含分布式DFIG型风电机的配电网纵联保护方法

摘要

本发明公开了一种含分布式DFIG型风电机的配电网纵联保护方法，包括以下步骤：提取线路两端保护安装处的故障电流波形进行分析，将电流的离散数据通过Prony算法来计算两端故障电流的衰减因子的大小，对两端衰减因子进行做差比较得出两端电流在故障情况下的衰减因子差异，与保护的整定值进行比较，可以正确的判别出故障区内与区外故障。本发明提供的方法能够有效可靠的判别线路的区内外故障，可以有效的利用到分布式电源的特有性质，在实际工程中具有一定的应用价值。

说明书

技术领域

本发明属于配电网继电保护技术领域，具体涉及一种含分布式DFIG型风电机的配电网纵联保护方法。

背景技术

风力发电机接入配电网后，配电网变为多源的系统，尤其随着风力发电渗透率的加大，使其对配电网的影响更加明显；同时由于风力发电机出力的随机性及不确定性，造成了传统的过电流保护难以适应，导致了配电网保护设置更加的困难。在实际的工程应用中，双馈式感应发电机(DFIG，Doubly-fed Induction Generator)为主流机型，而双馈式风力发电机其故障特性较逆变型分布式电源来说更为复杂，因此，对于其故障暂态特性的研究则至关重要。

目前，国内外对于含分布式电源的保护方法主要有：(1)提出了一种方向过电流保护的方案，该方法解决了分布式电源接入带来的保护方向性的问题，避免了保护元件反向误动的情况；(2)利用故障定位和分析方法对配电网保护进行一定的改进，也取得了一定的成效；(3)对分布式电源的输出容量进行了一定的限制，使其不会对配电网原有保护造成影响；(4)针对分布式电源暂态特性方面的保护。对于(1)来说，其利用功率方向来解决多源故障方向的判别，但用到了电压量，在实际配电网中很难实现。(2)中利用了通信的方式对配电网的故障进行处理，在可靠性方面有较大的不确定性。在(3)中对分布式电源的输出容量进行限制，不符合国家对能源开发的目的。最后一种虽然对分布式电源的暂态特性进行了研究，但是把双馈式风力发电机的暂态特性与配电网保护相结合的方面几乎没有。

发明内容

本发明的目的是提供一种含分布式DFIG型风电机的配电网纵联保护方法，解决了现有技术中存在的对于接有DFIG的配电网的保护方法复杂、不能适应DFIG的暂态特性的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种含分布式DFIG型风电机的配电网纵联保护方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1：通过DFIG型风电机的配电网的首端电流互感器、末端电流互感器分别采集首端断路器、末端断路器处的电流值，并将测得的电流值分别传递到首端可编程处理器、末端可编程处理器，进行数据处理；

步骤2：首端可编程处理器、末端可编程处理器根据步骤1数据处理结果分别发出调控指令至首端断路器动作控制器、末端断路器动作控制器来控制首端断路器、末端断路器，实现DFIG型风电机的配电网的纵联保护方法。

本发明的特点还在于：

步骤1进行数据处理具体过程为：

步骤1.1：首先采用Prony算法计算得出首端断路器、末端断路器处的电流值对应的电流衰减因子值，分别记为α₁、α₂；

步骤1.2：计算α₁、α₂之间的差值，将差值的绝对值与α_set进行比较，来实现线路的纵联保护：

1)当|α₁-α₂|＞α_set，判别为故障发生在线路之间，线路两端的保护装置动作，切断故障；

2)当|α₁-α₂|＜α_set，判别为故障发生在线路之外，线路两端的保护装置不动作。

步骤1.1采用Prony算法计算得出首端断路器、末端断路器处的电流值对应的电流衰减因子值，具体过程为：

通过PSCAD仿真实验模拟配电网发生不同类型的故障，将得到的故障电流暂态数据导入matlab程序，通过Prony算法计算出不同故障下首端断路器与末端断路器电流的衰减因子的值；

其中Prony算法的原理如下：

$\begin{array}{c}\hat{x}\left(n\right)=\underset{m=1}{\overset{p}{\Sigma }}{b}_m{z}_m^n,\left(n=0,1,\mathrm{...},N-1,\mathrm{...}\right)\\ b_m=A_m\exp \left({\mathrm{j\theta }}_m\right)\\ z_m=\exp \left[\left({\alpha }_m+j2{\mathrm{\pi f}}_m\right)\Delta t\right]\end{array}---\left(1\right)$

式中：n—分解的正弦分量个数；p—Prony模型的阶数；N—采样数据点的个数；A_m—振幅；α_m—阻尼因子；f_m—振荡频率；θ_m—相位；Δt—采样间隔；

利用上述原理计算衰减因子的具体过程为：

(1)定义：

$r(i,j)=\underset{n=p}{\overset{N-1}{\Sigma }}x(n-j)x^{*}(n-i)---\left(2\right)$

式中：x^*(.)为x(.)的共轭复数；

(2)利用仿真试验得到的故障电流暂态数据，结合公式(2)，构造矩阵：

$R=\left(\begin{array}{cccc}r\left(1,0\right)& r\left(1,1\right)& \mathrm{...}& r\left(1,p_e\right)\\ r\left(2,0\right)& r\left(2,1\right)& & r\left(2,p_e\right)\\ \mathrm{...}& \mathrm{...}& & \mathrm{...}\\ \mathrm{...}& \mathrm{...}& & \mathrm{...}\\ r\left(p_e,0\right)& r\left(p_e,0\right)& \mathrm{...}& r\left(p_e,p_e\right)\end{array}\right),p_e>>p---\left(3\right)$

(3)用SVD-TLS方法确定R的自回归参数a₁,...,a_p；

(4)求解多项式

1+a₁z^-1+...+a_pz^-p＝0>

得根z_i(i＝1,...,p)

(5)计算参数b

$\left(\begin{array}{cccc}1& 1& \mathrm{...}& 1\\ z_1& z_2& \mathrm{...}& z_p\\ .& .& & .\\ .& .& \mathrm{...}& .\\ .& .& & .\\ .& .& & .\\ .& .& \mathrm{...}& .\\ .& .& & .\\ z_1^{N-1}& z_2^{N-1}& \mathrm{...}& z_p^{N-1}\end{array}\right)·\left(\begin{array}{c}{b}_1\\ b_2\\ .\\ .\\ .\\ .\\ .\\ .\\ b_p\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}\hat{x}\left(0\right)\\ \hat{x}\left(1\right)\\ .\\ .\\ .\\ .\\ .\\ .\\ \hat{x}\left(N-1\right)\end{array}\right)---\left(5\right)$

其中，

$\hat{x}\left(n\right)=\underset{i=1}{\overset{p}{\Sigma }}{\alpha }_i\hat{x}\left(n-i\right),n=0,1,2,\mathrm{...}N-1;$

则：

(6)计算衰减因子α_i

α_i＝ln|z_i/Δt|>

其中i＝1,...,p。

DFIG型风电机的配电网系统包括电源，电源通过降压变压器与第一母线连接，从第一母线处引出一条馈线，在馈线上设置有第二母线，DFIG风电场通过第一升压变压器、第二升压变压器接入到第二母线处；在第一母线的出口处设置有首端断路器和检测首端断路器处电流值的首端电流互感器，首端断路器与首端断路器动作控制器相连接，首端电流互感器和首端断路器动作控制器均与首端可编程处理器连接；在第二母线出口处设置有末端断路器和检测末端断路器处电流值的末端电流互感器，末端断路器与末端断路器动作控制器相连接，末端电流互感器和末端断路器动作控制器均与末端可编程处理器连接。

本发明的有益效果是：1)本发明考虑到了分布式电源固有的暂态特性，对于保护的设置能够更加的准确，可以大大的提高接有DFIG的配电网保护的可靠性和选择性；2)在针对双电源形式中利用了纵联保护，仅用到电流量，其计算过程也较为简单，而且较传统的纵联保护来说，对于有分支线的线路其适应性也较高，在配电网中的实用性高。

附图说明

图1是本发明中DFIG型风电机的配电网系统的结构示意图；

图2是本发明配电网纵联保护方法的流程图；

图3是本发明DFIG型风电机的配电网的故障电流特性示意图。

图中，1.电源，2.降压变压器，3.第一母线，4.DFIG风电场，5.第二母线，6.第一升压变压器，7.第二升压变压器，8.末端断路器，9.首端断路器，10.末端电流互感器，11.首端电流互感器，12.末端可编程处理器，13.首端可编程处理器，14.末端断路器动作控制器，15.首端断路器动作控制器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明中DFIG型风电机的配电网系统，结构如图1所示，包括电源1，电源1通过降压变压器2与第一母线3连接，从第一母线3处引出一条馈线，在馈线上设置有第二母线5，DFIG风电场4通过第一升压变压器6、第二升压变压器7接入到第二母线5处；在第一母线3的出口处设置有首端断路器9和检测首端断路器9处电流值的首端电流互感器11，首端断路器9与首端断路器动作控制器15相连接，首端电流互感器11和首端断路器动作控制器15均与首端可编程处理器13连接；在第二母线5出口处设置有末端断路器8和检测末端断路器8处电流值的末端电流互感器10，末端断路器8与末端断路器动作控制器14相连接，末端电流互感器10和末端断路器动作控制器14均与末端可编程处理器12连接。

本发明一种含分布式DFIG型风电机的配电网纵联保护方法，流程如图2所示，具体按照以下步骤实施：

步骤1：通过DFIG型风电机的配电网的首端电流互感器11、末端电流互感器10分别采集首端断路器9、末端断路器8处的电流值，并将测得的电流值分别传递到首端可编程处理器13、末端可编程处理器12，进行数据处理，具体过程为：

步骤1.1：首先采用Prony算法计算得出首端断路器9、末端断路器8处的电流值对应的电流衰减因子值，分别记为α₁、α₂，具体过程为：

通过PSCAD仿真实验模拟配电网发生不同类型的故障，将得到的故障电流暂态数据导入matlab程序，通过Prony算法计算出不同故障下首端断路器与末端断路器电流的衰减因子的值；

其中Prony算法的原理如下：

$\begin{array}{c}\hat{x}\left(n\right)=\underset{m=1}{\overset{p}{\Sigma }}{b}_m{z}_m^n,\left(n=0,1,\mathrm{...},N-1,\mathrm{...}\right)\\ b_m=A_m\exp \left({\mathrm{j\theta }}_m\right)\\ z_m=\exp \left[\left({\alpha }_m+j2{\mathrm{\pi f}}_m\right)\Delta t\right]\end{array}---\left(1\right)$

式中：n—分解的正弦分量个数；p—Prony模型的阶数；N—采样数据点的个数；A_m—振幅；α_m—阻尼因子；f_m—振荡频率；θ_m—相位；Δt—采样间隔；

利用上述原理计算衰减因子的具体过程为：

(1)定义：

$r(i,j)=\underset{n=p}{\overset{N-1}{\Sigma }}x(n-j)x^{*}(n-i)---\left(2\right)$

式中：x^*(.)为x(.)的共轭复数；

(2)利用仿真试验得到的故障电流暂态数据，结合公式(2)，构造矩阵：

$R=\left(\begin{array}{cccc}r\left(1,0\right)& r\left(1,1\right)& \mathrm{...}& r\left(1,p_e\right)\\ r\left(2,0\right)& r\left(2,1\right)& & r\left(2,p_e\right)\\ \mathrm{...}& \mathrm{...}& & \mathrm{...}\\ \mathrm{...}& \mathrm{...}& & \mathrm{...}\\ r\left(p_e,0\right)& r\left(p_e,0\right)& \mathrm{...}& r\left(p_e,p_e\right)\end{array}\right),p_e>>p---\left(3\right)$

(3)用SVD-TLS方法确定R的自回归参数a₁,...,a_p；

(4)求解多项式

1+a₁z^-1+...+a_pz^-p＝0>

得根z_i(i＝1,...,p)

(5)计算参数b(5)

$\left(\begin{array}{cccc}1& 1& \mathrm{...}& 1\\ z_1& z_2& \mathrm{...}& z_p\\ .& .& & .\\ .& .& \mathrm{...}& .\\ .& .& & .\\ .& .& & .\\ .& .& \mathrm{...}& .\\ .& .& & .\\ z_1^{N-1}& z_2^{N-1}& \mathrm{...}& z_p^{N-1}\end{array}\right)·\left(\begin{array}{c}{b}_1\\ b_2\\ .\\ .\\ .\\ .\\ .\\ .\\ b_p\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}\hat{x}\left(0\right)\\ \hat{x}\left(1\right)\\ .\\ .\\ .\\ .\\ .\\ .\\ \hat{x}\left(N-1\right)\end{array}\right)---\left(5\right)$

其中，

$\hat{x}\left(n\right)=\underset{i=1}{\overset{p}{\Sigma }}{\alpha }_i\hat{x}\left(n-i\right),n=0,1,2,\mathrm{...}N-1;$

则：

(6)计算衰减因子α_i

α_i＝ln|z_i/Δt|>

其中i＝1,...,p。

步骤1.2：计算α₁、α₂之间的差值，将差值的绝对值与α_set进行比较，来实现线路的纵联保护：

1)当|α₁-α₂|＞α_set，判别为故障发生在线路之间，线路两端的保护装置动作，切断故障；

2)当|α₁-α₂|＜α_set，判别为故障发生在线路之外，线路两端的保护装置不动作。

步骤2：首端可编程处理器13、末端可编程处理器12根据步骤1数据处理结果分别发出调控指令至首端断路器动作控制器15、末端断路器动作控制器14来控制首端断路器9、末端断路器8，实现DFIG型风电机的配电网的纵联保护方法。

实施例：

步骤1：以图3(a)所示DFIG风电场输出的三相接地故障下的故障电流和图3(b)所示的大电源在三相接地故障下的故障电流为例进行测试，算法时间窗考虑到保护的快速性，选择20ms。对电流波形进行滤波，滤除严重的波形畸变点。

步骤2：利用上述的Prony算法对上述数据进行衰减因子计算，得出各自对应的衰减因子的大小为α₁、α₂。

步骤3：求解|α₁-α₂|的值，记为Δα。

步骤4：考虑到实际中的测量误差，这里设置α_set＝0.5，程序计算结果如表1所示：

表1 保护判别结果

由上表可知Δα＞0.5，保护能够正确动作。

步骤5：对与不同容量下保护的大量测试结果如表2所示：

表2 保护的大量测试结果

由上表可知，采用本发明的配电网纵联保护方法，都可以正确动作。