新型電力系統(tǒng)繼電保護技術(shù)探索與展望報告

四總結(jié)與展望2一、新型電力系統(tǒng)形態(tài)NARI口構(gòu)建新型電力系統(tǒng)是我國實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的必然選擇。新型電力系統(tǒng)將以新現(xiàn)電力脫碳。2020年我國各種燃料發(fā)電量占比力脫碳是實現(xiàn)碳中和目標(biāo)的關(guān)鍵。新型電力系統(tǒng)將支撐電能廣泛替代，服務(wù)建筑(30%建筑(30%→75%)工業(yè)(30%→50%)目前2060年峰碳中和目標(biāo)，到2060年我國電能消費比重預(yù)計達(dá)到70%以上，終端能源消費電氣化進(jìn)程加快。新型電力系統(tǒng)將發(fā)揮電網(wǎng)互聯(lián)優(yōu)勢，實現(xiàn)各類蒸20優(yōu)勢，實現(xiàn)各類發(fā)電資源在就地微網(wǎng)、區(qū)域電網(wǎng)以及互聯(lián)大電網(wǎng)的共享和互濟。一、新型電力系統(tǒng)形態(tài)一、新型電力系統(tǒng)形態(tài)NARI口新型電力系統(tǒng)形態(tài)：交流電技術(shù)為基礎(chǔ)，大電網(wǎng)與微電網(wǎng)、直流組網(wǎng)等多種組網(wǎng)技術(shù)融合發(fā)展，高比例新能源、高比例電力電子設(shè)備接入是電網(wǎng)基本特征。2000年前占比2000年前占比(萬千瓦)目前我國不同壽命期煤電機組構(gòu)成*2060年，預(yù)計同步電源裝機25.5億千瓦(其中光熱2.5億),占比36%;考慮新能源出力的隨機波動性，同步電源開機容量占比18%~77%、發(fā)電出力占比10%~67%*。*來源：陳國平，《構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的若干思考》預(yù)計2060年全國新能源裝機占比將超過60%,發(fā)電量將超過50%。新能源通過集中或分布接光伏/儲能并網(wǎng)pwnurAGeG支撐新能源并網(wǎng)和輸送支撐新能源并網(wǎng)和輸送作為靈活控制手段一、新型電力系統(tǒng)形態(tài)一、新型電力系統(tǒng)形態(tài)NARI口新型電力系統(tǒng)設(shè)備脆弱性、故障連鎖性，對繼電保護提出更高要求?？谛滦碗娏ο到y(tǒng)故障特征將發(fā)生深刻變化，現(xiàn)有繼電保護體系面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。挑戰(zhàn)1.挑戰(zhàn)2.傳統(tǒng)繼電保護技術(shù)難以適應(yīng)新故障形態(tài)挑戰(zhàn)3.分布式電源影響配電網(wǎng)故障快速隔離和自愈繼電保護技術(shù)挑戰(zhàn)四總結(jié)與展望6二、繼電保護技術(shù)挑戰(zhàn)□光伏故障暫態(tài)特性分析階段4:控制器穩(wěn)態(tài)控制，不同故障電流控制目標(biāo)(負(fù)序電流抑制、有功/無功出力比例等)的精準(zhǔn)控制③封脈沖時長AA0電流限值7時間/s二、繼電保護技術(shù)挑戰(zhàn)口光伏故障暫態(tài)特性分析電壓跌落深度對故障電流幅值及相位的影響不對稱跌落深度對故障電流負(fù)序分量影響(投入負(fù)序抑制)8電壓跌落深度對故障電流幅值及相位的影響不對稱跌落深度對故障電流負(fù)序分量影響(投入負(fù)序抑制)8 幅值比1二、繼電保護技術(shù)挑戰(zhàn)NARI口雙饋風(fēng)機故障暫態(tài)特性分析口雙饋風(fēng)機故障暫態(tài)特性分析o5.044.995.04投撬棒時長約30投撬棒時長約30ms95.025.035.025.03二、繼電保護技術(shù)挑戰(zhàn)口雙饋風(fēng)機故障暫態(tài)特性分析A/A/一電壓跌至20%電壓跌至35%—電壓跌至50%0時間/s電壓對稱跌落深度對故障電流幅值及相位的影響二、繼電保護技術(shù)挑戰(zhàn)口柔直交流側(cè)故障暫態(tài)特性分析口柔直交流側(cè)故障暫態(tài)特性分析階段1:暫態(tài)自然響應(yīng)，不受電力電子控制策略影響階段2:控制器動態(tài)響應(yīng)，對故障期間電流指令值的動態(tài)響應(yīng)及跟蹤階段3:控制器穩(wěn)態(tài)控制，故障電流控制目標(biāo)對負(fù)序電流抑制以及有功出力的精準(zhǔn)控制②③②0時間/s二、繼電保護技術(shù)挑戰(zhàn)NARI口柔直交流測故障暫態(tài)特性分析·當(dāng)發(fā)生對稱跌落故障時，隨著電壓跌落深度變大，為了在系統(tǒng)容量許可的范圍內(nèi)保持有功功率傳輸，故障期間交流電流的幅值對比無故障時的電流幅值變大，相位基本不變。·當(dāng)發(fā)生不對稱故障時，暫態(tài)過程中的負(fù)序電流尖峰隨著跌落深度增加明顯增大，由于負(fù)序電流抑制策略的作用，一正常態(tài)電流—電壓跌至85%一正常態(tài)電流—電壓跌至85%一單相電壓跌至50%0負(fù)序電流尖峰0.1pu負(fù)序電流尖峰0.1pu-0.08時間/-0.08時間/S■四個階段：新能源電源和柔直在故障穿越的整個過程可以體現(xiàn)為暫態(tài)自然響應(yīng)、本體保護響應(yīng)、控制器動■電流相位受控：光伏、直驅(qū)風(fēng)機、雙饋風(fēng)機在穩(wěn)態(tài)控制階段按照故障穿越要求，輸出無功功率，電流相位1、故障時等效電勢變化導(dǎo)致疊加原理不再適用2、故障時控制策略作用導(dǎo)致等效電源正負(fù)序阻抗變化如：負(fù)序方向元件，電流序分量選相元件。3、故障電流幅值受限、相位受控導(dǎo)致保護可靠性與靈敏性下降距離保護極化電壓不能表征提供短路電流的電源電壓，距離保護近區(qū)故障失去方向性，對側(cè)電流助增超越和拒動現(xiàn)象更加嚴(yán)重；差動保護因穿越特征造成全量差動保護靈敏度下降，諧波造成基于波形辨識的變壓器差口大型電力變壓器保護難以滿足保護自身設(shè)備安全運行的要求保護不能反應(yīng)內(nèi)部嚴(yán)重缺陷或輕微匝間故障，導(dǎo)致突然轉(zhuǎn)變?yōu)樨灤┬怨收?，變壓器?yán)重?fù)p毀甚至起火爆炸口線路差動保護：線路雙端接入電力電子設(shè)備時，故障電流幅值和相角受控，弱饋特性明顯，控制策拒動；故障分量電流差動靈敏度能滿足要求。Id9世1流低頻牌壓工頻升壓工頻系統(tǒng)M3C變頻器F低頻升壓工頻系統(tǒng)低頻區(qū)線路中點(F點)AN故障故障后50ms故障后50ms時線路兩側(cè)電流相量圖二、繼電保護技術(shù)挑戰(zhàn)口線路距離保護適應(yīng)性—出口正反向故障方向誤判：新能源或柔直送出交流線路出口發(fā)生正反向短路故障，因控制策略以維持功率傳送為控制目標(biāo)，造成新能源短路電流源與比相式距離保護的極化電壓源不一致、故障電流呈明顯負(fù)荷特性，可能導(dǎo)致保護送端出口拒動，受端反方向出口誤動。風(fēng)電場新能源經(jīng)柔直送出交流線路故障分析//個個——l故障電流呈現(xiàn)負(fù)荷特性——ln1線路N側(cè)保護背后母線(F2點)線路N側(cè)保護背后母線(F2點)BC故障，距離保護誤動口線路距離保護適應(yīng)性一過渡電阻問題：線路發(fā)生經(jīng)過渡電阻短路故障時，過渡電阻對距離保護性能的影響在受控電源接入系統(tǒng)時被放大。受控電源側(cè)：系統(tǒng)側(cè)電流的助增作用較強，距離保護動作范圍易受影響；系統(tǒng)側(cè)保護：受控電源電流助增作用較弱，距離動作范圍影響較小。過渡電阻對電力電子設(shè)備側(cè)距離保護的影響：單相接地經(jīng)過渡電阻Rg故障F1、F2點相間經(jīng)小過渡電阻故障柔直系統(tǒng)的弱饋特性造成ImAB較小，且(Imm+ln)相位受柔直輸送功率的方向及有功、無功比例影響，可能造成附加阻抗Zado的幅值較大，角度偏差大，導(dǎo)致距離保護動作異常。逆變側(cè)故障時，附加阻抗在第四象限，易造成區(qū)外故障距離保護逆變側(cè)故障時，附加阻抗在第四象限，易造成區(qū)外故障距離保護超越或區(qū)內(nèi)故障保護拒動；整流側(cè)故障時，附加阻抗在第二象限，易造成距離保護拒動。電力電子設(shè)備側(cè)電流對系統(tǒng)側(cè)過渡電阻助增作用較弱，距離保護影響較小二、繼電保護技術(shù)挑戰(zhàn)NARI口線路距離保護適應(yīng)性一選相問題：故障時新能源系統(tǒng)等值正、負(fù)序阻抗相差較大且存在較大波動性，電流序分量的分配關(guān)系發(fā)生變化，基于電流序分量及故障分量的選相結(jié)果不正確?！?-一故障分量正序阻抗相位初幅值和角度差異較大且有較大波動電流序分量選相選相錯誤二、繼電保護技術(shù)挑戰(zhàn)□變壓器保護難以滿足保護自身設(shè)備安全運行要求：輕微匝間短路時匝內(nèi)電流大、破壞性強，但保護使保護快速動作，也不能避免變壓器嚴(yán)重?fù)p壞甚至起火爆炸?，F(xiàn)有針對故障跳閘的保護現(xiàn)有針對故障跳閘的保護線電氣量特征，靈敏度提高已到極限，滿足系統(tǒng)安全對保護的要求，卻無法檢測到內(nèi)部嚴(yán)重缺陷或早期故障?！讨赝咚估^電器：動作速度慢、靈敏度低。由于絕緣油粘滯性和可壓縮性，變壓器內(nèi)部電弧故障引起油流涌動傳播速度慢。00-保P動作000二、繼電保護技術(shù)挑戰(zhàn)NARI□變壓器保護難以滿足保護自身設(shè)備安全運行要求：反應(yīng)變壓器內(nèi)部故障的瓦斯繼電器，重瓦斯動作速度慢，輕瓦斯告警后需進(jìn)一步確認(rèn)是否發(fā)生故障，現(xiàn)場取氣分析易對人身安全帶來隱患。4.7變壓器(電抗器》輕瓦斷動作監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出變壓器(電執(zhí)器)輕瓦斯保護告警倍息b)保護裝置復(fù)出變壓器(電仇器)輕瓦斯保護告警信息。c變壓部(電抗器氣體維電器內(nèi)郵有氣體積聚。)輕瓦斯動作發(fā)信時，應(yīng)立即對變壓器(咆核器)進(jìn)行檢查，查明動作原回，是否因聚集氣體、位降，二次回路故障或足變壓器(電抗器)內(nèi)部故障造成。氣體加電源吉百5體，度就原取氣開證氣陳設(shè)分析科時8立理船邑請領(lǐng)置分或就近送的釋速行分析停地。重瓦斯跳閘：反應(yīng)油流涌動速度，動作慢且靈敏度低。因絕緣油粘滯性和可壓縮性，變壓器內(nèi)部電弧故障引起油流涌動傳播速度慢且靈敏度低。輕瓦斯告警：反應(yīng)油分解的氣體壓力，靈敏度高；防誤動僅告警，規(guī)程規(guī)定為進(jìn)一步確認(rèn)是否為故障，需進(jìn)行人工取氣進(jìn)行分析，待確認(rèn)后變壓器再停運，就近操作過程會對人身安全帶來隱患。二、繼電保護技術(shù)挑戰(zhàn)NARI■分布式新能源、儲能等多類型電源接入使得配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，潮流雙向流動，傳統(tǒng)配電網(wǎng)保護逐級整定配合困難無法適用；配網(wǎng)單相接地故障識別、區(qū)段定位困難，需要變電站裝置整線切除故障線路，擴大停電范圍；非同期合閘可能導(dǎo)致自愈失敗。B制路電器a路患數(shù)B制路電器a路患數(shù)DG接入助增作用，增大下游短路電流，可能造成4無aDG4無aL故障距善三、繼電保護新技術(shù)探索NARI口利用兩端電流幅值、相位關(guān)系構(gòu)建基于幅相平面的三區(qū)域差動保護，制動區(qū)范圍僅需考慮線路兩側(cè)CT誤差、同步誤差的影響；口解決傳統(tǒng)相量差動應(yīng)用于線路雙端均是電力電子設(shè)備時，因故障電流受限、穿越性負(fù)荷電流占比大，導(dǎo)致保護靈敏度不足的問題。線路中點(F1點)經(jīng)100Ω過母線(F2點)AN故障，三、繼電保護新技術(shù)探索NARIBC故障，判出正方向903三、繼電保護新技術(shù)探索NARI口對于新能源送出的交流線路，故障期間電壓主要由系統(tǒng)側(cè)決定，保護安裝處電壓與故障點電壓基本同相位。據(jù)此利用電壓量構(gòu)建選相元件，避免了受控電源側(cè)送出線路中電流序分量可能誤選相問題電壓序分量選相風(fēng)電場風(fēng)電場升壓變C區(qū)廠三三、繼電保護新技術(shù)探索NARI大型電力變壓器主動保護技術(shù)思路壓器內(nèi)部故障演化規(guī)律、外部擾動對故障表征參量影響機理，構(gòu)建多物理場多維特征的大型電力變壓器主動保護技術(shù)，實現(xiàn)變壓器早期嚴(yán)重缺陷和輕微故障辨識，提升設(shè)備安全運行水平。改進(jìn)、完善差動和瓦斯保護26早期輕微故障準(zhǔn)確辨識嚴(yán)重故障快速保護如果在內(nèi)部高能量電弧故障產(chǎn)生前改進(jìn)、完善差動和瓦斯保護26早期輕微故障準(zhǔn)確辨識嚴(yán)重故障快速保護三、繼電保護新技術(shù)探索NARI大基于脈沖電流和超聲特征信息的變壓器保護技術(shù)脈沖電流q-?譜圖C放電次數(shù)C放電次數(shù)f放電幅度a6聲信號時頻特性脈沖電流特征分析聲信號時頻特性來源：摘自國家自然是金集成項目《電力變壓器多參自適應(yīng)保護與安全運行基礎(chǔ)研究》中期報告三、繼電保護新技術(shù)探索NARI大型電力變壓器主動保護技術(shù)---基于脈沖電流和超聲特征信息的變壓器保護技術(shù)□利用脈沖電流、聲音等特征信息反應(yīng)放電發(fā)展規(guī)律，判斷是否即將發(fā)生貫穿性高能量電弧故障?！踹€需要解決變壓器繞組首末端高頻脈沖電流信號的量測問題，即需要完成適應(yīng)工頻大電流運行條件24250300(0o2mE三、繼電保護新技術(shù)探索NARI大型電力變壓器主動保護技術(shù)基于脈沖電流和超聲特征信息的變壓器保護技術(shù)■適應(yīng)工頻大電流運行條件的大尺寸HFCT研制頻率響應(yīng)特性測量(0-30MHz)套管處HFCT工頻電流傳感特性測量200AQ50Hz,50mAOIMHE00A9s0.30nAp1MHe34mVPP2ai大型電力變壓器主動保護技術(shù)---基于漏磁信息的變壓器匝間保護技術(shù)■變壓器漏磁通數(shù)學(xué)模型建立，漏磁分布對稱性理論分析。■“場-路”耦合三相變壓器三維仿真模型建立，理論和仿真獲取變壓器正常運行、不同繞組、不同高度、不同短路匝比下的繞組漏磁分布規(guī)律。并得到：漏磁傳感器需安裝在低壓繞組與中壓繞組之間，根據(jù)繞組高度與設(shè)定的漏磁閾值確定傳感器的安裝數(shù)量，可靈敏快速檢測到高中低繞組1%的輕微匝間短路。為變壓器小匝間短路故障的靈敏辨識建立了理論基礎(chǔ)。ii傳感器感知范圍與漏磁閾值關(guān)系咕AA三、繼電保護新技術(shù)探索NARI技術(shù)■調(diào)研并分析了現(xiàn)有瓦斯保護誤動、正確動作案例：H?和C?H?含量是衡量變壓器內(nèi)部故障核心指標(biāo)；■基于典型放電缺陷模型設(shè)計了三種放電電極模型，獲得了不同缺陷下隨放電程度發(fā)展的游離氣體產(chǎn)氣規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了產(chǎn)氣量與放電模型、視在放電量之間的關(guān)系；■結(jié)合油浸式變壓器檢修和運維技術(shù)細(xì)則，研制了基于游離氣體特征的數(shù)字式瓦斯保護裝置。數(shù)字式瓦斯保護的設(shè)計思想數(shù)字式瓦斯保護的設(shè)計思想：1)由來：幾次變壓器起火爆炸事故看出：A.輕瓦斯靈敏度遠(yuǎn)高于重瓦斯B.輕瓦斯告警后取氣進(jìn)行分析，給操作人員帶來安全隱患。2)設(shè)計思想：輕瓦斯告警后自動取氣、自動分析、自動診斷故障并上送報告、自動輕瓦斯告警時的主要特征：氫氣產(chǎn)量較多；放電故障中以乙炔氣體為代表的烴類氣體產(chǎn)量較非故障時候有明顯的增多；誤告警的主要原因：變壓器內(nèi)部進(jìn)入空氣；濕度螺降或漏油引起的油面下降；以往故障產(chǎn)生的殘留氣體緩慢上浮組分中，氨氣.乙塊、含量明顯大于其分。3-咆德間。6-出氣u.7.控制裂置，3-電園，以連接管道三、繼電保護新技術(shù)探索大型電力變壓器主動保護技術(shù)---大型電力變壓器主動保護試驗技術(shù)口設(shè)計了油中懸浮、紙板沿面、油間隙放電等放電類缺陷，繞組局部過熱、油道堵塞等過熱類缺陷，共計14類。口放置了特高頻、維薩拉、壓力、超聲流速、超聲、光纖溫度、漏磁、高頻CT等各類傳感器。三、繼電保護新技術(shù)探索NARI大型電力變壓器主動保護技術(shù)---基于變壓器主磁通估算的勵磁涌流識別技術(shù)實時估算值在磁化曲線上的運行軌跡，有效區(qū)分勵磁涌流和故障場景；變壓器鐵芯磁鏈實時計算數(shù)學(xué)模型變壓器鐵芯磁鏈實時計算數(shù)學(xué)模型6系統(tǒng)直接量測和本方法計算磁鏈值仿真示意圖一和電壓一和電壓L“C三、繼電保護新技術(shù)探索NARI基于5G通信的配網(wǎng)故障快速隔離與自愈技術(shù)上下上下游饋線段都線保護各支路方向過流要相接地檢圖GG差動期操期操作故障識別故障定位負(fù)荷轉(zhuǎn)供故障識別三、繼電保護新技術(shù)探索NARI基于5G通信的配網(wǎng)故障快速隔離與自愈技術(shù)不依賴外部時鐘的同步技術(shù)些些W基于電氣量的數(shù)據(jù)同步技術(shù)置基于電氣量的數(shù)據(jù)同步技術(shù)置置置M倦本地數(shù)據(jù)M腳核收數(shù)據(jù)N倡本地數(shù)據(jù)55sMC基于采樣點序號同步方法基于采樣點插值同步方法基于5G網(wǎng)絡(luò)授時的數(shù)據(jù)同步技術(shù)■5G差動保護數(shù)據(jù)流量控制技術(shù)(1)動態(tài)響應(yīng)傳輸模式(1)動態(tài)響應(yīng)傳輸模式t/s數(shù)據(jù)發(fā)送012保護啟動啟動返回(2)幀結(jié)構(gòu)優(yōu)化→——值—→品質(zhì)位—ff7176d7ff7176d7fffffdfafffffdfa 三、繼電保護新技術(shù)探索NARI基于5G通信的配網(wǎng)故障快速隔離與自愈技術(shù)直流偏移量穩(wěn)態(tài)工頻零序方向高頻暫態(tài)零序方向初始暫態(tài)零序方向d非暫態(tài)量最大支路CT極性錯誤，需取反CT極性正確有偏移直流分量支路符合故障支路暫態(tài)特CT極性錯誤，需取反不接地和經(jīng)消弧接地系統(tǒng)故障選相口總結(jié)●新能源電源和柔直的故障特征與傳統(tǒng)同步機相比發(fā)生了本質(zhì)變化，可分為四個階段，其中：暫態(tài)自然響應(yīng)階段故障特征不受電力電子控制策略影響；控制器穩(wěn)態(tài)控制階段的控制目標(biāo)決定電氣量特征規(guī)律，新能源發(fā)電穩(wěn)態(tài)故