西安交通大学 宋国兵：新型电力系统继电保护技术探索

新型电力系统继电保护技术探索宋国兵、张晨浩、常仲学西安交通大学继电保护团队报告内容■传统保护原理的适用条件■新型电力系统中保护面临的挑战■继电保护新技术探索■典型场景的保护配置■总结和展望传统保护原理的适用条件工频变化量保护方向性电流保护工频变化量保护方向性电流保护电流差动保护过电流保护过电流保护原理暂态保护行波保护微波保护高频保护暂态保护行波保护微波保护高频保护距离保护电子型晶体管、电子型晶体管、集成电路微机型电磁型、感应型、电动型3而动作的保护而动作的保护幅值增大而动作的保护4常用继电保护原理小而动作的保护差动保护原理示意图传统保护原理的适用条件电流序分量选相元件：依据突变量电流序分量相角进行故障选相电流序分量选相元件：依据突变量电流序分量相角进行故障选相5突变量方向元件：依据系统等值序阻抗的●m侧正方向故障时满足：△Um=-△imZm●由此可推得m侧正方向故障判据为●可推得m侧反方向故障判据为要求电源等值阻抗恒定要求电源等值阻抗恒定传统保护原理的适用条件传统电源故障特征传统电源故障特征同步机电源故障特征：频率恒定、电压恒定(短路电流大)、控制滞后(等值阻抗恒定)●传统电力系统电源：过流保护●传统电力系统电源：电压恒定控制电压恒定控制滞后差动保护距离保护元件反应距离保护元件核电厂水电厂火电厂I增大核电厂水电厂火电厂vlvl报告内容■传统保护原理的适用条件■新型电力系统中保护面临的挑战■继电保护新技术探索■典型场景的保护配置■总结和展望报告内容■新型电力系统中保护面临的挑战2.1新型电力系统特点在继电保护视角下，新型电力系统的重要特征是装备电力电子化●2030年实现“碳达峰”“双碳”战略●2030年实现“碳达峰”电力电子技术应用●2060年实现“碳中和”电网新能源电网新能源提升●截至2022年底，新能源装机容量达到●新能源占全国发电总装机的47.3%●直流占比已达39%●直流占比已达39%92.1新型电力系统特点新型电力系统新型电力系统风电本风电柔性直流传统电力系统将新能源交流电网高压直流储能光伏十>传统交流系统的电源、变电力装备，逐渐被换流器新型电力系统中，装备电力电子化是渐进过程1111阶段三阶段三阶段一3214跌至35%时的电流波形0跌至35%时的电流波形00000零序阻抗000双馈风电机组正负序阻抗0直驱风电机组正负序阻抗高可控性：换流器在电磁暂高可控性：换流器在电磁暂态期间开始调控，电压与等值阻抗不恒定，传统的故障分析方法、继电保护原理不适应。降低，提供短路电流小，呈现弱馈特性；依赖短路电流的保护灵敏度降低。器受扰后快速限流，影响保护故障发生故障0假定系统线性；只需分析纯电磁暂态过程。即，电磁暂态过程不考虑控制系统的调节作用。换流器型设备表现出复杂的非线性特性；电磁暂态与机电暂态重合，装备调节快：在电磁暂态初期即可响应扰动，且可大范围调节；换流器控制策略的复杂性，决定了新型电力装备对扰动响应的复杂性；换流器对电气量的复杂变换作用，决定了新型电力装备对扰动传递的复杂性。交流交流故障直流故障柔直电网柔直电网本66音音0电压电压电磁暂态过程与换流器的受控响应过程叠加，故障电气量波形复杂；受调制与控制特性影响，故障电气量难以解析表达，等值阻抗与控制策略相关。118C8C0000BBF'sBAA逆变侧①保护原理反应电流增大、基于工频电气量依赖电源恒定感性等值阻抗针对单纯性故障0①保护原理具有复故障特征复故障单端量保护换相失败纵联方向保护2.3典型场景及保护性能分析以线路保护为例，新型电力系统的典型场景按照电源类型及其接入方式，可●单端换流器型电源线路线路一端为换流器型电源(新能源/柔直),另一端常规电源或大电网。●双端换流器型电源线路线路两端均为换流器型电源电源接入。●直流电网多个柔性直流换流站通过网络相联。单端换流器型电源线路单端换流器型电源线路新能源接入系统/送出线单端换流器型电源线路的代表为新能源接入系统/送出线和柔直馈入系统。新能源接入系统/送出线新能源/柔直侧：馈入短路电流小，等值阻抗正负序不等且不一定为感性。柔直馈入系统单馈入柔直馈入系统单馈入系统▶新能源/柔直侧的传统单端量保护可能会不适应，而网侧保护一般无适应性问题。由于有网侧提供短路电流，电流差动保护一般无适应性问题。202.3典型场景及保护性能分析专专双端换流器型电源线路的代表为系统。保护有适应性问题。2.3典型场景及保护性能分析柔性直流电网均为换流器型电源，拓扑为网状结构。直流系统的故障特征，完全由换流器类型和控制策略决定。传统高压直流线路保护原理：柔直电网中未必存在滤波器组成的边界。受换流器和直流断路器约束，对直流线路保护的速动性要求很高。报告内容■新型电力系统中保护面临的挑战■继电保护新技术探索■总结和展望报告内容主动利用主动利用被动检测模型/参数识别的保护原理主动探测式保护3.1避开换流器调控过程的保护原理柔直电网的行波波前超高速保护柔直电网的行波波前超高速保护保护原理保护原理行波波前特性研究kA0仿真验证kA0仿真验证21社社和附211点1m90t1m90t3.2不受换流器响应特性影响的保护原理模型/参数识别保护模型/参数识别保护●物理模型●数学模型●保护判据E>Ese或E>Ese或①区内外故障模型id:两端电流和；u:两端电压和电容模型非电容模型区外故障符合电容模型；区内故障不符合电容模型②用波形相关性表征电容模型符合③当符合度<整定故障，否则判为度值时判为区内区外故障p(icd,ua)<0.8.81:区内故障模型/参数识别保护解决了纵联保护在新能源并网系统中的低灵敏度问题。正阻感模型反向故障：负阻感模型用波形相关性表征正阻感模型符合度当符合度>整定值时判为正向故障，否则判为反向故障仿真验证所提时域方向元件，解决了常规方向元件不适用问题。29区内故障：过渡电阻倒数区外故障：对地容抗倒数通过计算导纳和的大小来计算导纳和>整定值时，为 Y>Y:区内故障Yajn<Ye:区外故障3.2不受换流器响应特性影响的保护原理正电容模型负电容模型容模型>ξ整定容模型容模型仿真验证—健全线梨0.2全线5误差<解决了风电场内集电线单相接地选线问题，无须现场整定。313.2不受换流器响应特性影响的保护原理过渡电用计算距离(km)计算结果保护判据d=x₁,L=(x₃/x₂)R-L,R,=(x₂·L)/(3R)dfau≤d3.3利用换流器特性的保护原理利用换流器向电网注入强化的故障特征，提出了系列探测式故障识别技术存在的挑战解决思路2The解决思路2ThemomentofAk。Themomentofaa基本原理探测式纵联保护基本原理探测式纵联保护几几R本1基本思想故障控制/主动探测式策略故障控制/主动探测式策略地状*格M单极故障极间故障地状*格M单极故障极间故障四端输电系统Ws保护原理保护原理具有较强的抗过渡电阻性能和抗干扰性能，适用于直流线路故障全过程。网络拓扑基本原理网络拓扑基本原理uubu)bu)Z●算法数据窗动作?z故障测距结果(km)YYYfYNYN五NN提高了传统距离保护故障识别的灵敏度，具有较高的可靠性。N(i)=UIcx(i+n)保护判据：区内故障对端注入U区内故障对端注入Ual(m₂)Uaua₂(s)=Um2;(5)4(s)UBeZ2区内外故障时幅值的差异性空间距离序列：区外故障Ua2(02)(s)=U₂)(s)4,仿真验证仿真验证五-28区内故障区外故障不依赖线路对端边界，能够保护线路全长。3.3利用换流器特性的保护原理探测式重启/重合探测式重启/重合研究背景研究背景研究思路研究思路基本原理基本原理王王1光充分利用电力电子器件的高可控性，达到主动甄别故障的目的，具有较高可控性。37基本思想基本思想信号的选择信号的选择混合MMC拓扑基本原理基本原理故障控制/主动探测式策略仿真验证仿真验证)测量距离(km)偏差率(%)●注入信号的长度2.考虑算法窗长和传输延时，采样率较小，可进行多次定位。38报告内容■新型电力系统中保护面临的挑战■继电保护新技术探索■总结和展望典型场景的保护配置新能源接入系统/送出线波前、暂态量保护新能源接入系统/送出线●交流行波波前单端量快速保护模型/参数识别保护柔直馈入系统单馈入柔直馈入系统单馈入多馈入系统●电容模型识别纵联保护●阻感模型识别方向元件●基于参数识别的时域距离保护主动探测式保护●基于本端注入的单端量距离保护●基于对端注入的单端量距离保护典型场景的保护配置波前、暂态量保护●交流行波波前单端量快速保护●电容模型识别纵联保护主动探测式保护●主动探测式纵联保护●基于本端注入的单端量距离保护●基于对端注入的单端量距离保护35kV220V海缆35kV220V海缆二二波前、暂态量保护波前、暂态量保护●波前超高速保护●暂态量保护模型/参数识别保护●电容模型识别纵联保护主动探测式保护●基于本端/对端注入的单端量距离保护报告内容■新型电力系统中保护面临的挑战■继电保护新技术探索■传统保护原理需求电源具有恒定频