风电场继电保护整定计算管理系统研究

田文奇 冯江哲 孔祥启

（龙源（北京）风电工程技术有限公司，北京 100034）

风电场继电保护整定计算管理系统研究

田文奇 冯江哲 孔祥启

（龙源（北京）风电工程技术有限公司，北京 100034）

针对风电场缺少继电保护技术人才和配套措施，定值计算不规范、定值管理不到位的现象，开发了风电场继电保护整定计算管理系统，介绍了系统的功能架构、关键技术以及系统功能解决方案。该系统能够快速对风电场保护定值进行计算，同时也能促进风电场继电保护定值计算和管理的标准化和规范化，保障风电场的安全稳定运行。

风力发电；继电保护；整定计算；定值管理；软件开发

随着国家节能减排政策的持续推进以及大气污染防治条例的进一步落实，风电在国家能源供给中的比例将进一步提高，确保风电平稳安全运行成为保障国家能源安全的重要课题之一。然而，风电场继电保护的重要性一直以来未受到应有的重视。调研发现，多数风电场并未建立起继电保护定值的管理与技术体系，定值计算不规范、定值管理不到位的现象普遍存在。风电场缺少继电保护方面的技术人才和配套措施，较电网和火力发电厂有着较大的差距，进行继电保护方面的技术能力建设十分迫切。开发风电场继电保护整定计算管理系统，有助于快速对风电场保护定值的正确性进行核算，同时也能促进风电场继电保护定值计算和管理的标准化和规范化，保障风电场的安全稳定运行。

国内外没有针对风电场的继电保护整定计算系统。现有的继电保护整定计算系统仅适用于传统的电网及发电厂，没有充分考虑风电场的特点，因此，不能对风电场的继电保护定值进行准确全面的计算。有关风电场场内故障的仿真和试验研究在国内外都做了大量工作[1-8]，但这些基础研究的结论如何应用于风电场保护定值的计算却缺少系统研究。如何将针对风电场的定值计算原则跟软件系统进行恰当的结合也缺少相关研究。风电场继电保护整定计算管理系统的成功开发，不仅使其成为国内外首套风电场保护定值整定计算专用软件，也对以上问题进行了系统性研究。本文将对该系统进行简要介绍。

1 系统的功能架构

风电场继电保护整定计算管理系统按功能分为以下模块，如图1所示。

1）图形建模。以各风电场电气一次设备实际接线为基础，建立风电场电气模型。以设备铭牌形式输入参数，根据需要将设备等值为不同状态的数学模型（包括稳态和暂态）。对于风电机组，通过风机厂家提供的技术参数，建立故障时能够提供短路电流的风电机组模型。

图1 功能架构

2）故障计算。以风电场电气模型为基础，模拟任意位置发生不同故障时的情况，查看相应状态下的故障量信息。基于风电场的故障录波数据，对故障进行反演计算，定位故障位置和确定故障类型，方便风电场进行故障排查和处理。

3）整定计算。根据故障量、给定的整定原则和计算方法，实现风电场内保护装置的定值计算功能，并且整定原则和计算方法能够编辑和修改；根据保护装置型号，从已有的保护装置库中选择保护功能和定值项；根据保护装置硬件构成，采用层次结构来描述保护装置结构。

4）数据管理。保护装置的定值单可以被定制，其主要功能包括定值单中定值的修改、定值单的流转、定值单查询、定值单打印等。定值单的流转过程包括试算、录入、校核、审核、签发、执行、生效等一系列的过程。不同角色的用户可对定值单进行相关的审批操作，执行完相应的操作后，定值单被自动流转到下一状态，用户对现有定值单的保护动作情况及保护范围进行仿真，通过报告或图形化方式直观表示，便于技术人员理解和调整。

2 系统的关键技术

2.1 风电场模型的建立

风电场一次设备与传统变电站的主要区别在于风电机组，建立风电机组的模型是建立风电场模型的关键技术之一。本系统能够按照风电场所在地区电网继电保护整定原则的要求考虑或不考虑风电机组提供的短路电流。当考虑风电机组的短路电流时，能够方便地按照直驱型风电机组和双馈型风电机组建立风电机组的模型，输出短路电流参与故障计算。通过建立图元和元件模型，实现图形化建模。各元件模型参数维护实现图形化，并且能自动进行元件参数计算，为故障计算及定值整定提供基础数据模型。

2.2 基于风电场保护配置的自定义平台

利用“专家系统”技术，建立各种保护的型号标准库和整定计算知识库，实现保护装置的快速建模，根据装置说明书和整定原则，自动生成计算书和定值单。各保护装置模型被统一保存在数据库自定义平台中，当对所有风场建模时可共享使用。

2.3 定值管理

建立集团内部统一的定值单管理平台，风电场技术人员以及各级管理人员可按照不同权限查看或编辑定值单、计算书。同时，对于人工计算或系统自动计算的定值，可以在风电场模型中设置不同故障进行保护定值及装置的仿真校核，统计定值的保护范围、灵敏度，校验保护配置的合理性，考察是否能满足对设备的保护以及当地电网的整定要求，对于无法满足要求的定值向技术人员、管理人员进行提示。

3 系统功能解决方案

3.1 图形建模

图形建模功能主要完成系统一次设备的电气参数录入与计算、系统的拓扑连接关系、运行方式设置、保护功能配置等，如图2所示。

系统可以绘制并存储风电机组、外部等效系统、升压变压器、接地变压器、场用变压器、并联电容器、SVG连接变、箱变、断路器、线路、母线、联络线等电气元件的图形。通过建模功能，可以建立系统一次接线图。同时，系统具有以下图形编辑功能：

1）能灵活添加、删除、修改各元件，能实现图形的移动、拖动、旋转、着色、拷贝、粘贴等。

2）能够编辑文字标签、艺术字。

3）具备块选择、块移动、块复制、块粘贴功能。

4）具有放大、缩小、恢复等功能。

系统可以实现参数输入及计算功能，所有元件按统一规范的格式建立参数列表，如名称、电压等级、原始参数、标幺参数等。可直接输入或根据公式计算故障计算和整定计算所需的各种电气元件的正序标幺值、负序标幺值、零序标幺值等参数。

系统能根据风电场实际设备给定的保护装置配置线路、变压器、风电机组、母线、电容器、电抗器等元件的保护装置。

图2 图形建模界面

3.2 故障计算

故障计算是整定计算的基础，系统提供一个开放的且功能强大的故障分析计算平台，能模拟各种短路故障情形，能输出任意支路的故障电流、电压。能方便地通过图形或表单方式选择故障点设置，能以文件或图形形式显示计算结果，如图3所示（1#集电线路50%处A、B相间短路）。

图3 故障模拟图形显示

系统可用于所有电压等级的故障计算，计算规模不受限制且结果精确。采用规范化的补偿计算方法，支持任意复杂的故障计算，支持电网的等值计算，支持过渡电阻的输入，支持图形化的故障计算设置。可自定义计算分析的电气量，并提供计算结果的可视化表示，同时可根据用户设置对计算结果进行筛选或统计列表输出。可在给定的运行方式下，计算线路各种故障类型下本线始端、本线末端、相邻元件末端的电流极值，可计算变压器各侧母线、变压器其他侧相邻线路末端、变压器本侧母线出线末端故障电流极值，如图4所示。

图4 故障信息综合显示

3.3 保护模型建立

建立风电场保护模型分为两步：①根据风电场继电保护实际硬件配置建立风电场保护配置模型；②采用专家系统知识库建立单个保护装置的模型，可分为两种类型：一种类型是采用继电保护原理、国家制定的相关规程、导则，作为该装置模型的知识源；另一种类型是采用不同装置厂家出具的装置说明书作为该装置模型的知识源。根据保护装置硬件构成，采用层次结构来描述保护装置结构，保护装置结构层次由6层构成，如图5所示。

3.4 整定计算

整定计算以故障计算为基础，抓取整定原则中需要的电气量信息，按照保护模型中设定好的整定原则公式进行计算，整定计算流程如图6所示。整定时可自动整定，生成完整的计算书和定值单，也可以单步手动整定，逐步生成计算书和定值单。在整定过程中同步显示计算书，能清楚地看到每步操作的记录，计算书可以编辑、保存、载入、复制、打印。装置的定值项整定完毕后，计算结果存入数据库，按照定值单模版格式生成Word或Excel格式定值单文件。

3.5 保护定值校核

已有定值可以通过填写通用模板输入，或根据保护设备型号的不同从设备库中选择专用模板输入；通过设置典型故障，可观察该定值状态下各保护装置的动作情况，校验定值设置的合理性；根据校验结果，输出定值校验书，计算过程、校验结果及相关改进措施有详细的说明。

图5 保护装置结构层次

图6 整定计算流程图

3.6 数据管理功能

提供风电场一、二次设备参数、定值整定计算书、定值单、模拟故障信息等数据的查询和管理功能，各种数据可以被导出至Office文档并打印。

4 结论

多数风电场的保护定值计算十分不规范，许多新投运的风电场无法找到有能力的定值计算单位，风电行业对风电保护定值计算的需求十分迫切。每个风电场的接线方式、电气配置以及系统参数都不尽相同，人工计算风电场保护定值费时费力，技术人员经验和水平不同也容易出现纰漏。风电场继电保护整定计算管理系统按照规范标准对定值进行计算，保障了定值计算的准确性，降低了风电企业运营成本，促进了风电场安全生产。

[1]文玉玲.风电场继电保护适应性保护的探讨[D].乌鲁木齐: 新疆大学,2008: 6-10.

[2]周鼎,段理,石东源,等.基于混合模式的继电保护整定计算一体化系统[J].电力系统及其自动化学报,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,隆贤林.风电场接入系统继电保护的配置与整定[J].吉林电力,2011,35(4): 29-33.

[5]赵宇皓,张兵海,杨志强.风电场汇集线继电保护配置与整定[J].河北电力技术,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.继电保护整定计算及定值管理系统设计[J].山西电力,2009,27(1): 52-54.

风光互补发电演示实验系统

近日，国家知识产权局公布专利“风光互补发电演示实验系统”，申请人为苏州市职业大学。

本实用新型公开了一种风光互补发电演示实验系统，包括塑料壳体、太阳能发电单元、风力发电单元、拨码开关单元、前面板、控制单元、发电控制电路和演示显示单元；太阳能发电单元和风力发电单元分别与拨码开关单元连接；控制单元包括控制器电路、发电信息采集电路、控制输出电路、显示驱动电路和储能电池。

演示显示单元包括LCD液晶显示器、LED指示灯、波段转换开关和外接演示负载；发电控制电路分别与拨码开关单元、控制器电路和波段转换开关连接。

通过上述方式，本实用新型可以根据设定演示水平轴垂直轴风力发电、晶体硅/薄膜太阳能电池发电以及风光互补发电等，具有结构紧凑、使用方便、演示效果直观、科普性强都优点。

一种新型的小电流接地选线系统

近日，国家知识产权局公布专利“一种新型的小电流接地选线系统”，申请人为国网山东省电力公司济南供电公司。

本发明给出了一种新型的小电流接地选线系统，包括声敏传感器、信号发射模块和计算机监测终端，声敏传感器与信号发射模块相对应连接，信号发射模块自带电源设备，计算机监测终端能够接收到信号发射模块发出的采集信号，计算机监测终端包括数据存储模块、数据分析模块、典型电缆放电声谱模块和报警模块；数据存储模块能够对每一个声敏传感器的采集信号进行实时单独存储。

该系统通过收集并分析单相接地放电声音来确定故障线路，大大提高了故障选线正确率。

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，工程师，主要从事风力发电运行与维护方向研究工作。