[发明专利]基于故障模型判别的风电系统时域全量纵联保护方法

摘要

本发明公开了基于故障模型判别的风电系统时域全量纵联保护方法，包括：通过对集群风电送出线区内外不同时域全量故障模型特征分析，获得差动电压、电流时域全量信息区内故障时呈现阻感特征，区外呈现电容特征，由此提出基于阻感/电容模型相关性判别的两套保护原理，进而构建了两种保护原理的相关性判别式和保护判据。仿真结果表明，基于阻感/电容模型识别方法的两种时域全量故障模型相关性判别纵联保护均能适用于集群风电送出线。本发明的优点是：不受风电系统背侧阻抗变化、弱馈性、频率偏移、高谐波的影响，在长距离送出线发生故障时，保护动作仍能可靠性高，并且具有较强的抗过渡电阻性能。

主权项

1.基于故障模型判别的风电系统时域全量纵联保护方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，针对集群风电送出线区内外发生故障时，对差动电压、电流对应的模型进行等效，构成阻感/电容等效模型；步骤二，以集群风电送出线发生区内外故障时对应的阻感/电容等效模型，提出集群风电送出线区内外故障模型特征识别方法；步骤三，以集群风电送出线区内外故障模型特征识别方法为基础，引入相关性判别的数学表达式；步骤四，结合步骤三中相关性判别数学表达式，分别以集群风电送出线区内外故障模型特征及其识别方法为基础，构造集群风电送出线阻感/电容模型相关性判别纵联保护原理；步骤一中，针对集群风电送出线区内外发生故障时，差动电压、电流对应的模型进行等效，构成分别对应区内/区外故障时的阻感/电容等效故障模型；(1)针对集群风电送出线区内故障：送出线两端保护安装处测量电压如式(1)、式(2)所示；忽略流过送出线容抗电流，则保护安装处的电流iF(t)、iS(t)即流过送出线阻感参数的电流；定义差动电流icd(t)和差动电压ucd(t)如式(3)所示；i_cd(t)＝i_F(t)+i_S(t)u_cd(t)＝u_F(t)+u_S(t)    (3)区内故障时，设定电流分配系数K_S和K_F，其中：K_F＝Z_S/(Z_F+Z_S)，K_S＝Z_F/(Z_F+Z_S)；由式(1)～式(3)可得：由式(1)～式(4)得到区内故障时的送出线两端差动电压、电流满足:式中，R＝K_SR_S+K_FR_F；L＝K_SL_S+K_FL_F；令：R'＝R+2R_f    (6)得到：当送出线发生区内故障时，差动电压、电流符合阻感模型特征；发生区外故障时，送出线两端流过阻感参数的电流i_F1(t)和i_S1(t)大小相等、方向相反，即差动电流i_cd(t)＝0，则式(7)等式不成立，故不符合阻感模型特征；将基于时域全量的集群风电送出线内部故障模型等效为阻感模型；u_F(t)、u_S(t)、i_F(t)、i_S(t)分别为两端保护安装处的测量电压、电流；i_F1(t)、i_S1(t)分别为流过送出线两端阻感参数的电流，以上电压、电流全部为时域全量信息；R_FL_F、R_SL_S、C_F、C_S分别为送出线两端电阻、电感及对地电容值；R_f故障点过渡电阻；i_f(t)为流过过渡电阻的两端电流之和，i_f(t)＝i_F1(t)+i_S1(t)；(2)针对集群风电送出线区外故障：当发生区外故障时，则有式(8)、式(9)成立：式(8)、(9)中，i_F1(t)和i_S1(t)大小相等，方向相反，即i_F1(t)+i_S1(t)＝0    (10)定义区外故障时的差动电流i_cd(t)、电压u_cd(t)如式(11)所示；i_cd(t)＝i_F(t)+i_S(t)u_cd(t)＝u_F(t)+u_S(t)    (11)由式(8)～式(11)可得，发生区外故障时的送出线两端差动电压电流满足式(12)；当送出线发生区外故障时，差动电压、电流符合电容模型特征；发生区内故障时，由于线路两端阻感参数不等，流过阻感参数的电流不满足等大反向的特点，即i_F1(t)+i_S1(t)≠0，则式(12)等式不成立，故不符合电容模型特征；将基于时域全量的集群风电送出线外部故障模型等效为电容模型；u_F(t)、u_S(t)、i_F(t)、i_S(t)分别为两侧保护安装处的测量电压和电流值；i_F1(t)和i_S1(t)分别为送出线两端流过阻感参数的电流值，以上电压、电流全部为时域全量信息；R、L、C分别为送出线的电阻、电感值及对地电容；R_f故障点过渡电阻；步骤二中，针对阻感模型，当发生不对称接地短路故障时，对式(7)中各相差动电流进行零序补偿；补偿后的差动电流如式(13)、式(14)所示；i_cd'(t)＝i_cd(t)+K_z×i₀(t)    (13)式中，i'_cd(t)为补偿后每相对应的差动电流；i₀(t)为两侧保护安装处的零序电流；K_z为零序补偿系数，其中K_z＝z₀/z₁‑1，z₀、z₁分别为线路单位长度的零序、正序阻抗参数；针对电容模型，当发生不对称接地短路故障时，对式(12)中，各相的差动电压进行零序补偿，补偿后的差动电压如式(15)所示；式中，u'_cd(t)为补偿后的每相对应的差动电压；u₀(t)为两侧保护安装处的零序电压；K_c为零序补偿系数，其中K_c＝c₀/c₁‑1，c₀、c₁分别为线路单位长度的零序、正序电容参数；将式(14)、式(15)中补偿后的差动电流、电压带入阻感、电容模型中，构成区内外故障模型；当集群风电送出线发生区内故障时，等效为阻感模型而区外故障不符合阻感模型特征；当发生区外故障时，等效为电容模型而区内故障不符合电容模型特征；利用上述特征对集群风电送出线故障区域进行判别；步骤三中，基于时域全量相关性判别式按积差方法计算，以时域全量w(t)、x(t)与各自平均值的离差为基础，通过两个变量之间离差相乘的形式反映变量间的相关程度；r(w(t),x(t))为相关性系数，取值范围为[‑1,+1]；当r<0时，表示负相关；当r＝0时，所判别的两组变量不具有相关性；当r>0，满足正相关性，其含义为表达为一个变量的增加可能引起另一个变量的增加；其中0<r<0.5时，满足弱正相关性；当0.5≤r<1时，满足强正相关性；当r＝1时，为完全正相关；式中，M为数据窗长度，分别为x(t)、w(t)的平均值，式中变量全部为时域全量信息；将式(16)进行离散化处理可得：式中，i为第i个采样点；设定采样间隔T_s；M为数据窗长度；N为总采样点数，即N＝M/T_S；步骤四中，结合步骤三中相关性判别数学表达式，分别以集群风电送出线区内外故障模型特征及其识别方法为基础，构造集群风电送出线阻感/电容模型相关性判别纵联保护原理；(1)阻感故障模型相关性判别的纵联保护原理：根据送出线发生区内故障时，差动电压随着差动电流及其导数值的增加而增加，具有正相关性；而区外故障不符合阻感模型特征，不具有正相关性的特点；可对式(7)进行变形：式(18)中，R'＝R+2R_f，这里可令K＝(R+2R_f)/L，如式(19)所示：式中，L为线路电感值，恒为正数；K值中R_f为变量，故K值应满足K≥R/L，且恒为正数；发生区内故障时，差动电压u_cd(t)随着Ki_cd(t)与di_cd(t)/dt之和的增加而增加，符合正相关性特点；考虑到K值只要大于或等于R/L时，就符合正相关性特点，为简化运算，这里取K＝R/L，K可以通过线路单位长度参数r₁，l₁求得；则w(i)、x(i)可用式(20)表示；式中，利用差分形式代替微分形式，T_s采样间隔；w(i)和x(i)分别表示第i个采样点对应的差动电压及差动电流与差动电流导数的瞬时值之和；为书写方便，将式(20)中x(i)右侧用i_cd(i)'代替；将式(20)、式(21)带入式(17)中，构建时域全量阻感模型相关性判别式r₁，如式(22)所示；式(22)中，由于在离散化过程中，涉及差分代替微分形式，为满足数据提取要求，i应该从i＝2开始运算；利用时域全量相关性判别式(式(22))，对送出线故障区域进行判别；通过对时域全量阻感模型相关性判别式的求解，得到相关性系数，通过与设定的正相关性系数门槛值进行比较，可判别正相关度，进一步确定送出线故障区域；则基于时域全量阻感模型相关性判别的集群风电送出线纵差保护动作判据为：r₁(w(i),x(i))＞r_set    (23)式中，r_set为正相关性系数门槛值；当r₁(w(i),x(i))>r_set时，符合正相关性，判定为区内故障，反之判定为区外故障；将门槛值设定为0.5；故障判别过程如下：通过分别求解系统两侧保护安装处三相对应的三个相关性系数，若三个相关性系数全部小于0.5，判定为区外故障；若三个相关性系数中至少有一个大于0.5，判定为区内故障，并且大于0.5的相关性系数对应的相别为故障相相关性系数；(2)电容故障模型相关性判别的纵联保护原理：根据送出线发生区外故障时，差动电流随着差动电压导数值的增加而增加，具有正相关性；而区内故障不符合电容模型特征，不具有正相关性的特点，则w(i)、x(i)可用式(24)表示；式(24)中，利用差分形式代替微分形式，T_s为采样间隔；w(i)和x(i)分别表示第i个采样点对应的差动电流和差动电压导数的瞬时值；为书写方便，将式(24)中x(i)右侧用u_cd(i)'代替；将式(24)、式(25)带入相关性判别式(式(17))，构建电容模型相关性判别式r₂，如式(26)所示；根据时域全量相关性判别式，式(26)，对送出线故障区域进行判别；通过对时域全量电容模型相关性判别式的求解，得到相关性系数，通过与设定的正相关性系数门槛值进行比较，可进行相关度的判别，进一步确定送出线故障区域；则基于时域全量电容模型相关性判别的集群风电送出线纵差保护动作判据为：r₂(w(i),x(i))＜r_set    (27)式中，r_set为正相关性系数门槛值；当r₂(w(i),x(i))<r_set时，符合正相关性，判定为区外故障，反之判定为区内故障；将门槛值亦设定为0.5；故障判别过程如下：通过分别求解系统两侧保护安装处三相对应的三个相关性系数，若三个相关性系数全部大于0.5，判定为区外故障；若三个相关性系数中至少有一个小于0.5，判定为区内故障，并且小于0.5的相关性系数对应的相别为故障相相关性系数。