2023-05-16-上海交通大学-新型电力系统故障暂态电气量频域特征及其应用_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，电源结构和输电方式发生变化，从以旋转电源为主转向换流站、逆变器等逆变型电源与旋转电源共存。这种转变导致电力系统故障特征发生显著变化，传统的继电保护方法面临适应性下降、灵敏度降低等问题。

主要观点

• 故障特征变化：新型电力系统中故障电流幅值受限，相位受控，使得传统工频保护方法无法准确识别故障。
• 保护适应性下降：距离保护、电流保护、电流差动保护和选相元件等传统保护装置在新型系统中表现出拒动、误动或灵敏度降低的问题。
• 频域特征应用：基于故障暂态电气量的频域特征（如高频分量、附加阻抗、相位差等）可有效提升新型电力系统的保护性能。
• 保护方法改进：提出了多种基于频域特征的保护方案，如基于附加阻抗解析模型的距离保护、高频阻抗差动保护和暂态高频电压纵联保护，以适应新型系统的故障特性。

关键信息

1. 故障电流特征

• 传统系统：故障电流幅值为正常负荷电流的7-10倍，相位相近。
• 新型系统：故障电流幅值为正常负荷电流的1-2倍，相位受控，存在明显差异。

2. 保护原理与适应性

3. 高频阻抗差动保护

• 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，适用于含高比例新能源配电网。
• 公式：
  $$
  Z_{\mathrm{op}}(\omega) = \left| Z_{\mathrm{M}}(\omega) + Z_{\mathrm{N}}(\omega) \right|
  $$
  $$
  Z_{\mathrm{res}}(\omega) = \left| Z_{\mathrm{M}}(\omega) - Z_{\mathrm{N}}(\omega) \right|
  $$

4. 暂态高频电压纵联保护

• 判据：区内故障时补偿电压差 $\Delta U_{\mathrm{CO}} > \varepsilon$，区外故障时 $\Delta U_{\mathrm{CO}} \leq \varepsilon$。
• 公式：
  $$
  \Delta U_{\mathrm{CO}} = \left| U_{\mathrm{CO, M}} - U_{\mathrm{CO, N}} \right|
  $$
• 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。

5. 保护原理对比

6. 未来研究方向

• 保护方法改进：随着新型电力系统建设的深入，需对传统工频保护进行改进，以适应复杂故障特征。
• 技术融合：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领域发挥重要作用。

结论

新型电力系统中，由于逆变型电源的引入，传统保护方法面临诸多挑战。通过分析故障暂态电气量的频域特征，提出并验证了多种改进的保护方案，如基于附加阻抗解析模型的距离保护、高频阻抗差动保护和暂态高频电压纵联保护，这些方法能够有效提升新型电力系统的保护性能，具有良好的适应性和可靠性。未来，结合频域特征、控制策略与人工智能算法的保护技术将是研究的重点方向。