淺析風(fēng)電場集電線路的保護(hù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景

蔣文光

摘要：風(fēng)電場集電線路是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的重要組成部分，其運行是否穩(wěn)定可靠直接影響風(fēng)電場的發(fā)電效率與發(fā)電總量。然而存在多方面因素會導(dǎo)致風(fēng)電場集電線路突發(fā)故障并難以切除，因此如何快速，準(zhǔn)確的切除故障，對風(fēng)電場穩(wěn)定運行有著重要意義。本文總結(jié)了現(xiàn)階段集電線路的保護(hù)研究方向，并從集電線路的反時限過電流保護(hù)原理和利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行故障預(yù)測兩方面分析了集電線路的保護(hù)發(fā)展前景，給風(fēng)電相關(guān)從業(yè)人員提供一定的參考價值。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電場集電線路；保護(hù)現(xiàn)狀；發(fā)展前景；反時限過電流保護(hù)；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

1 引言

風(fēng)能是一種可再生清潔能源，其發(fā)電規(guī)模呈逐年增長趨勢。而風(fēng)電場集電線路作為電能輸送的通道，主要分為架空線和直埋電纜兩種，其系統(tǒng)運行參數(shù)復(fù)雜，加上所處的地理環(huán)境復(fù)雜，容易受到暴風(fēng)、覆冰、雷擊、線路老化等因素影響，導(dǎo)致線路突發(fā)跳閘、短路、斷路等故障，造成重大的電力故障和經(jīng)濟(jì)損失，因此如何確保集電線路的安全穩(wěn)定對風(fēng)電場及電網(wǎng)的平穩(wěn)運行有著重要意義。

2 風(fēng)電場集電線路的保護(hù)研究現(xiàn)狀

風(fēng)電場集電線路系系統(tǒng)運行參數(shù)復(fù)雜統(tǒng)主要由風(fēng)機(jī)機(jī)組、箱變、熔斷器、電纜及架空導(dǎo)線等設(shè)備組成，系統(tǒng)運行參數(shù)復(fù)雜，容易受到暴風(fēng)、覆冰、雷擊、線路老化等因素影響，現(xiàn)有的保護(hù)整定方法及配置都不在適應(yīng)，因此許多學(xué)者針對風(fēng)電場集電線路的故障特征及保護(hù)配置問題進(jìn)行了大量研究，并提出了一些解決方法，這些方法主要歸類為以下三個方向：

（1）基于集電線路故障特征的保護(hù)整定方法

通過分析風(fēng)電場集電線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與故障特征，結(jié)合風(fēng)機(jī)低穿約束條件和風(fēng)機(jī)出力情況，進(jìn)行三段式過電流保護(hù)整定，用以保護(hù)集電線路，快速切除故障，但此類整定方法，對電網(wǎng)提供的短路電流、風(fēng)機(jī)出力的隨機(jī)性及熔斷器反時限特性上未充分考慮，因此在保護(hù)可靠性上有所欠缺。

（2）基于網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的集電線路保護(hù)方法

此類方案采用了GOOSE網(wǎng)絡(luò)并結(jié)合電流差動保護(hù)方式，具有選擇性聯(lián)鎖跳閘的功能，能快速切斷故障點，但此方案需要在箱變高壓側(cè)安裝斷路器以及通訊功能，用以實現(xiàn)保護(hù)上下級的聯(lián)鎖。由于方案改造成本過高，山地通訊存在延時、斷線等問題，并不適合現(xiàn)有的風(fēng)電場運行環(huán)境，故此方案需要輔以限時過電流保護(hù)作為后備，所以現(xiàn)階段無法做到獨立可靠運行。

（3）基于智能算法的自適應(yīng)保護(hù)方法

此類方案基于配網(wǎng)自動化，通過對不確定系統(tǒng)進(jìn)行自適應(yīng)辨識，采用多Agent的方式進(jìn)行保護(hù)。雖然通過多個Agent（包括電流方向、自適應(yīng)過電流、保護(hù)動作時限等Agent）協(xié)作的方式，可以實現(xiàn)定值動態(tài)調(diào)整，使保護(hù)裝置在最佳狀態(tài)，彌補了現(xiàn)有過流保護(hù)的缺點，但它對通訊可靠性有很高的要求，并不適合現(xiàn)有的風(fēng)電場運行環(huán)境。

綜上所述，在進(jìn)行集電線路保護(hù)配置時，需要考慮風(fēng)機(jī)提供的短路電流大小、熔斷器動作曲線、風(fēng)機(jī)低電壓穿越約束條件、區(qū)內(nèi)外故障特征等因素，是以現(xiàn)有的集電線路保護(hù)方法及整定方式都不再適應(yīng)，需要一種更先進(jìn)的保護(hù)方法，相關(guān)文獻(xiàn)也提出了一些新的保護(hù)方向，如網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)與繼電保護(hù)原理結(jié)合的方法、智能算法與自適應(yīng)電流保護(hù)結(jié)合的方法等，這些方法或多或少有不成熟、需要改進(jìn)的方面，但是這些方法思路值得借鑒。

3 風(fēng)電場集電線路的保護(hù)發(fā)展前景分析

3.1反時限過電流保護(hù)

反時限過電流保護(hù)可表示為在同一條線路上，隨著故障位置的不同，故障電流值會增大或減小，此時保護(hù)延時跳閘時間也會相應(yīng)改變并呈反時限性。它的通用數(shù)學(xué)式如下：

式中，I—故障電流；

IP—啟動電流；

R—系數(shù)（一般取值在0-2之間）；

k—動作時間常數(shù)。

由式（1-1）可以看出， 不大于1時，保護(hù)不出口； 大于1時，保護(hù)出口時間t隨著 的變大而變短，呈現(xiàn)出反時限特征。同時IEC又將此保護(hù)分為三種類型：正常反時限（r=0.02）、非常反時限（r=1）、極端反時限（r=2），它們的區(qū)別是r值越大，曲線越陡。

根據(jù)其特征描述，反時限過流保護(hù)可用于需要上下級元件配合的環(huán)境，如：電動機(jī)、分布式電源、箱變以及中低壓配電網(wǎng)，用以實現(xiàn)保護(hù)選擇性的功能。同時它在特殊條件下也具備三段式過電流保護(hù)的作用，因此能適合于風(fēng)電場集電線路的運行環(huán)境，但反時限過流保護(hù)是基于熔斷器理想熔斷曲線來整定，而理想曲線與實際運行曲線存在誤差，因此在進(jìn)行整定時留有裕度，故其保護(hù)出口時間往往長于熔斷器的熔斷時間，這將導(dǎo)致當(dāng)熔斷器出現(xiàn)拒動時，反時限過流保護(hù)不能迅速地消除故障，從而使故障擴(kuò)大化。

3.2基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的集電線路故障分析

集電線路運行參數(shù)復(fù)雜，故障參數(shù)難以辨識，反時限過流保護(hù)在整定時留有裕度。當(dāng)熔斷器出現(xiàn)拒動時，反時限過流保護(hù)不能更快切斷故障，因此需要在反時限過流保護(hù)的速動性上進(jìn)行改進(jìn)。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種由許多基本計算單元互聯(lián)構(gòu)成的非線性、自適應(yīng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，它的主要特點為：

a.能夠任意對復(fù)雜的非線性數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合；

b.采取分布式并行處理方式，能夠迅速的進(jìn)行批量計算；

c.可辨識和自適應(yīng)未知或不確定的系統(tǒng)；

由于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有如上特征，故可以選取人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集電線路故障特征的辨識，通過對反時限過流保護(hù)運行特征的模擬，用以預(yù)測跳閘動作時限，這種方法克服了反時限過流保護(hù)動作精度不高、速動性不足的弊端。

其主要步驟如下：

（1）將全電流量寫完為正序與負(fù)序分量之和的形式，并進(jìn)行 變換，在正序dq軸上提取瞬時正序故障電流分量；

（2）將瞬時正序故障電流分量作為網(wǎng)絡(luò)輸入層特征量，以熔斷器實際動作時限與風(fēng)機(jī)低電壓穿越約束時限作為期望輸出，構(gòu)造RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；

（3）采用故障特征信息來訓(xùn)練RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，然后將訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)根據(jù)瞬時正序故障電流分量來預(yù)測動作時限，實現(xiàn)保護(hù)跳閘功能。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型具有良好的魯棒性和容錯性，隨著訓(xùn)練數(shù)據(jù)的不斷增加，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對集電線路進(jìn)行故障特征的辨識將變得精確可靠，更能接近上下級保護(hù)元件的動作曲線，很好的解決了三段式過電流保護(hù)選擇性不足、反時限過流保護(hù)動作精度低等問題，具有一定的發(fā)展前景。

4 小結(jié)

運行安全穩(wěn)定的集電線路是風(fēng)電場正常工作的前提，本文主要針對集電線路運行參數(shù)復(fù)雜，所處地理條件惡劣等因素，分析總結(jié)了集電線路保護(hù)研究現(xiàn)狀的適應(yīng)性。同時，本文從反時限過電流保護(hù)原理和利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行故障預(yù)測兩方面分析了集電線路的保護(hù)發(fā)展前景，給風(fēng)電相關(guān)從業(yè)人員提供一定的參考價值。

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