基于多端差動的風電場集電線路保護新原理

黃景光，鄭淑文，林湘寧

（1.三峽大學電氣與新能源學院，湖北宜昌 443002；2.新能源微電網(wǎng)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心（三峽大學），湖北宜昌 443002；3.華中科技大學電氣與電子學院，湖北武漢 430074）

基于多端差動的風電場集電線路保護新原理

黃景光1，2，鄭淑文1，林湘寧3

（1.三峽大學電氣與新能源學院，湖北宜昌 443002；2.新能源微電網(wǎng)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心（三峽大學），湖北宜昌 443002；3.華中科技大學電氣與電子學院，湖北武漢 430074）

分析了風電場故障對集電線路電流保護及距離保護的影響，提出了多端差動的單元式保護與風電場多段保護，并通過PSCAD/EMTDC進行了仿真，驗證了多端差動保護動作的正確性，得到多端差動保護提高了風電場集電線路的保護靈敏度與可靠性，具有較高的準確度和靈敏度。

風電場；集電線路；多端差動；多段保護；PSCAD/ EMTDC仿真

風電場接入輸電網(wǎng)有分散接入和集中接入2種方式，根據(jù)我國資源分布特點，大多采用集中式接入。大規(guī)模的風電場集中接入電網(wǎng)，會對保護整定造成影響。電網(wǎng)故障時，對風電場的嚴重影響就是損壞風機，風電場內(nèi)部故障未及時切除對電網(wǎng)的影響則是故障規(guī)模擴大，整個地區(qū)風電場陸續(xù)故障，進一步加劇電網(wǎng)事故。風電場故障，會造成風電場內(nèi)部以及并網(wǎng)點電壓下降，具備低電壓穿越的風力機機端低電壓保護會在故障未切除時就迅速切除風機，風電場電壓以及并網(wǎng)點電壓繼續(xù)降低，無功補償裝置投入，最終一部分風機會因為無功補償裝置不能快速切除導致過電壓而脫網(wǎng)。由于風力間歇性特性，造成大型風電場內(nèi)部集電線路與傳統(tǒng)配電網(wǎng)輻射狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)存在差異。對于風電場任一集電線路，由于兩側(cè)母線上均有電源分布，在繼電保護中可等效為雙端電源元件，針對傳統(tǒng)輻射狀配電網(wǎng)繼電保護的配置及整定將不適用[1]。2011年甘肅、河北風電基地風機大面積脫網(wǎng)事故的發(fā)生，根本原因在于集電線路故障不能快速跳閘[2]。2013年隆文風電場發(fā)生10起集電線路故障，每起事故都造成80～100臺風機受損。

我國風電場保護主要分為風電場單機保護、風電場集電線路保護、集電母線保護、升壓變電站保護、風電場送出線路保護。在我國，風電場實際運行中，風電場相對于繼電保護是作為負荷處理。我國35 kV集電線路在電網(wǎng)側(cè)通常配置常規(guī)饋線保護（速斷保護與過流保護或距離保護），兩段式電流保護帶有方向元件，電流速斷動作電流應(yīng)當躲開線路末端（箱變高壓側(cè)）短路時的最大短路電流[3-4]。這樣的配置整定對于大規(guī)模的風電場并入電網(wǎng)會失去保護可靠性和選擇性。文獻[5]構(gòu)建了9 MW的風電

場模型，在輸電網(wǎng)處和風電場出口進行了故障仿真，得出為了確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，不能忽略風電場接入對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。風電接入以后，常規(guī)的電流保護可能會出現(xiàn)保護的誤動，給配電網(wǎng)保護的可靠性帶來影響[6]。文獻[7]討論了風電場接入系統(tǒng)后對繼電保護的影響以及對策。國內(nèi)外專家對集電線路的保護也提出了新的保護原理和保護方案。文獻[8-10]提出采用自適應(yīng)電流速斷保護與自適應(yīng)過電流保護能更好地改善保護性能，提高對故障點判斷的準確性。

1 風電場故障對電流保護的影響

風電場集電線路的兩段電流保護安裝在集電母線端口，保護到風機末端線路。作為集電線路的主保護，也作為集電線路連接風力發(fā)電機和箱變的后備保護，在風電場末端發(fā)生短路故障時保護應(yīng)準確動作。

如圖1所示，風電場LVRT對應(yīng)的電壓為并網(wǎng)點電壓，機組低電壓保護對應(yīng)的電壓為風機的機端電壓。風電場內(nèi)部出現(xiàn)故障時，風電場集電線路速斷電流保護因配合箱變高壓側(cè)熔斷器的原因動作時間通常為200～300 ms。在風電機不具備低電壓穿越能力的情況下，風電機持續(xù)的短路電流最多只有120 ms，使集電線路電流保護出現(xiàn)拒動誤動情況。風電機在具備低電壓穿越的能力下，風電場故障內(nèi)部電壓下降嚴重，但機端電壓有殘留，此時風電機的低電壓保護有300 ms的動作時間供風電場內(nèi)部接觸故障而不切除整個風電場，風機的電壓保護以及頻率保護等保護裝置過于敏感，會使風電場故障還未切除時就切除風機，影響繼電保護的選擇性。為提高風電場故障切除的可靠性，許多專家學者也都針對傳統(tǒng)電流速斷保護定值整定分析研究，提出了不同的保護策略，提高保護動作的可靠性[11-12]。

圖1 低電壓穿越時間Fig.1 Low voltage across time

2 風電場保護新原理

2.1 單元式多端差動保護

電流差動保護是基于基爾霍夫基本定律，對于一個節(jié)點流進與流出的電流是相等的。把含有分支的多端線路看成一個大的節(jié)點，依然滿足基爾霍夫基本定律。對于多端線路，一般采用光纖差動保護，且在不考慮線路的分布電容、分布電導以及電流互感器飽和等因素的情況下，保護只需要躲過不平衡電流即可正確動作[13-14]。將每條集電線路集合為一個單元，該單元保護區(qū)內(nèi)各相量測量單元同步測量。每隔時間ts，將測量到的電壓電流計算成電壓電流的相位和幅值。將計算好的電壓電流相位幅值上傳到智能保護中心，在智能保護中心里計算每個單元的多端差動保護，根據(jù)多端差動保護原理判別出現(xiàn)故障的保護單元，并對保護單元中的分支進行多端差動保護計算，確定具體故障位置，下達命令到本地保護，使故障所在區(qū)域保護動作，起到保護風機、風電場及電網(wǎng)的安全。

如圖2所示的集電線路1，該線路有4個端口，線路1以及4個端口上所連的支路在保護中心構(gòu)成一個單元，進行單獨同步計算。

圖2 集電線路1發(fā)生故障Fig.2 Fault on collecting line 1

每隔ts保護中心通過光纖獲取實時數(shù)據(jù)進行計算。當故障發(fā)生在單元1中的線路1上時，電流差動保護動作量

若線路有M（M>2）個端子，則電流差動保護動作量ΔId可表示為:

對于線路1-2、線路1-3、線路1-4及其他支路，同樣在保護中心中用式（2）以及制動量進行差動判別。若風電場有N條線路，則每條集電線路上傳到保護中心的信息為此條集電線路的差動電流量。

2.2 風電場多段保護

如2.1節(jié)所述，單元式多端差動保護靈敏度不夠不能及時切除故障，故障未及時切除會導致并網(wǎng)點電壓降低，部分風機若不具備低電壓穿越能力，會因低電壓脫網(wǎng)。

如圖3所示，風電場新保護I段包括集電線路，采用單元式多端差動保護。保護II段包括升壓變電站、集電線路母線以及集電線路。保護II段的斷路器k1處保護裝置與箱變高壓側(cè)保護裝置配合構(gòu)成多端差動保護。保護II段為保護I段的后備保護，各保護裝置上傳信息到智能保護中心，由智能保護中心決策故障發(fā)生位置。故障發(fā)生在集電線路，由單元式多端差動保護動作，如果保護I段動作不靈敏造成拒動，則由保護II段k1與箱變高壓側(cè)動作切除故障。若故障發(fā)生在升壓變電站，故障切除依然由原變壓器差動保護完成。

圖3 多段保護分區(qū)圖Fig.3 Multi-stage protection partition

2.3 集電線路光纖差動保護配置

風電場內(nèi)部集電線路的光纖連接采用并聯(lián)方式，以環(huán)網(wǎng)式與并聯(lián)式相結(jié)合。使用光纖作為傳輸介質(zhì)，具有抗干擾能力強、傳輸損耗低、傳輸容量大、不受電網(wǎng)運行方式的影響等優(yōu)點，為多端差動保護提供了良好的技術(shù)支撐。在主集電線路上，用環(huán)網(wǎng)接線方式連接各個端口，集電線支路采用放射式連接。這樣的連接方式具有調(diào)節(jié)范圍廣、配合程度高、經(jīng)濟性好的特點。

風電場集電線路的拓撲結(jié)構(gòu)如圖4所示。保護裝置之間用光纖串并聯(lián)實現(xiàn)連接，在實際工程中差動保護的數(shù)據(jù)同步多采用乒乓算法。確定一端為基準端，其余端為同步端。正常情況下，同步端都與基準端直接連接，同步端與基準端通過通道進行同步與計算，可以認為所有同步端的數(shù)據(jù)均為同步。以圖2集電線路為例，升壓變高壓側(cè)保護裝置與每單元集電線路S1端、S2端、S3端采用光纖直接連接?？拷娔妇€的保護裝置分別與每單元的集電線路上S1端、M端與N端三端光纖通道串聯(lián)連接，確定S端為基準端，M端與N端為同步端。集電線路支路以M端口支路為例，M端作為基準端，則其余端口M1端口、M2端口、M3端口為同步端。

圖4 多端差動光纖連接圖Fig.4 Multi-terminal differential fiber optic connection diagram

3 仿真分析

本文基于主流風電機組的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，根據(jù)風電場接線標準，在PSCAD/EMTDC中建立圖4所示的仿真模型150 MW的雙饋式風電場。系統(tǒng)頻率為50 Hz，最大運行方式下系統(tǒng)阻抗0.314 Ω，最小運行方式下系統(tǒng)阻抗為每機組風力發(fā)電機功率為2 MW，由出口0.69 kV經(jīng)過單機單變的形式接入到35 kV電壓等級的集電線路上。該風電場共有3條集電線路，集電線路長9 km，每條集電線路上風機功率均勻分配。3

條集電線路并聯(lián)接入中壓母線，經(jīng)110 kV升壓變電站統(tǒng)一由送出線到110 kV母線，110 kV母線匯集各個相鄰風電場再統(tǒng)一將電能送入電網(wǎng)。線路阻抗為0.123+j0.663 Ω/km

圖5 風電場接入系統(tǒng)圖Fig.5 Wind farm access system diagram

故障發(fā)生在集電線路不同地方的時候，集電母線電壓以及流過保護裝置電流如圖6所示。

圖6 不同故障點集電母線電壓及流過保護處電流Fig.6 Different fault point set electric bus voltage and electric current flows through the protection

從仿真圖5可以看出，集電母線越近地方的故障，集電母線電壓跌落越深，影響其他集電線路程度越大。集電線路故障時，單元式多端差動保護從圖中可以看出在10～15 ms時動作切除故障。

風電場集電線路電流保護的靈敏性會隨著運行方式以及故障類型的變化而改變保護范圍，且系統(tǒng)處于最小方式下兩相短路時，電流速斷保護的范圍最小。

從表1可以看出，在保護動作時間上，多段電流差動保護要比電流保護動作迅速，采用多端差動的靈敏度要高于電流保護，多端差動保護性能更優(yōu)越。

表1 保護靈敏度Tab.1 Protection sensitivity

風電場集電線路發(fā)生三相短路時斷路器開關(guān)動作情況如表2所示。

表2 故障情況下保護開關(guān)動作Tab.2 Protection switch action under fault condition

從表2可以看出，在風電場集電線路不同故障點運用差動保護比傳統(tǒng)電流保護要靈活。發(fā)生三相短路非金屬性接地時，隨著過渡電阻的增大，多端差動保護依然能正確動作，對于傳統(tǒng)的電流保護則會出現(xiàn)拒動，但是多端差動運用在風電場對于非金屬性接地的靈敏度不高。

4 結(jié)語

本文提出了在風電場運用單元式多端差動保護與風電場多段保護，結(jié)合智能保護中心，對風電場集電線路各支路的差動保護相互配合，實現(xiàn)了比原保護范圍擴大，動作時間提高了45%，減少了保護的誤動率。整個風電場采用多段保護會提高保護的配合度，增加保護動作的可靠性。

[1]焦在強.大規(guī)模風電接入的繼電保護問題綜述[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（in Chinese）.

[2]趙忠立.提高風電場集電線路保護選擇性的方案探討[J].內(nèi)蒙古電力技術(shù)，2012，30（4）:35-38.ZHAO Zhongli.Scheme for improving protection selectivity of wind farm transmission line[J].Inner Mongolia Electric Power，2012，30（4）:35-38（in Chinese）.

[3]曹張潔，向榮，譚謹，等.大規(guī)模并網(wǎng)型風電場等值建模研究現(xiàn)狀[J].電網(wǎng)與清潔能源，2011，27（2）:56-60.CAO Zhangjie，XIANG Rong，TAN Jin，et al.Review of current research on equivalent modeling of large-scale grid-connected wind farm[J].Power System and Clean Energy，2011，27（2）:56-60（in Chinese）.

[4]張保會，原博，王進，等.風電接入對繼電保護的影響（七）——風電場送出電網(wǎng)繼電保護配置研究[J].電力自動化設(shè)備，2013，33（7）:1-5.ZHANG Baohui，YUAN Bo，WANG Jin，et al.Impact of wind farm integration on relay protection（7）:analysis of relay protection configuration for wind farm outgoing power grid[J].Electric Power Automation Equipment，2013，33（7）:1-5（in Chinese）.

[5]張磊，梅柏杉，楊林濤，等.風電場并網(wǎng)運行及其對配電網(wǎng)繼電保護的影響[J].華東電力，2010，38（9）:1409-1412.ZHANG Lei，MEI Baishan，YANG Lintao，et al.Grid connected operation of wind farm and influenceon distribution network relay protection[J].East China Electric Power，2010，38（9）:1409-1412（in Chinese）.

[6]HAGHIFAM M R，SOLTANI S.Reliability models for wind farms in generation system planning[C]//IEEE Probabilistic Methods Applied to Power Systems，Singapore，2010：436-441.

[7]COMECH M P，MONTANES M A，GARCIA M G．Overcurrent protection Behavior before wind farm contribution[C]//the 14th IEEE Mediterranean Electrotechnical Conference，Ajaccio，2008:762-767．

[8]梁偉宸，許湘蓮，龐可，等.風電機組故障診斷實現(xiàn)方法探討[J].高壓電器，2011，47（8）:57-62.LIANG Weichen，XU Xianglian，PANG Ke，et al.Investigation of the implementation of the wind turbine fault diagnosis[J].High Voltage Apparatus，2011，47（8）:57-62（in Chinese）.

[9]文玉玲，晁勤，吐爾遜·依不拉音，等.關(guān)于風電場適應(yīng)性繼電保護的探討[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2009，37（5）:47-51.WEN Yuling，CHAO Qin，TUERXUN·yibulayin，et al.Study on adaptive protection of wind farm[J].Power System Protection and Control，2009，37（5）:47-51（in Chinese）.

[10]何世恩，姚旭，徐善飛.大規(guī)模風電接入對繼電保護的影響與對策[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2013，41（1）:21-27.HE Shien，YAO Xu，XU Shanfei.Impacts of large-scale wind power integration on relay protection and countermeasures[J].Power System Protection and Control，2013，41（1）:21-27（in Chinese）.

[11]李炬添，張曾，方超穎，等.海上風電機組利用導管架結(jié)構(gòu)作為自然接地體可行性研究[J].電瓷避雷器，2015（6）:148-153.LI Jutian，ZHANG Zeng，F(xiàn)ANG Chaoying，et al.Feasibility study on using jacket structure as natural grounding electrode for offshore wind turbines[J].Insulators and Surge Arresters，2015（6）:148-153（in Chinese）.

[12]車倩，陸于平.采用Crowbar實現(xiàn)低電壓穿越的風電場繼電保護定值整定研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2013，41（2）:97-102.CHE Qian，LU Yuping.Research on wind farm relay protection value setting based on Crowbar circuit LVRT technology[J].Power System Protection and Control，2013，41（2）:97-102（in Chinese）.

[13]趙勇，王路路，趙祎涵，等.雙饋風力發(fā)電機定子繞組匝間短路故障特征提取[J].熱力發(fā)電，2016，45（8）:63-67.ZHAO Yong，WANG Lulu，ZHAO Yihan，et al.Feature extraction of stator winding inter-turn short circuit Fault in doubly-fedinduction generator[J].Thermal Power Generation，2016，45（8）：63-67（in Chinese）.

[14]曹積欣，王冠軍，李建民.風電并網(wǎng)電力系統(tǒng)無功補償動態(tài)性能研究[J].電力電容器與無功補償，2012，33（3）：16-22.CAO Jixin，WANG Guanjun，LI Jianmin.Researches on dynamic performances of reactive power compensation in wind power grid system[J].Power Capacitor&React-ive Power Compensation，2012，33（3）：16-22（in Chinese）.

（編輯 馮露）

New Principle of Wind Farm Collecting Power Line Protection Based on Multi-Terminal Differentials

HUANG Jingguang1，2，ZHENG Shuwen1，LIN Xiangning3
（1.College of Electrical Engineering&New Energy，China Three Gorges University，Yichang 443002，Hubei，China；2.Hubei Provincial Collaborative Innovation Center for New Energy Microgrid（China Three Gorges University），Yichang 443002，Hubei，China；3.Institute of Electrical and Electronics，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074 Hubei，China）

This paper analyzes effect of wind farm on the current protection and distance protection，puts forward the multi-terminal unit protection and multi-section protection for wind farms.The EMTDC/PSCAD simulation suggests that the operation of multi-terminal differential protection is correct，and sensitivity and reliability of the electric circuit protection of the wind farm is improved with high accuracy and sensitivity with the multi-terminal differential protection.

wind power；collecting power lines；multiterminal differential；multi-stage protection；PSCAD/EMTDC simulation

2016-03-23。

黃景光（1968—），男，副教授，研究方向為信號分析和電力系統(tǒng)繼電保護研究；

鄭淑文（1990—），女，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護；

林湘寧（1970—），男，教授，研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護。

國家自然科學基金項目（51477090）。

Project Supported by National Natural Science Foundation of China（51477090）.

1674-3814（2016）09-0102-05

TM614

A