专利名称：电气主拓扑完整性的监测方法和控制设备的制作方法
技术领域：
本申请涉及一种电气主拓扑完整性的监测方法和设备，尤其涉及一种用于实时监测风电场的电气主拓扑完整性的方法以及设备，从而准确地区分多种设备的运行状态并做出相应的响应。
背景技术：
在风力发电系统中，间歇性风电造成电网电压波动、系统短路容量增加、暂态稳定性改变，特别在大规模风电集中接入电网情况下尤为突出。同时，电网末端电能质量也会影响风场，例如电网扰动导致风机脱网，风电场解列，不平衡电压会造成机组振动、过热。研究风电场并网的技术关键，在于将风电场作为一个整体单元接入电网来分析，通过改善风电场并网点(Point of Common Coupling,简称PCC)的稳定性，以实现整个风电 场的并网性能提闻。PCC点的稳定性最重要的指标为电压稳定性，电压波动直接影响了风机的安全稳定运行，危害甚至波及所接入的电力网络。根据潮流分析技术可知，PCC点的电压主要受该点的无功功率影响当消耗感性无功功率过多时(下简称吸收无功功率)电压将会下降；反之，当发出感性无功功率过多时(下简称发出无功功率)电压将会上升。通过某些技术控制PCC点的无功功率动态平衡，即达到了控制PCC点电压稳定的效果。控制风电场PCC点的无功功率平衡，受到两个技术点制约首先必须满足我国电力系统无功功率“分层分区”控制原则，其次必须充分考虑风电场无功功率源的控制机理。风电场无功功率源主要有两种风机和集中无功补偿设备。集中无功补偿设备，例如静止无功补偿(如SVC)装置对风电场的无功功率平衡起到了积极有效的作用，但也存在造价、损耗和稳定性的缺陷，和风机运行配合差。风机具有额外发出无功功率的能力，但单机自由控制会引起风电场无功功率内耗，无法达到指定控制目标。图IA和图IB分别示出了使用SVC的两种通用的电气网络拓扑。在如图IA和图IB所示的风电系统中，低压母线接入了多条风电集电线路，该类线路仅消耗无功功率；此外，SVC同样接入低压母线，控制其发出或者吸收无功功率，使得PCC的电压在允许范围内。图IB中所示的拓扑中，使用多个SVC，并且通过多个并网变压器并网。然而,风力发电最显著的特点是风力大小的不确定性。当风力很小时,风机处于待机状态，风电场PCC点的电流很小。当故障引起了风电场风电集电线路开关跳闸，或风机群大量停机时，风电场PCC点的电流也很小。用于远程调度的电压自动控制(AVC，AutoVoltage Control)主站无法快速识别甚至无法识别风电场的运行状态，故而会持续发出远程控制指令，要求风电场执行所述命令。由于无法区分风机处于待机状态和风电场实际发生故障的状况，因此在风电场拓扑关系已经破坏的情况下，还继续执行电网调度AVC主站发出的指令发出或吸收无功功率，恶化电压波动，很可能引发出新故障
发明内容
本发明的目的在于提供一种风电场发电系统的电气主拓扑完整性的监测方法和设备，实时监测影响风电场的电气主拓扑完整性的各个监测源的状态，准确地区分风力波动导致的风机待机和实际故障，从而做出相应的响应，提高系统稳定性。根据本发明的一方面，提供一种风电场发电系统的电气主拓扑完整性的监测方法，包括在风电场发电系统的控制设备执行以下步骤实时监测影响电气拓扑完整性的各个监测源的状态；如果确定监测的任一个监测源发生将导致电气拓扑完整性破坏的异常，则停止执行电网调度指令。可由风电场电压自动控制(AVC)设备执行所述监测方法的步骤。所述影响电气拓扑完整性的监测源可包括以下的至少一个风电场发电系统的高压母线、并网点的风电送出线路、风电场内所有的低压母线、所有的并网变压器以及所有的集电线路。其中，所述所有的集电线路可作为一个集电线路监测源被监测，并且所述所有的并网变压器可作为一个并网变压器监测源被监测。 所述风电场AVC设备可通过设置在电网中所述各个监测源处的电压互感器和电流互感器采集各个监测源的状态信息，以监测所述各个监测源的状态。当监测到并网点的风电送出线路的电流小于预定的工作电流门限值且高压母线电压低于预定的工作电压门限值时，可确定风电送出线路发生将导致电气拓扑完整性破坏的异常。当监测到高压母线或任一低压母线发生短路故障时，可确定所述高压母线或低压母线发生将导致电气拓扑完整性破坏的异常。当监测到所有的并网变压器发生故障时，可确定所述并网变压器作为一个并网变压器监测源发生将导致电气拓扑完整性破坏的异常。当监测到每个集电线路的电流小于预定的工作电流门限值，且其所连接的风机都未发电，则可确定所有的集电线路作为一个集电线路监测源发生将导致电气拓扑完整性破坏的异常。当监测到高压母线或任一低压母线电气数据采集回路一相或多相断开时，可确定所述高压母线或低压母线发生将导致电气拓扑完整性破坏的异常。当监测到任一并网变压器的电气数据采集回路一相或多相断开时，可确定所述并网变压器发生故障。当监测到风电送出线路的电气数据采集回路一相或多相断开，导致并网点电气数据无法正常采集时，可确定所述风电送出线路发生将导致电气拓扑完整性破坏的异常。所述电网调度命令是无功功率控制命令、并网点电压控制命令以及并网点功率因数控制命令中的至少一个。可将所述预定的工作电流门限值设置为并网点的风电送出线路的额定工作电流的5% 8%，所述预定的工作电压门限值可设置为并网点的风电送出线路的额定工作电压的20%。所述预定的工作电流门限值可设置为集电线路的额定工作电流的5% 8%。根据本发明的另一方面，提供一种在风电场发电系统中监测电气主拓扑完整性的控制设备，包括第一模块，用于实时监测影响电气拓扑完整性的各个监测源的状态；第二模块，用于如果确定监测的任一个监测源发生将导致电气拓扑完整性破坏的异常，则停止执行电网调度指令。所述控制设备可以是由风电场电压自动控制(AVC)设备。所述影响电气拓扑完整性的监测源可包括以下的至少一个风电场发电系统的高压母线、并网点的风电送出线路、风电场内所有的低压母线、所有的并网变压器以及所有的集电线路。其中，所述所有的集电线路可作为一个集电线路监测源被监测，并且所述所有的并网变压器可作为一个并网变压器监测源被监测。所述风电场AVC设备可通过设置在电网中所述各个监测源处的电压互感器和电流互感器采集各个监测源的状态信息，以监测所述各个监测源的状态。当第一模块监测到并网点的风电送出线路的电流小于预定的工作电流门限值且高压母线电压低于预定的工作电压门限值时，第二模块可确定风电送出线路发生将导致电气拓扑完整性破坏的异常。当第一模块监测到高压母线或任一低压母线发生短路故障时，第二模块可确定所述高压母线或低压母线发生将导致电气拓扑完整性破坏的异常。当第一模块监测到所有的并网变压器发生故障时，第二模块可确定所述并网变压器作为一个并网变压器监测源发生将导致电气拓扑完整性破坏的异常。当第一模块监测到每个集电线路的电流小于预定的工作电流门限值，且其所连接的风机都未发电，则第二模块可确定所有的集电线路作为一个集电线路监测源发生将导致电气拓扑完整性破坏的异常。当第一模块监测到高压母线或任一低压母线电气数据采集回路一相或多相断开时，第二模块可确定所述高压母线或低压母线发生将导致电气拓扑完整性破坏的异常。当第一模块监测到任一并网变压器的电气数据采集回路一相或多相断开时，第二模块可确定所述并网变压器发生故障。当第一模块监测到风电送出线路的电气数据采集回路一相或多相断开，导致并网点电气数据无法正常采集时，第二模块可确定所述风电送出线路发生将导致电气拓扑完整性破坏的异常。所述电网调度命令可以是无功功率控制命令、并网点电压控制命令以及并网点功率因数控制命令中的至少一个。所述预定的工作电流门限值可设置为并网点的风电送出线路的额定工作电流的5% 8%，所述预定的工作电压门限值可设置为并网点的风电送出线路的额定工作电压的20%。所述预定的工作电流门限值可设置为集电线路的额定工作电流的5% 8%。
通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中图IA和图IB分别是示出使用静止无功补偿设备(SVC)的通用电气网络拓扑的示意图；图2是示出用于实现本发明的监测方法的风电场AVC系统的示意图；图3是示出本发明的电气主拓扑完整性的监测方法监测的监测源的示意图4是示出根据本发明示例性实施例的电气主拓扑完整性的监测方法的流程图。
具体实施例方式以下，参照附图来详细说明本发明的实施例。可以在风电场AVC系统的主控制端实现根据本发明的电气主拓扑完整性的监测方法和设备。图2示出用于实现本发明的监测方法的风电场AVC系统的逻辑架构。根据本发明的电气主拓扑完整性的监测方法可在图2所示的风电场AVC主控制器中实现，或者在与所述风电场AVC主控制器连接的单独设备中实现。本发明的电气主拓扑完整性的监测方法可实现为软件模块、固件或硬件，安装在所述风电场AVC主控制器或所述与其连接的单独设备中。为了方便说明，示例性地描述在风电场AVC主控制器中实现本发明的电气主拓扑完整性的监测方法的情形。当风电场存在短路故障时，风机和SVC无能力执行控制指令，若强制执行会导致风机设备故障，或效果无法达到，还可能会导致新的、更严重的电网故障；当并网点电气数据采集回路异常时，无法得到正确的电气数据，故而无法计算出正确的控制执行命令，若强 制执行会导致风机设备故障，或相反的控制效果。因此，在本发明中，将风电场的电气主拓扑完整性定义为风电场内各部件不发生运行故障、风机群整体处于发电状态或待机状态、主要开关处于闭合状态、风电场保持并网状态以及采集回路正常。一般来讲，风电场的电气主拓扑完整性破坏的主要原因为1)并网变压器故障，低压母线故障；2)风电场失去并网运行状态，如PCC点断路器断开；3)风电场失去所有风电集电线路；或4)风电送出线路或任意母线的电气采集回路异常断开。将以上任意一个破坏原因的触发认为是拓扑完整性破坏，此时必须停止响应远程指令。参照图2，将风电场AVC系统的风电送出线路设置为PCC点。风电场AVC主控制器通过通信网络(如光纤通信网络)与各风机主控系统通信，用于与各风机主控系统进行数据传输并且向各风机主控系统下发命令，例如无功功率控制命令。当风电场主拓扑完整性破坏时，可通过光纤通信方式快速送达电网调度系统，使之明确该信息，合理修正其调度命令。另一方面，风电场AVC主控制器采集风电场中的风机、母线、线路、SVC等数据，并且对采集的数据进行分析，从而向全场风机发出无功功率指令。其中，根据本发明的示例性实施例，风电场AVC主控制器实时地监测影响电气拓扑完整性的各个监测源的状态。如图2所示，风电场AVC主控制器通过设置在如图IA和图IB的拓扑中的风电场各相关设备中的电压互感器以及电流互感器来采集影响电气拓扑完整性的各个监测源的状态，如果确定电气拓扑完整性被破坏，则停止执行电场调度指令。此外，所述风电场AVC系统还包括具有用户界面的AVC主站以及监控终端。图3示意性地示出本发明的电气主拓扑完整性的监测方法监测的监测源(图中用椭圆标注的部件)。参照图3，所述影响电气拓扑完整性的监测源包括但不限于，风电场发电系统的高压母线、并网点的风电送出线路、风电场内所有的低压母线、所有的并网变压器以及所有的集电线路。其中，将所有的集电线路作为监测的一个集电线路监测源，并且将所述所有的并网变压器作为一个并网变压器监测源。也就是说，仅在所有的集电线路都停止工作时，才认为集电线路监测源发生将导致电气拓扑完整性破坏的异常，导致电气主拓扑完整性被破坏；同理，仅在所有的并网变压器都发生故障时，才认为并网变压器源发生将导致电气拓扑完整性破坏的异常，导致电气主拓扑完整性被破坏。图4是示出根据本发明示例性实施例的电气主拓扑完整性的监测方法的流程图。参照图4，在步骤S410，AVC主控制器实时监测影响电气拓扑完整性的各个监测源的状态。其中，AVC主控制器通过设置在电网中所述各个监测源处的电压互感器和电流互感器采集各个监测源的状态信息，以监测所述各个监测源的状态。在步骤S420，AVC主控制器确定监测的各个监测源是否发生将导致电气拓扑完整性破坏的异常。根据本发明的示例性实施例，当通过电压互感器和电流互感器采集的状态信息监测到并网点的风电送出线路的电流小于预定的工作电流门限值，且高压母线电压低于预定 的工作电压门限值时，确定风电送出线路发生将导致电气拓扑完整性破坏的异常。其中，所述预定的工作电流门限值可设置为并网点的风电送出线路的额定工作电流的5% 8%，所述预定的工作电压门限值可设置为并网点的风电送出线路的额定工作电压的20%。根据本发明的另一示例性实施例，当监测到风电送出线路的电气数据采集回路一相或多相断开，导致并网点电气数据无法正常采集时，确定所述风电送出线路发生将导致电气拓扑完整性破坏。根据本发明的示例性实施例，当监测到高压母线或任一低压母线发生短路故障时，确定所述高压母线或低压母线发生将导致电气拓扑完整性破坏的异常。其中，当监测到高压母线或任一低压母线电气数据采集回路一相或多相断开时，确定所述高压母线或低压母线发生将导致电气拓扑完整性破坏的异常。根据本发明的示例性实施例，当监测到所有的并网变压器发生故障时，确定所述并网变压器发生将导致电气拓扑完整性破坏的异常。其中，当监测到任一并网变压器的电气数据采集回路一相或多相断开时，将导致无法得到正确的功率计算值等，因此确定所述并网变压器发生故障。根据本发明的示例性实施例，当监测到每个集电线路的电流小于预定的工作电流门限值，且其所连接的风机都未发电，则确定所有的集电线路作为一个集电线路监测源发生将导致电气拓扑完整性破坏的异常。所述预定的工作电流门限值可设置为集电线路的额定工作电流的5% 8%。如果在步骤S430，AVC主控制器确定监测的任一个监测源发生将导致电气拓扑完整性破坏的异常，则在步骤S440，AVC主控制器停止执行电场调度指令。所述电场调度命令可以是无功功率控制命令、并网点电压控制命令以及并网点功率因数控制命令中的至少一个。综上所述，根据本发明的电气主拓扑完整性的监测方法和设备可通过实时监测风电场内各电气组件的运行状态来及时确定破坏电气主拓扑完整性的状况，及时确定风电场电气主拓扑完整性被破坏，停止响应电网调度指令，使风电场合理而更安全地运行。尽管已参照优选实施例表示和描述了本发明，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对这些实施例进行各种修改和变换。
权利要求
1.一种风电场发电系统的电气主拓扑完整性的监测方法，包括在风电场发电系统的控制设备执行以下步骤 实时监测影响电气拓扑完整性的各个监测源的状态； 如果确定监测的任一个监测源发生将导致电气拓扑完整性破坏的异常，则停止执行电网调度指令。
2.如权利要求I所述的监测方法，其中，由风电场电压自动控制(AVC)设备执行所述监测方法的步骤。
3.如权利要求2所述的监测方法，其中，所述影响电气拓扑完整性的监测源包括以下的至少一个风电场发电系统的高压母线、并网点的风电送出线路、风电场内所有的低压母线、所有的并网变压器以及所有的集电线路， 其中，所述所有的集电线路作为一个集电线路监测源被监测，并且所述所有的并网变压器作为一个并网变压器监测源被监测。
4.如权利要求3所述的监测方法，其中，所述风电场AVC设备通过设置在电网中所述各个监测源处的电压互感器和电流互感器采集各个监测源的状态信息，以监测所述各个监测源的状态。
5.如权利要求4所述的监测方法，其中，当监测到并网点的风电送出线路的电流小于预定的工作电流门限值且高压母线电压低于预定的工作电压门限值时，确定风电送出线路发生将导致电气拓扑完整性破坏的异常。
6.如权利要求4所述的监测方法，其中，当监测到高压母线或任一低压母线发生短路故障时，确定所述高压母线或低压母线发生将导致电气拓扑完整性破坏的异常。
7.如权利要求4所述的监测方法，其中，当监测到所有的并网变压器发生故障时，确定所述并网变压器作为一个并网变压器监测源发生将导致电气拓扑完整性破坏的异常。
8.如权利要求4所述的监测方法，其中，当监测到每个集电线路的电流小于预定的工作电流门限值，且其所连接的风机都未发电，则确定所有的集电线路作为一个集电线路监测源发生将导致电气拓扑完整性破坏的异常。
9.如权利要求6所述的监测方法，其中，当监测到高压母线或任一低压母线电气数据采集回路一相或多相断开时，确定所述高压母线或低压母线发生将导致电气拓扑完整性破坏的异常。
10.如权利要求7所述的监测方法，其中，当监测到任一并网变压器的电气数据采集回路一相或多相断开时，确定所述并网变压器发生故障。
11.如权利要求4所述的监测方法，其中，当监测到风电送出线路的电气数据采集回路一相或多相断开，导致并网点电气数据无法正常采集时，确定所述风电送出线路发生将导致电气拓扑完整性破坏的异常。
12.如权利要求2所述的监测方法，其中，所述电网调度命令是无功功率控制命令、并网点电压控制命令以及并网点功率因数控制命令中的至少一个。
13.如权利要求5-8之一所述的监测方法，其中， 当监测到并网点的风电送出线路的电流小于预定的工作电流门限值且高压母线电压低于预定的工作电压门限值时，确定风电送出线路发生将导致电气拓扑完整性破坏的异常；当监测到高压母线或任一低压母线发生短路故障时，确定所述高压母线或低压母线发生将导致电气拓扑完整性破坏的异常； 当监测到所有的并网变压器发生故障时，确定所述并网变压器作为一个并网变压器监测源发生将导致电气拓扑完整性破坏的异常； 当监测到每个集电线路的电流小于预定的工作电流门限值，且其所连接的风机都未发电，则确定所有的集电线路作为一个集电线路监测源发生将导致电气拓扑完整性破坏的异常。
14.如权利要求5所述的监测方法，其中，所述预定的工作电流门限值设置为并网点的风电送出线路的额定工作电流的5% 8%，所述预定的工作电压门限值设置为并网点的风电送出线路的额定工作电压的20%。
15.如权利要求8所述的监测方法，其中，所述预定的工作电流门限值设置为集电线路的额定工作电流的5 % 8 %。
16.一种在风电场发电系统中监测电气主拓扑完整性的控制设备，包括 第一模块，用于实时监测影响电气拓扑完整性的各个监测源的状态； 第二模块，用于如果确定监测的任一个监测源发生将导致电气拓扑完整性破坏的异常，则停止执行电网调度指令。
17.如权利要求16所述的控制设备，其中，所述控制设备是风电场电压自动控制(AVC)设备。
18.如权利要求17所述的控制设备，其中，所述影响电气拓扑完整性的监测源包括以下的至少一个风电场发电系统的高压母线、并网点的风电送出线路、风电场内所有的低压母线、所有的并网变压器以及所有的集电线路； 其中，所述所有的集电线路作为一个集电线路监测源被监测，并且所述所有的并网变压器作为一个并网变压器监测源被监测。
19.如权利要求18所述的控制设备，其中，所述风电场AVC设备通过设置在电网中所述各个监测源处的电压互感器和电流互感器采集各个监测源的状态信息，以监测所述各个监测源的状态。
20.如权利要求19所述的控制设备，其中，当第一模块监测到并网点的风电送出线路的电流小于预定的工作电流门限值且高压母线电压低于预定的工作电压门限值时，第二模块确定风电送出线路发生将导致电气拓扑完整性破坏的异常。
21.如权利要求19所述的控制设备，其中，当第一模块监测到高压母线或任一低压母线发生短路故障时，第二模块确定所述高压母线或低压母线发生将导致电气拓扑完整性破坏的异常。
22.如权利要求19所述的控制设备，其中，当第一模块监测到所有的并网变压器发生故障时，第二模块确定所述并网变压器作为一个并网变压器监测源发生将导致电气拓扑完整性破坏的异常。
23.如权利要求19所述的控制设备，其中，当第一模块监测到每个集电线路的电流小于预定的工作电流门限值，且其所连接的风机都未发电，则第二模块确定所有的集电线路作为一个集电线路监测源发生将导致电气拓扑完整性破坏的异常。
24.如权利要求21所述的控制设备，其中，当第一模块监测到高压母线或任一低压母线电气数据采集回路一相或多相断开时，第二模块确定所述高压母线或低压母线发生将导致电气拓扑完整性破坏的异常。
25.如权利要求22所述的控制设备，其中，当第一模块监测到任一并网变压器的电气数据采集回路一相或多相断开时，第二模块确定所述并网变压器发生故障。
26.如权利要求19所述的控制设备，其中，当第一模块监测到风电送出线路的电气数据采集回路一相或多相断开，导致并网点电气数据无法正常采集时，第二模块确定所述风电送出线路发生将导致电气拓扑完整性破坏的异常。
27.如权利要求17所述的控制设备，其中，所述电网调度命令是无功功率控制命令、并网 点电压控制命令以及并网点功率因数控制命令中的至少一个。
28.如权利要求20-23之一所述的控制设备，其中， 当第一模块监测到并网点的风电送出线路的电流小于预定的工作电流门限值且高压母线电压低于预定的工作电压门限值时，第二模块确定风电送出线路发生将导致电气拓扑完整性破坏的异常； 当第一模块监测到高压母线或任一低压母线发生短路故障时，第二模块确定所述高压母线或低压母线发生将导致电气拓扑完整性破坏的异常； 其中，当第一模块监测到所有的并网变压器发生故障时，第二模块确定所述并网变压器作为一个并网变压器监测源发生将导致电气拓扑完整性破坏的异常； 当第一模块监测到每个集电线路的电流小于预定的工作电流门限值，且其所连接的风机都未发电，则第二模块确定所有的集电线路作为一个集电线路监测源发生将导致电气拓扑完整性破坏的异常。
29.如权利要求20所述的控制设备，其中，所述预定的工作电流门限值设置为并网点的风电送出线路的额定工作电流的5% 8%，所述预定的工作电压门限值设置为并网点的风电送出线路的额定工作电压的20%。
30.如权利要求23所述的控制设备，其中，所述预定的工作电流门限值设置为集电线路的额定工作电流的5 % 8 %。
全文摘要
本发明提供一种风电场发电系统的电气主拓扑完整性的监测方法以及使用所述监测方法的控制设备。所述监测方法包括在风电场发电系统的控制器端，实时监测影响电气拓扑完整性的各个监测源的状态；如果确定监测的任一个监测源发生将导致电气拓扑完整性破坏的异常，则停止执行电网调度指令。使用所述检测方法的控制设备，包括第一模块，用于实时监测影响电气拓扑完整性的各个监测源的状态；第二模块，用于如果确定监测的任一个监测源发生将导致电气拓扑完整性破坏的异常，则停止执行电网调度指令。
文档编号H02J3/00GK102868159SQ201210355689
公开日2013年1月9日 申请日期2012年9月21日 优先权日2012年9月21日
发明者舒鹏, 乔元, 张毅 申请人:北京金风科创风电设备有限公司