新型电力系统保护新技术研究与实践-吴通华

双碳目标下能源变革与能源安全ENERGYTRANSITIONANDSECURITYFORCARBONPEAKANDNEUTRALITY国家电网新型电力系统保护新技术研究与实践吴通华2023年8月13日August13,2023第八届紫金论电学术研讨会第八届紫金论电学术研讨会2023年8月11-13日中国·南京11*-13*August,2023Nanjing·China关键技术支撑技术国网经研院关键技术支撑技术国网经研院华北电力大学国网江苏电力国网浙江电力国网陕西电力国网福建电力国网山东电力国家电网有限公司“新型电力系统科技攻关行动计划”2022专项《新型电力系统继电保护体系架构与关键技术研究》国网电力科学研究院牵头国网电力科学研究院牵头理论基础课题1课题2架构支撑支撑课题3支撑新型电力系统继电保护新型电力系统继电保护241.1新型电力系统形态1.1新型电力系统形态Foralongtimeint新能源逐渐在电源结构中占主体地位G变流器交流电网变流器G直流功索/直流功索/新能源及电力电子设备的弱支撑性和低抗扰性导致故障响应过程不确定性更强、连锁反应风险突出，对继电process,whichincreasestheriskofcascadingfailure.Therequirementofrapidandreliablefaultsremovalbecomesincreasinglymore56专等效电源电势变化，叠加Zm等值序阻抗波动，正负序0故障电流新能源提供的故障电流受同时，大量电力电子设备接入导致故障特征发生深刻变化，颠覆了传统基于同步机特性的继电保护理论基础，现有交流继电保护原理难以适应，保护动作性能严重下降。2W臣,故博时创M谐波含量大，双馈风机故7案例1:某直驱风电+光伏交流送出线路邻线故障，AClineconnectwithwindpowerandPV风电、光伏送出线路故障8ThechallengesofP案例3:如东海上风电经柔直送出500kV交流线路出口发faultoccursatAClineofRUDONGOffshorewindpowerVSC-签案例4:渝鄂背靠背柔性直流因一侧交流电网薄弱，可能出现交duetoweakACpowergridononesideofChongqing-Hubeiback-to-back525宜昌换渝侧横路电厂万县九盘幸节案例5:风电经柔直送出系统，送端交流汇集线路故障时，两制动电流制动电流差动电流案例6:柔性低频输电系统，低频交流线路故障时，因两侧M3CthesensitivityofdifF中低频降压工频升压工频系统低频线路低频升压故障后50ms现有保护的可靠性、灵敏性、快速性面临严峻挑战，由“点”及“面”威胁系统安全运行。991现有保护性能提升技术1现有保护性能提升技术1.2新型电力系统保护面临的挑战新型电力系统保护面临的挑战 AdaptabilityofnormalprotectionandtheperformanceimprovementAccordingtothefaultcharacteristicsofNewTypePowerSystems,theadaptabilityofnormalprotectionisanimprovementtechofdifferentialprotectionanddistanceprotection.距离保护拒动、误动问题可靠性问题分析距离保护可靠性提升技术速动性问题分析传统比相式距离保护利用工作电压和极化电压的角差判别内外部故障。同步机电源情况下，内外部故障区分明显；全功率型 直驱风场柔性直流MZReliabilityReliabilityimprovementofdistanceprotectionReliabilityimprovementofdistanceprotection3n3ReliabilityimprovementofdistanceprotectionrejectionormisoperationofAClineinnewenergyorflZ2;方向判别为正向反向扩大保护动作范围线路单端接入电力电子设备时，差动保护灵敏度下降，但可以正确动作。双端接入时，当控制策略以维持功率传送为目标时，穿越性负荷电流占比大，会造成全量差动保护灵敏性不足，甚至拒动。故障分量电流差动灵敏度能满足要求。connected,thetraversingcurrenthaslargeproportionifthecontrolstrategyisaim故障50ms后，线路两端电流相量制动区2.3差动保护灵敏性提升技术制动区2.3差动保护灵敏性提升技术k₂≤|p|≤kg&&≥1差动保护动作&&&灵敏性提升技术1扩展传统差动扩展02.3差动保护灵敏性提升技术2.3差动保护灵敏性提升技术柔直系统区内(F1)金属性故障区外(F2)金属性故障2.4变压器保护速动性提升技术2.4变压器保护速动性提升技术2.4变压器保护速动性提升技术&&&&Rapidityimprovementoftransformerprotection重人作喻32D x2。)0挥公甘标公监2.4挥公甘标公监2.4变压器保护速动性提升技术用写Ae男ewe差动保护10ms左右动作异R₁L₁母线时域模型RMfLL₂R,N,i1M护对象拓扑或参数变化的特征量，构建基于模型/参数识别的保护原理，不受电源特性影响。7nUi*本节技术由南瑞集团(国网电科院)、西安交通大学、Transmissionlinetime-domaindistanceprotection时域距离保护基于线路模型构建参数识别方程，并在时域中求解故障信息，实现故障识别。该原理本身不受新能源电源相位突principleitselfisnotaffectedbythecharacteristicsofphasemutation,weakfeedandfrequencyoffsetofnefineness,samplingrate,d线路长度Am保证测距精度和算法收敛速度。lilillllllll计算窗长：5ms(12点)计算方法：加权算法线路正序灵敏角线路零序灵敏角厄两m厄两m3.2线路时域距离保护时间A时间时刻吊时月区内故障3.3基于模型识别的纵联保护方法区内故障mnmHiHi利用电容模型误差Ec判别内外部故障：REdd/ g区外故障区内故障lediledinniL古jCCiEA相模型误差A相模型误差HH变压器等效电路正常运行/外部故障变压器等效电路正常运行/外部故障变压器等效拓扑结构变化，亦或等效电路参数变化，能反映变压器内部故障的本质特征。利用变压器在正常或故障状态下等效励磁电感数值具有的不同特征，可以提出基于励磁电感参数识别的保护新原理。Transformer'sinternalfaultinnatureisthechangeoftopologyorparameter.Thenewprotectionutilizethemagdifferentcharacteristic故障特征分析故障特征分析R‘u内部故障MR'J变压器铁芯饱和ofmagnetizinginductance.将励磁支路微分方程离散化为线性方程组，取短数据窗电压电流LmAL0●内部故障时励磁电感较小且无波动，均值小于定值，保护动作●区外故障时励磁电感较大，均值大于定值，保护不动作●励磁涌流时励磁电感周期变化，但均值会大于定值，保护不动作3.4基于励磁电感参数识别的变压器保护原理incaseofminorinterturnshort0河5505443.5基于电感特征的电抗器保护原理3.5基于电感特征的电抗器保护原理Thetimedomainequationofthereactormagnetizinginductaninductance,theprotectioncrite电抗器电路拓扑建立时域方程保护判据A相动作w立IB5%匝间短5%匝间短路故障故障相电感值变化非故障相电感值变化故障相电感值变化非故障相电感值变化T电抗器区外故障电抗器区外故障内z=:区内故障区外故障区内故障区外故障Ω),=lg)“n←←77RHS“ui:Y差动导纳反映母线对地过渡电阻其值较小*式开得*0确临▲双T#第62De420s保护新技术实践应用浙江福建4.1设备研制及应用情况DeviceDevelopment浙江福建4.1设备研制及应用情况DeviceDevelopmentandA研制的8类21个型号保护装置，将在西北、华东、华中、华北、西南电网的8家单位示范应用(部分已投示范应用装置研制示范应用山东河南山东江苏陕西江苏口的湖北湖北线路保护母线保护电抗器保护变压器保护心"飞一1中一名心=.·零故=建G…重0se名0ac8重9~x网重盖?8V??③警44.心"飞一1中一名心=.·零故=建G…重0se名0ac8重9~x网重盖?8V??③警44.陆上风电经交流陕西330kV风电送出线送出路(尖樊线)变变陆上风电送出开封220kV源仪线海上风电经交流浙江嘉海风电场220kV海上风电经交流福建龙下海上风电场台变海上升压站广鸿2602高消26D1