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CN116054104A - 一种基于阻抗特征的风电场送出线路纵联保护方法 - Google Patents

一种基于阻抗特征的风电场送出线路纵联保护方法 Download PDF

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CN116054104A
CN116054104A CN202310188532.1A CN202310188532A CN116054104A CN 116054104 A CN116054104 A CN 116054104A CN 202310188532 A CN202310188532 A CN 202310188532A CN 116054104 A CN116054104 A CN 116054104A
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CN
China
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fault
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sequence impedance
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樊艳芳
牛伟民
孙瑶
李�浩
马翼飞
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Xinjiang University
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Xinjiang University
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02HEMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
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    • H02H7/26Sectionalised protection of cable or line systems, e.g. for disconnecting a section on which a short-circuit, earth fault, or arc discharge has occured
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Abstract

本发明公开了一种基于阻抗特征的风电场送出线路纵联保护方法,属于风电场送出线路保护领域。首先,将风电场送出线路保护安装处提取到的正序电压及电流进行数据预处理,利用数据处理后的正序电压及电流计算正序阻抗。其次根据正序短路电流及正序阻抗计算结果判断是否满足故障启动条件,若满足则基于BIRCH聚类剔除正序阻抗幅值序列的异常采样数据,并计算无异常采样数据的正序阻抗幅值序列的聚类特征。然后依据风电场送出线路区内、区外故障下双端正序阻抗幅值差异,构建线路纵联保护判据。最后考虑数据测量误差及数据延时传输影响,对纵联保护启动判据及保护判据整定,依据保护判据计算值与整定值相比较,判断区内、区外故障。本发明的优点是:可解决频偏特性、数据延时传输以及异常采样数据引起的传统纵联保护方法不可靠问题,不受风电场运行工况、过渡电阻影响,抗数据延时传输及异常数据能力较强,保护方法简单易行,可靠性较好,对线路采样装置要求较低,适用于风电接入系统。

Description

一种基于阻抗特征的风电场送出线路纵联保护方法
本发明属于风电场送出线路保护领域,特别涉及一种用于风电场送出线纵联保护方法。
背景技术
在能源转型和电力电子技术日趋成熟推动下,大规模风电接入电力系统大势所趋,其故障特征与常规电网不同,使工频量保护存在适应问题。传统纵联保护因其诸多优点作为风电场送出线路的主保护,受大规模风电接入影响,传统纵联保护在原理上存在拒动、误动风险。
发明内容
本发明要解决是针对频偏特性、数据延时传输以及异常采样数据引起的风电场送出线路传统纵联保护方法不可靠问题,能有效地区分风电场送出线路区内、区外故障,应用BIRCH聚类方法剔除异常采样数据,结合双端正序阻抗幅值特征差异,形成线路纵联保护判据。一种基于阻抗特征的风电场送出线路纵联保护方法能够可靠区分区内、区外故障,不受风电场运行工况、过渡电阻影响,抗数据延时传输及异常数据能力较强,适用于风电接入系统,具有应用前景。
本发明的技术方案是:提供一种基于阻抗特征的风电场送出线路纵联保护方法,当风电场送出线路发生故障时,首先对风电场送出线路双端正序电压、电流进行采样,其次对采样数据进行数据预处理后利用正序短路电流并计算正序阻抗幅值,判断是否满足故障启动条件,然后利用BIRCH聚类剔除双端正序阻抗幅值序列异常数据并计算其聚类特征,计算双端正序阻抗幅值差异比因子δp。最后制定考虑测量误差及数据延时传输影响的整定值δpset,利用δp与整定值δpset相比较来判断区内、区外故障。
一种基于阻抗特征的风电场送出线路纵联保护方法,其特征在于,具体步骤为:
步骤1.提取风电场送出线路保护安装处的正序电压、电流信号,对提取到的正序电压、电流信号数据预处理,利用数据预处理后的正序电压、电流计算正序阻抗幅值;
步骤2.根据正序短路电流及正序阻抗幅值判别是否满足故障启动条件;
步骤3.利用BIRCH聚类剔除双端正序阻抗幅值序列异常采样数据,计算剔除异常采样数据以后的双端正序阻抗幅值序列聚类特征;
步骤4.计算双端正序阻抗幅值差异比因子δp,制定考虑测量误差及数据延时传输影响的整定值;
步骤5.将双端正序阻抗幅值差异比因子δp与整定值δpset相比较,判断区内、区外故障。
进一步地,步骤1中,当风电场送出线路发生故障时,采集风电场送出线路保护安装处的正序电压、电流信号,数据窗为10ms。利用带通滤波器将所提取信号中的35Hz~65Hz以外数据滤除,以Prony算法提取滤波数据中的工频信号。通过电压故障分量与电流故障分量之比计算正序阻抗,正序阻抗幅值计算方式为:
Figure BDA0004104664300000021
式中:UM1、IM1分别为风电侧送出线路故障暂态期间所采集到的正序电压、电流信号,UM1|0|、IM1|0|分别为风电侧送出线路故障前所采集到的正序电压、电流信号,系统侧背侧阻抗幅值|ZN1|计算方式同|ZM1|。
进一步地,步骤2中,根据正序短路电流及正序阻抗幅值判别是否满足故障启动条件,具体为:
利用风电侧送出线路发生正、反方向故障下正序阻抗幅值差异,将风电侧故障启动条件设置为正序阻抗幅值|ZM1|大于等于1.24倍的风电场送出线路正序阻抗幅值|ZL1|与电网最小运行方式正序阻抗幅值|ZS1|;系统侧选取正序突变量电流起动元件,当ΔIN1≥0.2IN1,若满足则进行后续步骤,不满足则继续检测。
进一步地,步骤3中,BIRCH聚类是一个综合的层次聚类算法,具有占用内存少、聚类速度快、可伸缩性强等特点,具有检测异常数据功能。利用BIRCH聚类,剔除双端正序阻抗幅值序列的异常采样数据并计算聚类特征,具体为:
根据聚类特征可建立聚类特征树(CF Tree),CF Tree中非叶子节点最大离散点数为B,空间阈值为T,通常为半径r。
通过对故障时间序列的全局分析并结合聚类特征可推导出的故障时间序列的形心x0、半径r分别为:
Figure BDA0004104664300000031
Figure BDA0004104664300000032
基于BIRCH算法的故障时间序列聚类步骤:
(1)扫描故障时间序列全部数据,计算故障时间序列的半径r,建立CF Tree;
(2)以输入的第一个离散数据作为该叶子结点的根结点,后续故障时间序列数据输入后判定其与根结点距离是否小于T,若小于且该叶子结点总离散点数不超过B,则汇入该叶子结点,否则作为新的叶子结点的根节点进行聚类;
(3)扫描聚类完成后的CF Tree,将其中仅含有少量离散点数的异常叶子结点删除,完成故障时间序列的聚类。
对剔除异常采样数据后的|ZM1|及|ZN1|计算聚类特征SS,公式如下:
Figure BDA0004104664300000033
进一步地,步骤4中,计算δp,考虑测量误差及数据延时传输影响的整定值制定,具体为:
当风电场送出线路发生区内故障时,|ZM1|远大于|ZN1|;当风电场送出线路发生区外故障时,|ZM1|与|ZN1|大致相等,利用该特性,结合去除剔除异常采样数据后的|ZM1|及|ZN1|计算聚类特征SS,可得双端正序阻抗幅值差异比因子公式为:
Figure BDA0004104664300000034
当风电场送出线路发生区内故障时,双端正序阻抗幅值差异比因子δp趋近于1,当风电场送出线路发生区外故障时,双端正序阻抗幅值差异比因子δp趋近于0。
风电场送出线路区内故障理想状态下满足δp=1,考虑到CT、PT测量误差及数据延时传输等因素影响,引入可靠系数规避上述因素影响。整定值制定如下:
δpset=K1K2δpb             (6)
式中:K1为计及CT、PT测量误差因素的可靠系数,通常取0.85。K2为计及异常数据因素的可靠系数,通常取0.95。考虑风电场送出线路区内、区外故障下δp特征差异,选取δpb=1。计算可得整定值δpset=0.8。
进一步地,步骤5中,当双端正序阻抗幅值差异比因子δp大于整定值δpset时,则风电场送出线路发生区内故障,反之风电场送出线路发生区外故障。
附图说明
图1为本发明流程图
图2为本发明实施例中大规模风机接入电力系统结构拓扑
图3为本发明在风电场送出线路发生区内f1、区外系统侧f2及区外主变侧f3处故障的双端正序阻抗幅值差异比特征
图4为本发明在风电场送出线路发生AG故障时,数据延时传输对基于阻抗特征的风电场送出线路纵联保护性能影响
图5为本发明在风电场送出线路发生AG故障时,异常采样数据对基于阻抗特征的风电场送出线路纵联保护性能影响
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式,对本发明进一步说明。
实例1:建立如附图2所示的大规模风机接入电力系统作为仿真模型。风电场由33台1.5MW双馈风机组成。主变T1等值正序阻抗为ZT1=j0.12;风电场送出线路等值正序阻抗为ZL1=0.164+j0.479;电网系统等值正序阻抗为ZS1=j0.065。系统基准电压220kV,基准容量为1000MWA。设置风电场送出线路区内f1处、区外系统侧f2处及区外主变侧f3处发生AG故障。
当f1处发生AG故障时,对采集到的风电场送出线路正序电压、电流信号数据预处理,计算正序阻抗幅值后可得|ZM1|大于等于1.24倍的风电场送出线路正序阻抗幅值|ZL1|与电网最小运行方式正序阻抗幅值|ZS1|,利用BIRCH聚类剔除异常采样数据后,计算双端正序阻抗幅值差异比因子δp,可得δp趋近于1;当f2处发生AG故障时,计算正序阻抗幅值后可得|ZM1|大于等于1.24倍的风电场送出线路正序阻抗幅值|ZL1|与电网最小运行方式正序阻抗幅值|ZS1|,计算双端正序阻抗幅值差异比因子δp,可得δp趋近于0;当f3处发生AG故障时,计算正序阻抗幅值后可得|ZM1|小于1.24倍的风电场送出线路正序阻抗幅值|ZL1|与电网最小运行方式正序阻抗幅值|ZS1|,不满足故障启动条件,以上计算结果如附图3。
实例2:建立如附图2所示的大规模风机接入电力系统作为仿真模型。风电场由33台1.5MW双馈风机组成。主变T1等值正序阻抗为ZT1=j0.12;风电场送出线路等值正序阻抗为ZL1=0.164+j0.479;电网系统等值正序阻抗为ZS1=j0.065。系统基准电压220kV,基准容量为1000MWA。设置风电场送出线路区内f1、区外f2及f3处发生A相接地故障。计及220kV送出线路最大过渡电阻为100Ω,设置过渡电阻为75Ω和150Ω。
通过图1流程可得过渡电阻对基于阻抗特征的风电场送出线路纵联保护影响如表1。
表1过渡电阻对基于阻抗特征的风电场送出线路纵联保护性能验证
Figure BDA0004104664300000051
由表1可得,在风电场送出线路设置不同故障位置及过渡电阻,所提线路纵联保护方法可正确判别区内、区外故障,抗过渡电阻性能良好。
实例3:建立如附图2所示的大规模风机接入电力系统作为仿真模型。风电场由33台1.5MW双馈风机组成。主变T1等值正序阻抗为ZT1=j0.12;风电场送出线路等值正序阻抗为ZL1=0.164+j0.479;电网系统等值正序阻抗为ZS1=j0.065。系统基准电压220kV,基准容量为1000MWA。设置风电场送出线路区内f1处发生A相接地故障为例,探讨数据延时传输对保护性能的影响。设置|ZM1|故障时间序列延时5ms、10ms,|ZN1|故障时间序列正常传输。
(1)当|ZM1|故障时间序列延时5ms传输时,对采集到的送出线路正序电压、电流信号数据预处理,计算正序阻抗幅值|ZM1|。可得5ms后|ZM1|大于等于1.24倍的风电场送出线路正序阻抗幅值|ZL1|与电网最小运行方式正序阻抗幅值|ZS1|,双端正序阻抗幅值差异比因子δp大于0.8,保护相比正常数据传输时延时5ms后正确判别故障。
(2)当|ZM1|故障时间序列延时10ms传输时,对采集到的送出线路正序电压、电流信号数据预处理,计算正序阻抗幅值|ZM1|。可得5ms后|ZM1|大于等于1.24倍的风电场送出线路正序阻抗幅值|ZL1|与电网最小运行方式正序阻抗幅值|ZS1|,双端正序阻抗幅值差异比因子δp大于0.8,保护相比正常数据传输时延时10ms后正确判别故障。
以上计算结果如附图4。
实例4:建立如附图2所示的大规模风机接入电力系统作为仿真模型。风电场由33台1.5MW双馈风机组成。主变T1等值正序阻抗为ZT1=j0.12;风电场送出线路等值正序阻抗为ZL1=0.164+j0.479;电网系统等值正序阻抗为ZS1=j0.065。系统基准电压220kV,基准容量为1000MWA。设置故障类型设置为AG故障,故障点设置在风电场送出线路f1处,设置风电侧送出线路电压、电流信号每5ms出现一次数据缺失或虚假脉冲。
(1)当风电侧送出线路电压、电流信号每5ms出现一次数据缺失时,对采集到的送出线路正序电压、电流信号数据预处理,计算正序阻抗幅值|ZM1|。可得|ZM1|大于等于1.24倍的风电场送出线路正序阻抗幅值|ZL1|与电网最小运行方式正序阻抗幅值|ZS1|,双端正序阻抗幅值差异比因子δp大于0.8,保护不受数据缺失影响。
(2)当风电侧送出线路电压、电流信号每5ms出现一次虚拟脉冲时,对采集到的送出线路正序电压、电流信号数据预处理,计算正序阻抗幅值|ZM1|。可得|ZM1|大于等于1.24倍的风电场送出线路正序阻抗幅值|ZL1|与电网最小运行方式正序阻抗幅值|ZS1|,双端正序阻抗幅值差异比因子δp大于0.8,保护不受虚拟脉冲影响。
以上计算结果如附图5。
实例5:建立如附图2所示的大规模风机接入电力系统作为仿真模型。风电场由33台1.5MW双馈风机组成。主变T1等值正序阻抗为ZT1=j0.12;风电场送出线路等值正序阻抗为ZL1=0.164+j0.479;电网系统等值正序阻抗为ZS1=j0.065。系统基准电压220kV,基准容量为1000MWA。设置故障类型设置为AG故障,故障点设置在风电场送出线路f1处,噪声选取为信噪比分别为10、20、30及40dB的高斯白噪声,加在|ZM1|及|ZN1|故障时间序列。
表2噪声干扰对基于阻抗特征的风电场送出线路纵联保护方法验证
Figure BDA0004104664300000071
由表2可得,在风电场送出线路设置不同故障位置及噪声干扰时,所提线路纵联保护方法能可靠判别区内、区外故障,具有良好的抗噪性能。

Claims (6)

1.一种基于阻抗特征的风电场送出线路纵联保护方法,其特征在于,具体步骤为:
步骤1.提取风电场送出线路保护安装处的正序电压、电流信号,对提取到的正序电压、电流信号数据预处理,利用数据预处理后的正序电压、电流计算正序阻抗幅值;
步骤2.根据正序短路电流及正序阻抗幅值判别是否满足故障启动条件;
步骤3.利用BIRCH聚类剔除双端正序阻抗幅值序列的异常采样数据并计算聚类特征;
步骤4.计算双端正序阻抗幅值差异比因子δp,制定考虑测量误差及数据延时传输影响的整定值;
步骤5.将δp与整定值相比较,判断区内、区外故障。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤1中,当风电场送出线路发生故障时,采集风电场送出线路保护安装处的正序电压、电流信号,数据窗为10ms。利用带通滤波器将所提取信号中的35Hz~65Hz以外数据滤除,以Prony算法提取滤波数据中的工频信号。通过电压故障分量与电流故障分量之比计算正序阻抗,正序阻抗幅值计算方式为:
Figure FDA0004104664290000011
式中:UM1、IM1分别为风电侧送出线路故障暂态期间所采集到的正序电压、电流信号,UM1|0|、IM1|0|分别为风电侧送出线路故障前所采集到的正序电压、电流信号,N侧正序阻抗幅值|ZN1|计算方式与此相同。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤2中,根据正序短路电流及正序阻抗幅值判别是否满足故障启动条件,步骤具体为:
利用风电侧送出线路发生正、反方向故障下正序阻抗幅值差异,将风电侧故障启动条件设置为正序阻抗幅值|ZM1|大于等于1.24倍的风电场送出线路正序阻抗幅值|ZL1|与电网最小运行方式正序阻抗幅值|ZS1|;系统侧选取正序突变量电流起动元件,当ΔIN1≥0.2IN1,若均满足则进行后续步骤,不满足则继续检测。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤3中,利用BIRCH聚类,剔除双端正序阻抗幅值序列的异常采样数据并计算聚类特征,步骤具体为:
根据聚类特征可建立聚类特征树(CF Tree),CF Tree中非叶子节点最大离散点数为B,空间阈值为T,通常为半径r。
通过对故障时间序列的全局分析并结合聚类特征可推导出的故障时间序列的形心x0、半径r分别为:
Figure FDA0004104664290000021
Figure FDA0004104664290000022
基于BIRCH算法的故障时间序列聚类步骤:
(1)扫描故障时间序列全部数据,计算故障时间序列的半径r,建立CF Tree;
(2)以输入的第一个离散数据作为该叶子结点的根结点,后续故障时间序列数据输入后判定其与根结点距离是否小于T,若小于且该叶子结点总离散点数不超过B,则汇入该叶子结点,否则作为新的叶子结点的根节点进行聚类;
(3)扫描聚类完成后的CF Tree,将其中仅含有少量离散点数的异常叶子结点删除,完成故障时间序列的聚类。
对剔除异常采样数据后的|ZM1|及|ZN1|计算聚类特征SS,公式如下:
Figure FDA0004104664290000023
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤4中,计算δp,考虑测量误差及数据延时传输影响的整定值制定,步骤具体为:
当风电场送出线路发生区内故障时,|ZM1|远大于|ZN1|;当风电场送出线路发生区外故障时,|ZM1|与|ZN1|大致相等,利用该特性,结合去除剔除异常采样数据后的|ZM1|及|ZN1|计算聚类特征SS,可得双端正序阻抗幅值差异比因子公式为:
Figure FDA0004104664290000024
当风电场送出线路发生区内故障时,双端正序阻抗幅值差异比因子δp趋近于1,当风电场送出线路发生区外故障时,双端正序阻抗幅值差异比因子δp趋近于0。
风电场送出线路区内故障理想状态下满足δp=1,考虑到CT、PT测量误差及数据延时传输等因素影响,引入可靠系数规避上述因素影响。整定值制定如下:
δpset=K1K2δpb            (6)
式中:K1为计及CT、PT测量误差因素的可靠系数,通常取0.85。K2为计及异常数据因素的可靠系数,通常取0.95。考虑风电场送出线路区内、区外故障下δp特征差异,选取δpb=1。计算可得整定值δpset=0.8。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤5中,当双端正序阻抗幅值差异比因子δp大于整定值δpset时,则风电场送出线路发生区内故障,反之风电场送出线路发生区外故障。
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