新型电力系统故障暂态电气量频域特征及其应用

CEPRI-IEEEPES第七期 电力能源青年论坛新型电力系统故障特征及继电保护技术 新型电力系统故障暂态电气量频域特征及其应用 郑晓冬 上海交通大学 2023年3月23日 xiaodongzheng@sjtu.edu.cn 电力系统电源和输电形式的转变 在“双碳”目标背景下，传统电力系统向新型电力系统转变，电力系统的电源和输电形式发生变化。以旋转电源为主的电力系统向换流站、逆变器等逆变型电源和旋转电源共存的电力系统转变在这一过程中系统的故障特征将发生变化。 传统电力系统新型电力系统 火电+光伏发电 交流输电电力系统转变 火电交流输电 水电风力发电水电直流输电 旋转电源换流站、逆变器旋转电源 电力系统电源和输电形式的转变 在“双碳”目标背景下，传统电力系统向新型电力系统转变，电力系统的电源和输电形式发生转 变。以旋转电源为主的电力系统向换流站、逆变器等逆变型电源和旋转电源共存的电力系统转变 在这一过程中系统的故障特征将发生变化。 传统电力系统新型电力系统 故障电流 幅值受限 故障电流幅值为正常负荷电流7-10倍故障特征转变故障电流幅值为正常负荷电流1-2倍 故障电流相位受控 故障后线路两侧故障相电流相位相近故障后线路两侧故障相电流相位差大 电力系统故障特征的变化 传统电力系统故障电气量演化及保护时序图 纵联工频变化量保护电流差动保护距离Ⅱ段 暂态量全线路<10ms③全线路<25ms② 零序差动 保护工频变化量距离距离I段 近端<10ms，末端<0ms@②20msQ2? 故障0时刻 5ms20ms25ms 电磁电磁暂态电磁暂态 中期 暂态后期 前期 波过程阶段 旋转电源拓扑影响主导高频暂态量工频量变化为主，工频故障 高频暂态量丰富快速衰减电流幅值大，相位接近 ①南瑞RCS-931A超高压线路保护②许继WXH-803A超高压线路保护③南瑞RCS-901A超高压线路保护 电力系统故障特征的变化 新型电力系统故障电气量演化及保护时序图 纵联工频变化量保护电流差动保护距离Ⅱ段 暂态量全线路<10ms③全线路<25ms② 零序差动 保护工频变化量距离距离I段 近端<10ms，末端<20ms①②20msQ2@ 故障0时刻 波过程阶段 5ms20ms25ms 电磁电磁暂态电磁暂态 前期 暂态中期后期 固有控制控制 拓扑响应保持 响应阶段阶段 混合拓扑影响，高电力电子设备电力电子设备控制策略持续作用频暂态量丰富控制策略开始生效工频故障电流幅值受限，相位受控 ①南瑞RCS-931A超高压线路保护②许继WXH-803A超高压线路保护③南瑞RCS-901A超高压线路保护 电力系统故障特征的变化 新型电力系统故障后时序图 纵联工频变化量保护电流差动保护距离Ⅱ段 暂态量全线路<10ms③全线路5ms?2 零序差动 保护工频变化量距离距离I段 近端<10ms，末端<20ms?②~20ms023 5ms20ms25ms 波电磁电磁暂态电磁暂态 故障0时刻 过程阶段 暂态中期后期 前期 固有控制控制 拓扑响应保持 响应阶段阶段 一、新型电力系统故障特征受系统拓扑结构的影响，更受控制策略作用； 二、控制策略贯穿故障全过程，对各类型的工频保护性能产生影响。 ①南瑞RCS-931A超高压线路保护②许继WXH-803A超高压线路保护③南瑞RCS-901A超高压线路保护 对传统工频保护造成的影响 距离保护逆变型电源交流系统 R. MN ZMUM αZL+Rg(l IMIM附加阻抗幅值大 Zadd +故障电流幅值受限Zadd>>Rg Zadd=Rg(1+ IMada +故障电流相位受控 ±0 add 附加阻抗呈 阻容性/阻感性 对传统工频保护造成的影响 距离保护逆变型电源交流系统 R MN αz aZ. 保护动作区域保护动作区域 RR a）阻容性附加阻抗影响下距离保护误动(b）阻感性附加阻抗影响下距离保护拒动 对传统工频保护造成的影响 电流保护逆变型电源 M 交流系统 MN 传统电流保护的整定值是躲开线路未端的最大短路电流。 常规双端旋转电源系统 传统电流保护整定值 单端逆变电源系统 ML 故障电流与故障距离关系 对传统工频保护造成的影响 电流差动保护 逆变型电源交流系统 电流差动保 (Ia=im+iN|≥Klim-iN M PI IM A≤90° IMxIn △0>90°INxIMx 40>90°INx INx(b)两侧电流相位差大于90°(c)两侧电流相位差大于90°(a)两侧电流相位差小于90°且幅值相差较大且幅值相差较小 一、若线路两侧保护安装处得测量电流相位差≤90°，差动保护能够正常动作；二、若线路两侧保护安装处得测量电流相位差>90° ②且电流幅值相差较大，差动电流约等于制动电流，差动保护灵敏度降低； ②且电流幅值相差较小，差动电流小于制动电流，差动保护灵敏度降低甚至拒动。 对传统工频保护造成的影响 选相元件 以突变量选相为例 交流系统交流系统 ZLM MN M侧保护安装处两相电流差的变化量分别以AiAB、AIBC、AIcA表示 △IAB=(1—α2)CiI+(1a)C2△I,ZLM.1+ZLN.1 △iBc=(α²-a)Ci△i+(α-α²)C,△ △IcA=(α—1)Ci△I1+(α2—1)C2△i, ZLM.2+ZIN.2 △iAB=[(1-α?)Ci+(1-a)C2l△ii 发生A相接地故障时，△11=△12上式化为： iBcl=[(α²-a)Ci+(a-α2)C2lAi △IcA=I(a-1)C1+(αa²-1)C2/△I) 对传统工频保护造成的影响 选相元件 以突变量选相为例： 逆变型电源交流系统 ZLMZLN MN 将M侧旋转电源替换为逆变电源 ZsM不稳定， 出Zs现M.1与明Zs显M.2差异 C1±C2 [iAB、Bc、icAl 大小关系不确定，突变量选相元件适应性下降 对传统工频保护造成的影响 选相元件 逆变型电源交流系统 以序分量选相为例M ZLMZLN MN 定义不对称故障下零负序电流相位差α来判定故障相，α=arg A相、BC两相接地故障 90° -30° 将M侧旋转电源替换为逆变电源 负序电流抑制 C相、AB两相接地故障逆变电源侧的故障电流中 负序电流分量i2极小 B相、CA两相接地故障 210° α取值不稳定，序分量选相元件失效 参考文献：WXH-803A说明书 对传统工频保护造成的影响 总结 工频保护受影响原因受影响程度 距离保护I段 距离保护II段 故障电流幅值受限、相位受控特性导致的大幅值阻容性/阻感性附加阻抗 故障电流幅值受限，相位受控特性导致 的大幅值阻容性/阻感性附加阳阻抗 存在拒动、误动风险 可能无法覆盖本段线路全长 电流保护故障电流幅值受限特性存在拒动风险 电流差动保护 选相元件 相位受控特性导致 线路两端故障电流相角差过大 故障后等效正负序阻抗存在明显差异 正负序分流系数不相等 灵敏度下降，存在拒动风险选相元件适应性下降 基于附加阻抗解析模型的距离保护 受柔性直流换流器短路电流幅值受限、相位受控特性影响，柔性直流换流站交流送出线路距离保护存在拒动、误动的问题 极1低端极1低端 VSC2换流变2 5122 5M6M 5856 5123 Iy 木读1线 等值系统 极2低端极2低端 CT18PT1PT28 渎坊线 VSC2 换流变2木渎2线 车线 5222 新型电力系统场景一：柔性直流换流站交流送出线路 3040 Zone 距离保护拒动 20距离保护误动ZoneI ()x ()x 30 -10203040 2(0 -1010203040 R(2)R(2) (a)本段线路故障(b)下级线路故障 基于附加阻抗解析模型的距离保护 利用测量阻抗、附加阻抗和实际故障阻抗的关系求取故障距离， +R ABph mc-Ammc-BmmC-Ammc-B Zod jX Zadd 传统距离保护：用测量阻抗ZAB反映故障距离 所提距离保护：用Z反映故障距离 电气量含义 >αZ：故障阻抗 o.Zi Padd A(a.)>L：线路阻抗角 B(a.)>Zadd：由过渡电阻引起的附加阻抗 >add：附加阻抗相位 >Zm：测量阻抗 R Pm：测量阻抗相位 A(α)/B(α)=tan(包含故障距离求出add与α解方程得αα的方程关系 [1]ChenxuChao,XiaodongZheng,YangWeng,YuLiu,PiaoGaoandNenglingTai,"AdaptiveDistanceProtectionBasedontheAnalyticalModelofAdditionalImpedanceforInverter-InterfacedRenewablePowerPlantsDuringAsymmetricalFaults,inIEEETransactionsonPowerDelivery,vol.37,no.5,pp.3823-3834,Oct.2022. 基于附加阻抗解析模型的距离保护 两相短路故障时，利用负序网络逆变侧开路特性求取附加阻抗角?add，进而求取故障位置 aZt(1-a)Zt(1-a)ZlaZLZs RohEsc Rgh 负序网络柔直侧开路 1-a)ZLaZLZs (+)Uc,(-) ZAB= IAL-IBLIAL-IBLZs+(1-α)Z, Zaia (-) [Zs+(1-α)z,].Ic(+) [1]ChenxuChao,XiaodongZheng,YangWeng,YuLiu,PiaoGaoandNenglingTai,"AdaptiveDistanceProtectionBasedontheAnalyticalModelofAdditionalImpedanceforInverter-InterfacedRenewablePowerPlantsDuringAsymmetricalFaults,inIEEETransactionsonPowerDelivery,vol.37,no.5,pp.3823-3834,Oct.2022. 基于附加阻抗解析模型的距离保护 接地故障时，利用保护安装处零序电流的相位求取附加阻抗角βadd，进而求取故障位置。 两相接地故障单相接地故障 37(0) ZAG=αZ=αZ,+F4+K(0)(0) =αZi+(R,+2R =αZi+(Rph+2Rg Imme-A+Imonc-B+Imudu-A+Imudhu-B Immd+Immnc-B+2K(0)(0) 37/0) 丨保护安装处零序电流和 ！故障点零序电流的关系 T(O) C(0)T(0)I Imond 保护安装处零序电流和！ 故障点零序电流关系 Padd=arg Padd=arg T(0) (0) Z./-cos(Q)tan(gaa)-Zi/sin(oPP [Zml-tan(9ada)cos(9m)-Zm/-sin(9m) Z,-cos(Qr)tan(eld)-Z,sin(Pr) 两相接地 单相接地 [1]ChenxuChao,XiaodongZheng,YangWeng,YuLiu,PiaoGaoandNenglingTai,"AdaptiveDistanceProtectionBasedontheAnalyticalModelofAdditionalImpedanceforInverter-InterfacedRenewablePowerPlantsDuringAsymmetricalFaults,inIEEETransactionsonPowerDelivery,vol.37,no.5,pp.3823-3834,Oct.2022. 基于附加阻抗解析模型的距离保护 仿真结果表明基于阻抗解析模型的距离保护能够正确区分区内外故障 =1.1843a.-=1307-=1.142 110% & =0.983 110%110% 99%%66 $5%60%S8 50%50% ~=0481=0.506 20 150150100150200 (a)过渡电阻为1(a)过渡电阻为12(a)过渡电阻为12 A-=1