適用于雙饋風電場送出線的縱聯(lián)方向保護研究

摘要：考慮風電場接入電網(wǎng)時，傳統(tǒng)方向元件在短路故障發(fā)生時易受到風電場內(nèi)部電力電子器件動態(tài)特性的干擾影響，導致頻率特性偏移，系統(tǒng)參數(shù)不穩(wěn)定和弱饋性等問題，使繼電保護裝置不能及時或正確判斷故障發(fā)生區(qū)域。針對上述問題，首先對含有風電場的故障附加網(wǎng)絡進行分析，尋找故障發(fā)生后縱聯(lián)保護安裝處各測量點電氣量之間的關(guān)聯(lián)性，確定其故障邏輯關(guān)系。其次通過對常用的相模變換解耦方式進行分析，選擇一個合理的方法代入相關(guān)性表達式，根據(jù)相關(guān)系數(shù)值完成故障區(qū)域判定。最后利用PSCAD/EMTDC搭建雙饋風電場并網(wǎng)模型，設(shè)置各種不同的故障類型和場景，并利用Matlab進行保護算法驗證，檢驗故障區(qū)域判斷結(jié)果，驗證所提保護方法的正確性與合理性，并且仿真結(jié)果表明該方法具有較高的可靠性。

關(guān)鍵詞：風電場；雙饋風電機組；繼電保護；相關(guān)性；縱聯(lián)保護；相模變換

中圖分類號：TM773文獻標志碼：A

0引言

近年來，隨著中國風電技術(shù)的發(fā)展和提高，國內(nèi)裝機容量逐年增加，風電大規(guī)模并網(wǎng)對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行造成沖擊[1-3]，而且傳統(tǒng)電網(wǎng)的輸電線路保護未考慮風電系統(tǒng)的接入問題[4-6]，使現(xiàn)有保護方案出現(xiàn)了適應性問題，拒動誤動等情況可能發(fā)生。因此，對于風電系統(tǒng)接入傳統(tǒng)電網(wǎng)的縱聯(lián)保護正確性就會尤為重要。

雙饋風電機組（doubly-fed induction generator，DFIG）是一種變速恒頻類型的發(fā)電機，其運行的方式相對穩(wěn)定，是如今陸地風力發(fā)電的主要機型。而現(xiàn)有對線路的保護主要分為時域和頻域兩種，頻域信息保護是通過不同頻段的工頻故障信息和特征完成保護判據(jù)[7-8]，但風電系統(tǒng)的弱饋性導致提取的頻域信息可能存在一定誤差，其結(jié)果會導致不能準確判斷故障區(qū)域。文獻[9]對故障差動電流在不同頻段的差異，通過定義信號能量的方式判斷區(qū)內(nèi)外故障，因此需要相當精確的數(shù)據(jù)提取；文獻[10]利用解微分方程的方法求出線路兩端的阻抗容易出現(xiàn)誤差，導致判定出現(xiàn)錯誤；文獻[11]通過對故障電壓電流的相角差和電流幅值進行比較，從而識別故障方向，但因為風電系統(tǒng)的相角差變化快，因此存在一定的適應性問題。而時域保護則通過直接檢測到的故障信息量實現(xiàn)故障的正確判斷[12-15]。文獻[16]提出一種利用記憶電壓與故障電壓組合判斷方式從而實現(xiàn)風電場送出線故障方向的判斷；文獻[17]通過獲得兩端的差動電壓電流故障分量，根據(jù)模式識別的思想完成縱聯(lián)保護判據(jù)。隨著技術(shù)的發(fā)展也有利用人工智能算法實現(xiàn)含有風電系統(tǒng)的縱聯(lián)保護，如文獻[18]通過一種邊緣檢測算法實現(xiàn)故障區(qū)域的正確判斷。同時有專家認為故障的本質(zhì)原因?qū)嶋H上是系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)改變，可考慮從此著手解決問題。

基于上述分析，本文通過故障網(wǎng)絡附加拓撲圖[19對故障發(fā)生后的電氣量進行分析，根據(jù)兩端保護安裝處測量點和故障點的關(guān)系尋找故障網(wǎng)絡暫態(tài)時的保護安裝處故障分量關(guān)聯(lián)性，并選擇合適的故障模量分解方法，期望以單一模量實現(xiàn)故障判定，依據(jù)其相關(guān)性結(jié)果實現(xiàn)縱聯(lián)保護區(qū)域的故障診斷。最后，通過設(shè)置各種不同類型的故障進行檢驗，其結(jié)果一定程度上可認為本文所提出的方法能有效識別含有雙饋風電場的縱聯(lián)保護區(qū)域判斷。

1故障分析

圖1為雙饋風電場通過并網(wǎng)接入傳統(tǒng)電網(wǎng)后發(fā)生故障時的簡化雙端故障網(wǎng)絡示意圖，基于此完成暫態(tài)期間的故障分析。在后文的分析過程中主要以雙饋風電場側(cè)的測量點m進行分析，電網(wǎng)側(cè)保護安裝處測量點n的分析過程相似，不再贅述。

1.1區(qū)內(nèi)故障分析

DFIG與同步電機不同，由于內(nèi)部電力電子器件的干擾導致在故障過程中，風電機組沒有穩(wěn)定的暫態(tài)電勢，故障參數(shù)與常規(guī)電網(wǎng)不同。為解決風電系統(tǒng)的干擾，以圖1的雙端故障網(wǎng)絡為例，將風電并網(wǎng)系統(tǒng)分解為故障附加網(wǎng)絡，如圖2所示。

圖2中j=1，2，0，用于指代故障分量的模量，△E;為故障附加電源，△，為故障點的注入電流；△Um、△U，和△I、△I，分別為縱聯(lián)保護兩側(cè)保護安裝處的電壓、電流的故障模分量；Z.和Zm分別為雙饋風電場側(cè)的系統(tǒng)阻抗及故障點到風電場側(cè)保護安裝處的線路阻抗；Z，和Z.;分別為系統(tǒng)阻抗及故障點到系統(tǒng)側(cè)保護安裝處的線路阻抗；R，為故障點的過渡電阻，因此根據(jù)圖2可得到式（1）：

式（1）中Z，？為：

由于從雙饋風電場端的測量點m處同樣可得到關(guān)系式△Um=△I，Z+△I;R，+△E，，將其代入式（1）可得：

令Z，？（Z+Z）=k，則有△I=△I，k，m點測量所得故障電流分量和故障點流入短路的電流分量呈正相關(guān)，且相差一個阻抗系數(shù)k。

同理可得發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時，電網(wǎng)側(cè)測量點n所得故障電流分量為：

令Z，z/（Z，+Zm）=k，則有△.=△Ih。

1.2區(qū)外故障分析

圖3為風電場側(cè)測量點m背側(cè)發(fā)生短路故障時的故障附加網(wǎng)絡，其中Z和Z分別為風電場側(cè)保護安裝處到故障點的線路阻抗以及背側(cè)故障點到風電場的等效阻抗，Z;為縱聯(lián)保護區(qū)域內(nèi)整條線路的阻抗。其余參數(shù)均與區(qū)內(nèi)故障相同。

根據(jù)圖3的故障附加網(wǎng)絡可得：

式（5）中Z，'為：

此時又有△Um=-△IZ+△IRp+△E，，將其代入式（5）中可得：

令式（7）中Z，？'（Z+Z，+Z）=k'，則有△m=-△I，hk'。

從式（7）中可看出，短路故障發(fā)生后，風電場側(cè)的測量點m得到的模分量與故障點的電流分量呈負相關(guān)，兩者的差距為阻抗系數(shù)k'。

同理可得當風電場側(cè)測量點m端背側(cè)發(fā)生故障時，n端故障電流分量為：

令式（8）中Z，z'（Z，+Z，+Zm）=k'，則有△I，=△I;h'。

通過對區(qū)內(nèi)外故障的分析發(fā)現(xiàn)，當發(fā)生短路故障時，無論故障在何處，均與流入故障點的短路電流分量與阻抗系數(shù)有關(guān)，因此通過對各測量點的故障分量做出相關(guān)性比較，從而完成縱聯(lián)保護故障區(qū)域判斷。

2縱聯(lián)保護分析

根據(jù)第1節(jié)的分析可知，當區(qū)內(nèi)發(fā)生故障時兩端保護處測量得到的電流參數(shù)如下：

兩端的故障電流分量均為短路點電流以及阻抗系數(shù)的乘積，其中k≠k，，阻抗系數(shù)為正，所以兩端的故障電流分量雖然因為弱饋性影響有明顯差別，但余弦夾角結(jié)果為正相關(guān)數(shù)值。

而發(fā)生區(qū)外故障時，以測量點m背側(cè)故障為例有：

通過分析可知式（10）中k′'=k'，因此區(qū)外故障時兩端的暫態(tài)電流分量相反且絕對值相等，并且兩端暫態(tài)電流分量的余弦夾角結(jié)果為負相關(guān)數(shù)值，但在實際中，由于風電場參數(shù)波動性使其阻抗系數(shù)存在波動，并非穩(wěn)定數(shù)值，因此結(jié)果可能存在細微差別。

根據(jù)上述分析，可對兩端保護安裝處測量的故障分量進行相關(guān)性正負判別，從而實現(xiàn)縱聯(lián)保護故障區(qū)域的正確判斷，因此需要選取合適的故障參數(shù)分解方式。

現(xiàn)有相模變換分解方式使用最多的主要是對稱分量法、Clarke變換和Karrenbauer變換。為了更有效地適用于本文所提方法，通過3種相模變換方法分析，使用對稱分量法進行故障分量分解。

對稱分量法的矩陣為：

對稱分量法是將三相的量轉(zhuǎn)變?yōu)檎摿阈蛉蚍至?，通過序分量實現(xiàn)故障分量的反饋，負序分量僅在不對稱故障時存在，零序分量僅在發(fā)生接地故障時存在，只有正序分量包含所有故障狀態(tài)。

Clarke變換的矩陣為：

Clarke變換的目的是將三相分量解耦，將其轉(zhuǎn)換為兩相坐標系，降低故障分析難度。但通過故障分析可知，在發(fā)生BC相間短路故障時，根據(jù)短路故障的邊界條件發(fā)現(xiàn)有Clarke變換的1模分量無法表示短路電流的故障狀態(tài)，同樣，根據(jù)A相接地短路故障的邊界條件發(fā)現(xiàn)，Clarke變換的2模分量同樣不能判斷出A相短路接地的電流情況。

Karrenbauer變換的矩陣為：

Karrenbauer變換的目的與Clarke變換相同，都是將三相分量解耦，轉(zhuǎn)換為兩相坐標系，降低故障分析難度。而根據(jù)各種短路故障的邊界條件可知Karrenbauer變換的1模分量不能判斷C相短路接地的電流情況，2模分量不能判斷B相短路接地的電流情況。

通過對3種相模變換矩陣分析發(fā)現(xiàn)，3種故障分解的方法中，只有對稱分量法中的1模分量即正序分量可有效表征所有故障類型，而Clarke變換和Karrenbauer變換在對故障情況分析中均存在一定限制，不能以單一模量來判斷所有的故障類型，需結(jié)合使用才能有效完成故障分析。因此本文選用對稱分量法的1模分量進行故障診斷，判斷故障區(qū)域，從而實現(xiàn)含有雙饋風電場的縱聯(lián)保護。

3保護判據(jù)方法

3.1 Pearson相關(guān)性

通過分析對保護安裝處測量點獲得的故障電流數(shù)據(jù)完成故障模量分解，判斷出兩端數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性，從而實現(xiàn)縱聯(lián)保護區(qū)內(nèi)外故障判據(jù)。

為判斷兩端故障數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性，本文將根據(jù)Pearson相關(guān)性201進行含雙饋風電場的縱聯(lián)保護判斷，分析兩端線模分量關(guān)聯(lián)性。Pearson相似度表達式為：

Pearson相關(guān)性是一種判斷數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性的方法，其結(jié)果取值范圍在[-1，1]之間，負值代表負相關(guān)，正值代表正相關(guān)。該方法對每個分量減去均值，將相量值做中心化處理，然后對中心化處理的結(jié)果做余弦計算。因此Pearson相似度公式與余弦相似度方法相比在一定程度上可消去故障暫態(tài)期間衰減的直流分量影響。

本文所提方法的區(qū)域判據(jù)如下：

1）對故障信號進行采集，通過相模變換對信號進行分解。

2）將分解后的信號代入相關(guān)性分析公式中得到相關(guān)性系數(shù)。

3）對相關(guān)性系數(shù)進行判斷，若pgt;0則認為故障處于保護區(qū)域內(nèi)；若plt;0則認為故障處于保護區(qū)域外。

3.2誤差分析

在進行測量點數(shù)據(jù)相關(guān)性判斷時以0作為區(qū)分故障區(qū)域的原因是因為通過式（9）和式（10）的分析可知，保護處雙端的電氣量均與故障點流入的電流和阻抗系數(shù)有關(guān)，而且從公式推導過程看出，這種比較方法使兩端的電氣量關(guān)聯(lián)性免受故障點過渡電阻的干擾。但在區(qū)內(nèi)故障時兩端的阻抗系數(shù)不相等，且含有風電場的等效阻抗會有較大波動，因此該方法在區(qū)內(nèi)故障分析時其余弦結(jié)果呈正相關(guān)特性但不為1，而區(qū)外故障時的保護相關(guān)系數(shù)為-1，但由于風電系統(tǒng)的波動可能會導致數(shù)值只是接近-1。

4仿真驗證

為驗證本文所提方法的有效性，利用PSCAD/EMTDC搭建20×5 MW的雙饋風電場并網(wǎng)簡化模型，如圖4所示，對各種短路故障進行驗證并輸出數(shù)據(jù)，然后通過Matlab進行數(shù)據(jù)處理以及相關(guān)性數(shù)據(jù)校驗。

關(guān)于雙饋風電場模型的基本參數(shù)如下：

各雙饋風電機組所連接的升壓變壓器為0.69 kV/35 kV，升壓至35kV后將所有風電機組通過集電線路相連接，然后通過35 kV/220 kV升壓變壓器升壓至220 kV后將該雙饋風電場并入電網(wǎng)，風電場送出線的簡化故障模型如圖5所示，送出線路長100 km，接入的系統(tǒng)阻抗為Z=1.0515+j1.6054 Ω，輸電線路的基本參數(shù)為R？=3.576×10-？O/m，XL？=5.078×10-？O/m，Xc？=305.8×10？Q/m;Ro=3.63×10-？Q/m，Xro=1.323×10-3Q/m，Xco=430.6×10？Q/m。同時在本文搭建的DFIG模型中包含有直流卸荷回路保護以及撬棒保護，當發(fā)生嚴重短路故障時撬棒保護投入切出轉(zhuǎn)子變流器保護其不受損壞。在輸電線路上設(shè)置故障發(fā)生時刻為1s，持續(xù)時間0.5s，采樣頻率為4kHz，根據(jù)采樣故障發(fā)生后25 ms的數(shù)據(jù)進行故障區(qū)域診斷。

在圖5中故障點f？為靠近電網(wǎng)側(cè)測量點n的背側(cè)短路故障；f？為靠近測量點n正向的短路故障；f？為線路m、n中點的短路故障；f？為靠近風場側(cè)測量點m正向的短路故障；f？為風場側(cè)測量點m背側(cè)的短路故障。測量點m和n測得的短路電流箭頭指向為正方向。以下故障分析主要基于此進行。

為驗證本文所提保護方法的正確性，首先在線路中點故障f？處即風電場側(cè)測量點m正方向50 km處設(shè)置短路故障，故障點過渡電阻為10Ω。

通過圖6中幾種典型故障的線模分量大致可發(fā)現(xiàn)，任意兩組數(shù)據(jù)的變化趨勢整體上趨于一致，具體相關(guān)性數(shù)據(jù)結(jié)果見表1。

根據(jù)表1可知，本文所提出的方法通過判斷相關(guān)系數(shù)即可準確識別區(qū)內(nèi)故障，且不受故障類型的影響。

同時為檢驗所選故障模量分解方式的正確性，對相應的Clarke變換和Karrenbauer變換后的模分量完成對故障區(qū)域的判斷，經(jīng)過驗證后發(fā)現(xiàn)，其結(jié)果與分析一致，Clarke變換和Karrenbauer變換的單一故障模量均無法識別全部類型短路故障，具體故障區(qū)域判斷失敗結(jié)果如圖7和圖8所示。通過圖7和圖8發(fā)現(xiàn)，在判定失敗的情況下兩端測量的故障分量明顯呈現(xiàn)負相關(guān)特性，Pearson相關(guān)系數(shù)約為-1，導致保護判定結(jié)果為區(qū)外故障，故障區(qū)域判定錯誤。

然而實際中故障位置或特征多種多樣，單一故障量不足以檢驗本方法的正確性，為檢驗在不同故障位置下和故障點過渡電阻大小不同對測量結(jié)果準確性的影響，分別在測量點m正向遠端故障點f？（80 km，90 km）和近端故障點f？（10 km，20 km）處設(shè)置不同類型短路故障，以及在線路中點f？處設(shè)置不同大小的過渡電阻檢驗故障區(qū)域判斷情況。

通過表1～表3的結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，本文提出的方法在發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時可有效完成故障判定，且判斷結(jié)果不受故障類型、故障距離以及故障點過渡電阻大小的影響，因此為了檢驗區(qū)外故障判定結(jié)果，在測量點m背側(cè)故障點f？（20 km）處設(shè)置不同大小過渡電阻時的故障區(qū)域判斷情況，如表4所示。

當風電場側(cè)測量點m背側(cè)發(fā)生故障時，兩端保護安裝處所接收的故障分量為系統(tǒng)側(cè)提供。可有效判定故障屬于區(qū)外故障。

因此，同樣在電網(wǎng)側(cè)測量點n保護安裝處背側(cè)故障點f？（20 km）處設(shè)置短路故障，檢驗兩端測量點為風電場側(cè)電源提供能量時的保護區(qū)域判定結(jié)果，其結(jié)果如表5和圖11所示。

故障點f？和f？的驗證結(jié)果說明該方法可有效識別區(qū)外故障，同時不受風電場弱饋性干擾，而且該方法同樣適用于傳統(tǒng)電網(wǎng)，且相較含有風電系統(tǒng)的相關(guān)系數(shù)更為精確一些。

5結(jié)論

針對風電場接入傳統(tǒng)電網(wǎng)的弱饋性等問題，本文通過對故障附加網(wǎng)絡進行分析與推導，確定保護安裝處測量點測量所得電氣量均與故障點注入的短路電流與阻抗系數(shù)有關(guān)，并且通過仿真實驗驗證得到以下主要結(jié)論：

1）各種故障解耦方式中僅對稱分量法中正序分量適用于單一模量的故障分析，其余方法均存在部分限制，無法以單一模量表征所有故障類型，需結(jié)合使用。

2）在通過不同的故障類型以及不同條件下的檢驗證明該方法不僅不受故障距離、故障類型以及故障點過渡電阻大小的影響，而且也不受風電系統(tǒng)的弱饋性、頻率偏移和系統(tǒng)阻抗不穩(wěn)定等問題的影響，在故障發(fā)生時均可有效判斷故障區(qū)域。

3）本文提出方法簡單，易于實現(xiàn)，而且根據(jù)結(jié)果可知該方法具有較高的可靠性。

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RESEARCH ON PILOT DIRECTION PROTECTION SUITABLE FORDOUBLY-FED WIND FARM OUTGOING LINE

Gao Shuping1，2，Yu Kun1，2，Song Guobing3，Guo Fangbin1，2

（1.College of Electronical and Control Engineering，Xi'an University of Science and Technology，Xi'an710054，China;

2.Xi'an Key Laboratory of Electrical Equipment Condition Monitoring and Power Supply Security，Xi'an 710054，China;

3.School of Electrical Engineering，Xi'anJiaotong University，Xi'an710049，China）

Abstract：When the wind farm is connected to the power grid，the traditional directional element is susceptible to the interference ofthe dynamic characteristics of the power electronic devices inside the wind farm when the short-circuit fault occurs，which leads to thefrequency characteristic deviation，system parameter instability and weak feedability，so that the relay protection device cannot judgethe fault area timely or correctly.In order to solve the above problems，the fault additional network containing wind farms is analyzedfirst，and the correlation between the electrical quantities of each measurement point at the pilot protection instlltion after the faultoccurs is found，and the fault logic relationship is determined.Then，through the analysis of the common decoupling mode of phase-mode transformation，a reasonable method is selected to replace the correlation expression，and the fault region is determined accordingto the correlation coefficient value.Finally，PSCAD/EMTDC is used to build the doubly-fed wind farm grid-connected model and variousfault types and scenarios are set.Matlab is used to verify to test the judgment results of the fault area to determine the correctness andrationality of the proposed method.Simulation results show that this method has high reliability.

Keywords：windfarm;DFIG;relayprotection;correlation;pilotprotection;phase-mode transformation