新能源場(chǎng)站集中并網(wǎng)區(qū)域繼電保護(hù)裝置測(cè)試技術(shù)

張麗，李勝男，唐金銳，付士亮

（1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650217；2.武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430070；3.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司紅河供電局，云南 紅河 651400）

0 前言

云南全省新能源裝機(jī)容量快速增長，部分地區(qū)光伏/風(fēng)電裝機(jī)容量已達(dá)數(shù)百萬千瓦[1]，需通過220 kV線路直接接入新建的500 kV變電站，從而實(shí)現(xiàn)新能源電力的并網(wǎng)消納，在局部地區(qū)已形成以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)示范區(qū)，為云南省乃至全國的綠色電力消納及新型電力系統(tǒng)建設(shè)提供了有益借鑒。

受國內(nèi)資源稟賦影響，現(xiàn)階段光伏/風(fēng)電滲透率較高區(qū)域一般處于用電負(fù)荷較低區(qū)域，網(wǎng)架較為薄弱，往往會(huì)通過新增500 kV變電站/輸電線路、200 kV變電站/220 kV線路來實(shí)現(xiàn)新增大規(guī)模新能源場(chǎng)站的消納。新能源場(chǎng)站集中送出區(qū)域往往含有數(shù)個(gè)乃至十幾個(gè)大型的新能源場(chǎng)站，這些新能源場(chǎng)站再通過110 kV或者220 kV線路進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，并最終通過500 kV變電站接入主網(wǎng)。在該區(qū)域內(nèi)，輸電線路一旦發(fā)生故障，故障電流將主要由與故障點(diǎn)存在不同電氣距離的不同新能源場(chǎng)站提供。新能源場(chǎng)站內(nèi)的各并網(wǎng)逆變器設(shè)備與場(chǎng)站升壓站距離各有不同，不同新能源場(chǎng)站內(nèi)的各光伏逆變器、風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)變流器等的控制策略現(xiàn)階段也均處于“黑盒子”狀態(tài)，且參數(shù)不統(tǒng)一[2]。一旦新能源場(chǎng)站集中送出區(qū)域發(fā)生線路故障，受各并網(wǎng)逆變器鎖相環(huán)解耦環(huán)節(jié)、低電壓穿越控制環(huán)節(jié)、限流環(huán)節(jié)等影響，新能源場(chǎng)站集中送出區(qū)域與傳統(tǒng)同步發(fā)電為主的電網(wǎng)故障特征差異明顯[3]，特別是故障后百ms內(nèi)的故障電壓和故障電流波形，對(duì)傳統(tǒng)繼電保護(hù)裝置的起動(dòng)元件、選相元件、各保護(hù)算法元件等均帶來了深刻影響[4-6]。一旦該集中送出區(qū)域發(fā)生500 kV或者220 kV故障，將在數(shù)十ms內(nèi)造成整個(gè)區(qū)域內(nèi)電力電子設(shè)備的控制動(dòng)作，影響到工頻故障分量的分析。且若送出線路被切除，則會(huì)帶來送出區(qū)域部分地區(qū)形成源網(wǎng)荷儲(chǔ)獨(dú)立運(yùn)行電網(wǎng)[7]，內(nèi)部更是以新能源為絕對(duì)主導(dǎo)，傳統(tǒng)繼電保護(hù)裝置的適應(yīng)性以及動(dòng)作性能更是需要全面評(píng)估并開展測(cè)試驗(yàn)證，確保該區(qū)域的穩(wěn)定安全供電。

1 某新能源場(chǎng)站集中送出區(qū)域分析

云南某區(qū)域計(jì)劃光伏裝機(jī)共計(jì)1930 MW，其中1530 MW需通過新建500 kV變電站A送出。根據(jù)光伏電站接入系統(tǒng)前期分析結(jié)論，光伏電站A，裝機(jī)容量530 MW，需新建一回220 kV線路至該新建500 kV變電站A；光伏電站B，裝機(jī)容量550 MW，需新建一回220 kV線路至該新建500 kV變電站A；光伏電站C，裝機(jī)容量450 MW，需新建一回220 kV線路至該新建500 kV變電站A。該新建500 kV變電站通過單回500 kV線路接入臨近的500 kV變電站B。光伏電站D，裝機(jī)容量100 MW，通過單回220 kV與裝機(jī)容量為200 MW的光伏電站E相連，且光伏電站E通過220 kV線路與500 kV變電站B相連；光伏電站F，裝機(jī)容量100 MW，通過中間某220 kV變電站A接入500 kV變電站B。與此同時(shí)，500 kV變電站B還與旁邊的直流送出工程的換流站相連。

通過上述分析可知，該區(qū)域中，新建500 kV變電站A與接入的3個(gè)大規(guī)模新能源場(chǎng)站，僅通過單條500 kV線路與500 kV變電站B相連，該區(qū)域新能源裝機(jī)容量達(dá)到1530 MW，屬于典型的以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)示范區(qū)。

具體到保護(hù)裝置配置方面，該新建500 kV變電站A與500 kV變電站B間的500 kV線路配置2套光纖分相電流差動(dòng)保護(hù)，每套保護(hù)具有階段式相間距離、接地距離及零序方向過流保護(hù)及反時(shí)限零序過流保護(hù)的后備保護(hù)功能。每套主保護(hù)與遠(yuǎn)方跳閘、過電壓保護(hù)采用一體化裝置。線路保護(hù)直接模擬量電纜采樣，直接GOOSE跳斷路器；經(jīng)GOOSE網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)斷路器失靈、重合閘；站內(nèi)其他裝置經(jīng)GOOSE網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)遠(yuǎn)跳。每套保護(hù)采用雙通道，且均采用彼此獨(dú)立的光纖通道，采用專用光纖芯+復(fù)用2 M光纖通信電路的方式傳送保護(hù)信號(hào)。

圖1 新能源場(chǎng)站集中送出區(qū)域示意圖

該新建500 kV變電站本期3回220 kV出線，分別至光伏電站A、光伏電站B、光伏電站C各1回，最終出線規(guī)模12回。220 kV線路長度均在10~30 km，每回線路配置2套光纖分相電流差動(dòng)保護(hù)，每套保護(hù)均帶有完善的反應(yīng)相間故障及接地故障的后備保護(hù)。線路保護(hù)直接模擬量電纜采樣，直接GOOSE跳斷路器；經(jīng)GOOSE網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)斷路器失靈、重合閘；站內(nèi)其他裝置經(jīng)GOOSE網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)遠(yuǎn)跳。

每套保護(hù)采用雙通道，且均采用彼此獨(dú)立的光纖通道，采用專用光纖芯+復(fù)用2 M光纖通信電路的方式傳送保護(hù)信號(hào)。

2 新型繼電保護(hù)裝置示范應(yīng)用情況

新能源等電力電子設(shè)備接入電網(wǎng)，使得電網(wǎng)的故障特性發(fā)生了明顯的變化。電力電子裝置的快速響應(yīng)使得反映故障的“源”和“路徑”均發(fā)生變化。新能源的故障特征受控制策略影響嚴(yán)重，存在電流幅值受限、相角受控、非工頻分量大、系統(tǒng)阻抗變化等特點(diǎn)，控制策略可能削弱故障后電氣特征、降低保護(hù)性能，使電力系統(tǒng)由傳統(tǒng)的同步電源特性向非線性、暫態(tài)受控的逆變器型的電源特性轉(zhuǎn)變。因此，基于電源電動(dòng)勢(shì)與傳輸路徑參數(shù)恒定的繼電保護(hù)適應(yīng)性受到嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

針對(duì)以上問題，依托“新型電力系統(tǒng)控制與保護(hù)協(xié)同技術(shù)研究、裝置研發(fā)及示范”課題，開展了新型電力系統(tǒng)電力電子設(shè)備與線路保護(hù)方法的研究工作，提出基于故障暫態(tài)波形時(shí)頻信息的高速主保護(hù)新原理，適用于新能源集中接入系統(tǒng)線路保護(hù)場(chǎng)景。為實(shí)現(xiàn)新型電力系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置示范應(yīng)用，在該新建500 kV變電站A至光伏電站B的220 kV線路上開展新型電力系統(tǒng)保護(hù)裝置試點(diǎn)應(yīng)用。

目前已配置的220 kV線路保護(hù)裝置為南京南瑞繼保和北京四方線路保護(hù)裝置，新型保護(hù)裝置（單套）建議單獨(dú)組屏。保護(hù)通道一、通道二均采用專用光纖芯通道，同時(shí)保護(hù)裝置信號(hào)接保信子站，智能錄波器及監(jiān)控后臺(tái)。新型電力系統(tǒng)保護(hù)裝置配置在該線路兩側(cè)，現(xiàn)場(chǎng)電流互感器CT配置情況：220 kV線路CT配置6組5P30級(jí)保護(hù)繞組，兩組用于母線差動(dòng)保護(hù)、兩組用于線路保護(hù)，一組用于故障錄波，剩余一組備用繞組，可用于新型電力系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置試運(yùn)行，CT配置具備試點(diǎn)應(yīng)用條件。

3 新型繼電保護(hù)裝置測(cè)試方案

繼電保護(hù)裝置的輸入信號(hào)可以來自于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行或物理模擬電力系統(tǒng)配套的電力系統(tǒng)互感器二次側(cè)模擬量，也可以來自于數(shù)字仿真模型生成的二次側(cè)數(shù)字量經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊產(chǎn)生的二次側(cè)模擬量。

現(xiàn)有的繼電保護(hù)裝置測(cè)試方案主要包括繼電保護(hù)測(cè)試儀為主的電流保護(hù)、距離保護(hù)和差動(dòng)保護(hù)測(cè)試技術(shù)[8]、基于物理動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)的繼電保護(hù)測(cè)試技術(shù)[9]、基于實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)的繼電保護(hù)測(cè)試技術(shù)[10]。不管采用何種方法，其核心是如何獲取與真實(shí)故障類似的電壓電流波形，以此波形送入繼電保護(hù)裝置，并采集繼電保護(hù)裝置出口信號(hào)，判定新型繼電保護(hù)裝置的適應(yīng)性與動(dòng)作性能。對(duì)含新能源的新型電力系統(tǒng)故障暫態(tài)波形的生成技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，見圖2所示。據(jù)此可知，為適應(yīng)不同比例、不同接入位置、不同控制策略新能源接入電網(wǎng)場(chǎng)景下的繼電保護(hù)裝置測(cè)試分析需要，數(shù)字仿真具有較大的靈活性，便于開展現(xiàn)階段新型繼電保護(hù)裝置的測(cè)試需要。

圖2 新型電力系統(tǒng)故障暫態(tài)波形生成技術(shù)

在本次示范項(xiàng)目中，為保證新型繼電保護(hù)裝置在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的適應(yīng)性，提出了圖3所示的測(cè)試方案。

圖3 新型繼電保護(hù)裝置測(cè)試驗(yàn)證方案示意圖

該方案考慮了輸電線路上游和下游同步發(fā)電機(jī)組、光伏發(fā)電站和風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的機(jī)組組合情況，也計(jì)及了輸電線路兩端步發(fā)電機(jī)組、光伏發(fā)電站和風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)不同裝機(jī)容量比例下的輸電線路兩側(cè)短路電流、短路電壓特征，可實(shí)現(xiàn)新型電力系統(tǒng)輸電線路繼電保護(hù)裝置性能的全面測(cè)試。即考慮大區(qū)域內(nèi)電網(wǎng)的特征，也適應(yīng)待測(cè)試輸電線路周邊新能源滲透率的快速發(fā)展，可大幅提高輸電線路繼電保護(hù)的測(cè)試結(jié)果可信度。在此背景下，如果要驗(yàn)證基于暫態(tài)量的新型繼電保護(hù)算法的普適性，則需要構(gòu)建海量的電力系統(tǒng)模型（不同的風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、儲(chǔ)能裝置、直流輸電的自身容量、控制策略及接入位置），以及設(shè)置海量的故障情況（不同的故障位置、故障過渡電阻、故障初相角）來進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。測(cè)試效率過低，且無法保證在新場(chǎng)景下的繼電保護(hù)算法的適應(yīng)性。

與此同時(shí)，在實(shí)際數(shù)字仿真驗(yàn)證中，尚無法考慮各類潛在新能源接入場(chǎng)景進(jìn)行故障仿真，且數(shù)字仿真波形與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)波形往往有較大差距，無法反映現(xiàn)場(chǎng)故障波形中的各類電力電子設(shè)備、開關(guān)操作、電磁干擾環(huán)境等影響，以測(cè)試?yán)^電保護(hù)裝置在各類場(chǎng)景下的動(dòng)作性能。因此，項(xiàng)目組還提出了一種新型電力系統(tǒng)故障暫態(tài)波形自動(dòng)生成方法，其主要思路是先從多維時(shí)頻特征分析出發(fā)，融合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)波形，得出新能源場(chǎng)站集中送出區(qū)域故障波形的特征區(qū)域，然后基于根據(jù)條件對(duì)抗生成網(wǎng)絡(luò)（conditional generative adversarial network，CGAN），自動(dòng)生成海量典型的新型電力系統(tǒng)故障波形，為基于暫態(tài)量的繼電保護(hù)算法測(cè)試驗(yàn)證提供重要技術(shù)支撐，大幅提高繼電保護(hù)的測(cè)試可信度。

具體如下：

步驟1，通過現(xiàn)場(chǎng)故障錄波圖或物理模擬仿真平臺(tái)或數(shù)字仿真平臺(tái)，獲取新型電力系統(tǒng)各設(shè)備（儲(chǔ)能電站、光伏電站、風(fēng)電場(chǎng)、柔性直流輸電換流設(shè)備、常規(guī)交流輸電線路）出口處、各類型故障（單相接地、兩相短路、兩相接地短路、三相短路）、各故障條件（故障過渡電阻、故障初相角）的暫態(tài)波形圖，上述波形的采樣率統(tǒng)一為fc，一般可取為10 kHz；每個(gè)故障波形的采樣點(diǎn)總數(shù)均為n，一般可取為50。

步驟2，對(duì)這些實(shí)際新型電力系統(tǒng)故障暫態(tài)波形進(jìn)行時(shí)域和頻域分析，提取第k個(gè)故障波形的26個(gè)特征參量，并獲取這些特征量的區(qū)間范圍。具體包括：時(shí)域平均值X1k、故障波形時(shí)域標(biāo)準(zhǔn)差X2k、故障波形時(shí)域偏度X3k、故障波形時(shí)域峭度X4k、故障波形時(shí)域最大值X5k、故障波形時(shí)域最小值X6k、故障波形時(shí)域峰峰值X7k、故障波形時(shí)域均方根X8k、故障波形時(shí)域振幅因數(shù)X9k、故障波形時(shí)域波形因數(shù)X10k、故障波形時(shí)域沖擊因數(shù)X11k、故障波形時(shí)域裕度因數(shù)X12k、故障波形時(shí)域能量X13k，共計(jì)13維時(shí)域特征值；頻譜結(jié)果的平均值F1k、標(biāo)準(zhǔn)差F2k、偏度F3k、峭度F4k、最大值F5k、最小值F6k、峰峰值F7k、均方根F8k、振幅因數(shù)F9k、波形因數(shù)F10k、沖擊因數(shù)F11k、裕度因數(shù)F12k、能量F13k，共計(jì)13維頻域特征值。

步驟3，對(duì)新型電力系統(tǒng)各設(shè)備（儲(chǔ)能電站、光伏電站、風(fēng)電場(chǎng)、柔性直流輸電換流設(shè)備、常規(guī)交流輸電線路）出口處、各類型故障（單相接地、兩相短路、兩相接地短路、三相短路）、各故障條件（故障過渡電阻、故障初相角）的故障運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行編碼。具體而言，設(shè)備i在發(fā)生故障類型為j時(shí)，若故障過渡電阻為p歐姆且故障初相角為q角度時(shí)，則編碼值為：i×1000+j×100+round(p/10)+round(q/10)。

各參數(shù)取值具體為：

步驟4，如圖4所示，構(gòu)建新型電力系統(tǒng)故障暫態(tài)波形的條件對(duì)抗生成網(wǎng)絡(luò)，重點(diǎn)包括一個(gè)條件信息c、一個(gè)生成器、一個(gè)判別器。生成器輸出的為維數(shù)為n的時(shí)間序列，判別器判斷生成器輸出的n維時(shí)間序列與步驟2中實(shí)際生成的故障暫態(tài)波形之間的相似程度，條件信息c為步驟2中26維時(shí)頻域特征值所屬區(qū)間范圍，其同時(shí)作為判別器和生成器的輸入。

圖4 故障暫態(tài)波形條件對(duì)抗生成網(wǎng)絡(luò)

步驟4.1，按步驟3中編碼值，從小到大分別單獨(dú)訓(xùn)練形成條件生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)。將編碼值相同下的故障波形，按步驟2中形成的26維時(shí)頻域特征值所屬區(qū)間范圍，形成26維的條件信息c。

構(gòu)建適應(yīng)新型電力系統(tǒng)故障暫態(tài)波形的條件對(duì)抗生成網(wǎng)絡(luò)的條件信息c，具體為步驟2中形成的26維時(shí)頻域特征值所屬區(qū)間范圍。

步驟4.2，生成器主要是對(duì)隨機(jī)生成的n個(gè)數(shù)據(jù)組成的序列進(jìn)行生成，并同時(shí)附帶26維的條件信息c作為輸入，以便對(duì)生成器波形打上符合實(shí)際故障波形的特征標(biāo)簽，n與步驟1中的每個(gè)故障波形的采樣點(diǎn)總數(shù)保持一致。生成器構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)采用長短記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Long-short term memory neural network），便于生成前后聯(lián)系的波形數(shù)據(jù)。

步驟4.3，判別器采用常規(guī)的生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)中的判別函數(shù)，判斷步驟4.2中生成的n維時(shí)間序列與步驟3中同一編碼值下的暫態(tài)波形的相似性，同時(shí)將條件信息c也作為判別器的輸入，進(jìn)一步提高條件生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)生成指定26維時(shí)頻域特征值區(qū)間暫態(tài)波形的訓(xùn)練速度并保證良好的收斂性，避免傳統(tǒng)生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)無區(qū)別的生成波形序列并被誤判為真實(shí)暫態(tài)故障波形。

步驟4.4，新型電力系統(tǒng)故障暫態(tài)波形的條件對(duì)抗生成網(wǎng)絡(luò)在訓(xùn)練中，損失函數(shù)根據(jù)步驟3中的各編碼值進(jìn)行微調(diào)，避免所構(gòu)建的生成網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)模式坍塌問題。

步驟4.5，保存各編碼值下訓(xùn)練好的生成器。

步驟5，根據(jù)步驟4得出的生成器，即可批量生成步驟3中各編碼值對(duì)應(yīng)場(chǎng)景下的新型電力系統(tǒng)故障暫態(tài)波形。

相比傳統(tǒng)新型電力系統(tǒng)繼電保護(hù)測(cè)試驗(yàn)證時(shí)構(gòu)建海量的電力系統(tǒng)模型（不同的風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、儲(chǔ)能裝置、直流輸電的自身容量、控制策略及接入位置），以及設(shè)置海量的故障情況（不同的故障位置、故障過渡電阻、故障初相角）來進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，提出的新型電力系統(tǒng)故障暫態(tài)波形自動(dòng)生成方法，先通過26維故障波形時(shí)頻域特征值構(gòu)建條件對(duì)抗生成網(wǎng)絡(luò)中的條件值，然后根據(jù)各故障場(chǎng)景微調(diào)損失函數(shù)來提高條件對(duì)抗生成網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練效率。所得到的生成器可以自動(dòng)生成海量典型的新型電力系統(tǒng)故障波形，避免繁雜的搭建模型、更改故障參數(shù)、提取波形等過程，可大幅提高繼電保護(hù)的測(cè)試效率。

4 結(jié)束語

本文通過某實(shí)際的新能源場(chǎng)站集中并網(wǎng)區(qū)域的新能源場(chǎng)站、電網(wǎng)接線及繼電保護(hù)裝置配置情況，分析了新型繼電保護(hù)裝置示范應(yīng)用的必要性，針對(duì)各新能源場(chǎng)站接入容量變化、外部電網(wǎng)變化、各逆變器控制策略不同等各類場(chǎng)景下繼電保護(hù)裝置適應(yīng)性及動(dòng)作性能存在明顯差異這一情況，提出了一種以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)區(qū)域線路故障時(shí)的電壓和電流波形生成方法，為新能源場(chǎng)站集中并網(wǎng)區(qū)域繼電保護(hù)裝置測(cè)試提供了可行方案。