综合能源系统电力网架继电保护原理综述

褚 旭, 鲍泽宏

(湖南大学 电气与信息工程学院, 长沙 410082)

能源是推动生产、生活以及科技水平发展的重要基石,伴随社会经济发展对能源的需求与日俱增,化石能源枯竭与环境污染等问题日益严重[1].我国积极采取能源转型措施,在“十四五”期间,可再生能源装机总量预计由2019年底的40.8%增长至57.5%[2],高效环保、灵活经济、持续可靠的可再生能源供电已成为电网重要组成部分[3],随着可再生能源容量、渗透率增加,现有电网消纳能力不足,系统弃风、弃光等现象加剧;电能、热能、天然气等能源各自成网、独立规划,系统用能效率低,整体经济性、可靠性不足[4].

为解决上述问题,加速能源结构转型,研究与构建以电网为主体多能源产、输、配、转、储、用综合协调的综合能源系统(IES)成为必然选择[5-7].IES作为未来新生代电网的承载主体,融合可再生能源与信息网,实现多能源形式的互补优化,是支撑清洁低碳、经济高效的新生代能源系统.近年来,各国针对IES项目的研究与建设已经相继开展[8-10],其中以美国FREEDM系统[8]、德国E-Energy计划[9]、日本数字电网项目[10]、中国2017年55个首批综合能源项目最有代表性.

目前,国内外研究人员对IES典型物理架构、等效数学模型、效益评价技术及能源协调优化等方面展开研究.其中,文献[11]介绍了IES系统的关键组件,并对其运管等稳态问题进行了归纳总结.文献[12]聚焦于IES的典型架构,在此基础上构建了物理、经济模型,并梳理了系统的效益评价方法.文献[13]基于IES的数学模型,评述了多能源间优化运行的方法.文献[14]归纳整理了IES的能效评价方法与经济指标体系,并展望了未来发展方向.

IES在促进能源消纳、提高用能效率的同时,复杂的结构特点与故障特征也为系统安全稳定运行第一道防线的继电保护适用性带来诸多挑战,已成为目前IES发展和推广的技术难题之一.多能源系统互补互济、耦合紧密、交互响应,且故障机理错综复杂,故障特征交叉耦合,故障传播速度快,故障影响范围大、持续时间久,造成传统保护原理灵敏度降低、故障识别困难、装置判据误动与拒动等,因此亟待研究现有保护的适用性、优化改进方案,以及适用于IES的保护新原理.本文首先概述了IES拓扑结构的特点,分析了电网直连型电源、逆变型电源的控制特性,并基于上述特点具体研究了IES的故障特征.然后,以保护原理所基于故障特征本质的不同,分别从电气量、结构特征两方面综述了现有各类保护近几年的研究、改进现状及用于IES的适应性.最后,深入探讨与展望了未来用于IES的继电保护技术所面临的挑战、研究思路及发展方向.

1 综合能源系统结构及特征分析

1.1 拓扑结构

典型IES物理信息融合的多元结构如图1所示.其中,IES以可再生能源为主、传统能源为辅进行多种类一次能源供应,各能源子系统经耦合元件进行二次能源双向交互、灵活转化,极大增强能源消纳能力,进而系统整体表现出交直流混联、跨多电压等级、拓扑结构复杂、潮流方向多变、管理多层多级及各能源子系统交互耦合的特征,以实现高效环保、灵活经济、持续可靠的用能目标[15-16].

图1 综合能源系统结构

1.2 控制特性

根据各类电源与电网连接方式差异,将图1所示电源分为电网直连型电源、逆变型电源.

(1) 电网直连型电源.该类电源主要包括双馈风力发电、热电联产发电、水力发电等类型.发电机(水轮机、蒸汽轮机)存在较大转动惯量,致使机电暂态控制响应时间达到秒级,对于故障特征分析所面向毫秒级电磁暂态过程,故障暂态过程中发电机转速可认为始终不变,电气量分布主要取决于系统结构与元件参数.特别地,在系统故障期间,双馈风力发电机(简称风机)定、转子将产生过电流,为保护风机元件,需投入撬棒电路,即接入限流电阻以提高等效阻抗[17].

(2) 逆变型电源主要包括光伏发电、直驱风力发电、燃气轮机、储能电池等.在电网故障时,该类电源根据并网点电压水平切换控制模式:① 当并网点电压大于0.9UN时,逆变器采用恒功率(PQ)控制模式;② 当并网点电压为0.9UN～0.2UN时,逆变器采用低电压穿越模式;③ 当并网点电压小于0.2UN时,逆变器采用脱网模式[18],其中UN为逆变型电源并网点的电网额定电压.为保证电力电子器件的安全性,逆变器限制电源故障输出电流约为额定电流的1.2～2倍,故障电流幅值受限.

1.3 故障特征

故障特征是保护判据构造、门槛整定、方案构建的基础,根据IES的系统结构、控制特性,可将其故障特征概括为如下方面.

(1) IES电网部分交流、直流混合联结,当交流部分故障时,电压的跌落易引发电网换相换流器型高压直流输电系统(LCC-HVDC)逆变侧换相失败、电压源换流器型高压直流输电系统(VSC-HVDC)故障穿越响应,交直流系统交互作用、特征耦合互相影响,致使直流电气量侵入、谐波增加、频率偏移、电流幅值减小、相角波动[19].对于长距离输电线路,由于受线路传变特性的作用,故障电气量幅值衰减、波形畸变、识别困难.在分布式电源(DG)、储能装置及相关负荷投切控制系统作用下,系统拓扑结构、潮流方向、故障电气量实时变化.

IES其余子网部分主要包括热/冷网、气网、交通网,不同子网将产生差异化的故障响应特征.对于热/冷网与气网,由于热/冷能量介质与气体的传输速度较低,其内部故障与管道中断等情况发生时,明显故障特征需长期故障状态的累积,响应过程较慢,所以可仅视其协调优化特性会对电网产生一定扰动[20];对于交通网,电动汽车与轨道交通存在源/荷转换特性,其在放电工况下的故障响应则与DG相似[21].

(2) 电网直连型电源的响应特性.由于电磁、机电暂态过程控制响应时间存在数量级差异,在故障暂态特性分析及快速主保护作用期间,将电网直连型电源等效为电压源,即电源在系统故障前后电动势不变,并向故障点馈送短路电流,主要包含指数衰减的工频分量、直流分量.

特别地,故障时双馈机组撬棒电路的投入将导致风机正负序阻抗不相等、输出故障电流出现非工频分量[22],且引起同步发电机短路电流各分量均增大,以二倍频分量最显著[23].

(3) 逆变型电源的响应特性.该类电源控制系统快速响应并网点故障电气量的变化,可等效为电压控制型电流源[24].电气量故障特征受控制外特性、调制参数及过程、电源及换流器结构等因素影响,增加了故障特征分析的复杂程度,保护整定计算难度增大.例如,逆变型电源短路电流相角受制于控制策略影响,可在0°～360°之间变化[25];储能电池直流侧大电容的钳位作用,造成电网故障时直流母线电压波动减小、故障电气量特征减弱[26];全桥、混合桥型结构模块化多电平换流器(MMC)在故障暂态过程中,可通过桥臂闭锁控制、故障穿越策略等措施配合,控制故障特征,限制故障电流,注入特征信号[27].此外,控制系统的调节作用将会在故障暂态过程中引入非工频量,引起波形畸变[28].

综上所述,IES故障特征示意图如图2所示.IES交直流混联、网架结构多变、控制特性复杂、运行潮流灵活,致使故障特征交叉耦合、故障机理错综繁杂,系统呈现故障特征衰减、幅值受限、谐波增加、波形畸变、相角波动等特点,引发故障传播速度加快、故障影响范围变大、故障识别困难等问题,导致传统保护原理可靠性、灵敏性、速动性、选择性难以完全满足系统需求.

图2 IES故障特征示意图

2 综合能源系统继电保护原理研究现状及适用性分析

图3 故障原理示意图

根据所依据的本质不同,可将保护原理分为基于直接结构特征和基于间接电气量特征两大类.其中,参数/模型识别保护[29-35]、纵联保护[36-44]、主动控制式保护[45-55]等基于直接系统网架结构识别实现故障判别;电压/电流保护[56-62]、行波保护[63-72]、边界保护[73-84]等基于结构变化而引起的间接电气量变化实现故障判别.

2.1 基于电气量特征

2.1.1电流/电压保护 故障时,电网结构发生变化,相比于负荷阻抗,故障回路中线路阻抗小,使得故障时电流增大、电压下降,据此形成电流/电压保护.

在IES中,该类保护所需的故障电流、电压除受故障类型、过渡电阻的影响外,更易受系统拓扑多变、运行方式的影响;并且DG与储能的接入导致系统结构更加复杂、潮流方向多变,该类保护错误动作概率进一步加大;此外,由于逆变型电源的限流特性,输出的故障电流幅值受限、特征衰减,其值难以激活过电流继电器,仅利用电气量幅值门槛的传统电流/电压保护难以正确识别故障,较难满足IES整体的要求.

为增强电流保护在DG接入情况下的适应能力,文献[56]综合控制策略求解DG输出故障电流,实时修正保护门槛.文献[57-58]根据双馈风机故障后正负序阻抗不等的特点,综合网络结构引入保护整定修正系数,实时修正保护门槛值,消除DG系统影响,提升保护灵敏度.此外,针对零序过电流高阻接地灵敏性与低阻接地选择性不能同时满足的问题,文献[59]将现有零序过电流保护拆分为多段定时限过流保护,以降低最低段启动电流值增强高阻故障保护灵敏度.

为深入挖掘电压、电流等电气量的故障信息,解决保护计算复杂度高、整定困难度大的问题,文献[60]以正负序电流幅值与变化量作为输入样本,以单层神经网络作为弱分类器,训练自适应增强集成学习模型,根据输出实现故障识别,该方法减少了网络训练参数,加快训练效率.文献[61]以暂态电压能量、正负极电压变化量作为输入样本,离线训练获得人工神经网络分类器,根据其输入进行故障识别.文献[62]利用4层门控循环网络层和3层全连接神经网络层构成学习模型,将三相分支电流信号和对其经离散小波变换处理的频域信号一并作为训练样本,送入模型进行分类器训练,以其输出进行故障识别.

2.1.2行波保护 线路故障时会由故障点产生向线路两端传播的行波,相较于正常状态,该行波所经之处会发生电气量突变,据此特征形成行波保护.

在IES中,行波保护受制于采样频率、过渡电阻、雷击干扰、波头检测等问题的影响,保护存在误动、拒动问题.此外,对于区域型IES,系统呈现电压等级低、线路短、分支多、结构多变的特点,将造成初始故障行波提取困难,进而对保护采样频率提出更高要求,设备投资加大;对于跨区级IES,系统输电线路普遍较长,实际行波传播过程中不同频率分量传播速度、衰减系数不同,将造成保护处测量到的波形特征出现衰减和畸变,并且此现象随着线路长度的增加而更严重,保护性能受到影响.

行波暂态波形中蕴含大量故障信息,通过波形分析可确定对应故障区间.文献[63-64]根据电网结构建立模拟各种故障的波形数据库,对比实际故障波形与模拟波形的差异,前者引入相关系数描述差异,构建保护判据;后者则通过波形比对得出相应的过渡电阻值,并将其用于基于电气量变化率的行波保护对不同过渡电阻的自适应整定.进一步,文献[65]以线路中点所测波前信息为基值,构造相关系数,计算所测波前波形与基准值的差异程度,表征故障点与线路中点的远近,能够可靠识别故障区间.在此基础上,文献[66-67]分别利用Logistic函数和 Levenberg-Marquart法拟合得出反映故障距离的最优参数,并以此值的大小构成区间识别判据.

基于初始电压或电流行波分析,文献[68]在保护判据中引入传播系数构成改进的差动电压行波保护,并根据保护接收到的反向行波和正向行波的差值大小判别两端数据是否同步.文献[69]利用小波变化提取行波的小波变化模极大值,重新构建等效行波,并根据区内外故障时等效行波差分电流的能量大小差异,构成保护判据.文献[70]基于S变化提取初始电压、电流行波,并利用彼得逊等值模型计算线路两端初始行波无功功率幅值之比(最大端与最小端之比),根据其比值大小差异构成保护判据,识别区内外故障.

在波速近似恒定情况下,行波在线路上传输的时间与距离具有一定联系,根据时间关系可提取故障区段信息.文献[71]以初始行波到达线路两端的时间差大小作为鉴别区内外故障的判据,并给出了不同采样率情况下具体的保护范围区间.文献[72]基于数学形态学理论,利用初始电流行波到达线路两侧保护的极性差异和时间差大小,可靠识别故障方向,确定故障区间.

2.1.3边界保护 交流输电系统中,为减少高频能量损耗,维持载波通信及高频保护正常工作,线路两端对应有阻波器;直流输电系统中,为减小电流脉动、改善功率因数、抑制装置谐波、保证电能质量[85]、降低故障危害[86],线路两端配置直流滤波器、直流电抗器,此类元件构成了不连续点,形成了天然保护边界.基于上述边界结构引起的区内外故障特征差异,可提取故障信息,构造故障判据,实现全线速动保护.

在存在边界元件的基础上,保护借由其形成的明显区内外故障特征差异,在潮流复杂、运行灵活的IES中可靠性高;但由于信号传输衰减以及控制系统产生的高频谐波影响,边界保护可能难以辨别区内末端与下段始端故障,且又因边界元件较少等问题,边界保护的应用存在一定的局限性.此外,对于利用单端量的边界保护,可能存在无法区分正反方向故障的问题,需加装方向元件避免保护误动.

基于阻波器对高频信号的阻滞作用,文献[73]根据阻波器对零模电压行波分量传输速度的衰减作用,利用零模与线模分传输时间差区分区内外故障.文献[74]基于小波变换,利用不同频谱能量的差异大小构成保护判据,识别区内外故障.

基于平波电抗器对波头的平滑作用,文献[75]根据初始行波电压梯度与电压幅值之比的大小差异不同,区分区内外故障.文献[76]利用保护检测到的反向行波振幅和突变情况大小构成故障识别判据,可靠识别区内外故障,并以电压故障分量是否能保持极性稳定作为故障选极判据.

基于直流电抗器对高频信号的阻滞作用,文献[77]利用单端保护检测到的1模电压反行波的幅值大小构造保护判据,区分区内外故障.文献[78]以直流电抗器作为线路边界,依据高频暂态能量大小差异可靠区分区内外故障,并利用故障瞬间直流电抗器压降的极性识别正反方向故障.

基于直流电抗器的分压作用,文献[79]根据被保护线路两端的直流电抗器两侧电压暂态分量幅值比的差异,可靠地判别区内外故障.文献[80]根据故障时线路两端直流电抗器电压突变量的极性是否相同,构成保护判据,区分区内外故障.

基于直流滤波器的阻抗频率特性,文献[81]根据不同故障区间在特定频率下滤波器支路呈现的阻抗大小不同,利用该支路电流大小差异构造保护判据,区分区内外故障.文献[82]根据滤波器峰值频率下线路两端保护所测阻抗角差异,利用角度差大小构成保护判据,可靠判别区内外故障.

基于组合元件对暂态能量的衰减作用,将平波电抗器和直流滤波器组合后作为线路边界,文献[83]根据该边界线路侧和换流阀侧暂态能量幅值比差异判别故障方向,综合两端方向判别信息,确定区内外故障.文献[84]根据区内外故障时不同频段的暂态功率衰减程度不同,以暂态能量比值的大小作为故障区间识别判据,并利用低频段故障极与健全极的暂态能量差异进行故障选极.

2.2 基于结构特征

2.2.1参数/模型识别保护 系统结构因所处正常、故障状态的不同而改变,致使自身某固有参数(例如电阻、电抗、等值模型、控制参数等)会呈现差异化的响应,通过识别参数差异可有效区分故障区段,构成参数/模型识别保护.其中,以反映线路阻抗参数的距离保护应用最广.

在IES中,参数/模式识别保护除受过渡电阻、系统振荡、故障暂态电气量的影响之外,由控制系统调节过程产生的非工频量谐波将导致相量提取产生较大误差,工频量保护性能下降.大规模DG、储能装置接入产生的助增电流会使距离保护II段的测量阻抗变大,造成保护范围减小;但对于储能装置,其荷源状态不定导致在储能装置处于备用状态时,传统距离保护必然损失相当一部分保护范围且灵敏度降低.此外,IES灵活的拓扑结构与配置的多种补偿、调节设备(例如串补电容、故障电流限制器、潮流控制器)改变了线路结构、参数,将相应影响参数/模型识别保护性能.

为增强保护抗过渡电阻能力,文献[29]基于保护安装处和故障点间电压、电流的相量分析,得出故障阻抗与测量阻抗间的误差系数,并代入保护判据以修正保护定值.文献[30]针对风机撬棒电路投入引起传统距离保护可靠性变低的问题,通过利用风机的各序阻抗,计算自适应分支系数,综合故障类型实时计算距离II段门槛值.

为解决电容式电压互感器(CVT)暂态特性差导致距离保护暂态超越误动作问题,文献[31]通过构造与实际CVT传变特性相同的虚拟数字CVT,并送入采样值进行等传变处理,得到精确线路模型并进行故障判别,提高了保护的可靠性.为保证电能输送的灵活快速控制,各种柔性交流输电系统(FACTS)装置已投入线路中使用.为解决串联补偿设备造成距离保护超越误动问题,文献[32]采用R-L微分方程算法求解故障距离,并利用最小二乘算法求得的拟合误差大小识别故障点与串补电容的相对位置.此外,为分别解决串联电容器型故障电流限制器与统一潮流控制器导致距离保护不正确动作问题,文献[33]在分析限流器动态阻抗模型基础上,综合控制方式提出具有动态偏移阻抗圆特性的保护策略.文献[34]在利用R-L微分方程算法的基础上,综合故障距离计算结果的平均值与波动程度,区分内外故障,增强了保护可靠性.

根据控制参量、模型适配等可有效表征故障差异参数的研究,文献[35]基于换流器外环控制参考电流与内环电流d轴输出值在线路正常与故障状态时的控制参数差异,定义虚拟能量调节偏差,并以其值大小可靠识别交、直流侧故障和进行故障选极.文献[19]基于参数识别思维,利用区内外故障时,差动电压、电流参数是否能满足阻感模型的差异,通过修正余弦相似度算法求取相关系数,并以其大小衡量符合程度,从而实现区内外故障可靠区分.

2.2.2纵联保护 依据线路两端的电气量或故障方向判别结果,综合分析、逻辑判断后作用于区内跳闸,具有高选择性,可构成纵联保护.

在IES中,纵联保护同样受制于分布式电容电流、电流互感器误差等问题的影响,保护仍存在一定的可靠性问题,且随着输电线路距离增加、通信延时增大,采样同步、波形畸变问题凸显,基于波形比较类纵联保护速动性、可靠性受到影响.对于区域型IES,线路分支较多、结构多变,使得纵联保护需考虑区内不同分支拓扑变化,保护配置复杂度进一步提升.此外,受制于风机撬棒投入为故障电流带来的非工频量影响,保护将难以精确提取电流相量而发生不正确动作现象.此外,由于逆变电源控制策略影响,输出故障电流相角大范围变化,导致差动保护灵敏度降低.

为增强纵差保护性能,文献[36]基于风机低电压穿越控制下的电流谐波频率特性,通过在比例制动式差动判据中引入由基波与谐波分量幅值之和形成的频谱指标,进行判据优化修正,从而灵敏辨别区内外故障.文献[37]基于故障分量暂态差动电流在区内外故障时的频率差异,通过最小二乘法提取其波形对应主频率,并以其值大小可靠识别区内外故障.文献[38]利用线路两端正序电流故障分量构成电流差动保护,并为了避免线路内部T接型负载的开关动作导致保护误动问题,以相电压是否存在明显降落的特征作为区别内部故障和负荷切除的判据.

基于新能源场站送出的短路电流具有幅值受限和畸变的特点,文献[39-42]根据新能源场站送出线路区内外故障暂态电流波形差异,分别利用Pearson相关系数、斯皮尔曼等级相关系数、余弦相似度和Hausdorff距离的大小衡量线路两侧暂态电流波形的相似程度,并构成相应的保护判据,可靠识别故障区间.

基于故障瞬时功率分析,文献[43]利用相空间重构理论,将线路两端故障分量瞬时功率差重构到相空间里,形成相应的轨迹圆,并根据区内外故障时轨迹圆的圆心所处位置不同和圆周在第三象限所占的采样点数目差异,识别区内外故障.为了提升直流部分保护的性能,文献[44]根据两端换流站不同极线路瞬时功率之和与其电压差比值的大小和极性差异构成保护判据,可靠地识别直流线路故障并进行故障选极.

2.2.3主动控制式保护 通过改变换流器的控制策略或另附加可控元件间接改变网架结构,主动向线路注入特征信号或改变原始故障特征,从而得到适合保护识别的故障特征量,构成主动控制式保护.

高可控性基于大量电力电子元件,特定故障特征的改变除原有换流站控制设备外可能另需附加设备进行辅助控制,造成额外系统投资.有别于传统被动式检测故障特征的保护,主动控制式保护通过人为控制构造所需故障特征,一定程度上避免了多余复杂特征对保护的干扰.在IES中,由于其典型的电力电子化、高度可控化的特征,较好地满足了主动式保护的基本需求,适应程度较高;此外,由于系统结构灵活多变,控制方案的泛化能力有待进一步评估,并且鉴于产生特征量所需的复杂控制逻辑,该类保护仍需在未来进一步研究优化.

在换流站控制基础上,文献[45]通过在全桥MMC内部增加环流抑制器,对换流站输出故障电流进行主动限流控制,并以线路两端电流是否非同时存在过零特征,可靠地辨别故障区间.文献[46]通过在故障时对电压源型换流器(VSC)自身以及外加的反并联晶闸管进行控制,使故障后系统拓扑结构发生改变,仅保留VSC与故障点间唯一回路,以强化学习(RL)模型计算故障距离,可靠识别故障区间.文献[47]在系统故障期间利用MMC换流站主动向电网送入偶次谐波特征电流,送出线路保护通过提取该特征电气量以计算特征测量阻抗,可靠地识别故障区间.文献[48]先在每条线路两端安装电感器,并在线路发生故障后,通过控制策略切除VSC的电容支路和一条桥臂,使其变成单相桥式整流电路,不断向线路馈入稳态偶次谐波电流,最终通过提取出的不同谐波分量计算出保护装置与故障点之间电感大小,得出精确故障位置.此外,文献[49]通过切换系统中DC/DC变换器的控制方式并调节开关频率,使其向系统注入特定频率信号的谐波,保护对该特定频率电气量进行相应提取,并以计算所得的谐波测量阻抗的大小作为可靠识别故障区间.文献[50]通过对光伏并网的DC/DC升压变换器进行故障控制,使其能在换流站闭锁后持续提供可控、低幅值且稳定的故障电流,并以各保护装置检测到此电流的极性差异构成故障区段识别判据.

通过在线路施加特定信号,并使保护对应检测该信号的变化情况即可获取所需的故障信息.文献[51]在故障限流控制后的线路两端主动注入相同的正弦电压特征信号,进行是否满足电容模型的判断,并以斯皮尔曼等级相关系数大小表征其满足电容模型的程度,构成故障区段识别和选极判据.文献[52]通过调整固态断路器的控制策略,使其在中断故障电流后将内部储存的能量主动注入故障线路,与故障线路形成电感电容电阻(LCR)振荡电路模型,最终对该模型分析计算得出故障点精确位置.文献[53]通过附加高频信号注入设备,并附加控制措施使其在故障后向线路施加特征高频信号,通过检测对端测量装置是否接受到该信号,识别故障区段.文献[54]通过控制投切使换流器全桥子模块数量发生突变,实现电压特征信号向健全极注入,根据检测故障极因耦合作用感应出的特征信号经线路传播后反行波的首次到达时刻,计算出故障距离的大小.文献[55]通过短时投切换流站子模块数量向线路注入特征脉冲,根据此脉冲信号发出与反射回检测装置的时间差大小,计算出故障点距保护装置之间的距离.

2.3 小结

根据故障响应时间的不同,分段构建综合能源系统等效模型,定性及定量分析故障特征,再利用故障与非故障、区内故障与区外故障差异,研究保护原理构造保护判据,提升保护在系统中的适应程度,进而将各类保护改进思路归纳如下.

(1) 电流/电压保护原理简单、易于实现;但在IES中,由于受可再生能源故障响应特性、DG及储能接入的影响,将造成电流/电压保护不能满足系统对可靠性、选择性、灵敏度的要求.需要从保护判据改进优化、保护门槛自适应整定等方面进行研究,以满足综合能源系统安全稳定运行的需求.此外,还可利用人工智能、数据挖掘技术,深层次挖掘基本电气量数据之中隐藏的故障信息,以数据驱动解决传统保护选择性与灵敏性的博弈问题.

(2) 行波保护不受系统振荡、电流互感器饱和、电容电流的影响,且具有超高速的动作特性;但在IES中,输电距离远、传输环境恶劣,行波保护在系统应用时可靠性、灵敏性将受过渡电阻、采样率、雷电或噪声干扰等因素影响而降低.需要在考虑行波的传输特性基础上,利用单端量所测波形的唯一性进行波形拟合提取故障距离信息,对比识别出故障区间,或者在保护判据中引入衰减系数以提升保护的灵敏度等方面进行研究,以增强行波保护在IES中的适应能力.

(3) 基于边界特征可利用单端电气量实现全线速动,不需要通信设备和通信通道,提高了保护的动作速度,保护原理简单,易于硬件实现.在IES中,需要寻找新型边界元件或从阻波器及直流电抗器对高频信号的阻滞和衰减特性以及直流滤波器的阻抗-频率特性等方面进行研究,构造仅利用单端量即可实现较高可靠性的全线速动边界保护方案,以满足IES对保护速动性的要求.

(4) 参数/模型识别保护一定程度上不受系统运行方式、故障类型的影响,灵敏度较高,但若用于IES时,由于大量DG的控制特性、FACTS装置动态响应的影响,仍会导致该类保护的可靠性、选择性低于预期.因此,需要从上述电源与装置的自身特性入手,分析其对特定识别参数的影响程度,并从保护判据适当修正或采取特定消减误差措施等方面进行改进,由此提升参数/模式识别保护在IES中的适应能力.

(5) 纵联保护相对于传统工频量保护动作速度快、不受系统振荡、非全相运行的影响,可以反映各种类型的故障;但在IES中,跨区级系统输电距离普遍较长,因此保护可靠性因时间同步等因素而降低的问题会愈发凸显.此外,由于相角波动、相量提取误差影响,保护灵敏度相应降低.为解决上述问题,可以从波形差异、故障分量的特点等方面进行研究,根据单端电气量故障信息判别故障方向,并综合对端保护装置的方向判别结果以辨别区内外故障,满足该系统对保护高可靠性的需求.

(6) 主动控制式保护可解决因换流站闭锁过快丧失故障特征,而导致传统保护失去判断依据的问题,放缓了对于保护速动性的要求;结合前文IES的直流化、电力电子化的特征,可见需用到元件高可控性的主动式保护具有十分良好的发展前景.此外,鉴于可控性装置多集中于换流站内部,因此需要从换流器自身控制策略等方面进行研究,进行故障特征控制或信号注入,以期在更低的投资下获得更高的可靠性,提高其在未来IES中的适应能力.

3 综合能源系统继电保护原理研究展望

IES具有新能源化、电力电子化、直流化、智能化等特征,本文重点论述了IES的拓扑结构、控制特性、故障特征、保护方案、适应能力,可见各类保护仍面临诸多挑战,因此对IES未来继电保护原理的研究进行如下展望.

(1) IES分布式微源大量接入电网,其中逆变类电源自身故障限流、出力随机,馈出故障电流幅值受限,基于电气量幅值特征的保护灵敏度降低、拒动概率增大.在此方面,未来应在研究此类电源故障特性的基础上,采用基于相位或波形特征的保护原理以提升灵敏性.

(2) IES电力电子化、直流化特征引起系统整体阻尼降低,故障电流冲击大、速度快、峰值高,导致电力器件、设备、系统的安全运行对保护速动性要求进一步提升.可探索基于结构特征或利用单端电气量的保护原理构成快速主保护,同时配以不受线路传变特性影响的保护原理构成后备保护以保证安全性.

(3) IES电力电子化特征下可控源、荷、换流站比例高,为高可控性的实现提供必要条件,可基于控制与保护协同的思想,深入探索更加灵活且经济的控制策略,主动控制相应故障特征或注入特定检测信号,达到利于保护识别的目的,提升保护的灵敏性与选择性.

(4) IES结构复杂、分支较多,致使传统基于单端电气特征的保护原理普遍存在末端选择性差、整定难度高问题.为保证电能质量、安全运行的需要,输电线路两端通常装设如阻波器、直流电抗器、直流滤波器等边界元件.利用其自身特有的边界特性,构成线路天然的保护边界.在未来输电技术或直流断路器开断容量未有大幅度提升情况下,借助此类线路天然边界或寻找其他边界元件构造单端速动保护方案最为简单、高效.

(5) IES可将故障分为可预测型和不可预测型.对于不可预测型故障可借助常规快速继电保护手段检测切除;对于可预测型故障,可借助大数据技术进行数据挖掘、信息提取,提前预测系统安全运行趋势,进行运行调节、势态干预、风险抑制,进而于实际故障发生前实现故障抑制与保护.

(6) IES多能源系统能量交互、耦合紧密,子系统故障时将通过耦合元件引起电力系统电气量变化,若不加以区分则会导致非故障侧保护误动,故障范围进一步加大.未来可在综合能源的统筹规划、人工智能的应用、边缘计算与智慧平台的构建基础上,进行状态监测、故障判别、故障穿越、故障恢复等方面的改进优化,合理精确地避免耦合引起的保护误动情况.

4 结论

综合能源系统在推动能源互补、提高用能效率等方面优势明显,但系统复杂特征致使传统保护表现不佳.本文基于IES的拓扑结构、控制特性、故障特征,深入研究了现有各类继电保护的研究现状及保护适用性,得出了以下结论.

(1) 大量分布式能源接入下,继电保护在系统故障时快速正确动作是现有保护技术应用于IES的难点.其本质原因在于交直流混联的复杂系统结构、逆变型电源的响应特性差异,导致故障特征交叉耦合,系统呈现故障特征衰减、幅值受限、谐波增加、波形畸变、相角波动等特点,故障暂态过程存在较大差异,难以定性分析,使得传统保护整定方法与阈值选择难以寻找选择性与灵敏性的平衡.

(2) 现有继电保护原理在IES的适应性方面将受到不同程度的影响.其中,以电流/电压保护效果最差,参数/模式识别保护、行波保护、纵联保护效果适中,该类保护需更深层次分析故障机理,从保护判据改进、保护门槛自适应整定等方面进行研究优化.此外,边界保护、主动控制式保护效果最好,但其分别面临边界元件较少、控制逻辑复杂等问题,需从寻找新型边界特征、制定最优控制策略等方面入手实现进一步优化.

(3) 针对IES高度复杂、非线性耦合故障特征所导致的阈值选择困难问题,可以考虑利用人工智能算法进行动态整定、实时判别.随着近年物联网、云计算、5G 通信、大数据等技术的革新,伴生的实时、精确、巨量的可用系统数据,为新型人工智能技术的样本问题、计算效率、实时判断提供了多种解决途径,使人工智能与保护技术的结合在工程实用化成为可能.