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新型电力系统继电保护面临的问题与挑战

2022-12-01 19:23来源:北极星输配电网作者:陈朝晖 等关键词:继电保护新型电力系统电力电子收藏点赞

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摘要:以新能源为主体的新型电力系统引入了新的电力系统设备,形成了交流直流并存的形态,改变了电力系统的运行模式,模糊了电力系统故障特征。现有继电保护技术在新型电力系统中应用面临挑战。交流系统常用电流保护、距离保护、纵联方向保护和电流差动保护面临故障电流受控受限而引起的拒动误动可能,直流系统出现了大容量远距离超长线路保护和柔性直流电网线路超高速保护的需求。

论文分析了新型电力系统的特点,凝练了其故障特性,指出了继电保护存在的问题和可能的研究方向,为新型电力系统继电保护的发展提供建议。

01引言

2021年3月15日习近平总书记在中央财经委员会第九次会议首次提出“构建以新能源为主体的新型电力系统”。新型电力系统是清洁低碳、灵活高效和安全可控的电力系统,以满足经济社会发展电力需求为首要目标、以最大化消纳新能源为主要任务,以确保能源电力安全为基本前提。2022年11月24日,国家能源局发布的最新数据显示:截至2022年10月底,我国累计发电装机容量约25亿千瓦,其中新能源风电、太阳能发电装机容量分别约3.5亿千瓦和3.6亿千瓦,分别占比14%和14.4%,并且保持快速增长。以沙漠、戈壁、荒漠地区为重点的大型风电、光伏基地建设和屋顶分布式光伏开发建设提速。甘肃酒泉、新疆哈密、河北、吉林、蒙东、蒙西、江苏、山东等8个千万千瓦级风电基地先后建设投产。青海塔拉滩千万千瓦级太阳能发电基地已部分投产并网发电。

为构建以新能源为主体的新型电力系统,提升新能源消纳能力和输送能力,电力电子器件得以广泛应用,从半控器件晶闸管到全控器件IGBT。同时,直流输电发展迅速,从LCC型传统直流到VSC型柔性直流再到LCC-VSC混合直流。随着新型电力系统建设,直流系统必将是以新能源为主体的新型电力系统的不可缺少的一部分。

新型电力系统引入了新能源电源和电力电子新器件,改变了系统拓扑,形成了交直流混联新形态,颠覆了传统系统运行特性[1]。电力系统运行中,传统电源出力确定可控,太阳能发电、风力发电等新能源发电随机波动。故障分析中,传统电力系统电磁暂态过程与机电暂态过程变化速度相差大,电磁暂态初始过程分析中忽略发电机和电动机的转速变化,电源电路对外特性认为不变;新型电力系统中电力电子器件快速响应,故障分析必须计及电源特性的变化。同时电力电子器件脆弱,抗过载能力有限,其对电力系统的运行也提出了更高的要求。因此,以新能源为主、高比例电力电子设备大量应用的新型电力系统,改变了传统系统运行特性,对现有继电保护提出了挑战和新的要求。

02保护存在的问题及技术挑战

故障是电力系统安全稳定运行的天敌,且不可避免。继电保护是电力系统中直接应对故障技术,不可或缺。由于运行的电力系统是一个整体,任一设备的退出运行都将改变系统运行方式或者影响系统正常运行,因此,电力系统对继电保护有严苛的要求,判得准,动得快,有选择和高灵敏性。继电保护对设备发生故障可靠动作,没有故障可靠不动作;对保护区内故障动作,保护区外故障不动作;对保护区内故障无论系统运行方式、故障类型、故障位置等都能灵敏动作;对保护区内故障能尽快切除故障,提高系统稳定性,减轻故障设备的损坏程度,缩小故障波及范围。

继电保护面向电力系统中设备,基于保护系统中所有设备正常的理念保护整个系统安全运行。继电保护基于电力系统运行特性,识别设备正常运行特征与故障时特征的不同,判定故障并自动将故障设备从电力系统中隔离出去,达到保障电力系统持续运行的目标。电力系统中各设备的运行特征受整个系统的影响。新型电力系统新能源和电力电子器件改变了传统电力系统的运行特性和故障特征。新型电力系统中电力电子器件快速可控,系统中的任一简单故障表现出显著的连锁特性,破环了现有故障分析基础,影响了继电保护原理。同时,电力电子器件过载能力低、承受故障冲击能力差,需要继电保护快速识别故障和隔离故障。因此,现有继电保护应用于新型电力系统既面临巨大挑战,同时新型电力系统还需要适应新场景的新保护技术。

目前电力系统中广泛应用的继电保护基于故障稳态电气量,可分为电流保护,距离保护,纵联方向保护和电流差动保护。电流保护基于故障后电流大于正常运行电流的原理构成。新能源发电接入一方面会引起正常运行电流方向和幅值的变化,另一方面新型电力系统中的电力电子器件可快速控制电源输出电流,具有快速控制短路电流能力。新型电力系统正常运行电流变化和故障电流受限将引起现有电流保护误动和拒动。高比例光伏接入配电线路的保护尤其需要重视,保护的可靠性、灵敏性和选择性都面临严峻挑战。

距离保护基于测量点电压电流计算出的阻抗与保护范围内阻抗比较判断故障是否在保护区内。现有电力系统故障后电压降低、电流增大,测量阻抗下降,距离保护据此动作。新型电力系统电压电流的可控性使得故障后测量点电压可维持不变,电流不增大。如此,测量阻抗超越保护动作区,距离保护发生拒动。方向元件同样基于故障后电源特性不变构成,不能适应新能源电力系统的可控运行特性。

电流差动保护基于基尔霍夫电流定律,理论上可不受电源特性的影响。但在实际应用中,差动保护采用差动电流与制动电流比较的方法满足可靠性和灵敏性的要求。研究表明:电流差动保护应用于新能源送出交流线路面临挑战。新能源送出线路一侧连接新能源场站,另一侧连接整流站。送出线路上发生故障时,新能源场站提供的短路电流受控,整流站不能反向供电,不提供短路电流。差动保护可能拒动。

新型电力系统出现了新的运行场景,对继电保护提出了新的性能要求。新型电力系统中的新能源场站、新能源送出线路、换流站、大容量远距离直流输电线路,柔性直流电网线路,新能源接入的配电线路都是新场景,具有新的运行特性和故障特征,不同于传统交流系统。相对电磁元件,电力电子器件承受大电流能力弱,电力系统发生故障后,需要快速隔离故障,新型电力系统对保护性能提出了更高的要求。如张北四端柔性直流电网对柔直线路短路故障需要3ms超高速动作的保护技术[2-3]。(文章首发于北极星输配电网 转载请注明来源)

03保护可能的研究方向

故障是随机事件。稳定运行的系统中会随机发生故障。故障后不同空间位置、不同时间节点都将出现故障引起的不同电气量。不同空间位置不同时间节点不同时间分辨率下,故障呈现出不同的故障现象和故障信息。

电力系统故障信息从电磁学的物理本质角度而言,最快的信息是电磁波信息,然后是暂态过程信息,较慢的信息是故障后的稳态信息,其所对应的信息也是新的拓扑结构下的稳定信息。

从正常运行的故障发生到故障稳态过程分析,故障首先出现初始阶跃波头、接着故障行波发生折反射以及在RLC电路上发生振荡。故障后信息也可分为:行波分量、非周期分量、工频分量、高频集中分量、高频杂散分量等。从电力系统的空间讲,故障后可分为故障设备,非故障设备,故障区间内和故障区间外。

理论上,继电保护可利用的故障信息包括不同空间不同时刻的故障行波,故障暂态和故障稳态。因此,新型电力系统继电保护研究也应围绕上述故障信息展开。

1)不受电力电子器件控制特性影响的保护技术

以快制快,开展利用快速故障信息构成的仅反映故障的保护技术研究。与传统电力系统相比,新型电力系统中电力电子器件的快速相应将改变简单故障引起的故障特征,而出现连锁故障特性,造成故障识别困难。

然而,电力电子器件的响应也是在感知到故障产生的电气量信息后才响应的。如果继电保护利用的故障信息早于电力电子器件响应前,则其可不受电力电子器件响应的影响。基于上一节故障信息的分析,基于故障初始行波的继电保护具有上述特性。目前,基于故障初始行波的继电保护在交流系统和直流系统中都已有研究[4],下一步有必要针对新型电力系统深入研究。

2)反映故障引起被保护对象拓扑变化的保护技术

聚焦故障本质,开展反映被保护对象拓扑变化的保护技术研究。无论新型电力系统中的运行方式变化,控制策略快速响应,系统中的电气量实时变化,继电保护都应利用测量点的信息从这些现象中识别出被保护对象上是否出现了故障附加支路。

故障附加支路或者故障点是被保护对象故障的物理本质。故障支路的出现,不仅引起了测量点电气量的直接变化,也蕴含在直接电气量携带的隐含信息中,如阻抗,行波到达时间,电压电流相位差等。针对被保护对象参数识别的保护方法是典型地反映故障引起拓扑变化的保护技术[5],值得在新型电力系统保护中重点研究。

3)基于故障全过程时频信息的保护技术

全面分析,综合利用,开展基于故障全过程信息的保护技术研究。以新能源为主体的新型电力系统故障与传统交流电力系统故障的重要区别是故障快速引起连锁反应,而不是独立故障事件。现有继电保护不太考虑两个连续事件引起的电气量变化,也难以将故障发生后的电力电子器件响应引起的电气量变化剥离开。

另一方面,电力系统中控制策略是事前确定的,故障事件引起的响应也是确定的。以前的继电保护研究是不需要考虑控制影响的,因为时间尺度不同,而新型电力系统中控制对保护的影响是不可忽略的。因此,新型电力系统继电保护需开展故障后控制策略响应对故障信息的影响研究,提出利用故障全过程信息的保护技术。

04结束语

构建以新能源为主体的新型电力系统是保障能源安全、保护生态环境,实现碳达峰、碳中和目标的必由之路。

继电保护是电力系统运行的关键技术。新型电力系统引入了新设备,形成了交流直流并存的新形态和新的运行模式,模糊了故障特征。继电保护技术面临拒动误动的可能。

本文分析了新型电力系统运行快速灵活的特点,凝练了其故障连锁的特性,指出了继电保护存在受控制特性影响的问题和可能的三个研究方向:不受电力电子器件控制特性影响的保护技术,反映故障引起被保护对象拓扑变化的保护技术和基于故障全过程时频信息的保护技术。

参考文献

[1]董新洲,汤涌,卜广全,沈沉,宋国兵,王增平,甘德强,侯俊贤,王宾,赵兵,施慎行.大型交直流混联电网安全运行面临的问题与挑战[J].中国电机工程学报,2019,39(11):3107-311

[2]汤兰西,董新洲,施慎行,孔明,邱宇峰.柔性直流电网线路超高速行波保护原理与实现[J].电网技术,2018,42(10):3176-3186

[3]Song G, Chu X, Gao S, et al. A new whole-line quick-action protection principle for HVDC transmission lines using one-end current[J]. Power Delivery, IEEE Transactions on, 2015, 30(2): 599-607.

[4]董新洲,故障行波理论及其应用,科学出版社,2002.5

[5]索南加乐,康小宁,宋国兵,焦在滨,贠保记.基于参数识别的继电保护原理初探[J].电力系统及其自动化学报,2007(01):14-20+27..

文章作者

陈朝晖、丁晓兵、陈旭、史泽兵(中国南方电网电力调度控制中心)

刘玮(广东电网电力调度控制中心)

施慎行(清华大学电机系电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室)

投稿与新闻线索:陈女士 微信/手机:13693626116 邮箱:chenchen#bjxmail.com(请将#改成@)

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