新型电力系统继电保护技术探索与展望报告

报告人：郑玉平 内容 新型电力系统形态 继电保护技术挑战 继电保护新技术探索 总结与展望 新型电力加系统形态 口构建新型电力系统是我国实现“双碳”目标的必然选择 新型电力系统将支撑电能广泛替代，服务全社会降碳脱碳 新型电力系统将发挥电网互联优势，实现各类发电资源的共享和互济。 新型电力系统将以新能源为供应主体，实现电力脱碳。 我国电力占终端能源消费比重目前为26%实现碳达掉碳中和目标，到2060年我国电能消费比重预计达到70%以上，终端能源消费电气化进程加快， 我国高达66.54%的电力来自煤炭，石油、天然气，电力脱碳是实现碳中和自标的关键。 构建风光水火储一体化”，发挥大电网互联优势，实现各类发电资源在就地微网、区域电两以及互联大电网的共享和互济。 新型电力泵统形态 口新型电力系统形态：交流电技术为基础，大电网与微电网、直流组网等多种组网技术融合发展高比例新能源高比例电力电子设备接入是电网基本特征 2060年，预计同步电源装机25.5亿千瓦（其中光热2.5亿）占比36%：考虑新能源出力的随机波动性，网步电源开机容品占比18%-77%发电出力占比10%~67%* 预计2060年全国新能源装机占比将超过60%发电量将超过50%，新能源通过中或分布接入电网，逐新在电源结构中占主体地位 新型电力系统形态 口新型电力系统设备脆弱性、故障连锁性，对继电保护提出更高要求。口新型电力系统故障特征将发生深刻变化现有继电保护体系面临严峻挑战 保障设备和系统安全运行，继电保护责任重大，任重道远 内容 新型电力系统形态 继电保护技术挑战 继电保护新技术探索 总结与展望 继电保护技术挑战 挑战1：新型电力系统故障规律分析和共性特征提取围难 口光伏故障暂态特性分析 阶段1：暂态自然响应，不受电力电子控制策略影响 阶段3：控制器动态响应，对故障期间电流指令值的动态响应及跟踪速度 继电保护技术挑战 挑战1：新型电力系统故障规律分析和共性特征提取困难 口光伏故障暂态特性分析折 随着电压跌落深度变小支撑电压的无功电流减小，并在系统容量许可的范围内输出一定的有功电流，故障期间的电流相位对比无故障时的电流相位差值随之减少。当发生不对称故障时，暂态过程中的负序电流尖峰随着跌落深度增加明显增大，随着逆变器负序电流抑制策略的介入，负序电流经过控制器闭环动态调节后，实现有效抑制 继电保护技术挑战 挑战1：电网故障形态发生深刻变化，故障暂稳态发展过程驱待厘清 口双馈风机故障暂态特性分析 阶段1：暂态自然响应，不受电力电子控制策略影响 阶段2：控制器暂态响应，转子功率管脉冲闭锁，携棒电路投入，定子电流感应出转速频率分量阶段3：控制器动态响应，对故障期间电流指令值的动态响应及跟踪 阶段4：控制器稳态控制按照故障穿越控制目标（有功/无功出力比例）对输出电流精准控制 继电保护技术挑战 挑战1新型电力系统故障规律分析和共性特征提取困难 口双馈风机故障暂态特性分析 随着电压跌落深度变小，支撑电压的无功电流减小并在系统容量许可的范围内输出一定的有功电流，故障期间的交流电流相位对比无故障时的电流相位差值随之减少当网压跌落程度较深时转子变流器过流封锁，定子电流在暂态响应阶段出现转速频率分量，谐波含量较大：当跌落程度较浅时，定子电流动态过程由变换器及网压共同决定 继电保护技术挑战 挑战1：新型电力系统故障规律分析和共性特征提取围难 口柔直交流侧敌障暂态特性分析 阶段1：暂态自然响应，不受电力电子控制策略影响 阶段2：控制器动态响应，对故障期间电流指令值的动态响应及跟踪 阶段3：控制器稳态控制故障电流控制自标对负序电流抑制以及有功出力的精准控制 继电保护技术挑战 挑战1：新型电力系统救障规律分析和共性特征提取团难 口柔直交流测故障暂态特性分析 当发生对称跌落故障时，随着电压跌落深度变大，为了在系统容量许可的范围内保持有功功率传输，故障期间交流电流的幅值对比无故障时的电流辐值变大，位基本不变当发生不对称故障时暂态过程中的负序电流尖峰随着跌落深度增加明显增大由于负序电流抑制策略的作用负序电流经过控制器闭环动态调节后，实现有效抑制W 继电保护技术挑战 挑战1新型电力系统故障规律分析和共性特征提取困难 四个阶段：新能源电源和柔直在故障穿越的整个过程可以体现为暂态自然响应、本体保护响应、控制器动态响应和控制器稳态控制四个阶段 电流幅值受限受电力电子器件自身安全性要求，故障电流幅值受限，体现为弱馈特征 电流相位受控：光伏、直驱风机、双馈风机在稳态控制阶段按照故障穿越要求，输出无功功率，电流相位相较于故障前体现滞后性随电压跌落深度增大，相位偏差呈增大趋势。 皮形畸变：控制器的动态调节过程必然引起波形畸变，双馈风机转子侧变流器封锁脉冲以及插棒电路投入定子侧电流感应出转速频率分量，出现谐波含量变大，频率偏移现象， 电流穿越特性：洗柔性直流输电在故障时以维持原有功率输送为控制自标，相较于光伏或风机故障电流呈现出更明显的穿越特性 继电保护技术挑战 挑战2：传统继电保护技术难以适应新型电力系统安全运行要求 口依赖手同步机电源特性的故障分析方法不再适用，保护原理受到挑战 1故障时等效电势变化导致餐加原理不再适用 如工频变化量距离、突变量电流选相 2故障时控制策略作用导致等效电源正负序阻抗变化 如：负序方向元件，电流序分量选相元件。 故障电流幅值受限、相位受控导致保护可靠性与灵敏性下降 距离保护极化电压不能表征提供短路电流的电源电压距离保护近区故障失去方向性对侧电流助增超越和拒动现象更加严重，差动保护因穿越特征造成全量差动保护灵敏度下降，谐波造成基于波形辨识的变压器差动保护误闭锁 口大型电力变压器保护难以满足保护自身设备安全运行的要求 保护不能反应内部严重缺陷或轻微匝间故障，导致突然转变为贯穿性故障变压器严重损毁基至起火爆炸事故仍有发生。 继电保护技术挑战 挑战2：传统继电保护技术难以适应新型电力系统安全运行要求 线路差动保护：线路双端接入电力电子设备时，故障电流幅值和相角受控弱馈特性明显，控制策略以维持功率传送为控制目标，导致穿越性负荷电流占比大，可能造成相量电流差动灵敏性不足而拒动：故障分量电流差动灵敏度能满足要求 继电保护技术挑战 挑战2传统继电保护技术难以适应新型电力系统安全运行要求 口线路距离保护适应性出口正反向故障方向误判：新能源或柔直送出交流线路出口发生正反向短路故障因控制策略以维持功率传送为控制自标，造成新能源短路电流源与比相式距离保护的极化电压源不一致、故障电流呈明显负荷特性，可能导致保护送端出口拒动受端反方向出口误动 继电保护技术挑战 挑战2.传统继电保护技术难以适应新型电力系统安全运行要求 口隔线路距离保护适应性过度电阻问题：线路发生经过渡电阻短路故障时过电阻对距离保护性能的影响在受控电源接入系统时被放大。受控电源侧：系统侧电流的助增作用较强，距离保护动作范围易受影响：器系统侧保护：受控电源电流助增作用较弱鑫距离动作范围影响较小 过渡电阻对电力电子设备距离保护的影响 单相接地经过渡电阻R：故障 对于柔直系统接入电网，附加阻抗为2%相间经过遮电阻R故摩 柔直系统的弱馈特性造成较小，且（+质相位受柔直送功率的方向及有功、无功比例影响可能造成时加阻抗之的辐值较大角度偏差大，导致距离保护动作异常。 过渡电阻对系统侧距离保护的影响 逆变侧故障时附加阻抗在第四象限，易造成区外故障距离保护超越或区内故障保护拒动：整流便故障时，附加抗在第二象限易造成距离保护拒动 电力电子设备侧电流对系统过渡电阻助增作用较骑，距离保护影响较小 继电保护技术挑战 挑战2：传统继电保护技术难以适应新型电力系统安全运行要求 口线路距离保护适应性一选相问题：故障时新能源系统等值正、负序阻抗相差较大三存在较大波动性，电流序分量的分配关系发生变化，基于电流序分量及故障分量的选相结果不正确。 继电保护技术挑战 挑战之传统继电保护技术难以适应新型电力系统安全运行要求 变压器保护难以满足保护自身设备安全运行要求：轻微匝间短路时匝内电流大、破坏性强但保护感受到的电气量变化微弱：对于内部严重缺陷难以反应，一旦突然发展为高能量的贯穿性故障，即使保护快速动作，也不能避免变压器严重损坏甚至起火爆炸 现有针对故障跳闸的保护 电流差动保护：离限于变压器端部引线电气量特征灵敏度提高已到极限满足系统安全对保护的要求，却无法检测到内部产靠缺陷或早期故障。 重瓦斯继电器：动作速度慢翼敏度低。由于绝缘油粘滞带性和可压缩性变压器内部电弧故障引起油流涌动传插播速度慢 不同短路座比下短路匝内电流和 电缩数牌发生脑，障电净维升量50kA 高压力引起起火 继电保护技术挑战 挑战2：传统继电保护技术难以适应新型电力系统安全运行要求 变压器保护难以满足保护自身设备安全运行要求：反应变压器内部故障的瓦斯继电器，重瓦斯动作速度慢轻瓦斯告整后需进一步确认是否发生故障现场取气分析易对人身安全带来隐惠 重瓦斯跳闸：反应油流涌动速度，动作慢且灵敏度低。因绝缘油粘滞性和可压缩性变压器内部电弧故障引起油流动传播速度慢且灵敏度低。 轻瓦斯告等：反应油分解的气体压力，灵敏度高； 防误动仅告警，规程规定为进步确认是否为故障，需进行人工取气进行分析，待确认后变压器再停运，就近操作过程会对人身安全带来隐患 继电保护技术挑战 挑战3：分布式电源影响配电网故障快速隔离和自惠 分布式新能源，储能等多类型电源接入使得配电网拓扑结构复杂，潮流双向流动，传统配电网保护逐级整定配合困难无法适用：配网单相接地故障识别区段定位困难，需要变电站装置整线切除故障线路扩大停电范围：非同期合闸可能导致自惠失败。V 内容 新型电力系统形态 继电保护技术挑战 继电保护新技术探索 总结与展望 继电保护新技术探索三 基于幅相平面的三区域差动保护 口利用两端电流幅值、相位关系构建基于幅相平面的三区域差动保护，制动区范围仅需考虑线路两侧CT误差、同步误差的影响 口解决传统相量差动应用于线路双端均是电力电子设备时，因故障电流受限，穿越性负荷电流占比大导致保护灵敏度不足的问题。 继电保护新技术探素 结合暂态信息的自适应距离保护 口故障后数mS电气量不受电力电子设备控制策略的影响，基于此构造暂态时域信息的快速方向元件口根据方向信息动态调整距离保护动作特性，解决短路电流源与极化电压源不一致造成距离保护在近区相间短路拒动误动问题 三继电保护新技术探索 电压量选相元件 口对于新能源送出的交流线路，故障期间电压主要系统侧决定，保护安装处电压与故障点电压基本同相位。据此利用电压量构建选相元件，避免了受控电源侧送出线路中电流序分量可能误选相问题 三继电保护新技术探索 大型电力变压器主动保护技术思路 口变被动”为“主动”，依据变压器内部故障存在着渐进发展过程，通过多学科交叉融合，探索变压器内部故障演化规律、外部扰动对故障表征参量影响机理，构建多物理场多维特征的大型电力变压器主动保护技术，实现变压器早期严重缺陷和轻微故障辨识，提升设备安全运行水平 如果在内部高能量电弧故障产生前100ms保护跳闸，即可避免发生爆炸起火事故的风险。 继电保护新技术探索 大型电力变压器主动保护技术一基于脉冲电流和超声持证信息的变压器保护技才 ■局部放电发展至持续电弧放电故障特征规律 口脉冲电流信号：放电次数和幅值增加放电初始相位左移过零的特征 口声信号：声信号主频率分量下降涵盖可间声和低频段超声等特征 三、继电保护新技术探素 大型电力变压器主动保护技术一基于脉冲电流和超声特征信息的变压器保护技水 口脉冲电流数字式多频段方向继电器区分变压器内外部放电口利用脉冲电流、声音等特征信息反应放电发展规律，判断是否即将发生贯穿性高能量电弧故障口还需要解决变压器绕组首未端高频脉冲电流信号的量测问题，即需要完成适应工频大电流运