一種適用于風(fēng)電系統(tǒng)的時域模型識別縱聯(lián)保護方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及新能源并網(wǎng)繼電保護領(lǐng)域，特別涉及一種適用于風(fēng)電系統(tǒng)的時域模型 識別縱聯(lián)保護方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著能源危機和環(huán)境污染問題的日益嚴重，開發(fā)利用綠色能源越來越受到重視， 大規(guī)模開發(fā)以風(fēng)能、太陽能為代表的各類可再生能源，已經(jīng)成為人類社會實現(xiàn)長期可持續(xù) 發(fā)展的必然選擇。但隨著大容量隨機波動的新能源電源并網(wǎng)，必將會對電力系統(tǒng)產(chǎn)生較大 影響，同時給系統(tǒng)的運行帶來一列技術(shù)問題。
[0003] 目前國內(nèi)外都缺乏大規(guī)模隨機能源接入輸配電網(wǎng)的運行經(jīng)驗，即使對小規(guī)模的風(fēng) 電、光伏接入配電網(wǎng)的相關(guān)研究也并不充分，對含新能源發(fā)電的電力系統(tǒng)繼電保護的研究 也鮮有報道。因此研究新能源接入輸配網(wǎng)后對電網(wǎng)繼電保護的影響，提出適用于新能源電 力系統(tǒng)的繼電保護原理與保護配置方案，對電網(wǎng)的安全可靠運行具有重要意義。
[0004] 新能源電源追求能量獲取的最大化，采用最大功率跟蹤技術(shù)，這注定了其產(chǎn)生電 能的波動性。新能源電源多采用電力電子變流技術(shù)將電能饋入電網(wǎng)，注定了其調(diào)節(jié)速動快、 不能提供大的短路電流。即新能源電源在正常運行時具有波動性，故障時提供短路電流能 力有限并受控，這些異于傳統(tǒng)電源的特點，使得傳統(tǒng)的繼電保護對新能源電力系統(tǒng)的適應(yīng) 性存在問題，有必要研究適用的保護新原理等關(guān)鍵技術(shù)。
[0005] 風(fēng)電系統(tǒng)弱饋、高諧波、頻率偏移、系統(tǒng)阻抗不穩(wěn)定等故障特征造成了傳統(tǒng)繼電保 護的不適應(yīng)，導(dǎo)致風(fēng)電系統(tǒng)有別于常規(guī)系統(tǒng)的故障特征對繼電保護的要求，此外，區(qū)內(nèi)外故 障時的模型與傳統(tǒng)繼電保護有差異，由此，需要一種能適用于風(fēng)電系統(tǒng)的縱聯(lián)保護方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種適用于風(fēng)電系統(tǒng)的時域模型識別縱聯(lián)保護方法，以解 決上述技術(shù)問題。
[0007] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種適用于風(fēng)電系統(tǒng)的時域模型 識別縱聯(lián)保護方法，其特征在于，包括以下步驟：采集保護安裝處的三相電壓和電流量并形 成差動電壓和差動電流，根據(jù)差動電流值判斷是否啟動時域模型識別縱聯(lián)保護，計算各相 差動電流和零序補償后的差動電壓一階導(dǎo)數(shù)的相關(guān)系數(shù)P，通過各相相關(guān)系數(shù)P的值與 設(shè)定閾值進行比較來判定區(qū)內(nèi)、外故障；若三相中任一相的相關(guān)系數(shù)P小于設(shè)定閾值，則 判為區(qū)內(nèi)故障，線路兩端縱聯(lián)保護動作，保護裝置可靠動作；否則判為區(qū)外故障，保護裝置 可靠不動作。
[0008] 所述的一種適用于風(fēng)電系統(tǒng)的時域模型識別縱聯(lián)保護方法，具體步驟如下：
[0009] (1)采集保護安裝處的三相電壓和電流量，進行A/D轉(zhuǎn)換，得到三相交流電壓和電 流的數(shù)字量，并向?qū)Χ藗鬏?，對端提取各相線路兩端電壓和電流數(shù)據(jù)并形成差動電壓和差 動電流；
[0010] (2)將差動電流值與整定值IsJi行比較，根據(jù)比較結(jié)果啟動時域模型識別縱聯(lián) 保護；
[0011] (3)對各相差動電壓進行零序補償并求一階導(dǎo)數(shù)；
[0012] (4)計算各相差動電流和零序補償后的差動電壓一階導(dǎo)數(shù)的相關(guān)系數(shù)P;
[0013] (5)將各相的所述相關(guān)系數(shù)P與設(shè)定閾值進行比較，若三相中任一相所述相關(guān)系 數(shù)P小于或等于設(shè)定閾值，則該相判為區(qū)內(nèi)故障，保護裝置可靠動作。
[0014] 所述的一種適用于風(fēng)電系統(tǒng)的時域模型識別縱聯(lián)保護方法，對端提取各相線路兩 端電壓電流數(shù)據(jù)并形成所述差動電壓電流的數(shù)據(jù)窗時間長為5~20ms。
[0015] 所述的一種適用于風(fēng)電系統(tǒng)的時域模型識別縱聯(lián)保護方法，提取線路兩端各相電 壓電流數(shù)據(jù)并形成差動電流和差動電壓的公式如下：
[0016]icd〇(k) =iGO (kTs)+iwo (kTs)；
[0017]ucd0 (k) =uGO (kTs) +uwo (kTs)；
[0018] 式中，(kTs)和iWl5 (kTs)分別為線路兩端各相電流采樣值，如(kTs)和uWl5 (kTs) 分別為線路兩端各相電壓采樣值；i。# (k)為線路兩端各相的差動電流，為線路兩端 各相的差動電壓，Φ=A，B，C表示各相名稱，k= 0, 1，. . .，Nw-1表示數(shù)據(jù)窗采樣點序號，Ts 表示采樣間隔。
[0019] 所述的一種適用于風(fēng)電系統(tǒng)的時域模型識別縱聯(lián)保護方法，對線路兩端各相差動 電壓進行零序補償并求一階導(dǎo)數(shù)的公式分別為：
[0020] ?,ΛΦ (k) =wL.^(k) +k0lu0(k);
[0021 ] / ift](々)=(Uk+1) + Uk-1))/ 27^ ;
[0022] 式中，u^(k)為線路兩端各相的差動電壓，kM= (：。/(：1-1，(：。和(：1為線路零序和正 序電容值，uQ(k) = (1^00+1^00+1^00)/3,1^(1^1^00 和ucdc(k)分別為線路兩端 A、B、C相的差動電壓，&Φ(1?)為線路兩端各相差動電壓的零序補償值；/剎(幻為線路兩 端各相差動電壓的零序補償值的一階導(dǎo)數(shù)，Φ=A，B，C表示各相名稱，k= 0, 1，...，Nw-1 表不數(shù)據(jù)窗米樣點序號，^表不米樣間隔。
[0023]所述的一種適用于風(fēng)電系統(tǒng)的時域模型識別縱聯(lián)保護方法，各相差動電流和零序 補償后的差動電壓一階導(dǎo)數(shù)的相關(guān)系數(shù)P的公式為：
[0025] 式中，Ρ(4φ，[?·^Φ/*Γ)表示各相差動電流和零序補償后的差動電壓一階導(dǎo)數(shù)的相 關(guān)系數(shù)，
U?(k)為線路兩端各相的差動電流，[^_/喇㈨為線路兩端各相差動電壓的零序補償值 的一階導(dǎo)數(shù)，元《(k>為線路兩端各相差動電壓的零序補償值，&為數(shù)據(jù)窗采樣起點，Nw為數(shù) 據(jù)窗采樣點數(shù)量，Ni+Nw-1為數(shù)據(jù)窗采樣終點。
[0026] 所述的一種適用于風(fēng)電系統(tǒng)的時域模型識別縱聯(lián)保護方法，所述設(shè)定閾值為0.8。
[0027] 所述的一種適用于風(fēng)電系統(tǒng)的時域模型識別縱聯(lián)保護方法，啟動時域模型識別縱 聯(lián)保護的條件為二相中任一相滿足：
[0028] Icd0> Iset；
[0029]
整定值，i_(k)為線路兩端各相的差動電流，Φ=A，B，C表示各相名稱。
[0030] 所述的一種適用于風(fēng)電系統(tǒng)的時域模型識別縱聯(lián)保護方法，所述IMt整定為 0. 1IN，所述IN為額定電流有效值。
[0031] 本發(fā)明根據(jù)線路兩端差動電壓電流在區(qū)內(nèi)故障時符合電容模型、區(qū)外故障時不符 合電容模型的特點，利用相關(guān)系數(shù)對電容模型進行描述，并給出了保護判據(jù)。與現(xiàn)有技術(shù)相 比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：由于保護判據(jù)在時域中實現(xiàn)，不受風(fēng)電系統(tǒng)弱饋、高諧波、頻率偏 移等特征的影響；采用故障全量，不受風(fēng)電系統(tǒng)阻抗不穩(wěn)定的影響；本發(fā)明基于模型識別 的保護原理能反映故障后網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的改變，不受電氣量波動的影響，具有高可靠性和 靈敏度，耐受過渡電阻能力強。因此，本發(fā)明可以實現(xiàn)簡單、可分相判別的功能，并且動作速 度快，不受線路分布電容電流和故障電阻的影響，可廣泛應(yīng)用于風(fēng)電系統(tǒng)中。
【附圖說明】
[0032] 圖1為區(qū)外故障電路圖；
[0033] 圖2為區(qū)內(nèi)故障電路圖；
[0034] 圖3為直驅(qū)風(fēng)電接入系統(tǒng)區(qū)內(nèi)外BC故障時三相差動電流和差動電壓導(dǎo)數(shù)關(guān)系示 意圖；其中圖3(a)為區(qū)外故障時的差動電流和差動電壓導(dǎo)數(shù)關(guān)系示意圖，圖3(b)為區(qū)內(nèi)故 障時的差動電流和差動電壓導(dǎo)數(shù)關(guān)系示意圖；
[0035] 圖4為直驅(qū)風(fēng)電接入系統(tǒng)區(qū)內(nèi)外BC故障時各相差動電流與電壓一階導(dǎo)數(shù)的相關(guān) 系數(shù)值；其中圖4(a)為區(qū)外故障時的各相差動電流與電壓一階導(dǎo)數(shù)的相關(guān)系數(shù)值，圖4(b) 為區(qū)內(nèi)故障時的差動電流和差動電壓一階導(dǎo)數(shù)相關(guān)系數(shù)值。
【具體實施方式】
[0036] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。
[0037] 本發(fā)明是一種適用于風(fēng)電系統(tǒng)的時域模型識別縱聯(lián)保護方法，其主要目的是針對 風(fēng)電系統(tǒng)弱饋、背側(cè)系統(tǒng)阻抗不穩(wěn)定、諧波含量高及頻率偏移等故障特征，基于模型識別保 護思想，利用時域波形相關(guān)性提出適用于風(fēng)電系統(tǒng)的縱聯(lián)保護方法。
[0038] 本發(fā)明的基本原理是：當(dāng)輸電線路發(fā)生區(qū)外故障時，各相兩端差動電壓、電流符合 電容模型，即差動電流和差動電壓一階導(dǎo)數(shù)的波形呈正相關(guān)特性；當(dāng)輸電線路發(fā)生區(qū)內(nèi)故 障時，健全相兩端差動電壓電流仍符合電容模型，而故障相差動電壓電流與電容模型相差 較大，即差動電流和差動電壓一階導(dǎo)數(shù)的波形無正相關(guān)特性。基于此故障特征差異，可以利 用三相差動電流和差動電壓一階導(dǎo)的波形關(guān)系判別區(qū)內(nèi)外故障。
[0039] 風(fēng)電系統(tǒng)因自身控制的非線性使其等效系統(tǒng)阻抗不穩(wěn)定，因此利用背側(cè)系統(tǒng)阻抗 特征，即采用故障分量的保護算法在原理上不適用于風(fēng)電系統(tǒng)，而應(yīng)采用面向被保護對象， 即基于全量的保護算法構(gòu)造判據(jù)。同時由于風(fēng)電系統(tǒng)提供的短路電流存在頻率偏移和諧波 含量高等特征，基于頻域的保護方法會因無法正確提取相量而不能很好地適應(yīng)風(fēng)電系統(tǒng)， 因此適用于風(fēng)電系統(tǒng)的保護方法最好能在時域中實現(xiàn)。根據(jù)上述分析，本發(fā)明采用全量電 壓電流，并基于模型識別保護思想，利用時域波形相關(guān)系數(shù)構(gòu)造適用于風(fēng)電系統(tǒng)的縱聯(lián)保 護方法。本發(fā)明一種適用于風(fēng)電系統(tǒng)的時域模型識別縱聯(lián)保護方法包含以下幾點內(nèi)容：
[0040] 一、區(qū)內(nèi)外故障模型
[0041] 以單相線路為例對區(qū)內(nèi)外故障模型進行說明。當(dāng)含風(fēng)電接入的雙端電源線路發(fā)生 區(qū)外故障時，由其故障電路圖（圖1)可知，兩端系統(tǒng)提供的短路電流滿足：
[0042]iw+iG=iwc+iGC ⑴
[0043] 式中，ijPi分別為風(fēng)電側(cè)和常規(guī)系統(tǒng)提供的短路電流，i?和i%分別為流入兩 端電容的電流。
[0044] 同時線路兩端電容電流滿足：
[0046] 式中，uw和u分別為風(fēng)電側(cè)和常規(guī)系統(tǒng)側(cè)電壓，C為線路對地電容。
[0047] 定義差動電流:^=iw+is，差動電壓&=uw+us，則由式（1)和式（2)可得：
[0049] 由式⑶可知，當(dāng)線路發(fā)生區(qū)外故障時，差動電壓電流符合電容模型。
[0050] 當(dāng)含風(fēng)電接入的雙端電源線路發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時，故障相的故障電路圖（圖2)可 知，兩端系統(tǒng)提供的短路電流滿足：
[0051] iw+iG=ip+iwc+icc(4)
[0052] 式中，故障點注入電流為iF，線路兩端電容電流滿足：
[0054] 式中，C，Q分別為故障點距風(fēng)電側(cè)和系統(tǒng)側(cè)的對地電容。
[0055] 由式（5)和式（4)可得線路兩端差動電壓電流滿足式（6):
[0057] 由式（6)可知，當(dāng)線路發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時，由于（Ce-Cw)dU(；/dUPiF的存在，差動電壓 電流不符合電容模型。上述推導(dǎo)分析均基于單相線路，當(dāng)該方法用于三相線路時，除區(qū)外故 障外，當(dāng)發(fā)生非本相故障時，該相差動電壓電流仍滿足電容模型。
[0058] 二、基于波形相關(guān)性的時域模型識別
[0059] 線路區(qū)內(nèi)外故障可以通過差動電壓電流是否符合電容模型來判別。只有當(dāng)發(fā)生區(qū) 外故障時，差動電壓電流符合電容模型