一种基于虚拟模导纳的直驱风场故障定位方法及系统

技术领域

本发明涉及电力系统继电保护技术领域，尤其涉及一种基于虚拟模导纳的直驱风场故障定位方法及系统。

背景技术

随着波动性新能源的接入比例越来越高，源端电网的运行方式更多变、动态过程更复杂，这导致故障与非故障电气量的特征差异逐渐变小，甚至混叠，不误动和不拒动难以兼顾，单一设备故障引发全网系统性事故的风险显著增大，仅依靠被保护设备独立信息的传统故障定位方法及系统面临严峻挑战。直驱风场源端谐波含量丰富、短路电流受限幅值变化小，将造成主保护对变压器匝间短路、线路高阻接地等轻微故障的反应灵敏性下降。由于汇集线路故障属于小电流接地系统，传统的汇集线路保护面临着故障信号弱、保护不够灵敏的问题。同时，源端电网运行方式的复杂多变以及风电场、光伏电站的出力随机波动性将造成后备保护定值难以整定，保护选择性和灵敏性的矛盾更加突出，保护拒动、误动风险并存。

直驱风机短路电流幅值受限、相角受控，在机端电压跳变后，短路电流暂态特性与同步电机短路电流具有明显区别。连接于同一集电线路上的风电机群暂态特性受机间交互作用影响，传统单机聚合的风电场群暂态模型解析精度不够准确。直驱风场拓扑结构为串联链式供电，该拓扑结构比传统交流输电线路更为复杂，保护配置需考虑上下级范围配合问题；直驱风场集电线路保护配置位置在线路近汇集母线端口，风机箱变低压侧配置熔断器保护装置；相比于传统配电网保护，直驱风场集电线路保护难以通过上下级配合实现保护的选择性。

近年来，国内外学者对风场集电线路保护进行了大量的研究。现有集电线路一般配置过流保护识别与切除相间短路、配置零序电流保护识别与切除接地短路。过流保护的整定方式有三种：第一种为首个风机箱变低压侧故障时最大短路电流；该整定方式从阈值上满足了集电线路保护和箱变保护之间的选择性，但是灵敏性较差，切除保护速度过慢容易导致风机脱网数量增加，影响风场稳定。第二种为集电线末端故障最大短路电流，该方式选择性较好，但是不能保护线路全长，灵敏性较差，使故障无法快速切除，扩大故障范围。第三种为对集电线路末端最小运行方式故障有一定灵敏度，该整定方式能够覆盖集电线路全长，但是由于保护范围过长，风机箱变低压侧发生故障时，容易出现无选择性误动情况。由于风场变压器绕组接线方式设置，零序电流保护具有较高的灵敏性以及保护范围，但是无法识别相间故障。

此外，传统在进行故障保护定位计算的时候，大多方法仅仅考虑了本线路上的故障信息，实际上，其他汇集线路上也有故障电流馈入到被保护的汇集线路上，而且故障信息丰富，由于在故障保护定位计算过程中未考虑其他汇集线路上的故障电流，使得现有故障保护定位的准确性有所下降。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种基于虚拟模导纳的直驱风场故障定位方法及系统，用于提高直驱风场故障定位的准确性。

一方面，本发明公开了一种基于虚拟模导纳的直驱风场故障定位方法，包括：

采集直驱风场汇集站故障前、后送出线路的母线电压，以及，直驱风场汇集站故障后每条集电线路的端口电压和端口电流；

分别根据直驱风场汇集站故障后每条集电线路的端口电压和端口电流，得到相应集电线路的1模、2模导纳实际值；

分别根据直驱风场汇集站故障前、后送出线路的母线电压，以及，直驱风场汇集站故障后每条集电线路的端口电压，得到相应集电线路的1模、2模导纳预测值；

分别基于每条集电线路的1模、2模导纳实际值和1模、2模导纳预测值，得到相应集电线路的故障判据值；根据每条集电线路的故障判据值确定相应集电线路是否发生区内故障，若是，则相应集电线路的保护装置动作。

在上述方案的基础上，本发明还做出了如下改进：

进一步，对于每条集电线路，根据以下公式计算故障判据值E

其中，G

进一步，对于每一采样点，集电线路的1模、2模导纳实际值，均按照以下公式计算：

其中，G′

进一步，对于每一采样点，第n条集电线路的1模、2模导纳预测值，均按照以下公式计算：

其中，

k

进一步，根据每条集电线路的故障判据值确定相应集电线路是否发生区内故障，包括：

对于每条集电线路，

若满足E

若满足E

其中，E

进一步，E

另一方面，本发明还公开了一种基于虚拟模导纳的直驱风场故障定位系统，包括：

数据采集模块，用于采集直驱风场汇集站故障前、后送出线路的母线电压，以及，直驱风场汇集站故障后每条集电线路的端口电压和端口电流；

参数计算模块，用于分别根据直驱风场汇集站故障后每条集电线路的端口电压和端口电流，得到相应集电线路的1模、2模导纳实际值；还用于分别根据直驱风场汇集站故障前、后送出线路的母线电压，以及，直驱风场汇集站故障后每条集电线路的端口电压，得到相应集电线路的1模、2模导纳预测值；

保护动作模块，用于分别基于每条集电线路的1模、2模导纳实际值和1模、2模导纳预测值，得到相应集电线路的故障判据值；根据每条集电线路的故障判据值确定相应集电线路是否发生区内故障，若是，则相应集电线路的保护装置动作。

在上述方案的基础上，本发明还做出了如下改进：

进一步，对于每条集电线路，根据以下公式计算故障判据值E

其中，G

进一步，对于每一采样点，集电线路的1模、2模导纳实际值，均按照以下公式计算：

其中，G′

对于每一采样点，第n条集电线路的1模、2模导纳预测值，均按照以下公式计算：

其中，

k

进一步，根据每条集电线路的故障判据值确定相应集电线路是否发生区内故障，包括：

对于每条集电线路，

若满足E

若满足E

其中，E

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

本发明提供的基于虚拟模导纳的直驱风场故障定位方法，根据采集的每条集电线路上母线端的三相电压和三相电流、以及送出线路的母线电压，计算得到各集电线路的1模、2模导纳实际值及1模、2模导纳预测值；并根据基于每条集电线路的1模、2模导纳实际值和1模、2模导纳预测值，得到相应集电线路的故障判据值；然后，根据每条集电线路的故障判据值确定相应集电线路是否发生区内故障，若是，则相应集电线路的保护装置动作。因此，本发明通过提供故障后的故障全量构造的判据，与故障突变量判据相比，只要故障存在，则判据一直成立，无需故障保持逻辑，因此，本发明能够准确定位发生故障的集电线路。

同时，由于本发明中方法和系统基于相同的技术原理实现，本系统也具备上述方法对应的技术效果。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件；

图1是本发明实施例1提供的风场等效线路图；

图2是本发明实施例1提供的集电线路故障时风场等效线路图；

图3是本发明实施例1提供的基于虚拟模导纳的直驱风场故障定位方法的流程图；

图4是本发明实施例2提供的基于虚拟模导纳的直驱风场故障定位系统的结构示意图；

图5是本发明实施例3提供的直驱风力发电机场模型结构示意图；

图6是本发明实施例3提供的集电线路内距离汇集母线位置发生过渡电阻为100Ω的AB相故障时的故障定位判定值；

图7是本发明实施例3提供的集电线路内距离汇集母线位置发生过渡电阻为100Ω的ABC相故障时的故障定位判定值；

图8是本发明实施例3提供的交流系统送出线侧发生A相接地故障时的故障定位判定值；

图9是本发明实施例3提供的交流系统送出线侧发生BC两相相间短故障时的故障定位判定值。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

首先，对本实施例1提供的基于虚拟模导纳的直驱风场故障定位方法的形成原理做如下说明：

由于直驱风机为全逆变电源，风机机端电压方程如公式表示为：

式中：u

风场等效线路图如图1所示，当电网发生故障时，直驱风机直接将电压外环断开，此时，可以根据直驱风机端电压的跌落幅度给出电流内环的参考值，计算公式为：

其中，

当电压外环断开时，电流内环参考值为定值，所以解析暂态电流时只考虑电流内环的动态响应过程，根据图1中直驱风机的电流内环控制环节的控制结构，可知电流环控制方程为：

式中：k

将式(2)代入到式(3)中进行求解，并进行dq变换，可得同步旋转坐标系下的暂态电流表达式为：

式中：C

其中，

集电线路故障时风场等效线路图如图2所示，当直驱风场内部的集电线路发生故障时，风场的拓扑结构发生改变。现以第一台风机所在集电线路上发生故障为例(即图2的f处发生故障)，假设每条集电线路上只有一台直驱风机，此时，直驱风场的实际电压方程为：

式中，u

将系统从dq坐标系变换到三相坐标系后，再对系统三相电气量进行相模变换，运算公式如下：

式中，θ是同步旋转坐标系d轴超前于a轴的角度。F

结合公式(7)和(8)，得到模电流表达通式为：

结合公式(4)、(6)、(9)进而求得集电线路故障线路，即第1条集电线路的模电流的表达式为：

i

此时，求得第1条集电线路区内故障虚拟模导纳的表达式为：

u

与第一条集电线求解过程类似，集电线路故障时，其余未发生故障的各线路模电流的表达式为：

i

对于未发生故障的集电线路，模导纳表达式为：

由此可见，集电线路发生故障时，故障线路与非故障线路虚拟模导纳有明显差异。

对于集电线路上接有x台直驱风机的情况，由于风电场内各台风力发电机组间距离较短，为便于快速便捷计算虚拟模导纳，可忽略各台风力发电机组间的线路，模导纳值与集电线上接单台风机时的模导纳值为正比例关系，此时集电线路故障时，故障线路与未发生故障的各线路模导纳表达式为：

式中，x为此条集电线上直驱风力发电机组的数量。

由此可见，集电线路发生故障时，故障线路与非故障线路虚拟模导纳有明显差异。基于此，构造了本实施例的保护判据。具体描述如下：

本实施例1提供的一种基于虚拟模导纳的直驱风场故障定位方法，流程图如图3所示，包括以下步骤：

步骤S1：采集直驱风场汇集站故障前、后送出线路的母线电压，以及，直驱风场汇集站故障后每条集电线路的端口电压和端口电流；

步骤S2：分别根据直驱风场汇集站故障后每条集电线路的端口电压和端口电流，得到相应集电线路的1模、2模导纳实际值；

步骤S3：分别根据直驱风场汇集站故障前、后送出线路的母线电压，以及，直驱风场汇集站故障后每条集电线路的端口电压，得到相应集电线路的1模、2模导纳预测值；

步骤S4：分别基于每条集电线路的1模、2模导纳实际值和1模、2模导纳预测值，得到相应集电线路的故障判据值；根据每条集电线路的故障判据值确定相应集电线路是否发生区内故障，若是，则相应集电线路的保护装置动作。

需要说明的是，步骤S2和步骤S3可同时执行，无先后顺序之分，只有在同时获得每条集电线路的1模、2模导纳实际值和1模、2模导纳预测值之后，才能执行步骤S4的计算。

在本实施例中，对于每条集电线路，根据以下公式计算故障判据值E

其中，G

同时，对于每一采样点，集电线路的1模、2模导纳实际值，均按照以下公式计算：

其中，G′

每一个采样点处当前集电线路的1模、2模导纳预测值，根据对公式(15)离散化处理得到，即：对于每一采样点，第n条集电线路的1模、2模导纳预测值，均按照以下公式计算：

其中，

k

在本实施例中，根据每条集电线路的故障判据值确定相应集电线路是否发生区内故障，包括：对于每条集电线路，若满足E

实施例2

本发明实施例2一种基于虚拟模导纳的直驱风场故障定位系统，结构示意图如图4所示，包括：

数据采集模块，用于采集直驱风场汇集站故障前、后送出线路的母线电压，以及，直驱风场汇集站故障后每条集电线路的端口电压和端口电流；

参数计算模块，用于分别根据直驱风场汇集站故障后每条集电线路的端口电压和端口电流，得到相应集电线路的1模、2模导纳实际值；还用于分别根据直驱风场汇集站故障前、后送出线路的母线电压，以及，直驱风场汇集站故障后每条集电线路的端口电压，得到相应集电线路的1模、2模导纳预测值；

保护动作模块，用于分别基于每条集电线路的1模、2模导纳实际值和1模、2模导纳预测值，得到相应集电线路的故障判据值；根据每条集电线路的故障判据值确定相应集电线路是否发生区内故障，若是，则相应集电线路的保护装置动作。

需要说明的是，本系统实施例与上述方法实施例基于相同的原理实现，相关之处可互相参考，此处不再赘述。

同时，由于二者基于相同的原理实现，本系统实施例与上述方法实施例具备相同的技术效果。

实施例3

以下通过仿真过程验证上述系统和方法的正确性和合理性。在Matlab中搭建了以某地区148.5MW风电场的1.5MW直驱风力发电机场模型进行验证。模型如图5所示，风电场由100台额定功率1.5MW的风电机组构成，额定频率50Hz，定子额定电压690V，定子电阻0.0054pu，转子电阻0.00607pu，定子漏感0.lpu，转子漏感0.1lpu，互感为4.5pu，惯性时间常数0.5s，定转子绕组比0.3。风机半径40m，额定风速为12m/s，最佳风能利用系数0.28，空气密度1.225kg/m^3。集电线路的线路参数与送出线路参数一致，送出线路长10.3km，参数分别为：r

以集电线路内距离汇集母线位置发生过渡电阻为100Ω的AB相故障和ABC三相短路为例，故障定位判定值E

由图8和图9可知，交流系统送出线侧发生A相接地故障与BC两相相间短故障时，在过渡电阻为100Ω时，E

基于Matlab平台的算例验证结果表明，该系统具有以下特点：

(1)判据能够持续反应故障状态，无需附加保持逻辑，只要故障持续存在，故障定位判据就一直成立。

(2)能够适应系统各种运行方式，不受过渡阻抗、故障位置的影响。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。