上海交大：新型电力系统故障暂态电气量频域特征及其应用

电力能源青羊纯坛新型电力系统故障暂态电气量频域特征及其应用2023年3月23日20故障0时刻故障0时刻传统电力系统故障电气量演化及保护时序图距离Ⅱ段距离Ⅱ段保护刀为20ms故障0时刻波过程阶段故障0时刻波过程阶段保持阶段新型电力系统故障电气量演化及保护时序图保护暂态拓扑电磁暂态距离I段电磁暂态故障0时刻故障0时刻新型电力系统故障后时序图保护纵联工频变化量保护全线路<10ms③电流差动保护25ms①②距离I段工频变化量距离近端<10ms,末端<20ms①②电磁暂态前期电磁暂态中期电磁暂态后期固有拓扑响应控制响应阶段控制保持阶段+故障电流幅值受限+故障电流相位受控对传统工频保护造成的影响护动作判据：(a)两侧电流相位差小于90°且幅值相差较大交流系统交流系统交流系统交流系统将M侧旋转电源替换为逆变电源出现明显差异，定义不对称故障下零负序电流相位差α来判定故障相，将M侧旋转电源替换为逆变电源对传统工频保护造成的影响工频保护受影响原因可能无法覆盖本段线路全长电流保护存在拒动风险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传统距离保护：用测量阻抗ZAB反映故障距离jX'Zadd:由过渡电阻引起的附加阻抗oz₁xxR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4ad,进而求取故障位置。保护安装处零序电流和I故障点零序电流关系!保护安装处零序电流和故障点零序电流的关系：1e=C⁰.191两相接地和a和at/ms中料中料并网点一正序控制统a开关器件的高频次导通和关断[1]XiaodongZheng,NenglingTai,ZhongyuWuandJamesThorp,"Harmoniccurrentprotectionschemeforvoltagesourceconverter-basedhigh-voltagedirectcurrenttransmissionsystem,inIETGeneration,Transmission&Distribution,vol.8,no.9,pp.1509-1515,Sep.2014.平波电抗器直流输电线路换流器直流滤波器平交流系统在直流滤波器特征谐波频率处，换流器的阻抗达到极小值，滤波器会在直流滤波器峰值频率处，滤波器阻光伏发电单元光伏发电单元Time(ms)幅值(2)工频分量受换流器控制影响大。工频测量阻抗ZAB受控制策略影响大逆变器的高频阻抗受控制影响小逆变器的高频阻抗受拓扑影响较大适用于高比例光伏配电网的高频阻抗差动保护结构特点通过380V并网通过10kV并网十故障[1]XiaodongZheng,ChenxuChao,YangWeng,HaiYe,ZhongpingLiu,PiaoGaoandNenglingTai,"High-FrequencyFaultAnalysis-BasedPilotProtectionSchemefora适用于高比例光伏配电网的高频阻抗差动保护高频动作阻抗保护判据：内部故障测量M侧故障分量电压否否是侧故障分量电压电流计算M侧高频阻抗Zx测量N侧故障分量电压是侧故障分量电压电流计算N侧高频阻抗Zx是故障识别否区外故障是本段线路发生区内故障[1]XiaodongZheng,ChenxuChao,YangWeng,HaiYe,ZhongpingLiu,PiaoGaoandNenglingTai,"High-FrequencyFaultAnalysis-BasedPilotProtectionSchemeforaDistributionNetworkWithHighPhotovoltaicPenetration,"inIEEETransactionsonSmartGrid,vol.14,no.1,pp.302-314,Jan.2023.适用于高比例光伏配电网的高频阻抗差动保护由仿真可得：[1]XiaodongZheng,ChenxuChao,YangWeng,HaiYe,ZhongpingLiu,PiaoGaoandNenglingTai,"High-FrequencyFaultAnalysis-BasedPilotProtectionSchemeforaFrequency(Hz)内部故障外部故障过渡电阻的影响(50Ω)Frequency(Hz)过渡电阻的影响(50Ω)Frequency(Hz)(a)变与过渡电阻无关，因此Zv(w)和Zx(w)的幅值和相位受过渡电阻影响较小。高频阻抗差动保护具有较强的抗过渡电阻Freguency(Hz)故障类型故障位置Zo()(Ω)Zres(w)(2)是否跳闸41.1YesYesfNoNo40.6YesYesYesf12.872.6No故障时刻的影响(故障起始角)不同的故障时刻发生故障时，高频电压和高频电流会发生变化，但由于Zv(w)和Zx(w)反映的是背侧和对侧系统的高频阻抗，因此ZM(w)和Zx(w)的幅值和相位受故障时刻影响较小。高频阻抗差动保护不受其影响。ffFrequency(Hz)(a)NoNoNoNoNoNo内部故障外部故障内部故障外部故障控制策略的影响控制策略故障类型故障位置Zo(w)(Ω)Ze(o)(9)是否跳闸43.322.2f43.322.0f₄fs43.1YesYesYesf43.222.0ff画光伏发画光伏发电单元k₁M受端电网距离保护拒动、误动正常运行正常运行暂态高频电压纵联保护的保护判据：区内故障时补偿电压差△Uco大于门槛值：;区外故障时补偿电定义△Uco为补偿电压差：保护判据：区内故障区外故障测量M侧故障分量电压是测量N侧故障分量电压是流进行频谱分解区外故障区外故障是保护流程AAfkHz△水AfkHzfHzfHzfHz(a)补偿系数(b)对比结果故障0时刻故障0时刻高频阻抗差动保护暂态高频电压纵联保护波过程基于附加阻抗解析模型的距离保护特征频带范围优点基于附加阻抗解析模型的距离保护制保持阶段)硬件装置无