基于站域保护原理的风电场汇集系统继电保护方法

摘要

本发明公开了一种基于站域保护原理的风电场汇集系统继电保护方法，包括：在各汇集馈线出口处、接地变侧和主变低压侧分别安装相同的继电保护装置，每套继电保护装置遵循IEC61850规约进行通信，将其内部电子式互感器量测得到的电气量信息发送至站控层决策中心；由站控层决策中心根据各电气量信息之间的大小关系来确定故障类型，再根据故障类型启用相应的站域保护机制。该方法充分考虑到了风机复杂的故障特性和风电场特殊的拓扑结构，通过利用电子式互感器采集到的多端信息量进行故障判别，构造的站域保护新原理具有较好的选择性与速动性，适用于各种类型不同容量大小的风力发电场站。

说明书

技术领域

本发明涉及继电保护技术领域，尤其涉及一种基于站域保护原理的风电场汇集系统继电保护方法。

背景技术

在风电大规模发展的背景下，随着接入电网的风电规模不断扩大，风电场的故障特性给电力系统的安全稳定运行带来了一系列新的挑战。尤其是在保障电网和风电场安全运行的保护控制措施问题上，风电场对于电力系统的影响日益增强，传统将风电场视为等效负荷的处理方式已经不再适用。由于风机异于常规电源的短路特性，研究满足选择性、可靠性、快速性、灵敏性的风场保护对风电场以及电力系统的稳定运行等方面具有重要意义。

目前风电场汇集系统采用传统继电保护，利用单端信息量进行故障判别。在汇集母线上配置差动电流保护，在汇集馈线上配置两段式电流保护和零序过电流保护。然而由于风力发电机装设电力电子器件并采用复杂的控制策略，导致其故障特性与传统同步发电机明显不同，同时风电场特殊的拓扑结构也为继电保护正确动作带来了挑战。随着风电入网比例不断增加，风电场汇集系统传统保护装置出现拒动与误动的问题日益凸显，因此针对风电场研究适应性更好的汇集系统保护新原理具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于站域保护原理的风电场汇集系统继电保护方法，具有可靠性高、灵敏性高的优点，适用于各种类型不同容量大小的风力发电场站。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于站域保护原理的风电场汇集系统继电保护方法，包括：

在各汇集馈线出口处、接地变侧和主变低压侧分别安装相同的继电保护装置，每套继电保护装置遵循IEC61850规约进行通信，将其内部电子式互感器量测得到的电气量信息发送至站控层决策中心；

由站控层决策中心根据各电气量信息之间的大小关系来确定故障类型，再根据故障类型启用相应的站域保护机制。

所述由站控层决策中心根据各电气量信息之间的大小关系来确定故障类型包括：

当第k汇集馈线出口处的电子式互感器测量的零序电流等于接地变侧的电子式互感器测量到的汇集母线的零序电流则表示第k汇集馈线发生单相故障：

当第k汇集馈线出口处的电子式互感器测量的电流与主变低压侧的电子式互感器测量到的电流满足下式，则第k汇集馈线发生相间故障：

其中，K_ad为调节系数；

当接地变侧的电子式互感器测量到的汇集母线的零序电流与各个汇集馈线出口处的电子式互感器测量的零序电流以及主变低压侧的电子式互感器测量到的零序电流之差均大于设定的整定值I_set1，则表示汇集母线发生单相接地故障：

其中，p＝1,2,3时，表示相应汇集馈线出口处的电子式互感器测量的零序电流；p＝4，表示主变低压侧的电子式互感器测量到的零序电流

所述据故障类型启用相应的站域保护机制包括：

若汇集馈线发生单相故障或者相间故障，则控制相应断路器跳闸；

若汇集母线发生单相接地故障，则延时或者在当前时刻控制断路器跳闸时间。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，充分考虑到了风机复杂的故障特性和风电场特殊的拓扑结构，通过利用电子式互感器采集到的多端信息量进行故障判别，构造的站域保护新原理具有较好的选择性与速动性，适用于各种类型不同容量大小的风力发电场站。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的风电场汇集系统站域保护接线示意图；

图2为本发明实施例提供的汇集母线单相故障保护动作逻辑与汇集线路单相故障保护动作逻辑图；

图3为本发明实施例提供的站域保护流程图；

图4为本发明实施例提供的仿真模型系统示意图；

图5为本发明实施例提供的汇集母线单相接地故障仿真结果图；

图6为本发明实施例提供的汇集馈线相间故障仿真结果图；

图7为本发明实施例提供的汇集馈线单间故障仿真结果图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供一种基于站域保护原理的风电场汇集系统继电保护方法，首先，采用如图1所示的方式在各汇集馈线出口处、接地变侧和主变低压侧分别安装相同的继电保护装置，每套继电保护装置遵循IEC61850规约进行通信，将其内部电子式互感器量测得到的电气量信息发送至站控层决策中心；然后，由站控层决策中心根据各电气量信息之间的大小关系来确定故障类型，再根据故障类型启用相应的站域保护机制。

图1中，第一汇集馈线、第二汇集馈线、第三汇集馈线出口处继电保护装置内的电子式互感器分别为TA1、TA2、TA3；主变低压侧继电保护装置内的电子式互感器为TA4；接地变侧继电保护装置内的电子式互感器为TA5。

本发明实施例中，根据各电气量信息之间的大小关系来确定故障类型具体如下：

1)当第k汇集馈线出口处的电子式互感器测量的零序电流等于接地变侧的电子式互感器测量到的汇集母线的零序电流则表示第k汇集馈线发生单相故障：

示例性的，当第一汇集馈线发生单相故障时，

2)当汇集线路发生相间故障时，因为系统侧容量远大于风机侧容量，对于非故障线路来说，系统侧故障分量电流远大于各汇集线路出口处故障分量电流，即不成立。当汇集线路发生相间故障时，故障线路出口处的故障分量电流由非故障线路和系统侧共同提供，此时，如果第k汇集馈线出口处的电子式互感器测量的电流与主变低压侧的电子式互感器测量到的电流满足下式，则第k汇集馈线发生相间故障：

其中，K_ad为调节系数。

3)当汇集母线发生单相接地故障时，由于主变以及箱变的连接方式，零序电流仅流经母线以及接地变。此时电流互感器TA1，TA2，TA3，TA4处的零序电流仅为不平衡电流，只有电流互感器TA5处有明显的零序电流，即接地变零序电流明显大于三条汇集线路出口处以及主变低压侧的零序电流。这一故障特征也表明接地变支路的零序电流有一定的数值，即系统肯定发生了接地故障，且接地故障一定位于电流互感器TA1，TA2，TA3，TA4，TA5所围成的区域。当接地变侧的电子式互感器测量到的汇集母线的零序电流与各个汇集馈线出口处的电子式互感器测量的零序电流以及主变低压侧的电子式互感器测量到的零序电流之差均大于设定的整定值I_set1：

其中，p＝1,2,3时，表示相应汇集馈线出口处的电子式互感器测量的零序电流；p＝4，表示主变低压侧的电子式互感器测量到的零序电流。

此时，说明接地变零序电流同时明显大于三条汇集线路出口处以及主变低压侧的零序电流，即汇集母线发生单相接地故障：汇集母线单相故障保护动作逻辑如图2(a)所示，图中“&”代表逻辑“与”。

另一方面，当汇集线路发生单相接地故障时，其故障特征与汇集母线单相故障时的故障特征类似，只是故障点由母线转移到某一条汇集馈线上，零序电流回路由母线-接地变转换为故障汇集馈线-接地变。当第一汇集馈线发生单相故障时，电流互感器TA5处的零序电流大于TA2，TA3，TA4处的零序电流，也就是说，此时的保护判据仍可以沿用判据只有故障线路其判据结果为“0”，而非故障线路其判据结果均为“1”。当所有判据结果均为“1”时，即为汇集母线单相故障，此种情况已分析过。由此，汇集线路单相故障保护动作逻辑如图2(b)所示，图中“≥1”代表逻辑“或”。

综合上述站域保护新判据，通过实现各保护判据时间上的相互配合与故障判别顺序的协调，构建一种新的风电场汇集系统站域保护。

其保护范围为风电场35kV汇集线路以及汇集母线，其综合利用母线所连线路的电流以及母线电压来保护汇集母线以及汇集线路的所有类型故障，并承担部分箱变的后备保护功能。站域保护流程如图3所示，首先根据测量到的电气量信息确定故障类型，进而进行故障定位，再根据故障类型采用启用相应的站域保护机制，例如若汇集馈线发生单相故障或者相间故障，则控制相应断路器跳闸；若汇集母线发生单相接地故障，则延时或者在当前时刻控制断路器跳闸时间。本发明实施例中，对于汇集母线和汇集馈线的不同类型故障分别采用不同的判据识别故障位置；对于汇集母线单相接地故障与汇集馈线单相接地故障均采用上述实施例所描述的方案进行识别，而箱变故障也可以通过汇集馈线相间故障新判据来定位故障箱变所在汇集线路；而汇集母线相间故障可以采用常规的母差保护判据来识别，并采用常规的电流主保护及其整定值来定位相间故障所在汇集线路。

下面给出本发明在电力系统实时仿真器(RTDS)上的闭环试验结果，如图4所示。

风力发电机：额定容量SGW为1.5MW，定子额定电压0.69kV，定转子绕组匝数比为2.6377，定子电阻和漏感分别为0.00806pu和0.168pu，转子电阻和漏感为0.006pu和0.152pu，励磁电感为3.48pu。

箱变：额定容量ST1N为1.6MVA，额定电压为35000±2×2.5％/690V，连接组号为D/yn11，一次侧额定电流为26.39A，二次侧额定电流为1338.8A，短路阻抗UT1k％为6.5，负载损耗为1610W，空载损耗为13156W，空载电流为2.95A。

汇集线路：电压等级35kV，为架空线，型号LGJ-150，长度均为10km，单位长度电阻和电抗分别为r1＝0.21Ω/km，x1＝0.379Ω/km，x0＝1.33Ω/km。

主变：额定容量ST2N为100MVA，额定电压为230±8×1.25％/35kV，连接组号为YN/d11，高压侧额定电流为251A，低压侧额定电流为1649.6A，短路阻抗UT2k％为14.22，负载损耗为285kW，空载损耗为63.4kW，空载电流为0.2％。

接地变压器：额定容量1220kVA，额定电压35/10.5kV，连接组号为Znyn11，一次侧中性点经261Ω接地电阻rg接地，二次侧空载，零序阻抗ZT0为133Ω。

接地变压器零序阻抗一般很小，只有10欧姆左右。

传输线：电压等级220kV，长度50km，单位长度参数r’1＝0.076Ω/km，x’1＝0.338Ω/km，r’0＝0.284Ω/km，x’0＝0.824Ω/km。

系统：采用External Grid模拟系统侧，额定电压为220kV，其最大短路容量为3052MVA，最小短路容量为1581MVA。

示例1：汇集母线发生A相接地故障

由图5可见，主变低压侧以及所有汇集馈线的零序电流大小几乎相等(图5中曲线基本重合)，均满足即判断母线发生单相故障。而后即可根据实际情况，延时或者即立切除故障。

示例2：第一汇集馈线#末端发生AB两相接地故障汇集线路1#末端发生A相接地故障。

图6a中，两条基本重合的曲线为第二汇集馈线与第三汇集馈线的A相电流曲线，起伏较大的曲线为第一汇集馈线的A相电流曲线；图6b中，两条基本重合的曲线为第二汇集馈线与第三汇集馈线的B电流曲线，起伏较大的曲线为第一汇集馈线的B相电流曲线。

由图6可知，第一汇集馈线的A相、B相短路电流均大于整定值，即，第一汇集馈线发生两相或两相接地故障，立即跳开相应断路器。

示例3：第一汇集馈线#末端发生A相接地故障

图7中，两条基本重合的曲线为第二汇集馈线与第三汇集馈线的A相电流曲线，最下下方的点状曲线为第一汇集馈线的A相电流曲线。

由图7可知，仅第一汇集馈线的零序电流不满足即可得出第一汇集馈线发生单相故障，立即跳开相应断路器。

本发明实施例的上述方案，通过间隔层的电子式互感器采集汇集系统的电气量信息，并通过合并单元上传至站控层决策中心，根据新的站域保护判据来进行故障定位。该方法充分考虑到了风机复杂的故障特性和风电场特殊的拓扑结构，通过利用电子式互感器采集到的多端信息量进行故障判别，构造的站域保护新原理具有较好的选择性与速动性，适用于各种类型不同容量大小的风力发电场站。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。