适用于新能源场站送出线路的距离保护方法与流程

本发明涉及电力系统分析技术领域，尤其涉及一种适用于新能源场站送出线路的距离保护方法。

背景技术：

随着能源危机、环境污染，大力发展新能源成为我国能源战略的重要发展方向。由于我国太阳能、风能丰富的地区通常远离负荷中心，规模化新能源集中外送成为必然趋势。因此，送出线路保护的正确动作对于新能源安全并网意义重大。距离保护由于其具有比较稳定的保护范围，受系统运行方式影响小，因此常用于送出线路作为后备保护。

规模化新能源接入对于距离保护的影响主要体现在两个方面，一是新能源的弱馈作用的影响。逆变型电源的弱馈作用会引起过渡电阻的影响被放大，从而导致场站侧距离保护拒动。另外，撬棒投入会增强双馈风机的弱馈特性。二是谐波及频率偏移的影响。有学者定性分析了风电接入时注入的大量谐波以及电流频率偏移对傅氏算法提取工频分量的影响，得出了工频量距离元件动作性能下降的结论。另外也有文献推导了转速频分量对全周傅氏算法提取工频量造成误差的表达式，揭示了转速频分量对于测量阻抗的影响规律。当撬棒投入后，双馈风机场站侧是工频电压和转速频电流，根据其比值分析得出测量阻抗轨迹呈螺旋式变化，严重影响距离保护的可靠性。另外由于新能源的正负序阻抗受运行方式、故障条件等因素的影响而变化，工频变化量距离保护的动作性能也会明显下降。

目前国内外学者对于新能源场站送出线路距离保护的研究已经取得一定的进展。针对新能源的弱馈作用，有学者指出可以允许场站侧距离保护延时动作，让系统侧断路器先行跳开，此时弱馈作用消失，场站侧距离保护能够正确动作，但这种方法增加了故障隔离时间。针对直流升压汇集系统交流侧线路，通过更改控制方式在故障时注入四次谐波消除了相间故障时的弱馈问题，但该方法控制系统较为复杂。针对频率偏移问题，有学者提出基于模型识别思想的时域距离保护，但一阶偏导会受谐波影响，动作性能稍差。对于工频变化量距离保护，有文献报道通过更改工频变化量距离保护整定值的方法，防止在背后阻抗呈容性的情况下发生反方向故障时保护误动，然而新能源阻抗特性多变，修改定值的方法在新能源送出线路很难适用，因此有必要研究新的适合于新能源场站的距离保护方法。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种适用于新能源场站送出线路的距离保护方法，能够准确区分故障区域，进而实现距离保护。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种适用于新能源场站送出线路的距离保护方法，包括：

测量故障前后一段时间内的电压电流数据；

根据故障类型，利用测量到的数据计算故障点高频电压；

将送出线路划分为距离ⅰ段与距离ⅱ段，分别计算距离ⅰ段与距离ⅱ段的高频工作电压；若距离ⅰ段的高频工作电压不小于故障点高频电压，则对距离ⅰ段进行距离保护；若距离ⅱ段的高频工作电压不小于故障点高频电压，则延迟一段时间后，根据比较一个时间窗长内采样电流的最大值与电流门槛值的大小，来判断距离ⅱ段是否动作。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，可以利用距离ⅰ段以及距离ⅱ段的高频工作电压，与构造的故障点高频电压的大小关系来准确的区分故障区域，进而产生保护动作；整个方案构思清晰，执行效率高，具备良好的动作性能。

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一种适用于新能源场站送出线路的距离保护方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的单位阶跃信号及其幅度频谱示意图；

图3为本发明实施例提供的逆变型电源主拓扑结构示意图；

图4为本发明实施例提供的逆变型电源四种高频阻抗结构示意图；

图5为本发明实施例提供的新能源高频阻抗统一结构示意图；

图6为本发明实施例提供的双馈风机主拓扑结构示意图；

图7为本发明实施例提供的双馈风机的高频阻抗结构示意图；

图8为本发明实施例提供的新能源场站主接线示意图；

图9为本发明实施例提供的高频故障网络示意图；

图10为本发明实施例提供的不同故障点短路时的高频电压分布示意图；

图11为本发明实施例提供的阻抗圆特性示意图；

图12为本发明实施例提供的逆变型电源的高频阻抗角示意图；

图13为本发明实施例提供的双馈风电机组的高频阻抗角示意图；

图14为本发明实施例提供的利用虚拟故障电压计算的阻抗值示意图；

图15为本发明实施例提供的i段保护的性能示意图；

图16为本发明实施例提供的i段保护的性能示意图；

图17为本发明实施例提供的过渡电阻对i段的影响示意图；

图18为本发明实施例提供的过渡电阻对ii段的影响示意图。

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适用于新能源场站送出线路的距离保护方法，如图1所示，其主要包括：

1、测量故障前后一段时间内的电压电流数据。

示例性的，可以测量测量故障前后5ms的电压电流数据。

2、根据故障类型，利用测量到的数据计算故障点高频电压。

由于故障点高频电压无法直接测量，因此，本发明实施例中，利用保护安装处电压去构造等值的故障点高频电压。具体来说：

故障点高频电压是由故障点故障前电压跌落到0产生的，而故障点故障前电压与保护安装处故障前电压基本相等，因而可以利用保护安装处故障前电压跌落到0产生的高频电压去等效故障点的高频电压。

对于单相接地故障，各变量均为故障相的高频电压和高频电流，利用故障相保护安装处测得的故障前相电压跌落至0，然后利用小波变换提取得到；对于相间短路，vk＝vkφ1-vkφ2，vw＝vwφ1-vwφ2，iw＝iwφ1-iwφ2，其中，φ1和φ2为两个故障相，利用故障相保护安装处测得的故障前的线电压跌落至0构造；vk为故障点高频电压，vw和iw是保护安装处测得的高频电压和高频电流。

3、将送出线路划分为距离ⅰ段与距离ⅱ段，分别计算距离ⅰ段与距离ⅱ段的高频工作电压；若距离ⅰ段的高频工作电压不小于故障点高频电压，则对距离ⅰ段进行距离保护；若距离ⅱ段的高频工作电压不小于故障点高频电压，则延迟一段时间后，根据比较一个时间窗长内采样电流的最大值与电流门槛值的大小，来判断距离ⅱ段保护是否动作(动作于跳闸)。

本发明实施例中，所述距离ⅰ段与距离ⅱ段的高频工作电压的计算公式为：

其中，vw是保护安装处测得的高频电压；分别为距离ⅰ段、距离ⅱ段的高频工作电压；

为距离ⅰ段的整定值：为距离ⅱ段的整定值：其中，为ⅰ段的可靠系数，f为所选频率；l为送出线路的全电感。

由于故障产生的高频信号只有在包含故障瞬间的时间窗长内才能够检测到，而距离ⅱ段的整定时间通常为0.3～0.5s，延迟时间可设置为0.3～0.5s；在延时结束时将无法比较故障点高频电压与工作电压的大小。为解决上述问题，在故障时，必须判断故障点是否在ⅱ段保护范围之内，然后通过增加辅助判据判别在0.3～0.5s后故障是否仍然存在。如果故障仍然存在，距离ⅱ段就会动作切除故障。

辅助判据可以利用有无故障电流构成。因为故障如果在延时结束前已经被切除，那么新能源将不再输出故障电流，因此幅值判据为：

imax＞iop

其中imax为一个时间窗长内，采样电流的最大值；iop为电流门槛值，可以取为5％～10％的额定电流峰值。

为了便于理解，下面针对上述方案的原理做详细的介绍。

当故障发生时，电压跌落可以被看做是在故障点注入的一个阶跃信号，如图2中的(a)部分所示，对于阶跃信号，经过拉普拉斯变换以后可以发现，其具有全频域信息，如图2中的(b)部分所示。并且这个高频信号可以通过小波变换提取。示例性的，提取的数据窗长为10ms，包含故障后的5ms数据。

逆变型新能源主要包括光伏电源和永磁直驱风机，其均通过逆变器直接并网，并在逆变器出口安装lcl滤波器，其主拓扑如图3所示。图3中cd为直流侧电容，r1、r2、r3、l1、l2、c均为lcl滤波器内部参数。

根据逆变器在不同开关组合下，高频电流流经的通路可以确定逆变型电源的高频阻抗模型具有多种阻抗结构，如图3所示，示意性的给出了四种阻抗结构。四种阻抗结构除了虚线框内的部分不同之外，其余部分完全相同。而且均是虚线框内的部分与r1、l1串联，再跟滤波电容支路并联，最后跟r2、l2串联。通常情况下，对于并联的电感和电容支路，只要电容的容抗小于与其并联电感感抗的十分之一，则与其并联的电感支路可以省略。从逆变型电源的四个相间高频阻抗结构可以看出，只要电感l1的感抗值大于十倍的电容2c的容抗值，四种阻抗结构就可以统一为如图5所示结构。因此，为相间高频阻抗结构统一，所应该选择的频率范围为：

在满足上式的频率范围内，滤波电容支路的阻抗值至少是与其并联支路阻抗的十五分之一或者二十分之一。因此，与滤波电容并联的支路可以忽略，四种阻抗结构统一为附图5，其中r＝r2+r3。另外，对于单相接地故障，其高频通路为删除方框内的部分，同时将椭圆框内部分转移到与其并联的支路。此时为将四种阻抗结构统一，所选频率应满足：

结合式(1)～式(2)可知，只要式(2)被满足，不同故障情况下的四种阻抗结构均可以被统一。

在统一结构中，r＝r2+r3。为了使得所提方法具有较高的灵敏度，统一结构的阻抗角应该大于60°。因此，被选择的频率也应该满足：

此外，为了避免控制系统的影响，被选择的频率必须高于电流环的带宽，基于上述因素，确定了频率下限。同时，频率的上限最好低于3khz。主要是考虑为了获得良好的信噪比，测量单元和数据处理板的限制以及为了避免系统寄生电容的影响。

双馈风电机组的主拓扑如图6所示，主要由异步发电机及其转子侧并联支路构成。其单相接地故障的高频等值模型由异步发电机等值回路与滤波电容支路组成，如图7所示。图中rs、ls分别为异步发电机定子侧的电阻和电感，rr、lr为异步发电机转子侧电阻和电感，lm为异步发电机的励磁电抗，c为滤波电容的电容值，rcrowar代表crowbar电阻。当双馈风机的crowbar装置没有投入时，其高频模型中没有虚线框内部分，此处呈短路状态。一旦crowbar装置投入，在高频模型中就串入了crowbar电阻。

与逆变型电源相似，当滤波电容c的容抗小于与其并联的异步发电机的等值电抗的十分之一时，其异步电动机等值支路就可以被忽略，因此所选频段应该满足：

在所选频率满足式(4)的条件下，双馈风机的高频阻抗模型等值为滤波电容c，然而由于主变、汇集线路和箱变的影响，其在送出线路出口处测得的高频阻抗角仍然呈现感性状态，为使得其高频阻抗角大于60°，所选频段应该由式(3)校验，不过其中r等于主变、箱变和汇集线路的电阻之和，l2等于主变、箱变和汇集线路的电感之和。

经过上述分析，逆变型电源与双馈风机的高频阻抗模型在选定的高频段均可以等效为rl串联回路，可以认为与线路阻抗具有相同的相位特性，因此可以在高频网络中实现突变量距离保护方法。

新能源送出线路主拓扑如图8所示，新能源电源通过箱变升压汇集后经主变送出。其在送出线路发生金属性故障的高频故障网络如图8所示。zk为短路点到w母线(保护安装处)的高频线路阻抗，zl为整条送出线路的高频阻抗，zw和zs分别为场站侧和系统等值高频阻抗，vw和iw是w母线处测得的高频电压和高频电流，vk为故障点发生金属性短路时产生的高频电压源。首先不考虑故障点存在过渡电阻，根据图中的参考方向，保护安装处的高频电流iw和高频电压vw可以分别表示为：

假设zset为距离保护i段的定值，取为线路高频阻抗的80％～85％，则可以构造高频工作电压为：

vop＝vw-iwzset＝-iw(zs+zset)(7)

而故障点的高频电压vk可以表示为：

vk＝-iw(zs+zk)(8)

根据式(7)和式(8)可以得到不同地点短路时高频电压分布，如图9所示。从图9中可以看出，只有区内故障时满足：

|vop|≥|vk|(9)

因此可以通过比较高频工作电压vop与故障点的高频电压vk的大小关系区分区内外故障。值得注意的是，计算公式(8)等只是用于分析故障点高频电压和高频工作电压之间的关系，而在实际工程中，故障点的高频电压不可以直接测量，因此必须利用保护安装处电压去构造等值的故障点高频电压。由于故障点高频电压是由故障点故障前电压跌落到0产生的，而故障点故障前电压与保护安装处故障前电压基本相等，因此可以利用保护安装处故障前电压跌落到0产生的高频电压去等效故障点的高频电压。

对于单相接地故障，上述分析中的各变量均为故障相的高频电压和高频电流。对于相间短路，vk＝vkφ1-vkφ2，vw＝vwφ1-vwφ2，iw＝iwφ1-iwφ2，φ1和φ2为两个故障相。

当故障点存在过渡电阻时，由图9以及高频工作电压以及故障点电压计算方法可得：

|vop|＝|-iw(zw+zset)|＝|-iw||zw+zset|(10)

|vk|＝|-iw(zw+zk)-αiwrg|＝|-iw||zw+zm(11)

其中：α为高频助增系数，

将式(10)和(11)代入式(9)中，可得阻抗圆的动作方程为：

|zw+zset|≥|zw+zm|(12)

根据上式可以画出如图11中(a)部分所示的阻抗圆特性(正方向故障)。由于故障点两侧高频阻抗均接近于90°，两侧电流iw和is同相位，所以附加阻抗αrg近似为纯阻性，同时两侧电流的大小关系仅取决于两侧高频阻抗的大小，因此不受故障限幅器的影响。另外，在高频下阻抗圆的半径较大，而αrg与频率无关，因此该方法具有较强的抗过渡电阻能力，且频率越高，抗过渡电阻的能力越强。同理可得反方向故障时该方法的阻抗圆特性，如图11中(b)部分所示。从图中可以看出该方法能够保证该判据反方向可靠不动。图中zl为线路全长的高频阻抗。

本发明实施例中，本方法仍采用两段式距离保护保护线路全长。距离ⅰ段作为速动段通常占保护线路全长的80％～85％，所以其整定值可以表示为：

其中，为ⅰ段的可靠系数，可取值为0.8～0.85；f为所选频率；l为送出线路的全电感。

对于距离ⅱ段，其保护范围通常与下级线路保护i段相配合，由于本文研究的拓扑不存在下级线路，因此将距离ii段的整定值整定为1.1倍的线路高频阻抗：

在实际应用中，ⅰ段和ⅱ段的整定值均转换为高频工作电压和公式可参见前文以及图1部分。

由于故障产生的高频信号只有在包含故障瞬间的时间窗长内才能够检测到，而距离ii段的整定时间通常为0.3～0.5s，因此在延时结束时已经无法比较故障点高频电压与工作电压的大小。为解决上述问题，在故障时，必须判断故障点是否在ii段保护范围之内，然后通过增加辅助判据判别在0.3～0.5s后故障是否仍然存在。如果故障仍然存在，距离ii段就会动作切除故障。

辅助判据可以利用有无故障电流构成。因为故障如果在延时结束前已经被切除，那么新能源将不再输出故障电流，因此幅值判据为：

imax＞iop(15)

其中imax为一个时间窗长内，采样电流的最大值；iop为电流门槛值，可以取为5％～10％的额定电流峰值。

图12展示了逆变型电源在不同控制策略下，k2点发生bc两相短路以及ag故障时的高频阻抗角。其中：(a)部分对应于抑制负序，bc；(b)部分对应于抑制负序，ag；(c)部分对应于抑制无功，bc；(d)部分对应于抑制无功，ag；(e)部分对应于抑制有功，bc；(f)部分对应于抑制有功，ag。根据逆变型电源lcl滤波器的实际参数可以计算出对于相间高频回路所选频率应该大于759hz，对于单相接地高频回路所选频率应该大于1073hz。从图12的(a)、(b)和(c)部分中可以看出，对于相间故障在750hz以上的频段，所测得的阻抗相位角接近-90°，同时可以看出高频阻抗角基本不受控制策略的影响。从图12(c)、(d)和(e)部分可以看出，对于单相对地回路在1050hz以上的频段测得的相位角接近-90°，且与控制策略无关。选取共有频段，即1050hz以上的频率作为研究的频率范围。

图13展示了双馈风机在k2点发生bc(图中的“(a)部分”)和ag(图中的“(b)部分”)故障时的高频阻抗角。根据仿真模型的实际参数，为使其保护背后等值高频阻抗角接近90°，选择的频率应该在1010hz以上。从图13可以看出，在所选频段范围内，无论相间短路还是单相接地短路，其测得高频相位角均呈感性，接近于-90°。这是因为在高频段内主变的高频感抗值远远大于双馈风机的等值容抗，整体仍然呈现出感性状态。

图14展示的是利用构造的故障点高频电压计算的高频等值阻抗。其中：(a)部分对应于逆变型电源，bc；(b)部分对应于逆变型电源，ag；(c)部分对应于双馈风机，bc；(d)部分对应于双馈风机，ag。从图14可以看出，无论是逆变型电源还是双馈风机，除了在1000hz以下的较低频段受谐波的干扰有轻微的波动以外，在关注的1000hz以上频段阻抗值的仿真值和理论值极其吻合，这证明了构造的虚拟故障点高频电压与真实的故障点高频电压基本等效。

在此基础上，为验证距离保护i段的动作性能，仍将故障点设在k2点，其仿真结果如图15所示。其中：(a)部分对应于逆变型电源，bc；(b)部分对应于逆变型电源，ag；(c)部分对应于双馈风机，bc；(d)部分对应于双馈风机，ag。从图15可以看出，在送出线路中点发生金属性短路故障，无论是相间故障还是单相接地故障，虚拟故障电压均低于ⅰ段工作电压和ⅱ段工作电压，因此高频距离保护能够判别故障点在i段范围内，高频距离ⅰ段能够可靠动作。

同时为验证ⅱ段的动作性能，仿真条件是k3点发生故障，仿真结果如图16所示。其中：(a)部分对应于逆变型电源，bc；(b)部分对应于逆变型电源，ag；(c)部分对应于双馈风机，bc；(d)部分对应于双馈风机，ag。从图16可以看出，在送出线路末端发生金属性短路故障，无论是相间故障还是单相接地故障，虚拟故障电压均高于i段工作电压而低于ⅱ段工作电压，因此高频距离保护能够判别故障点在ⅱ段范围内，高频距离保护ⅱ段可靠动作。

为验证过渡电阻对于所提高频距离保护ⅰ段的影响，将故障点设在k2点，对于bc相间故障，故障电阻设为80ω，对于a相接地故障，故障电阻设为100ω，其仿真结果如图17所示。其中：(a)部分对应于逆变型电源，bc；(b)部分对应于逆变型电源，ag；(c)部分对应于双馈风机，bc；(d)部分对应于双馈风机，ag。从(a)和(b)两部分可以看出，对于逆变型电源，当在线路中点发生bc相间故障时，ⅰ段保护能够耐受80ω的电阻，发生ag故障时可以耐受100ω的电阻；从(c)和(d)两部分可以看出，对于双馈风机，在1000hz～1500hz频段，无论是bc相间故障还是ag故障，高频突变量距离保护的i段均存在拒动现象，但是随着频率的增加，阻抗圆的增大提高了高频突变量距离保护的抗过电阻能力，因此在1500hz以上距离i段又能够正常动作。

同时，为验证过渡电阻对于高频距离ⅱ段的影响，将故障点设在k3点，其仿真结果如图18所示。其中：(a)部分对应于逆变型电源，bc；(b)部分对应于逆变型电源，ag；(c)部分对应于双馈风机，bc；(d)部分对应于双馈风机，ag。从(a)和(b)两部分可以看出，对于逆变型电源，当发生bc相间故障时，ⅱ段距离保也可以耐受80ω的电阻，发生ag故障时也可以耐受100ω的电阻；从(c)和(d)两部分可以看出，对于双馈风机，当在k3点发生bc相间故障时，ⅱ段保护在1000～3000hz范围内均发生的拒动，但是随着频率的增加，故障点电压逐渐接近了ⅱ段工作电压；当发生ag故障时，在1000～2000hz，ⅱ段保护拒动，但是当频率达到2500hz以上时，距离ⅱ段保护能够正确动作。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例可以通过软件实现，也可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，上述实施例的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是cd-rom，u盘，移动硬盘等)中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

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。