双馈风机接入柔性直流的纵联保护系统及纵联保护方法

1.本发明属于柔性直流电网继电技术领域，涉及一种双馈风机接入柔性直流的纵联保护系统，还涉及该系统的纵联保护方法。


背景技术：

2.我国中西部和北部省份的新能源主要采取集中开发模式，而直流系统具有传输容量大、输电距离远、线路损耗低、输电走廊窄等优点，同时不存在交流系统的无功平衡、频率稳定和系统同步等问题，因此非常适合用于大规模的资源开发和跨区域的电力传输。而mmc-hvdc(modular multilevel converter-high voltage direct current)相比于常规直流输电具有灵活控制有功和无功功率、易形成直流电网、具备黑启动能力、无换相失败风险的优点，因此它更适用于风电等新能源的接入。但是新能源和mmc-hvdc同样也给传统继电保护带来了挑战。
3.随着风电集中式接入mmc-hvdc的比例扩大，电网的继电保护开始面临前所未有的挑战[1、2]，继电保护装置依据故障特征而动作，电网的故障特征取决于网络的电源与拓扑结构。对介于风电与大系统之间的线路应采取纵联保护，传统的纵联保护理论是在被保护线路两端电源都是同步发电机的基础上建立与发展起来的，在故障暂态过程中，认为同步发电机不发生任何参数的变化，并以此为前提进行电网的故障特征分析，提出一系列相应的继电保护方案。风电发电机组和mmc-hvdc本质是一个含电力电子器件的非线性控制系统[3]，与传统的同步发电机相比，风力发电机组和mmc-hvdc系统在故障暂态过程中的暂态特性与同步发电机的暂态特性完全不同。因此，对于风电接入mmc-hvdc的交流送出线路，其故障特征将显著区别于传统电网的故障特征。因此风电接入mmc-hvdc给传统的继电保护方案在可靠性、灵敏性方面带来极大的挑战。
[0004]
目前针对风电接入mmc-hvdc系统交流保护的研究主要集中于mmc-hvdc并网端。相对而言，对于双侧均是电力电子电源的线路保护研究尚不成熟。所以有必要在研究风电和mmc-hvdc暂态特性以及传统继电保护适应性的前提下，提出新的纵联保护方案。


技术实现要素：

[0005]
本发明的目的是提供双馈风机接入柔性直流的纵联保护系统。解决了现有技术中存在的对于风电接入mmc-hvdc送出线路的保护方法不能适应双端电力电子电源网络的问题。
[0006]
本发明的目的还在于提供双馈风机接入柔性直流的纵联保护系统的纵联保护方法。
[0007]
本发明所采用的第一种技术方案是：双馈风机接入柔性直流的纵联保护系统，具体电路结构如下：包括电源、a母线和b母线，a母线通过线路与b母线相连，b母线处通过升压变压器与mmc-hvdc系统相连，a母线处通过降压变压器与电源相连；
[0008]
在a母线的出口处设置有首端断路器和检测首端断路器电压电流值的首端电压电
流互感器，首端断路器与动作控制器a相连接，其中首端电压电流互感器和动作控制器a均与可编程处理器a连接；在b母线的出口处设置有末端断路器和检测末端断路器处电压电流值的末端电压电流互感器，其中末端断路器与动作控制器b相连接，末端电压电流互感器和动作控制器b均与可编程处理器b相连接。
[0009]
电源为双馈风力发电机。
[0010]
本发明所采用的第二种技术方案是：双馈风机接入柔性直流的纵联保护系统的纵联保护方法，具体按照以下步骤实施：
[0011]
步骤1、通过首端电压电流互感器、末端电压电流互感器(10)分别采集线路上首端断路器、末端断路器处的电流值，首端电压电流互感器将测得的电流值输入到可编程处理器a中，末端电压电流互感器将测得的电流值输入到可编程处理器b中；
[0012]
步骤2，利用步骤1得到首端断路器波形和末端断路器电流计算两端电流的频带能量占比，若计算得到的首个频带能量占比的差值m大于整定值则断路器动作，首端断路器、末端断路器跳闸断开线路，如计算得到的m小于整定值则继续进行采样；完成mmc-hvdc送出线路纵联保护。
[0013]
本发明的特点还在于：
[0014]
步骤1具体按照以下实施：通过pscad仿真实验模拟mmc-hvdc送出线路发生不同类型的故障，将半个周期故障电流数据导入matlab程序。
[0015]
步骤2，具体通过以下实施：对步骤1得不同故障下首端断路器电流数据和末端断路器电流数据求解各个频带分量能量占比，如果得到的第一个频带能量占比小于整定值，则继续采样，若大于整定值则进行步骤3，其中频带分量能量占比计算方法为：
[0016]
步骤2中频带能量占比计算方法为：
[0017]
根据采样电流特点和需求选取meyer小波分解，将meyer小波定义为函数通过双尺度差分方程
[0018][0019]
其中，w(t)为正交尺度函数，{hk}
k∈z
和{gk}
k∈z
是一对共轭正交滤波器系数，t为时间尺度；
[0020]
生产函数组{w
n,j,k
(t):＝2-j/2
wn(2-j-k),n∈z,j∈z,k∈z}称为关于的正交小波包，z代表整数集；
[0021]
对于步骤1中的电流采样信号i(t)，其离散正交小波包变换定义为i(t)在正交小波包基{w
n,j,k
(t)}
n∈z,j∈z,k∈z
的投影系数，即：
[0022][0023]
其中，{ps(n,j,k)}
k∈z
为i(t)在正交小波包空间上的小波包变换系数序列；
[0024]
则正交小波包空间u
jn
电流信号i(t)在该时频局域化空间的能量分布e(j,n)定义
如下：
[0025][0026]
其中，小波包变换系数ps(n,j,k)的离散数值计算采用式(1)的递推算法，第一个频带能量即为第一个小波包变换系数能量分布在整体能量分布中的占比d如下：
[0027][0028]
综上，借鉴传统电流差动保护构造出介于dfig与mmc-hvdc之间线路的纵联保护判据：
[0029]
(d
mmc
+d
dfig
)-(d
mmc-d
dfig
)≥d
op0
ꢀꢀ
(5)
[0030]
其中，d
mmc
代表mmc短路电流中的首个频带分量，d
dfig
代表dfig短路电流中的首个频带分量；d
op0
为整定值。
[0031]
步骤2中的整定值为0.2。
[0032]
本发明的有益效果是：本发明双馈风机接入柔性直流的纵联保护系统的纵联保护方法，解决了现有技术中存在的对于dfig接入mmc-hvdc系统送出线路的保护方法不能适应双端电力电子电源的问题；采用小波包算法来计算被保护线路两端的电流的频带能量占比，从而区内故障还是区外故障，提高了保护的可靠性。
附图说明
[0033]
图1是本发明双馈风机接入柔性直流的纵联保护系统的电路图；
[0034]
图2是本发明双馈风机接入柔性直流的纵联保护系统的纵联保护方法流程图；
[0035]
图3是本发明双馈风机接入柔性直流的纵联保护系统的纵联保护方法中利用小波包分解计算电流频带能量的示意；
[0036]
图4是本发明双馈风机接入柔性直流的纵联保护系统的纵联保护方法在dfig短路电流通过小波包分解计算电流频带能量的示意图；
[0037]
图5是本发明双馈风机接入柔性直流的纵联保护系统的纵联保护方法在mmc短路电流通过小波包分解产生各种频带能量；
[0038]
图6(a)-(d)是本发明双馈风机接入柔性直流的纵联保护系统的纵联保护方法在不同故障类型下保护整定值计算结果折线图。
[0039]
图中，1.电源，2.降压变压器，3.a母线，4.首端断路器，5.线路，6.互感器a，7.可编程处理器a，8.动作控制器a，9.末端断路器，10.互感器b，11.可编程处理器b，12.动作控制器b，13.b母线，14.变压器，15.mmc-hvdc系统。
具体实施方式
[0040]
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
[0041]
本发明的双馈风机接入柔性直流的纵联保护系统，以如下电路为例进行说明：如图1所示，包括电源1、a母线3和b母线13，a母线3通过线路5与b母线13相连，b母线13处通过
升压变压器14与mmc-hvdc系统15相连，a母线3处通过降压变压器2与电源1相连；
[0042]
在a母线3的出口处设置有首端断路器4和检测首端断路器电压电流值的首端电压电流互感器6，首端断路器4与动作控制器a8相连接，其中首端电压电流互感器6和动作控制器a8均与可编程处理器a7连接；在b母线13的出口处设置有末端断路器9和检测末端断路器处电压电流值的末端电压电流互感器10，其中末端断路器9与动作控制器b12相连接，末端电压电流互感器10和动作控制器b12均与可编程处理器b11相连接。
[0043]
电源1为双馈风力发电机。
[0044]
本发明双馈风机接入柔性直流的纵联保护系统的纵联保护方法，如图2所示，具体按照以下步骤实施：
[0045]
步骤1、通过互感器a6、互感器b10分别采集ab线路上首端断路器4、末端断路器9处的电流值，互感器a6将测得的电流值输入到可编程处理器a7中，互感器b10将测得的电流值输入到可编程处理器b11中；
[0046]
步骤1具体按照以下实施：通过pscad仿真实验模拟风电接入mmc-hvdc系统送出线路发生不同类型的故障，将得到的故障电流数据导入matlab程序。
[0047]
步骤2，利用步骤1得到出首端断路器4波形和末端断路器9电流计算两端电流的频带能量占比，并利用计算得到的首个频带能量占比带入构造的保护判据，若大于整定值则将断路器动作，将线路切除，如计算得到的值小于整定值则继续进行采样；
[0048]
步骤2具体计算频带能量占比方法为：
[0049]
在小波包分析中，由一个标准正交化的尺度函数通过双尺度差分方程
[0050][0051]
生产函数组{w
n,j,k
(t):＝2-j/2
wn(2-j-k),n∈z,j∈z,k∈z}称为关于的正交小波包，其中hk为ω(t)对应的正交低通实系数滤波器，{hk}
k∈z
和{gk}
k∈z
是由s(t)导出的一对共轭正交滤波器系数，z为整数集；下面给出正交小波包变换的定义。
[0052]
对于观测信号s(t)∈l2(r)，离散正交小波包变换定义为i(t)在正交小波包基{w
n,j,k
(t)}
n∈z,j∈z,k∈z
的投影系数，即：
[0053][0054]
其中，{ps(n,j,k)}
k∈z
为i(t)在正交小波包空间上的小波包变换系数序列。
[0055]
小波包分析的最大特点是：能将信号频带进行多层次划分，对信号提供一种更加精细的分析方法，同时能根据被分析信号的特征，自适应地选择相应频段与信号频谱相匹配。小波包空间这种完整性和正交性使得信号s(t)经过小波包变换之后，信息量完整无缺，所有成分均得到保留，这对于分析信号特征尤其是能量分布特征提供了条件。
[0056]
在小波包任意分解层次j上，不同正交小波包空间均为不同的时间-频率分辨
率空间，所有正交小波包空间的能完全覆盖信号s(t)的整个频带宽度。根据小波包分析对信号的时频分辨技术，在任意一个分解层次j上正交小波包变换均能把信号频谱分量自适应地投影到相应频段的正交小波包空间上，而且信号的信息成分完整无缺，因此原始信号s(t)在每一分解层次上的各个正交小波包空间投影分量则代表信号s(t)在对应时频分辨空间上的时频局域信息。若计算出某一分解层次上每个正交小波包空间中信号分布的能量，则可将这些能量按小波包空间频率指标n的顺序排列就构成了原始信号s(t)的特征向量。
[0057]
对于某一给定的正交小波包空间原始信号s(t)在该时频局域化空间的能量分布e(j,n)定义如下：
[0058]
e(j,n)＝∑[ps(n,j,k)]2ꢀꢀ
(3)
[0059]
其中，小波包变换系数ps(n,j,k)的离散数值计算采用式(2)的递推算法。
[0060]
第一个频带能量即为第一个小波包变换系数能量分布在整体能量分布中的占比，即：
[0061][0062]
步骤2中的整定值为0.2。若计算值大于0.2，则首端断路器4、末端断路器9跳闸断开线路，完成利用频带能量的dfig接入mmc-hvdc系统交流送出线路纵联保护。
[0063]
保护判据和整定值的取值原理如下：
[0064]
在稳态运行时，ab线路两端电流波形近似一致，且均为电流的频率均为工频，而在故障发生后，对于双馈风力发电机而言，由于异步电机的影响其短路电流中会包含衰减的直流分量，因此i1中包含一定的直流分量，对i1进行小波频带能量的计算，其首个频带将在整体能量中占一定的比例。而对于mmc-hvdc系统而言，由于故障发生后，mmc的控制器迅速响应，通常为3-4ms在控制器响应之前的这段时间，会存在一定的直流分量，但是在控制器响应之后，换流器输出电压的大小和相位立即发生变化，以使得内环电流跟踪其参考值，其故障电流中就不包含直流分量，因此它的首个频带能量在整体能量中的含量也就非常的小。如图3所示，如果故障发生ab线路区外，两端电流均为稳态电流，其中不包含衰减的直流分量，首个频带能量占比一致。如图4、5所示，分别为当故障发生时，双馈风机接入柔性直流的纵联保护系统的纵联保护方法在dfig侧短路电流通过小波包分解计算电流频带能量的示意图和在mmc侧短路电流通过小波包分解计算电流频带能量的示意图
[0065]
基于此特征可以得出：在正常运行/区外故障时，i1与i2的首个频带能量占比基本完全一致，他们之间的差值基本等于0，当区内发生故障后，i2与i1的首个频带能量占比立马产生很大差异，此时他们之间的低频能量占比就是一个明显大于0的数。利用这个差异，就可以识别出故障发生在区内还是区外。
[0066]
综上，可以构造出介于dfig与mmc-hvdc系统之间线路的纵联保护判据：
[0067]
综上，可以借鉴传统电流差动保护可以构造出介于dfig与柔直系统之间线路的纵联保护判据：
[0068]
(d
mmc
+d
dfig
)-(d
mmc-d
dfig
)≥d
op0
ꢀꢀ
(5)
[0069]
其中d
mmc
代表mmc短路电流中的的首个频带分量含量，d
dfig
代表dfig短路电流中的首个频带分量含量。d
op0
为门槛值，考虑电流传感器最大传变误差为10％并且留一定的裕度，d
op0
取为0.2。
[0070]
对不同故障类型，故障位置进行验证
[0071]
具体过程为：
[0072]
(1)由于故障发生在线路上不同位置也会影响短路电流的大小进而对频带能量的计算产生影响。因此本文在被保护线路内不同位置下进行多组仿真，故障类型为三相短路，两相短路，两相短路接地和单相短路。仿真结果如表1所示。
[0073]
表1
[0074][0075][0076]
从表1可知，在线路全长的任何地方，不论发生任何一种故障，保护动作值在故障发生后很短的时间都大于0.2，即所提保护方案可以可靠且快速地动作。但是在测试结果中发现故障发生的不同位置会对保护动作值产生影响，在故障位置越靠近系统侧(约为线路全长的10％)，保护动作值会越低，虽然不会影响可靠性，但是灵敏性有所下降。因此后面的仿真验证都是在故障发生位置处于最极端情况下进行的，验证所提保护方案的表现。
[0077]
(2)在距离为10％处，分别设置三相短路、ab两相接地短路和ab相间短路还有单相接地，在极端情况下测试所提保护方案的性能，结果如图6(a)-(d)所示。从图6(a)-(d)可以看出，在线路最首端发生各种类型的故障时，保护依然可以可靠、快速地动作。
[0078]
本发明dfig接入mmc-hvdc系统交流送出线路纵联保护方法，在针对双电源形式中利用了纵联保护，计算过程简单快速，并且利用小波包算法进行被保护线路两端电流频带能量的计算，来判别区内还是区外故障，提高了保护的可靠性。解决了现有技术中存在的对
于dfig接入mmc-hvdc系统交流送出的保护方法不能适应两端电力电子电源特性的问题，实用性高；有利于故障的识别和切除。