適用于雙饋風(fēng)電場聯(lián)絡(luò)線的距離保護(hù)方案

楊增力孔祥平王力軍張 哲周虎兵

（1. 國網(wǎng)湖北省電力公司 武漢 430077 2. 國網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院 南京 211103 3. 強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國家重點實驗室（華中科技大學(xué)） 武漢 430074）

適用于雙饋風(fēng)電場聯(lián)絡(luò)線的距離保護(hù)方案

楊增力1孔祥平2王力軍1張 哲3周虎兵1

（1. 國網(wǎng)湖北省電力公司 武漢 430077 2. 國網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院 南京 211103 3. 強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國家重點實驗室（華中科技大學(xué)） 武漢 430074）

風(fēng)電場聯(lián)絡(luò)線作為風(fēng)電場向電網(wǎng)輸送功率的重要通道，其穩(wěn)定運(yùn)行對于風(fēng)電場和電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要影響。雙饋風(fēng)電機(jī)組故障電流特性復(fù)雜，將導(dǎo)致基于全波傅里葉算法的傳統(tǒng)距離保護(hù)應(yīng)用在雙饋風(fēng)電場聯(lián)絡(luò)線上時性能嚴(yán)重劣化，難以滿足實際電網(wǎng)安全運(yùn)行要求。因此提出一種距離保護(hù)方案。該方案以瞬時值表征的微分方程算法為基礎(chǔ)，通過數(shù)字低通濾波、故障點電壓重構(gòu)和故障距離迭代計算等技術(shù)保證距離測量的正確性。仿真結(jié)果表明，該距離保護(hù)方案的整體性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)距離保護(hù)方案，可較好地滿足工程應(yīng)用要求。

雙饋風(fēng)電場 聯(lián)絡(luò)線保護(hù) 距離保護(hù) 保護(hù)算法 仿真分析

0 引言

近年來，隨著風(fēng)電并網(wǎng)容量的快速增長，雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)（Doubly-Fed Induction Generator, DFIG）作為風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的主流方案，其應(yīng)用也越來越廣泛[1-3]。受自然條件、地理環(huán)境等因素的限制，DFIG難以像光伏發(fā)電機(jī)組一樣實現(xiàn)分布式、就地并網(wǎng)。因此，DFIG一般采用單元接線方式，并聯(lián)分組后就地形成集約式風(fēng)電場，然后經(jīng)過升壓變壓器，通過聯(lián)絡(luò)線連接到配電網(wǎng)或輸電網(wǎng)中[4]。雙饋風(fēng)電場聯(lián)絡(luò)線作為風(fēng)電場向電網(wǎng)輸送功率的重要通道，其運(yùn)行安全對于風(fēng)電場和電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行都具有重要意義。因此，電網(wǎng)故障時確保雙饋風(fēng)電場聯(lián)絡(luò)線保護(hù)正確、可靠的動作對風(fēng)電場和電網(wǎng)至關(guān)重要。

雙饋風(fēng)電場的運(yùn)行方式受氣候條件等因素的影響，具有明顯的隨機(jī)性和間歇性[5-7]。鑒于距離保護(hù)，特別是距離保護(hù)Ⅰ段受系統(tǒng)運(yùn)行方式變化的影響較小，許多學(xué)者推薦采用距離保護(hù)作為聯(lián)絡(luò)線的主保護(hù)或后備保護(hù)[8]，以保證雙饋風(fēng)電場聯(lián)絡(luò)線的運(yùn)行安全。進(jìn)一步地，文獻(xiàn)[9-11]提出了距離保護(hù)的自適應(yīng)整定方案，以應(yīng)對雙饋風(fēng)電場運(yùn)行方式變化的影響。

這些傳統(tǒng)的或自適應(yīng)整定的距離保護(hù)動作的基本原則是：利用保護(hù)安裝處測量得到的電壓和電流中的基頻分量，計算保護(hù)安裝處與故障點之間的視在阻抗，并以此來判斷是否為區(qū)內(nèi)故障。然而，對DFIG故障電流特性的分析表明[12-16]，其變化特征與傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)饋出的故障電流存在較大差異，導(dǎo)致上述基于全波傅里葉算法的距離保護(hù)方案的測量阻抗無法正確反應(yīng)故障距離。這意味著，其應(yīng)用于雙饋風(fēng)電場聯(lián)絡(luò)線上時，保護(hù)性能嚴(yán)重劣化[17-21]，難以滿足實際應(yīng)用要求。

為了解決基于全波傅里葉算法的距離保護(hù)方案應(yīng)用在雙饋風(fēng)電場聯(lián)絡(luò)線上所面臨的問題，本文提出了一種由輸電線路微分方程、低通濾波、故障點電壓重構(gòu)和故障距離迭代計算四部分構(gòu)成的距離保護(hù)方案，該方案以瞬時值表征的微分方程算法為基礎(chǔ)構(gòu)成，因此，其性能不受DFIG復(fù)雜故障電流特性的影響。采用低通濾波器有效消除了測量電壓和電流中高頻分量對微分方程算法的影響。通過對故障點電壓進(jìn)行重構(gòu)，保證經(jīng)過低通濾波后，保護(hù)安裝處測量得到的電壓、電流以及故障點電壓等電氣參數(shù)仍符合原始輸電線路參數(shù)模型。仿真算例表明，本文提出的距離保護(hù)方案的整體性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)距離保護(hù)方案。

1 基于全波傅里葉算法的距離保護(hù)存在的問題

隨著風(fēng)電并網(wǎng)容量的不斷增長，新并網(wǎng)規(guī)程要求風(fēng)電機(jī)組必須具備低電壓穿越運(yùn)行能力[22]。為了提高DFIG的低電壓穿越運(yùn)行能力，一種常用的辦法是安裝撬棒電路[23]。當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落較為嚴(yán)重時，撬棒電路投入，斷開轉(zhuǎn)子側(cè)變流器與轉(zhuǎn)子繞組的連接，并通過撬棒電阻將轉(zhuǎn)子繞組短路。撬棒電路的投入，使得雙饋電機(jī)的短路電流特性更為復(fù)雜，給基于全波傅里葉算法的傳統(tǒng)距離保護(hù)的動作性能帶來了諸多不利影響，主要表現(xiàn)在以下三個方面。

（1）在風(fēng)電場近區(qū)發(fā)生故障時，撬棒電路將自動投入。由于撬棒電路投入前后，DFIG饋出的故障電流特性發(fā)生明顯變化，且撬棒電路的投入存在時延，因而導(dǎo)致基于全波傅里葉算法的距離保護(hù)算法出現(xiàn)跨數(shù)據(jù)窗問題，影響測量阻抗的計算精度。

（2）一旦撬棒電路投入，DFIG的故障電流中會出現(xiàn)角頻率約等于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度的衰減電流分量[13]，且該電流分量的衰減時間常數(shù)很小。一般來說，DFIG允許的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速范圍為0.7～1.3(pu)，意味著上述衰減電流分量的頻率和基頻相差不大。因此，上述衰減電流分量的存在會給故障電流基頻分量的計算帶來較大的誤差。

（3）當(dāng)聯(lián)絡(luò)線上發(fā)生三相對稱故障，撬棒電路投入后，DFIG故障電流中只有角頻率分別約等于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度和0的兩個衰減電流分量[13]，不存在傳統(tǒng)距離保護(hù)計算測量阻抗所需的基頻分量，從而導(dǎo)致保護(hù)失效。

綜上，基于全波傅里葉算法的傳統(tǒng)距離保護(hù)難以直接作為雙饋風(fēng)電場聯(lián)絡(luò)線保護(hù)使用，需要采用新的保護(hù)方案。

2 新型距離保護(hù)方案

2.1 輸電線路微分方程

下面以輸電線路發(fā)生單相接地故障為例給出輸電線路的R-L微分方程。輸電線路單相接地故障模型如圖1所示，輸電線路在F點處發(fā)生A相接地故障，過渡電阻為Rf。

圖1 輸電線路單相接地故障模型Fig.1 Single-phase-to-ground fault model for transmission line

以母線M為例，保護(hù)安裝處M測量得到的A相電壓為

式中，uMa(t)和iMa(t)分別為保護(hù)安裝處M測量得到的A相電壓和電流；iMa0(t)為保護(hù)安裝處M測量得到的A相電流的零序分量；ufa(t)為故障點F處的A相電壓；L1和R1分別為輸電線路單位長度的正序電感和電阻；L0和R0分別為輸電線路單位長度的零序電感和電阻；lf為從保護(hù)安裝處M到故障點F處的輸電線路長度，即故障距離。

對于式（1）中的微分項，可用式（2）所示的差分算法代替。

式中，Ts為保護(hù)采樣周期；n為采樣點序號。

將式（2）代入式（1），可得

將多點采樣數(shù)據(jù)代入式（3），可以得到一系列的差分方程，從而形成一個差分方程組。然后，利用最小二乘算法對差分方程組進(jìn)行迭代計算，求解出故障距離lf。

式（3）中的故障點F處的A相電壓ufa(n)是以過渡電阻Rf為自變量的函數(shù)，需要通過故障點電壓重構(gòu)獲得，這將在后續(xù)內(nèi)容中闡述。

2.2 低通濾波

在故障引起的暫態(tài)過程中，電壓和電流中將出現(xiàn)大量的高頻分量，對基于微分方程算法的距離保護(hù)性能產(chǎn)生不利影響。因此，需要引入低通濾波器對測量電壓和電流中的高頻分量進(jìn)行處理。

二階巴特沃斯低通濾波器具有最大平坦響應(yīng)、良好的線性相位特性和便于設(shè)計等優(yōu)點[24]，因此，本文采用二階巴特沃斯低通濾波器對測量電壓和電流進(jìn)行濾波。二階巴特沃斯低通濾波器為

式中，ωc為二階巴特沃斯低通濾波器的截止角頻率。文中，ωc=942.477rad/s，意味著截止頻率為150Hz。

雖然經(jīng)過二階巴特沃斯低通濾波器后，輸出信號和原始輸入信號之間存在一定的相位延遲，但是由于電壓和電流均通過了該低通濾波器，兩者間的相位關(guān)系不會發(fā)生變化。因此，通過對式（3）所給出的差分方程迭代計算，仍能準(zhǔn)確地計算出故障距離。

2.3 故障點電壓重構(gòu)

由式（3）可知，要通過迭代計算得到準(zhǔn)確的故障距離，不僅需要獲得保護(hù)安裝處的測量電壓和電流，還需要知道故障點電壓。但故障點電壓對于保護(hù)來說是未知的，需通過重構(gòu)的方法近似獲得。

根據(jù)輸電線路等傳變原理[25]，除了保護(hù)安裝處的測量電壓和電流應(yīng)通過上述二階巴特沃斯低通濾波器，通過重構(gòu)獲得的故障點電壓也應(yīng)通過相同的低通濾波器，以保證所有電氣參數(shù)符合原始輸電線路的參數(shù)模型。若在本文距離保護(hù)方案中，故障點重構(gòu)電壓不進(jìn)行濾波，則可能使故障距離計算結(jié)果出現(xiàn)較大的誤差，從而導(dǎo)致該距離保護(hù)方案出現(xiàn)暫態(tài)超越的問題。

基于以上考慮，分成故障發(fā)生前、后兩個階段分別對故障點電壓進(jìn)行重構(gòu)，并將故障點重構(gòu)電壓ufr拆分成兩部分，即

式中，ufr1為正常運(yùn)行情況下的故障點電壓；ufr2為過渡電阻的電壓降。下面詳細(xì)闡述ufr1和ufr2的求解過程。

1）故障發(fā)生前

電網(wǎng)發(fā)生故障前，故障點電壓通常為正弦穩(wěn)態(tài)的線路電壓。由于故障點位置是無法預(yù)知的，因此，可在被保護(hù)線路上選取某一點（如線路中點）作為假定的故障點，然后求得正常運(yùn)行情況下該點的電壓作為故障點電壓。該情況下滿足

式中，if為流過過渡電阻的故障電流；L1r為保護(hù)安裝處到假定故障點的線路正序電感；R1r為保護(hù)安裝處到假定故障點的線路正序電阻。

在被保護(hù)線路上，任意選取某一點作為假定故障點的處理方法將對故障距離的計算結(jié)果帶來一定的誤差，但是采用下文將要闡述的迭代算法可以減少這種處理方法所帶來的誤差。

2）故障發(fā)生后

電網(wǎng)故障后的電壓重構(gòu)需要考慮單相接地故障和相間故障兩種故障類型。對于單相接地故障，一般情況下，故障點兩側(cè)零序阻抗角相差不大，因此，可近似認(rèn)為過渡電阻上流過的零序電流的相位與保護(hù)安裝處測量得到的零序電流相位相同，即

式中，C0為保護(hù)安裝處的零序分流系數(shù)。該情況下滿足

式中，Rfr=C0Rf。

同理，對于經(jīng)過渡電阻的相間故障，可近似認(rèn)為過渡電阻上流過的故障電流的相位與保護(hù)安裝處測量得到的故障相電流相位相同，即

式中，C1為保護(hù)安裝處的正序分流系數(shù)。這種情況滿足

式中，Rfr=C1Rf。

分別將ufr1和iM、iM0經(jīng)過二階巴特沃斯低通濾波器處理后得到uf′r1和iM′、iM′0，這樣就可以得到經(jīng)過二階巴特沃斯低通濾波器處理后的故障點重構(gòu)電壓為

未知數(shù)Rfr可通過下文將要闡述的迭代算法求出。若求解得到的Rfr接近零，則認(rèn)為發(fā)生的故障為金屬性故障；否則，所發(fā)生的故障為經(jīng)過渡電阻故障。

2.4 故障距離迭代計算

為了減小故障距離計算結(jié)果的誤差，當(dāng)檢測到故障發(fā)生后，采用如下的故障距離迭代計算方法。

（1）定義t0為故障發(fā)生時刻，tcal為當(dāng)前的采樣時刻。假設(shè)故障點位于線路中點，即設(shè)置故障距離的初始迭代值為liter=0.5lwhole，lwhole是被保護(hù)線路的全長。

（2）獲得當(dāng)前時刻保護(hù)安裝處的測量電壓和電流的采樣值，并利用二階巴特沃斯低通濾波器對各時刻的測量電壓和電流的采樣值進(jìn)行濾波，得到新的測量電壓和電流的采樣值。

（3）根據(jù)2.3節(jié)介紹的故障點電壓重構(gòu)原理，計算當(dāng)前采樣時刻的故障點重構(gòu)電壓的采樣值。

（4）如果tcal-t0≥T1（取T1=5ms），轉(zhuǎn)至（5）；否則，轉(zhuǎn)至（8）。

（5）將tcal-T1～tcal時間段內(nèi)的每個采樣時刻的保護(hù)安裝處的測量電壓、電流和故障點重構(gòu)電壓的采樣值代入式（3），得到一個差分方程組。

（6）利用最小二乘算法對差分方程組進(jìn)行計算，求解故障距離lcal，并令liter=lcal。

（7）如果tcal-t0≤T3（T3為全部迭代計算結(jié)束的最大時間寬度，取T3=40ms），轉(zhuǎn)至（8）；否則，轉(zhuǎn)至（9）。

（8）進(jìn)行下一次采樣，并將tcal更新至最新的采樣時刻，轉(zhuǎn)至（2）。

（9）迭代結(jié)束。

通過上述迭代計算，可以得到故障發(fā)生后5～40ms內(nèi)每一個采樣點的故障距離。

3 仿真

3.1 仿真模型

圖2 雙饋風(fēng)電場接線Fig.2 DFIG based wind farm connection

典型的雙饋風(fēng)電場接線如圖2所示。由于仿真研究主要考慮故障后雙饋風(fēng)電場復(fù)雜故障電流特性情況下聯(lián)絡(luò)線保護(hù)的性能，且故障持續(xù)時間較短。因此，在仿真研究過程中，風(fēng)電場的風(fēng)速保持不變。

在忽略風(fēng)電場內(nèi)部損耗的情況下，即使不同雙饋風(fēng)電機(jī)組的故障電流可能不等，但其特征相同。這種情況下，整個雙饋風(fēng)電場可以用單臺DFIG等效替代，如圖3所示。需要說明的是，這種雙饋風(fēng)電場的等效處理方法對繼電保護(hù)原理研究的影響可以忽略不計。

圖3 雙饋風(fēng)電場等效模型Fig.3 Equivalent model of DFIG based wind farm

圖3中，DFIG的額定容量為100MV·A，額定線電壓為690V。定子繞組電阻為0.007 56(pu)，定子漏電抗為0.142 5(pu)，轉(zhuǎn)子繞組電阻為0.005 33(pu)，轉(zhuǎn)子漏電抗為0.142 5(pu)，定轉(zhuǎn)子互感為2.176 7(pu)，轉(zhuǎn)子額定轉(zhuǎn)速為1.2(pu)。變壓器T1容量為120MV·A/ 120MV·A，電壓比為0.69kV/35.0kV，聯(lián)結(jié)組標(biāo)號為ynD，漏電抗為8.95%；變壓器T2容量為120MV·A/ 120MV·A，電壓比為35.0kV/110.0kV，聯(lián)結(jié)組標(biāo)號為dYN，漏電抗為10.5%；集電線總長度5km，單位長度正序電阻、電抗分別為rC(1)=0.17Ω/km、xC(1)= 0.19Ω/km，單位長度零序電阻、電抗分別為rC(0)= 0.394Ω/km、xC(0)=0.43Ω/km；聯(lián)絡(luò)線總長度為100km，單位長度正序電阻、電抗分別為rT(1)= 0.081Ω/km、xT(1)=0.401Ω/km，單位長度零序電阻、電抗分別為rT(0)=0.475Ω/km，xT(0)=1.143Ω/km。此外，線路L1總長度為40km，線路L2總長度為60km，線路L1和L2的其他參數(shù)與聯(lián)絡(luò)線相同。

3.2 新型距離保護(hù)方案性能

為了全面地說明所提出的距離保護(hù)方案的性能，下面對不同故障點位置（包括保護(hù)區(qū)內(nèi)和保護(hù)區(qū)外）發(fā)生不同類型故障情況下，該距離保護(hù)方案的性能進(jìn)行仿真。在以下仿真算例中，故障發(fā)生時刻為t=5s。

3.2.1 區(qū)內(nèi)故障

為了驗證保護(hù)區(qū)內(nèi)發(fā)生故障時本文距離保護(hù)方案的動作性能，在聯(lián)絡(luò)線上分別選取距母線A 10km、50km和80km的三個故障點。圖4～圖7分別給了上述三個故障點發(fā)生單相金屬性接地故障AG、單相經(jīng)50Ω過渡電阻接地故障AG（50Ω）、BC相間故障和ABC三相對稱故障時，本文距離保護(hù)方案計算得到的故障距離曲線。

圖4 單相金屬性接地故障時的故障距離曲線Fig.4 Fault distance curves with single-phase-grounded fault

圖5 單相經(jīng)50Ω過渡電阻接地故障時的故障距離曲線Fig.5 Fault distance curves with single-phase-grounded fault via resistance of 50Ω

圖6 BC相間故障時的故障距離曲線Fig.6 Fault distance curves with phase to phase (BC) fault

圖7 三相對稱故障時的故障距離曲線Fig.7 Fault distance curves with three-phase symmetrical fault

從圖4～圖7可以看出，保護(hù)區(qū)內(nèi)無論發(fā)生何種類型的故障，所提出的距離保護(hù)方案計算得到的故障距離均可在10ms內(nèi)快速趨于穩(wěn)定，并收斂于實際故障距離。這意味著當(dāng)保護(hù)區(qū)內(nèi)發(fā)生故障時，本文距離保護(hù)方案能快速、可靠地動作。

3.2.2 區(qū)外故障

為了說明保護(hù)區(qū)外發(fā)生故障時本文距離保護(hù)方案的動作性能，分別設(shè)置了正向區(qū)外F1和反向區(qū)外F2兩個故障點。其中，F(xiàn)1位于線路L1上，距母線B 10km處，F(xiàn)2則位于變壓器T1的高壓側(cè)母線上。

F1點發(fā)生不同類型故障時得到的故障距離曲線如圖8所示。從圖8中可以看出，當(dāng)F1點發(fā)生單相金屬性接地或單相經(jīng)50Ω過渡電阻接地故障時，雖然本文距離保護(hù)方案得到的故障距離計算結(jié)果的收斂速度較慢，但仍可收斂于一個穩(wěn)定值。然而，由于等效電網(wǎng)2提供的助增電流的影響，所得到的故障距離計算結(jié)果大于聯(lián)絡(luò)線全長。此外，當(dāng)F1點發(fā)生BC相間故障或三相對稱故障時，本文距離保護(hù)方案得到的故障距離計算結(jié)果不能收斂于一個穩(wěn)定值。因此，當(dāng)正向區(qū)外F1點發(fā)生故障時，本文距離保護(hù)方案不會誤動作。

圖8 F1點故障時的故障距離曲線Fig.8 The fault distance curves with fault at F1

F2點發(fā)生BC相間故障和三相對稱故障時的故障距離曲線分別如圖9和圖10所示。由于變壓器T2的聯(lián)結(jié)組標(biāo)號為dYN，當(dāng)F2點發(fā)生單相接地故障時，聯(lián)絡(luò)線上的距離保護(hù)方案的起動元件不會動作。因此，當(dāng)F2點發(fā)生單相接地故障時，本文距離保護(hù)方案無法得到相應(yīng)的故障距離曲線。

如圖9所示，F(xiàn)2點發(fā)生BC相間故障時，雖然本文距離保護(hù)方案得到的故障距離計算結(jié)果可收斂于一個穩(wěn)定值，但其值小于0。

圖9 F2點發(fā)生BC相間故障時的故障距離曲線Fig.9 Fault distance curve with phase to phase (BC) at F2

圖10 F2點發(fā)生三相對稱故障時的故障距離曲線Fig.10 Fault distance curve with three-phase symmetrical fault at F2

從圖10中可以看出，F(xiàn)2點發(fā)生三相對稱故障時，本文距離保護(hù)方案得到的故障距離計算結(jié)果不能收斂于一個穩(wěn)定值。因此，當(dāng)反向區(qū)外F2點發(fā)生故障時，本文距離保護(hù)方案不會誤動作。

綜上，無論保護(hù)區(qū)內(nèi)何處發(fā)生何種類型的故障，所提出的距離保護(hù)方案均能快速、可靠地動作。另一方面，保護(hù)區(qū)外故障時，本文距離保護(hù)方案不會誤動作。這說明本文距離保護(hù)方案具有優(yōu)良的動作性能，可以滿足電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求。

3.3 本文距離保護(hù)方案與傳統(tǒng)距離保護(hù)方案對比

為了對所提出的距離保護(hù)方案與傳統(tǒng)距離保護(hù)方案（基于全波傅里葉算法的距離保護(hù)和傳統(tǒng)基于微分方程的距離保護(hù)）的性能進(jìn)行對比，本文對聯(lián)絡(luò)線上不同位置發(fā)生不同類型故障的多種情況進(jìn)行了仿真研究。由于篇幅所限，下面僅給出聯(lián)絡(luò)線中點處發(fā)生三相故障和BC相間故障兩種故障情況下，聯(lián)絡(luò)線保護(hù)性能對比，作為典型的仿真算例。

傳統(tǒng)距離保護(hù)方案是根據(jù)保護(hù)安裝處與故障點之間測量阻抗大小來判斷區(qū)內(nèi)、外故障的，而測量阻抗可用故障距離來直觀地表示。這意味著，測量阻抗或故障距離的計算準(zhǔn)確性決定了傳統(tǒng)距離保護(hù)方案的性能。因此，在對不同距離保護(hù)方案性能進(jìn)行分析時，可利用故障距離曲線進(jìn)行對比。

3.3.1 三相故障

假設(shè)圖3中的風(fēng)電場聯(lián)絡(luò)線中點處在t=5s時發(fā)生三相故障，圖11分別給出了基于全波傅里葉算法的距離保護(hù)方案、傳統(tǒng)的基于微分方程算法的距離保護(hù)方案和本文提出的基于微分方程算法的距離保護(hù)方案計算得到的故障距離曲線。

圖11 三相對稱故障時三種保護(hù)方案性能對比Fig.11 Comparison of three protection schemes for three-phase symmetrical fault

由于跨數(shù)據(jù)窗問題的存在和DFIG故障電流中角頻率約等于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度的衰減電流分量的影響，傳統(tǒng)的基于全波傅里葉算法的距離保護(hù)方案的故障距離計算結(jié)果誤差較大。另一方面，DFIG故障電流中角頻率約等于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度的衰減電流分量不會對所提出的基于微分方程算法的本文距離保護(hù)方案造成影響，且本文方案的性能也不受撬棒保護(hù)動作行為的影響。因此，本文保護(hù)方案計算得到的故障距離的精確度較高。同時由圖11也可以看出，本文保護(hù)方案的故障距離計算結(jié)果在故障發(fā)生后10ms內(nèi)迅速收斂于實際的故障距離，保護(hù)動作快速。此外，由于測量電壓和電流中的高頻分量的影響，傳統(tǒng)的基于微分方程算法的距離保護(hù)方案的故障距離計算結(jié)果不穩(wěn)定，誤差也較大。從圖11中曲線對比可以看出，采取低通濾波器可以有效地降低測量電壓和電流中高頻分量對基于微分方程算法的距離保護(hù)方案性能的影響。

3.3.2 BC相間故障

假設(shè)圖3中的風(fēng)電場聯(lián)絡(luò)線中點處在t=5s時發(fā)生BC相間故障，圖12分別給出了基于全波傅里葉算法的距離保護(hù)方案、傳統(tǒng)的基于微分方程算法的距離保護(hù)方案和本文提出的基于微分方程算法的距離保護(hù)方案計算得到的故障距離曲線。

圖12 BC相間故障時三種保護(hù)方案性能對比Fig.12 Comparison of three protection schemes for phase to phase (BC) fault

如圖12中的微分算法曲線所示，由于跨數(shù)據(jù)窗問題的存在和DFIG故障電流中角頻率約等于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度的衰減電流分量的影響，傳統(tǒng)的基于全波傅里葉算法的距離保護(hù)方案計算得到的故障距離的誤差較大。此外，由于測量電壓和電流中的高頻分量的影響，傳統(tǒng)的基于微分方程算法的距離保護(hù)方案的故障距離計算結(jié)果不穩(wěn)定，誤差也較大，如圖12中的傳統(tǒng)微分算法曲線所示。然而，如圖12中的本文方案曲線所示，所提出的距離保護(hù)方案的故障距離計算結(jié)果在故障發(fā)生后10ms內(nèi)迅速趨于穩(wěn)定，并收斂于實際的故障距離。這表明所提出的基于微分方程算法的新型距離保護(hù)方案計算得到的故障距離的精確度較高，且保護(hù)動作很快。

綜上，所提出的距離保護(hù)方案的整體性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)距離保護(hù)方案。

4 結(jié)論

為了解決傳統(tǒng)保護(hù)方案應(yīng)用在雙饋風(fēng)電場聯(lián)絡(luò)線上性能嚴(yán)重劣化的問題，提出了一種基于微分方程算法的距離保護(hù)方案，以保障風(fēng)電場和電網(wǎng)的運(yùn)行安全。仿真研究表明，所提距離保護(hù)方案的整體性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)距離保護(hù)方案：不受DFIG復(fù)雜的故障電流特性的影響，能正確識別區(qū)內(nèi)和區(qū)外故障，可較好地滿足實際應(yīng)用要求。

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Distance Protection Scheme for Interconnection Line of Doubly-Fed Induction Generator Based Wind Farm

Yang Zengli1Kong Xiangping2Wang Lijun1Zhang Zhe3Zhou Hubing1
（1. State Grid Hubei Electric Power Company Wuhan 430077 China 2. State Grid Jiangsu Electric Power Company Research Institute Nanjing 211103 China 3. State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology Huazhong University of Science and Technology Wuhan 430074 China）

Since the interconnection line of wind farm is the key for power transmission from wind farm to power grid, its operation safety plays an important role to operation stability of power grid. The complicated fault current characteristics of doubly-fed induction generator (DFIG) deteriorate the performance of the conventional distance protection schemes when they are applied on the interconnection lines of DFIG-based wind farm. Therefore, a new distance protection scheme is proposed in this paper. The proposed scheme is based on the R-L differential equation represented by the instantaneous values. Moreover, a series of measures ensures the accuracy of the measured fault distance, such as the low-pass filter, reconstruction of voltage at the fault point and iterative calculation of the fault distance. Simulation cases show that the performance of the proposed distance protection scheme is much better than that of the conventional distance protection schemes.

Doubly-fed induction generator based wind farm, interconnection line protection, distance protection, protection algorithm, simulation study

TM77

楊增力 男，1982年生，博士，高級工程師，研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護(hù)。

E-mail: yangzl8@hb.sgcc.com.cn

孔祥平 男，1988年生，博士，研究方向為應(yīng)對分布式電源大規(guī)模接入的電力系統(tǒng)繼電保護(hù)及安全穩(wěn)定控制。

E-mail: kongxphust@163.com（通信作者）

國家自然科學(xué)基金資助項目（51177058、51077061）。

2014-09-03 改稿日期 2014-10-25