黄景光，郑淑文，林湘宁

（1.三峡大学电气与新能源学院，湖北宜昌 443002；2.新能源微电网湖北省协同创新中心（三峡大学），湖北宜昌 443002；3.华中科技大学电气与电子学院，湖北武汉 430074）

基于多端差动的风电场集电线路保护新原理

黄景光1，2，郑淑文1，林湘宁3

（1.三峡大学电气与新能源学院，湖北宜昌 443002；2.新能源微电网湖北省协同创新中心（三峡大学），湖北宜昌 443002；3.华中科技大学电气与电子学院，湖北武汉 430074）

分析了风电场故障对集电线路电流保护及距离保护的影响，提出了多端差动的单元式保护与风电场多段保护，并通过PSCAD/EMTDC进行了仿真，验证了多端差动保护动作的正确性，得到多端差动保护提高了风电场集电线路的保护灵敏度与可靠性，具有较高的准确度和灵敏度。

风电场；集电线路；多端差动；多段保护；PSCAD/ EMTDC仿真

风电场接入输电网有分散接入和集中接入2种方式，根据我国资源分布特点，大多采用集中式接入。大规模的风电场集中接入电网，会对保护整定造成影响。电网故障时，对风电场的严重影响就是损坏风机，风电场内部故障未及时切除对电网的影响则是故障规模扩大，整个地区风电场陆续故障，进一步加剧电网事故。风电场故障，会造成风电场内部以及并网点电压下降，具备低电压穿越的风力机机端低电压保护会在故障未切除时就迅速切除风机，风电场电压以及并网点电压继续降低，无功补偿装置投入，最终一部分风机会因为无功补偿装置不能快速切除导致过电压而脱网。由于风力间歇性特性，造成大型风电场内部集电线路与传统配电网辐射状网络结构存在差异。对于风电场任一集电线路，由于两侧母线上均有电源分布，在继电保护中可等效为双端电源元件，针对传统辐射状配电网继电保护的配置及整定将不适用[1]。2011年甘肃、河北风电基地风机大面积脱网事故的发生，根本原因在于集电线路故障不能快速跳闸[2]。2013年隆文风电场发生10起集电线路故障，每起事故都造成80～100台风机受损。

我国风电场保护主要分为风电场单机保护、风电场集电线路保护、集电母线保护、升压变电站保护、风电场送出线路保护。在我国，风电场实际运行中，风电场相对于继电保护是作为负荷处理。我国35 kV集电线路在电网侧通常配置常规馈线保护（速断保护与过流保护或距离保护），两段式电流保护带有方向元件，电流速断动作电流应当躲开线路末端（箱变高压侧）短路时的最大短路电流[3-4]。这样的配置整定对于大规模的风电场并入电网会失去保护可靠性和选择性。文献[5]构建了9 MW的风电

场模型，在输电网处和风电场出口进行了故障仿真，得出为了确保系统的稳定运行，不能忽略风电场接入对系统产生的影响。风电接入以后，常规的电流保护可能会出现保护的误动，给配电网保护的可靠性带来影响[6]。文献[7]讨论了风电场接入系统后对继电保护的影响以及对策。国内外专家对集电线路的保护也提出了新的保护原理和保护方案。文献[8-10]提出采用自适应电流速断保护与自适应过电流保护能更好地改善保护性能，提高对故障点判断的准确性。

1 风电场故障对电流保护的影响

风电场集电线路的两段电流保护安装在集电母线端口，保护到风机末端线路。作为集电线路的主保护，也作为集电线路连接风力发电机和箱变的后备保护，在风电场末端发生短路故障时保护应准确动作。

如图1所示，风电场LVRT对应的电压为并网点电压，机组低电压保护对应的电压为风机的机端电压。风电场内部出现故障时，风电场集电线路速断电流保护因配合箱变高压侧熔断器的原因动作时间通常为200～300 ms。在风电机不具备低电压穿越能力的情况下，风电机持续的短路电流最多只有120 ms，使集电线路电流保护出现拒动误动情况。风电机在具备低电压穿越的能力下，风电场故障内部电压下降严重，但机端电压有残留，此时风电机的低电压保护有300 ms的动作时间供风电场内部接触故障而不切除整个风电场，风机的电压保护以及频率保护等保护装置过于敏感，会使风电场故障还未切除时就切除风机，影响继电保护的选择性。为提高风电场故障切除的可靠性，许多专家学者也都针对传统电流速断保护定值整定分析研究，提出了不同的保护策略，提高保护动作的可靠性[11-12]。

图1 低电压穿越时间Fig.1 Low voltage across time

2 风电场保护新原理

2.1 单元式多端差动保护

电流差动保护是基于基尔霍夫基本定律，对于一个节点流进与流出的电流是相等的。把含有分支的多端线路看成一个大的节点，依然满足基尔霍夫基本定律。对于多端线路，一般采用光纤差动保护，且在不考虑线路的分布电容、分布电导以及电流互感器饱和等因素的情况下，保护只需要躲过不平衡电流即可正确动作[13-14]。将每条集电线路集合为一个单元，该单元保护区内各相量测量单元同步测量。每隔时间ts，将测量到的电压电流计算成电压电流的相位和幅值。将计算好的电压电流相位幅值上传到智能保护中心，在智能保护中心里计算每个单元的多端差动保护，根据多端差动保护原理判别出现故障的保护单元，并对保护单元中的分支进行多端差动保护计算，确定具体故障位置，下达命令到本地保护，使故障所在区域保护动作，起到保护风机、风电场及电网的安全。

如图2所示的集电线路1，该线路有4个端口，线路1以及4个端口上所连的支路在保护中心构成一个单元，进行单独同步计算。

图2 集电线路1发生故障Fig.2 Fault on collecting line 1

每隔ts保护中心通过光纤获取实时数据进行计算。当故障发生在单元1中的线路1上时，电流差动保护动作量

若线路有M（M>2）个端子，则电流差动保护动作量ΔId可表示为:

对于线路1-2、线路1-3、线路1-4及其他支路，同样在保护中心中用式（2）以及制动量进行差动判别。若风电场有N条线路，则每条集电线路上传到保护中心的信息为此条集电线路的差动电流量。

2.2 风电场多段保护

如2.1节所述，单元式多端差动保护灵敏度不够不能及时切除故障，故障未及时切除会导致并网点电压降低，部分风机若不具备低电压穿越能力，会因低电压脱网。

如图3所示，风电场新保护I段包括集电线路，采用单元式多端差动保护。保护II段包括升压变电站、集电线路母线以及集电线路。保护II段的断路器k1处保护装置与箱变高压侧保护装置配合构成多端差动保护。保护II段为保护I段的后备保护，各保护装置上传信息到智能保护中心，由智能保护中心决策故障发生位置。故障发生在集电线路，由单元式多端差动保护动作，如果保护I段动作不灵敏造成拒动，则由保护II段k1与箱变高压侧动作切除故障。若故障发生在升压变电站，故障切除依然由原变压器差动保护完成。

图3 多段保护分区图Fig.3 Multi-stage protection partition

2.3 集电线路光纤差动保护配置

风电场内部集电线路的光纤连接采用并联方式，以环网式与并联式相结合。使用光纤作为传输介质，具有抗干扰能力强、传输损耗低、传输容量大、不受电网运行方式的影响等优点，为多端差动保护提供了良好的技术支撑。在主集电线路上，用环网接线方式连接各个端口，集电线支路采用放射式连接。这样的连接方式具有调节范围广、配合程度高、经济性好的特点。

风电场集电线路的拓扑结构如图4所示。保护装置之间用光纤串并联实现连接，在实际工程中差动保护的数据同步多采用乒乓算法。确定一端为基准端，其余端为同步端。正常情况下，同步端都与基准端直接连接，同步端与基准端通过通道进行同步与计算，可以认为所有同步端的数据均为同步。以图2集电线路为例，升压变高压侧保护装置与每单元集电线路S1端、S2端、S3端采用光纤直接连接。靠近集电母线的保护装置分别与每单元的集电线路上S1端、M端与N端三端光纤通道串联连接，确定S端为基准端，M端与N端为同步端。集电线路支路以M端口支路为例，M端作为基准端，则其余端口M1端口、M2端口、M3端口为同步端。

图4 多端差动光纤连接图Fig.4 Multi-terminal differential fiber optic connection diagram

3 仿真分析

本文基于主流风电机组的结构和参数，根据风电场接线标准，在PSCAD/EMTDC中建立图4所示的仿真模型150 MW的双馈式风电场。系统频率为50 Hz，最大运行方式下系统阻抗0.314 Ω，最小运行方式下系统阻抗为每机组风力发电机功率为2 MW，由出口0.69 kV经过单机单变的形式接入到35 kV电压等级的集电线路上。该风电场共有3条集电线路，集电线路长9 km，每条集电线路上风机功率均匀分配。3

条集电线路并联接入中压母线，经110 kV升压变电站统一由送出线到110 kV母线，110 kV母线汇集各个相邻风电场再统一将电能送入电网。线路阻抗为0.123+j0.663 Ω/km

图5 风电场接入系统图Fig.5 Wind farm access system diagram

故障发生在集电线路不同地方的时候，集电母线电压以及流过保护装置电流如图6所示。

图6 不同故障点集电母线电压及流过保护处电流Fig.6 Different fault point set electric bus voltage and electric current flows through the protection

从仿真图5可以看出，集电母线越近地方的故障，集电母线电压跌落越深，影响其他集电线路程度越大。集电线路故障时，单元式多端差动保护从图中可以看出在10～15 ms时动作切除故障。

风电场集电线路电流保护的灵敏性会随着运行方式以及故障类型的变化而改变保护范围，且系统处于最小方式下两相短路时，电流速断保护的范围最小。

从表1可以看出，在保护动作时间上，多段电流差动保护要比电流保护动作迅速，采用多端差动的灵敏度要高于电流保护，多端差动保护性能更优越。

表1 保护灵敏度Tab.1 Protection sensitivity

风电场集电线路发生三相短路时断路器开关动作情况如表2所示。

表2 故障情况下保护开关动作Tab.2 Protection switch action under fault condition

从表2可以看出，在风电场集电线路不同故障点运用差动保护比传统电流保护要灵活。发生三相短路非金属性接地时，随着过渡电阻的增大，多端差动保护依然能正确动作，对于传统的电流保护则会出现拒动，但是多端差动运用在风电场对于非金属性接地的灵敏度不高。

4 结语

本文提出了在风电场运用单元式多端差动保护与风电场多段保护，结合智能保护中心，对风电场集电线路各支路的差动保护相互配合，实现了比原保护范围扩大，动作时间提高了45%，减少了保护的误动率。整个风电场采用多段保护会提高保护的配合度，增加保护动作的可靠性。

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（编辑 冯露）

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。

黄景光（1968—），男，副教授，研究方向为信号分析和电力系统继电保护研究；

郑淑文（1990—），女，硕士研究生，研究方向为电力系统继电保护；

林湘宁（1970—），男，教授，研究方向为电力系统继电保护。

国家自然科学基金项目（51477090）。

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

1674-3814（2016）09-0102-05

TM614

A