一种适用于风电场送出线路的故障保护方法及装置

1.本发明属于新能源并网电力系统线路保护技术领域，尤其涉及一种适用于风电场送出线路的故障保护方法及装置。


背景技术：

2.随着可再生新能源开发利用率的日益攀升，风电集中接入电力系统的情景越来越普遍，风电系统送出线路数量大幅度增加。风电场送出线路有其特殊性，一方面新能源电源并网换流器不能承受过大电流冲击，所以需要继电保护在送出线故障情形下迅速切除故障，另一方面，风机由于内部的故障抑制等控制策略，会在故障时产生不同于传统旋转同步机电源的故障特征，对继电保护的正确动作带来挑战。
3.现有的风电送出线路保护方法，基本上仅使用故障后的稳态工频量信息，对采用电力电子化设备并网的风电送出线适应性仍存疑虑，除保护灵敏性下降外，在特殊场景下的保护可靠性方面也存在潜在误拒动风险；同时，现有保护方法也没有充分利用故障暂态量信息，从而通过协调暂态
‑
稳态两方面的特征来提升送出线路保护的动作性能。


技术实现要素：

4.本发明提供一种适用于风电场送出线路的故障保护方法及装置，用于至少解决上述技术问题之一。
5.第一方面，本发明提供一种适用于风电场送出线路的故障保护方法，包括：实时采集送出线路保护安装处的三相电压数据和三相电流数据；判断三相电流数据中的某一相的任一周期内电流数据之和是否大于整定值；若三相电流数据中的某一相的任一周期内电流数据之和大于整定值，则保护启动，并判定所述某一相为故障相；基于所述三相电压数据计算电压跌落程度和三相电压不平衡度，并判断所述电压跌落程度或所述三相电压不平衡度是否大于整定值；若所述电压跌落程度和所述三相电压不平衡度均不大于整定值，采用基于稳态工频分量的距离保护判据，当计算得到的相间距离阻抗或接地距离阻抗在预设范围内时，进行保护动作；若所述电压跌落程度或所述三相电压不平衡度大于整定值，采用基于小波变换的暂态保护判据，根据故障后高频暂态能量的大小判定故障范围，若故障在送出线路的保护区内，则进行保护动作。
6.第二方面，本发明提供一种适用于风电场送出线路的故障保护装置，包括：采集模块，配置为实时采集送出线路保护安装处的三相电压数据和三相电流数据；第一判断模块，配置为判断三相电流数据中的某一相的任一周期内电流数据之和是否大于整定值；启动模块，配置为若三相电流数据中的某一相的任一周期内电流数据之和大于整定值，则保护启动，并判定所述某一相为故障相；第二判断模块，配置为基于所述三相电压数据计算电压跌落程度和三相电压不平衡度，并判断所述电压跌落程度或所述三相电压不平衡度是否大于整定值；第三判断模块，配置为若所述电压跌落程度和所述三相电压不平衡度均不大于整定值，采用基于稳态工频分量的距离保护判据，当计算得到的相间距离阻抗或接地距离阻
抗在预设范围内时，进行保护动作；第四判断模块，配置为若所述电压跌落程度或所述三相电压不平衡度大于整定值，采用基于小波变换的暂态保护判据，根据故障后高频暂态能量的大小判定故障范围，若故障在送出线路的保护区内，则进行保护动作。
7.第三方面，提供一种电子设备，其包括：至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器，其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行本发明任一实施例的一种适用于风电场送出线路的故障保护方法的步骤。
8.第四方面，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，使所述计算机执行本发明任一实施例的一种适用于风电场送出线路的故障保护方法的步骤。
9.本技术的一种适用于风电场送出线路的故障保护方法及装置，根据检测得到的电压跌落程度和三相不平衡度，判定故障严重程度，能够准确进行故障判定，从而提高保护动作的可靠性，据此在非严重故障时，选择基于稳态工频量动作的距离保护判据，在严重故障时，则切换至基于小波变换的暂态保护判据，实现了在严重故障情形下通过判据切换，可以加速故障隔离。
附图说明
10.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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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的附图。
11.图1为本发明一实施例提供的一种适用于风电场送出线路的故障保护方法的流程图；图2为本发明一实施例提供的风电系统送出线保护方案仿真模型示意图；图3为本发明一实施例提供的故障采集信号经形态学滤波前后的波形对比图；图4为本发明一实施例提供的工频量距离保护判据动作情况示意图；图5为本发明一实施例提供的风电送出线路区内故障判据动作情况示意图；图6为本发明一实施例提供的一种适用于风电场送出线路的故障保护装置的结构图；图7是本发明一实施例提供的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
12.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
13.请参阅图1，其示出了本技术的一种适用于风电场送出线路的故障保护方法的流程图。
14.如图1所示，一种适用于风电场送出线路的故障保护方法包括以下步骤：
步骤s101，实时采集送出线路保护安装处的三相电压数据和三相电流数据。
15.在本实施例中，采集送出线路保护安装处a相、b相、c相电流和电压信息，得到电压和电流采样数组及：：式中，为采样数组保存数量，推荐采样频率为20khz，即每工频周波20ms内采样点数为400，则p取值为每周波采样数的2倍，即对应为800，如此，上述采样数组共保存2周波的采样数据，为、或 。
16.步骤s102，判断三相电流数据中的某一相的任一周期内电流数据之和是否大于整定值。
17.在本实施例中，当数组中任一相一周期的电流采样值之和大于整定值时保护启动，即：式中，为a相采样电流数据，为b相电流采样数据，为c相电流采样数据，≤≤i，∈z，为每周期电流采样点数，推荐取为400，n+1≤ i ≤ p，i∈z；为整定电流值，设置为。
18.其中，为线路正常运行时，对应相电流在每个周波内的最大采样值。
19.步骤s103，若三相电流数据中的某一相的任一周期内电流数据之和大于整定值，则保护启动，并判定所述某一相为故障相。
20.在本实施例中，判定所述某一相为故障相，具体包括：对数组利用对称分量法进行序分量分解，若零序电流与正序电流的比值大于整定值，则判定为接地故障，即：。
21.式中，为零序电流，为正序电流，δ为整定门槛，取为10%。若上式不成立，则判定为相间故障。
22.步骤s104，基于所述三相电压数据计算电压跌落程度和三相电压不平衡度，并判断所述电压跌落程度或所述三相电压不平衡度是否大于整定值。
23.在本实施例中，计算电压跌落程度λ和三相电压不平衡度ζ的表达式为：
，式中，为电压跌落程度，为线路额定电压有效值，为对滤波后电压数据采用傅里叶算法计算的有效值，为三相电压不平衡度，分别为由电压数据计算得到的ab相之间的线电压有效值、bc相之间的线电压有效值和ca相之间的线电压有效值，为电压算子。
24.综合电压跌落程度和三相电压不平衡度判定故障严重程度，判定条件为：。
25.即对于分别计算得到的电压跌落程度和三相不平衡度，只要其一满足大于50%，立即判定为严重故障；否则判定为非严重故障。
26.步骤s105，若所述电压跌落程度和所述三相电压不平衡度均不大于整定值，采用基于稳态工频分量的距离保护判据，当计算得到的相间距离阻抗或接地距离阻抗在预设范围内时，进行保护动作。
27.在本实施例中，当判定送出线的某处发生接地故障时，对应的区内动作判据为：式中，为接地距离阻抗，为整定系数，取值为0.8，为被保护线路全长的正序阻抗，k为零序补偿系数，，为被保护线路全长的零序阻抗，为对滤波后电压数据采用傅里叶算法计算的实部，为对滤波后电压数据采用傅里叶算法计算的虚部，为对滤波后电流数据采用傅里叶算法计算的实部，为对滤波后电流数据采用傅里叶算法计算的虚部，k为零序补偿系数，为由滤波后电流数据计算得到的零序相量。
28.当判定送出线的某处发生相间故障时，对应的区内动作判据为：式中，为相间距离阻抗，为故障线电压采用傅里叶算法计算的实部，为故障线电压采用傅里叶算法计算的虚部，为故障线电流采用傅里叶算法计算的实部，为故障线电流采用傅里叶算法计算的虚部。
29.步骤s106，若所述电压跌落程度或所述三相电压不平衡度大于整定值，采用基于小波变换的暂态保护判据，根据故障后高频暂态能量的大小判定故障范围，若故障在送出线路的保护区内，则进行保护动作。
30.在本实施例中，对由滤波后电流数据进行连续小波变换：式中，e为尺度因子，取值为[1，]，为平移因子，取值为0≤≤e，为morlet母小波，为连续小波变换后的系数矩阵，为第一变量，1≤≤，∈z，为采样数组保存数量。
[0031]
分别对0
‑
30khz，30khz
‑
60khz的频率区间进行划分。划分的频率间隔均为：。
[0032]
在0
‑
60khz/频率区间计算得出小波变换系数为：式中，为morlet母小波函数的共轭傅里叶函数，为第二变量，0 ≤≤ 60khz/，∈z，为第三变量，
×ꢀ
≤≤ （+1）
×
，∈z。
[0033]
计算低频能量系数和高频能量系数：：其中，[ ]为向下取整运算。
[0034]
基于低频能量系数和高频能量系数构造风电送出线路区内故障的判据为：式中，为设定值，取值范围15%~25%。若上式不成立，则判定为区外故障。
[0035]
综上描述，本技术的方法，根据检测得到的电压跌落程度和三相不平衡度，判定故障严重程度，能够准确进行故障判定，从而提高保护动作的可靠性，据此在非严重故障时，选择基于稳态工频量动作的距离保护判据，在严重故障时，则切换至基于小波变换的暂态保护判据，实现了在严重故障情形下通过判据切换，可以加速故障隔离。
[0036]
请参阅图2，其示出了本技术的风电系统送出线保护方案仿真模型示意图。
[0037]
图2是基于pscad仿真平台搭建的风电场及其送出线仿真模型。其中，、分别为第一故障点和第二故障点，风电集群1、2、3合称为，双馈风电场每台风机经箱变
（690v/35kv）连接到35kv汇流母线上，再通过主变将电压升高到110kv至送出线ab段。与线路ab相连的大电网额定线电压为110kv，额定运行频率50hz。风电输出总功率为90mw。送出线ab全长50km，单位长度正序线路电阻、电感分别为0.115ω/km与1.052mh/km；单位长度零序线路电阻、电感分别为0.315ω/km与3.773mh/km。保护安装在风电送出线靠近风电系统出口处。现以dfigs送出线ab段为例，阐述本发明实施例的实施方式。
[0038]
实施例1在风电场送出线路靠近电场端出口处安装继电保护设备，对三相电压和电流进行20khz的高频采样，每周期采样数n为400，并添加信噪比为20db的高斯白噪声模拟信号噪声污染，由此得到电压和电流采样数组及。
[0039]
设置在3s时刻送出线ab的60%位置处发生过渡电阻为50ω的bc相间故障，此时保护装置根据上述采集数据，实时进行保护启动和故障类型判断，经计算：因此保护启动。继而对电流采样数组im进行序分量分解，判定故障类型，经计算：因此判定为相间故障。
[0040]
确定结构元素str的定义域为，故障相电和相电流的定义域均为。对故障后的故障相电压和相电流采样信号进行滤波处理，并取两次形态开闭级联运算的平均值作为输出，得到电压信号的滤波输出为，电流信号的滤波输出为。图3显示了滤波前后故障相电压、电流波形的对比，表明所用的形态学级联滤波方法对有极佳的去噪效果。
[0041]
对滤波后电压数据采用傅里叶算法计算保护安装处电压有效值，并据此计算电压跌落程度和三相电压不平衡度：因此判定故障为非严重类型故障。
[0042]
使用基于稳态工频分量的距离保护判据故障范围：采用故障启动后20ms的数据，由于相别判定结果为相间故障，故采用计算相间阻抗的方式进行故障定段：因此断定为区内故障，保护快速动作切除。图4为工频量距离保护判据动作情况。图4中相间阻抗幅值大小在3s故障发生后迅速增大而后保持稳定，且其值始终小于，即意味着判定为区内故障。
[0043]
实施例2在风电场送出线路靠近电场端出口处安装继电保护设备，对三相电压和电流进行20khz的高频采样，每周期采样数n为400，并添加信噪比为20db的高斯白噪声模拟信号噪声污染，由此得到电压和电流采样数组及。
[0044]
设置在3s时刻送出线ab的30%位置处发生过渡电阻为3ω的三相短路故障，此时保护装置根据上述采集数据，实时进行保护启动和故障类型判断，经计算：因此保护启动。继而对电流采样数组进行序分量分解，判别故障类型，经计算：因此判别为相间故障。
[0045]
确定结构元素str的定义域为，故障相电压和相电流的定义域均为。对故障后的故障相电压和相电流采样信号进行滤波处理，并取两次形态开闭级联运算的平均值作为输出，得到电压信号的滤波输出为，电流信号的滤波输出为。
[0046]
对滤波后电压数据采用傅里叶算法计算保护安装处电压有效值，并据此计算电压跌落程度和三相电压不平衡度：
因此判定故障为严重类型故障。
[0047]
采用故障后2.5ms的故障相电流数据，对其进行小波变换，可求得低频能量系数为0.27，高频能量系数为0.65，风电送出线路区内故障的判据为：因此断定为区内故障，保护快速动作切除。图5为风电送出线路区内故障判据动作情况。图5中在3s故障发生后迅速增大，且其值大于25%的设定值，即意味着判定为区内故障。
[0048]
综上，本实施例验证了本发明的正确性与可行性，一种适用于风电场送出线路的故障保护方法可以准确进行故障判定，提高了保护动作的可靠性，并且在严重故障情形下通过判据切换，可以加速故障隔离。
[0049]
请参阅图6，其示出了本技术的一种适用于风电场送出线路的故障保护装置的结构图。
[0050]
如图6所示，故障保护装置200，包括采集模块210、第一判断模块220、启动模块230、第二判断模块240、第三判断模块250以及第四判断模块260。
[0051]
其中，采集模块210，配置为实时采集送出线路保护安装处的三相电压数据和三相电流数据；第一判断模块220，配置为判断三相电流数据中的某一相的任一周期内电流数据之和是否大于整定值；启动模块230，配置为若三相电流数据中的某一相的任一周期内电流数据之和大于整定值，则保护启动，并判定所述某一相为故障相；第二判断模块240，配置为基于所述三相电压数据计算电压跌落程度和三相电压不平衡度，并判断所述电压跌落程度或所述三相电压不平衡度是否大于整定值；第三判断模块250，配置为若所述电压跌落程度和所述三相电压不平衡度均不大于整定值，采用基于稳态工频分量的距离保护判据，当计算得到的相间距离阻抗或接地距离阻抗在预设范围内时，进行保护动作；第四判断模块260，配置为若所述电压跌落程度或所述三相电压不平衡度大于整定值，采用基于小波变换的暂态保护判据，根据故障后高频暂态能量的大小判定故障范围，若故障在送出线路的保护区内，则进行保护动作。
[0052]
应当理解，图6中记载的诸模块与参考图1中描述的方法中的各个步骤相对应。由此，上文针对方法描述的操作和特征以及相应的技术效果同样适用于图6中的诸模块，在此不再赘述。
[0053]
在另一些实施例中，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令可执行上述任意方法实施例中的适用于风电场送出线路的故障保护方法；作为一种实施方式，本发明的计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，计算机可执行指令设置为：
实时采集送出线路保护安装处的三相电压数据和三相电流数据；判断三相电流数据中的某一相的任一周期内电流数据之和是否大于整定值；若三相电流数据中的某一相的任一周期内电流数据之和大于整定值，则保护启动，并判定所述某一相为故障相；基于所述三相电压数据计算电压跌落程度和三相电压不平衡度，并判断所述电压跌落程度或所述三相电压不平衡度是否大于整定值；若所述电压跌落程度和所述三相电压不平衡度均不大于整定值，采用基于稳态工频分量的距离保护判据，当计算得到的相间距离阻抗或接地距离阻抗在预设范围内时，进行保护动作；若所述电压跌落程度或所述三相电压不平衡度大于整定值，采用基于小波变换的暂态保护判据，根据故障后高频暂态能量的大小判定故障范围，若故障在送出线路的保护区内，则进行保护动作。
[0054]
计算机可读存储介质可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储根据适用于风电场送出线路的故障保护装置的使用所创建的数据等。此外，计算机可读存储介质可以包括高速随机存取存储器，还可以包括存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。在一些实施例中，计算机可读存储介质可选包括相对于处理器远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至适用于风电场送出线路的故障保护装置。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
[0055]
图7是本发明实施例提供的电子设备的结构示意图，如图7所示，该设备包括：一个处理器310以及存储器320。电子设备还可以包括：输入装置330和输出装置340。处理器310、存储器320、输入装置330和输出装置340可以通过总线或者其他方式连接，图7中以通过总线连接为例。存储器320为上述的计算机可读存储介质。处理器310通过运行存储在存储器320中的非易失性软件程序、指令以及模块，从而执行服务器的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例适用于风电场送出线路的故障保护方法。输入装置330可接收输入的数字或字符信息，以及产生与适用于风电场送出线路的故障保护装置的用户设置以及功能控制有关的键信号输入。输出装置340可包括显示屏等显示设备。
[0056]
上述电子设备可执行本发明实施例所提供的方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。未在本实施例中详尽描述的技术细节，可参见本发明实施例所提供的方法。
[0057]
作为一种实施方式，上述电子设备应用于适用于风电场送出线路的故障保护装置中，用于客户端，包括：至少一个处理器；以及，与至少一个处理器通信连接的存储器；其中，存储器存储有可被至少一个处理器执行的指令，指令被至少一个处理器执行，以使至少一个处理器能够：实时采集送出线路保护安装处的三相电压数据和三相电流数据；判断三相电流数据中的某一相的任一周期内电流数据之和是否大于整定值；若三相电流数据中的某一相的任一周期内电流数据之和大于整定值，则保护启动，并判定所述某一相为故障相；基于所述三相电压数据计算电压跌落程度和三相电压不平衡度，并判断所述电压跌落程度或所述三相电压不平衡度是否大于整定值；
若所述电压跌落程度和所述三相电压不平衡度均不大于整定值，采用基于稳态工频分量的距离保护判据，当计算得到的相间距离阻抗或接地距离阻抗在预设范围内时，进行保护动作；若所述电压跌落程度或所述三相电压不平衡度大于整定值，采用基于小波变换的暂态保护判据，根据故障后高频暂态能量的大小判定故障范围，若故障在送出线路的保护区内，则进行保护动作。
[0058]
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各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，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）执行各个实施例或者实施例的某些部分的方法。
[0059]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。