本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)繼電保護技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于波形相關(guān)的風(fēng)電場集電線路電流保護方法。

背景技術(shù)：

我國風(fēng)電發(fā)展具有獨特的發(fā)展模式，多為大規(guī)模集中開發(fā)、遠距離外送模式。這種發(fā)展模式導(dǎo)致風(fēng)電對電網(wǎng)的影響不容忽視，隨著風(fēng)電裝機容量的不斷增加，風(fēng)電并網(wǎng)引發(fā)的問題越來越突出。近年來甘肅酒泉等風(fēng)電基地發(fā)生了多起大規(guī)模風(fēng)電連鎖脫網(wǎng)事故，導(dǎo)致電網(wǎng)損失大量出力，影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。事故調(diào)查顯示，大規(guī)模風(fēng)電場連鎖脫網(wǎng)事故多由風(fēng)電場內(nèi)輕微故障的非及時清除而引發(fā)。由此可見，風(fēng)電場場內(nèi)保護的性能對保證風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行至關(guān)重要，亟待解決。風(fēng)電場裝機容量不斷增加，風(fēng)電機組故障特性復(fù)雜多變，場內(nèi)集電線路距離長、回路數(shù)多且同一條集電線路上有多臺風(fēng)電機組分散接入，這導(dǎo)致集電線路的故障概率大、故障特性更加復(fù)雜多變，簡單地沿用配電系統(tǒng)的繼電保護配置方案已無法滿足要求。

圖1所示為風(fēng)電場典型網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。各臺雙饋風(fēng)電機組(DFIG)按照就近原則分組由集電線路匯集至35kV集電母線，再經(jīng)升壓變壓器升壓至220kV，最后經(jīng)送出線向電網(wǎng)供電。該風(fēng)場中共m條集電線路，每臺風(fēng)電機組采用單元接線方式連接箱式變壓器。風(fēng)電場在35kV母線處接入接地變壓器，人為引入中性點，以實現(xiàn)風(fēng)電場的有效接地。參考《西北電網(wǎng)風(fēng)電場繼電保護配置及整定技術(shù)規(guī)范》，集電線路所采用的三段式過流保護的整定原則為：I段按本線路末端故障，保護有足夠的靈敏度整定，時間取為0s；II段按躲過本線路最大負荷電流整定，時間比I段多0.3s；III段視具體情況整定，可不采用。箱變高壓側(cè)配備有熔斷器和隔離開關(guān)作為箱變本體及低壓側(cè)故障的保護，箱變低壓側(cè)不配備專門的保護裝置。現(xiàn)以風(fēng)電場集電線路為研究對象，分析按照配電網(wǎng)配置的集電線路電流保護的適應(yīng)性，主要結(jié)論如下：

(1)1條集電線路上分散接有多臺DFIG，且每臺DFIG高壓側(cè)僅配備熔斷器保護，導(dǎo)致集電線路保護與箱變的熔斷器保護配合十分困難，箱變高壓側(cè)故障時，集電線路的過流I段保護會越級跳閘。

(2)某集電線路故障時，非故障集電線路上風(fēng)電機組提供的低穿電流可能大于負荷電流，導(dǎo)致無方向元件的過流II段誤動作。

(3)為解決(2)中過流II段誤動作的問題，通過增加方向元件來判別方向。但風(fēng)電機組等效序阻抗的變化破壞了傳統(tǒng)故障分量方向元件的最佳應(yīng)用環(huán)境。風(fēng)電機組與常規(guī)電源存在很大差異，尤其是采用異步發(fā)電機和電力電子裝置相結(jié)合的雙饋風(fēng)電機組，其故障特性十分復(fù)雜。故障期間風(fēng)電電源等效正、負序阻抗受風(fēng)電機組的故障暫態(tài)策略控制，阻抗相角可能發(fā)生較大變化，進而可能導(dǎo)致故障分量方向元件靈敏性不足或誤判。因此問題(2)并未得到實質(zhì)上的解決。

基于以上分析可知，尋求一種適用于風(fēng)電場集電線路保護的繼電保護配置與整定方法，對兼顧風(fēng)機安全與系統(tǒng)可靠性具有重要意義。針對過流I段保護與熔斷器保護的配合問題已有較多研究，因此本發(fā)明重點研究集電線路的過流II段保護方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對上述風(fēng)電場集電線路中傳統(tǒng)保護配置方案的適應(yīng)性問題，提出一種基于波形相關(guān)的風(fēng)電場集電線路電流保護方法。

所述保護方法的分析過程如下：

(1)相關(guān)技術(shù)是信號處理的基本方法，主要用來研究兩個信號波形之間的相似或相依程度，在電力系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。相關(guān)系數(shù)是其主要衡量指標。

設(shè)x(n)和y(n)是兩個信號序列，定義兩信號對應(yīng)數(shù)據(jù)的乘積之和為互相關(guān)函數(shù)r_xy，即：

上式除以x(n)，y(n)各自能量乘積的開平方，得到歸一化相關(guān)系數(shù)：

根據(jù)Schwartz不等式，有

|ρ_xy|≤1

當(dāng)x(n)＝k·y(n),k∈N⁺時，ρ_xy＝1，兩信號完全正相關(guān)，波形完全相同；當(dāng)x(n)＝-k·y(n),k∈N⁺時，ρ_xy＝-1，兩信號完全負相關(guān)，波形完全相反；當(dāng)x(n)，y(n)完全不相關(guān)時，ρ_xy＝0；當(dāng)x(n)，y(n)有某種程度的相關(guān)時，ρ_xy在[-1,1]之間取值。由此相關(guān)系數(shù)ρ_xy可以用來表征兩信號x(n)，y(n)之間的相似程度。

(2)圖2為風(fēng)電場內(nèi)故障示意圖，電流正方向指向被保護元件。根據(jù)圖2，分析不同位置故障時各條集電線路電流方向的相關(guān)性。系統(tǒng)正常運行時各條集電線路向電網(wǎng)輸送電流，電流方向為負。記表示取電流矢量的方向，Dr為Direction的簡寫，正方向時負方向時

k₁點故障時，與負相關(guān)，與負相關(guān)，與正相關(guān)；

k₂點故障時，與負相關(guān)，與正相關(guān)，與負相關(guān)；

k₃點故障時，與正相關(guān)，與負相關(guān)，與負相關(guān)；

k₄點故障或系統(tǒng)正常運行時，兩兩正相關(guān)。

其中，分別為集電線路1、集電線路2和集電線路3的故障分量電流。

由以上分析可知，故障線路的故障分量電流方向為正，非故障線路的故障分量電流方向為負；故障線路與非故障線路的故障分量電流負相關(guān)，非故障線路與非故障線路的故障分量電流正相關(guān)。注：多條線路同時故障的概率很小，本發(fā)明不予考慮。

(3)結(jié)合雙饋風(fēng)電機組的故障特性，根據(jù)圖2，分析各集電線路間電流波形的相關(guān)性。

所述風(fēng)電機組的故障特性分析如下：

當(dāng)機端發(fā)生故障時，電網(wǎng)要求DFIG具有低電壓穿越能力，在低電壓穿越期間，根據(jù)電壓跌落程度的不同，DFIG處于撬棒投入或變流器控制作用下。根據(jù)電機理論可知，DFIG將產(chǎn)生衰減非周期電流分量(以下簡稱衰減直流分量)，且衰減直流分量的幅值與電壓跌落程度有關(guān)。衰減直流分量與周期分量疊加，將改變電流波形甚至導(dǎo)致瞬時電流符號的改變。圖3給出了不同電壓跌落程度下一條集電線路上所有風(fēng)機提供的低電壓穿越電流總和的波形。

分析圖3可知，對稱故障時電壓跌落程度不同，故障暫態(tài)電流的對稱程度不同。周期分量的幅值與電壓跌落程度有關(guān)，電壓跌落越深，周期分量幅值越小，如圖3(a)機端電壓完全跌落時，故障后定子電壓為零，則基頻分量基本不存在，只存在直流衰減分量和轉(zhuǎn)速頻率衰減分量，波形明顯不對稱。隨著電壓跌落程度的降低，周期分量幅值增大，直流分量的相對占比減小，波形對稱性逐漸變好。故障暫態(tài)期間，電壓跌落較嚴重時，直流分量使得原本以0.02s周期變化的波形在長時間內(nèi)維持符號不變，繼而影響(2)中電流方向的判別。

雖然電壓跌落程度較淺時，故障暫態(tài)后期的波形周期性更好，但針對電壓嚴重跌落情況下，如圖3(a)中故障暫態(tài)的第一個周波內(nèi)波形周期性卻更好，這主要是因為此時穩(wěn)態(tài)基頻分量很小，而衰減轉(zhuǎn)速頻率分量的存在能夠部分抵消直流分量。因此為弱化直流分量的影響，使得方案具有普適性，本發(fā)明選取故障后第一個周波內(nèi)的波形數(shù)據(jù)。

基于以上分析，我們選取故障后第一個周波內(nèi)的電流波形做相關(guān)性，為進一步明確方向、避免負荷電流的影響，本發(fā)明選取故障后一個周波的故障分量電流。

根據(jù)圖4所示的k₁點故障時短路電流流向圖知，故障集電線路的短路電流＝系統(tǒng)提供的短路電流+所有非故障集電線路提供的低穿電流，即

Δi₁＝-Δi₂-Δi₃-Δi₄

非故障集電線路的短路電流＝本線路上所有風(fēng)電機組提供的低穿電流。系統(tǒng)提供的工頻短路電流幅值一般遠大于非故障集電線路提供的低穿電流，因此故障集電線路中直流分量占比相對較小。因此故障集電線路和非故障集電線路的故障全電流在幅值和波形上將差別很大，見圖5。圖5給出了k₁點發(fā)生三相故障時集電線路1和2的故障全電流波形圖。

圖6給出了k₁點發(fā)生三相故障時集電線路1和2的故障分量電流波形圖。分析圖6知故障后第一周波內(nèi)的故障分量電流波形并非完全相同或相反，接下來用相關(guān)系數(shù)來定量分析集電線路間故障分量電流的正相關(guān)或負相關(guān)程度。

根據(jù)定義計算集電線路間故障分量電流的相關(guān)系數(shù)，兩兩遍歷，共種組合。其中m為同一風(fēng)電場內(nèi)集電線路的總條數(shù)。圖7給出了含3條集電線路的風(fēng)電場內(nèi)故障分量電流的相關(guān)系數(shù)，(a)為集電線路1和集電線路2，(b)為集電線路1和集電線路3，(c)為集電線路2和集電線路3。圖7說明非故障集電線路與非故障集電線路的故障分量電流波形正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)約為1；故障集電線路與非故障集電線路的故障分量電流波形負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)約為-0.801。

考慮到風(fēng)電故障電流的復(fù)雜性和其他各種因素的影響，故障線路與非故障線路對應(yīng)的相關(guān)系數(shù)判據(jù)為

-1≤ρ(故障線路，非故障線路)≤0

非故障線路與非故障線路對應(yīng)的相關(guān)系數(shù)判據(jù)為

0<ρ(故障線路，非故障線路)≤1

綜上所述，可根據(jù)集電線路間電流波形的相關(guān)系數(shù)選出故障線路，且該方案具有自然選相功能，能夠自然識別出故障線路的故障相，進而切除故障。

(4)根據(jù)(3)所述的集電線路間故障分量電流的相關(guān)特征，本發(fā)明提出一種基于波形相關(guān)的風(fēng)電場集電線路電流保護方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1、采集同一風(fēng)電場內(nèi)所有集電線路出口的三相電流數(shù)據(jù)(記為x₁(n),x₂(n),…,x_m(n))，經(jīng)數(shù)據(jù)同步后發(fā)送給集電線路保護。電流由母線流向線路為正方向。

步驟2、進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，對采集得到的電流數(shù)據(jù)進行低通濾波，接著按照微機繼電保護算法編程獲得各相的故障分量電流Δx_1s(n),Δx_2s(n),…，Δx_ms(n)。其中，s可取a、b或c，分別代表a相、b相和c相。

步驟3、求解每兩條集電線路間相同相的故障分量電流的相關(guān)系數(shù)，其特征在于，相關(guān)系數(shù)的具體方法為

將1周波故障分量電流的采樣信號等周期延拓，形成2周波的觀察窗。計算數(shù)據(jù)窗取為1周期，則兩故障分量電流在第r個點處的s相相關(guān)系數(shù)計算公式為：

其中，N為采樣率，即一個周波內(nèi)的采樣點數(shù)；Δx_is(n)、Δx_js(n)分別為集電線路i和j的s相故障分量電流信號序列；r∈[1,N]。

每相共可求得組相關(guān)系數(shù)，記為其中，i從1取到m，j從1取到m且i≠j。m為同一風(fēng)電場內(nèi)集電線路的總條數(shù)。

步驟4、將步驟3)求得的各相相關(guān)系數(shù)分別帶入判據(jù)中，選出故障線路以及故障相，判別方法如下：

若則兩條集電線路的s相均未發(fā)生故障；

若則其中有且僅有一條集電線路的s相發(fā)生了故障，此時若滿足則集電線路u的s相未發(fā)生故障，集電線路v的s相故障，若不滿足則集電線路u的s相故障，集電線路v的s相未發(fā)生故障。

步驟5、保護動作于斷開故障線路的故障相斷路器，切除故障，具體步驟為：

步驟501：判斷s相的相關(guān)系數(shù)是否滿足其中，i從1取到m，j從1取到m，且i≠j。

若存在u、v，不滿足則u、v中有且僅有一條集電線路的s相發(fā)生了故障，且對其它所有的i、j均滿足其中，i從1取到m，j從1取到m，且進入步驟502；

若對所有的i、j，均滿足則風(fēng)電場所有集電線路的s相均未發(fā)生故障；

步驟502：若滿足則集電線路u的s相未發(fā)生故障，集電線路v的s相故障，進入步驟503；若不滿足則集電線路u的s相故障，集電線路v的s相未發(fā)生故障，進入步驟504；

步驟503：相關(guān)II段保護動作于集電線路v的s相斷路器經(jīng)0.3s延時跳閘；

步驟504：相關(guān)II段保護動作于集電線路u的s相斷路器經(jīng)0.3s延時跳閘。

圖8給出了基于波形相關(guān)的風(fēng)電場集電線路電流保護的工作原理示意圖。

本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明所提出的基于波形相關(guān)的風(fēng)電場集電線路電流保護方法，重點解決了非故障集電線路第II段保護的誤動作問題。原電流第II段保護按照躲過最大負荷電流進行整定，為集電線路的后備保護，應(yīng)具備足夠的可靠性。鑒于此，本發(fā)明提出的相關(guān)II段保護利用集電線路間電流波形的相關(guān)性進行判別，幾乎不受風(fēng)電故障特性和集電線路拓撲的影響，能夠可靠切除集電線路內(nèi)任一點任意故障類型，確保了集電線路第II段保護的選擇性、靈敏性和可靠性。且相關(guān)II段保護具有自然分相功能，在不對稱故障時能夠判別出故障相，并動作于僅斷開故障相斷路。因此，本發(fā)明對提高風(fēng)電場集電線路保護的四性要求，兼顧風(fēng)機安全和系統(tǒng)可靠性具有重要的工程實際意義。

注：本發(fā)明方法不考慮多條集電線路同時發(fā)生故障的情況；且風(fēng)電場內(nèi)的集電線路條數(shù)大于等于三。

附圖說明

圖1為風(fēng)電場典型網(wǎng)架結(jié)構(gòu)圖。

圖2為風(fēng)電場內(nèi)故障示意圖。

圖3給出了不同電壓跌落程度下一條集電線路上所有風(fēng)機提供的低電壓穿越電流總和的波形圖。其中，(a)100％，(b)70％，(c)30％。

圖4為k₁點故障時短路電流流向圖。

圖5給出了k₁點發(fā)生三相故障時集電線路1和2的故障全電流波形圖。其中，(a)集電線路1，(b)集電線路2。

圖6給出了k₁點發(fā)生三相故障時集電線路1和2的故障分量電流波形圖。其中，(a)集電線路1，(b)集電線路2。

圖7給出了含3條集電線路的風(fēng)電場內(nèi)故障分量電流的相關(guān)系數(shù)示意圖，(a)集電線路1和集電線路2，(b)集電線路1和集電線路3，(c)集電線路2和集電線路3。

圖8為基于波形相關(guān)的風(fēng)電場集電線路電流保護的工作原理示意圖。

圖9為系統(tǒng)仿真模型圖。

具體實施方式

本發(fā)明提出基于波形相關(guān)的風(fēng)電場集電線路電流保護方法，其特征在于，該方案的具體過程為

步驟1、采集同一風(fēng)電場內(nèi)所有集電線路出口的三相電流數(shù)據(jù)(記為x₁(n)，x₂(n)，…，x_m(n))，經(jīng)數(shù)據(jù)同步后發(fā)送給集電線路保護。電流由母線流向線路為正方向。

步驟2、進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，對采集得到的電流數(shù)據(jù)進行低通濾波，接著按照微機繼電保護算法編程獲得各相的故障分量電流Δx_1s(n),Δx_2s(n),…，Δx_ms(n)。其中，s可取a、b或c，分別代表a相、b相和c相。

步驟3、求解每兩條集電線路間相同相的故障分量電流的相關(guān)系數(shù)，其特征在于，相關(guān)系數(shù)的具體計算方法為：

將1周波故障分量電流的采樣信號等周期延拓，形成2周波的觀察窗。計算數(shù)據(jù)窗取為1周期，則兩故障分量電流在第r個點處的s相相關(guān)系數(shù)計算公式為：

其中，N為采樣率，即一個周波內(nèi)的采樣點數(shù)；Δx_is(n)、Δx_js(n)分別為集電線路i和j的s相故障分量電流信號序列；r∈[1,N]。

每相共可求得組相關(guān)系數(shù)，記為其中，i從1取到m，j從1取到m且i≠j。m為同一風(fēng)電場內(nèi)集電線路的總條數(shù)。

步驟4、將步驟3)求得的各相相關(guān)系數(shù)分別帶入判據(jù)中，選出故障線路以及故障相。

若則其中有且僅有一條集電線路的s相發(fā)生了故障；若則兩條集電線路的s相均未發(fā)生故障。

步驟5、保護動作于斷開故障線路的故障相斷路器，切除故障，具體步驟為：

步驟501：判斷s相的相關(guān)系數(shù)是否滿足其中，i從1取到m，j從1取到m，且i≠j。

若存在u、v，不滿足則u、v中有且僅有一條集電線路的s相發(fā)生了故障，且對其它所有的i、j均滿足其中，i從1取到m，j從1取到m，且進入步驟502；

若對所有的i、j，均滿足則風(fēng)電場所有集電線路的s相均未發(fā)生故障；

步驟502：若滿足則集電線路u的s相未發(fā)生故障，集電線路v的s相故障，進入步驟503；若不滿足則集電線路u的s相故障，集電線路v的s相未發(fā)生故障，進入步驟504；

步驟503：相關(guān)II段保護動作于集電線路v的s相斷路器經(jīng)0.3s延時跳閘；

步驟504：相關(guān)II段保護動作于集電線路u的s相斷路器經(jīng)0.3s延時跳閘。

實施例

在圖9所示的系統(tǒng)仿真模型中，風(fēng)電場共包含4條集電線路，且均為架空線，場內(nèi)采用1.5MW的雙饋風(fēng)電機組(DFIG)。DFIG出口電壓為690V，經(jīng)箱式變壓器升壓至35kV。集電線路1全長7.045km、包含18臺DFIG；集電線路2全長4.317km、包含15臺DFIG；集電線路3全長8.63km、包含20臺DFIG；集電線路4全長5.967km，包含16臺DFIG。

針對風(fēng)電場內(nèi)集電線路1上k₁點和集電線路外送出線上k₄點發(fā)生a相金屬性接地短路時，采用所提保護方案進行故障判別：

1)首先分別提取4條集電線路出口保護安裝處的三相電流數(shù)據(jù)，接著利用Maltab編程進行低通濾波處理并編程得到各相的故障分量電流，分別記作Δx_1s(n)、Δx_2s(n)、Δx_3s(n)、Δx_4s(n)。其中，s可取a、b或c，分別代表a相、b相和c相。

2)計算集電線路兩兩之間的各相相關(guān)系數(shù)，以k₁點故障為例。

k₁點故障時，有：

i)a相

ii)b相

iii)c相

3)將計算得到的各相相關(guān)系數(shù)帶入判據(jù)中，進行故障的判別。

k₁點故障時，有

i)a相

滿足則集電線路1,3,4的a相未發(fā)生故障；

又不滿足則集電線路1的a相發(fā)生故障；

ii)b相、c相

當(dāng)s取b或c時，所有相關(guān)系數(shù)均成立，則集電線路1、2、3和4的b相和c相均未發(fā)生故障。

綜上所述知，集電線路1發(fā)生a相故障，集電線路2、3和4未發(fā)生任何故障，相關(guān)II段保護動作于集電線路1的a相斷路器跳閘，切除故障。

同理，k₄點故障時，有：

當(dāng)s取a、b或c時，所有相關(guān)系數(shù)均成立，則集電線路1、2、3和4的a相、b相和c相均未發(fā)生故障，相關(guān)II保護不動作。

上述實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案進行了詳細說明。顯然，本發(fā)明并不局限于所描述的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人員還可據(jù)此做出多種變化，但任何與本發(fā)明等同或相類似的變化都屬于本發(fā)明保護的范圍。