新型电力系统线路保护适应性及解决方案初探

新型电力系统线路保护适应性2随着我国明确提出“双碳”战略目标，风光等新能源发电占比逐步提高，新能源大规模接入、柔性直流/低频输电外送等技术快速发展。电力系统展现出高度电力电子化的低惯量、非线性特征，电网运行特性、故障特征发生显著变化，给传统继电保护造成全新挑战。西北电网西藏电网特高压交流→常规直流东北电网华北电网华中电网南方电网以同步旋转电源为基础，以集中阻抗等效，依据稳态量判定的原有保护控制方法不能解决电网新挑战，安全难以保障!突破适应“源网荷”故障特性与保护需求转变的继电保护技术!5二、分布式光伏接入的配电网电流保护配电网“分布式电源多点接入、故障电流双向流动、控制方式复杂多变”,传统保护配置难以满足更高占比分布式电源接入下的动作选择性要求。亟需一种以新能源接入容量为指标的保护适用边界定量计算方法，以保障电网的安全运行!变电站速断，60A,0.2s变电站速断，60A,0.2s过流：400A,1s过流：440A,1s断路器断路器过流：480A,1s2.1分布式光伏接入的配电网电流保护适应边界计算2.1分布式光伏接入的配电网电流保护适应边界计算以配电网光伏总准入容量作为评价指标，进行电流保护适用边界的分析；推导了电流保护与光伏容量间的映射关系，并得到电流保护适用的约束条件。(大小方式差异增大)计算模型与计算方法开始计算模型与计算方法开始数学模型目标函数数学模型目标函数maxF=Spv₁+SPv₂…+SPvn初始化每个粒子的位置和迪度计算得博每个粒子的适应度值我创个体最优和全场最优约束条件粒子群约束条件设定修正值为上限值利用系统级故障电旅计算得到每个粒子的新适应度值束束找到全局最优结束2.1分布式光伏接入的配电网电流保护适应边界计算2.1分布式光伏接入的配电网电流保护适应边界计算■电流保护的适用边界分析方法仿真验证保护CB₁(II段)正确动作CB₂(IⅢ段)不误动CB₄(I段)不误动BF馈线2光伏总容量馈线12.1分布式光伏接入的配电网电流保护适应边界计算2.1分布式光伏接入的配电网电流保护适应边界计算为消除光伏馈出反向电流使电流保护无选择性误动，可以在电流保护中引入方向判据；当故障位置、光伏容量、光伏并网点电压跌落程度变化时，光伏的等效阻抗随之变化，从而影响传统功率方向元件的适用性。功率方向元件判据功率方向元件判据2.1分布式光伏接入的配电网电流保护适应边界计算2.1分布式光伏接入的配电网电流保护适应边界计算CB₂方向元件测量阻抗角mnem=-tmz2--m(Zmc+Z:/Zm)C₁(Rpc,Xpc)Rn+(4²+2RcR)(2Rc+2R.)+Xm+R功率方向元件的约束模型Rpe(9)以线路阻抗角为90°为例，方向元件的于区域I和区域IⅡ时，CB₂的方向元件反向误动；光伏等效阻抗位于区域Ⅲ和区域IV时，方向元件不误动。112.1分布式光伏接入的配电网电流保护适应边界计算2.1分布式光伏接入的配电网电流保护适应边界计算当光伏容量一定时，光伏正序等效阻抗受并网点电压影响，其与阻抗允许波动区域的交点方向电流保护适用边界计算模型：以光伏最大准入容量为目标函数，以三段式电流保护灵002.1分布式光伏接入的配电网电流保护适应边界计算2.1分布式光伏接入的配电网电流保护适应边界计算(AB中点故障)保护阻抗角CB₁(I段)正确动作CB₂(IⅢ段)不误动CB₄(I段)不误动(AE距A节点310m故障)保护阻抗角CB₁(I段)误动CB₂(I段)误动CB₄I段)动作对于中性点不接地的电网，系统不对称运行状态下存在负序电压和负序电流，作用于逆变器控制环节会产生倍频分量，影响控制稳定性和电容器寿命。因此，光伏逆变器采用抑制负序电流计算式：4暂态量提取算法：小波变换利用特征频率(尺度参数)和时间位置(位移参数)可变的当正向故障时，电压电流暂态量极性相反；反向故障时，电压电流暂态量极性相同。因0.480.4860.48-3.48-3.480.48600.48二、分布式光伏接入的配电网电流保护二、分布式光伏接入的配电网电流保护三、新能源集群并网线路的距离保护新能源“新能源“故障电流多频带、等值阻抗强时变、并网线路结构复杂”,传统交流线路保护原理难以实现灵敏可靠动作。作为电网安全第一道防线，继电保护亟需实现原理性革新!20ms架空线-电缆混联大规模新能源基地并网拓扑电阻(Ω)3.1传统距离保护在新能源送出线路上的动作性能DFIG定子短路电流由衰减的直流分量、稳态的工频分量以及衰减的转速频率分量三部分组成：直流分量稳态的工频分量转速频率分量电压降落至0p.u.电压降落至0.8p.u.双馈风电场1定子电流A定子电流A00003.1传统距离保护在新能源送出线路上的动作性能3.1传统距离保护在新能源送出线路上的动作性能电料限14怖电单勒电场电料限14怖电单勒电场无频偏情况无频偏情况20r20r盒盒电流幅值和相位—→比相式距离有频偏情况有频偏情况4008电流幅值和相位比相式距离测量阻抗具有时变特性，传统基于工频分量的距离保护均会存在误动、拒动风险。193.1传统距离保护在新能源送出线路上的动作性能3.1传统距离保护在新能源送出线路上的动作性能以正序电压为极化电压的比相式距离保护：正向故障时，动作圆向第三象限偏移Z₅/2,保证出口近端故障无死区；反向故障时，动作圆向第一象限偏移Zset,保证反向故障可靠不动作。在工程实际中得到广泛应用(南瑞科技、南瑞继保)。反向故障：3.1传统距离保护在新能源送出线路上的3.1传统距离保护在新能源送出线路上的动作性能区内相间故障时：比相结果处于拒动边缘(接近270°);区外相间故障时：比相结果处于误动边缘(接近90°),加入20dB的高斯白噪声，保护便会进入动作区间，说明比相式相正向区外BC相间继电器BC石阿逐电器正向区外BC相间继电器BC石阿逐电器正向区内3.2适用于新能源并网线路的快速时域距离保护3.2适用于新能源并网线路的快速时域距离保护基于阻感模型的时域微分方程故障测距方法集中参数模型时域集中参数模型时域方程最小二乘模型误差：集中参数模型忽略线路分布电容，导致稳态的原理误差。算法误差：差分代替微分，产生计算误差，特别是在故障初期的暂态过程时影响最大。保证计算稳定性的同时加快计算收敛速度。提出基于泰勒展开拉格朗日余项的模型误差分析方法，精准计算R-L方程忽略分布电容引阻感模型忽略线路分布电容带来正向误差，可能会导致距离保护拒动!测距式距离保护允许误差：Ea(n,x)=|k₂×1,-x|550线路长度/km线路长度/km差分计算误差差分计算误差正弦10厂时间/×10三阻感模型拟合误差分析阻感模型拟合误差分析AA时问/s离离拟合实时计算待求系数及对应拟合误差：拟答算稳判据历史权重累积故障判定拟答算稳判据历史权重累积故障判定通过拟合误差判定拟合计算是否开始进入稳态当判定计算开始进入稳态时，构建拟合误差权重矩阵对历史数据进行累积：达到稳态前输出达到稳态后输出稳态后拟合误差权重矩阵：基于拟合误差的权重分配传统时域距离算法数据窗越长，计算结果波动越小，稳定性越强，但同时收敛速度变慢；传统传统R-L算法傅氏算法所提算法实际故障距离33多种保护原理效果对比不同时间窗长对比度越快；但是所提方法在典型采样率下的测距抗噪能力分析：相比于传统RL算法，所提快速时域距离算法在加快计算收敛的同时保证了稳一5NR-30实际故障距离3333不同采样频率对比抗噪声能力验证面向装置开发，分析了面向装置开发，分析了整型运算零序舍入偏差与测距误差间的影响机理，引入电压闭锁判据消除正常运行的误动问题；装置研制与示范应用在环测试主变T135kV各种区内故障情况下，保护动作时间均小于25ms。₄双馈风电场况下，保护均能3.2适用于新能源并网线路的快速时域距离保护装置研制与示范应用韩庄变电站35kV一丰台风电场丰台风电场北板桥变电站天津丰台风电场天津丰台风电场装机容量为50MW,共装设9站内设一台53MVA主变通过1回110kV线路T接至韩板线110kV线路。年等效利用小时数为小丰台风电场宁河变电站宁河变电站☒快速时域距离保护装置区内故障：不受新能原频偏、弱馈特性丰台风电场韩庄变电站北板析变电站民生负有区外故障：可靠不动，缩小停电范围，丰台风电场韩庄