CN105375532B - 一种适用于双馈风电场联络线的故障选相方法 - Google Patents

一种适用于双馈风电场联络线的故障选相方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于双馈风电场联络线的故障选相方法,包括以下步骤：(1)获取线路保护安装处各相电压、各相电压突变量，各线电压突变量和零序电压；(2)根据单相电压突变量与两相间的电压突变量差之间的比例关系，获取故障相别选择系数；(3)根据零序电压值与额定电压判断电网是否发生接地故障；(4)根据故障相别选择系数的最大值与中间值的比例，确定电网接地故障的类型；(5)根据故障相别选择系数的最小值与中间值的比例，确定电网相间故障的类型；(6)根据三相电压稳态量的最大值与额定电压，判定电网是否发生三相对称故障。该故障选相方法利用故障相电压突变量和与故障相相关的相间电压突变量对故障具有更高灵敏度的特点，可准确判定故障类型及故障相别。

Description

一种适用于双馈风电场联络线的故障选相方法
技术领域
本发明属于电力***技术领域，更具体地，涉及一种适用于双馈风电场联络线的故障选相方法。
背景技术
选相元件是高压电力***保护装置的重要元件。在传统的选相方法中，均假设电网的正负序阻抗相等。然而，随着风电机组的接入，其馈入电网的故障电流特性发生了很大的变化，使得风电***中的突变量选相元件难以满足双馈风电场联络线保护的选相需求。现有技术针对双馈风电场联络线的故障选相方法已开展了多方面的研究，如对于双馈风电机组撬棒动作后的故障特性，分析了其正、负序阻抗不等对选相元件的影响；针对撬棒电路的投入和风电场的弱馈特性，分析了故障选相装置误选相的原因，并提出了相应的解决措施。
上述现有技术主要针对双馈风电场撬棒电路投入的情况。但在大多数故障情况下，双馈风电机组的撬棒保护不会动作，而是由转子变频器进行励磁调节控制；在励磁调节状态下，双馈风电机组馈出短路电流远比撬棒保护动作时复杂，其短路电流大小与机端电压及采用的低电压穿越控制策略相关。特别是在采用平衡的负序电流为目标时，双馈风电场完全不馈出负序电流，其负序分流系数为零，使得以正、负序电流分流系数相等为前提的电压突变量和电流突变量选相方案性能劣化，即仅以各相电压突变量或各相电流突变量之间的关系来判别电网故障类型和故障相别的传统电压突变量和电流突变量选相方案难以应用于双馈风电场联络线。综上可知，由于双馈风电场在电网故障情况下馈出复杂的故障电流，使得现有电网故障选相方法难以满足于双馈风电场联络线的选相需求，需要新的故障选相方案，为电网和风电场的安全稳定运行奠定基础。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种适用于双馈风电场联络线的故障选相方法，其目的在于解决现有电压突变量和电流突变量选相技术应用于双馈风电场联络线时选相不正确的问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种适用于双馈风电场联络线的故障选相方法，具体包括以下步骤：
(1)获取线路保护安装处各相电压、各相电压突变量，各线电压突变量和零序电压值；
(2)根据保护安装处各相电压突变量与其余两相电压突变量差之间的比例关系，获取故障相别选择系数；其中，两相电压突变量差是指一相电压突变量相量与另一相电压突变量相量的差值；
现有故障选相技术仅根据单相电压突变量之间的关系确定故障类型和故障相别；本发明将单相电压突变量和相间电压突变量进行上述极化处理后获取故障相别选择系数；
由于故障相电压突变量相较于非故障相相电压突变量对电网故障具有更高的灵敏度，且与故障相相关的两相相间电压突变量相较于含健全相的两相相间电压突变量对电网故障具有更高的灵敏度；因此，本发明的这种处理，综合了单相电压突变量与相间电压突变量对电网故障灵敏度高的特点，具有更好的识别电网故障类型和故障相别的能力；
(3)将所述故障相别选择系数排序，确定故障相别选择系数的最大值、中间值和最小值；
(4)根据零序电压值与额定电压的大小判断电网是否发生接地故障，若是，则进入步骤(5)；若否，则判定电网发生相间故障，进入步骤(6)；
(5)根据故障相别选择系数的最大值与中间值的比例K，确定电网接地故障的类型；
当电网发生单相接地故障时，故障相电压突变量相较于非故障相的其他相电压突变量对故障具有更高的灵敏度；且与故障相相关的两相相间电压突变量相较于含健全相的两相相间电压突变量对故障具有更高的灵敏度，即故障相别选择系数的最大值远大于中间值；而对于两相接地故障来说，两个故障相电压突变量对故障的灵敏相同，而两个含健全相的相间电压突变量对故障的灵敏度也相同，即故障相别选择系数的最大值不会远大于中间值；
因此，若故障相别选择系数的最大值与中间值的比例K大于阈值m，则判定电网发生单相接地故障，且故障相为故障相别选择系数最大值对应的相；若故障相别选择系数的最大值与中间值的比例K小于或等于阈值m，则判定电网发生两相接地故障，且健全相为故障相别选择系数最小值对应的相；
(6)根据故障相别选择系数的最小值与中间值的比例N，确定电网相间故障的类型；
当电网发生两相相间故障时，故障相的电压突变量相较于健全相的电压突变量，对故障具有更高的灵敏度；且故障相的两相相间电压突变量比含健全相的两相相间电压突变量对故障的灵敏度更高，即故障相别选择系数的中间值应远大于最小值；而对于三相对称故障来说，各相电压突变量的灵敏度相同，同时两相相间电压突变量也相同，即三个故障相别选择系数的大小相同；
因此，若故障相别选择系数的中间值与最小值的比例N大于阈值m，则判定电网发生两相相间故障；作为故障相别选择系数分子的健全相电压突变量比故障相电压突变量对故障的灵敏度低，且作为故障相别选择系数分母的含两相故障相的相间电压突变量对故障的灵敏度高于含一相故障相的相间电压突变量，则故障相别选择系数最小值对应的相为健全相；若故障相别选择系数的中间值与最小值的比例N小于或等于阈值m，则进入步骤(7)；
(7)判断三相电压稳态量的最大值是否小于额定电压的n倍来确定故障类型；若是，则判定电网发生三相对称故障；若否，判定为选相失败；在实际运行中，当电网发生三相对称故障时，故障点电压等于0，而保护安装处的三相电压也远小于0.7倍的额定电流，因此，n取0.7。
优选的，上述阈值m为4～6；根据电网运行要求，m为4可满足选相要求。
优选的，故障相别选择系数具体如下：
其中，K1为A相的故障相别选择系数；K2为B相的故障相别选择系数；K3为C相的故障相别选择系数；为A相电压突变量相量，为B相电压突变量相量，为C相电压突变量相量，ΔUA为A相电压突变量的幅值，ΔUB为B相电压突变量的幅值，ΔUC为C相电压突变量的幅值。
优选的，上述步骤(4)具体如下：判断零序电压U0与额定电压UN是否满足U0＞0.01*UN；若是，则判定电网发生接地故障，进入步骤(5)；若否，则判定电网发生相间故障，进入步骤(6)。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
本发明提供的适用于双馈风电场联络线的故障选相方法，将单相电压突变量与相间电压突变量进行极化处理，利用故障相电压突变量和与故障相相关的相间电压突变量对故障具有更高灵敏度的特点，可准确判定故障类型及故障相别，有效满足双馈风电场联络线距离保护元件的选相需求；而现有技术在双馈风电机组采用控制负序电流的低电压穿越控制的方法，当双馈风电场不馈出负序电流，则以正、负电流分流系数相等为假设前提的传统电压突变量和电流突变量选相则无法准确识别故障相；仅以各相电压突变量或各相电流突变量之间的关系来判别电网故障类型和故障相别的传统电压突变量和电流突变量选相方案，难以满足双馈风电场联络线的选相需求；相比较而言，本发明提供的方法，可以准备识别故障类型及故障相，解决了现有电压突变量和电流突变量选相技术应用于双馈风电场联络线时选相不正确的问题。
附图说明
图1是本发明实施例提供的故障选相方法的流程图；
图2是实施例采用的含双馈风电场的电网仿真模型；
图3是实施例中故障相别选择系数幅值与时间的关系曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
以下结合实施例，具体阐述本发明提供的适用于双馈风电场联络线的故障选相方法；实施例提供的故障选相方法，其流程如图1所示，具体包括如下步骤：
(1)获得线路保护安装处各相电压(UA，UB，UC)、各相电压突变量(ΔUA，ΔUB，ΔUC)、各线电压突变量(ΔUAB，ΔUBC，ΔUCA)和零序电压(U0)的值；
(2)根据保护安装处各相电压突变量与其余两相电压突变量差之间的比例关系，获取故障相别选择系数，具体如下：
其中，K1为A相的故障相别选择系数；K2为B相的故障相别选择系数；K3为C相的故障相别选择系数；为A相电压突变量相量；为B相电压突变量相量、为C相电压突变量相量；
(3)对故障相别选择系数排序，确定三个故障相别选择系数的最大值Kmax、中间值Kmid和最小值Kmin；
(4)判断零序电压U0是否满足式(2)，若是，则判定电网发生接地故障，进入步骤(5)；若否，则判定电网发生相间故障，进入步骤(6)；
U0＞0.01·UN (2)
其中，UN为电网额定电压；
(5)判定故障相别选择系数的最大值Kmax与中间值Kmid是否满足式(3)，若是，则判定电网发生单相接地故障，且故障相别选择系数最大值的对应相为故障相；若否，则判定电网发生两相接地故障，且故障相别选择系数最小值的对应相为健全相；实施例中，综合各厂家的保护装置说明书，将阈值m值取4；
mKmid＜Kmax (3)
(6)判断故障相别选择系数的最小值Kmin与中间值Kmid是否满足式(4)，若是，则判定电网发生两相接地故障，且故障相别选择系数最小值的对应相为健全相；若否，则进入步骤(7)；
mKmin＜Kmid (4)
(7)判断各相电压稳态量的最大值是否满足式(5)，若是，则电网发生三相对称故障；否则，判定为选相失败：
max{UA,UB,UC}≤0.7*UN (5)
以下结合如附图2所示的双馈风电场的电网仿真模型来进一步说明本发明提供的适用于双馈风电场联络线故障选相方法的有效性；该电网模型在f点发A相接地故障；电网仿真模型基本参数说明如下：
单位长度线路参数为：r(1)＝r(2)＝0.17Ω/km，x(1)＝x(2)＝0.394Ω/km，r(0)＝0.19Ω/km，x(0)＝0.43Ω/km，线路L的长度为100km；
接入电网的DFIG(Doubly-fed induction generators)的容量为49.5MW；
定子漏电抗为0.055414H；转子漏电抗为0.055414H；
定转子互感为0.8466H；转子额定转速为1.2p.u；
两绕组变压器T1与T2的容量均为50MVA，变比为0.69kV/220kV，联结组别为Yd，漏电抗为6.22％；
以下采用本发明提供的适用于双馈风电场联络线的故障选相法来判定本电网模型的相别故障，具体如下：
(1)获取保护安装处N的各相电压(UA，UB，UC)、各相电压突变量(ΔUA，ΔUB，ΔUC)、各线电压突变量(ΔUAB，ΔUBC，ΔUCA)和零序电压(U0)的值；
(2)根据保护安装处N的各相电压突变量与其余两相电压突变量之差的比例关系，获取故障相别选择系数为：
其中，为A相电流突变量相量；为B相电流突变量相量；为C相电流突变量相量。
(3)：根据上述故障相别选择系数的大小进行排序；
在A相接地故障条件下，满足条件1(ΔUA＞ΔUB∩ΔUA＞ΔUC)和条件2(ΔUBC＞ΔUAB∩ΔUBC＞ΔUCA)；因此，根据上述式(1)，确定三个故障相比系数的最大值Kmax＝K1＝3.2，Kmid＝K2＝0.18，Kmin＝K3＝0.175；
(4)零序电压U0＝1449V；额定电压
由于零序电压U0>0.01*UN，确定电网发生接地故障，进入步骤(5)；
(5)比较故障相别选择系数的最大值Kmax与中间值Kmid的大小，Kmax远大于4倍的Kmid，因此确定电网发生单相接地故障；由于故障相别选择系数最大值的对应相为A相，判定电网发生A相接地故障；采用本发明提供的故障选相方法，所获取的相别故障的判定与实际故障一致。
本发明的实施例提出的这种将单相电压突变量和两相电压突变量极化的故障选相新方法，能有效选出双馈风电场联络线上出现的单相接地故障、两相接地故障、两相相间故障和三相对称故障的不同故障类型和相别，为双馈风电场联络线距离保护、重合闸和电网故障定位等功能的实现提供重要的技术支撑，对双馈风电场大规模接入电力***具有重要的理论和现实意义。
图3所示，为f处发生A相接地故障时，本发明提供的选相方法中故障相别选择系数幅值与时间的关系；从图3可知，故障发生后20ms，故障相别选择系数最大值K1远大于4倍的故障相别选择系数K2和K3，满足单相接地故障的判据，即可认为电网发生单相接地故障；同时，又根据故障相别选择系数的最大值为K1，对应A相，即可判定电网发生A相接地故障；验证结果表明，本发明提出的故障选相方法能有效可靠地判定故障相。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种适用于双馈风电场联络线的故障选相方法，其特征在于，所述故障选相方法具体包括以下步骤：
(1)获取线路保护安装处各相电压、各相电压突变量，各线电压突变量和零序电压值；
(2)根据保护安装处各相电压突变量与其余两相电压突变量差之间的比例关系，获取故障相别选择系数；其中，两相电压突变量差是指一相电压突变量相量与另一相电压突变量相量的差值；
(3)将所述故障相别选择系数排序，确定故障相别选择系数的最大值、中间值和最小值；
(4)根据零序电压值与额定电压的大小判断电网是否发生接地故障，若是，则进入步骤(5)；若否，则判定电网发生相间故障，进入步骤(6)；
(5)根据故障相别选择系数的最大值与中间值的比例K，确定电网接地故障的类型；
若故障相别选择系数的最大值与中间值的比例K大于阈值m，则判定电网发生单相接地故障，且故障相为故障相别选择系数最大值对应的相；若故障相别选择系数的最大值与中间值的比例K小于或等于阈值m，则判定电网发生两相接地故障，且健全相为故障相别选择系数最小值对应的相；
(6)根据故障相别选择系数的最小值与中间值的比例N，确定电网相间故障的类型；
若故障相别选择系数的中间值与最小值的比例N大于阈值m，则判定电网发生两相相间故障，且健全相为故障相别选择系数最小值对应的相；若故障相别选择系数的中间值与最小值的比例N小于或等于阈值m，则进入步骤(7)；
(7)判断三相电压稳态量的最大值是否小于0.7倍的额定电压，若是，则判定电网发生三相对称故障；若否，判定为选相失败。
2.如权利要求1所述的故障选相方法，其特征在于，所述阈值m为4～6。
3.如权利要求1或2所述的故障选相方法，其特征在于，所述故障相别选择系数具体如下：
<mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>K</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>&amp;Delta;U</mi> <mi>A</mi> </msub> <mo>/</mo> <mrow> <mo>|</mo> <mrow> <mi>&amp;Delta;</mi> <msub> <mover> <mi>U</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mi>B</mi> </msub> <mo>-</mo> <mi>&amp;Delta;</mi> <msub> <mover> <mi>U</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mi>C</mi> </msub> </mrow> <mo>|</mo> </mrow> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>K</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>&amp;Delta;U</mi> <mi>B</mi> </msub> <mo>/</mo> <mrow> <mo>|</mo> <mrow> <mi>&amp;Delta;</mi> <msub> <mover> <mi>U</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mi>C</mi> </msub> <mo>-</mo> <mi>&amp;Delta;</mi> <msub> <mover> <mi>U</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mi>A</mi> </msub> </mrow> <mo>|</mo> </mrow> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>K</mi> <mn>3</mn> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>&amp;Delta;U</mi> <mi>C</mi> </msub> <mo>/</mo> <mrow> <mo>|</mo> <mrow> <mi>&amp;Delta;</mi> <msub> <mover> <mi>U</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mi>A</mi> </msub> <mo>-</mo> <mi>&amp;Delta;</mi> <msub> <mover> <mi>U</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mi>B</mi> </msub> </mrow> <mo>|</mo> </mrow> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>
其中，K1为A相的故障相别选择系数；K2为B相的故障相别选择系数；K3为C相的故障相别选择系数；为A相电压突变量相量，为B相电压突变量相量，为C相电压突变量相量，ΔUA为A相电压突变量的幅值，ΔUB为B相电压突变量的幅值，ΔUC为C相电压突变量的幅值。
4.如权利要求3所述的故障选相方法，其特征在于，所述步骤(4)具体如下：判断零序电压U0与额定电压UN是否满足U0＞0.01*UN；若是，则判定电网发生接地故障，进入步骤(5)；若否，则判定电网发生相间故障，进入步骤(6)。
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