“新型电力系统保护与控制技术”专栏特约主编寄语

新型电力系统中新能源占比不断提高,其电网结构、运行特性和故障特征发生了很大变化,对电网继电保护和运行控制技术提出了新的要求。新能源通过变流器并网导致电源特性发生显著变化,电力电子设备快速故障响应与电网电磁暂态过程交织耦合,使得传统的故障分析理论和继电保护技术难以适应。高比例新能源并网带来的调频能力不足、系统惯量降低、宽频振荡等问题凸显,新型电力系统的运行控制技术面临新的挑战。与此同时,新型电力系统建设也带来新的发展机遇,电力电子设备的大量应用增强了系统运行灵活性,电网故障响应特征与电力电子设备控制策略密切相关,利用电力电子设备灵活受控特性进一步提升电力系统继电保护和运行控制性能已成为新的技术发展方向。

基于波形距离系数的逆变站近区交流线路保护方向元件

逆变站仅有单回出线时,若逆变站近区交流线路发生故障,逆变站的复杂特性导致传统方向元件难以判别故障方向。文中对逆变站近区交流线路故障特征进行了分析。然后,指出了交流线路电流与交流边界元件电流时域变化量之间的相似特征,提出了利用测量电压、电流推算交流边界元件电流的电磁暂态计算方法。最后,利用时域中的交流线路电流与交流边界元件电流之间的波形距离系数在正方向和反方向故障下的差异,提出了一种新的方向判别原理,并通过大量仿真对其性能进行了验证。仿真结果表明,所提方向元件能准确识别故障方向,具有较高的可靠性和灵敏度。

双重化继电保护系统可靠性分析方法研究

忽略共因失效和隐性失效导致现有双重化保护系统可靠性研究得到的系统拒动频率与电网统计数据偏差较大。为此,提出了一种双重化继电保护系统可靠性评估方法。首先采用可靠性框图和状态空间相结合的方法建立双重化保护系统的可靠性模型,模型计及了双重化保护系统的共因失效、可修复性以及隐性失效等因素。然后提出适用于单个多状态二次设备和共因失效二次设备组的时序Monte-Carlo法,采用该方法求解可靠性模型获得双重化保护系统拒动概率和拒动频率。算例分析结果表明计及共因失效和隐性失效情况下得到的双重化保护系统拒动频率与电网统计数据较为相符,共因失效会显著减少保护系统双重化配置在可靠性方面带来的优势,提高二次设备的自检性能可以显著提高保护系统的可靠性。

逆变型新能源场站送出线时域方向元件

逆变型新能源暂态故障特征可能导致送出线保护近区故障时现有距离保护方向元件不正确动作。基于逆变型新能源故障期间输出的正序无功电流特征,文中提出了适用于逆变型新能源场站送出线的故障方向判据,通过比较故障时保护安装处正序无功电流计算值与参考值之间的欧氏距离区分正、反向故障。仿真结果表明,提出的方向元件在各种故障场景下都能够准确地判断保护近区故障方向。

逆变型分布式电源接入对接地距离保护的影响与对策

针对IIDG接入系统的110 kV联络线金属性单相接地故障,分析了线路两侧正序电压极化接地距离保护的动作性能,指出存在由故障位置和IIDG容量决定的保护失效功率边界,若负荷无功高于此边界,IIDG侧接地距离保护在正向区内故障时拒动、在正向区外故障时误动,电网侧接地距离保护在反向区外故障时误动。提出两种应对策略,对策一将IIDG接入的110 kV变压器中性点直接接地,此时正序电压极化原理仍适用于IIDG接入系统;对策二采用零序无流判据和相电压极化距离元件构成接地距离保护方案,该保护判断不受IIDG接入的影响且无死区问题。

基于罗氏线圈电流互感器的等传变距离保护

罗氏线圈电流互感器中的积分器会放大暂态传变误差,可能导致保护误动作。该文提出直接采用罗氏线圈微分信号输出进行保护计算的改进思路,并以距离保护为例,提出一种基于罗氏线圈电流互感器的等传变距离保护方法。该方法中,保护电流直接采用罗氏线圈输出的电流微分信号,消除积分器引入的暂态传变误差,并通过虚拟数字传变解决电压与电流微分信号传变不一致问题。仿真和试验结果表明,所提出的等传变距离保护方法动作速度快,受系统中高频暂态信号影响较小,性能优于现有距离保护方法。

基于饱和深度动态相量图的变压器涌流不平衡分析

为阐释高阻抗变压器三相涌流严重不平衡的产生机理,定义了可反映三相涌流不平衡特性的铁心“饱和深度”概念,并结合相量理论提出了基于饱和深度动态相量图的涌流不平衡特性分析方法。基于该方法可直观掌握变压器运行时各相铁心饱和深度随分合闸角度及时间的变化规律,从而快速辨识涌流极限不平衡的边界角度。不同分合闸角度时的数值模拟结果表明不平衡度和零序电流大小趋势基本一致,仿真和录波验证了出现涌流极限不平衡和零序电流峰值的边界角度的一致性。基于高阻抗变压器参数特征及边界角度,阐释了高阻抗变压器因原边零模涌流变大和副边环流变小两方面原因导致三相涌流严重不平衡的现象。

基于无功电流波形相关性的逆变型电源电站送出线故障方向判别原理

受逆变型电源弱馈、电源阻抗变化等故障特性的影响,使用正序电压或记忆电压作为极化电压的方向元件可能会出现误动作的情况。为了解决该问题,提出了一种基于无功电流波形相关性的故障方向判别原理。利用故障期间逆变型电源与同步发电机正序电流的差异,通过计算无功电流测量波形与参考波形的相关系数判断故障方向。当逆变型电源侧发生正向故障时,无功电流测量波形与参考波形基本一致;发生反向故障时,无功电流测量波形与参考波形存在显著差异。仿真结果表明:提出的保护判据在不同的故障情况下都能够可靠、灵敏地判断故障方向。

逆变站交流出线保护近区故障方向判别方法

逆变站作为交直流混合电网的核心枢纽,其故障特性相较于传统同步机更加复杂。逆变站交流出线发生故障时,受逆变站故障特性影响,传统基于工频量的保护无法正确动作。通过分析逆变站交流出线两端系统故障特性差异,基于R-L模型时域微分方程算法,提出了一种新型方向元件。当逆变站交流出线发生短路故障时,直流系统侧提供的故障电流和受端交流系统提供的故障电流特性差异极大,通过计算测量电压降落和计算电压降落变化趋势的相关系数,所提方向元件可正确判断故障方向。分析表明,所提出的方向元件适用于逆变站交流出线线路保护,且在逆变站仅有一条出线的情况下仍能正确动作。仿真结果表明,该方向元件具有良好的保护性能,不受雷击、故障类型、逆变站换相失败等因素的影响。

远距离输电线路等传变瞬时值差动保护

研究表明线路分布电压、电流经过相同的线性电路传变后,其相互关系仍符合原线路分布参数模型,工频附近的电压信号在线路上接近线性分布。在此基础上,提出一种用于远距离输电线路保护的等传变瞬时值差动保护方法,该方法从线路一次电气量到用于差动保护计算的瞬时值,电压和电流经过的传变环节基本相同。首先将电流采样值经虚拟数字CVT处理,然后对电压和电流采样值通过相同的低通滤波处理。由线路电压瞬时值分别实时计算出流入并联电抗器和流入线路Π型等值电路两侧电容的电流瞬时值,再从线路每侧电流除去这两部分电流,用得到的新电流瞬时值作常规采样值差动和故障分量采样值差动保护计算。ATP仿真表明,等传变瞬时值差动保护可靠性高、动作速度快、耐过渡电阻能力强、具有选相能力。

输电线路分布参数频率特性对能量平衡保护的影响

能量平衡保护通过比较2种计算方法获得的线路输入能量的差异来区分区内外故障,一种方法是实测能量,另一种方法是基于无内部故障的线路分布参数模型计算其能量消耗。文章分析了输电线路零序参数和正序参数的频率特性,说明了正序参数中仅电阻随频率升高而增大,电感和电容基本不变。从而在理论上证明了采用对应正序参数模分量的能量平衡保护的性能基本不受输电线路分布参数频率特性的影响,此结论得到了ATP仿真结果的验证。

超高压线路等传变快速距离保护

基于输电线路等传变理论分析可知,电容式电压互感器(capacitive voltage transformer,CVT)的暂态特性会造成参与距离保护计算的电压和电流经过的传变环节不一致,是引起距离保护暂态超越的重要因素。因此提出一种等传变快速距离保护方案,使保护安装处的三相电压和电流与故障点电压经过相同的传变环节,新方法主要包括3个步骤,即故障点电压的重新构造、虚拟数字传变以及求解R-L模型微分方程。ATP仿真结果表明,所提方法能有效地减小了CVT引起的暂态误差,故障后15 ms左右测距误差不超过5%,明显优于基于CVT暂态误差估计或系统线路阻抗比的各种自适应保护算法(测距误差不超过5%一般需要30 ms以上)。

超高压长线相量差动保护的研究

针对超高压长线电容电流对差动保护的影响 ,使用 EMTP分析、比较了普通相量差动保护和故障分量相量差动保护的动作特性。仿真结果表明 ,对于两端供电超高压长线 ,带电容补偿的故障分量相量差动保护具有明显地高灵敏度和选择性 ;仿真结果还显示 ,在单侧电源和空投于故障线路情况下 。

远距离输电线路的能量平衡保护

提出了一种应用能量平衡关系实现远距离输电线路保护的新原理。该原理采用 2种方法计算在同一时间内输入输电线路的能量 ,然后进行相互比较 ,区分内部和外部故障。EMTP仿真结果表明此方案耐过渡电阻能力强 ,不受电力系统运行方式的影响 ,动作速度快。

基于PSASP短路计算的区域电网等值方法

使用PSCAD/EMTDC软件对大型区域电网的局部线路和附近区域进行电磁暂态分析,需要将区域电网分为内部网络和外部网络2部分,对外部网络进行等值简化。传统的网络等值方法需要建立被等值系统的节点导纳矩阵,通过高斯消元法化简网络,计算工作量巨大。为此提出了基于PSASP短路计算的区域电网等值方法。通过全部边界节点的同时短路获得注入电流源参数。然后采用边界节点逐一短路,获得与边界节点数目相同的节点电压方程组,联立求解出节点导纳矩阵。新方法直接求解边界节点对应参数,计算量小。含特高压线路的大型区域电网仿真分析表明,PSASP原网络和PSCAD/EMTDC等值网络的短路电流基本一致,验证了等值方法正确性。最后分析比较了新方法与传统的静态等值方法,探讨了新方法的适用范围。

小矢量算法浅析

文中首先简述小矢量的基本算法 ,通过对小矢量算法的幅频特性分析以及与全波傅里叶算法对比 ,得出需谨慎使用 1 /4工频周期小矢量算法的结论 ,且不推荐在距离保护中采用。然后从电流差动保护的基本原理出发 ,得出采用小矢量算法可以在保证可靠性的前提下有效地提高保护的动作速度 ,并用 EMTP仿真验证了这一结论。

绝缘地线间隙放电对距离保护影响的研究

首先从理论上分析了绝缘地线间隙放电对距离保护的影响 ,并且用ATP对几种常见的接地距离保护进行了充分的数字仿真 。

一种特高压3/2接线纵差保护抗电流互感器饱和措施

特高压长线路3/2接线侧母线附近区外故障时2个分电流互感器都有可能饱和,使引入2个电流互感器和电流的相量差动保护遇到了较大困难。提出了一种实用抗电流互感器饱和措施,采用低电压启动判据筛选出可能引起电流互感器饱和的3／2接线侧母线附近的区内和区外故障,然后根据短数据窗电流不饱和的特点,采用适当的定值区分3/2接线侧母线附近区内故障差流和区外故障分布电容电流,从而通过闭锁防止区外故障因饱和误动。该方法已在实验样机中得到应用, 并成功地通过保护动模试验。

基于虚拟电容式电压互感器的能量平衡保护

电容式电压互感器(CVT)传变特性使继电保护装置获得二次电压和电流瞬时值不再满足被保护输电线路分布参数模型,影响了能量平衡保护的可靠性。该文提出基于虚拟CVT的能量平衡保护新方案。该方案将保护获得的电流量经过虚拟数字CVT传变后,再进行能量平衡保护计算。为论证基于虚拟CVT能量平衡保护的可靠性,文中从理论上分析均匀输电线路分布的电压和电流量经过同样的CVT传变后,暂态电压与电流的相互关系仍满足输电线路分布参数模型,并进一步推论出线路分布电压和电流量经过相同的线性电路传变后其相互关系也不发生改变,这就为输电线路保护应用传变后信息量提供了理论参考。最后用ATP仿真验证基于虚拟CVT能量平衡保护新方案。

分相电流差动线路保护中零序差动作用分析

分相电流差动保护装置中一般都配置零序差动保护 ,目的是为了提高保护装置的耐过渡电阻能力。经分析表明 ,零序差动保护并不比故障分量差动保护的灵敏度高 ,并且其整定需躲过外部三相短路时的不平衡电流。