基于變尺度濾波的含分布式風(fēng)電直流線路監(jiān)測(cè)

徐 彥 夏經(jīng)德 羅金玉 邵文權(quán) 苗思雨楊秀川

(1.西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院,陜西省 西安市 710048;2.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,陜西省 西安市 710049;3.大唐陜西發(fā)電有限公司,陜西省 西安市 710061)

0 引言

在我國(guó)“碳達(dá)峰,碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)下,分布式清潔能源在能源結(jié)構(gòu)中的占比日益增加[1-2]。自2014年以來(lái),風(fēng)力發(fā)電迅速成為新能源發(fā)電的主流之一,我國(guó)分布式風(fēng)電裝機(jī)容量逐年提升,現(xiàn)裝機(jī)總?cè)萘恳殉?3.5×104kW[3]。相較于交流電網(wǎng),直流電網(wǎng)具有消納新能源能力強(qiáng)、輸電效率高、減少換流環(huán)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)[4],直流電網(wǎng)更契合分布式風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展,但并網(wǎng)也面臨著諸多問(wèn)題亟待解決。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電接入直流電網(wǎng)需換流器的加入,換流器中諸多電力電子器件頻繁開(kāi)關(guān)斷使系統(tǒng)電氣量中含有大量諧波,對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和繼電保護(hù)的判別產(chǎn)生影響[5]。換流器中的電力電子器件具有天然的脆弱性,對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和繼電保護(hù)的快速判別提出了更高的要求[6]。

為提高含分布式風(fēng)電的直流輸電系統(tǒng)的安全性能,國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出眾多提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的措施,并已經(jīng)取得一定成果。在保護(hù)監(jiān)測(cè)方面,文獻(xiàn)[7]闡述了由于分布式電源的接入使配電網(wǎng)潮流流向、運(yùn)行方式更加復(fù)雜,通過(guò)限制準(zhǔn)入容量等方式改進(jìn)三段式電流保護(hù),但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看依然具有局限性。在諧波抑制方面,文獻(xiàn)[8]通過(guò)在風(fēng)機(jī)與電網(wǎng)公共連接點(diǎn)加裝雙調(diào)諧濾波器對(duì)諧波進(jìn)行抑制,以A 相電流為例,通過(guò)該濾波器對(duì)5、7次諧波抑制,使諧波畸變率由原先的13.72%降低為7.36%,起到一定濾波效果。文獻(xiàn)[9]通過(guò)在控制環(huán)節(jié)中補(bǔ)償5、7次諧波以達(dá)到抑制目的。錢(qián)克矛教授提出傅里葉濾波算法,其認(rèn)為縮小窗口尺寸可抑制線性相位誤差,但這種固定時(shí)間窗濾波難以滿足時(shí)頻特性復(fù)雜的系統(tǒng)[10]。小波分析可在自適應(yīng)尺度上分析自身信號(hào)和噪音特征,由此小波濾波算法得到快速發(fā)展[11]。本文借鑒小波濾波算法提出了變尺度積分濾波算法,在很大程度上濾除特征諧波和一定程度的非特征諧波,減小保護(hù)因?yàn)橹C波影響的誤動(dòng)性。

目前,直流系統(tǒng)中監(jiān)測(cè)與保護(hù)之間的協(xié)調(diào)不夠完善。本文借鑒交流系統(tǒng)中的阻抗三段式保護(hù),設(shè)計(jì)直流階梯式三段阻抗?fàn)顟B(tài)監(jiān)測(cè),完成快速監(jiān)測(cè)、靈敏保護(hù)、協(xié)調(diào)保護(hù)之間相互協(xié)調(diào),通過(guò)設(shè)置不同的積分濾波時(shí)長(zhǎng),構(gòu)建階梯式互聯(lián)狀態(tài)監(jiān)測(cè)方式;同時(shí)積分算法兼具了濾波效果和靈敏、協(xié)調(diào)保護(hù)的時(shí)間延遲,積分時(shí)間越長(zhǎng)窗濾波效果越明顯,構(gòu)成了變尺度濾波算法。最后,在PSCAD 仿真平臺(tái)搭建±50kV 直流輸電網(wǎng)仿真模型,驗(yàn)證該保護(hù)的正確性。

1 50 kV 直流輸電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.1 直流電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1為本文研究的含分布式風(fēng)電多端網(wǎng)狀中壓直流電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),系統(tǒng)額定電壓50kV,額定電流0.6kA,主要包括交流系統(tǒng)S1和S2、換流器(包括整流器和逆變器)、DC/DC裝置、線路兩端諸多分布式風(fēng)力發(fā)電及輸電線路等。對(duì)圖中各個(gè)端口進(jìn)行編號(hào)T1—T16;L1—L12表示含有正負(fù)雙極的配電線路,L1—L8 為架空線路,L9—L12 為電纜線路;實(shí)線路表示正極、虛線路表示負(fù)極;f1、f2分別表示直流線路通常遇到的2種故障類型,單極接地和極間短路故障[12]。

圖1 含分布式風(fēng)力發(fā)電的直流電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 DC grid topology with distributed wind power generation

1.2 阻抗?fàn)顟B(tài)監(jiān)測(cè)誤差條件

隨著電力系統(tǒng)日益復(fù)雜化,對(duì)系統(tǒng)阻抗監(jiān)測(cè)的要求逐漸提高。阻抗監(jiān)測(cè)可通過(guò)反應(yīng)故障點(diǎn)到保護(hù)測(cè)量點(diǎn)之間的阻抗,根據(jù)測(cè)量阻抗與整定阻抗之間的關(guān)系而確定系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)裝置,該監(jiān)測(cè)方式要求準(zhǔn)確判斷監(jiān)測(cè)區(qū)域的運(yùn)行狀態(tài)。根據(jù)文獻(xiàn)[13],阻抗監(jiān)測(cè)正確判別的條件是:定位誤差ε不大于整定阻抗Zset與測(cè)量阻抗Zf之差的絕對(duì)值。如圖2 所示,圖中縱坐標(biāo)εmax表示允許最大定位誤差[13]。

由圖2可知,故障定位誤差允許誤差最大值出現(xiàn)在線路出口處,誤差允許值隨線路延伸逐漸減少,快速段末端發(fā)生故障時(shí),需要較高的測(cè)距精度以區(qū)分區(qū)內(nèi)、區(qū)外故障;而越靠近線路首端,測(cè)距誤差允許值越大。

圖2 定位誤差與測(cè)量阻抗之間的關(guān)系Fig.2 Relationship between positioning error and measurement impedance

2 系統(tǒng)諧波特性分析與變尺度濾波

2.1 諧波特性分析

分布式風(fēng)力發(fā)電經(jīng)換流器接入直流線路,換流器具有非線性特性,在正常運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量諧波,對(duì)繼電保護(hù)和通信都會(huì)造成干擾。本文整流側(cè)采用換相換流器(line commutated converter,LCC)。LCC通過(guò)12個(gè)換流閥進(jìn)行開(kāi)關(guān)斷,使其在直流側(cè)產(chǎn)生12k(k=1,2,3,……)次特征諧波和一些非特征諧波[14]。本文僅對(duì)直流側(cè)的電壓諧波分量進(jìn)行分析,直流側(cè)的第h次特征諧波電壓有效值為

式中:Ud0為整流電壓;令觸發(fā)角α=0°;換相角φ=30°[15]。

2.2 變尺度濾波

本文針對(duì)含分布式風(fēng)力發(fā)電的直流輸電系統(tǒng),結(jié)合定尺度和小波分析的多尺度濾波算法提出變尺度濾波算法。換流器交流側(cè)諧波以m=12k±1次為主,正序分量在直流側(cè)產(chǎn)生|m-1|次諧波,負(fù)序分量在直流側(cè)產(chǎn)生|m+1|次諧波,即交流側(cè)諧波會(huì)傳遞到直流側(cè)11、13次諧波,其周期T11=1.8ms,T13=1.5ms;12 次特征諧波周期T12=1.67ms。凡積分大于半周期均具有濾波效果,暫定靈敏段取其較高次諧波周期的整數(shù)倍;協(xié)調(diào)段按含量最多的12次特征諧波整定,即T=3/6.7ms。本文暫定變尺度濾波時(shí)長(zhǎng)分別為0.25、3.00 和6.70ms,250μs積分具有平滑波形的作用,僅對(duì)含量較少的高次諧波有效。對(duì)于特征諧波主要依靠于較長(zhǎng)時(shí)間的3、6.7ms積分濾除。以特征諧波諧波為例,分別計(jì)算各次諧波經(jīng)3、6.7ms積分濾除后的諧波電壓剩余率如表1所示。再根據(jù)各次諧波有效值計(jì)算總體諧波總量的有效值,其表達(dá)式為

表1 積分算法剩余率值Table 1 Integral algorithm residual rate value

將表1結(jié)果帶入式(2)可得:T=3ms時(shí),U∑=32.30V;T=6.7ms時(shí),U∑=0V。諧波有效值隨積分增加而減小,濾波效果較好。

2.3 諧波電流特性

含分布式風(fēng)力發(fā)電的直流系統(tǒng)中不僅電壓量中存在諧波,電流量中同樣存在諧波。在系統(tǒng)正常允許時(shí),對(duì)12脈動(dòng)整流器直流電流進(jìn)行傅里葉分解,其結(jié)果如圖3所示。其正常情況電流主要諧波次數(shù)與電壓相同,以12的整數(shù)倍為主,其總占比在15%以內(nèi)[16]。

圖3 正常諧波電流含量Fig.3 Normal harmonic current content

當(dāng)直流系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí),故障極電壓降低,電流迅速增大。因其電壓降低,故障電壓中的諧波有效值也大大減小,有時(shí)可忽略;但故障電流迅速增大,成為不可忽略的因素,晶閘管不同于絕緣柵雙極型晶體管,直流側(cè)發(fā)生故障更不容易閉鎖,使12的整數(shù)次諧波源源不斷饋入直流側(cè),其次直流系統(tǒng)也會(huì)產(chǎn)生大量高頻諧波,會(huì)使保護(hù)范圍增大或減小。當(dāng)直流側(cè)線路出口發(fā)生金屬性單相接地故障時(shí),對(duì)發(fā)生故障后的故障電流進(jìn)行傅里葉分解,如圖4所示。諧波含量增多,進(jìn)行3ms積分濾除處理后,結(jié)果如圖5所示,諧波含量減小,此處不再驗(yàn)證6.7ms積分濾除效果,理論上可以濾除所有高頻信號(hào)。

圖4 故障諧波電流含量Fig.4 Fault harmonic current content

圖5 3ms濾波處理后故障諧波電流含量Fig.5 Fault harmonic current content after 3ms filtering

3 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)特性分析

本文以監(jiān)測(cè)為手段,以保護(hù)為目標(biāo)展開(kāi)研究。阻抗快速監(jiān)測(cè)段基于極短時(shí)間窗積分,較小閾值用于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)嚴(yán)重故障,較大閾值用于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不正常運(yùn)行狀態(tài);靈敏段保護(hù)和協(xié)調(diào)段保護(hù)針對(duì)輕微故障濾除諧波干擾而進(jìn)行判定故障。本文利用較為完善的阻抗保護(hù)特性來(lái)監(jiān)測(cè)和保護(hù)線路運(yùn)行狀況,可應(yīng)用于含分布式風(fēng)力發(fā)電的直流系統(tǒng)中。為了分析系統(tǒng)阻抗監(jiān)測(cè)特性,將以圖6為例,分別對(duì)系統(tǒng)阻抗監(jiān)測(cè)的快速段、靈敏段、協(xié)調(diào)段進(jìn)行分析。

圖6 直流系統(tǒng)仿真模型Fig.6 DC system simulation model

3.1 阻抗快速監(jiān)測(cè)分析

根據(jù)圖2 可知,按照傳統(tǒng)的阻抗判據(jù),即便于B1點(diǎn)可以準(zhǔn)確判別故障,B1B也將由阻抗靈敏段保護(hù)識(shí)別切除,需要增加時(shí)間延遲,在一定程度上降低保護(hù)的靈敏度。系統(tǒng)中存在大量電力電子器件,系統(tǒng)會(huì)因B1B段判別所加的時(shí)間延遲而崩潰,鑒于上述情況,本文在傳統(tǒng)距離Ⅰ段的基礎(chǔ)上,加入快速監(jiān)測(cè)Ⅱ段。如圖2虛線所示,利用下一級(jí)線路出口電壓uB(t)及線路電流iBA(t)=-iBC(t)-iBD(t),計(jì)算本級(jí)反向阻抗,其測(cè)量誤差允許值由B1至B逐漸增加,可以彌補(bǔ)快速監(jiān)測(cè)Ⅰ段至靈敏段監(jiān)測(cè)的不足,故阻抗快速監(jiān)測(cè)Ⅰ段和Ⅱ段整定如下。

在直流系統(tǒng)發(fā)生故障瞬間,電容放電使電流急劇增大,電壓急劇減小,會(huì)造成瞬時(shí)測(cè)量阻抗較低的情況,為了保證方法的可靠性,本文采用

本段采用五點(diǎn)積分,僅起到消除個(gè)別極端誤差點(diǎn)的作用,對(duì)諧波特性保留相對(duì)完整。在50kV 直流系統(tǒng)中,電壓允許偏差極限-15%～+5%[17],功率偏差極限+15%～-20%[16],當(dāng)電壓和功率取偏差上極限得到此時(shí)電流允許誤差,以該線路50kV、0.6kA 情況下,測(cè)量阻抗為72.81Ω;各個(gè)參數(shù)取下極限時(shí),測(cè)量阻抗為75.35Ω。設(shè)定當(dāng)監(jiān)測(cè)到的該線路阻抗Z1≤Zk≤75.35Ω,即系統(tǒng)可能存在不正常允許狀況,此時(shí)僅發(fā)出警告而不跳閘。

綜合上述分析,快速監(jiān)測(cè)Ⅰ段和快速監(jiān)測(cè)Ⅱ段相互配合監(jiān)測(cè)本級(jí)線路所有狀況,當(dāng)直流線路發(fā)生故障時(shí),其測(cè)量阻抗低于任意門(mén)檻值,斷路器動(dòng)作切除故障線路;當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生不正常非故障允許狀態(tài)時(shí),亦可發(fā)出信號(hào)警示,以便值班人員及時(shí)調(diào)整。其邏輯如圖7所示。

圖7 阻抗快速監(jiān)測(cè)邏輯Fig.7 Impedance fast monitoring logic

3.2 阻抗靈敏段保護(hù)分析

阻抗靈敏段保護(hù)按照與相鄰線路快速監(jiān)測(cè)相互配合整定,但在新能源加入的多電源電力系統(tǒng)中,分支系數(shù)的出現(xiàn)影響阻抗的整定和靈敏度校驗(yàn)[18]。如圖3所示,BC線路中發(fā)生故障,保護(hù)1的阻抗靈敏段實(shí)際電壓UA為

式中:ZAB為線路AB阻抗;zBC為線路BC單位阻抗;lk為故障點(diǎn)至B母線距離。

保護(hù)1的測(cè)量阻抗為

式中Kb=IBC/IAB為距離靈敏段的分支系數(shù)。保護(hù)1的實(shí)際阻抗為

比較式(6)與式(7),因?yàn)槭?7)分支系數(shù)的存在,使測(cè)量阻抗大于實(shí)際阻抗,保護(hù)范圍減小。式(6)中IBC=-IBA+IBD,IBD為風(fēng)力發(fā)電輸入系統(tǒng)電流,具有很強(qiáng)的不確定性。當(dāng)無(wú)風(fēng)情況下IBD=0,Kb=0,此時(shí)Zk1=Z'k1;當(dāng)風(fēng)力較強(qiáng)時(shí),IBD＞0,Kb＞1,測(cè)量阻抗增大,保護(hù)范圍減小,由于風(fēng)電的不確定性,使保護(hù)1的測(cè)量阻抗同樣具有不確定性。為解決這一問(wèn)題,本文采用實(shí)時(shí)調(diào)整Kb來(lái)避免分支系數(shù)的影響。阻抗靈敏段整定如下:

式中:Km=IAB/IBC,IBC相對(duì)于IAB會(huì)有十幾ms的延遲,但是相對(duì)于距離靈敏段本應(yīng)有的0.5s延遲,通信延遲可以忽略不計(jì)1.22。于此同時(shí),Z2的整定引發(fā)新的問(wèn)題,當(dāng)線路存在故障時(shí),IBC=0、Km=∞、Z2=∞,不利于保護(hù)動(dòng)作。為解決此問(wèn)題,將Z2分段整定,當(dāng)IBA＞0時(shí),Z2按無(wú)Km進(jìn)行整定,當(dāng)IBA＜0時(shí),加Km系數(shù)進(jìn)行整定。

3.3 阻抗協(xié)調(diào)段保護(hù)分析

阻抗協(xié)調(diào)段作為遠(yuǎn)后備保護(hù)方式,通常按最大負(fù)荷電流進(jìn)行整定,其整定如下:

式中:額定電壓UN=50kV;IL.max=700A;可靠系數(shù);自啟動(dòng)系數(shù)Kss=2.5;考慮直流偏磁等因素的影響,進(jìn)一步增加保護(hù)的可靠性,令Kx=2。

3.4 三段配合分析

阻抗快速監(jiān)測(cè)分析、阻抗靈敏段保護(hù)分析和阻抗協(xié)調(diào)段保護(hù)分析協(xié)調(diào)關(guān)系如圖8所示,圖中x表示故障發(fā)生的位置,Z表示x處發(fā)生故障的測(cè)量阻抗,Zset1、Zset2和Zset3為各段的整定阻抗。本文主要研究線路AB 的保護(hù),快速Ⅰ段正向保護(hù)線路70%,快速Ⅱ段反向保護(hù)線路70%,Ⅰ、Ⅱ段保護(hù)線路全長(zhǎng)且留有一定余地,僅為保護(hù)固有時(shí)間,無(wú)添加延遲;靈敏段和協(xié)調(diào)段作為后備保護(hù),分別添加0.5 s和1 s的延時(shí),以防止越級(jí)跳閘,靈敏段可保護(hù)相鄰線路的18.71%,協(xié)調(diào)段可保護(hù)所有線路。

圖8 階梯保護(hù)示意圖Fig.8 Schematic diagram of ladder protection

由于系統(tǒng)不正常運(yùn)行狀況過(guò)多,諧波、系統(tǒng)振蕩、高阻接地等等,且監(jiān)測(cè)每種情況所用時(shí)間需具體分析,故圖中暫未標(biāo)注快速段監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不正常運(yùn)行狀態(tài)情況[19]。

4 仿真驗(yàn)證

利用PSCAD/EMTDC 電磁仿真軟件平臺(tái),搭建含分布式風(fēng)電的±50kV 直流電網(wǎng)仿真模型,如圖1所示,相關(guān)模型其他參數(shù)如表1所示,采樣頻率為50kHz故障發(fā)生在假設(shè)0ms(4000個(gè)點(diǎn))處。

表1 直流輸電網(wǎng)模型參數(shù)Table 1 Model parameters of DC transmission network

4.1 單極接地故障仿真

以直流輸電系統(tǒng)AB線路首段端發(fā)生單極接地故障時(shí)為例,進(jìn)行仿真驗(yàn)證,如圖9所示,快速Ⅰ段迅速識(shí)別故障;未超過(guò)快速Ⅱ整定值;靈敏段于點(diǎn)4200(即故障發(fā)生10ms后)判別后需增加0.5s時(shí)間延遲方可動(dòng)作;協(xié)調(diào)段于點(diǎn)4123(6.15ms),對(duì)于保護(hù)1跨越2級(jí)線路,判別后需增加1s時(shí)間延遲后動(dòng)作。靈敏段整定值按照時(shí)變電流整定,發(fā)生故障瞬間會(huì)有尖波沖擊,由于具有0.5s的時(shí)間延遲,因此對(duì)保護(hù)判別無(wú)較大影響。

圖9 AB 首端單極故障故障極仿真結(jié)果Fig.9 Simulation results of the single-pole fault at the AB head end

對(duì)于健全極,仿真結(jié)果如圖10所示,其測(cè)量值均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于整定值,健全極各段均可靠不動(dòng)作。

圖10 AB 首端單極故障健全極仿真結(jié)果Fig.10 Sound pole simulation results of AB head-end single-pole fault

4.2 各段協(xié)調(diào)配合仿真

對(duì)系統(tǒng)特殊節(jié)點(diǎn)進(jìn)行仿真,如表2所示,表中第1列表示故障點(diǎn)至線路AB首端的距離,中間數(shù)據(jù)為發(fā)生故障后多久可以判別故障。其中,1-Ⅲ數(shù)據(jù)最小,判斷速度最快;1-Ⅰ、2-Ⅰ其次;1-Ⅱ最慢;這是因?yàn)?-Ⅰ、2-Ⅰ時(shí)間窗最短,不能完全避免發(fā)生瞬間的短暫沖擊,造成測(cè)量阻抗略小于實(shí)際阻抗,經(jīng)仿真驗(yàn)證,其影響較小,最嚴(yán)重故障情況也可避免越級(jí)跳閘。經(jīng)對(duì)比表2數(shù)據(jù)與圖8相吻合?？蓪?shí)現(xiàn)各段的階梯配置。

表2 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)仿真數(shù)據(jù)Table 2 Key node simulation verification data

5 結(jié)論

本文針對(duì)含分布式風(fēng)力發(fā)電接入的直流電網(wǎng)使系統(tǒng)諧波增加提出的階梯式阻抗監(jiān)測(cè)方案,設(shè)置不同的相適應(yīng)的積分時(shí)間,形成互聯(lián)階梯阻抗監(jiān)測(cè)方案,通過(guò)分析得到以下結(jié)論:

1) 快速監(jiān)測(cè)Ⅰ段和Ⅱ段相互配合,監(jiān)測(cè)線路全長(zhǎng),通過(guò)設(shè)置兩段閾值,可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)嚴(yán)重故障后迅速切除,亦可發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)不正常運(yùn)行狀態(tài)。

2) 靈敏段保護(hù)可以保護(hù)監(jiān)測(cè)線路全長(zhǎng)及相鄰線路的一部分,為本級(jí)線路的近后備保護(hù),該段也解決了汲出系數(shù)影響。

3) 協(xié)調(diào)段保護(hù)可做相鄰線路的遠(yuǎn)后備保護(hù),將含量最多的某次諧波積分一周期,濾除系統(tǒng)中大多數(shù)諧波,可靠性最高。

本文運(yùn)用的最原始單端電氣量,簡(jiǎn)單可靠,無(wú)需考慮通信延遲影響,該積分算法反應(yīng)故障積累過(guò)程,可以有效對(duì)抗諧波影響。最后,通過(guò)PSCAD 驗(yàn)證了該方案具有工程推廣價(jià)值。