基于能量分布的新能源场站送出线路纵联保护_杨国生.pdf

第 47 卷 第 4 期 电 网 技 术 Vol.47 No.4 2023 年 4 月 Power System Technology Apr.2023 文章编号：1000-3673（2023）04-1415-08 中图分类号：TM 721 文献标志码：A 学科代码：47040 基于能量分布的新能源场站送出线路纵联保护杨国生1，樊沛林1，王聪博1，余越1，吕鹏飞2，梁英1，张志2（1电网安全与节能国家重点实验室(中国电力科学研究院有限公司)，北京市 海淀区 100192；2国家电网有限公司，北京市 西城区 100031）Pilot Protection Based on Energy Distribution for Transmission Line Connected to Renewable Power Plants YANG Guosheng1,FAN Peilin1,WANG Congbo1,YU Yue1,L Pengfei2,LIANG Ying1,ZHANG Zhi2(1.State Key Laboratory of Power Grid Safety and Energy Conservation(China Electric Power Research Institute),Haidian District,Beijing 100192,China;2.State Grid Corporation of China,Xicheng District,Beijing 100031,China)ABSTRACT:With the increase of the scale of renewable energy,power electronic devices in power systems are also increasing.This causes the short-circuit currents of the transmission line to present the characteristics of controlled phase angles,limited amplitudes,etc.,which brings new challenges to the traditional protection based on the power frequency components.By utilizing the difference distribution of the differential current frequency bands in the internal and the external area faults,the signal energy is defined to characterize the difference distribution of differential current frequency bands in the internal and the external area faults.Then,a new criterion of pilot protection based on the energy distribution of differential current frequency bands is proposed.This protection does not rely on the power frequency and is less affected by the new characteristics of short-circuit current brought by the power electronic devices.It can be applied to the transmission lines of different types of the new energy stations.The proposed protection principle is verified by simulation.The fastest action time of the protection scheme is 3ms,and it has the strong ability to withstand fault resistance.KEY WORDS:renewable energy grid connection;fault analysis;differential protection;energy distribution 摘要：随着新能源规模的提升，电力系统中电力电子装置的比例也在升高，使得送出线路的短路电流出现相角受控、幅值受限等特性，对以工频量为基础的传统保护带来了新的挑战。该文利用送出线路在区外、区内故障时故障差动电流所集中的主要频段的不同，通过定义信号能量来表征线路在区外、区内故障时故障差流集中频段的差异，给出了一种基于差动电流频段能量分布的纵联保护新判据。该保护方法不依 基金项目：国家电网公司科技项目(SGQH0000DKJS2100199)。Project Supported by Science and Technology Project of State Grid Corporation of China(SGQH0000DKJS2100199).赖工频量，受电力电子装置带来的短路电流新特性影响较小，针对不同类型新能源场站的送出线路均可应用。文中通过仿真对所提保护原理进行了验证，该保护方案动作时间最快可达 3ms，并具有较强的过渡电阻耐受能力。关键词：新能源并网；故障分析；纵联保护；能量分布 DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2022.0273 0 引言 随着“双碳”战略目标的提出，新能源并网发电的比例也必然会逐步上升，电网中新能源将会呈现规模化并网的趋势1-3。然而大规模新能源并网送出时，电网中电力电子装置的占比也会升高，这使得故障电流受电力电子装置控制策略的影响变得显著，导致故障电流出现相角幅值受控、频率非工频等新特性4-7，造成以工频量为基础的传统保护灵敏度降低，甚至保护拒动的风险8-10，对规模化新能源电力系统的安全稳定运行带来了一定的威胁，所以亟需可同时适用不同类型新能源场站送出线路的保护新方法。根据利用故障信息的不同可将送出线路保护分为频域信息保护和时域信息保护。频域信息保护是通过不同频段的故障信息特征构成保护判据。有的学者着眼于提取线路故障信息的工频量，利用两侧工频量故障信息的特征，构成保护判据11-13。但是该类方法利用的线路故障信息频段均以工频量为主，易被新能源场站短路电流相角幅值受控、频率偏移等特性所影响，使得保护灵敏度降低，保护存在拒动风险。此外，还有学者提取线路的高频段故障信息，利用高频段信息特征构成保护新原理14-15。但该类方法由于使用的频域1416 杨国生等：基于能量分布的新能源场站送出线路纵联保护 Vol.47 No.4 量信息太过单一，对系统中存在噪声或谐波分量时较为敏感，使得保护判据灵敏性下降。时域信息保护是通过利用随时间变化且可被直接测量到的故障信息构成保护判据。其中有学者着眼于通过两侧电流暂态波形的差异，使用不同判别相似度的算法来构成保护判据16-19；还有学者利用线路区内区外故障时电压、电流的故障模型差异形成保护判据20-21。但上述的时域方法依赖线路两侧的电压电流量，当新能源场站出力较小或并入弱电网的场景下，电流幅值整体较小，保护存在性能下降，甚至拒动的风险。综上所述，新能源场站送出线路仍面临继电保护性能下降的风险。本文利用送出线路在区外、区内故障时故障差动电流所集中的主要频段的不同，通过定义信号能量来表征线路在区外、区内故障时故障差流集中频段的差异，给出了一种基于差动电流频段能量分布的纵联保护新判据。同时该方法直接使用电流全频量数据，能有效应对故障电流受控给传统保护带来的灵敏度降低的问题。在PSCAD/EMTDC 中搭建了新能源送出系统，在仿真中对所提保护方案的可行性进行了验证，该保护具有可靠识别各种类型故障的能力并同时满足保护的速动性，保护动作时间最快可达 3ms 且具有耐受100过渡电阻能力，为应对传统差动保护在新能源接入场景下灵敏度降低提供了一种保护新方法。1 系统拓扑结构概述 新能源并网送出系统的典型主接线如图1 所示。35kV汇集线路220kV外部系统主变箱变新能源电源汇集母线高压母线 F1F3F4F2 图 1 新能源并网示意图 Fig.1 Schematic diagram of renewable energy grid connection 系统拓扑包括新能源场站及其送出线路。高压母线及其左侧各元件均在新能源场站内，本文用含二极管的实线圆表示逆变型新能源电源。在新能源场站内部，风机或光伏电池与箱变串联组成一个发电单元。多个发电单元经同一条汇集线路将电能送至电压等级为 35kV 的汇集母线。汇集母线将若干条汇集线路的电能经主变送至电压等级为 220kV高压母线，最后经长度 100km 的线路将电能送出到外部系统。2 差动电流能量特征分析 2.1 差动电流特征分析 新能源场站送出线路故障分为区内故障和区外故障，如图 1 中故障位置 F1F4 所示。以单相线路为例进行分析，在区内故障时线路的故障等值电路如图 2 所示。此时，线路两端电容电流满足式(1)：NNCNSSCSdddduiCtuiCt(1)式中：iNC、iSC分别表示为流入故障点两侧电容的电流；CN、CS为两侧对地电容；uN、uS为两侧系统的故障电压。同时通过图 2 可以列写两端系统提供的短路电流为 NSFNCSCiiiii(2)式中：iN、iS分别为两侧系统提供的短路电流，iF为故障点的故障电流。根据差动保护原理，定义差动电流为 icdiNiS，进而联立式(1)、(2)可得每相线路两端差动电流满足：NScdNSFdddduuiCCitt(3)通过式(3)可知，在区内故障时故障相的差流由2 种电流组成：一种是两侧分布式电容产生的电流；另一种是线路故障后两侧系统提供的短路电流 iF。且前者的幅值远小于后者。图 2 区内故障线路等值电路 Fig.2 Equivalent circuits of line to internal faults 区外故障时，故障等值电路如图 3 所示：新能源场站常规电网uNiNiNCiFFRFiSCiSuSZLCC 图 3 区外故障线路等值电路 Fig.3 Equivalent circuits of line to external faults 此时，线路两端电容电流满足：SSCNNCdddduiCtuiCt(4)第 47 卷 第 4 期 电 网 技 术 1417 式中 C 表示线路等效模型两侧对地电容。此时两端系统提供的短路电流为 NSNCSCiiii(5)同样根据差动保护原理，联立式(4)、(5)可得区外故障时线路差动电流满足：NScddddduuiCCtt(6)因为线路短路电流在区外故障下是穿越的，由式(6)可得，区外故障下故障相差流仅含分布式电容电流。通过对比式(3)，得知新能源场站送出线路区外、区内故障时，两者故障相线路的差流有显著区别。区内故障时故障相差流中还存在幅值更大的线路短路电流。2.2 线路区内外故障差动电流频段特征 电容电流和电压之间存在以下关系：CCdduiCt(7)通过电容的电流与电压微分成正比，其频率也与电压变化正相关。电压在故障暂态阶段由于行波的传播会产生很多高频分量，因此也将会引起电容电流产生更多高频量，所以此时分布电容电流频率与故障行波传播频率基本一致，即为行波的固有频率值22-24，该频率可表示为 SFs(2),0,1,24kvfkd (8)式中：S和F分别是线路起始点和故障位置的反射系数角，F总为 0，S0,；v 为波