新能源場站集中并網(wǎng)區(qū)域繼電保護裝置測試技術

張麗，李勝男，唐金銳，付士亮

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

0 前言

云南全省新能源裝機容量快速增長，部分地區(qū)光伏/風電裝機容量已達數(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)建設提供了有益借鑒。

受國內(nèi)資源稟賦影響，現(xiàn)階段光伏/風電滲透率較高區(qū)域一般處于用電負荷較低區(qū)域，網(wǎng)架較為薄弱，往往會通過新增500 kV變電站/輸電線路、200 kV變電站/220 kV線路來實現(xiàn)新增大規(guī)模新能源場站的消納。新能源場站集中送出區(qū)域往往含有數(shù)個乃至十幾個大型的新能源場站，這些新能源場站再通過110 kV或者220 kV線路進行聯(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存在不同電氣距離的不同新能源場站提供。新能源場站內(nèi)的各并網(wǎng)逆變器設備與場站升壓站距離各有不同，不同新能源場站內(nèi)的各光伏逆變器、風電場并網(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，對傳統(tǒng)繼電保護裝置的起動元件、選相元件、各保護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)造成整個區(qū)域內(nèi)電力電子設備的控制動作，影響到工頻故障分量的分析。且若送出線路被切除，則會帶來送出區(qū)域部分地區(qū)形成源網(wǎng)荷儲獨立運行電網(wǎng)[7]，內(nèi)部更是以新能源為絕對主導，傳統(tǒng)繼電保護裝置的適應性以及動作性能更是需要全面評估并開展測試驗證，確保該區(qū)域的穩(wěn)定安全供電。

1 某新能源場站集中送出區(qū)域分析

云南某區(qū)域計劃光伏裝機共計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)前期分析結論，光伏電站A，裝機容量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，裝機容量100 MW，通過單回220 kV與裝機容量為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，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個大規(guī)模新能源場站，僅通過單條500 kV線路與500 kV變電站B相連，該區(qū)域新能源裝機容量達到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保護，每套保護具有階段式相間距離、接地距離及零序方向過流保護及反時限零序過流保護的后備保護功能。每套主保護與遠方跳閘、過電壓保護采用一體化裝置。線路保護直接模擬量電纜采樣，直接GOOSE跳斷路器；經(jīng)GOOSE網(wǎng)絡啟動斷路器失靈、重合閘；站內(nèi)其他裝置經(jīng)GOOSE網(wǎng)絡啟動遠跳。每套保護采用雙通道，且均采用彼此獨立的光纖通道，采用專用光纖芯+復用2 M光纖通信電路的方式傳送保護信號。

圖1 新能源場站集中送出區(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保護，每套保護均帶有完善的反應相間故障及接地故障的后備保護。線路保護直接模擬量電纜采樣，直接GOOSE跳斷路器；經(jīng)GOOSE網(wǎng)絡啟動斷路器失靈、重合閘；站內(nèi)其他裝置經(jīng)GOOSE網(wǎng)絡啟動遠跳。

每套保護采用雙通道，且均采用彼此獨立的光纖通道，采用專用光纖芯+復用2 M光纖通信電路的方式傳送保護信號。

2 新型繼電保護裝置示范應用情況

新能源等電力電子設備接入電網(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，控制策略可能削弱故障后電氣特征、降低保護性能，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變。因此，基于電源電動勢與傳輸路徑參數(shù)恒定的繼電保護適應性受到嚴峻挑戰(zhàn)。

針對以上問題，依托“新型電力系統(tǒng)控制與保護協(xié)同技術研究、裝置研發(fā)及示范”課題，開展了新型電力系統(tǒng)電力電子設備與線路保護方法的研究工作，提出基于故障暫態(tài)波形時頻信息的高速主保護新原理，適用于新能源集中接入系統(tǒng)線路保護場景。為實現(xiàn)新型電力系統(tǒng)繼電保護裝置示范應用，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)保護裝置試點應用。

目前已配置的220 kV線路保護裝置為南京南瑞繼保和北京四方線路保護裝置，新型保護裝置（單套）建議單獨組屏。保護通道一、通道二均采用專用光纖芯通道，同時保護裝置信號接保信子站，智能錄波器及監(jiān)控后臺。新型電力系統(tǒng)保護裝置配置在該線路兩側，現(xiàn)場電流互感器CT配置情況：220 kV線路CT配置6組5P30級保護繞組，兩組用于母線差動保護、兩組用于線路保護，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)繼電保護裝置試運行，CT配置具備試點應用條件。

3 新型繼電保護裝置測試方案

繼電保護裝置的輸入信號可以來自于現(xiàn)場實際運行或物理模擬電力系統(tǒng)配套的電力系統(tǒng)互感器二次側模擬量，也可以來自于數(shù)字仿真模型生成的二次側數(shù)字量經(jīng)數(shù)模轉換模塊產(chǎn)生的二次側模擬量。

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

圖2 新型電力系統(tǒng)故障暫態(tài)波形生成技術

在本次示范項目中，為保證新型繼電保護裝置在現(xiàn)場應用的適應性，提出了圖3所示的測試方案。

圖3 新型繼電保護裝置測試驗證方案示意圖

該方案考慮了輸電線路上游和下游同步發(fā)電機組、光伏發(fā)電站和風力發(fā)電場的機組組合情況，也計及了輸電線路兩端步發(fā)電機組、光伏發(fā)電站和風力發(fā)電場不同裝機容量比例下的輸電線路兩側短路電流、短路電壓特征，可實現(xiàn)新型電力系統(tǒng)輸電線路繼電保護裝置性能的全面測試。即考慮大區(qū)域內(nèi)電網(wǎng)的特征，也適應待測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的測試結果可信度。在此背景下，如果要驗證基于暫態(tài)量的新型繼電保護算法的普適性，則需要構建海量的電力系統(tǒng)模型（不同的風力發(fā)電、光伏發(fā)電、儲能裝置、直流輸電的自身容量、控制策略及接入位置），以及設置海量的故障情況（不同的故障位置、故障過渡電阻、故障初相角）來進行測試驗證。測試效率過低，且無法保證在新場景下的繼電保護算法的適應性。

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

具體如下：

步驟1，通過現(xiàn)場故障錄波圖或物理模擬仿真平臺或數(shù)字仿真平臺，獲取新型電力系統(tǒng)各設備（儲能電站、光伏電站、風電場、柔性直流輸電換流設備、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；每個故障波形的采樣點總數(shù)均為n，一般可取為50。

步驟2，對這些實際新型電力系統(tǒng)故障暫態(tài)波形進行時域和頻域分析，提取第k個故障波形的26個特征參量，并獲取這些特征量的區(qū)間范圍。具體包括：時域平均值X1k、故障波形時域標準差X2k、故障波形時域偏度X3k、故障波形時域峭度X4k、故障波形時域最大值X5k、故障波形時域最小值X6k、故障波形時域峰峰值X7k、故障波形時域均方根X8k、故障波形時域振幅因數(shù)X9k、故障波形時域波形因數(shù)X10k、故障波形時域沖擊因數(shù)X11k、故障波形時域裕度因數(shù)X12k、故障波形時域能量X13k，共計13維時域特征值；頻譜結果的平均值F1k、標準差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13維頻域特征值。

步驟3，對新型電力系統(tǒng)各設備（儲能電站、光伏電站、風電場、柔性直流輸電換流設備、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）的故障運行狀態(tài)進行編碼。具體而言，設備i在發(fā)生故障類型為j時，若故障過渡電阻為p歐姆且故障初相角為q角度時，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，構建新型電力系統(tǒng)故障暫態(tài)波形的條件對抗生成網(wǎng)絡，重點包括一個條件信息c、一個生成器、一個判別器。生成器輸出的為維數(shù)為n的時間序列，判別器判斷生成器輸出的n維時間序列與步驟2中實際生成的故障暫態(tài)波形之間的相似程度，條件信息c為步驟2中26維時頻域特征值所屬區(qū)間范圍，其同時作為判別器和生成器的輸入。

圖4 故障暫態(tài)波形條件對抗生成網(wǎng)絡

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

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

步驟4.2，生成器主要是對隨機生成的n個數(shù)據(jù)組成的序列進行生成，并同時附帶26維的條件信息c作為輸入，以便對生成器波形打上符合實際故障波形的特征標簽，n與步驟1中的每個故障波形的采樣點總數(shù)保持一致。生成器構建網(wǎng)絡采用長短記憶神經(jīng)網(wǎng)絡（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)的生成對抗網(wǎng)絡中的判別函數(shù)，判斷步驟4.2中生成的n維時間序列與步驟3中同一編碼值下的暫態(tài)波形的相似性，同時將條件信息c也作為判別器的輸入，進一步提高條件生成對抗網(wǎng)絡生成指定26維時頻域特征值區(qū)間暫態(tài)波形的訓練速度并保證良好的收斂性，避免傳統(tǒng)生成對抗網(wǎng)絡無區(qū)別的生成波形序列并被誤判為真實暫態(tài)故障波形。

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

步驟4.5，保存各編碼值下訓練好的生成器。

步驟5，根據(jù)步驟4得出的生成器，即可批量生成步驟3中各編碼值對應場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)繼電保護測試驗證時構建海量的電力系統(tǒng)模型（不同的風力發(fā)電、光伏發(fā)電、儲能裝置、直流輸電的自身容量、控制策略及接入位置），以及設置海量的故障情況（不同的故障位置、故障過渡電阻、故障初相角）來進行測試驗證，提出的新型電力系統(tǒng)故障暫態(tài)波形自動生成方法，先通過26維故障波形時頻域特征值構建條件對抗生成網(wǎng)絡中的條件值，然后根據(jù)各故障場景微調(diào)損失函數(shù)來提高條件對抗生成網(wǎng)絡的訓練效率。所得到的生成器可以自動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的測試效率。

4 結束語

本文通過某實際的新能源場站集中并網(wǎng)區(qū)域的新能源場站、電網(wǎng)接線及繼電保護裝置配置情況，分析了新型繼電保護裝置示范應用的必要性，針對各新能源場站接入容量變化、外部電網(wǎng)變化、各逆變器控制策略不同等各類場景下繼電保護裝置適應性及動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)域線路故障時的電壓和電流波形生成方法，為新能源場站集中并網(wǎng)區(qū)域繼電保護裝置測試提供了可行方案。