面向電容電流補償的風電交流線路繼電保護分析

靳艾靜

（國網河北省電力有限公司衡水供電分公司， 河北 衡水 053000）

0 引言

升壓變電站為了充分利用平臺面積，需要所有設備都實現緊湊布局，二次系統屬于升壓變電站的重要部分，也選擇陸上變電站設計形式，并未設置明確的優化方案[1-2]。大部分情況下，雖然線路不長，但此時并不能忽略電容與電流產生的影響，這種具備短線路而電容電流很大的特點，跟陸上架空輸電模式存在顯著差異，架空線路通過常規電容電流處理方法來實現差動保護[3-4]，到目前為止，尚未有文獻報道關于風電交流線路保護方面的內容。

文明浩[5]對電流采樣結果采用虛擬數字CVT 技術進行處理后，再以同樣低通濾波方法處理電信號來實現保護作用。之后利用仿真模型進行測試發現，以上保護方式能夠有效消除CVT 暫態因素的干擾。

1 集成優化設計整體方案

集成優化裝置的二次回路如圖1 所示，通過線路間隔合并單元獲取母線電壓與線路電流參數，同時，利用電抗器間隔合并單元采集電抗器高壓側與低壓側的電信號參數。通過集成優化保護裝置獲取線路間隔和電抗器間隔合并單元信號參數，再以插值方式同步控制間隔數據，采集得到本側模擬量參數。

圖1 集成優化裝置的二次回路

針對智能站集成優化裝置進行硬件設計，根據現有高壓輸電線路保護設施進行優化，只需新增電抗器間隔合并單元。線路與電抗器保護功能則根據分區設計原則進行設置，包括線路與電抗器兩種保護區域，算法與邏輯保持獨立狀態，以內部總線實現信息交互。2 個保護區共同使用后端跳閘功能，再將線路保護動作與電抗器保護動作映射至同一GOOSE 虛端子，再將結果輸出至間隔智能終端來達到跳合閘控制效果。

2 電容電流補償設計

差動保護的原理簡單可靠，可以實現操作，已成為當前主要的輸電線路保護方案。三相系統還可利用解耦轉換的方式將其轉變至單相系統，因此，設計了圖2 的單相輸電系統補償系統。

圖2 電容電流補償原理

穩態法則根據工頻量選擇等效電路，對線路電容進行平均等效處理，分配到線路兩端，依次對電容與電流進行計算。

式中：Ce為等效電容；UM、UN分別為線路M、N 兩側端電壓；ICM、ICN分別為線路M、N 兩側等效電容中形成的電流。

通過計算兩側初始電流與電容電流差值，可以確定補償電流，以補償電流取代初始電流來實現差動保護。線路處于正常運行狀態時，補償差動電流理論值等于零，不會造成誤動的情況。而處于故障暫態時，當受到區外擾動影響，依然會引起電流差動保護的誤動情況。

3 仿真驗證

3.1 模型搭建

通過理論分析確定了風電送出線路的繼電保護方案，同時，采用電磁暫態仿真軟件PSCAD 構建得到圖3 的系統。仿真模型則是以國內風電工程作為原型，對線路與電抗器運行工況進行模擬測試，對其余部分進行了簡化處理。圖3 是對風電機組、集電線路與升壓站進行等效處理形成的風場。對各類故障進行了仿真測試，并對以上設計方案性能進行了驗證。

圖3 仿真系統模型

根據電纜結構計算得到表1 的電纜參數。此時，形成了很大的電容，相對常規架空線的電容超過1～2個數量級。同樣，電壓等級的電容電流也超過架空線1～2 個數量級。線路兩側都設置了并聯電抗器，補償比例接近80%，單側電抗器的等效電抗值為329 Ω。

表1 電纜電氣參數表

3.2 電容電流補償算法驗證

對線路正常運行狀態下的兩側電流進行測試，電流復數形式的實部和虛部結果見圖4。由圖4 可知，當線路處于無故障運狀態下時，兩側電流值也存在一定的偏差，形成了150°左右的夾角。受到兩側電抗器與線路分布電容作用時，系統在正常狀態下在兩側區域產生差流。

圖4 正常運行時線路兩側電流情況

圖5 為以傳統算法與本文算法測試得到的故障相差動電流。由圖5 可知，采用傳統算法進行處理時，兩側電流經在0.1 s 內就形成了明顯的差流，產生故障時則形成了更大的差流，這跟之前理論分析結果相符。受傳統算法誤差影響，線路在正常運行過程也會形成較大差動電流，進一步提高了整定難度，導致靈敏度下降。以本文算法處理時，正常狀態下的差流接近0，而產生區內故障時會造成差流的明顯上升，故障前后差流存在明顯差異。

圖5 故障相差動電流

對各個故障位置的故障種類、過渡電阻與故障相角調整后，再進行測試時發現，本文算法在故障狀態下形成的制動電流比差動電流更大，具備比傳統算法更高的靈敏度。

3.3 電抗器零序差動保護邏輯驗證

進行仿真測試時，依次設定了2 個區外故障點F1、F2與1 個區內故障點F3，對上述故障點開展單相接地故障仿真測試。同時，記錄了電抗器零序差流與制動電流，表2 是仿真測試所得的結果。

表2 故障仿真結果

由表2 可以發現，當出現區外故障時，選擇優化制動電流算法能夠有效提升電抗器零序差動保護制動效果，經過優化處理的制動性增強了數十倍。存在區內故障時，利用優化制動電流算法可以獲得更高的電抗器零序差動保護靈敏度。經過優化處理的電抗器零序差動保護能夠達到更高的可靠度與靈敏性，可以為電抗器提供更可靠的保護。

4 結論

本文開展面向電容電流補償的風電交流線路繼電保護的研究，取得如下有益結果：

1）傳統處理時，兩側電流形成了明顯差流。本文算法處理會造成差流的明顯上升，故障前后差流存在明顯差異，具備比傳統算法更高的靈敏度。

2）選擇優化制動電流算法，能夠有效提升電抗器零序差動保護制動效果，制動性增強了數十倍，電抗器零序差動保護的靈敏度更高。