張保會(huì)，原 博，王 進(jìn)，王小立，2，黃仁謀，吳偉明

（1.西安交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，陜西 西安 710049；2.寧夏電力公司調(diào)度中心，寧夏 銀川 750001；3.海南電網(wǎng)公司，海南 ?？?570100）

0 引言

現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)與學(xué)者的研究[1-5]均表明，風(fēng)能發(fā)電集中接入?yún)^(qū)域電網(wǎng)與傳統(tǒng)電網(wǎng)在故障期間的電磁暫態(tài)特性存在顯著差異，傳統(tǒng)的繼電保護(hù)設(shè)備在大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)系統(tǒng)中無(wú)法保證快速、可靠動(dòng)作。因此，適用于大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)送出電網(wǎng)的繼電保護(hù)配置方案是我國(guó)風(fēng)電制造廠家與電力系統(tǒng)運(yùn)行、管理部門當(dāng)前共同面臨的亟待解決的課題。文獻(xiàn)[6-11]系統(tǒng)指出當(dāng)前風(fēng)電場(chǎng)送出電網(wǎng)各保護(hù)元件的適用性，本文基于風(fēng)電場(chǎng)送出電網(wǎng)保護(hù)影響RTDS試驗(yàn)研究，進(jìn)一步具體給出了風(fēng)電場(chǎng)送出電網(wǎng)保護(hù)配置建議，旨在大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)后電網(wǎng)保護(hù)可以正確切除故障。

1 當(dāng)前風(fēng)電場(chǎng)送出電網(wǎng)保護(hù)配置

我國(guó)風(fēng)能資源與用電負(fù)荷分布不平衡，一般在風(fēng)能比較集中的區(qū)域建立大容量風(fēng)電場(chǎng)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)變成電能，再通過(guò)遠(yuǎn)距離高壓輸電直接并入輸電網(wǎng)。西北某省的風(fēng)電接入簡(jiǎn)圖如圖1所示。

隨著并網(wǎng)風(fēng)電容量的不斷增大，系統(tǒng)故障特征更加復(fù)雜，其對(duì)輸電系統(tǒng)繼電保護(hù)元件帶來(lái)的影響更加惡劣，尤其是電力系統(tǒng)運(yùn)行管理部門及繼電保護(hù)廠家最為關(guān)心的110kV送出線路保護(hù)和送出變壓器保護(hù)、330kV送出線路保護(hù)等當(dāng)前保護(hù)元件的適應(yīng)性及改進(jìn)的配置方案亟待解決。

圖1 風(fēng)電送出電網(wǎng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of wind farm outgoing power grid

1.1 110kV送出線路保護(hù)配置

具有雙側(cè)電源的110kV線路保護(hù)一般裝設(shè)一套全線速動(dòng)保護(hù)作為線路的主保護(hù)，多采用分相電流差動(dòng)保護(hù)以及零序電流差動(dòng)保護(hù)原理，后備保護(hù)裝設(shè)三段式相間和接地距離保護(hù)，并輔以零序電流保護(hù)用于切除經(jīng)過(guò)渡電阻接地故障[12]。

1.2 送出變壓器保護(hù)配置

風(fēng)電場(chǎng)送出變壓器主保護(hù)采用雙重化變壓器差動(dòng)保護(hù)配置。對(duì)于外部相間短路引起的變壓器過(guò)電流，變壓器應(yīng)裝設(shè)相間短路后備保護(hù)，一般采用過(guò)電流保護(hù)、復(fù)合電壓?jiǎn)?dòng)的過(guò)電流保護(hù)或復(fù)合電流保護(hù)，保護(hù)帶延時(shí)跳開(kāi)相應(yīng)的斷路器。對(duì)于自耦變壓器和高、中壓均直接接地的三繞組變壓器，增設(shè)零序方向元件，方向指向各側(cè)母線[13-14]。

1.3 330kV送出線路保護(hù)配置

330kV（或220kV）線路保護(hù)按加強(qiáng)主保護(hù)簡(jiǎn)化后備保護(hù)的基本原則配置和整定。主保護(hù)采用2套交流回路和直流電源彼此獨(dú)立、可以快速動(dòng)作切除全線路內(nèi)各類型故障的全線速動(dòng)保護(hù)，并且對(duì)于要求單相重合閘的線路，2套主保護(hù)都應(yīng)當(dāng)具有選相功能。主保護(hù)主要有縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)、縱聯(lián)距離保護(hù)、縱聯(lián)方向保護(hù)。后備保護(hù)采用階段式相間和接地保護(hù)（包括距離保護(hù)、零序電流方向保護(hù)），允許與相鄰線路和變壓器的主保護(hù)配合，從而簡(jiǎn)化動(dòng)作時(shí)間的配合整定，同時(shí)應(yīng)能反應(yīng)線路的各種類型故障。

2 風(fēng)電場(chǎng)送出對(duì)電網(wǎng)保護(hù)的影響

為研究大規(guī)模新能源接入對(duì)傳統(tǒng)繼電保護(hù)原理和保護(hù)動(dòng)作行為的影響，西安交通大學(xué)于2012年9月組織了國(guó)內(nèi)主要廠家，在開(kāi)普國(guó)家繼電保護(hù)及自動(dòng)化設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心對(duì)110kV、330kV線路及330kV變壓器部分繼電保護(hù)產(chǎn)品進(jìn)行保護(hù)動(dòng)作性能RTDS測(cè)試。

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示。試驗(yàn)系統(tǒng)主要參數(shù)如下：等值系統(tǒng)短路容量4580 MV·A；同步電廠裝機(jī)容量660MW；風(fēng)電1包含等值雙饋式機(jī)組49MW、直驅(qū)式機(jī)組45MW；風(fēng)電2包含等值雙饋式機(jī)組198MW、直驅(qū)式機(jī)組99MW；風(fēng)電3包含等值雙饋式機(jī)組148.5MW、直驅(qū)式機(jī)組49.5MW；風(fēng)電4包含等值雙饋式機(jī)組99MW；光伏1容量50MW，光伏2容量60MW，光伏3容量40MW。

各個(gè)廠家保護(hù)裝置安裝于110kV送出線1、2，330kV 變壓器 1、2，330kV 送出線 1、2 上。試驗(yàn)時(shí)，RTDS將仿真的電壓、電流數(shù)據(jù)等傳送到繼電保護(hù)裝置，同時(shí)讀取保護(hù)裝置輸出的斷路器通斷等信號(hào)，形成閉合試驗(yàn)。試驗(yàn)考察不同位置故障（K1—K26故障點(diǎn)）、不同故障類型、不同風(fēng)電運(yùn)行工況條件下，各元件保護(hù)裝置的動(dòng)作性能。

2.2 新能源場(chǎng)站暫態(tài)模型

基于RTDS平臺(tái)建立了各類型新能源機(jī)組電磁暫態(tài)詳細(xì)模型，新能源場(chǎng)站故障暫態(tài)特性取決于其故障期間低電壓穿越控制策略。

a.雙饋式風(fēng)電模型。

為防止系統(tǒng)電壓跌落期間變流器IGBT過(guò)載，雙饋式風(fēng)電在故障期間投入轉(zhuǎn)子Crowbar短路電阻，同時(shí)閉鎖變流器，并配合槳距角調(diào)節(jié)限制輸入機(jī)械功率的捕獲。此時(shí)機(jī)組作為異步發(fā)電機(jī)運(yùn)行，其勵(lì)磁電流變成衰減直流，定子電流主要為故障前轉(zhuǎn)速頻率的交流分量，頻率范圍為35～65 Hz。雙饋式風(fēng)電詳細(xì)模型參見(jiàn)文獻(xiàn)[15]。

b.直驅(qū)式風(fēng)電模型。

圖2 風(fēng)電場(chǎng)送出電網(wǎng)保護(hù)RTDS試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.2 RTDS test system for relay protection of wind farm outgoing power grid

直驅(qū)式風(fēng)電采用全功率變流器，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組與電網(wǎng)的完全隔離，故障特性取決于網(wǎng)側(cè)變流器故障控制策略。在故障期間投入直流Chopper卸荷電路；調(diào)整網(wǎng)側(cè)變流器有功功率控制目標(biāo)，同時(shí)發(fā)出無(wú)功功率支撐系統(tǒng)電壓；采用正負(fù)序分離控制技術(shù)消除故障電流中的負(fù)序分量。直驅(qū)式風(fēng)電詳細(xì)模型參見(jiàn)文獻(xiàn)[15]。

c.光伏電站模型。

光伏電站也采用全功率變流器，其故障控制策略及暫態(tài)特征與直驅(qū)式風(fēng)電類似，不再贅述。

d.新能源場(chǎng)站暫態(tài)等值方案。

采用基于容量加權(quán)的參數(shù)聚合等值方案，為簡(jiǎn)化分析，近似認(rèn)為同一風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)所有機(jī)組運(yùn)行在相同工況，詳細(xì)等值方案參見(jiàn)文獻(xiàn)[6-7]。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)共進(jìn)行166組不同位置、類型故障，重點(diǎn)考察線路、變壓器等元件區(qū)內(nèi)及區(qū)外系統(tǒng)側(cè)故障時(shí)，各保護(hù)元件受風(fēng)電暫態(tài)電壓、電流特征的影響。統(tǒng)計(jì)各保護(hù)裝置試驗(yàn)結(jié)果，得出各保護(hù)元件的正確動(dòng)作率如表1所示。

表1 保護(hù)元件正確動(dòng)作率統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of correct operation rate for protection components

a.基于單端電流量的選相、零序電流元件。

風(fēng)電場(chǎng)端的弱電源特性使得110kV及以上電壓送出系統(tǒng)接地短路時(shí)，正負(fù)序阻抗遠(yuǎn)大于零序阻抗，且零序網(wǎng)絡(luò)中不包含風(fēng)電機(jī)組部分。接地故障時(shí)風(fēng)電場(chǎng)側(cè)短路電流主要為零序分量，使得三相電流相近，且零序電壓、電流中不會(huì)有非工頻分量的存在[9]。試驗(yàn)結(jié)果表明，利用電流變化特征的選相元件受到嚴(yán)重影響，零序電流保護(hù)可以正確動(dòng)作。

b.基于單端電壓、電流量的距離、方向元件。

雙饋式風(fēng)電場(chǎng)送出線路故障時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)側(cè)短路電流的主要頻率分量隨短路前機(jī)組工況變化，不再保持工頻，而風(fēng)電場(chǎng)側(cè)母線電壓一般由系統(tǒng)支撐，可以維持工頻，使得風(fēng)電場(chǎng)側(cè)保護(hù)測(cè)量處的電壓、電流頻率有所差別，會(huì)對(duì)依據(jù)電壓、電流運(yùn)算結(jié)果而動(dòng)作的距離元件、方向元件產(chǎn)生不良影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，距離元件、相分量及正負(fù)序分相方向元件正確動(dòng)作率極低，零序方向元件可以正常工作[11]。

c.基于雙端電流量的差動(dòng)元件。

基于雙端電流量的分相電流差動(dòng)、零序電流差動(dòng)保護(hù)，在風(fēng)電場(chǎng)暫態(tài)電流的作用下正確動(dòng)作率均為100%，僅是靈敏度有所降低。

d.基于雙端電壓、電流量的縱聯(lián)距離、縱聯(lián)方向元件。

基于雙端電壓、電流量的縱聯(lián)距離、縱聯(lián)方向保護(hù)，會(huì)受到風(fēng)電場(chǎng)側(cè)距離、方向元件不正確動(dòng)作的影響。對(duì)于允許式及閉鎖式縱聯(lián)保護(hù)，都可能造成線路區(qū)內(nèi)故障的拒動(dòng)及區(qū)外系統(tǒng)側(cè)故障的誤動(dòng)。

3 風(fēng)電場(chǎng)送出電網(wǎng)保護(hù)配置建議

風(fēng)電場(chǎng)送出電網(wǎng)保護(hù)影響RTDS試驗(yàn)表明，當(dāng)前風(fēng)電場(chǎng)送出電網(wǎng)繼電保護(hù)配置無(wú)法很好地適應(yīng)風(fēng)電場(chǎng)大規(guī)模集中式接入的情況，需要對(duì)當(dāng)前保護(hù)配置情況進(jìn)行改進(jìn)。

3.1 110kV送出線路保護(hù)配置

110kV風(fēng)電場(chǎng)送出線路的主保護(hù)建議配置分相電流差動(dòng)保護(hù)，其在風(fēng)電場(chǎng)暫態(tài)電流的作用下僅是靈敏度有所降低，對(duì)于動(dòng)作的正確性并無(wú)明顯影響。

保護(hù)中的基于相量算法的階段式相間和接地距離保護(hù)無(wú)法適應(yīng)大規(guī)模風(fēng)電接入的現(xiàn)狀。雙饋風(fēng)機(jī)故障暫態(tài)電流衰減時(shí)間常數(shù)τ′r=0.026 s[11]，即經(jīng)過(guò)4τ′r～5τ′r后，風(fēng)機(jī)不再向電網(wǎng)送出非工頻電流。因此對(duì)于無(wú)延遲動(dòng)作的距離Ⅰ段，將因?yàn)楣收想娏鲊?yán)重的非工頻分量而導(dǎo)致保護(hù)不正確動(dòng)作；對(duì)于帶延時(shí)動(dòng)作的距離Ⅱ段和Ⅲ段，由于故障電壓、電流中的非工頻分量幾乎衰減完畢，所以仍可以正常工作。因此建議在實(shí)際運(yùn)行中退出距離Ⅰ段，或者增加一個(gè)0.15 s的延時(shí)。而解微分方程算法的距離元件是基于線路RL時(shí)域模型而設(shè)計(jì)，與信號(hào)的頻率沒(méi)有直接的聯(lián)系，可避免相量距離保護(hù)算法存在的問(wèn)題，建議采用以保證Ⅰ段的正常快速動(dòng)作[11]，距離Ⅱ、Ⅲ段正常配置。

根據(jù)試驗(yàn)分析，基于零序分量的零序電流保護(hù)可以正常工作而不受風(fēng)電接入的影響，建議配置作為高阻接地故障的后備保護(hù)。

3.2 送出變壓器保護(hù)配置

變壓器主保護(hù)所采用的比率制動(dòng)特性的電流差動(dòng)保護(hù)同樣在風(fēng)電場(chǎng)暫態(tài)電流的作用下靈敏度降低。另外，采用2次諧波制動(dòng)的勵(lì)磁涌流閉鎖判據(jù)在非工頻電流分量的作用下會(huì)在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)（嚴(yán)重情況下達(dá)到2～3個(gè)周期）將電流差動(dòng)保護(hù)閉鎖[8]，從而使得差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作速度減慢。因此為了保證變壓器差動(dòng)保護(hù)的快速動(dòng)作，應(yīng)當(dāng)考慮采用其他的不受非工頻分量影響的勵(lì)磁涌流判據(jù)，如間斷角鑒別、時(shí)差法等。

后備保護(hù)配置過(guò)電流保護(hù)、復(fù)合電壓?jiǎn)?dòng)的過(guò)電流保護(hù)或復(fù)合電流保護(hù)。變壓器保護(hù)中的零序電流方向保護(hù)不受風(fēng)電接入的影響，因此可投入作為區(qū)內(nèi)接地故障的后備保護(hù)。

3.3 330kV送出線路保護(hù)元件

試驗(yàn)結(jié)果表明，縱聯(lián)距離、縱聯(lián)方向保護(hù)受風(fēng)電的暫態(tài)電壓、電流影響無(wú)法正常工作，而縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)僅是靈敏度降低，仍可快速正確動(dòng)作。因此建議配置2套獨(dú)立的光纖電流差動(dòng)保護(hù)作為330kV線路的主保護(hù)，以提高保護(hù)的正確動(dòng)作率。

由于風(fēng)電場(chǎng)的弱電源特性，風(fēng)電場(chǎng)側(cè)保護(hù)裝置基于電流量的選相元件正確動(dòng)作率較低，建議采用基于電壓突變量的選相元件以保證弱電源側(cè)的選相靈敏度。

受風(fēng)電的暫態(tài)電壓、電流影響，基于正、負(fù)序及相量分量的方向元件正確動(dòng)作率較低，建議采用基于零序分量的方向元件[9]。

后備保護(hù)配置建議與110kV送出線路相同。

4 結(jié)論

本文根據(jù)大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)送出電網(wǎng)繼電保護(hù)影響RTDS試驗(yàn)結(jié)果，分析了當(dāng)前保護(hù)存在的問(wèn)題，并給出風(fēng)電場(chǎng)送出電網(wǎng)保護(hù)配置建議如下：

a.110kV線路的主保護(hù)采用分相電流差動(dòng)保護(hù)，建議采用解微分方程算法的距離Ⅰ段，或?qū)⑾嗔烤嚯xⅠ段保護(hù)延時(shí)0.15 s動(dòng)作，同時(shí)配備常規(guī)距離Ⅱ、Ⅲ段及零序電流保護(hù)以作為相間及接地故障的后備保護(hù)；

b.送出變壓器的主保護(hù)采用比率差動(dòng)保護(hù)，建議采用不受非工頻分量影響的間斷角鑒別、時(shí)差法等勵(lì)磁涌流判據(jù)，后備保護(hù)配置過(guò)電流保護(hù)及零序電流方向保護(hù)；

c.330kV送出線路主保護(hù)建議配置2套相互獨(dú)立的分相電流差動(dòng)保護(hù)，采用電壓突變量選相元件及基于零序分量的方向元件，后備保護(hù)配置建議與110kV送出線路相同。