一種次同步/超同步振蕩監測保護裝置及振蕩監測保護方法與流程

2024-04-03 18:01:05 2

本發明屬於電力系統穩定與控制技術領域，具體涉及一種應用於新能源接入的次同步振蕩監測保護裝置和保護方法，在新能源接入產生次同步振蕩時快速切除擾動源，保障系統的安全。

背景技術：

以風電、光伏為代表的新能源發展迅猛，部分地區新能源電源裝機容量已超過總裝機容量的30％。截至到2014年底，併網風電裝機容量9581萬千瓦，增長25.6％；併網太陽能發電裝機容量2652萬千瓦，增長67.0％。

根據中國電力企業聯合會預計，2020年以前我國仍然處於工業化高級階段向初級發達經濟階段轉型的過程中，電力需求將保持每年5～6％的增長。預計到「十三五」末期(2020年)全國電量需求將達到7～8萬億千瓦時左右，裝機總容量18億千瓦，其中風電裝機達到2億千瓦，光伏裝機達到1億千瓦左右。預計到2050年，我國總裝機容量可達到43億千瓦，其中風電與光伏發電15億千瓦，佔34.9％。

然而，由於新能源電源發電機理不同以及併網所採用的電力電子裝備可能導致放大次同步諧波，在交流系統較弱時甚至導致次同步振蕩現象；同時風電、光伏與無功補償裝置相互耦合，也有可能在新能源場站大規模匯集地區激發次同步振蕩；進一步若該諧波頻率與發電機軸系自然振蕩頻率互補，則會進一步引起火電機組的次同步振蕩。

2015年7月1日，新疆某電廠軸系扭振保護(TSR)相繼動作跳閘共損失功率128萬千瓦；機組跳閘後，國調中心緊急將天中直流功率由450萬千瓦降至300萬千瓦。事後事故分析表明，造成此次次同步振蕩的原因是由於大量新能源匯集在電網中引入了大量的次同步諧波，該諧波頻率與發電機軸系的自然振蕩頻率互補時，導致電氣-機械扭振互作用現象發生，即次同步振蕩。更重要的是，該次同步振蕩的形成機理與傳統電力系統不一致，是由於大量新能源匯集引入的次同步諧波造成的，已有的保護與控制方法已經不再適用。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種應用於新能源接入的次同步/超同步振蕩監測保護裝置以及次同步/超同步振蕩監測保護方法，以應對新能源接入系統對系統造成的次同步振蕩風險。

次同步/超同步振蕩監測保護裝置可以安裝在風電場也可以安裝在風電匯集站來使用。安裝在風電場，裝置對風電場集電線進行採集，主要接入各集電線的三相相電壓和三相相電流。安裝在風電匯集站，裝置對接入匯集站的來自各個風電場的各線路三相相電壓和三相相電流進行監測。裝置的保護功能在設計上主要實現三種保護元件：諧波阻抗保護元件、諧波電流保護元件以及功率振蕩保護元件。通過這三種保護元件來實現完整的保護功能。諧波阻抗保護主要實現線路上次同步/超同步頻帶內的阻抗保護功能，通過阻抗特性快速確定是否是擾動源，從而快速切除擾動源；諧波電流保護元件用以在系統發生振蕩時，通過次同步/超同步頻帶內諧波電流的幅值大小辨識振蕩的嚴重程度，在阻抗元件不能滿足動作條件時切除振蕩線路；功率振蕩保護元件通過計算線路的瞬時功率，辨識瞬時功率上各個次同步諧波的含量，如果振蕩超過一定幅度，則切除該振蕩線路。同時，次同步振蕩監測保護裝置提供多條線路都要切除時的順序切除機制，可以人工設置各條線路的重要性，也可以基於潮流情況確定切除順序，從而實現儘量減小因切除線路對系統的影響。

本申請具體採用以下技術方案：

一種次同步/超同步振蕩監測保護裝置，所述次同步振蕩監測保護裝置應用於新能源接入，安裝在風電匯集站或者風電場，次同步振蕩監測保護裝置包括模擬量採集單元(AI)、保護處理單元(CPU)、動作單元(TRIP)，其特徵在於：

模擬量單元(AI)採集監測線路的三相相電壓、三相相電流信號，並將數據上送保護處理單元(CPU)，保護處理單元(CPU)計算各線路是否發生次同步/超同步振蕩，計算各線路是否產生保護動作信號，根據線路保護跳閘順序設定機制，依次向動作單元(TRIP)發出跳閘指令，由動作單元(TRIP)根據跳閘指令按順序跳開相應的線路開關。

本發明進一步包括以下優選方案：

所述次同步/超同步振蕩監測保護裝置還包括管理單元(MASTER)和信號單元(DO)；

其中，信號單元(DO)作為次同步振蕩監測保護裝置發出的跳閘指令、次同步振蕩監測保護裝置自檢出錯事件的信號輸出接口，接入其他監控系統進行觀察；

管理單元(MASTER)實現次同步振蕩監測保護裝置對外的通訊接口，採用標準的61850乙太網接口。

所述保護處理單元(CPU)包括對應各條線路的保護模塊以及線路保護跳閘順序決策模塊；

對應各條線路的保護模塊分別實現對各線路的次同步/超同步振蕩辨識，計算各線路是否產生保護動作信號，並將保護動作信號傳送給線路保護跳閘順序決策模塊，由線路保護跳閘順序決策模塊確定各條線路的跳閘順序。

對應各條線路的保護模塊均包括諧波阻抗保護元件、功率振蕩保護元件和諧波電流保護元件，所述保護模塊分別計算對應線路是否滿足上述3個保護元件的動作判據，滿足其中任何一個，所述保護模塊都會向線路保護跳閘順序決策模塊發出該線路的保護動作信號。

在對應各條線路的保護模塊中，諧波阻抗保護元件作為主保護，諧波電流保護元件為第二級後備保護，功率振蕩保護元件為第三級後備保護。

線路保護跳閘順序決策模塊根據設定機制確定發出線路保護動作信號的各線路跳閘順序，並依次向動作單元(TRIP)發出跳閘指令；

其中，所述設定機制包括可選的人為設定機制和自動潮流計算機制：

人為設定機制是按照人為設定的各條線路的重要程度順序來確定線路的跳閘順序；

自動潮流計算機制是指計算各條線路的工頻功率，按照工頻功率從小至大排序確定線路跳閘順序。

本申請還包括了一種利用前述次同步振蕩監測保護裝置的次同步振蕩監測保護方法：

一種次同步振蕩監測保護方法，所述次同步/超同步振蕩監測保護方法應用於新能源接入；其特徵在於，所述次同步振蕩監測保護方法包含以下步驟：

(1)採集各條集電線或各風電場接入匯集站線路的三相電壓、三相電流信號；

(2)計算各集電線或各風電場接入匯集站線路的瞬時功率，並對瞬時功率進行快速傅立葉變換，辨識瞬時功率中的振蕩頻率和相應振蕩頻率下的功率幅值，確定當前是否有線路發生次同步/超同步振蕩；

(3)根據步驟(2)中計算的功率振蕩頻率，選擇帶通濾波器，對步驟(2)判斷發生次同步/超同步振蕩線路的三相電壓和三相電流分別進行濾波處理，獲取該線路不同振蕩頻率下的實時振蕩數據，包括A/B/C次同步/超同步電流實時值，A/B/C相次同步/超同步電壓實時值；；

(4)分別計算在次同步/超同步振蕩期間線路工頻功率變化值，根據步驟(2)中計算出的次同步/超同步頻率對應的瞬時功率幅值和次同步/超同步振蕩期間線路工頻功率變化值，判斷功率振蕩保護元件是否動作；

(5)根據步驟(3)中經濾波獲取的三相電壓、三相電流中的次同步/超同步振蕩分量，分別計算該振蕩線路在次同步/超同步振蕩頻率下的相阻抗，判斷諧波阻抗保護元件是否動作；

(6)根據步驟(3)中經濾波獲取的三相電流中的次同步/超同步振蕩分量實時數據，計算不同振蕩頻率下的振蕩幅值，根據振蕩電流幅值的大小以及持續時間，判斷諧波電流保護元件是否動作；

(7)發生次同步/超同步振蕩的各線路根據步驟(4)-(6)所得到本線路功率振蕩保護元件、諧波阻抗保護元件、諧波電流保護元件是否動作的判斷結果，確定是否發出線路保護動作信號即線路切除信號；

(8)對於所有發出線路保護動作信號的各條線路，根據設定機制，依次跳閘切除相應線路。

本發明即一種次同步振蕩監測保護方法還進一步包括以下優選方案：

在步驟(2)中，快速傅立葉FFT數據窗口選擇選擇1s的數據窗口。

在步驟(4)中，功率振蕩保護元件的動作條件為：

Psub(k)≥Pset，Tp(k)≥Tp_set並且ΔPave＜ΔPave_set；

其中：

Psub(k)為第k個次同步/超同步振蕩頻率對應的瞬時功率幅值；

Tp(k)為Psub(k)≥Pset的持續時間，Tp_set為功率振蕩保護時間定值(取值範圍為12～20s)；

Pset為設定門檻值，取值範圍為發生次同步/超同步振蕩線路的1％～2％的額定功率；

ΔPave為線路工頻功率變化值；

ΔPave_set為工頻功率變化量門檻值，取值範圍為發生次同步/超同步振蕩線路的2％～5％的額定功率。

在步驟(3)中，所有帶通濾波器的中心頻率間隔1Hz，通帶寬度為1Hz，對於步驟(2)辨識出的第k個次同步/超同步振蕩頻率fsso(k)，在線載入頻率為f0-fsso(k)和f0+fsso(k)的帶通濾波器，其中f0為工頻頻率fsso(k)為第k個次同步/超同步頻頻率，同一條線路的三相相電壓和三相相電流依次通過所有振蕩模式的帶通濾波器，獲取每一相電壓、電流中所有次同步分頻率f0-fsso(k)對應的電壓、電流分量和超同步頻率f0+fsso(k)對應的電壓、電流分量；帶通濾波器設計在偏離通帶中心頻率2Hz，衰減40dB。

在步驟(5)中，分別計算線路在的次同步/超同步振蕩頻率下三相相阻抗

諧波阻抗保護元件動作條件為需同時滿足以下兩個條件：

三相相阻抗中有兩相及以上實部為負或者有兩相及以上虛部為負；

該線路三相電流中任一相量幅值大於動作門檻值IR_set(取值範圍為發生次同步/超同步振蕩線路的0.5％～1％的額定電流)，TR(k)為電流大於IR_set的持續時間，TR_set為諧波阻抗保護時間定值，取值範圍為3～8s。

在步驟(6)中，諧波電流保護元件的動作條件為：

任一相諧波電流幅值大於Ii_set，且持續時間大於Ti_set，

其中，Ii_set為設定的諧波電流門檻值(取值範圍為發生次同步/超同步振蕩線路的1％～2％的額定功率；)；Ti_tes為設定的諧波電流時間定值(取值範圍為8～12s；)；

在步驟(7)中，諧波阻抗保護元件作為主保護，諧波電流保護元件為第二級後備保護，功率振蕩保護元件為第三級後備保護。其中諧波阻抗保護元件的動作時間最短小於諧波電流保護元件的動作時間，諧波電流保護元件的動作時間小於功率振蕩保護元件的動作時間。

在步驟(8)中，當有多條線路發出保護動作信號時，按照根據設定機制，依次跳閘切除相應線路，所述設定機制是指人為設定機制，即人為設定各條線路的重要程度順序，按照重要性的逆序依次切除發出保護動作信號的線路，直至全部切除完畢或者線路次同步/超同步振蕩消失使得相應線路保護動作信號返回。

在步驟(8)中，當有多條線路發出保護動作信號時，按照根據設定機制，依次跳閘切除相應線路，所述設定機制是指自動潮流計算機制，即計算各條線路的工頻功率，按照工頻功率從小至大排序，依次從工頻功率最小的線路開始切除，直至全部切除完畢或者線路次同步/超同步振蕩消失使得相應線路保護動作信號返回。。

本申請具有以下有益效果：

本申請提出了一種應用於新能源接入的次同步/超同步振蕩監測保護裝置及次同步振蕩監測保護方法，相對於現有電網側對於次同步振蕩僅依據振蕩幅值無選擇性的保護控制措施來說，能夠精細化的做到定位擾動源，切除擾動源，在既保障系統的安全穩定運行情況下，又儘可能減少新能源機組被誤切除的風險，有著非常重要的現實意義。

附圖說明

圖1為本申請次同步/超同步振蕩監測保護裝置的結構框圖；

圖2為本申請次同步/超同步振蕩監測保護方法的流程示意圖；

圖3為本申請線路跳閘順序邏輯示意圖。

具體實施方式

下面結合說明書附圖對本發明的技術方案的具體實施作進一步詳細說明。

次同步/超同步振蕩監測保護裝置功能結構圖如圖1所示，其中模擬量單元(AI)採集監測線路的三相相電壓、三相相電流信號，並將數據上送保護處理單元CM，CM計算瞬時功率並對諧波頻率進行辨識，依據頻率辨識結果對線路三相電壓、電流信號進行濾波處理，獲取電流、電壓、功率中的次同步/超同步分量，之後對獲取的數據進行分析，經諧波阻抗保護元件、諧波電流保護元件以及振蕩功率保護元件，判斷是否切除線路，最後綜合所有線路的動作信息，依據預先人為設定的切除機制或者按照自動潮流機制發出順序動作指令，由動作單元(TRIP)根據動作指令去跳開線路開關。圖中信號單元(DO)對於裝置發生的保護動作、自檢出錯等事件給出相關的接點，以便接入其他監控系統進行觀察。管理單元(MASTER)實現對外的通訊接口以及錄波文件的管理，採用標準的61850乙太網接口。

如附圖2所示為本發明公開的一種應用於新能源接入的次同步/超同步振蕩監測保護裝置保護功能的處理流程包括以下步驟：

(1)裝置對各條風電場接入匯集站的線路三相電壓、三相電流進行採集，採樣頻率為1200Hz，所有模擬量通道同步採樣；

(2)以1200Hz採樣頻率的採樣點計算各條線路的瞬時功率，然後選取1s的數據窗進行計算傅立葉變換，辨識瞬時功率中的次同步頻率內的振蕩頻率和幅值，從而確定線路當前是否發生振蕩，傅立葉變換採用離散傅立葉變換進行計算，具體計算公式如下：

其中：N＝1200；

Ts為採樣頻率，取1200Hz；

k為諧波次數，計算範圍為5～45；

(3)根據某一條線路瞬時功率中的振蕩頻率選擇不同的帶通濾波器，對該線路三相電壓和三相電流分別進行濾波處理，獲取該線路不同振蕩頻率下的實時振蕩數據，帶通濾波器的設計為了自適應頻率變化以及提高裝置的計算能力，採用查表的方式對濾波器參數進行存儲頻率範圍為5Hz～45Hz的帶通濾波器係數，濾波器的Z域表達格式為：

其中N(z)，D(z)為算子z的多項式，即：

N(z)＝bmzm+bm-1z(m-1)+...+b1z+b0；

D(z)＝amzm+am-1z(m-1)+...+a1z+a0；

以中心頻率為5Hz為例，通帶寬度為1Hz，m統一取5，則其存儲係數為：

[10.5811141289120e-003，-71.8451679981765e-003，199.556371100672e-003，

-271.311026351323e-003，127.721330104613e-003，142.621058250939e-003，

-271.423985741603e-003，191.059425476604e-003，-66.4348295925944e-003，

9.47571062195649e-003，8.45678532126587e-003，6.358695631323e-003]；

前6個係數為分子係數，後6個係數為分母係數，都按照m的降冪排列。

(4)根據步驟(3)中經濾波獲取的三相電流中的次同步/超同步振蕩分量實時數據，計算不同振蕩頻率下的功率幅值，並對其進行功率振蕩保護元件判斷。其中諧波功率保護定值設定為：

功率振蕩保護動作定值：10MW；

功率振蕩保護時間定值：10s

即：判斷瞬時功率中的次同步/超同步振蕩分量幅值是否大於定值10MW，且持續時間是否大於10s，若兩個條件都滿足，則裝置發出諧波功率保護動作信號。

(5)根據步驟(3)中經濾波獲取的三相電壓、三相電流中的次同步/超同步振蕩分量，分別計算該振蕩線路在次同步/超同步振蕩頻率下的相阻抗並進行諧波阻抗保護元件判斷，其中諧波阻抗保護定值設定為：

諧波阻抗保護動作電阻定值：-0.05Ω；

諧波阻抗保護動作電抗定值：-0.1Ω；

諧波阻抗保護時間定值：5s；

諧波阻抗保護電流定值：5A；

以實際振蕩的線路數據為例，計算出的電壓諧波相量和電流諧波相量分別為：

則

同理，計算出的B、C相阻電抗分別為：

Rb＝-1.50-j5.85Ω，Rc＝-1.53-j5.89Ω

由於和基本一致，均呈現負電阻和容性的特徵，同時Ia的幅值超過5A的持續時間達到了5s，因此可以判定振蕩線路為擾動源，根據諧波阻抗判據條件，發出保護動作信號。

(6)根據步驟(3)中經濾波獲取的三相電流中的次同步/超同步振蕩分量實時數據，計算不同振蕩頻率下的電流幅值，根據振蕩電流幅值的大小以及持續時間，進行諧波電流保護元件判斷，其中諧波電流元件定值設定為：

諧波電流保護動作電流定值：10A；

諧波電流保護時間定值：8s；

即：判斷Ia的幅值是否大於定值10A，如果大於保護動作定值並且持續時間達到了8s，則發出諧波電流保護動作信號。

(7)對接入系統的所有線路進行(4)-(6)判斷，對同一線路中三個保護元件的判定結果進行或操作，即線路中任一保護元件動作，該線路即被切除；

(8)按照圖3所示流程，綜合所有線路的動作信息，根據設定順序切除邏輯或者潮流情況以此切除切除線路。以潮流順序切除為例：

裝置接入6條線路進行監視實施保護，這六條線路分為6輪動作，每次只切除一條線路，裝置監測到線路1、線路2、線路3、線路4、線路5、線路6各條線路的瞬時功率分別為：20MW、40MW、70MW、50MW、70MW、80MW，此時，線路1、2、5保護元件動作，則判斷線路1、2、5三條線路的潮流情況，根據切除功率最小的線路的原則，則切除線路1，同時線路2、線路5放到下一輪再進行判斷切除。

申請人結合說明書附圖對本發明的實施例做了詳細的說明與描述，但是本領域技術人員應該理解，以上實施例僅為本發明的優選實施方案，詳盡的說明只是為了幫助讀者更好地理解本發明精神，而並非對本發明保護範圍的限制，相反，任何基於本發明的發明精神所作的任何改進或修飾都應當落在本發明的保護範圍之內。