基于阻抗幅值波動差異的新型參數(shù)識別方向元件

牛偉民，樊艷芳，張鑫宇，馬 健

基于阻抗幅值波動差異的新型參數(shù)識別方向元件

牛偉民1，樊艷芳1，張鑫宇2，馬 健2

(1.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046；2.國網(wǎng)新疆電力有限公司電力科學(xué)研究院，新疆 烏魯木齊 830011)

針對故障分量方向元件在大規(guī)模雙饋風(fēng)機并網(wǎng)不適用的問題，提出了基于正序阻抗幅值波動差異的新型參數(shù)識別方向元件。首先，將風(fēng)電場正序阻抗波動量化，分析阻抗波動對正序故障分量方向元件影響，得到正序故障分量方向元件在風(fēng)電場送出線路的拒動邊界。其次，基于Prony算法結(jié)合帶通濾波器提取工頻量，分析送出線路風(fēng)電側(cè)正、反方向故障正序阻抗幅值變化特征。最后，引入去趨勢波動分析(detrended fluctuation analysis, DFA)計算波動函數(shù)，構(gòu)造新型參數(shù)識別方向元件動作判據(jù)，實現(xiàn)故障方向判別。仿真結(jié)果表明，提出的參數(shù)識別方向元件不受風(fēng)電場運行工況、故障類型和系統(tǒng)振蕩的影響。當(dāng)過渡電阻達(dá)到100W時，仍能正確判別故障方向，具有較強的抗干擾性能，適用于含風(fēng)電接入的弱饋型電力系統(tǒng)。

雙饋風(fēng)電場；故障分量方向元件；阻抗波動；DFA；波動函數(shù)；參數(shù)識別

0 引言

在能源轉(zhuǎn)型和電力電子技術(shù)日趨成熟的推動下，大規(guī)模風(fēng)電接入電力系統(tǒng)[1-5]的故障特征與常規(guī)電網(wǎng)不同，使工頻量保護(hù)存在適應(yīng)問題[6-9]。故障分量方向元件在電力系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛[10-13]。故障分量方向元件適用于線性網(wǎng)絡(luò)及正負(fù)序阻抗相等的系統(tǒng)，而大規(guī)模風(fēng)電接入使得電力系統(tǒng)由線性網(wǎng)絡(luò)變?yōu)榉蔷€性網(wǎng)絡(luò)，風(fēng)電場正負(fù)序阻抗不相等且呈現(xiàn)波動特征，開展風(fēng)電場送出線路故障分量方向元件適應(yīng)范圍分析及改進(jìn)研究具有重要意義。

針對故障分量方向元件在風(fēng)電接入的電力系統(tǒng)適應(yīng)性分析，已有相關(guān)研究。文獻(xiàn)[14-15]通過仿真驗證了故障分量方向元件在大規(guī)模風(fēng)電接入時存在適應(yīng)問題，但未詳細(xì)分析其故障特征對故障分量方向元件判別能力的影響。文獻(xiàn)[16]提出正序故障分量方向元件除了受頻偏特性影響，還受風(fēng)電場正序阻抗波動影響，但未對影響機理、影響程度進(jìn)行量化分析。文獻(xiàn)[17]分析了故障穩(wěn)態(tài)下Crowbar電路投入對雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(doubly fed induction generator, DFIG)正序阻抗的影響，但該正序阻抗公式不能表征故障暫態(tài)期間阻抗波動情況。針對故障分量方向元件在風(fēng)電接入的電力系統(tǒng)改進(jìn)方面，文獻(xiàn)[18]提出利用故障相故障前后短路電流夾角余弦值差異構(gòu)成新型方向元件，但該方法僅考慮頻偏特性的影響，未考慮正序阻抗范圍波動影響，單相接地故障下不具有正確判別故障方向的能力。文獻(xiàn)[19]提出基于時域電壓波形相似度的方向元件，但該方法易受異常數(shù)據(jù)影響。

綜上，目前尚未提出較為契合風(fēng)電接入電力系統(tǒng)的新型方向元件。本文首先基于雙饋風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)，利用正序故障分量方向元件判據(jù)劃分風(fēng)電場側(cè)正序阻抗允許波動區(qū)域，分析正序阻抗波動對正序故障分量方向元件影響，探尋風(fēng)電場送出線路正序故障分量方向元件拒動邊界。其次根據(jù)正、反方向故障下正序阻抗幅值波動迥異，引入DFA方法，提出基于正序阻抗幅值波動差異的新型參數(shù)識別方向元件。最后在PSCAD/EMTDC仿真中搭建雙饋風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)模型，仿真結(jié)果結(jié)合Matlab驗證了理論分析正確性。

1 阻抗波動對故障分量方向元件影響分析

1.1 正序故障分量方向元件理論基礎(chǔ)

本文基于圖1拓?fù)涮接戯L(fēng)電場正序阻抗波動對風(fēng)電場送出線路的正序故障分量方向元件影響。

圖1 雙饋風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)拓?fù)?/p>

圖2 正序故障網(wǎng)絡(luò)分解圖

f2處故障時，N側(cè)電壓電流不受風(fēng)電接入影響[20]，方向元件正常運行。本文針對M側(cè)正序故障分量方向元件受阻抗波動影響展開分析并改進(jìn)。

正序故障分量方向元件判據(jù)為

1.2 DFIG正序阻抗特征分析

當(dāng)雙饋風(fēng)電場送出線路發(fā)生短路故障時，為防止風(fēng)電場脫網(wǎng)運行致使電網(wǎng)有功缺額進(jìn)一步惡化，通常將投入Crowbar電路進(jìn)行低電壓穿越[21]。故本文以正確提取工頻量為前提，量化風(fēng)電場投入Crowbar電路下正序阻抗波動情況，分析阻抗波動對M側(cè)正序故障分量方向元件影響。

DFIG正序阻抗計算方法[22]為

衰減轉(zhuǎn)速分量幅值系數(shù)?為

衰減轉(zhuǎn)速分量相角變化量?為

2 正序故障分量方向元件拒動邊界

當(dāng)風(fēng)電場送出線路M側(cè)發(fā)生正方向故障時，由式(1)可知，風(fēng)電場正序阻抗角波動情況決定M側(cè)正序故障分量方向元件動作與否。當(dāng)風(fēng)電場正序電抗ΣW1＜?0時，正序故障分量方向元件動作。為探析正序故障分量方向元件拒動邊界，將式(2)化簡，結(jié)合ΣW1≥?0，可得式(7)。

式中：

求解不同故障類型的故障點正序短路電流為

則故障點處正序電壓為

風(fēng)電場提供的短路電流為

風(fēng)電場正序電壓為

表1 實際電壓跌落系數(shù)k1

表2 受故障時間影響的拒動邊界

結(jié)合上述分析可知，基于相角的正序故障分量方向元件不滿足保護(hù)元件性能要求。因此，亟需提出適應(yīng)于雙饋風(fēng)電場送出線路的新型方向元件。

3 新型參數(shù)識別方向元件

新型方向元件不可僅考慮短路電流頻偏特性，也須考慮故障下阻抗波動影響。針對短路電流頻偏特性影響，將采用Prony算法結(jié)合帶通濾波器，保證工頻量正確提取，避免頻偏特性影響。解決風(fēng)電場頻偏特性影響后，利用故障情況下風(fēng)電場正序阻抗幅值范圍波動特征，引入DFA方法。該方法可分析非平穩(wěn)時間序列，可平抑異常數(shù)據(jù)?；谄浠驹碛嬎闼玫腄FA波動函數(shù)，可作為正、反方向故障下阻抗幅值波動程度的衡量指標(biāo)。利用正、反方向故障下指標(biāo)差異，構(gòu)建適應(yīng)于雙饋風(fēng)電場送出線路的新型參數(shù)識別方向元件。

3.1 DFA方法的引入

反向劃分的子區(qū)間局部去趨勢結(jié)果為

步驟五：計算DFA波動函數(shù)。

基于DFA方法計算x1及x2的波動函數(shù)可得：

通過上述分析可知，依據(jù)DFA方法計算波動函數(shù)時，其波動函數(shù)大小由非平穩(wěn)序列波動狀況決定，與非平穩(wěn)序列中的固定常量無關(guān)。

3.2 保護(hù)判據(jù)構(gòu)造

對于M側(cè)發(fā)生正方向故障時，M側(cè)背側(cè)正序阻抗分量主要為ΣW1，結(jié)合式(25)可得M側(cè)方向元件正方向故障判據(jù)為

對于M側(cè)發(fā)生反方向故障時，M側(cè)背側(cè)正序阻抗分量主要為S1，結(jié)合式(26)可得M側(cè)反方向故障下()參數(shù)為負(fù)。

新型參數(shù)識別方向元件繼承了故障分量方向元件方向性明確、不受風(fēng)電場運行工況、系統(tǒng)振蕩、過渡電阻影響的優(yōu)點，結(jié)合DFA方法計算局部去趨勢，使得該方向元件受異常數(shù)據(jù)影響較小。

圖4 新型參數(shù)識別方向元件判別流程圖

4 仿真驗證

4.1 正序阻抗波動特征

圖5 正序阻抗波動驗證圖

4.2 正序故障分量方向元件動作性能

圖6 正序故障分量方向元件動作性能圖

4.3 新型參數(shù)識別方向元件性能

4.3.1正方向故障

圖7 M側(cè)正方向故障F(h)結(jié)果

4.3.2反方向故障

圖8 M側(cè)反方向故障F(h)結(jié)果

4.3.3系統(tǒng)振蕩對新型參數(shù)識別方向元件的影響

表3 系統(tǒng)振蕩下的元件性能

由表3可知，新型參數(shù)識別方向元件在風(fēng)電場不同運行狀態(tài)下不受系統(tǒng)振蕩影響。

4.3.4異常數(shù)據(jù)對新型參數(shù)識別方向元件的影響

異常數(shù)據(jù)干擾分為數(shù)據(jù)缺失與虛假脈沖，以f2處發(fā)生ABG故障為例，設(shè)置M側(cè)電壓、電流信號每5 ms出現(xiàn)一次數(shù)據(jù)缺失或虛假脈沖，對應(yīng)仿真結(jié)果如表4、表5所示。其中220 kV線路最大過渡電阻為100 Ω，故以最大過渡電阻驗證異常數(shù)據(jù)影響下的新型參數(shù)識別方向元件性能。

表4 數(shù)據(jù)缺失下的元件性能

表5 虛假脈沖下的元件性能

由表4、表5可知，新型參數(shù)識別方向元件對不同運行狀態(tài)、不同過渡電阻下的異常數(shù)據(jù)適應(yīng)性較強。

5 結(jié)論

本文利用M側(cè)背側(cè)正序阻抗波動特征，結(jié)合正序故障分量方向元件判別原理，對正序故障分量方向元件適應(yīng)范圍分析，提出基于正序阻抗幅值波動差異的新型參數(shù)識別方向元件，得到以下結(jié)論：

2) 基于正序阻抗幅值波動差異的新型參數(shù)識別方向元件能可靠、靈敏地判別故障方向，繼承了故障分量方向元件優(yōu)點，同時受異常數(shù)據(jù)影響較小，完全適用于在風(fēng)電接入的弱饋系統(tǒng)中。

附錄A

圖A1 M側(cè)亞同步正序阻抗波動圖

Fig. A1 M-side sub-synchronous positive sequence impedance fluctuation

圖A2 M側(cè)超同步正序阻抗波動圖

Fig. A2 M-side super-synchronous positive sequence impedance fluctuation

[1] 張?zhí)? 韓偉, 楊霖, 等. 基于波形相關(guān)分析的雙饋風(fēng)電場送出線時域距離保護(hù)[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2021, 49(14): 82-88.

ZHANG Taisheng, HAN Wei, YANG Lin, et al. Time- domain distance protection for transmission lines of doubly-fed wind farms based on waveform correlation analysis[J].Power System Protection and Control, 2021, 49(14): 82-88.

[2] 于淼, 湯亞芳, 黃亦欣, 等. 雙饋風(fēng)機控制方式對繼電保護(hù)影響的研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2020, 48(2): 180-187.

YU Miao, TANG Yafang, HUANG Yixin, et al. Research on the influence of control mode of DFIG on relay protection[J]. Power System Protection and Control, 2020, 48(2): 180-187.

[3] 馬健, 樊艷芳, 李鋒, 等. 適用于集群風(fēng)電場送出線的選相元件研究[J]. 可再生能源, 2020, 38(9): 1217-1225.

MA Jian, FAN Yanfang, LI Feng, et al. Research on fault phase selection method for cluster wind farm outgoing line[J]. Renewable Energy Resources, 2020, 38(9): 1217-1225.

[4] SONG Guobing, WANG Chenqing, WANG Ting, et al. A phase selection method for wind power integration system using phase voltage waveform correlation[C] // 2018 IEEE Power & Energy Society General Meeting (PESGM), August 5-10, 2018, Portland, OR, USA.

[5] 文勁宇, 周博, 魏利屾. 中國未來電力系統(tǒng)儲電網(wǎng)初探[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2022, 50(7): 1-10.

WEN Jinyu, ZHOU Bo, WEI Lishen. Preliminary study on an energy storage grid for future power system in China[J]. Power System Protection and Control, 2022, 50(7): 1-10.

[6] TAO Renfeng, LI Fengting, CHEN Weiwei, et al. Research on the protection coordination of permanent magnet synchronous generator based wind farms with low voltage ride through capability[J]. Protection and Control of Modern Power Systems, 2017, 2(3): 311-319.

[7] 王春又, 孫士云, 毛肖, 等. 適應(yīng)于雙饋風(fēng)電場送出線的時域距離縱聯(lián)方向保護(hù)[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2021, 49(13): 82-94.

WANG Chunyou, SUN Shiyun, MAO Xiao, et al. Longitudinal direction protection of time domain distance applicable to the outgoing line of a double-fed wind farm[J]. Power System Protection and Control, 2021, 49(13): 82-94.

[8] 黃濤, 陸于平, 蔡超. DFIG等效序突變量阻抗相角特征對故障分量方向元件的影響分析[J]. 中國電機工程學(xué)報, 2016, 36(14): 3929-3940.

HUANG Tao, LU Yuping, CAI Chao. Analysis of phase angle characteristics of DFIG equivalent sequence superimposed impedances and its impact on fault components based direction relay[J]. Proceedings of the CSEE, 2016, 36(14): 3929-3940.

[9] 饒鴻江. 風(fēng)電場站送出線路縱聯(lián)保護(hù)及故障測距新方法研究[D]. 昆明: 昆明理工大學(xué), 2021.

[10] 焦在強. 大規(guī)模風(fēng)電接入的繼電保護(hù)問題綜述[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2012, 36(7): 195-201.

JIAO Zaiqiang. A survey on relay protection for grid- connection of large-scale wind farm[J]. Power System Technology, 2012, 36(7): 195-201.

[11] 羅美玲. 雙饋式風(fēng)電機組群的短路電流特性及其對線路保護(hù)的影響研究[D]. 北京: 華北電力大學(xué), 2015.

LUO Meiling.Research on characteristics of DFIG-based wind farm short circuit current and its influence on line protection[D]. Beijing: North China Electric Power University, 2015.

[12] 宋國兵, 常鵬, 侯俊杰, 等. 故障分量方向元件在交直流多端饋入系統(tǒng)中的適應(yīng)性分析[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2021, 45(9): 136-145.

SONG Guobing, CHANG Peng, HOU Junjie, et al. Adaptability analysis of fault component directional element in AD/DC multi-terminal infeed system[J]. Automation of Electric Power Systems, 2021, 45(9): 136-145.

[13] 楊啟帆, 劉益青, 朱一鳴, 等. 適用于DFIG并網(wǎng)線路的改進(jìn)負(fù)序方向元件[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2019, 43(10): 118-126, 149.

YANG Qifan, LIU Yiqing, ZHU Yiming, et al. Improved negative sequence directional element for transmission line connecting DFIG[J]. Automation of Electric Power Systems, 2019, 43(10): 118-126, 149.

[14] 鐘顯, 樊艷芳, 王一波. 雙饋集群匯集站主變及送出線路繼電保護(hù)研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2016, 44(5): 47-54.

ZHONG Xian, FAN Yanfang, WANG Yibo.Research of transformer and outgoing line protection of collection station where cluster of double-fed wind farms put in[J]. Power System Protection and Control, 2016, 44(5): 47-54.

[15] 滕予非, 行武, 張宏圖, 等. 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)短路故障特征分析及對保護(hù)的影響[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2015, 43(19): 29-36.

TENG Yufei, XING Wu, ZHANG Hongtu, et al.Analysis of characteristics of short circuit fault of wind power system and the impact on the protection[J].Power System Protection and Control, 2015, 43(19): 29-36.

[16] 王晨清, 宋國兵, 湯海雁, 等. 選相及方向元件在風(fēng)電接入系統(tǒng)中的適應(yīng)性分析[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2016, 40(1): 89-95.

WANG Chenqing, SONG Guobing, TANG Haiyan, et al. Adaptability analysis of phase selectors and directional relays in power systems integrated with wind farms[J]. Automation of Electric Power Systems, 2016, 40(1): 89-95.

[17] 楊歡紅, 李慶博, 盛福, 等. 雙饋風(fēng)電場的弱饋性及風(fēng)電接入對突變量保護(hù)元件的影響[J]. 上海電力學(xué)院學(xué)報, 2016, 32(2): 103-108, 114.

YANG Huanhong, LI Qingbo, SHENG Fu, et al. Weak feed of doubly-fed wind farm and its impact on fault component protection[J].Journal of Shanghai University of Electric Power, 2016, 32(2): 103-108, 114.

[18] 陳童. 含分散式雙饋風(fēng)力發(fā)電機的配電線路保護(hù)研究[D]. 西安: 西安理工大學(xué), 2020.

CHEN Tong. Research on distribution line protection with distributed DFIG[D]. Xi'an: Xi'an University of Technology, 2020.

[19] 陳玉, 文明浩, 胡列翔, 等. 雙饋風(fēng)機風(fēng)電場聯(lián)絡(luò)線出口故障方向判別[J]. 電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報, 2020, 32(2): 1-6.

CHEN Yu, WEN Minghao, HU Liexiang, et al. Fault direction identification for outgoing line of DFIG-based wind farm[J]. Proceedings of the CSU-EPSA, 2020, 32(2): 1-6.

[20] 李彥賓, 賈科, 畢天姝, 等. 逆變型電源對故障分量方向元件的影響機理研究[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2017, 41(10): 3230-3236.

LI Yanbin, JIA Ke, BI Tianshu, et al. Influence mechanism of inverter-interfaced renewable energy generators on fault component based directional relay[J]. Power System Technology, 2017, 41(10): 3230-3236.

[21]譚愛國, 吳穎穎, 王傳啟, 等. 基于保障低壓穿越能力的風(fēng)電機組撬棒自適應(yīng)投切策略研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2021, 49(18): 98-109.

TAN Aiguo, WU Yingying, WANG Chuanqi, et al. Adaptive switching strategy for a wind turbine crowbar based on the guarantee of low voltage ride-through capability[J].Power System Protection and Control, 2021, 49(18): 98-109.

[22] 黃濤. 風(fēng)電接入對繼電保護(hù)影響機理及充分式保護(hù)新方案研究[D]. 南京: 東南大學(xué), 2017.

HUANG Tao.Study on impact mechanism of wind power integration on protective relaying and new sufficient criterion protection schemes[D]. Nanjing: Southeast University, 2017.

Novel parameter identification directional element based on impedance amplitude fluctuation difference

NIU Weimin1, FAN Yanfang1, ZHANG Xinyu2, MA Jian2

(1. School of Electrical Engineering, Xinjiang University, Urumqi 830046, China; 2.State Grid Xinjiang Electric Power Co., Ltd. Electric Power Research Institute, Urumqi 830011, China)

There is a problem in that the fault component directional element is not suitable for grid-connected large-scale DFIG. Thus a novel parameter identification directional element based on the difference of positive sequence impedance amplitude fluctuation is proposed. First, this paper quantifies the positive sequence impedance fluctuation of a wind farm, analyzes the impact of impedance fluctuation and obtains the rejection boundary of the positive sequence fault component directional element on the wind farm outgoing line. Second, based on the Prony algorithm combined with a band-pass filter, the power frequency is extracted, and the characteristics of the positive sequence impedance amplitude change of the forward and reverse faults on the wind power side of the outgoing line are analyzed. Finally, detrended fluctuation analysis (DFA) is introduced to calculate the fluctuation function, and a novel parameter identification directional element action criterion is constructed to realize the fault direction identification. The simulation results show that the proposed parameter identification directional element is unaffected by the operating conditions of the wind farm, fault types and system oscillations. When the transition resistance reaches 100W, it can still correctly determine the fault direction, has strong anti-interference performance, and is suitable for weak feeder power systems with wind power access.

doubly-fed wind farm; fault component directional element; impedance fluctuation; DFA; fluctuation function; parameter identification

10.19783/j.cnki.pspc.220750

國家自然科學(xué)基金項目資助(51877185)；新疆維吾爾自治區(qū)高?？蒲兄攸c項目資助(XJEDU2021I009)

This work is supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 51877185).

2022-05-18；

2022-07-21

牛偉民(1997—)，男，碩士，研究方向為電力系統(tǒng)保護(hù)與控制；E-mail: nwmxju@126.com

樊艷芳(1971—)，女，通信作者，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為電力系統(tǒng)保護(hù)與控制。E-mail: 410849062@ qq.com

(編輯 姜新麗)