1、CHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYPRODVCT AND TECHNIC产品与技术2023.04.DQGY 31同时风能发电约为4146亿kWh，同时无论是装机总量还是风能发电总量每年都以8%的数量增加，在全世界范围内都处于遥遥领先的地位。在我国风力高速发展的同时，现阶段仍然面临着许多技术性的问题，如风力发电并网问题、风电场集电线路继电保护问题，风电场集电线路大部分处于山区、丘陵等区域，自然环境极其恶劣，同时风电场集电线路大部分为电缆架空混架线路，据研究资料表明，集电线路80%以上故障都为单相接地故障，发生单相接地故障时，故障点处理的时效性显得极为重要，处理
2、不当可能造成风电场大规模脱网恶劣事件。脱网事件的背后，证明风电场继电保护的不足，传统的集电线路采用中心点不接地的方式运行，为适应性满足集电线路并网频率需求，集电线路采用连接的方式，当线路发生单相接地时，系统可带故障运行2h左右，此时非故障相出现电压升高进而导致线路出现多相短路接地的情况，从而造成恶劣事件，0 引言现阶段全世界范围内的能源主要还是以煤、天然气、石油为主，上述能源都为不可再生能源，随着能源的不断开采与利用，资源必然有消耗殆尽的一天，同时自然资源的过度开采和利用给全球环境带来极其恶劣的影响，结合2020年于联合国会议上中国提出“中国将提高国家资助贡献力度，采取强有力的政策和措施，实现
3、二氧化碳排放量力争2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”，寻找新型的、有效的清洁能源已经至关重要。而可再生清洁能源如风能、太阳能、水能等不仅储存量巨大，同时满足环保的要求，因此选择清洁能源替代传统的不可再生能源成为我国实现“双碳”目标的不二选择，相比于太阳能、水能建设，风能具有选址灵活多变、建设周期短等优势，因此近年来，我国正大力发展风能发电建设。截止2020年，我国风电场数量已超过4000个，何君 陈平 田勇 冷凯 朱露 杨鹏程 龚诚（湖北能源集团新能源发展有限公司）基于Hausdorff距离算法的集电线路故障选线研究摘要：现阶段我国风电场集电线路大多采用电缆架空混架的情况铺
4、设，而风电场集电线路大多采用Z型变压器串联小电阻的方式接地，同一条集电线路母线上一般存在多条集电线路出线，导致线路在发生单相接地时金属性接地可能健全相零序电流大于高阻接地时健全相电流，进而导致零序保护选择失效的情况。本文采用分布式故障测距思路，对风电场集电线路出口处零序电流进行采集，通过Hausdorff距离算法进行所有集电线路零序电流特征量求解，利用Hausdorff距离算法中H矩阵与S矩阵进行接地集电线路选择，进而实现风电场集电线路的零序保护选线，相比于传统的整定值法零序保护侧率具有更高的稳定性与精确性，对于风电场集电线路零序保护实现断路器投切有重大工程意义。关键词：风电场集电线路；零序保
5、护；分布式故障测距；Hausdorff距离算法；特征向量电器工业202304设计排版.indd 392023.4.25 11:39:48 AMCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRY2023.04.DQGY 32PRODVCT AND TECHNIC产品与技术在吸取了经验和教训之后，集电线路采用Z型变压器的方式进行接地，而采用Z型变压器同样采取传统的零序保护整定值法依然会出现零序保护拒动或者误动的情况，因此，采用此方法同样会出现不合理的情况。本文针对上述零序保护整定值不合理的情况，基于现有的研究技术和方案，寻求新的零序保护的继电保护方法，从而提升集电线路继电保护的
6、稳定性与精确性。1 集电线路运行概况1.1 双馈式风力发电系统风电场集电线路大部分依山而建，利用风机进行风力收集。现阶段我国大量风电场采用双馈式风力系统。双馈式风力发电系统包括风力机、双馈式发电机，即DFIG（Doubly fed Induction Generator）、保护电路、换流系统，同时双馈式发电机定子侧可直接接入电网，而转子侧通过环流系统后接入升压系统，双馈式风力发电系统的优势在于其本身是一个多变量且电磁耦合作用强的系统，因此在我国大部分区域投入了风力发电生产，如图1所示为双馈式发电系统结构图。1.2 集电线路系统风电场集电线路系统大部分情况下都是依山傍图 1 双馈式发电系统结构图
7、水，基本处于风口处，旨在风力机能够更好地收集风力，以用于风力发电，风机安装位置设计的灵活性较强。在我国，风电场集电线路系统基本由双馈式发电机产生电能，风机产生的电能一般情况下为690V，每台风机都存在箱变，将690V升压至35kV，35kV为集电线路母线，通常情况下每个风电场存在多条集电线路母线。在我国风电场建设初期，风电场发电系统母线采用中性点非有效接地方式，中性点非有效接地方式在集电线路发生单相接地时不发生跳闸，带故障运行2h，而风电场集电线路含有多段电缆，长期带故障运行容易导致电缆发生过电压烧伤起火，从而造成其他集电线路发生不可逆的损伤，因此，现阶段风电场集电线路为避免单相接地造成严重后
8、果，集电线路母线采用Z型变压器进行线路零序保护。为适应风电场集电线路并网频率需求，集电线路母线采用型接线方式，通过每条集电线路将风力发电产生的电能汇集至风电场升压站，再通过升压站并网接入电网环境中，由于风电场所处环境特殊，风机分布的灵活性较强，因此，集电线路所铺设的环境较为多变，因此风电场电网系统双馈式发电机保护电路变流器电阻网侧互感转子侧齿轮箱风力机电器工业202304设计排版.indd 402023.4.25 11:39:49 AMCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRY2023.04.DQGY 33PRODVCT AND TECHNIC产品与技术集电线路大部
9、分采用电缆架空混架的情况，如图2所示为某风电场集电线路等效结构示意图。图2 某风电场等效模型图2 集电线路单相接地线路等效图以图2风电场为例，该风电场采用电缆架空混架进行铺设，系统采用Z型变压器进行接地，当图2中任意一条集电线路发生单相接地时等效图，假设集电线路1线路发生单相接地故障，可将此风电场等效成如图3所示线路。图3 集电线路1发生单相接地时风场等效图系统采用Z型变压器接地，如图3所示当集电线路1发生单相接地时，此时系统进入故障稳态，可将系统等效成如图4所示电路结构图。电缆风机Z型变压器QF1QF2QF3QF4Rn3RnC2C3C4RfUf110kV侧110kV/35kV35kV侧中性点
10、零序电流母线电压图4 集电线路1发生单相接地时等效电路图如图4所示为集电线路1发生单相接地时，f为集电1线单相接地的接地点，Rf为集电1线单相接地的接地电阻，Uf为集电1线单相接地的等效电源，Rn为Z型变压内阻，当系统任意一条线路发生单相接地时，将Z型变压器等效成3Rn，C2为集电线路2等效零序电容，C3为集电线路3等效零序电容，C4为集电线路4等效零序电容，通过图4等效电路可知：系统的健全集电线路等效阻抗R为：（1）整个系统的等效阻抗R0为：（2）母线的零序电压U0为：（3）中性点零序电流I0为：（4）如图4所示可知，系统中故障集电线路1的零序电流由Z型变压器及健全的集电线路提供，同时矢量之
11、和为0，则流经故障集电线路的零序电流为：电器工业202304设计排版.indd 412023.4.25 11:39:51 AMCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRY2023.04.DQGY 34PRODVCT AND TECHNIC产品与技术ik-jmjk-jn，m为正整数，1mn（7）2）利用集合P中的点每一个与Q中的点进行欧氏距离求解，并对其求解的结果建立新的矩阵，对新建矩阵建立进行欧氏距离最大值的求解，则认定此最大值为集合P到集合Q的欧氏距离：（8）3）同样利用集合Q中的点每一个与P中的点进行欧氏距离求解，并对其求解的结果建立新的矩阵，对新建矩阵建立进行欧
12、氏距离最大值的求解，则认定此最大值为集合Q到集合P的欧氏距离：（9）4）在求得集合P到集合Q的欧氏距离及集合Q到集合P的欧氏距离后，对双向欧式距离进行求解，定义双向欧氏距离：（10）通过式（1）式（10）不难看出Hausdorff距离算法计算得到值反映了两集合中的点的相似度，由式（10）计算出来的H值越小，对应到集合上则判定两个集合的相似度越低。反之，如果计算出来的H值越大，则两个集合之间的相似度高，同时由于计算方法采用集合中的点一一求解，因此采用Hausdorff距离算法灵活性和精确度更高。5）假定风电场集电线路发生单相接地的线路为第n条，则剩余的集电线路的欧氏距离值H很高，定义第n条集电线
13、路的H值为Hn，则剩余的集电线路的H值为Hm，对所有的集电线路Hm和Hn进行求商，所得的矩阵定义为S，则S为：S=S1、S2、1、Sa （11）6）设定S阈值为A，经研究表明，此处的A值定义为3.5，当求得的S矩阵中所有值大于A时，则判定为集电线路母线故障，当S矩阵中所有值小于A时，则判定为第n条集电线路发生故障。4 仿真分析4.1 仿真建模对图2所示的风电场模型进行建模分析，该风 （5）如式（5）所示可知，当集电线路固定时，其Z型变压器固定、任意集电线路固定，则线路发生单相接地时，系统中流经故障集电线路的零序电流与接地故障电阻大小成反比，假设系统发生金属性接地，此时Rf趋近于零，系统中母线的
14、零序电压U0趋近于Uf，则系统中故障集电线路零序电流I10与非故障集电线路零序电流In0之比为：（6）式（5）的比值大小与Rf和电容电流有关系，在金属性接地时，随着接地电阻和电容电阻的变化导致故障集电线路零序电流与非故障集电线路之间的零序电流之比为1或者小于1，即存在满足条件的故障电阻Rf、电容电流使得系统在发生故障时，满足金属性接地时故障集电线路的零序电流大于高阻接地时故障集电线路零序电流。因此，如果集电线路采用整定值法零序保护，设定一定的阈值，系统可能出现金属性接地零序保护动作，而高阻接地故障时系统零序保护不动作的情况，从而对风电机集电线路及站内设备造成不可逆的损伤，因此恰当的零序保护方案
15、显得极为重要。3 Hausdorff距离算法Hausdorff距离算法是一种描述两集合之间相似度的算法，假设集合P=i1，i2im，Q=j1，j2jn，则采用Hausdorff距离算法计算结果如下：1）首先计算集合P中所有的点与Q中所有的点的欧氏距离，计算所有集合P集合中的所有的点到Q中，存在P集合中一点ik对应Q集合中的点jm中欧式距离最小的点满足：电器工业202304设计排版.indd 422023.4.25 11:39:51 AMCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRY2023.04.DQGY 35PRODVCT AND TECHNIC产品与技术表1 风电场
16、电气参数额定功率/MW2定子阻抗（pu）0.0064额定电压/kV0.69转子阻抗（pu）0.00506额定定子频率/Hz50定子漏抗（pu）0.113转动惯量角0.6598机械阻尼（pu）0.003额定功率/MW2.5额定电压/kV0.69/35接线方式Dyn11短路电压百分比7.1%额定功率/MW100额定电压/kV35/110接线方式Ynd11短路电压百分比13.6%表2 风电场集电线路阻抗参数集电线路类型电压等级/kV正序阻抗（/km）零序阻抗（/km）架空线350.162+j0.3610.29+j1.26电缆线350.195+j0.1291.99+j1.35电场带有4条集电线路，每条集电线路上约为5个风机，集电线路受到线路走廊的影响，采用电缆架空混架的形式。其中集电线路1全长22.8km，电缆6km，集电线路2全长30.2km，电缆12.3km，集电线路3全长16.9km，电缆4.8km，集电线路4全长19.6km，电缆6.9km，建立风电场仿真模型，该风电场仿真模型分别如表1、表2所示。设置Z型变压器接地电阻Rn为10，假定单相接地点发生在集电线路1上，集电线路1上A相发生