电力系统保护与控制 第 49 卷 第 13 期 2021 年 7 月 1 日 Power System Protection and Control Vol.49 No.13 Jul. 1, 2021 DOI: 10.19783/j.cnki.pspc.201128 适应于双馈风电场送出线的时域距离纵联方向保护 王春又，孙士云，毛 肖，赵 伟，李大凤，杨兴雄，黄柯昊，岳 清 (昆明理工大学，云南 昆明 650500) 摘要：针对基于傅里叶算法的距离纵联方向保护应用于双馈风机接入系统会受频偏特性影响这一问题，分析了双 馈风机短路电流特性对传统距离方向元件的影响。考虑到双馈风电场的频偏特性，运用了一种时域保护原理，即 通过采集双馈风电场送出线两端保护安装处电压、电流时域信息，利用递推最小二乘法辨识出两端保护装置感受 到的电阻、电感，将时域距离保护 II 段作为方向判别元件实现时域距离纵联方向保护。仿真结果表明，该方法不 受风电场侧短路电流频偏特性的影响，能准确、快速判断出故障方向，且具有较强的抗过渡电阻能力，提高了双 馈风电场送出线纵联方向保护的动作可靠性。 关键词：双馈风机；送出线；时域；纵联方向保护；频偏特性 Longitudinal direction protection of time domain distance applicable to the outgoing line of a double-fed wind farm WANG Chunyou, SUN Shiyun, MAO Xiao, ZHAO Wei, LI Dafeng, YANG Xingxiong, HUANG Kehao, YUE Qing (Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China) Abstract: Longitudinal direction protection of distance based on a Fourier algorithm and applied to the access system of a double-fed wind generator is influenced by frequency deviation characteristics. This paper analyzes the influence of short-circuit current characteristics of such a generator on the directional element of conventional distance. Given the frequency deviation characteristics of a double-fed wind farm, it adopts the principle of a time domain protective device. That is, it collects the time domain information of voltage and current at the protective device of each terminal of the outgoing line of a double-fed wind farm, recognizes the resistance and inductance at the protective device of each terminal by means of a recursive least squares method, takes time domain distance protection section II as the element to distinguish direction, so as to realize longitudinal direction protection of time domain distance. The simulation result indicates that this method will not be influenced by frequency deviation characteristics of short-circuit current at the wind power plant, and can identify the fault direction accurately and quickly. It is well able to resist transition resistance and improves the reliability of protection operation of the longitudinal direction of the outgoing line at the double-fed wind farm. This work is supported by the Key Project of National Natural Science Foundation of China (No. 52037003) and Major Special Project of Yunan Province (No. 202002AF080001). Key words: double-fed wind generator; outgoing line; time domain; longitudinal direction protection; frequency deviation characteristics 0 引言 近十几年来风电发展迅猛，电网中风电接入容 量不断增大[1-5]。 大规模风电场送出线一般为 110 kV 及以上电压等级输电线路，采用常规的高压/超高压 基金项目：国家自然科学基金重点项目资助(52037003)；云 南省重大专项资助(202002AF080001) 输电线路保护配置，没有考虑风电接入的影响，这 将导致传统继电保护装置可能无法快速、可靠地 动作 [6-9]。纵联保护作为风电场送出线的主保护之 一，因受到风电系统故障特征的影响，其性能将受 到影响[10-11]。因此，研究适用于风电接入系统的纵 联方向保护显得尤为重要。 输电线路的纵联保护利用线路两侧的电气量进 行同时比较、联合工作，以达到快速、可靠切除全 王春又，等 适应于双馈风电场送出线的时域距离纵联方向保护 线路任何点故障的目的[12-14]。目前，已有大量学者 在双馈风机(Doubly Fed Induction Generator, DFIG) 短路电流特性、双馈风电场送出线纵联方向保护适 应性方面展开了一定研究，并取得了一系列研究成 果。文献[15]分析了双馈风电场送出线的故障特性， 其故障特性使线路保护方向元件、距离元件的动作 特性受到严重影响。文献[16]研究了风电 T 型接入 线路故障点、风电场运行方式及过渡电阻对保护测 量阻抗的影响，但其将风电场视为可变电流源，没 有分析风机故障特性对测量阻抗的影响。文献[17] 分析了双馈风电短路电流特性中的转速频率分量以 及风电场弱馈特性对测量阻抗的影响。文献[18]基 于故障线路两侧电流幅值差异提出适用于含分布式 电源配电网的新型纵联保护方案。文献[19]为解决 包含分布式电源智能配电网中故障方向的检测问 题，提出一种基于电压变化量幅值比较的故障方向 检测元件。但以上文献提取工频量算法均采用全周 傅里叶算法，双馈风电场故障特性会导致全周傅里 叶算法不能准确提取工频量。为了解决工频量保护 面临的问题，专家学者提出了用时域量构造风电场 送出线保护新原理。文献[20]利用输电线路内部和 外部故障时系统参数 R 和 L 的符号关系来判断出故 障的方向。文献[21]提出一种基于时域模型识别的 纵联保护新原理，根据线路两端差动电压电流在区 外故障时符合电容模型、区内故障时不符合电容模 型的特点得到了保护判据。文献[22]利用风电场侧 与系统侧暂态电流波形在区内外故障时的差异，提 出一种基于余弦相似度的纵联保护原理。 目前专家学者对双馈风电场短路电流特性及其 对保护影响的研究较为全面，但是当前利用时域量 构造送出线纵联方向保护的研究成果较少。因此本 文首先分析傅里叶算法提取误差及过渡电阻对距离 方向元件的影响。基于此，运用了不受频率影响且 具有抗过渡电阻能力的时域距离纵联方向保护方 法，对基于傅里叶算法的距离纵联方向保护和时域 距离纵联方向保护在双馈风电场送出线上的适应性 进行分析。 1 傅里叶算法提取误差及过渡电阻对距离 方向元件的影响 传统距离纵联方向保护是以线路两端的距离保 护 II 段作为方向判别元件，通过比较线路两端测量 阻抗与整定阻抗的关系，来判断区内外故障[23]。 1 1 Z m  Z set ≤ Z set (1) 2 2 - 83 - 式中，Z m 、Z set 分别为测量阻抗和整定阻抗。其中， 测量阻抗表达式为[19] U Zm  m (2) Im 式(2)中测量电压 U m 和测量电流 I m 均是根据线 路瞬时电压、电流经傅里叶算法计算后得到的工频 量电压和电流。当双馈风电场送出线发生故障时， 转子侧短路电流过大，会触发 Crowbar 保护动作， 定子绕组电流中会感应出衰减转速频率分量。由于 衰减转速频率分量的存在，导致离散傅里叶算法 (Discrete Fourier Transform, DFT)提取工频分量电流 时存在误差量[24]。风电场侧电压由电网电压支撑， 主要为工频分量，风电场侧提供的短路电流不再是 工频分量。文献[24]分析了计及 Crowbar 保护动作 情况下双馈风机短路电流特性，并解析推导了计及 Crowbar 保护动作时的转速频率分量对全周傅里叶 算法产生的计算偏差表达式。受频率偏移特性影响， 风电场送出线保护安装处测量阻抗的误差为[24] Z c1  Um U  m I c1  I c I c1 (3) 式中： I c1 、 I c 分别为基频分量、误差分量，具体 表达式见附录 A。 过渡电阻的存在会使保护安装处的测量阻抗发 生变化，因此下面分析过渡电阻对距离方向元件的 影响。经过渡电阻接地故障的网络图如图 1 所示。 图 1 故障网络图 Fig. 1 Fault network diagram 根据图 1 的故障网络图，可列写测量电压方程 为 U m  ( R1  jX 1 ) I m  R