新型电力系统故障暂态电气量频域特征及其应用-上海交大_40页_4mb

新型电力系统故障暂态电气量频域特征及其应用总结

核心内容

随着“双碳”目标的推进，传统电力系统正在向新型电力系统转变。新型电力系统中，旋转电源与逆变型电源（如换流站、逆变器）并存，导致故障特征发生变化。故障电流幅值受限，相位受控，使得传统工频保护面临适应性下降、灵敏度降低、拒动和误动等问题。

主要观点

• 故障特征变化：传统系统中故障电流幅值可达正常负荷电流的7-10倍，而在新型系统中，故障电流幅值仅是正常负荷电流的1-2倍，且相位差显著增加。
• 保护性能变化：工频保护（如距离保护、电流保护、电流差动保护、选相元件）在新型系统中面临较大挑战，表现为拒动、误动、灵敏度降低等问题。
• 暂态电气量频域特征：新型系统中故障后产生的暂态高频分量具有独特的频域特征，可作为新型保护策略的基础。

关键信息

一、距离保护

• 受影响原因：故障电流幅值受限和相位受控导致附加阻抗幅值大、相位非零。
• 受影响程度：
  • 距离保护I段：存在拒动、误动风险。
  • 距离保护II段：可能无法覆盖本段线路全长。

二、电流保护

• 受影响原因：故障电流幅值受限。
• 受影响程度：存在拒动风险。

三、电流差动保护

• 受影响原因：相位受控特性导致线路两端故障电流相角差过大。
• 受影响程度：灵敏度下降，存在拒动风险。

四、选相元件

• 受影响原因：故障后等效正负序阻抗存在明显差异，正负序分流系数不相等。
• 受影响程度：选相元件适应性下降，尤其在逆变电源接入时，突变量选相和序分量选相均受影响。

五、高频阻抗差动保护

• 原理：利用线路两侧高频阻抗的差异进行故障识别。
• 判据：
  • 区内故障时：$ Z_{\mathrm{op}}(\omega) > Z_{\mathrm{res}}(\omega) $
  • 区外故障时：$ Z_{\mathrm{op}}(\omega) < Z_{\mathrm{res}}(\omega) $
• 优点：受逆变器控制策略影响小，具有较强的抗过渡电阻能力。
• 适用场景：含高比例新能源配电网。

六、暂态高频电压纵联保护

• 原理：基于补偿电压差进行故障识别。
• 判据：
  • 区内故障时：$ \Delta U_{\mathrm{CO}}(\omega_i) > \varepsilon(\omega_i) $
  • 区外故障时：$ \Delta U_{\mathrm{CO}}(\omega_i) \leq \varepsilon(\omega_i) $
• 优点：受逆变器控制策略影响小，适用于新能源场站汇集线路。
• 适用场景：新能源场站汇集线路。

七、保护时序与数据窗

• 工频分量：提取数据窗一般为20ms，受换流器控制影响较大。
• 暂态高频分量：提取数据窗较短（5-10ms），受换流器控制影响小，主要受系统拓扑影响。

八、不同故障类型与保护性能

九、控制策略影响

• 暂态高频分量主要出现在固有拓扑响应阶段，控制策略影响较小。
• 高频阻抗差动保护和暂态高频电压纵联保护对控制策略不敏感。

十、未来研究方向

• 随着新型电力系统的发展，传统工频保护需改进。
• 基于故障暂态电气量频域特征的保护、控制与保护协同技术、人工智能算法将在继电保护中发挥重要作用。

结论

新型电力系统中，由于逆变型电源的引入，传统保护原理面临适应性下降的问题。基于频域特征的保护方法（如高频阻抗差动保护、暂态高频电压纵联保护）能够有效解决这些问题，具有良好的应用前景。