国网南瑞：新型电力系统保护新技术研究与实践

报告摘要

本文档围绕新型电力系统保护技术展开，重点分析了新能源及电力电子设备接入电网后对继电保护带来的挑战，并提出了一系列适应新技术的保护方法与原理，包括距离保护、差动保护、变压器保护以及不依赖电源特性的保护新原理。

新型电力系统特征：
- 高比例新能源和电力电子设备接入是电网的基本特征。
- 交流电技术仍是技术基础，但其故障响应过程不确定性增强，连锁反应风险增加。
保护面临的主要挑战：
- 新能源及电力电子设备具有弱支撑性和低抗扰性，导致故障电流幅值受限、相位受控、频率偏移等特性。
- 传统基于同步机特性的继电保护理论不再适用，现有保护原理在灵敏性、可靠性、快速性等方面面临严峻挑战。
- 保护误动、拒动现象频发，威胁系统安全运行。
保护性能提升技术：
- 距离保护：通过引入正序电压极化、结合方向判别、利用时域信息构建自适应保护方法，提升保护动作的准确性。
- 差动保护：采用故障分量电流差动、基于铁芯磁链的快速开放判据，解决因谐波和频率偏移导致的动作延迟问题。
- 变压器保护：提出基于励磁电感参数识别的保护原理，无需设置励磁涌流判据，提升速动性和灵敏性。
不依赖电源特性的保护新原理：
- 通过模型识别和参数变化特征来判断故障，不受电源特性影响。
- 包括基于时域模型识别的线路纵联保护方法，以及基于励磁电感识别的变压器保护方法。

原理：基于正序电压极化的距离保护方法，利用故障电流与电压之间的相位关系进行判别。
应用：适用于风电、光伏等新能源送出线路，解决因电力电子控制策略导致的拒动和误动问题。
计算模型：
$$
\dot{U}_{op} = \dot{U}_m - \dot{I}m Z{set}, \quad \dot{U}_p = \dot{U}_1
$$
判别条件：
$$
90^\circ \leq \arg \frac{\dot{U}_{op}}{\dot{U}p} \leq 270^\circ \quad \text{区外故障}
$$
$$
\arg \frac{\dot{U}{op}}{\dot{U}_p} \approx 90^\circ - \gamma \quad \text{区内故障}
$$

原理：基于励磁电感参数识别，构建保护判据。
应用：适用于变压器内部故障和空充状态下的涌流识别。
计算模型：
$$
R_m(i_1 + i_2) + L_m \frac{d(i_1 + i_2)}{dt} = \frac{u_1 + u_2}{2}
$$
判别条件：
- 内部故障：励磁电感较小，均值小于定值，保护动作。
- 区外故障：励磁电感较大，均值大于定值，保护不动作。
- 涌流：励磁电感周期变化，均值大于定值，保护不动作。

应用案例：
- 某风电+光伏送出线路中，距离保护误动问题得到解决。
- 某330kV线路人工短路试验中，距离保护拒动问题被克服。
- 如东海上风电经柔直送出系统中，距离保护误动、拒动风险降低。
- 渝鄂背靠背柔性直流系统中，交流线路和母线保护灵敏度不足问题得到改善。
- 风电经柔直送出系统中，差动保护灵敏性提升。
- 柔性低频输电系统中，差动保护灵敏性提升。
技术优势：
- 快速、精准收敛。
- 不受频偏、谐波、穿越性电流影响。
- 动作时间短，可靠性高。