施例中所规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为备选的实现中，方框中所标注的功能也可以按照不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，或者它们有时也可以按照相反的顺序执行，这取决于所涉及的功能。同样应当注意的是，流程图和/或框图中的每个方框、以及流程图和/或框图中的方框的组合，可以使用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来
实现，或者可以使用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
27.实施例
28.如图1所示，本实施例提供了一种考虑电流变化量相似性的风电场送出线路保护方法，包括以下步骤：
29.步骤一、在大规模海上风电场交流送出线路两端分别安装继电保护装置，并采集每一相电流瞬时值。
30.步骤二、选用相电流突变量检测法，作为判断保护是否启动的依据，并确定故障发生的时刻，当a、b、c三相中任一相满足连续三个电流瞬时值突变量大于整定值时，则保护启动，并选择第一个大于整定值的点作为故障发生时刻，相电流突变量检测法的判据如式(1)所示：
[0031][0032]
式中：为电流相别，表示第k个采样点的电流突变量，表示第k个电流采样点，n表示电流一个周期的采样点。
[0033]
步骤三、当满足启动条件后，利用采集到的故障后一周波电流瞬时值减去故障前一周波的电流瞬时值，获得线路两侧的电流变化量，并将得到的电流变化量传输到线路对侧，电流变化量的计算公式如式(2)所示：
[0034][0035]
式中：表示电流的第k个采样值；表示第k个采样值的电流变化量；n表示电流一周波的采样点数，表示相别。
[0036]
步骤四、根据步骤二确定的故障时刻，选用不受幅值影响的肯德尔算法计算线路两端同一故障时刻、相同数据窗长时间内电流变化量的相似性，将线路风场侧计算所得的电流变化量放入集合a中，如式(3)所示：
[0037][0038]
式中：表示电流变化量的相别，f表示风场侧，n表示按时间顺序计算得到的第n个电流变化量。
[0039]
将线路柔直侧计算所得的电流变化量分别放入集合b中如式(4)所示：
[0040][0041]
式中：表示电流变化量的相别，m表示柔直侧，n表示按时间顺序计算得到的第n个电流变化量。
[0042]
从两个集合中取相对应的元素构成集合c，如式(5)所示：
[0043][0044]
为观察更加直观，将计算所得的肯德尔系数乘以系数10，并确定保护整定值，后文中将放大后的肯德尔相关系数用τ'2表示，其计算公式如式(6)所示：
[0045][0046]
式中，τ'2表示放大10倍后的肯德尔相关系数，n为采样点的个数，nc表
示集合c中满足一致性元素的对数，nd表示集合c中满足不一致性元素的对数，其中f表示线路风场侧中相同元素组成的小集合数，tz表示第z个小集合包含的元素个数。同理n2相对于线路柔直侧也是如此。
[0047]
从集合c中任取两个元素和其中(1≤i≤n),(1≤j≤n)，当且或且时，则称两波形具有正相关性，若集合c中所有元素均一致，则τ'2的数值为10，即此时两侧电流变化量应同时增加或减小，当且或且则称两者不一致，当集合c中元素均不一致则τ'2的数值为-10，即此时线路两侧电流变化量完全相反，当τ'2为0时，则说明集合c中一致性元素与不一致性元素数量相等或者所有元素大小均相同。其余情况则介于(-10,0)或(0,10)之间。
[0048]
步骤五、根据每一相τ'2的数值与设定保护动作整定值比较，当计算结果大于整定值时保护动作，当计算结果小于整定值时，保护不动作。
[0049]
当规定电流由母线流向线路为电流正方向时，理想情况下系统正常运行时的电流变化量为零，因此可以考虑将保护整定值设定为0，又考虑到在实际系统正常运行时，前后一周波电流变化量可能不完全相同，但此时线路两侧电流变化量必然相反，根据选用的相似性算法，此时线路两侧电流变化量的相似性计算结果必然小于0，因此将保护整定值设为0是合理的。
[0050]
根据线路每一相电流变化量τ'2的数值与整定值作比较，有以下几种情形：
[0051]
当交流送出线路a、b、c三相两侧电流变化量τ'2的数值有任意一相大于保护动作整定值时，则判断为单相接地故障，相应故障相断路器跳闸，非故障相保护不动作。
[0052]
当交流送出线路a、b、c三相两侧电流变化量τ'2的数值有任意两相大于保护整定值时，则判断为两相相间或两相接地短路故障，此时相应故障相断路器跳闸，非故障相保护不动作。
[0053]
当交流送出线路a、b、c三相两侧电流变化量τ'2的数值三相均大于保护整定值时，判断为三相故障，此时故障相断路器跳闸，保护动作。
[0054]
当交流送出线路a、b、c三相两侧电流变化量τ'2的数值三相均小于保护整定值时，判断为线路内部无故障发生，此时保护不动作，断路器不跳闸。
[0055]
本实施例通过emtp-rv仿真软件搭建经柔直并网的海上风电场并网模型，对实施例提出的考虑电流变化量相似性的风电场送出线路保护方法进行仿真验证。
[0056]
1)模型的建立
[0057]
经柔直并网的海上风电场并网模型如图2所示，风场总容量为400mw，风电场经变压器输出的电压为35kv，经主变压器升至220kv，经220kv交流送出线路送至柔直端，通过mmc-hvdc将产生的电能输送到陆上电网，mmc-hvdc额定电压为
±
400kv，风电场220kv交流送出线路长度为10km,线路正序电阻与电感分别为0.0529ω/km与0.45mh/km,线路零序电阻与电感分别为0.0530ω/km与0.45mh/km线路正序电容、零序电容分别为c1＝0.155μf/km与c0＝0.155μf/km，仿真采用数据窗长为20ms，采样频率为4khz。
[0058]
2)仿真分析
[0059]
为验证本实施例提出的考虑电流变化量相似性的风电场送出线路保护方法的可行性，在k2,k3点分别设置不同条件的故障，如图3与图4所示分别为发生区内、外a相金属性接地故障时，线路两侧电流变化量波形，此时线路两端电流变化量的变化趋势与前面分析一致，图5与图6分别为发生区内、外a相金属性接地故障时τ'2数值的变化，由图5可见当区内故障发生后τ'2的数值迅速增大，能够准确快速识别故障，由图6可见，当区外故障发生后τ'2的数值始终保持在整定值之下，保护可靠不动作。同时，为验证不同故障类型对保护方法的影响，将发生金属性故障时不同故障类型对应的结果记录在表1中。
[0060]
表1不同故障类型对保护的影响
[0061][0062]
由表1数据分析可知，该保护对不同故障类型具有较好的适应性，能够准确识别故障发生的位置。
[0063]
考虑到发生高阻单相接地故障时，交流送出线路两侧电流存在较大相角差，使得利用电流相量构成的传统纵联保护有拒动的风险，因此，本发明将分析在图2中k2点与k3点发生经不同过渡电阻a相接地故障时保护的适应性，并将计算结果分别记录在表2与表3中。
[0064]
表2 k2点经不同过渡电阻故障时τ'2的数值
[0065][0066]
表3 k3点经不同过渡电阻故障时τ'2的数值
[0067][0068]
如表2与表3所示数据可得该发明方法具有较好的耐过渡电阻能力，能够克服由于线路两侧控制策略与过渡电阻导致的相角差，对于经柔直并网的海上风电场交流送出线路具有较好的适应性。
[0069]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。