基于时频特性相似度的新能源场站T接型送出线路高速保护_温志文.pdf

第51 卷 第4 期 电力系统保护与控制 Vol.51 No.4 2023年2月16日 Power System Protection and Control Feb.16,2023 DOI:10.19783/ki.pspc.220789 基于时频特性相似度的新能源场站 T 接型送出线路高速保护 温志文，贾 科，余 磊，刘 鑫，孔繁哲，毕天姝(新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)，北京 102206)摘要：新能源短路电流呈现幅值受限的非工频特征，导致差动保护的动作性能下降。在分析新能源电源与传统同步发电机故障特性的基础上，提出基于时频特性相似度的新能源场站 T 接型送出线路高速保护原理。该方法首先利用压缩感知压缩高频率采样信号，传输低频率压缩信号，降低保护通信量。然后利用小波变换提取故障电流的时频特征，利用主成分分析法(principal component analysis,PCA)剔除时频特征的冗余信息，得到时频特征矩阵。最后利用堪培拉距离衡量时频特征矩阵相似度，提出基于时频特性相似度的高速保护原理。所提保护理论上可以在故障 5 ms 内可靠识别区内外故障，具有较强的耐受故障电阻和系统噪声的能力，并且适用于新能源弱出力的场景。硬件在环实验结果和现场录波数据验证了所提保护的有效性。关键词：新能源场站；T 接型送出线路；压缩感知；堪培拉距离；高速保护 High speed protection based on time-frequency characteristic similarity for a Teed transmission line connected to renewable energy power plants WEN Zhiwen,JIA Ke,YU Lei,LIU Xin,KONG Fanzhe,BI Tianshu(State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources(North China Electric Power University),Beijing 102206,China)Abstract:The short-circuit current of renewable energy resources presents non power frequency characteristics with limited amplitude,resulting in performance degradation of differential protection.Based on the analysis of the fault characteristics of renewable energy resources and traditional synchronous generators,this paper puts forward a high-speed protection of a Teed line connected to renewable energy power plants.It is based on the similarity of time-frequency characteristics.First,compressed sensing is used to compress the high-frequency sampling signal,transmit low-frequency compressed data and reduce the digital quantity of protection communication.Then wavelet transform is used to extract the time-frequency characteristics of the fault current,and principal component analysis(PCA)is used to eliminate the redundant information of the time-frequency characteristics to obtain the time-frequency characteristic matrix.Finally,Canberra distance is used to measure the similarity of time-frequency characteristic matrices,and a high-speed protection principle based on time-frequency characteristic similarity is proposed.The proposed protection can reliably identify internal and external faults within 5 ms,and has strong ability to withstand fault resistance and system noise.It is also applicable to the scenario of weak output of renewable energy resources.The effectiveness of the proposed protection is verified by a hardware in the loop experiment and field recorded data.This work is supported by the National Natural Science Foundation of China(No.51725702 and No.52061635102).Key words:renewable power plant;Teed transmission line;compressed sensing;Canberra distance;high speed protection 0 引言 为了解决环境污染和能源短缺问题，我国在 2020 基金项目：国家自然科学基金项目资助(51725702，52061635102)年提出了“2030 年碳中和，2060 年碳达峰”的宏伟目标，为此需大力推进新能源发电，构建以新能源为主体的新型电力系统1。为了节省投资成本和输电线路走廊，新能源场站常经 T 接型送出线路并网发电2-3。传统 T 接线路的主保护为差动保护，受新能源幅值受限的非工频短路特性影响，差动保护运-2-电力系统保护与控制 用于高比例新能源并网系统时，动作性能下降，存在拒动的风险4，因此需要研究适用于新能源场站T 接型送出线路的保护新原理5。为了保证电力系统安全可靠运行，适用于高比例新能源 T 接并网系统的保护新原理已有研究。文献6分析了常用差动保护判据在光伏 T 接线路的适应性，结合光伏电源的故障电流特点，提出了适合于光伏 T 接线路电流差动保护的综合判据。文献7分析了新能源电源接入给传统电流差动保护带来的影响，提出了以线路两端正序补偿电压的差值为辅助判据的解决方案。文献8提出了基于电流幅值比的改进策略，通过比值的方式放大故障特征，提高了传统差动保护的灵敏性。上述方法均为短路电流工频量保护，然而当新能源高比例接入系统时，短路电流工频分量含量减少，基于工频量的保护原理动作性能下降9。针对高比例新能源并网系统工频量保护动作性能下降的问题，已有学者研究基于高频分量和时域量的保护新原理。文献10利用故障高频电压和高频电流定义高频阻抗模型，提出了基于高频阻抗差动的保护新原理，然而该类保护对系统中的噪声以及电力电子换流器短路电流中的谐波分量敏感。文献11利用余弦相似度衡量新能源电源与传统同步机的故障电流波形差异，提出了基于余弦相似度的新能源场站 T 接型送出线路保护原理。然而当风电场出力为 0 时，余弦相似度算法面临异常计算，导致保护失效。因此，仍需要研究适用于新能源场站 T 接型送出线路的保护新原理。现有研究主要利用控制暂态或控制稳态信息构造保护，且保护算法的时窗长，保护动作时间常在 10 ms 以上。当高比例新能源经 T 接线路并网系统时，系统短路容量比下降，发生故障后系统电压支撑能力下降，新能源电源难以可靠低电压穿越12-13。若保护无法快速切除故障，将导致新能源大规模脱网，危害系统安全运行，因此亟需研究适用于高比例新能源 T 接并网系统的高速保护原理。本文分析新能源电源和传统同步电源的故障暂态特性，提出基于时频特性相似度的新能源场站T 接型送出线路高速保护原理。针对高速保护需要高采样频率数据、保护通信数字量多的问题，本文利用压缩感知压缩采样数据，降低保护传输数字量，缓解通信压力。然后利用主成分分析法(principal component analysis,PCA)对小波变换得到的短路电流时频特性矩阵进行降维，剔除冗余信息得到短路电流的时频特征矩阵，降低保护运算量，提高保护动作速度。最后利用堪培拉距离衡量线路两侧短路电流的时频特征矩阵差异，构造基于时频特性相似度的高速保护原理，在新能源出力为 0 的场景也有良好的适应性。实时数字仿真器(real time digital simulator,RTDS)仿真结果和现场录波数据验证了所提保护的有效性。1 故障特征分析 新能源电源主要分为部分功率逆变型电源(以双馈风机为代表)和全功率逆变型电源(以永磁风机为代表)。在故障初期，不同新能源电源的故障特性类似，均与换流器控制响应特性和换流器出口滤波器特性相关14-15。新能源电源的故障电流由换流器控制响应电流和出口 LCL 滤波器响应电流组成。故障初期，新能源电源的短路电流解析式16为 nn-RESn122/n21esin()eesin()tttiBAtRA CCAt-=+-+-(1)ncc122n222n12,822arctan,arctan|21|11,()KKBAAAACARA =|=|-|=-=|-+(2)式中：-RESi为表新能源电源的故障相电流；c为截止频率；n为角频率；为时间常数，/L R=，R、L分别为等效电阻和等效电感；K为常数，取值为233.5。由式(1)可知，受换流器动态响应和滤波器响应的影响，角频率n将偏离工频角频率9，同时新能源电源短路电流弱馈。因此，新能源电源的短路电流呈现出幅值受限的非工频短路特性。传统同步发电机的故障解析式9为 dda/dddd-SGq 0dddddq 0q 0/d2(ee)cos()2/cos()2coset Tt Tt TxxxxiUx xx xtUxtUx-=+.+-(3)式中：-SGi为同步发电机的故障电流；q 0U为同步机内电势；dx、dx和dx分别为同步机的同步电抗、暂态电抗和次暂态电抗；aT、dT和dT分别为直流分量衰减时间常数、暂态交流分量衰减时间常数和次暂态交流分量衰减时间常数；是工频角频率；为初相角。温志文，等 基于时频特性相似度的新能源场站 T 接型送出线路高速保护 -3-在故障期间，传统同步发电机短路电流波形为工频指数衰减的正弦波，而新能源电源故障电流呈现幅值受限的非工频短路特性。因此，故障期间送出线路两侧电流短路特性存在很大差异，基于此，本文提出一种基于短路电流时频特性相似度的高速保护原理。2 基于时频特性相似度的保护判据 2.1 数据压缩传输 多个新能源场站T接型送出线路并网系统的主接线如图1所示，本文以永磁风电场和双馈风电场T接并网系统为例进行研究，研究结论适用于多个新能源场站T接并网系统。两个新能源场站T接并网系统的保护配置情况如图2所示。每个场站配一套相同的保护装置，保护装置间通过光纤通道进行通信。图 1 多个新