三側(cè)光差保護(hù)在新能源接入電網(wǎng)中的應(yīng)用

孟慶立

（承德昊源電力承裝集團(tuán)有限公司，河北承德 067000）

新能源發(fā)電正在進(jìn)入高速發(fā)展階段，新能源場站的建設(shè)速度超前電網(wǎng)建設(shè)速度，新能源場站的建設(shè)與電網(wǎng)接入能力的不同步發(fā)展，對新能源場站接入電網(wǎng)的型式形成了一定影響。受限于電網(wǎng)接入能力、變電站間隔數(shù)量及經(jīng)濟(jì)效益等方面限制，部分新能源場無適合接入點(diǎn)，形成了以新建新能源場站以T 接形式接入送電線路。新能源在電力系統(tǒng)中占比逐漸增高，同時(shí)新能源發(fā)電匯集區(qū)域氣候惡劣，因極端天氣如大風(fēng)、雷暴、強(qiáng)降水引起的線路故障高于其他線路，加上源網(wǎng)荷儲一體化的實(shí)施，阻抗模型更加復(fù)雜，對線路保護(hù)提出了更高的要求。對新建能源接入電網(wǎng)形式進(jìn)行分析，并對其中更為復(fù)雜的、T 接線路保護(hù)策略進(jìn)行研究，通過對T 接線路三側(cè)光差保護(hù)的應(yīng)用，為加速新能源發(fā)電項(xiàng)目建設(shè)，保障電網(wǎng)安全運(yùn)行，增加經(jīng)濟(jì)效益提供了有效保障。

1 我國新能源發(fā)電現(xiàn)狀及前景

我國新能源發(fā)電經(jīng)過多年發(fā)展，能源轉(zhuǎn)型已由起步期向全面加速期轉(zhuǎn)變，風(fēng)電、光伏發(fā)電建設(shè)周期短，新增裝機(jī)容量逐年上升，是新能源發(fā)電的主力軍，同時(shí)風(fēng)電、光伏發(fā)電受風(fēng)力、日照等環(huán)境影響，具有很大的波動(dòng)性，需進(jìn)一步加強(qiáng)電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力。根據(jù)風(fēng)電、光伏發(fā)電出力特征，為滿足新能源能源體系發(fā)展，電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也在逐漸發(fā)生變化：一是加強(qiáng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，打通遠(yuǎn)距離輸電通道，將新能源發(fā)電輸送至負(fù)荷中心，提高消納能力；二是儲能技術(shù)的發(fā)展，降低風(fēng)電、光伏發(fā)電的波動(dòng)性和隨機(jī)性，實(shí)現(xiàn)平滑輸出，并具有一定調(diào)峰能力；三是對常規(guī)火力發(fā)電進(jìn)行改造，進(jìn)一步加強(qiáng)火力發(fā)電的出力調(diào)節(jié)范圍，提高系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力。

2 新能源場站分布情況

在新能源發(fā)電體系中，水力發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電占據(jù)了主要地位。受我國資源分布影響，我國新能源發(fā)電形成了以松遼清潔能源基地、冀北清潔能源基地、黃河幾字彎清潔能源基地、河西走廊清潔能源基地、黃河上游清潔能源基地、新疆清潔能源基地、金沙江上游清潔能源基地、雅礱江流域清潔能源基地和金沙江下游清潔能源基地等中國九大清潔能源基地。上述能源基地風(fēng)力資源、太陽能、水力資源豐富，地域廣闊，用電負(fù)荷密度低，電能一部分經(jīng)本地消納后，其余電量以外送通道送至其他負(fù)荷中心以滿足消納需求[1]。

3 電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

我國新能源發(fā)電發(fā)展初期，新能源場站容量小，發(fā)電規(guī)模占電網(wǎng)比重小，繼電保護(hù)方式簡單，以距離保護(hù)或電流保護(hù)為主[2]。隨著近年來新能源場站規(guī)模的迅速發(fā)展，新能源發(fā)電整體規(guī)模及單座新能源場站容量都在增長，新能源場站或送出線路發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)動(dòng)作時(shí)故障類型識別不準(zhǔn)確或擴(kuò)大停電范圍，不能滿足繼電保護(hù)可靠性、選擇性、靈敏性和速動(dòng)性要求，并且大規(guī)模場站脫網(wǎng)影響電網(wǎng)安穩(wěn)要求。原有繼電保護(hù)方式不能進(jìn)一步適應(yīng)新能源發(fā)展要求，中大型新能源場站送出線路逐漸轉(zhuǎn)變以全線速動(dòng)保動(dòng)為主的繼電保護(hù)方式。

網(wǎng)源不匹配，制約了新能源場站接入電網(wǎng)方式，針對我國已建成的新能源場站接入電網(wǎng)形式進(jìn)行梳理歸類，總結(jié)出具有代表性的接線方式，并對這些接線方式進(jìn)行分析，對未來發(fā)展趨勢進(jìn)行預(yù)測，提前進(jìn)行系統(tǒng)轉(zhuǎn)型，從電網(wǎng)網(wǎng)架、繼電保護(hù)配置及安全自動(dòng)裝置上做好新能源場站的進(jìn)一步接入工作，為充分利用風(fēng)電、光伏等新能源發(fā)電，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，建立安全可靠的能源供應(yīng)體系作好準(zhǔn)備。

我國中大規(guī)模新能源場站多以110 kV 及220 kV 電壓等級接入電網(wǎng)側(cè)。以220 kV 接入為例，主要接入電網(wǎng)形式以下列為主。

3.1 單輻射接入

每個(gè)新能源場站以專線接入電網(wǎng)。這種網(wǎng)架結(jié)構(gòu)清晰、安全性高，每條線路停電時(shí)只停一座新能源場站，保護(hù)易于配置，如圖1 所示。缺點(diǎn)在于每個(gè)場站需要一條送出線路，工程造價(jià)高，大量占用電網(wǎng)間隔及土地資源。

圖1 單輻射接入

3.2 串接接入

新能源場站串接后接入電網(wǎng)。如新能源場站2 接入新能源場站1 母線，與新能源場站1 共同送出，如圖2 所示。這種接入形式送出線路少，占用電網(wǎng)側(cè)間隔少，缺點(diǎn)是送出線路故障時(shí)所有場站需同時(shí)停電。

圖2 串接接入

3.3 新能源場站經(jīng)匯集站接入電網(wǎng)

幾個(gè)規(guī)模較小的新能源場站各自經(jīng)線路接入同一匯集站，經(jīng)匯集站送出，如圖3 所示。這種接入方式綜合投資相對于較低，易于檢修維護(hù)，適用于某個(gè)范圍內(nèi)有多個(gè)光伏共同接入電網(wǎng)情況。

圖3 經(jīng)匯集站接入

3.4 T 接接入

受以下條件限制：新能源場站與電網(wǎng)側(cè)接入點(diǎn)距離太遠(yuǎn)，造成工程經(jīng)濟(jì)效益達(dá)不到要求；電網(wǎng)側(cè)間隔已滿且不具備擴(kuò)建條件，無法接入電網(wǎng)；路經(jīng)重要保護(hù)區(qū)、礦區(qū)等，無法取得路徑協(xié)議等，則考慮以T 接接入其他新能源場站送出線路以滿足接入要求，如圖4 所示。

圖4 T 接接入

接入新能源場站T 接線路，由于新能源發(fā)電不穩(wěn)定的特點(diǎn)，新能源場站會在電源與負(fù)荷之間相互轉(zhuǎn)換，以T接形式接入電網(wǎng)相對于單輻射接入、串接接入、經(jīng)匯集站接入，網(wǎng)絡(luò)模型更為復(fù)雜，對保護(hù)裝置可靠性、選擇性、速動(dòng)性和靈敏性提出了更高的要求。

本文以三側(cè)光差保護(hù)實(shí)現(xiàn)對T 接線路的保護(hù)，在一定程度上解決了T 接線路保護(hù)問題及電網(wǎng)發(fā)展問題。

4 三側(cè)光差保護(hù)原理

電力系統(tǒng)繼電保護(hù)是在一定的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)下，保證電力系統(tǒng)和設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行的必要措施，針對T 接線路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以三側(cè)光差保護(hù)裝置作為解決T 接線路保護(hù)措施的有效解決方案。三側(cè)光差以分相電流差動(dòng)和零序電流差動(dòng)作為主保護(hù)，由工頻變化量距離元件構(gòu)成快速Ⅰ段保護(hù)，由三段式相間和接地距離及多個(gè)零序方向過流構(gòu)成全套后備保護(hù)[3]。

PCS-931 型微機(jī)數(shù)字式超高壓線路成套快速保護(hù)裝置原理如下。

4.1 電流變電量啟動(dòng)元件

啟動(dòng)元件的主體以反應(yīng)相應(yīng)工頻變化量的過流繼電器實(shí)現(xiàn)，同時(shí)又配以反應(yīng)全電流的零序過流繼電器互相補(bǔ)充。

電流變化量啟動(dòng)由以下公式判定

式中：ΔIΦΦMAX是相間電流的半波積分的最大值；ΔIZD為可整定的固定門坎；ΔIT為浮動(dòng)門坎，隨著變化量的變化而自動(dòng)調(diào)整，取1.25 倍可保證門坎始終略高于不平衡輸出。

4.2 零序電流啟動(dòng)元件

當(dāng)外接和自產(chǎn)零序電流均大于整定值時(shí)，零序啟動(dòng)元件動(dòng)作。

4.3 工頻變化量相差動(dòng)元件

動(dòng)作方程

式中：ΔICDΦ為工頻變化量差動(dòng)電流，當(dāng)差動(dòng)保護(hù)處于三側(cè)差動(dòng)保護(hù)方式時(shí)，ΔICDΦ=|IMΦ+INΦ+ILΦ|。ΔIRΦ為工頻變化量制動(dòng)電流，當(dāng)差動(dòng)保護(hù)處于三側(cè)差動(dòng)保護(hù)方式時(shí)，ΔIRΦ=|IMΦ|+|INΦ|+|ILΦ|。IH為“2 倍差動(dòng)動(dòng)作電流定值”（整定值）與4 倍實(shí)測電容電流的大值。實(shí)測電容電流由正常運(yùn)行時(shí)未經(jīng)補(bǔ)償?shù)牟盍鳙@得。

4.4 零序差動(dòng)繼電器

對于經(jīng)高過渡電阻接地故障，采用零序差動(dòng)繼電器具有較高的靈敏度。其動(dòng)作方程

式中：ICD0為零序差動(dòng)電流，當(dāng)差動(dòng)保護(hù)處于三側(cè)差動(dòng)保護(hù)方式時(shí)，ICD0=|IM0|+|IN0|+|IL0|。IR0為制動(dòng)電流，當(dāng)差動(dòng)保護(hù)處于三側(cè)差動(dòng)保護(hù)方式時(shí)，IR0=|IM0|+|IN0|+|IL0|。IL為“差動(dòng)動(dòng)作電流定值”（整定值）與1.25 倍實(shí)測電容電流的大值。ICDΦ為差動(dòng)電流，當(dāng)差動(dòng)保護(hù)處于三側(cè)差動(dòng)保護(hù)方式時(shí)，ICDΦ=|IMΦ|+|INΦ|+|ILΦ|。IRΦ為制動(dòng)電流，當(dāng)差動(dòng)保護(hù)處于三側(cè)差動(dòng)保護(hù)方式時(shí)，IRΦ=|IMΦ|+|INΦ|+|ILΦ|。

5 三側(cè)光差保護(hù)應(yīng)用

某地區(qū)新建220 kV 新能源場站，站址周邊變電站可用間隔已滿，不具備接入條件，新變電站尚在規(guī)劃中，故此新建220 kV 新能源場站以T 接形式接入一條現(xiàn)有新能源場站至電網(wǎng)送出線路。

為滿足運(yùn)行要求，本工程保護(hù)采用三側(cè)光差保護(hù)，根據(jù)GB/T 14285—2006《繼電保護(hù)與安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程》，220 kV 線路主保護(hù)雙重化配置，2 套主保護(hù)應(yīng)分別動(dòng)作于斷路器的一組跳閘線圈[4]。本工程采用2 套不同廠家的三側(cè)差動(dòng)保護(hù)，新能源場站1、新能源場站2 與電網(wǎng)側(cè)2 套保護(hù)裝置規(guī)格型號保持一致。

保護(hù)安裝方式如圖5 所示。

圖5 保護(hù)裝置配置圖

保護(hù)整定以三側(cè)光差以分相電流差動(dòng)和零序電流差動(dòng)作為主保護(hù)。

當(dāng)保護(hù)區(qū)內(nèi)發(fā)生故障時(shí)，工頻變化量差動(dòng)電流變電量與短路前負(fù)荷狀態(tài)無關(guān)，只考慮故障分量，無需與上下級保護(hù)配合，因而可以快速切除被保護(hù)線路中范圍內(nèi)的故障，具有很好的選擇性、靈敏性與速動(dòng)性。當(dāng)保護(hù)區(qū)外發(fā)生故障時(shí)，裝置可靠不動(dòng)作。

保護(hù)裝置采用數(shù)字光纖通道與對側(cè)進(jìn)行通信，三側(cè)差動(dòng)方式下，其中一側(cè)為主機(jī)（M 側(cè)），作為參考端，其他兩側(cè)分別為從機(jī)1（N 側(cè)），從機(jī)2（L 側(cè)），作為同步端[5]，如圖6 所示。三側(cè)裝置以同步方式交換信息，參考端以一定的固定間隔進(jìn)行采樣并向?qū)?cè)發(fā)送信息，同步端進(jìn)行調(diào)整與參考端保持一致。滿足采樣同步條件時(shí)，參考端向同步端傳輸三相電流采樣值，進(jìn)行差動(dòng)計(jì)算。

圖6 通道連接方式

220 kV 線路架設(shè)2 條OPGW 光纖復(fù)合架空地線，保護(hù)通道采用專用光纖通道，三側(cè)差動(dòng)運(yùn)行方式下，裝置采用環(huán)形通道，以本側(cè)通道一連接對側(cè)通道二交叉連接方式。三側(cè)差動(dòng)方式下，一路通道發(fā)生異生常，裝置發(fā)生告警信號，兩路通道異常時(shí)，閉鎖差動(dòng)保護(hù)。

當(dāng)系統(tǒng)側(cè)電站或新能源場站因預(yù)試、檢修，其中一側(cè)停運(yùn)時(shí)，保護(hù)裝置可以退投壓板實(shí)現(xiàn)三側(cè)光差保護(hù)和兩側(cè)光差保護(hù)之間的相互轉(zhuǎn)換，兩側(cè)差動(dòng)方式時(shí)，僅一組通道軟、硬壓板全投入，且該組通道壓板對應(yīng)的兩側(cè)裝置其他通道壓板退出。兩側(cè)差動(dòng)保護(hù)運(yùn)行方式見表1.

表1 兩側(cè)差動(dòng)保護(hù)運(yùn)行方式

通過三側(cè)光差保護(hù)，保護(hù)裝置、通道、設(shè)備跳閘線圈雙套配置及保護(hù)功能實(shí)現(xiàn)了對新能源T 接線路的繼電保護(hù)可靠性、選擇性、靈敏性和速動(dòng)性要求，保障了電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

T 接線路不占電網(wǎng)間隔，節(jié)約線路及站內(nèi)設(shè)備投資，為滿足新能源送出，在受電網(wǎng)間隔、線路路徑、投資成本限制的情況下，T 接線路作為新能源送出的一種解決方案在一定時(shí)期內(nèi)仍會在電網(wǎng)中應(yīng)用。三側(cè)光差保護(hù)的應(yīng)用，解決了新能源發(fā)電快速發(fā)展過程中，新建源場站的建設(shè)與電網(wǎng)接入能力的不同步發(fā)展帶來的T 接線路繼電保護(hù)問題，對于大規(guī)模新能源場站接入電網(wǎng)從繼電保護(hù)方面提供了一定的解決思路，對于加快新能源發(fā)電的建設(shè)并網(wǎng)具有重要意義。同時(shí)，三側(cè)光差保護(hù)又具有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，當(dāng)場站檢修停運(yùn)或電網(wǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，三側(cè)光差保護(hù)裝置跟隨電網(wǎng)運(yùn)行方式變化調(diào)整運(yùn)行方式，可以適應(yīng)不同運(yùn)行方式下的需要，在新型電力系統(tǒng)構(gòu)建過程中發(fā)程中發(fā)揮重要作用。

6 結(jié)束語

新能源與電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展是我國轉(zhuǎn)變能源和電網(wǎng)發(fā)展方式的內(nèi)在要求，隨著清潔能源供給能力持續(xù)提升，在新型電力系統(tǒng)構(gòu)建過程中，結(jié)合電力設(shè)備和電力網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和運(yùn)行特點(diǎn)、故障出現(xiàn)的概率和可能造成的后果，選用有效的繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置是保障電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行不可或缺的重要因素。將三側(cè)光差應(yīng)用于T接線路保護(hù)，滿足可靠性、選擇性、靈敏性和速動(dòng)性要求，并能根據(jù)電力系統(tǒng)近期及遠(yuǎn)期發(fā)展規(guī)劃，實(shí)時(shí)調(diào)整保護(hù)策略，具有經(jīng)濟(jì)上的合理性及技術(shù)上的可靠性，是新能源高速發(fā)展道路上有力的保障。