新型电力系统继电保护面临的问题与解决思路

2023-12-11郑玉平吕鹏飞吴通华周博昊宋国兵杨国生

电力系统自动化 2023年22期

郑玉平，吕鹏飞，李斌，吴通华，周博昊，宋国兵，杨国生

（1.南瑞集团有限公司（国网电力科学研究院有限公司），江苏省南京市 211106；2.电网运行风险防御技术与装备全国重点实验室，江苏省南京市 211106；3.国家电网有限公司，北京市 100031；4.智能电网教育部重点实验室（天津大学），天津市 300072；5.西安交通大学电气工程学院，陕西省西安市 710049；6.中国电力科学研究院有限公司，北京市 100192）

0 引言

“双碳”战略目标下，加速推动新能源发电替代传统化石能源发电，构建新能源占比逐渐提高的新型电力系统成为中国电力系统发展的主要方向［1-4］。有别于同步机设备，新能源电源、交直流换流器、无功补偿及储能等电力电子设备运行灵活性强。随着新型电力系统源、网、荷各环节电力电子设备的广泛应用，新型电力系统的惯性逐步降低，系统安全稳定裕度受限，快速可靠切除故障有利于提升系统整体稳定性。同时，弱支撑、低抗扰的特点也导致故障响应过程非线性显著增强［5-7］，大量电力电子设备接入导致新型电力系统故障特征发生深刻变化，对传统基于同步机特性的继电保护原理适应性产生深刻影响。现有继电保护体系面临严峻挑战，主要体现在：

1）故障特征认知难。传统交流电网基于同步发电机支撑交流电压，采用叠加原理和序网络分析方法实现故障电压、电流的精确计算。但是，新型电力系统高比例新能源、高度电力电子化使得故障响应过程具有显著的非线性特性，受控制策略影响极大［8-9］，现有故障分析方法难以准确理论解析故障全过程精确特性。此外，各种新能源和输电方式聚合后，故障形态更加复杂，进一步加大了故障特性分析的难度。

2）保护性能适应难。新型电力系统故障特征迥异于传统同步机组，现有交流继电保护原理难以适应，严重动摇了继电保护“四性”要求。例如：中国西北电网新能源大规模接入，故障电流呈现幅值受限、谐波含量大的显著特征，导致保护拒动或慢动［10］；中国渝鄂背靠背柔性直流输电系统，交流故障时柔性直流提供短路电流受限，导致主保护灵敏度严重下降；中国江苏省如东海上风电柔性直流系统接入华东电网，致使500 kV 交流线路距离保护拒动及误动风险增大。

本文立足电网发展现状与趋势，从新型电力系统的故障特征与规律认知、保护边界及性能提升、不依赖源特性的继电保护、电力电子主动支撑的控保协调技术四方面展开，归纳总结了现阶段的研究现状，探讨并展望了一些可行的解决思路。

1 新型电力系统的故障特征与规律认知

1.1 研究现状

1）新能源电源的故障特征研究

新能源电源的故障特征主要包括短路电流特征［11-16］、等值序阻抗特征［17-19］、频率偏移特性［20］、波形及谐波特征［21］等。目前，逆变型新能源并网系统的等效模型分为恒流源型、压控电流源型、正序压控电流源型、正负序结合的压控电流源型［22］。各类型新能源电源故障电流解析研究过于依赖新能源的控制策略和参数，而实际工程中参数的“黑箱化”导致解析表达式难以用于实际工程中新能源电源的短路电流计算。电力电子设备故障穿越期间往往会采用功率控制、负序抑制及限流方式对其输出电流进行控制，以保护电力电子设备，控制策略的复杂多样使得故障特征难以理论解析。此外，大规模新能源、高比例电力电子装备的接入以及常规/柔性直流等不同输电方式极大地改变了传统电网的形态，各种新能源和输电方式聚合后，电网形态及场景更加复杂。由于电力电子设备控制策略的复杂性，常规故障分析方法已无法完全适应故障后全过程的精确分析。

2）直流接入的交流输电系统故障特征研究

故障后5 ms 内的测量数据构成的线路故障电压及电流，理论上可不计及控制系统的影响，但直流滤波器与平波电抗器、不同故障类型与位置、雷击、换相失败等因素均会对电压、电流的暂态特征造成明显影响［23-24］。柔性直流换流器一般在交流故障后采取电压控制方式，并配合低压限流控制以限制短路电流；风电场采取电流控制方式，抑制负序电流，以保证短路电流不超过电力电子器件的限值。此时，交流线路两侧的短路电流均呈现受控电源特性，故障特征发生了根本性变化。

1.2 解决思路

综合对新型电力系统故障特征的研究现状和保护需求，图1 为一种可供参考的技术思路。未来，可从以下三方面开展研究。

1）新型电力系统背景下的典型应用场景研究

保护的故障特征与规律认知需要明确具体研究对象，新型电力系统在形成过程中，不同阶段存在不同典型场景。因此，构造典型场景是该部分研究的前提。后续研究中应该聚焦“双碳”目标，紧密结合国家未来能源发展战略布局及发展规划，联系电网企业的相关政策文件，并最终提出未来新型电力系统的发展演进路径。此过程中需要重点关注电源结构和网架形态以及不同发展阶段下新能源和储能占比及接入方式、新型输电方式等。现阶段，在“源”侧，新型电力系统的电源结构正由可控连续出力的煤电装机占主导向强不确定性、弱可控出力的新能源发电装机占主导转变；在“网”侧，新型电力系统的电网形态由单向逐级输电为主的传统电网向包括交直流混联大电网、局部直流电网的能源互联网转变［25］。

同时，基于新能源场站和储能设备在电网中的典型布局，需研究以风、光、储为代表的多类型新能源在不同渗透率、不同组合模式、不同并网形式下的典型工程场景与聚类组合技术。此外，兼顾已有工程经验及调研结论，结合稳定性、安全性、可靠性、经济性等的综合评价指标和相应的权重及评价标准，提炼形成风、光等不同类型新能源电源和交流、常规/柔性直流等不同输电方式的典型聚合场景。

2）电力电子设备暂态故障特性近似解析方法研究

研究电力电子设备故障穿越、限流及负序抑制等不同控制策略的控制环节和参数变化对故障特性的影响［26］；基于电力电子设备的数学模型，考虑控制器响应前的行波阶段、控制器响应阶段、控制器响应后的稳态阶段［27-28］，研究在控制策略作用下新能源单机及换流设备从故障发生初期到故障稳态的动态发展过程以及相关状态量变化；提出电力电子设备暂态故障电流、电压分阶段的近似解析方法，给出相应的误差范围，并基于解析表达建立各阶段的等效模型，用于故障分析及整定。该过程中需要重点关注电力电子设备故障穿越、限流及负序抑制等不同控制策略的影响，最终形成数学模型基础。

3）新型电力系统故障特征及分析方法研究

结合1）中梳理的新能源场站内系统拓扑，分析新能源场站并网规模、运行工况、控制参数、集电网络等因素对故障特性的影响［29］，归纳不同阶段下故障特征的不同主导因素，并构造包含主要故障特性的用于系统级故障计算的新能源场站聚合等值数学模型，最终结合场景基础与模型基础，开展新能源和新型输电方式聚合情况下的故障特征及规律认知技术研究，分析故障后的电流、电压、阻抗等的特性。

2 新型电力系统的传统保护适应边界及性能提升技术

2.1 研究现状

故障暂态期间新能源电源/柔性直流换流器接入系统存在大量的谐波，会加剧电容电流对纵联差动保护的影响［30-33］。对此，部分学者提出了基于正序差动阻抗区内外差异性设计纵联保护方案的思路［34-35］、基于虚拟制动电流的差动保护改进算法［36-37］、基于波形相似度构建保护方案、基于高频阻抗构建差动保护方案［38］以及提供短路电流的频率差异构建纵联保护的方案［39］等。电力电子变流器在故障暂态期间正、负序阻抗相差较大且幅值远大于常规电网，会导致风电侧正、负序电流分支系数偏差较大，极大地降低了突变量保护元件的性能［40］。对此，部分学者提出了基于线、相电压突变量幅值比较的选相方案［41］。电力电子变流器接入具有弱馈特性［42-43］，而撬棒的投入会进一步增强双馈风机的弱馈特性［44］，逆变型电源的弱馈作用会导致场站侧过渡电阻的影响被放大，造成场站侧距离保护拒动。对此，实际工程中往往允许场站侧距离保护延时动作，令系统侧断路器跳开并保持至弱馈作用消失［45］，但这种做法增加了故障隔离时间。电力电子变流器的故障输出电流受控会导致序阻抗分支系数非实数［46-47］。因此，传统的自适应整定距离保护、基于阻抗复数平面的距离保护和基于电压相量平面的距离保护会存在较大误差。

交流故障引发的直流换相失败及控制动作通常发生在交流保护动作之前的故障暂态时期，常规直流换流器故障后往往会进行定关断角控制器、低压限流环节等多个控制环节的切换，会引起交流电网的非特征谐波含量增多，尤其是50 Hz 附近的次谐波和低频间谐波干扰。传统交流保护常用的全周或半周傅氏算法无法有效滤除间谐波和次谐波的干扰，造成了目前交直流混联系统中的交流保护装置在提取工频相量时产生较大的计算误差，对现有基于工频相量的交流保护动作性能，尤其是平行线路上的交流保护动作性能产生十分不利的影响。同时，交流故障会导致换流器出现换相失败故障，并引起功率倒向现象，特别是多直流落点的电气距离较近时，还可能出现相继或同时换相失败问题，造成多条交流线路出现严重的功率倒向［48］，最终引起纵联方向保护误动。此外，换相失败会引起等值工频电流的变化，而该电流会作用在过渡电阻并引起测量阻抗出现变化，且与直流系统直接连接的线路受到的影响最为严重。

可见，随着风、光等新能源和常规/柔性直流等电力电子设备的大量接入，现有的继电保护原理与方法已表现出不适用性。现有研究往往针对新型电力系统的某些具体场景进行保护适用性的研究，存在涉及场景过于单一、不全面，无法覆盖新型电力系统下的各个典型场景等问题。针对线路保护，已有部分研究分析了新能源或电力电子设备接入下的故障特性与特定场景的适用问题，但仅停留在定性分析层面，缺乏基于定量指标体系的适用边界评估方法。同时，现有保护方案的改进技术并不完善，多类型故障场景下线路保护的提升技术仍有较大突破空间。而针对元件保护，现有研究缺少对其在新型电力系统不同典型场景、不同运行方式下适应性的系统性梳理和研究，缺少对其适用区间的定量判断。另外，随着新能源和电力电子设备的大量接入，系统正常运行时次同步振荡等现象对变压器的影响已逐步得到关注，但仍缺少对并联电抗器影响的相关研究。对于宽频振荡特别是柔性直流输电工程中出现的中高频振荡问题对变压器、并联电抗器等主设备安全的影响，以及宽频振荡对主设备影响的本质和反映这种本质的继电保护技术尚无研究，亟须开展相关研究工作。

2.2 解决思路

针对新型电力系统的传统保护适应边界及性能提升技术，图2 为一种可供参考的技术思路。未来，可从以下两方面开展研究。

图2 新型电力系统保护适应边界与性能提升方法的技术路线Fig.2 Technical route for adaptation boundary and performance improvement methods of relay protection in new power system

1）线路保护适应性与性能提升技术研究

基于现有实际线路保护配置情况，从动作时间、保护范围、灵敏度以及可靠性指标入手，结合保护安装处短路比、电力电子装备短路电流占比等指标定量评价线路保护性能，确定保护适用边界。

对于线路保护的性能提升技术，需要基于适用性分析结果进行相应改进，对于现阶段已发现的适用性问题，研究现有线路保护性能提升技术，如：a）针对新能源或电力电子设备电流受控造成差动保护灵敏性不足的问题［49］，可以研究基于幅相平面的差动保护改进方案；b）对于新能源送出多点T 接线路［50］，研究多点T 接线路差动保护的通信及数据同步方式、多端线路差动保护方案；c）对于新能源电源交流送出线路相间故障时造成距离保护拒动或误动问题［51］，研究综合暂态信息的快速判别故障方向的自适应距离保护方法；d）对于新能源交流并网系统送出线路过渡电阻短路故障时距离保护灵敏度不足的问题［52］，研究基于线路两侧保护相继速动的距离保护方法；e）针对电力电子设备接入下序分量选相元件不正确动作的问题［53］，研究基于电压量的新型选相方法。

2）元件保护适应性及性能提升技术研究

结合实际元件保护配置情况，从动作时间、保护范围、灵敏度以及可靠性指标入手，以保护安装处短路比、电力电子装备短路电流占比等参数来定量评价元件保护性能，确定不同工况、场景、故障情况下元件保护的适用边界。

元件保护性能提升技术方面，研究故障时系统谐波特征与变压器、并联电抗器励磁涌流谐波特征的差异，提出不受新型电力系统谐波特性影响的励磁涌流判别技术。研究故障时系统谐波特征与电流互感器（current transformer，CT）饱和时谐波特征的差异，提出不受谐波特性影响的差动保护CT 饱和判别技术。研究新能源弱馈特性造成差动保护灵敏性不足的原因，提出差动保护灵敏度提升技术。研究换流器控制策略对并联电抗器匝间保护的影响，提出改进的匝间保护方法。分析宽频振荡对变压器、并联电抗器等主设备带来的损耗增加和异常发热等影响的机理，研究异常运行工况下主设备的耐受能力及保护方法。

3 不依赖电源特性的继电保护新原理

3.1 研究现状

1）不依赖电源特性的单端量线路保护原理研究

为适应新型电力系统发电弱馈、高谐波、频率偏移等故障特征，相关学者基于时域模型识别的思想提出了距离保护原理，例如：基于集中参数模型的时域距离算法［54］、基于故障距离迭代计算的距离保护方案［55］、修正距离边界的抗暂态超越的时域距离保护方案［56］、基于附加阻抗的自适应距离保护方案［57］、零序分量与时域全量结合式时域距离保护方案［58］、基于压降差异系数的时域距离保护算法［59］。但目前相关方案对线路集中参数模型忽略分布电容而产生的模型误差的考虑仍不够充分。随着中国风电场规模的不断扩大，对风能以特高压、远距离输电进行消纳逐渐成为现实。因此，忽略线路分布电容所引起的误差将变得越来越不可忽略。

2）不依赖电源特性的双端量线路保护原理研究

电力电子装置故障期间的弱馈特性和频偏特性会降低差动保护的灵敏度［60］，对此部分学者提出了故障分量综合阻抗法［61］、基于内部正序电压/电流的故障分量相位差的差动保护方案［62］、带制动特性的正序阻抗纵联保护方案［63］、多源网络下一种差动保护与自适应电流保护相结合的方案［64］。上述保护原理均为基于集中参数模型的工频量保护，且易受系统拓扑结构、电源特性、线路参数等因素影响，仍有完善空间。

随着电力电子装置的大规模接入，受控制策略影响，故障前后新能源电源内电势不再恒定，且正、负序阻抗不相等，基于故障分量的纵联方向保护会误拒动［65］。部分学者利用高频阻抗不受电源控制策略及故障情况的特点，设计了高频纵联保护［66］；部分学者提出了时域距离纵联方向保护［67］、被动式和主动探测式纵联保护［68］、基于暂态电流波形相似度的纵联保护［69］，利用Bhattacharyya 系数、Hankel矩阵提取关键故障信息设计纵联保护［70］。然而，高频纵联保护的工程可靠性有待进一步验证；时域距离式纵联保护没有充分考虑线路分布电容和参数频变效应的影响；探测式纵联保护对数据同步要求严格，易受换流器谐波干扰；基于相似度的纵联保护整定值设定缺乏理论依据，且保护原理依赖于新能源系统的输出特性，当系统控制策略发生变化时，保护能否正确动作还有待研究。

3）不依赖电源特性的元件保护原理研究

目前，国内外对于变压器、母线、电抗器等元件保护不依赖于电源特性的继电保护原理研究较少，尚处于初步的探索阶段，但上述文献中利用设备本身模型或参数在内外部故障时存在差异进行故障判断的思路为探索不依赖电源特性的元件保护原理提供了借鉴和参考，需要在上述研究的基础上深化原理和实用化判据的研究。

3.2 解决思路

综合对不依赖电源特性的继电保护新原理研究，图3 为一种可供参考的技术思路。未来，可从以下三方面开展研究。

图3 不依赖电源特性的继电保护新原理技术路线Fig.3 Technical route of new principle of relay protection independent of source characteristics

1）不依赖电源特性的单端量线路保护新原理研究

对于故障初瞬阶段，研究行波波前、暂态电气量故障信息的描述方法和提取技术，基于暂态电气量信息提出输电线路单端快速保护新原理。对于换流器动态调节阶段，可采用将贝瑞隆模型与集中参数模型融合迭代的方式，最大程度消除线路分布电容的影响；分析时域距离算法的算法误差，可采用拟合误差权重的方式，以提高暂态信息的利用率与准确率，达到增强算法稳定性与收敛速度的目的，构建不依赖电源特性的单端量继电保护新原理。

对于故障稳态，可使用小波变换分析暂态电压/电流的时/频特征差异，推导暂态电压/电流与线路参数、线路长度、折/反射系数的关系，建立暂态信息的分布规律。需要详细研究数据窗的选取原则，寻求扩大暂态特征差异的时/频分析方法。尝试采用拟合的方法提取暂态信息中仅反映故障位置且不受故障类型、过渡电阻影响的指数系数，得出基于指数系数的反时限特性方程，以此为依据计算反时限动作时间，从而实现自适应整定的反时限级差配合。利用已有的定时限过电流保护定值实现稳态确认，提出暂态排序、稳态确认的单端量后备保护新原理。

2）不依赖电源特性的双端量线路保护新原理研究

研究区内、外故障模型的差异，在此基础上提出不受故障类型影响、仅反映故障位置特征的故障特征模型，揭示区内、外故障模型本质差异。基于等效原则寻求模型误差的简单表征，在保证保护可靠性的前提下研究降低模型误差计算量的方法。研究系统噪声、谐波及衰减非周期分量影响消除技术及快速相量提取技术，构建不依赖电源特性的双端量继电保护新原理。

3）不依赖电源特性的元件保护新原理研究

构造能反映故障特征差异的模型/参数特征，研究基于综合阻抗的母线保护新原理。对于变压器保护，需研究基于励磁电感参数识别的变压器保护原理，并提出励磁电感数值大小和波动性的变压器保护判据。针对电抗器保护新原理，为保证电抗器容量调节时模型/参数识别的准确性，需提出利用电抗器模型/参数辨识实时修正保护参数的算法。同时，还需关注时/频域信息快速获取特征参数的数学计算方法，谐波及衰减非周期分量、互感器传变特性、系统噪声等因素对参数计算误差和算法收敛性的影响。

4 电力电子设备主动支撑保护需求的控保协同技术

4.1 研究现状

高可控电力电子装备的本质为受控电源，通过改变其故障控制策略，一方面可加强某些故障特征以满足现有交流保护辨识故障的需求，另一方面可利用控制系统主动注入信号构造保护。电力电子设备主动支撑保护需求的控保协同技术的研究主要包括：

1）利用电力电子设备控制提升传统保护性能的研究

利用换流器的附加控制策略可以将其视为准线性系统，换流器表现出的某些故障特征适用于传统保护，进而提高传统保护性能。针对现有交流保护需求，通过附加控制使得电力电子装置表现出满足保护需求的相位［71-75］、阻抗特征［76-77］，通过电力电子化系统继电保护与多类型设备控制协同配合实现故障可靠灵敏判别，在新型电力系统中极具研究价值。

2）特征信号主动注入式保护研究

利用换流器的故障控制策略向系统注入特征信号，使得故障特征较其他条件下更具差异性，进而提高故障识别的可靠性和灵敏度。该思路被国内外学者广泛接受，并应用于距离保护、纵联保护、测距式保护、后备保护、重合闸的研究中［78-88］。

3）主动注入式故障性质判别和自适应重合闸研究

在重合闸和故障性质判别方面，在输电线路永久性故障判别时引入主动探测技术，能够实现控制与保护的融合，该方法适用于故障动态调节阶段和故障稳态阶段［89］。主动注入式自动重合闸主要分为利用换流器注入［90-93］和利用直流断路器或辅助装置注入［94-99］两大类。

关于电力电子设备支撑新型保护原理的研究则大多面向直流系统，对于信号主动注入式保护在交流系统中的应用目前鲜有研究。亟须研究不同故障阶段注入信号的选择原则、注入设备的选择依据、建立响应信号的选择原则以及响应信号与保护灵敏度的关联关系，并提出信号注入式保护在不同交流电网场景下的应用方案，对提高未来交流电网的保护能力具有重大意义。

4.2 解决思路

综合对电力电子设备主动支撑保护需求的控保协同技术，图4 为一种可供参考的技术思路。未来，可从以下三方面开展研究。

1）计及继电保护故障辨识需求的电力电子设备控制策略研究

从保护原理的最佳适用条件和适用范围出发，研究在满足自身设备安全和系统稳定要求的前提下，适应现有交流保护判别故障要求的电力电子设备控制策略。进一步，从阻抗波动程度、电气量稳定度、支撑强度（幅值大小、持续时间）等方面出发，研究反映电力电子设备控制对继电保护故障辨识支撑程度的指标。最后，研究电力电子设备故障电流相位控制、阻抗控制、限流控制等策略的改进方法，从而提出适应现有交流保护辨识故障需求的电力电子设备故障控制策略。

2）基于主动信号注入的交流线路保护和自适应重合闸方法研究

研究故障后不同阶段注入信号的选择原则与协同配合机制，研究探测信号注入后响应特征与故障暂/稳态特征的解耦分析方法，研究设备在正常状态下注入特征信号后的电网响应特征，研究设备在故障不同阶段注入探测信号后电网的响应特征，分析网络拓扑、故障类型、过渡电阻、故障位置、线路参数等对线路正常和故障状态响应特征的影响。提出反映电力电子设备注入信号改变电网状态能力的注入信号强度指标。研究利用电力电子设备增加故障特征信息量的附加控制策略，提出提升现有交流保护故障辨识性能的主动注入附加控制策略。研究反映注入信号对保护判别故障支撑程度的注入信号辨识度指标。基于被保护线路的参数与拓扑关系、故障线路与健全线路的电气耦合关系，研究基于主动信号注入的线路瞬时性/永久性故障判别原理，研究主动信号注入式自适应重合闸方法。

3）基于控保协同的系统设计及设备研制

研制具备内电势及阻抗控制、主动注入式控制的电力电子设备；考虑实际换流器控制装置的执行周期、采样延迟、滤波特性，对附加控制环节进行有效的补偿，提升附加控制策略在运行时的准确性和响应速度。计及电力电子设备电压、电流约束条件，对附加控制环节参数进行整定，避免动态响应过程中超调越限、系统失稳等现象的发生。开发内电势及阻抗控制、主动注入式控制算法软件；以模块化思想设计算法执行程序的内部架构和标准化接口；根据电压源型电力电子设备在控制系统上的共性，设计具备通用性的程序功能模块，使算法执行程序适应不同场景、不同设备。

针对主动注入式保护原理，研究电力电子设备与继电保护装置间快速、可靠的通信技术，保证线路故障时电力电子设备可靠触发注入信号。研究注入信号特征提取的软、硬件滤波模块；研制注入信号捕捉单元；研制主动注入式交流线路保护和重合闸设备。