風電場繼電保護整定計算管理系統研究

田文奇 馮江哲 孔祥啟

（龍源（北京）風電工程技術有限公司，北京 100034）

風電場繼電保護整定計算管理系統研究

田文奇 馮江哲 孔祥啟

（龍源（北京）風電工程技術有限公司，北京 100034）

針對風電場缺少繼電保護技術人才和配套措施，定值計算不規范、定值管理不到位的現象，開發了風電場繼電保護整定計算管理系統，介紹了系統的功能架構、關鍵技術以及系統功能解決方案。該系統能夠快速對風電場保護定值進行計算，同時也能促進風電場繼電保護定值計算和管理的標準化和規范化，保障風電場的安全穩定運行。

風力發電；繼電保護；整定計算；定值管理；軟件開發

隨著國家節能減排政策的持續推進以及大氣污染防治條例的進一步落實，風電在國家能源供給中的比例將進一步提高，確保風電平穩安全運行成為保障國家能源安全的重要課題之一。然而，風電場繼電保護的重要性一直以來未受到應有的重視。調研發現，多數風電場并未建立起繼電保護定值的管理與技術體系，定值計算不規范、定值管理不到位的現象普遍存在。風電場缺少繼電保護方面的技術人才和配套措施，較電網和火力發電廠有著較大的差距，進行繼電保護方面的技術能力建設十分迫切。開發風電場繼電保護整定計算管理系統，有助于快速對風電場保護定值的正確性進行核算，同時也能促進風電場繼電保護定值計算和管理的標準化和規范化，保障風電場的安全穩定運行。

國內外沒有針對風電場的繼電保護整定計算系統。現有的繼電保護整定計算系統僅適用于傳統的電網及發電廠，沒有充分考慮風電場的特點，因此，不能對風電場的繼電保護定值進行準確全面的計算。有關風電場場內故障的仿真和試驗研究在國內外都做了大量工作[1-8]，但這些基礎研究的結論如何應用于風電場保護定值的計算卻缺少系統研究。如何將針對風電場的定值計算原則跟軟件系統進行恰當的結合也缺少相關研究。風電場繼電保護整定計算管理系統的成功開發，不僅使其成為國內外首套風電場保護定值整定計算專用軟件，也對以上問題進行了系統性研究。本文將對該系統進行簡要介紹。

1 系統的功能架構

風電場繼電保護整定計算管理系統按功能分為以下模塊，如圖1所示。

1）圖形建模。以各風電場電氣一次設備實際接線為基礎，建立風電場電氣模型。以設備銘牌形式輸入參數，根據需要將設備等值為不同狀態的數學模型（包括穩態和暫態）。對于風電機組，通過風機廠家提供的技術參數，建立故障時能夠提供短路電流的風電機組模型。

圖1 功能架構

2）故障計算。以風電場電氣模型為基礎，模擬任意位置發生不同故障時的情況，查看相應狀態下的故障量信息?；陲L電場的故障錄波數據，對故障進行反演計算，定位故障位置和確定故障類型，方便風電場進行故障排查和處理。

3）整定計算。根據故障量、給定的整定原則和計算方法，實現風電場內保護裝置的定值計算功能，并且整定原則和計算方法能夠編輯和修改；根據保護裝置型號，從已有的保護裝置庫中選擇保護功能和定值項；根據保護裝置硬件構成，采用層次結構來描述保護裝置結構。

4）數據管理。保護裝置的定值單可以被定制，其主要功能包括定值單中定值的修改、定值單的流轉、定值單查詢、定值單打印等。定值單的流轉過程包括試算、錄入、校核、審核、簽發、執行、生效等一系列的過程。不同角色的用戶可對定值單進行相關的審批操作，執行完相應的操作后，定值單被自動流轉到下一狀態，用戶對現有定值單的保護動作情況及保護范圍進行仿真，通過報告或圖形化方式直觀表示，便于技術人員理解和調整。

2 系統的關鍵技術

2.1 風電場模型的建立

風電場一次設備與傳統變電站的主要區別在于風電機組，建立風電機組的模型是建立風電場模型的關鍵技術之一。本系統能夠按照風電場所在地區電網繼電保護整定原則的要求考慮或不考慮風電機組提供的短路電流。當考慮風電機組的短路電流時，能夠方便地按照直驅型風電機組和雙饋型風電機組建立風電機組的模型，輸出短路電流參與故障計算。通過建立圖元和元件模型，實現圖形化建模。各元件模型參數維護實現圖形化，并且能自動進行元件參數計算，為故障計算及定值整定提供基礎數據模型。

2.2 基于風電場保護配置的自定義平臺

利用“專家系統”技術，建立各種保護的型號標準庫和整定計算知識庫，實現保護裝置的快速建模，根據裝置說明書和整定原則，自動生成計算書和定值單。各保護裝置模型被統一保存在數據庫自定義平臺中，當對所有風場建模時可共享使用。

2.3 定值管理

建立集團內部統一的定值單管理平臺，風電場技術人員以及各級管理人員可按照不同權限查看或編輯定值單、計算書。同時，對于人工計算或系統自動計算的定值，可以在風電場模型中設置不同故障進行保護定值及裝置的仿真校核，統計定值的保護范圍、靈敏度，校驗保護配置的合理性，考察是否能滿足對設備的保護以及當地電網的整定要求，對于無法滿足要求的定值向技術人員、管理人員進行提示。

3 系統功能解決方案

3.1 圖形建模

圖形建模功能主要完成系統一次設備的電氣參數錄入與計算、系統的拓撲連接關系、運行方式設置、保護功能配置等，如圖2所示。

系統可以繪制并存儲風電機組、外部等效系統、升壓變壓器、接地變壓器、場用變壓器、并聯電容器、SVG連接變、箱變、斷路器、線路、母線、聯絡線等電氣元件的圖形。通過建模功能，可以建立系統一次接線圖。同時，系統具有以下圖形編輯功能：

1）能靈活添加、刪除、修改各元件，能實現圖形的移動、拖動、旋轉、著色、拷貝、粘貼等。

2）能夠編輯文字標簽、藝術字。

3）具備塊選擇、塊移動、塊復制、塊粘貼功能。

4）具有放大、縮小、恢復等功能。

系統可以實現參數輸入及計算功能，所有元件按統一規范的格式建立參數列表，如名稱、電壓等級、原始參數、標幺參數等。可直接輸入或根據公式計算故障計算和整定計算所需的各種電氣元件的正序標幺值、負序標幺值、零序標幺值等參數。

系統能根據風電場實際設備給定的保護裝置配置線路、變壓器、風電機組、母線、電容器、電抗器等元件的保護裝置。

圖2 圖形建模界面

3.2 故障計算

故障計算是整定計算的基礎，系統提供一個開放的且功能強大的故障分析計算平臺，能模擬各種短路故障情形，能輸出任意支路的故障電流、電壓。能方便地通過圖形或表單方式選擇故障點設置，能以文件或圖形形式顯示計算結果，如圖3所示（1#集電線路50%處A、B相間短路）。

圖3 故障模擬圖形顯示

系統可用于所有電壓等級的故障計算，計算規模不受限制且結果精確。采用規范化的補償計算方法，支持任意復雜的故障計算，支持電網的等值計算，支持過渡電阻的輸入，支持圖形化的故障計算設置。可自定義計算分析的電氣量，并提供計算結果的可視化表示，同時可根據用戶設置對計算結果進行篩選或統計列表輸出?？稍诮o定的運行方式下，計算線路各種故障類型下本線始端、本線末端、相鄰元件末端的電流極值，可計算變壓器各側母線、變壓器其他側相鄰線路末端、變壓器本側母線出線末端故障電流極值，如圖4所示。

圖4 故障信息綜合顯示

3.3 保護模型建立

建立風電場保護模型分為兩步：①根據風電場繼電保護實際硬件配置建立風電場保護配置模型；②采用專家系統知識庫建立單個保護裝置的模型，可分為兩種類型：一種類型是采用繼電保護原理、國家制定的相關規程、導則，作為該裝置模型的知識源；另一種類型是采用不同裝置廠家出具的裝置說明書作為該裝置模型的知識源。根據保護裝置硬件構成，采用層次結構來描述保護裝置結構，保護裝置結構層次由6層構成，如圖5所示。

3.4 整定計算

整定計算以故障計算為基礎，抓取整定原則中需要的電氣量信息，按照保護模型中設定好的整定原則公式進行計算，整定計算流程如圖6所示。整定時可自動整定，生成完整的計算書和定值單，也可以單步手動整定，逐步生成計算書和定值單。在整定過程中同步顯示計算書，能清楚地看到每步操作的記錄，計算書可以編輯、保存、載入、復制、打印。裝置的定值項整定完畢后，計算結果存入數據庫，按照定值單模版格式生成Word或Excel格式定值單文件。

3.5 保護定值校核

已有定值可以通過填寫通用模板輸入，或根據保護設備型號的不同從設備庫中選擇專用模板輸入；通過設置典型故障，可觀察該定值狀態下各保護裝置的動作情況，校驗定值設置的合理性；根據校驗結果，輸出定值校驗書，計算過程、校驗結果及相關改進措施有詳細的說明。

圖5 保護裝置結構層次

圖6 整定計算流程圖

3.6 數據管理功能

提供風電場一、二次設備參數、定值整定計算書、定值單、模擬故障信息等數據的查詢和管理功能，各種數據可以被導出至Office文檔并打印。

4 結論

多數風電場的保護定值計算十分不規范，許多新投運的風電場無法找到有能力的定值計算單位，風電行業對風電保護定值計算的需求十分迫切。每個風電場的接線方式、電氣配置以及系統參數都不盡相同，人工計算風電場保護定值費時費力，技術人員經驗和水平不同也容易出現紕漏。風電場繼電保護整定計算管理系統按照規范標準對定值進行計算，保障了定值計算的準確性，降低了風電企業運營成本，促進了風電場安全生產。

[1]文玉玲.風電場繼電保護適應性保護的探討[D].烏魯木齊: 新疆大學,2008: 6-10.

[2]周鼎,段理,石東源,等.基于混合模式的繼電保護整定計算一體化系統[J].電力系統及其自動化學報,2007,19(3): 109-112.

[3]Jang S I,Choi J H,Kim J W,et al.An adaptive relaying for the protection of a wind farm interconnected with distribution networks[C]//2003 IEEE Pes Trans-Mission And Distribution Conference& Exposition,Vols 1-3,Conference Proceedings: Blazing Trails in Energy Delivery and Services,2003: 296-302.

[4]李斌,王琦,隆賢林.風電場接入系統繼電保護的配置與整定[J].吉林電力,2011,35(4): 29-33.

[5]趙宇皓,張兵海,楊志強.風電場匯集線繼電保護配置與整定[J].河北電力技術,2013,23(1): 50-52,54.

[6]Morren J.de Hann S W H.Short-Circuit current of wind turbines with doubly fed induction generator[J].IEEE Trans on Energy Conversion,2007,22(1): 174-180.

[7]Jang S I,Choi J H,Kim J W.An adaptive relaying for the protection of a wind farm interconnected with distribution networks[J].IEEE Trans.Power System,2003,6(3): 296-302.

[8]石文章,田俊杰.繼電保護整定計算及定值管理系統設計[J].山西電力,2009,27(1): 52-54.

風光互補發電演示實驗系統

近日，國家知識產權局公布專利“風光互補發電演示實驗系統”，申請人為蘇州市職業大學。

本實用新型公開了一種風光互補發電演示實驗系統，包括塑料殼體、太陽能發電單元、風力發電單元、撥碼開關單元、前面板、控制單元、發電控制電路和演示顯示單元；太陽能發電單元和風力發電單元分別與撥碼開關單元連接；控制單元包括控制器電路、發電信息采集電路、控制輸出電路、顯示驅動電路和儲能電池。

演示顯示單元包括LCD液晶顯示器、LED指示燈、波段轉換開關和外接演示負載；發電控制電路分別與撥碼開關單元、控制器電路和波段轉換開關連接。

通過上述方式，本實用新型可以根據設定演示水平軸垂直軸風力發電、晶體硅/薄膜太陽能電池發電以及風光互補發電等，具有結構緊湊、使用方便、演示效果直觀、科普性強都優點。

一種新型的小電流接地選線系統

近日，國家知識產權局公布專利“一種新型的小電流接地選線系統”，申請人為國網山東省電力公司濟南供電公司。

本發明給出了一種新型的小電流接地選線系統，包括聲敏傳感器、信號發射模塊和計算機監測終端，聲敏傳感器與信號發射模塊相對應連接，信號發射模塊自帶電源設備，計算機監測終端能夠接收到信號發射模塊發出的采集信號，計算機監測終端包括數據存儲模塊、數據分析模塊、典型電纜放電聲譜模塊和報警模塊；數據存儲模塊能夠對每一個聲敏傳感器的采集信號進行實時單獨存儲。

該系統通過收集并分析單相接地放電聲音來確定故障線路，大大提高了故障選線正確率。

Relay Protection Setting Calculation Management System of Wind Farm

Tian Wenqi Feng Jiangzhe Kong Xiangqi
(Longyuan (Beijing) Wind Power Engineering Technology Co.,Ltd,Beijing 100034)

In view of the lack of relay protection technology personnel and supporting measures of wind farm,nonstandard setting calculation,careless management of the relay protection setting value,relay protection setting calculation management system of wind farm was developed.The architecture of system function,key technologies and the solution of system function was presented.The system can quickly calculate the wind farm relay protection setting values and promote the calculation and management standardization and normalization of wind farm relay protection setting value to ensure the safe and stable operation of wind farm.

wind power; relay protection; setting calculation; setting management; software development

田文奇（1980-），男，博士，工程師，主要從事風力發電運行與維護方向研究工作。