超導(dǎo)磁儲能系統(tǒng)對繼電保護(hù)方向元件特性的影響分析

邵昱 拜姝羽 胡斐然 袁超

摘 要：超導(dǎo)磁儲能系統(tǒng)（SMES）是利用超導(dǎo)裝置將電磁能直接儲存起來，需要時再將電磁能返回電網(wǎng)或其他負(fù)載的電力裝置。本文利用PSCAD仿真軟件建立的SMES電磁暫態(tài)模型，分析SMES在不同安裝位置、不同類型故障下方向元件的動作特性，并分別進(jìn)行仿真分析驗證，從而得出結(jié)論。

關(guān)鍵詞：縱聯(lián)保護(hù)；SMES；方向特性

中圖分類號：TM774 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）05-0137-05

Analysis of the Influence of Superconducting Magnetic Energy

Storage System on the Characteristics of Directional Relay Protection

SHAO Chao BAI Shuyu HU Feiran YUAN Chao

（Zhengzhou Power Supply Bureau Company of State Gride Henan Electric Power Company ，Zhengzhou Hennan 450000）

Abstract： Superconducting magnetic energy storage system （SMES） is the use of superconducting devices to store electromagnetic energy directly， if necessary， the electromagnetic energy back to the grid or other load power devices. In this paper， the SMES electromagnetic transient model established by PSCAD simulation software was used to analyze the operating characteristics of SMES with different installation locations and different types of faults， and the simulation results showed that they were validated.

Keywords： pilot protection；SMES；directional characteristics

超導(dǎo)磁儲能系統(tǒng)（SMES）是利用超導(dǎo)裝置將電磁能直接儲存起來，需要時再將電磁能返回電網(wǎng)或其他負(fù)載的電力裝置。由于裝置采用超導(dǎo)結(jié)構(gòu)，儲能狀態(tài)下裝置損耗很小，因而效率比常規(guī)裝置高。此外，超導(dǎo)儲能系統(tǒng)釋能速度快，能實現(xiàn)快速的有功、無功功率補(bǔ)償，對于提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性、抑制低頻振蕩、改善供電品質(zhì)都具有重要作用。同時，其還能應(yīng)用于太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等功率輸出不穩(wěn)定的系統(tǒng)，以提高其并網(wǎng)性能。方向判別元件是縱聯(lián)方向保護(hù)的核心部件[1]。當(dāng)電網(wǎng)中存在SMES時，會對故障期間方向判別元件的工作狀態(tài)造成影響[2]。本文在PSCAD環(huán)境下搭建含有SMES的方向元件保護(hù)模型，分析SMES的不同安裝位置、不同類型故障下方向元件的動作特性，并分別進(jìn)行仿真分析驗證，從而得出結(jié)論。

1 含SMES的正序故障分量方向元件特性分析

本文建立的220kV電壓等級雙端電源輸電系統(tǒng)模型如圖1所示。線路MN為所研究的保護(hù)區(qū)段。線路兩側(cè)均設(shè)有采用正序故障分量的方向元件，判斷故障是否位于保護(hù)區(qū)正方向。

1.1 SMES裝在線路出口

1.1.1 區(qū)內(nèi)故障。當(dāng)SMES裝設(shè)在線路出口處，以三相短路為例，故障發(fā)生在MN線路20%處。故障發(fā)生后的系統(tǒng)等效網(wǎng)絡(luò)可以表示為故障前的正常網(wǎng)絡(luò)與故障附加網(wǎng)絡(luò)的疊加[3]，如圖2所示。其中，SMES用電流源[Ism]表示，附加電源[-Uk]，[ZL]、[ZT]、[ZM]、[ZN]分別為MN段線路阻抗、NH段線路阻抗、M側(cè)系統(tǒng)阻抗、N側(cè)系統(tǒng)阻抗。[ΔU1]和[ΔI1]分別為保護(hù)測量的故障分量電壓、電流。

根據(jù)方向元件判據(jù)計算故障分量電壓、電流相位差，對于M側(cè)保護(hù)：

[argΔUN1ΔIN1=-argZM] （1）

式（1）中，[ZM]為M側(cè)系統(tǒng)等值阻抗，不受SMES的影響，正序故障分量電壓、電流的相位差為-160°～-20°，能判斷為正方向故障。對于N側(cè)保護(hù)：

[argΔUN1ΔIN1=-argZN+ZT] （2）

式（2）中，[ZT]、[ZN]均為固定值，呈阻感性，不受SMES的影響，正序故障分量電壓、電流的相位差為10°～170°，能判斷為正方向故障。此時，SMES對方向元件保護(hù)沒有影響。

1.1.2 區(qū)外故障。當(dāng)SMES裝設(shè)在線路出口處，以三相短路為例，故障發(fā)生在NH線路20%處。故障發(fā)生后的系統(tǒng)等效網(wǎng)絡(luò)可以表示為故障前的正常網(wǎng)絡(luò)與故障附加網(wǎng)絡(luò)的疊加，如圖3所示。

對于N側(cè)的保護(hù)，當(dāng)系統(tǒng)中不含SMES時，故障后保護(hù)測量正序故障電壓、電流相位差為[argZM+ZL]。含SMES時，根據(jù)圖3的附加網(wǎng)絡(luò)：

[argΔUN1ΔIN1=argZM+ZL-ZMIsmΔIN-argZMΔIMΔIN+ZL] （3）

方向元件測量值受到SMES的輸出電流[Ism]的影響。同時，[Ism]可以根據(jù)SMES的不同功率調(diào)節(jié)作用而改變，相對于線路電流的變化量[ΔI]，其值較小。故[ZM+ZL+ZMIsmΔIN]呈阻感性，其相位角仍為10°～170°，保護(hù)判斷為反向動作區(qū)[4]。

1.2 SMES裝在線路中點

1.2.1 區(qū)內(nèi)故障。當(dāng)SMES裝設(shè)在線路中點處，故障發(fā)生在MN線路20%處。故障發(fā)生后的系統(tǒng)等效網(wǎng)絡(luò)可以表示為故障前的正常網(wǎng)絡(luò)與故障附加網(wǎng)絡(luò)的疊加，如圖4所示。

根據(jù)方向元件判據(jù)計算故障分量電壓、電流相位差，對于M側(cè)保護(hù)：

[argΔUM1ΔIM1=-argZM] （4）

式（4）中，[ZM]為M側(cè)系統(tǒng)等值阻抗，不受SMES的影響，正序故障分量電壓、電流的相位差為-160°～-20°，能判斷為正方向故障。對于N側(cè)保護(hù)：

[argΔUN1ΔIN1=-argZN+ZT] （5）

式（5）中，[ZT]、[ZN]均為固定值，呈阻感性，不受SMES的影響，正序故障分量電壓、電流的相位差為10°～170°，能判斷為正方向故障。此時，SMES對方向元件保護(hù)沒有影響。

1.2.2 區(qū)外故障。當(dāng)SMES裝設(shè)在線路中點處，以三相短路為例，故障發(fā)生在NH線路20%處。故障發(fā)生后的系統(tǒng)等效網(wǎng)絡(luò)可以表示為故障前的正常網(wǎng)絡(luò)與故障附加網(wǎng)絡(luò)的疊加，如圖5所示。

根據(jù)方向元件判據(jù)計算故障分量電壓、電流相位差，對于M側(cè)保護(hù)：

[argΔUM1ΔIM1=-argZM] （6）

式（6）中，[ZM]為M側(cè)系統(tǒng)等值阻抗，不受SMES的影響，正序故障分量電壓、電流的相位差為-160°～-20°，能判斷為正方向故障。

對于N側(cè)保護(hù)，當(dāng)系統(tǒng)中不含SMES時，故障后保護(hù)測量正序故障電壓、電流相位差為[argZM+ZL]。含SMES時，根據(jù)圖5的附加網(wǎng)絡(luò)：

[argΔUN1ΔIN1=argZM+ZL-ZM+0.52ZLIsmΔIm] （7）

方向元件的測量值受到SMES的輸出電流[Ism]的影響。由于[ZL]為MN線路阻抗，遠(yuǎn)大于M側(cè)的系統(tǒng)阻抗。同時，[Ism]可以根據(jù)SMES的不同功率調(diào)節(jié)作用而改變，相對于線路電流的變化量[ΔI]，其值較小。故[ZM+ZL-ZM+0.52ZLIsmΔIm]呈阻感性，其相位角仍處在10°～170°的范圍內(nèi)，保護(hù)判斷為反向動作區(qū)[5]。

當(dāng)MN線路區(qū)外發(fā)生故障時，M側(cè)方向元件測量值不受SMES影響，判斷為正向動作區(qū)，N側(cè)方向元件測量值會發(fā)生變化，但仍處在反向動作區(qū)內(nèi)，方向元件保護(hù)能正確判斷為區(qū)外故障。

2 含SMES的正序故障分量方向元件仿真驗證

在PSCAD環(huán)境下對圖1所示系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，采用不含SMES的系統(tǒng)與含SMES的試驗系統(tǒng)進(jìn)行對比。仿真對SMES的典型安裝位置線路出口處與線路中點進(jìn)行分別試驗，分析故障在保護(hù)動作區(qū)內(nèi)、區(qū)外及不同類型故障對保護(hù)的影響。在不同仿真條件下，可以得到正序故障分量相位差，并與方向元件動作區(qū)域進(jìn)行比較，判斷保護(hù)動作與否。

系統(tǒng)參數(shù)如下。輸電線路：[LMN]=300km，[LNH]=160km，[r1]=0.035Ω/km，[x1]=0.42Ω/km。超導(dǎo)線圈參數(shù)為：[Ld]=7.8H，起磁電流[Idc]=4.0kA，起磁功率[Ph]=25MW。仿真時間為8s，故障發(fā)生在5s，持續(xù)0.2s。仿真輸出方向元件測量計算的正序故障分量相位差的波形，當(dāng)相位差為200°～340°時，保護(hù)判斷故障在正向動作區(qū)，當(dāng)相位差為10°～170°時，保護(hù)判斷故障在反向動作區(qū)。

2.1 仿真實例

2.1.1 SMES裝于線路出口，故障發(fā)生在MN線路內(nèi)部。在MN線路20%處設(shè)置三相金屬性短路故障，故障發(fā)生在5s，0.2s后故障消失。此時，故障位于保護(hù)動作區(qū)內(nèi)。此種狀態(tài)下，故障對于M側(cè)保護(hù)為正方向，對于N側(cè)保護(hù)亦為正方向。

圖6（a）為M側(cè)正序故障分量電壓、電流相位差的波形曲線，其中曲線cha_p1和cha_p3分別為實驗系統(tǒng)與原始系統(tǒng)的波形曲線。從圖6（a）可知，故障發(fā)生后，方向元件測量計算的相位差值為220°～254°，處于正向動作區(qū)。未裝設(shè)SMES的原始組與裝設(shè)SMES的實驗組波形曲線幾乎重合。在故障發(fā)生時，相位差進(jìn)入正向動作區(qū)，保護(hù)能正確判斷，不受SMES的影響。

圖6（b）為N側(cè)正序故障分量電壓、電流相位差的波形曲線，其中曲線cha_p2和cha_p4分別為實驗系統(tǒng)與原始系統(tǒng)的波形曲線。從圖6（b）可知，故障發(fā)生后，方向元件測量計算的相位差值為268°，處于正向動作區(qū)。未裝設(shè)SMES的原始組與裝設(shè)SMES的實驗組波形曲線幾乎重合。在故障發(fā)生時，相位差進(jìn)入正向動作區(qū)，保護(hù)能正確判斷，不受SMES的影響，即驗證所示結(jié)論。

在SMES裝于線路出口處，對線路MN內(nèi)相同位置進(jìn)行單相短路故障、兩相短路故障仿真試驗，得到的結(jié)論與三相短路故障時基本相同。

2.1.2 SMES裝于線路出口，故障發(fā)生在MN線路外部。短路點在線路NH的20%處，故障發(fā)生在5s，0.2s后故障消失。此時，故障位于保護(hù)動作區(qū)外。此種狀態(tài)下，故障對于M側(cè)保護(hù)為正方向，對于N側(cè)保護(hù)為反方向。圖7（a）為M側(cè)正序故障分量電壓、電流相位差的波形曲線，其中曲線cha_p1和cha_p3分別為實驗系統(tǒng)與原始系統(tǒng)的波形曲線。從圖中可以看出，故障發(fā)生后，出現(xiàn)故障分量，方向元件測量計算的相位差值增加到212°～255°，處于正向動作區(qū)。未裝設(shè)SMES的原始組與裝設(shè)SMES的實驗組波形曲線幾乎重合。在故障發(fā)生時，方向元件測量相位差值進(jìn)入正向動作區(qū)，保護(hù)能正確判斷，不受SMES的影響，即驗證式所示結(jié)論。

圖7（b）所示為N側(cè)正序故障分量電壓、電流相位差的波形曲線，其中曲線cha_p2和cha_p4分別為實驗系統(tǒng)與原始系統(tǒng)的波形曲線。從圖中可以看出，故障發(fā)生后，出現(xiàn)故障分量。未裝設(shè)SMES的原始組的波形曲線增加到22°～78°，處于反向動作區(qū)；裝設(shè)SMES的實驗組波形曲線增加到57°～88°，亦處于反向動作區(qū)。兩組試驗曲線在數(shù)值上有差別，但其波形走向一致，保護(hù)能正確判斷，即驗證式結(jié)論。

在SMES裝于線路出口處，對MN外相同位置進(jìn)行單相短路故障、兩相短路故障仿真試驗，得到的結(jié)論與三相短路故障時基本相同。

2.1.3 SMES裝于線路中點，故障發(fā)生在MN線路內(nèi)部。在MN線路20%處設(shè)置三相金屬性短路故障，故障發(fā)生在5s，0.2s后故障消失。此時，故障位于保護(hù)動作區(qū)內(nèi)，故障對于M側(cè)保護(hù)為正方向，對于N側(cè)保護(hù)亦為正方向。

圖8（a）為M側(cè)正序故障分量電壓、電流相位差的波形曲線，其中曲線cha_p1和cha_p3分別為實驗系統(tǒng)與原始系統(tǒng)的波形曲線。故障發(fā)生后，出現(xiàn)故障分量，方向元件測量計算的相位差值增加到209°～260°，處于正向動作區(qū)。從圖中可以看出，未裝設(shè)SMES的原始組與裝設(shè)SMES的實驗組波形曲線幾乎重合。故障發(fā)生時，相位差進(jìn)入正向動作區(qū)，保護(hù)能正確判斷，不受SMES的影響，即驗證式結(jié)論[6]。

圖8（b）為N側(cè)正序故障分量電壓、電流相位差的波形曲線，其中曲線cha_p2和cha_p4分別為實驗系統(tǒng)與原始系統(tǒng)的波形曲線。從圖中可以看出，故障發(fā)生后，出現(xiàn)故障分量，方向元件測量計算的相位差值增加到269°，處于正向動作區(qū)。同時還可以看出，未裝設(shè)SMES的原始組與裝設(shè)SMES的實驗組波形曲線幾乎重合。在故障發(fā)生時，方向元件測量相位差進(jìn)入正向動作區(qū)，保護(hù)能正確判斷，不受SMES的影響，即驗證式結(jié)論[7]。

在SMES裝于線路中點處，對線路MN內(nèi)相同位置進(jìn)行單相短路故障、兩相短路故障仿真試驗，得到結(jié)論與三相短路故障時基本相同。

2.1.4 SMES裝于線路中點，故障發(fā)生在MN線路外部。在MN線路外的近N側(cè)設(shè)置三相金屬性短路故障，短路點在線路NH的20%處，故障發(fā)生在5s，0.2s后故障消失。此時，故障位于保護(hù)動作區(qū)外。此種狀態(tài)下，故障對于M側(cè)保護(hù)為正方向，對于N側(cè)保護(hù)為反方向。

圖9（a）為M側(cè)正序故障分量電壓、電流相位差的波形曲線，其中曲線cha_p1和cha_p3分別為實驗系統(tǒng)與原始系統(tǒng)的波形曲線。從圖中可以看出，故障發(fā)生后，出現(xiàn)故障分量，方向元件測量計算的相位差值增加到254°～218°，處于正向動作區(qū)。同時還可以看出，未裝設(shè)SMES的原始組與裝設(shè)SMES的實驗組波形曲線幾乎重合。在故障發(fā)生時，方向元件測量相位差值進(jìn)入正向動作區(qū)，保護(hù)能正確判斷[8]，不受SMES的影響，同時驗證式結(jié)論。

圖9（b）為N側(cè)正序故障分量電壓、電流相位差的波形曲線，其中曲線cha_p2和cha_p4分別為實驗系統(tǒng)與原始系統(tǒng)的波形曲線[9]。從圖中可以看出，故障發(fā)生后，出現(xiàn)故障分量。未裝設(shè)SMES的原始組的波形曲線增加到22°～75°，處于反向動作區(qū)；裝設(shè)SMES的實驗組波形曲線增加到61°～90°，亦處于反向動作區(qū)。兩組試驗曲線在數(shù)值上有差別，但其波形走向一致，保護(hù)能正確判斷。

在SMES裝于線路出口處，對MN外相同位置進(jìn)行單相短路故障、兩相短路故障仿真試驗，得到的結(jié)論與三相短路故障時基本相同。

2.2 仿真結(jié)果

針對SMES安裝的不同位置、區(qū)內(nèi)或者區(qū)外故障及不同類型的短路故障分別進(jìn)行試驗仿真，仿真輸出方向元件測量計算的正序故障分量電壓、電流相位差的波形，并判斷是否位于相應(yīng)動作區(qū)，保護(hù)是否正確動作，仿真結(jié)果見表1。其中A-G、BC-G、ABC-G分別表示A相接地短路、BC相接地短路、三相接地短路，“O”“X”分別表示距離保護(hù)正確運行、保護(hù)誤動作。

根據(jù)圖6至圖9及表1可知，在雙端電源系統(tǒng)中，當(dāng)SMES裝設(shè)與線路的出口處時，對于區(qū)內(nèi)故障，方向元件測量值不受SMES動作特性的影響，測量值波形與未裝設(shè)SMES時的波形重合，保護(hù)能正確判斷；對于區(qū)外故障，方向元件測量值會受到SMES動作特性的影響，測量值波形與未裝設(shè)SMES時的波形存在差異，但不影響保護(hù)的正確判斷。當(dāng)SMES裝設(shè)于線路的中點處時，對于區(qū)內(nèi)故障，方向元件測量值不受SMES動作特性的影響，測量值波形與未裝設(shè)SMES時的波形重合，保護(hù)能正確判斷[10]；對于區(qū)外故障，方向元件測量值會受到SMES動作特性的影響，測量值波形與未裝設(shè)SMES時的波形有差異，但不影響保護(hù)的正確判斷。

3 結(jié)語

本文建立含SMES的雙端電源輸電系統(tǒng)仿真模型，在SMES位于線路出口、中點處分別進(jìn)行討論，研究基于工頻故障分量方向元件的動作特性，并進(jìn)行了仿真驗證。結(jié)果表明，在不同的SMES安裝位置及不同的故障位置、故障類型下，保護(hù)能正確判斷故障，SMES不會影響方向元件的動作結(jié)果。

參考文獻(xiàn)：

[1]康豐，王閏羿，張瑋，等.基于檢測差流諧波含量的差動保護(hù)設(shè)計與實現(xiàn)[J].華電技術(shù)，2017（7）：32-35.

[2]劉亞麗，周昀，王少榮.配電網(wǎng)繼電保護(hù)一二次聯(lián)合數(shù)字仿真系統(tǒng)研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2017（13）：124-129.

[3]張小萌，白愷，柳玉，等.大規(guī)模分布式光伏短期集群功率預(yù)測綜述[J].華北電力技術(shù)，2017（6）：1-7.

[4]李朋，李欣然，韋肖燕，等.基于暫態(tài)勢能控制的儲能提高暫態(tài)穩(wěn)定性研究[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報，2017（5）：41-47.

[5]張延林，王鵬，韓英杰，等.變頻電動機(jī)差動保護(hù)的研究與應(yīng)用[J].華電技術(shù)，2017（4）：8-10.

[6]湯蘭西，董新洲.半波長交流輸電線路行波差動電流特性的研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2017（8）：2261-2269.

[7]劉洋.超導(dǎo)磁儲能系統(tǒng)在微電網(wǎng)中的應(yīng)用及其狀態(tài)評估方法研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2016.

[8]張曉紅，馬列，李美林.新型混合儲能技術(shù)在微電網(wǎng)中的應(yīng)用研究[J].通信電源技術(shù)，2015（6）：14-15.

[9]程似鵬，劉小寧，費偉.超導(dǎo)磁儲能（SMES）應(yīng)用及其變流器拓?fù)溲芯縖J].低溫物理學(xué)報，2015（5）：353-358.

[10]艾欣，董春發(fā).儲能技術(shù)在新能源電力系統(tǒng)中的研究綜述[J].現(xiàn)代電力，2015（5）：1-9.