三侧光差保护在新能源接入电网中的应用

孟庆立

（承德昊源电力承装集团有限公司，河北承德 067000）

新能源发电正在进入高速发展阶段，新能源场站的建设速度超前电网建设速度，新能源场站的建设与电网接入能力的不同步发展，对新能源场站接入电网的型式形成了一定影响。受限于电网接入能力、变电站间隔数量及经济效益等方面限制，部分新能源场无适合接入点，形成了以新建新能源场站以T 接形式接入送电线路。新能源在电力系统中占比逐渐增高，同时新能源发电汇集区域气候恶劣，因极端天气如大风、雷暴、强降水引起的线路故障高于其他线路，加上源网荷储一体化的实施，阻抗模型更加复杂，对线路保护提出了更高的要求。对新建能源接入电网形式进行分析，并对其中更为复杂的、T 接线路保护策略进行研究，通过对T 接线路三侧光差保护的应用，为加速新能源发电项目建设，保障电网安全运行，增加经济效益提供了有效保障。

1 我国新能源发电现状及前景

我国新能源发电经过多年发展，能源转型已由起步期向全面加速期转变，风电、光伏发电建设周期短，新增装机容量逐年上升，是新能源发电的主力军，同时风电、光伏发电受风力、日照等环境影响，具有很大的波动性，需进一步加强电网调节能力。根据风电、光伏发电出力特征，为满足新能源能源体系发展，电力系统结构也在逐渐发生变化：一是加强电网结构，打通远距离输电通道，将新能源发电输送至负荷中心，提高消纳能力；二是储能技术的发展，降低风电、光伏发电的波动性和随机性，实现平滑输出，并具有一定调峰能力；三是对常规火力发电进行改造，进一步加强火力发电的出力调节范围，提高系统调节能力。

2 新能源场站分布情况

在新能源发电体系中，水力发电、风力发电、光伏发电占据了主要地位。受我国资源分布影响，我国新能源发电形成了以松辽清洁能源基地、冀北清洁能源基地、黄河几字弯清洁能源基地、河西走廊清洁能源基地、黄河上游清洁能源基地、新疆清洁能源基地、金沙江上游清洁能源基地、雅砻江流域清洁能源基地和金沙江下游清洁能源基地等中国九大清洁能源基地。上述能源基地风力资源、太阳能、水力资源丰富，地域广阔，用电负荷密度低，电能一部分经本地消纳后，其余电量以外送通道送至其他负荷中心以满足消纳需求[1]。

3 电网结构

我国新能源发电发展初期，新能源场站容量小，发电规模占电网比重小，继电保护方式简单，以距离保护或电流保护为主[2]。随着近年来新能源场站规模的迅速发展，新能源发电整体规模及单座新能源场站容量都在增长，新能源场站或送出线路发生故障时，保护动作时故障类型识别不准确或扩大停电范围，不能满足继电保护可靠性、选择性、灵敏性和速动性要求，并且大规模场站脱网影响电网安稳要求。原有继电保护方式不能进一步适应新能源发展要求，中大型新能源场站送出线路逐渐转变以全线速动保动为主的继电保护方式。

网源不匹配，制约了新能源场站接入电网方式，针对我国已建成的新能源场站接入电网形式进行梳理归类，总结出具有代表性的接线方式，并对这些接线方式进行分析，对未来发展趋势进行预测，提前进行系统转型，从电网网架、继电保护配置及安全自动装置上做好新能源场站的进一步接入工作，为充分利用风电、光伏等新能源发电，优化能源结构，建立安全可靠的能源供应体系作好准备。

我国中大规模新能源场站多以110 kV 及220 kV 电压等级接入电网侧。以220 kV 接入为例，主要接入电网形式以下列为主。

3.1 单辐射接入

每个新能源场站以专线接入电网。这种网架结构清晰、安全性高，每条线路停电时只停一座新能源场站，保护易于配置，如图1 所示。缺点在于每个场站需要一条送出线路，工程造价高，大量占用电网间隔及土地资源。

图1 单辐射接入

3.2 串接接入

新能源场站串接后接入电网。如新能源场站2 接入新能源场站1 母线，与新能源场站1 共同送出，如图2 所示。这种接入形式送出线路少，占用电网侧间隔少，缺点是送出线路故障时所有场站需同时停电。

图2 串接接入

3.3 新能源场站经汇集站接入电网

几个规模较小的新能源场站各自经线路接入同一汇集站，经汇集站送出，如图3 所示。这种接入方式综合投资相对于较低，易于检修维护，适用于某个范围内有多个光伏共同接入电网情况。

图3 经汇集站接入

3.4 T 接接入

受以下条件限制：新能源场站与电网侧接入点距离太远，造成工程经济效益达不到要求；电网侧间隔已满且不具备扩建条件，无法接入电网；路经重要保护区、矿区等，无法取得路径协议等，则考虑以T 接接入其他新能源场站送出线路以满足接入要求，如图4 所示。

图4 T 接接入

接入新能源场站T 接线路，由于新能源发电不稳定的特点，新能源场站会在电源与负荷之间相互转换，以T接形式接入电网相对于单辐射接入、串接接入、经汇集站接入，网络模型更为复杂，对保护装置可靠性、选择性、速动性和灵敏性提出了更高的要求。

本文以三侧光差保护实现对T 接线路的保护，在一定程度上解决了T 接线路保护问题及电网发展问题。

4 三侧光差保护原理

电力系统继电保护是在一定的网架结构下，保证电力系统和设备安全稳定运行的必要措施，针对T 接线路的结构特点，以三侧光差保护装置作为解决T 接线路保护措施的有效解决方案。三侧光差以分相电流差动和零序电流差动作为主保护，由工频变化量距离元件构成快速Ⅰ段保护，由三段式相间和接地距离及多个零序方向过流构成全套后备保护[3]。

PCS-931 型微机数字式超高压线路成套快速保护装置原理如下。

4.1 电流变电量启动元件

启动元件的主体以反应相应工频变化量的过流继电器实现，同时又配以反应全电流的零序过流继电器互相补充。

电流变化量启动由以下公式判定

式中：ΔIΦΦMAX是相间电流的半波积分的最大值；ΔIZD为可整定的固定门坎；ΔIT为浮动门坎，随着变化量的变化而自动调整，取1.25 倍可保证门坎始终略高于不平衡输出。

4.2 零序电流启动元件

当外接和自产零序电流均大于整定值时，零序启动元件动作。

4.3 工频变化量相差动元件

动作方程

式中：ΔICDΦ为工频变化量差动电流，当差动保护处于三侧差动保护方式时，ΔICDΦ=|IMΦ+INΦ+ILΦ|。ΔIRΦ为工频变化量制动电流，当差动保护处于三侧差动保护方式时，ΔIRΦ=|IMΦ|+|INΦ|+|ILΦ|。IH为“2 倍差动动作电流定值”（整定值）与4 倍实测电容电流的大值。实测电容电流由正常运行时未经补偿的差流获得。

4.4 零序差动继电器

对于经高过渡电阻接地故障，采用零序差动继电器具有较高的灵敏度。其动作方程

式中：ICD0为零序差动电流，当差动保护处于三侧差动保护方式时，ICD0=|IM0|+|IN0|+|IL0|。IR0为制动电流，当差动保护处于三侧差动保护方式时，IR0=|IM0|+|IN0|+|IL0|。IL为“差动动作电流定值”（整定值）与1.25 倍实测电容电流的大值。ICDΦ为差动电流，当差动保护处于三侧差动保护方式时，ICDΦ=|IMΦ|+|INΦ|+|ILΦ|。IRΦ为制动电流，当差动保护处于三侧差动保护方式时，IRΦ=|IMΦ|+|INΦ|+|ILΦ|。

5 三侧光差保护应用

某地区新建220 kV 新能源场站，站址周边变电站可用间隔已满，不具备接入条件，新变电站尚在规划中，故此新建220 kV 新能源场站以T 接形式接入一条现有新能源场站至电网送出线路。

为满足运行要求，本工程保护采用三侧光差保护，根据GB/T 14285—2006《继电保护与安全自动装置技术规程》，220 kV 线路主保护双重化配置，2 套主保护应分别动作于断路器的一组跳闸线圈[4]。本工程采用2 套不同厂家的三侧差动保护，新能源场站1、新能源场站2 与电网侧2 套保护装置规格型号保持一致。

保护安装方式如图5 所示。

图5 保护装置配置图

保护整定以三侧光差以分相电流差动和零序电流差动作为主保护。

当保护区内发生故障时，工频变化量差动电流变电量与短路前负荷状态无关，只考虑故障分量，无需与上下级保护配合，因而可以快速切除被保护线路中范围内的故障，具有很好的选择性、灵敏性与速动性。当保护区外发生故障时，装置可靠不动作。

保护装置采用数字光纤通道与对侧进行通信，三侧差动方式下，其中一侧为主机（M 侧），作为参考端，其他两侧分别为从机1（N 侧），从机2（L 侧），作为同步端[5]，如图6 所示。三侧装置以同步方式交换信息，参考端以一定的固定间隔进行采样并向对侧发送信息，同步端进行调整与参考端保持一致。满足采样同步条件时，参考端向同步端传输三相电流采样值，进行差动计算。

图6 通道连接方式

220 kV 线路架设2 条OPGW 光纤复合架空地线，保护通道采用专用光纤通道，三侧差动运行方式下，装置采用环形通道，以本侧通道一连接对侧通道二交叉连接方式。三侧差动方式下，一路通道发生异生常，装置发生告警信号，两路通道异常时，闭锁差动保护。

当系统侧电站或新能源场站因预试、检修，其中一侧停运时，保护装置可以退投压板实现三侧光差保护和两侧光差保护之间的相互转换，两侧差动方式时，仅一组通道软、硬压板全投入，且该组通道压板对应的两侧装置其他通道压板退出。两侧差动保护运行方式见表1.

表1 两侧差动保护运行方式

通过三侧光差保护，保护装置、通道、设备跳闸线圈双套配置及保护功能实现了对新能源T 接线路的继电保护可靠性、选择性、灵敏性和速动性要求，保障了电力系统安全稳定运行。

T 接线路不占电网间隔，节约线路及站内设备投资，为满足新能源送出，在受电网间隔、线路路径、投资成本限制的情况下，T 接线路作为新能源送出的一种解决方案在一定时期内仍会在电网中应用。三侧光差保护的应用，解决了新能源发电快速发展过程中，新建源场站的建设与电网接入能力的不同步发展带来的T 接线路继电保护问题，对于大规模新能源场站接入电网从继电保护方面提供了一定的解决思路，对于加快新能源发电的建设并网具有重要意义。同时，三侧光差保护又具有很强的适应能力，当场站检修停运或电网结构发生变化，三侧光差保护装置跟随电网运行方式变化调整运行方式，可以适应不同运行方式下的需要，在新型电力系统构建过程中发程中发挥重要作用。

6 结束语

新能源与电网协调发展是我国转变能源和电网发展方式的内在要求，随着清洁能源供给能力持续提升，在新型电力系统构建过程中，结合电力设备和电力网的结构特点和运行特点、故障出现的概率和可能造成的后果，选用有效的继电保护和安全自动装置是保障电力系统安全、稳定运行不可或缺的重要因素。将三侧光差应用于T接线路保护，满足可靠性、选择性、灵敏性和速动性要求，并能根据电力系统近期及远期发展规划，实时调整保护策略，具有经济上的合理性及技术上的可靠性，是新能源高速发展道路上有力的保障。