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

新型电力系统中新能源电源的故障特征极其复杂多样。首先,不同类型的新能源电源,如恒流源型、压控电流源型等,其等效模型和故障电流特性存在显著差异。此外,新能源电源的控制策略和参数对故障电流的幅值、谐波含量等特征影响很大,但实际工程中这些参数往往呈现"黑箱"状态,导致基于解析表达式的故障电流计算难以应用于工程实践。另一方面,大规模新能源和电力电子装备的接入,以及常规/柔性直流等多样化输电方式,使得整个电网的形态和故障场景更加复杂。电力电子设备在故障期间通常会采用功率控制、负序抑制及限流等策略来保护自身,这种复杂的控制行为,使得基于传统故障分析方法难以对故障后全过程进行精确描述和分析。因此,针对新型电力系统复杂多变的故障特征,迫切需要开发适用于工程实践的新型故障分析方法,为继电保护技术的创新提供支撑。

2）直流接入的交流输电系统故障特征研究

直流接入的交流输电系统在故障情况下,其故障特征发生了根本性变化。首先,故障后短时间内(如5ms内),线路电压和电流的暂态特性会受到直流滤波器、平波电抗器以及故障类型和位置等因素的影响,这些因素使得故障电压和电流的测量数据与理论计算存在差异。此外,柔性直流换流器和风电场在故障期间会采取电压控制或电流控制的策略,限制短路电流以保护电力电子设备,这种控制行为使得线路两侧的短路电流呈现受控电源的特性,与常规故障分析中的理论结论存在显著差异。因此,针对直流接入的交流输电系统,需要进一步深入研究故障特征的形成机理,并开发适用于工程应用的新型故障分析方法,为继电保护等关键技术的发展提供支撑。

1.2 解决思路

1）新型电力系统背景下的典型应用场景研究

新型电力系统在不同发展阶段都存在着不同的典型场景,因此针对性的研究十分必要。首先,需要明确研究对象,结合"双碳"目标和国家能源发展战略,关注电源结构和网架形态的变化,包括新能源和储能在发电侧的占比及接入方式,以及新型输电方式的应用。在发电侧,电源结构正在由传统的可控煤电向不确定性强、可控性弱的新能源转变;在输电侧,则由单向逐级传输的传统电网向包含交直流混联大电网和局部直流电网的能源互联网转变。同时,还需要针对风电、光伏和储能等不同类型新能源在不同渗透率、组合模式和并网方式下的典型工程场景进行系统研究,并结合稳定性、安全性、可靠性和经济性等综合评价指标,提炼出适合新型电力系统特点的典型应用场景。这些研究成果将为新型电力系统的规划建设及保护控制技术的创新发展提供重要参考。

2）电力电子设备暂态故障特性近似解析方法研究

针对电力电子设备在暂态故障情况下的特性研究,重点应该关注不同控制策略对故障特性的影响。具体来说,需要基于电力电子设备的数学模型,考虑故障发生初期的行波阶段、控制器响应阶段以及稳态阶段,研究电力电子设备从故障开始到稳态的动态过程及相关状态量的变化。同时,提出电力电子设备暂态故障电流和电压的近似解析方法,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,用于故障分析和参数整定。这种研究方法可以有效把握电力电子设备暂态故障特性,为故障穿越、限流及负序抑制等控制策略的优化提供重要理论依据。

3）新型电力系统故障特征及分析方法研究

针对新能源场站并网过程中的故障特性研究,需要重点分析场站的并网规模、运行工况、控制参数、集电网络等因素对故障特征的影响。通过归纳不同阶段故障特征的主导因素,构建包含主要故障特性的新能源场站聚合等值数学模型,用于系统级故障计算。最终,结合实际场景和数学模型,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分析,重点研究故障后电流、电压、阻抗等特性的变化,为新型电力系统的故障特征认知和分析提供理论依据。

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

综合来看,新型电力系统下继电保护面临的主要挑战包括:

1）新能源电源和柔性直流换流器接入带来的谐波干扰对纵联差动保护的影响,现有研究提出了基于正序差动阻抗、虚拟制动电流、波形相似度、高频阻抗等方法,但仍需进一步完善。

2）电力电子变流器故障暂态下正、负序阻抗差异大,导致突变量保护性能下降,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。

3）新能源电源和柔性直流换流器的弱馈特性,造成距离保护误动,实际工程中采用延时投入保护增加了故障隔离时间,同时变流器控制特性导致的序阻抗分支系数非实数,也使传统距离保护精度下降。

4）交直流混联系统中,交流故障引发的直流换相失败导致非特征谐波干扰,使基于工频相量的交流保护产生较大计算误差;换相失败还可能引起功率倒向问题,造成纵联方向保护误动。总的来说,现有研究大多针对单一场景,缺乏系统性和全面性。对线路保护的适用性缺乏定量评估方法,而元件保护的适用性研究也亟需加强。另外,新型电力系统中出现的次同步振荡、中高频振荡等问题,对主设备的影响及相应的继电保护技术研究也亟待开展。要满足新型电力系统安全稳定运行需求,需要从系统角度深入研究新型电力系统下的继电保护问题,包括故障特性分析、适用性评估和针对性保护算法开发等方面。

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 1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 1　新型电力系统保护适应边界与性能提升方法的技术路线

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,以动作时间、保护范围、灵敏度和可靠性等指标为依据,结合短路比、电力电子设备短路电流占比等因素,采用定量评价方法来确定线路保护的适用边界。针对已发现的适用性问题,可从多个方面开展性能提升技术研究:如针对差动保护灵敏性不足,可研究基于幅相平面的差动保护改进方案;针对多点T接线路差动保护,可探讨通信及数据同步方式和多端线路差动保护方案;针对相间故障导致的距离保护拒动或误动,可研究综合暂态信息的自适应距离保护方法;针对过渡电阻短路时距离保护灵敏度不足,可研究基于两侧保护协同的距离保护方法;针对序分量选相元件误动作,可研究基于电压量的新型选相方法。总之,线路保护适用性评估和针对性的性能提升,是确保新型电力系统安全稳定运行的关键所在。

2）元件保护适应性及性能提升技术研究

针对实际元件保护配置情况,通过定量分析动作时间、保护范围、灵敏度和可靠性等指标,结合保护安装处短路比、电力电子设备短路电流占比等参数,可以评估不同工况、场景和故障情况下元件保护的适用边界。在元件保护性能提升方面,可从多个角度入手:一是研究系统谐波特征与变压器、并联电抗器励磁涌流谐波的差异,提出不受谐波影响的励磁涌流判别技术;二是研究系统谐波特征与CT饱和时谐波的差异,提出不受谐波影响的CT饱和判别差动保护技术;三是针对新能源弱馈特性导致的差动保护灵敏性不足,提出差动保护灵敏度提升方法;四是分析换流器控制对并联电抗器匝间保护的影响,提出改进的匝间保护方法;五是分析宽频振荡对主设备的损耗增加和异常发热影响,研究异常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

针对新型电力系统中发电弱馈、高谐波、频率偏移等故障特征,相关研究者提出了基于时域模型识别的距离保护原理,如基于集中参数模型的时域距离算法、基于故障距离迭代计算的距离保护方案等。这些方案在一定程度上提高了保护的适应性。但是,它们仍忽略了线路分布电容引起的模型误差,随着超高压远距离输电的发展,这种误差将越来越大,不容忽视。因此,有必要进一步深入研究不依赖电源特性的单端量线路保护原理。这需要在现有时域距离保护算法的基础上,充分考虑线路分布电容的影响,提出更加准确的线路故障距离计算方法。同时,还要针对新型电力系统的特点,如弱馈特性、高谐波等,优化保护算法,提高保护的灵敏度和可靠性,确保在复杂故障情况下仍能准确识别故障点位置,为电网安全稳定运行提供有效保障。

2）不依赖电源特性的双端量线路保护原理研究

针对电力电子设备故障导致的弱馈和频偏特性,现有的基于集中参数模型的工频量差动保护存在一定局限性,易受系统拓扑、电源特性等因素影响,需要进一步优化。为此,部分学者提出了利用高频阻抗特性的差动保护方案,以及基于时域分析的纵联保护算法。这些方案在一定程度上提高了保护的适应性和抗干扰能力。但同时也存在一些问题,如高频保护的可靠性有待验证,时域距离保护未充分考虑线路分布电容的影响,探测式保护对同步要求严格,基于相似度的保护依赖于电源特性等。因此,未来的研究工作应当在这些基础之上,进一步深入探索不依赖电源特性的双端量线路保护原理。可以充分利用高频信息、瞬态过程特征等,并结合线路分布参数模型,提出更加鲁棒、适应性强的保护算法,为新型电力系统的安全稳定运行提供有力支撑。

3）不依赖电源特性的元件保护原理研究

针对当前变压器、母线等元件保护鲜有不依赖电源特性的研究,现有文献为探索此类保护原理提供了一定启示。可以在已有基础上,进一步深化利用设备自身模型或参数差异进行故障判断的理论和方法,提出更加鲁棒、适应性强的元件保护算法,为保护系统的智能化和广泛应用奠定基础。

3.2 解决思路

1）不依赖电源特性的单端量线路保护新原理研究

针对目前输电线路保护普遍依赖电源特性的问题,可从故障初瞬、动态调节和稳态三个阶段入手,探索不依赖电源特性的单端量线路保护新原理。首先,可深入研究故障初瞬阶段的行波波前和暂态电气量信息,提出基于暂态特征的快速保护新方法。在动态调节阶段,可融合贝瑞隆模型与集中参数模型,消除分布电容影响,并利用权重调整提高暂态信息的利用率。对于故障稳态,可应用小波变换分析暂态电压电流特征,提取反映故障位置的指数系数作为依据,实现自适应整定的反时限保护。最后,通过暂态排序和稳态确认,构建全面的单端量后备保护新原理,实现对电力系统的可靠保护。

2）不依赖电源特性的双端量线路保护新原理研究

首先分析区内外故障模型的差异,提出一种既不受故障类型影响,又能反映故障位置特征的新型故障特征模型,深入探究其与区内外故障的本质差异。在此基础上,借助等效原理,寻求简单有效的模型误差表征方法,在保证可靠性的前提下,研究降低模型计算复杂度的方法。此外,要重点研究系统噪声、谐波及非周期分量对保护的影响,并发展快速相量提取技术,最终构建一种不依赖电源特性的双端量继电保护新原理。该原理可在保证可靠性的同时,降低模型复杂度,提高抗干扰能力,从而实现对输电线路的全面保护。

3）不依赖电源特性的元件保护新原理研究

首先,针对母线保护,需构造能反映故障特征差异的新型模型/参数特征,研究基于综合阻抗的母线保护新原理,以提高对故障类型的识别能力。对于变压器保护,可探索基于励磁电感参数识别的新原理,并提出利用励磁电感数值大小和波动性作为保护判据的方法。而对于电抗器保护,为应对容量调节时模型/参数识别的准确性问题,需提出利用模型/参数辨识实时修正保护参数的算法。

结束语：

新型电力系统的高比例新能源接入、高度电力电子化、快速演变的输配电形态,给传统的故障分析与继电保护带来了严峻挑战。针对这些问题,研究人员需从故障特征分析、保护适用性评估、新型保护原理探索以及保护与控制协同等多个角度,深入探索适应新型电力系统特点的故障分析方法和全新的继电保护技术,为未来电网安全运行提供有力支撑。只有突破这些关键技术,才能构建真正适用于新型电力系统的继电保护新体系,确保电网安全可靠运行。

参考文献：

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[3]赵之瑜,王若旖,陆心澄,等.电力系统继电保护隐性故障的研究[J].中国设备工程,2021,(19):68-69.