綜合能源系統電力網架繼電保護原理綜述

褚 旭, 鮑澤宏

(湖南大學 電氣與信息工程學院, 長沙 410082)

能源是推動生產、生活以及科技水平發展的重要基石,伴隨社會經濟發展對能源的需求與日俱增,化石能源枯竭與環境污染等問題日益嚴重[1].我國積極采取能源轉型措施,在“十四五”期間,可再生能源裝機總量預計由2019年底的40.8%增長至57.5%[2],高效環保、靈活經濟、持續可靠的可再生能源供電已成為電網重要組成部分[3],隨著可再生能源容量、滲透率增加,現有電網消納能力不足,系統棄風、棄光等現象加劇;電能、熱能、天然氣等能源各自成網、獨立規劃,系統用能效率低,整體經濟性、可靠性不足[4].

為解決上述問題,加速能源結構轉型,研究與構建以電網為主體多能源產、輸、配、轉、儲、用綜合協調的綜合能源系統(IES)成為必然選擇[5-7].IES作為未來新生代電網的承載主體,融合可再生能源與信息網,實現多能源形式的互補優化,是支撐清潔低碳、經濟高效的新生代能源系統.近年來,各國針對IES項目的研究與建設已經相繼開展[8-10],其中以美國FREEDM系統[8]、德國E-Energy計劃[9]、日本數字電網項目[10]、中國2017年55個首批綜合能源項目最有代表性.

目前,國內外研究人員對IES典型物理架構、等效數學模型、效益評價技術及能源協調優化等方面展開研究.其中,文獻[11]介紹了IES系統的關鍵組件,并對其運管等穩態問題進行了歸納總結.文獻[12]聚焦于IES的典型架構,在此基礎上構建了物理、經濟模型,并梳理了系統的效益評價方法.文獻[13]基于IES的數學模型,評述了多能源間優化運行的方法.文獻[14]歸納整理了IES的能效評價方法與經濟指標體系,并展望了未來發展方向.

IES在促進能源消納、提高用能效率的同時,復雜的結構特點與故障特征也為系統安全穩定運行第一道防線的繼電保護適用性帶來諸多挑戰,已成為目前IES發展和推廣的技術難題之一.多能源系統互補互濟、耦合緊密、交互響應,且故障機理錯綜復雜,故障特征交叉耦合,故障傳播速度快,故障影響范圍大、持續時間久,造成傳統保護原理靈敏度降低、故障識別困難、裝置判據誤動與拒動等,因此亟待研究現有保護的適用性、優化改進方案,以及適用于IES的保護新原理.本文首先概述了IES拓撲結構的特點,分析了電網直連型電源、逆變型電源的控制特性,并基于上述特點具體研究了IES的故障特征.然后,以保護原理所基于故障特征本質的不同,分別從電氣量、結構特征兩方面綜述了現有各類保護近幾年的研究、改進現狀及用于IES的適應性.最后,深入探討與展望了未來用于IES的繼電保護技術所面臨的挑戰、研究思路及發展方向.

1 綜合能源系統結構及特征分析

1.1 拓撲結構

典型IES物理信息融合的多元結構如圖1所示.其中,IES以可再生能源為主、傳統能源為輔進行多種類一次能源供應,各能源子系統經耦合元件進行二次能源雙向交互、靈活轉化,極大增強能源消納能力,進而系統整體表現出交直流混聯、跨多電壓等級、拓撲結構復雜、潮流方向多變、管理多層多級及各能源子系統交互耦合的特征,以實現高效環保、靈活經濟、持續可靠的用能目標[15-16].

圖1 綜合能源系統結構

1.2 控制特性

根據各類電源與電網連接方式差異,將圖1所示電源分為電網直連型電源、逆變型電源.

(1) 電網直連型電源.該類電源主要包括雙饋風力發電、熱電聯產發電、水力發電等類型.發電機(水輪機、蒸汽輪機)存在較大轉動慣量,致使機電暫態控制響應時間達到秒級,對于故障特征分析所面向毫秒級電磁暫態過程,故障暫態過程中發電機轉速可認為始終不變,電氣量分布主要取決于系統結構與元件參數.特別地,在系統故障期間,雙饋風力發電機(簡稱風機)定、轉子將產生過電流,為保護風機元件,需投入撬棒電路,即接入限流電阻以提高等效阻抗[17].

(2) 逆變型電源主要包括光伏發電、直驅風力發電、燃氣輪機、儲能電池等.在電網故障時,該類電源根據并網點電壓水平切換控制模式:① 當并網點電壓大于0.9UN時,逆變器采用恒功率(PQ)控制模式;② 當并網點電壓為0.9UN～0.2UN時,逆變器采用低電壓穿越模式;③ 當并網點電壓小于0.2UN時,逆變器采用脫網模式[18],其中UN為逆變型電源并網點的電網額定電壓.為保證電力電子器件的安全性,逆變器限制電源故障輸出電流約為額定電流的1.2～2倍,故障電流幅值受限.

1.3 故障特征

故障特征是保護判據構造、門檻整定、方案構建的基礎,根據IES的系統結構、控制特性,可將其故障特征概括為如下方面.

(1) IES電網部分交流、直流混合聯結,當交流部分故障時,電壓的跌落易引發電網換相換流器型高壓直流輸電系統(LCC-HVDC)逆變側換相失敗、電壓源換流器型高壓直流輸電系統(VSC-HVDC)故障穿越響應,交直流系統交互作用、特征耦合互相影響,致使直流電氣量侵入、諧波增加、頻率偏移、電流幅值減小、相角波動[19].對于長距離輸電線路,由于受線路傳變特性的作用,故障電氣量幅值衰減、波形畸變、識別困難.在分布式電源(DG)、儲能裝置及相關負荷投切控制系統作用下,系統拓撲結構、潮流方向、故障電氣量實時變化.

IES其余子網部分主要包括熱/冷網、氣網、交通網,不同子網將產生差異化的故障響應特征.對于熱/冷網與氣網,由于熱/冷能量介質與氣體的傳輸速度較低,其內部故障與管道中斷等情況發生時,明顯故障特征需長期故障狀態的累積,響應過程較慢,所以可僅視其協調優化特性會對電網產生一定擾動[20];對于交通網,電動汽車與軌道交通存在源/荷轉換特性,其在放電工況下的故障響應則與DG相似[21].

(2) 電網直連型電源的響應特性.由于電磁、機電暫態過程控制響應時間存在數量級差異,在故障暫態特性分析及快速主保護作用期間,將電網直連型電源等效為電壓源,即電源在系統故障前后電動勢不變,并向故障點饋送短路電流,主要包含指數衰減的工頻分量、直流分量.

特別地,故障時雙饋機組撬棒電路的投入將導致風機正負序阻抗不相等、輸出故障電流出現非工頻分量[22],且引起同步發電機短路電流各分量均增大,以二倍頻分量最顯著[23].

(3) 逆變型電源的響應特性.該類電源控制系統快速響應并網點故障電氣量的變化,可等效為電壓控制型電流源[24].電氣量故障特征受控制外特性、調制參數及過程、電源及換流器結構等因素影響,增加了故障特征分析的復雜程度,保護整定計算難度增大.例如,逆變型電源短路電流相角受制于控制策略影響,可在0°～360°之間變化[25];儲能電池直流側大電容的鉗位作用,造成電網故障時直流母線電壓波動減小、故障電氣量特征減弱[26];全橋、混合橋型結構模塊化多電平換流器(MMC)在故障暫態過程中,可通過橋臂閉鎖控制、故障穿越策略等措施配合,控制故障特征,限制故障電流,注入特征信號[27].此外,控制系統的調節作用將會在故障暫態過程中引入非工頻量,引起波形畸變[28].

綜上所述,IES故障特征示意圖如圖2所示.IES交直流混聯、網架結構多變、控制特性復雜、運行潮流靈活,致使故障特征交叉耦合、故障機理錯綜繁雜,系統呈現故障特征衰減、幅值受限、諧波增加、波形畸變、相角波動等特點,引發故障傳播速度加快、故障影響范圍變大、故障識別困難等問題,導致傳統保護原理可靠性、靈敏性、速動性、選擇性難以完全滿足系統需求.

圖2 IES故障特征示意圖

2 綜合能源系統繼電保護原理研究現狀及適用性分析

圖3 故障原理示意圖

根據所依據的本質不同,可將保護原理分為基于直接結構特征和基于間接電氣量特征兩大類.其中,參數/模型識別保護[29-35]、縱聯保護[36-44]、主動控制式保護[45-55]等基于直接系統網架結構識別實現故障判別;電壓/電流保護[56-62]、行波保護[63-72]、邊界保護[73-84]等基于結構變化而引起的間接電氣量變化實現故障判別.

2.1 基于電氣量特征

2.1.1電流/電壓保護 故障時,電網結構發生變化,相比于負荷阻抗,故障回路中線路阻抗小,使得故障時電流增大、電壓下降,據此形成電流/電壓保護.

在IES中,該類保護所需的故障電流、電壓除受故障類型、過渡電阻的影響外,更易受系統拓撲多變、運行方式的影響;并且DG與儲能的接入導致系統結構更加復雜、潮流方向多變,該類保護錯誤動作概率進一步加大;此外,由于逆變型電源的限流特性,輸出的故障電流幅值受限、特征衰減,其值難以激活過電流繼電器,僅利用電氣量幅值門檻的傳統電流/電壓保護難以正確識別故障,較難滿足IES整體的要求.

為增強電流保護在DG接入情況下的適應能力,文獻[56]綜合控制策略求解DG輸出故障電流,實時修正保護門檻.文獻[57-58]根據雙饋風機故障后正負序阻抗不等的特點,綜合網絡結構引入保護整定修正系數,實時修正保護門檻值,消除DG系統影響,提升保護靈敏度.此外,針對零序過電流高阻接地靈敏性與低阻接地選擇性不能同時滿足的問題,文獻[59]將現有零序過電流保護拆分為多段定時限過流保護,以降低最低段啟動電流值增強高阻故障保護靈敏度.

為深入挖掘電壓、電流等電氣量的故障信息,解決保護計算復雜度高、整定困難度大的問題,文獻[60]以正負序電流幅值與變化量作為輸入樣本,以單層神經網絡作為弱分類器,訓練自適應增強集成學習模型,根據輸出實現故障識別,該方法減少了網絡訓練參數,加快訓練效率.文獻[61]以暫態電壓能量、正負極電壓變化量作為輸入樣本,離線訓練獲得人工神經網絡分類器,根據其輸入進行故障識別.文獻[62]利用4層門控循環網絡層和3層全連接神經網絡層構成學習模型,將三相分支電流信號和對其經離散小波變換處理的頻域信號一并作為訓練樣本,送入模型進行分類器訓練,以其輸出進行故障識別.

2.1.2行波保護 線路故障時會由故障點產生向線路兩端傳播的行波,相較于正常狀態,該行波所經之處會發生電氣量突變,據此特征形成行波保護.

在IES中,行波保護受制于采樣頻率、過渡電阻、雷擊干擾、波頭檢測等問題的影響,保護存在誤動、拒動問題.此外,對于區域型IES,系統呈現電壓等級低、線路短、分支多、結構多變的特點,將造成初始故障行波提取困難,進而對保護采樣頻率提出更高要求,設備投資加大;對于跨區級IES,系統輸電線路普遍較長,實際行波傳播過程中不同頻率分量傳播速度、衰減系數不同,將造成保護處測量到的波形特征出現衰減和畸變,并且此現象隨著線路長度的增加而更嚴重,保護性能受到影響.

行波暫態波形中蘊含大量故障信息,通過波形分析可確定對應故障區間.文獻[63-64]根據電網結構建立模擬各種故障的波形數據庫,對比實際故障波形與模擬波形的差異,前者引入相關系數描述差異,構建保護判據;后者則通過波形比對得出相應的過渡電阻值,并將其用于基于電氣量變化率的行波保護對不同過渡電阻的自適應整定.進一步,文獻[65]以線路中點所測波前信息為基值,構造相關系數,計算所測波前波形與基準值的差異程度,表征故障點與線路中點的遠近,能夠可靠識別故障區間.在此基礎上,文獻[66-67]分別利用Logistic函數和 Levenberg-Marquart法擬合得出反映故障距離的最優參數,并以此值的大小構成區間識別判據.

基于初始電壓或電流行波分析,文獻[68]在保護判據中引入傳播系數構成改進的差動電壓行波保護,并根據保護接收到的反向行波和正向行波的差值大小判別兩端數據是否同步.文獻[69]利用小波變化提取行波的小波變化模極大值,重新構建等效行波,并根據區內外故障時等效行波差分電流的能量大小差異,構成保護判據.文獻[70]基于S變化提取初始電壓、電流行波,并利用彼得遜等值模型計算線路兩端初始行波無功功率幅值之比(最大端與最小端之比),根據其比值大小差異構成保護判據,識別區內外故障.

在波速近似恒定情況下,行波在線路上傳輸的時間與距離具有一定聯系,根據時間關系可提取故障區段信息.文獻[71]以初始行波到達線路兩端的時間差大小作為鑒別區內外故障的判據,并給出了不同采樣率情況下具體的保護范圍區間.文獻[72]基于數學形態學理論,利用初始電流行波到達線路兩側保護的極性差異和時間差大小,可靠識別故障方向,確定故障區間.

2.1.3邊界保護 交流輸電系統中,為減少高頻能量損耗,維持載波通信及高頻保護正常工作,線路兩端對應有阻波器;直流輸電系統中,為減小電流脈動、改善功率因數、抑制裝置諧波、保證電能質量[85]、降低故障危害[86],線路兩端配置直流濾波器、直流電抗器,此類元件構成了不連續點,形成了天然保護邊界.基于上述邊界結構引起的區內外故障特征差異,可提取故障信息,構造故障判據,實現全線速動保護.

在存在邊界元件的基礎上,保護借由其形成的明顯區內外故障特征差異,在潮流復雜、運行靈活的IES中可靠性高;但由于信號傳輸衰減以及控制系統產生的高頻諧波影響,邊界保護可能難以辨別區內末端與下段始端故障,且又因邊界元件較少等問題,邊界保護的應用存在一定的局限性.此外,對于利用單端量的邊界保護,可能存在無法區分正反方向故障的問題,需加裝方向元件避免保護誤動.

基于阻波器對高頻信號的阻滯作用,文獻[73]根據阻波器對零模電壓行波分量傳輸速度的衰減作用,利用零模與線模分傳輸時間差區分區內外故障.文獻[74]基于小波變換,利用不同頻譜能量的差異大小構成保護判據,識別區內外故障.

基于平波電抗器對波頭的平滑作用,文獻[75]根據初始行波電壓梯度與電壓幅值之比的大小差異不同,區分區內外故障.文獻[76]利用保護檢測到的反向行波振幅和突變情況大小構成故障識別判據,可靠識別區內外故障,并以電壓故障分量是否能保持極性穩定作為故障選極判據.

基于直流電抗器對高頻信號的阻滯作用,文獻[77]利用單端保護檢測到的1模電壓反行波的幅值大小構造保護判據,區分區內外故障.文獻[78]以直流電抗器作為線路邊界,依據高頻暫態能量大小差異可靠區分區內外故障,并利用故障瞬間直流電抗器壓降的極性識別正反方向故障.

基于直流電抗器的分壓作用,文獻[79]根據被保護線路兩端的直流電抗器兩側電壓暫態分量幅值比的差異,可靠地判別區內外故障.文獻[80]根據故障時線路兩端直流電抗器電壓突變量的極性是否相同,構成保護判據,區分區內外故障.

基于直流濾波器的阻抗頻率特性,文獻[81]根據不同故障區間在特定頻率下濾波器支路呈現的阻抗大小不同,利用該支路電流大小差異構造保護判據,區分區內外故障.文獻[82]根據濾波器峰值頻率下線路兩端保護所測阻抗角差異,利用角度差大小構成保護判據,可靠判別區內外故障.

基于組合元件對暫態能量的衰減作用,將平波電抗器和直流濾波器組合后作為線路邊界,文獻[83]根據該邊界線路側和換流閥側暫態能量幅值比差異判別故障方向,綜合兩端方向判別信息,確定區內外故障.文獻[84]根據區內外故障時不同頻段的暫態功率衰減程度不同,以暫態能量比值的大小作為故障區間識別判據,并利用低頻段故障極與健全極的暫態能量差異進行故障選極.

2.2 基于結構特征

2.2.1參數/模型識別保護 系統結構因所處正常、故障狀態的不同而改變,致使自身某固有參數(例如電阻、電抗、等值模型、控制參數等)會呈現差異化的響應,通過識別參數差異可有效區分故障區段,構成參數/模型識別保護.其中,以反映線路阻抗參數的距離保護應用最廣.

在IES中,參數/模式識別保護除受過渡電阻、系統振蕩、故障暫態電氣量的影響之外,由控制系統調節過程產生的非工頻量諧波將導致相量提取產生較大誤差,工頻量保護性能下降.大規模DG、儲能裝置接入產生的助增電流會使距離保護II段的測量阻抗變大,造成保護范圍減小;但對于儲能裝置,其荷源狀態不定導致在儲能裝置處于備用狀態時,傳統距離保護必然損失相當一部分保護范圍且靈敏度降低.此外,IES靈活的拓撲結構與配置的多種補償、調節設備(例如串補電容、故障電流限制器、潮流控制器)改變了線路結構、參數,將相應影響參數/模型識別保護性能.

為增強保護抗過渡電阻能力,文獻[29]基于保護安裝處和故障點間電壓、電流的相量分析,得出故障阻抗與測量阻抗間的誤差系數,并代入保護判據以修正保護定值.文獻[30]針對風機撬棒電路投入引起傳統距離保護可靠性變低的問題,通過利用風機的各序阻抗,計算自適應分支系數,綜合故障類型實時計算距離II段門檻值.

為解決電容式電壓互感器(CVT)暫態特性差導致距離保護暫態超越誤動作問題,文獻[31]通過構造與實際CVT傳變特性相同的虛擬數字CVT,并送入采樣值進行等傳變處理,得到精確線路模型并進行故障判別,提高了保護的可靠性.為保證電能輸送的靈活快速控制,各種柔性交流輸電系統(FACTS)裝置已投入線路中使用.為解決串聯補償設備造成距離保護超越誤動問題,文獻[32]采用R-L微分方程算法求解故障距離,并利用最小二乘算法求得的擬合誤差大小識別故障點與串補電容的相對位置.此外,為分別解決串聯電容器型故障電流限制器與統一潮流控制器導致距離保護不正確動作問題,文獻[33]在分析限流器動態阻抗模型基礎上,綜合控制方式提出具有動態偏移阻抗圓特性的保護策略.文獻[34]在利用R-L微分方程算法的基礎上,綜合故障距離計算結果的平均值與波動程度,區分內外故障,增強了保護可靠性.

根據控制參量、模型適配等可有效表征故障差異參數的研究,文獻[35]基于換流器外環控制參考電流與內環電流d軸輸出值在線路正常與故障狀態時的控制參數差異,定義虛擬能量調節偏差,并以其值大小可靠識別交、直流側故障和進行故障選極.文獻[19]基于參數識別思維,利用區內外故障時,差動電壓、電流參數是否能滿足阻感模型的差異,通過修正余弦相似度算法求取相關系數,并以其大小衡量符合程度,從而實現區內外故障可靠區分.

2.2.2縱聯保護 依據線路兩端的電氣量或故障方向判別結果,綜合分析、邏輯判斷后作用于區內跳閘,具有高選擇性,可構成縱聯保護.

在IES中,縱聯保護同樣受制于分布式電容電流、電流互感器誤差等問題的影響,保護仍存在一定的可靠性問題,且隨著輸電線路距離增加、通信延時增大,采樣同步、波形畸變問題凸顯,基于波形比較類縱聯保護速動性、可靠性受到影響.對于區域型IES,線路分支較多、結構多變,使得縱聯保護需考慮區內不同分支拓撲變化,保護配置復雜度進一步提升.此外,受制于風機撬棒投入為故障電流帶來的非工頻量影響,保護將難以精確提取電流相量而發生不正確動作現象.此外,由于逆變電源控制策略影響,輸出故障電流相角大范圍變化,導致差動保護靈敏度降低.

為增強縱差保護性能,文獻[36]基于風機低電壓穿越控制下的電流諧波頻率特性,通過在比例制動式差動判據中引入由基波與諧波分量幅值之和形成的頻譜指標,進行判據優化修正,從而靈敏辨別區內外故障.文獻[37]基于故障分量暫態差動電流在區內外故障時的頻率差異,通過最小二乘法提取其波形對應主頻率,并以其值大小可靠識別區內外故障.文獻[38]利用線路兩端正序電流故障分量構成電流差動保護,并為了避免線路內部T接型負載的開關動作導致保護誤動問題,以相電壓是否存在明顯降落的特征作為區別內部故障和負荷切除的判據.

基于新能源場站送出的短路電流具有幅值受限和畸變的特點,文獻[39-42]根據新能源場站送出線路區內外故障暫態電流波形差異,分別利用Pearson相關系數、斯皮爾曼等級相關系數、余弦相似度和Hausdorff距離的大小衡量線路兩側暫態電流波形的相似程度,并構成相應的保護判據,可靠識別故障區間.

基于故障瞬時功率分析,文獻[43]利用相空間重構理論,將線路兩端故障分量瞬時功率差重構到相空間里,形成相應的軌跡圓,并根據區內外故障時軌跡圓的圓心所處位置不同和圓周在第三象限所占的采樣點數目差異,識別區內外故障.為了提升直流部分保護的性能,文獻[44]根據兩端換流站不同極線路瞬時功率之和與其電壓差比值的大小和極性差異構成保護判據,可靠地識別直流線路故障并進行故障選極.

2.2.3主動控制式保護 通過改變換流器的控制策略或另附加可控元件間接改變網架結構,主動向線路注入特征信號或改變原始故障特征,從而得到適合保護識別的故障特征量,構成主動控制式保護.

高可控性基于大量電力電子元件,特定故障特征的改變除原有換流站控制設備外可能另需附加設備進行輔助控制,造成額外系統投資.有別于傳統被動式檢測故障特征的保護,主動控制式保護通過人為控制構造所需故障特征,一定程度上避免了多余復雜特征對保護的干擾.在IES中,由于其典型的電力電子化、高度可控化的特征,較好地滿足了主動式保護的基本需求,適應程度較高;此外,由于系統結構靈活多變,控制方案的泛化能力有待進一步評估,并且鑒于產生特征量所需的復雜控制邏輯,該類保護仍需在未來進一步研究優化.

在換流站控制基礎上,文獻[45]通過在全橋MMC內部增加環流抑制器,對換流站輸出故障電流進行主動限流控制,并以線路兩端電流是否非同時存在過零特征,可靠地辨別故障區間.文獻[46]通過在故障時對電壓源型換流器(VSC)自身以及外加的反并聯晶閘管進行控制,使故障后系統拓撲結構發生改變,僅保留VSC與故障點間唯一回路,以強化學習(RL)模型計算故障距離,可靠識別故障區間.文獻[47]在系統故障期間利用MMC換流站主動向電網送入偶次諧波特征電流,送出線路保護通過提取該特征電氣量以計算特征測量阻抗,可靠地識別故障區間.文獻[48]先在每條線路兩端安裝電感器,并在線路發生故障后,通過控制策略切除VSC的電容支路和一條橋臂,使其變成單相橋式整流電路,不斷向線路饋入穩態偶次諧波電流,最終通過提取出的不同諧波分量計算出保護裝置與故障點之間電感大小,得出精確故障位置.此外,文獻[49]通過切換系統中DC/DC變換器的控制方式并調節開關頻率,使其向系統注入特定頻率信號的諧波,保護對該特定頻率電氣量進行相應提取,并以計算所得的諧波測量阻抗的大小作為可靠識別故障區間.文獻[50]通過對光伏并網的DC/DC升壓變換器進行故障控制,使其能在換流站閉鎖后持續提供可控、低幅值且穩定的故障電流,并以各保護裝置檢測到此電流的極性差異構成故障區段識別判據.

通過在線路施加特定信號,并使保護對應檢測該信號的變化情況即可獲取所需的故障信息.文獻[51]在故障限流控制后的線路兩端主動注入相同的正弦電壓特征信號,進行是否滿足電容模型的判斷,并以斯皮爾曼等級相關系數大小表征其滿足電容模型的程度,構成故障區段識別和選極判據.文獻[52]通過調整固態斷路器的控制策略,使其在中斷故障電流后將內部儲存的能量主動注入故障線路,與故障線路形成電感電容電阻(LCR)振蕩電路模型,最終對該模型分析計算得出故障點精確位置.文獻[53]通過附加高頻信號注入設備,并附加控制措施使其在故障后向線路施加特征高頻信號,通過檢測對端測量裝置是否接受到該信號,識別故障區段.文獻[54]通過控制投切使換流器全橋子模塊數量發生突變,實現電壓特征信號向健全極注入,根據檢測故障極因耦合作用感應出的特征信號經線路傳播后反行波的首次到達時刻,計算出故障距離的大小.文獻[55]通過短時投切換流站子模塊數量向線路注入特征脈沖,根據此脈沖信號發出與反射回檢測裝置的時間差大小,計算出故障點距保護裝置之間的距離.

2.3 小結

根據故障響應時間的不同,分段構建綜合能源系統等效模型,定性及定量分析故障特征,再利用故障與非故障、區內故障與區外故障差異,研究保護原理構造保護判據,提升保護在系統中的適應程度,進而將各類保護改進思路歸納如下.

(1) 電流/電壓保護原理簡單、易于實現;但在IES中,由于受可再生能源故障響應特性、DG及儲能接入的影響,將造成電流/電壓保護不能滿足系統對可靠性、選擇性、靈敏度的要求.需要從保護判據改進優化、保護門檻自適應整定等方面進行研究,以滿足綜合能源系統安全穩定運行的需求.此外,還可利用人工智能、數據挖掘技術,深層次挖掘基本電氣量數據之中隱藏的故障信息,以數據驅動解決傳統保護選擇性與靈敏性的博弈問題.

(2) 行波保護不受系統振蕩、電流互感器飽和、電容電流的影響,且具有超高速的動作特性;但在IES中,輸電距離遠、傳輸環境惡劣,行波保護在系統應用時可靠性、靈敏性將受過渡電阻、采樣率、雷電或噪聲干擾等因素影響而降低.需要在考慮行波的傳輸特性基礎上,利用單端量所測波形的唯一性進行波形擬合提取故障距離信息,對比識別出故障區間,或者在保護判據中引入衰減系數以提升保護的靈敏度等方面進行研究,以增強行波保護在IES中的適應能力.

(3) 基于邊界特征可利用單端電氣量實現全線速動,不需要通信設備和通信通道,提高了保護的動作速度,保護原理簡單,易于硬件實現.在IES中,需要尋找新型邊界元件或從阻波器及直流電抗器對高頻信號的阻滯和衰減特性以及直流濾波器的阻抗-頻率特性等方面進行研究,構造僅利用單端量即可實現較高可靠性的全線速動邊界保護方案,以滿足IES對保護速動性的要求.

(4) 參數/模型識別保護一定程度上不受系統運行方式、故障類型的影響,靈敏度較高,但若用于IES時,由于大量DG的控制特性、FACTS裝置動態響應的影響,仍會導致該類保護的可靠性、選擇性低于預期.因此,需要從上述電源與裝置的自身特性入手,分析其對特定識別參數的影響程度,并從保護判據適當修正或采取特定消減誤差措施等方面進行改進,由此提升參數/模式識別保護在IES中的適應能力.

(5) 縱聯保護相對于傳統工頻量保護動作速度快、不受系統振蕩、非全相運行的影響,可以反映各種類型的故障;但在IES中,跨區級系統輸電距離普遍較長,因此保護可靠性因時間同步等因素而降低的問題會愈發凸顯.此外,由于相角波動、相量提取誤差影響,保護靈敏度相應降低.為解決上述問題,可以從波形差異、故障分量的特點等方面進行研究,根據單端電氣量故障信息判別故障方向,并綜合對端保護裝置的方向判別結果以辨別區內外故障,滿足該系統對保護高可靠性的需求.

(6) 主動控制式保護可解決因換流站閉鎖過快喪失故障特征,而導致傳統保護失去判斷依據的問題,放緩了對于保護速動性的要求;結合前文IES的直流化、電力電子化的特征,可見需用到元件高可控性的主動式保護具有十分良好的發展前景.此外,鑒于可控性裝置多集中于換流站內部,因此需要從換流器自身控制策略等方面進行研究,進行故障特征控制或信號注入,以期在更低的投資下獲得更高的可靠性,提高其在未來IES中的適應能力.

3 綜合能源系統繼電保護原理研究展望

IES具有新能源化、電力電子化、直流化、智能化等特征,本文重點論述了IES的拓撲結構、控制特性、故障特征、保護方案、適應能力,可見各類保護仍面臨諸多挑戰,因此對IES未來繼電保護原理的研究進行如下展望.

(1) IES分布式微源大量接入電網,其中逆變類電源自身故障限流、出力隨機,饋出故障電流幅值受限,基于電氣量幅值特征的保護靈敏度降低、拒動概率增大.在此方面,未來應在研究此類電源故障特性的基礎上,采用基于相位或波形特征的保護原理以提升靈敏性.

(2) IES電力電子化、直流化特征引起系統整體阻尼降低,故障電流沖擊大、速度快、峰值高,導致電力器件、設備、系統的安全運行對保護速動性要求進一步提升.可探索基于結構特征或利用單端電氣量的保護原理構成快速主保護,同時配以不受線路傳變特性影響的保護原理構成后備保護以保證安全性.

(3) IES電力電子化特征下可控源、荷、換流站比例高,為高可控性的實現提供必要條件,可基于控制與保護協同的思想,深入探索更加靈活且經濟的控制策略,主動控制相應故障特征或注入特定檢測信號,達到利于保護識別的目的,提升保護的靈敏性與選擇性.

(4) IES結構復雜、分支較多,致使傳統基于單端電氣特征的保護原理普遍存在末端選擇性差、整定難度高問題.為保證電能質量、安全運行的需要,輸電線路兩端通常裝設如阻波器、直流電抗器、直流濾波器等邊界元件.利用其自身特有的邊界特性,構成線路天然的保護邊界.在未來輸電技術或直流斷路器開斷容量未有大幅度提升情況下,借助此類線路天然邊界或尋找其他邊界元件構造單端速動保護方案最為簡單、高效.

(5) IES可將故障分為可預測型和不可預測型.對于不可預測型故障可借助常規快速繼電保護手段檢測切除;對于可預測型故障,可借助大數據技術進行數據挖掘、信息提取,提前預測系統安全運行趨勢,進行運行調節、勢態干預、風險抑制,進而于實際故障發生前實現故障抑制與保護.

(6) IES多能源系統能量交互、耦合緊密,子系統故障時將通過耦合元件引起電力系統電氣量變化,若不加以區分則會導致非故障側保護誤動,故障范圍進一步加大.未來可在綜合能源的統籌規劃、人工智能的應用、邊緣計算與智慧平臺的構建基礎上,進行狀態監測、故障判別、故障穿越、故障恢復等方面的改進優化,合理精確地避免耦合引起的保護誤動情況.

4 結論

綜合能源系統在推動能源互補、提高用能效率等方面優勢明顯,但系統復雜特征致使傳統保護表現不佳.本文基于IES的拓撲結構、控制特性、故障特征,深入研究了現有各類繼電保護的研究現狀及保護適用性,得出了以下結論.

(1) 大量分布式能源接入下,繼電保護在系統故障時快速正確動作是現有保護技術應用于IES的難點.其本質原因在于交直流混聯的復雜系統結構、逆變型電源的響應特性差異,導致故障特征交叉耦合,系統呈現故障特征衰減、幅值受限、諧波增加、波形畸變、相角波動等特點,故障暫態過程存在較大差異,難以定性分析,使得傳統保護整定方法與閾值選擇難以尋找選擇性與靈敏性的平衡.

(2) 現有繼電保護原理在IES的適應性方面將受到不同程度的影響.其中,以電流/電壓保護效果最差,參數/模式識別保護、行波保護、縱聯保護效果適中,該類保護需更深層次分析故障機理,從保護判據改進、保護門檻自適應整定等方面進行研究優化.此外,邊界保護、主動控制式保護效果最好,但其分別面臨邊界元件較少、控制邏輯復雜等問題,需從尋找新型邊界特征、制定最優控制策略等方面入手實現進一步優化.

(3) 針對IES高度復雜、非線性耦合故障特征所導致的閾值選擇困難問題,可以考慮利用人工智能算法進行動態整定、實時判別.隨著近年物聯網、云計算、5G 通信、大數據等技術的革新,伴生的實時、精確、巨量的可用系統數據,為新型人工智能技術的樣本問題、計算效率、實時判斷提供了多種解決途徑,使人工智能與保護技術的結合在工程實用化成為可能.