基于實時生成定值的高比例新能源電網(wǎng)自適應(yīng)電流保護

張政偉,陳謙,牛應(yīng)灝,馮源,朱嘉傲

(河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院,南京市 211100)

0 引 言

隨著新型電力系統(tǒng)的建設(shè),新能源電源的比例不斷升高[1-2]。新能源電源通常采用電力電子方式并網(wǎng),其輸出受內(nèi)部控制策略所決定,且與端電壓呈高度非線性關(guān)系[3-5]。另外,受一次新能源特性的影響,其二次電源的輸出具有明顯的隨機性和波動性[6]。

電流保護方面,新能源電源的接入使得短路電流與短路距離的相關(guān)性大為下降,從而改變了電網(wǎng)的故障特征[7-10],導(dǎo)致傳統(tǒng)電流保護配合方案難以適用。電流保護是繼電保護系統(tǒng)不可或缺的重要一環(huán),其性能受上述影響較為明顯,因此如何改進電流保護動作原理及其整定方法,以滿足電流保護的動作性能要求值得深入研究[11-13]。

目前,有些研究利用遠方/多點量測信息來實現(xiàn)原理和整定方法的改進。比如,文獻[14]基于通信和方向元件檢測電流流向以實現(xiàn)故障定位,從而實現(xiàn)保護整定值的實時調(diào)整。文獻[15]基于逆變型分布式電源的位置對配電網(wǎng)進行分區(qū),進而針對不同區(qū)域采用不同的電流保護配置及整定方案。文獻[16]計及分布式電源的短路前工況及其脫網(wǎng)特性,實時測量支路電流方向,實現(xiàn)對限時電流速斷(II段)保護定值的實時修正。文獻[17]根據(jù)故障前后線路電流的突變量,實現(xiàn)對負(fù)荷自啟動的準(zhǔn)確識別,但對I段和II段保護性能無提升作用。這類方法對通信的可靠性及信息的準(zhǔn)確性要求較高,需額外安裝測量設(shè)備和通信設(shè)備。

另一些研究則利用新能源電源內(nèi)部運行參數(shù)或控制策略的改變實現(xiàn)原理和保護定值的改進。文獻[18]基于逆變電源電流-電壓控制曲線,研究不同故障類型下新能源接入帶來的分支系數(shù)影響,進而用于電流保護的整定。文獻[19]提出利用逆變器的實時運行參數(shù),進而調(diào)整上級線路電流Ⅱ段及Ⅲ段保護的整定值。文獻[20]通過逆變器電流-電壓控制曲線,求解分布式電源在線路末端設(shè)想故障時的輸出電流,以用于下游電流保護的自適應(yīng)整定。文獻[21]提出基于變頻調(diào)制的方式獲得線路短路后的虛擬短路電流,但僅適用于微電網(wǎng)。這類研究多基于單臺或少量發(fā)電單元,通過逆變器內(nèi)部運行參數(shù)與輸出特性,以推測本段或相鄰線路末端發(fā)生設(shè)想故障時的新能源虛擬輸出電流值,進而對各段線路保護進行預(yù)先整定。然而,受新能源分散性、狀態(tài)多樣性與輸出非線性等因素的制約,實際場景中新能源運行參數(shù)、輸出狀態(tài)均不一且獲取較為困難。因此,難以適用于實際故障場景,準(zhǔn)確性與適用性有待進一步驗證[22]。

為此,本文提出一種僅利用就地信息的實時生成定值式自適應(yīng)電流保護方法。該方法首先基于建立的等效電源模型,結(jié)合故障前后信息,實現(xiàn)故障后新能源和發(fā)電機短路輸出成分的區(qū)分;進一步提出實時生成定值的整定策略,以實時獲取適用于當(dāng)前故障場景的電流保護定值;而當(dāng)故障場景變化時,各段線路保護則再次基于變化后的故障場景實時整定,實現(xiàn)對故障場景的針對性保護。

該方法主要特點為:1)故障前對等效電源模型參數(shù)的持續(xù)辨識可應(yīng)對發(fā)電總?cè)萘孔兓碗娫礃?gòu)成占比波動的問題;2)基于短路期間的新能源實際故障輸出而實時生成定值,可有效規(guī)避新能源布置分散性、狀態(tài)多樣性與輸出非線性等帶來的預(yù)先整定方案中所用新能源虛擬輸出準(zhǔn)確性難以保證的問題。

1 新能源電源控制策略及其接入對電流保護的影響

1.1 新能源電源控制策略

新能源電源通常采用電力電子方式并網(wǎng),且含有逆變器部件。因此,本文將基于逆變器原理對新能源控制策略進行分析,并在后續(xù)基于新能源輸出特點進行相應(yīng)建模工作,以能反映種類多樣的新能源的整體外部輸出。

若故障點電氣距離較遠,并網(wǎng)點電壓較高,新能源電源常采用恒功率控制策略,更接近發(fā)電機的輸出特性[23]。若故障點電氣距離較近,而并網(wǎng)點電壓較低,為避免新能源電源脫網(wǎng)帶來更嚴(yán)重的損失,且提供一定的無功功率支撐,逆變器部件需采用低壓穿越控制策略。比如,較為通用的新能源電源低壓穿越標(biāo)準(zhǔn)要求:當(dāng)發(fā)電單元并網(wǎng)點電壓跌落超過10%時,電壓每跌落1%,新能源電源至少需要額外提供2%的無功電流以支撐電壓,且要求無功響應(yīng)時間在20 ms以內(nèi)[24]。

此外,若故障是不對稱的,短路點含有的負(fù)序分量導(dǎo)致逆變器部件交流側(cè)電流發(fā)生畸變,將損壞電力電子器件。逆變器部件需采用負(fù)序電流抑制策略,消除負(fù)序輸出分量,實現(xiàn)新能源電源對稱輸出。

綜上,綜合考慮穩(wěn)態(tài)控制策略、抑制負(fù)序策略、低壓穿越等要求,新能源外部輸出電流可表示為[15]:

(1)

式中:idref、iqref分別為新能源電源聚合后等效有功電流指令和無功電流指令;α為故障期間并網(wǎng)點電壓正序幅值和故障前正序電壓幅值的比值;α1、α2為并網(wǎng)點電壓跌落時α變化的界限閾值;Upcc(1)為并網(wǎng)點正序電壓;Pref為輸出有功參考值;IDG為新能源電源輸出電流;數(shù)值均為標(biāo)幺值。

1.2 高比例新能源電源接入對電流保護的影響

不含新能源的傳統(tǒng)電網(wǎng)中,短路電流大小與線路長度成反比。而由1.1節(jié)分析可知,新能源電源采用的電力電子并網(wǎng)方式,使其具有強自控特征,短路電流與電壓跌落程度、控制策略等因素相關(guān),且是強非線性關(guān)系。

基于Simulink平臺,建立新能源電源模型并搭建模擬電力系統(tǒng),如圖1所示。其中,設(shè)定發(fā)電機額定電壓為10.5 kV;新能源電源采用正常PQ、低壓穿越、抑制負(fù)序分量等控制策略,并網(wǎng)點電壓為10 kV;線路單位長度阻抗為0.22 Ω/km,線路總長為8 km,線路AB長度為1.5 km,線路BC、CD長度各為2 km;負(fù)荷側(cè)接有額定功率為5 MV·A、額定功率因數(shù)為0.85的負(fù)荷。

圖1 含混合電源的電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of power system structure with hybrid power supply

進一步,保持電源側(cè)發(fā)電總?cè)萘坎蛔?針對電源側(cè)新能源電源占比分別為0、5%、20%、40%、60%的5種電力系統(tǒng)模型,設(shè)定不同位置故障,獲得短路電流與故障位置間的關(guān)系,如圖2所示(文中圖表數(shù)值均以標(biāo)幺值形式表示),重點分析新能源比例升高對電流保護性能的影響。

圖2 新能源電源不同占比及不同故障位置下的短路電流Fig.2 Short-circuit current under different proportions of new energy power supply and different fault positions

由圖2可知,隨著新能源電源占比的升高,一方面短路電流將不斷降低,當(dāng)動作整定值不變時,電流保護面臨本段拒動、上游誤動的可能。另一方面,短路電流關(guān)于故障位置的曲線趨于平緩,即短路距離對短路電流的影響變小;當(dāng)新能源占比變化而仍采用同一整定值時,保護的有效范圍將隨著新能源占比升高而不斷縮小。

可見,新能源輸出非線性造成高比例新能源電網(wǎng)故障特征弱化的同時,其波動性也會導(dǎo)致同一點故障下的短路電流隨其占比的波動而波動。因此,針對不同故障場景,自適應(yīng)地改變各段線路電流保護定值是解決現(xiàn)有電流保護性能下降問題的有效途徑。

現(xiàn)有計及新能源的自適應(yīng)保護整定多基于新能源內(nèi)部參數(shù)、輸出特性等,通過推測新能源在各線路末端發(fā)生設(shè)想故障時的虛擬短路輸出,進而實現(xiàn)各段線路保護的預(yù)先整定。電源構(gòu)成不變的前提下,該類研究獲取的保護定值對不同位置故障也能適用。但這類研究多基于單臺新能源發(fā)電單元,而實際場景中新能源運行狀態(tài)不一樣且參數(shù)的全面獲取較為困難;進而預(yù)先整定中各線路末端發(fā)生設(shè)想故障時所用新能源虛擬輸出分量的準(zhǔn)確性難以保證,實用性和準(zhǔn)確性有待進一步驗證。

2 基于實時生成定值的高比例新能源電網(wǎng)電流保護方法

由第1節(jié)分析可知,電流保護預(yù)先整定方案中存在所用新能源虛擬輸出分量難以準(zhǔn)確推測或計算的問題。

而故障期間的新能源實際短路輸出分量確定,進而基于該值生成的保護定值可滿足該實際故障場景下的保護需求。故障場景變化時,新能源實際故障輸出分量的改變可能導(dǎo)致原有保護定值難以繼續(xù)適用,但基于變化后的新能源實際故障輸出再次實時整定即可。

綜上,本文提出了一種利用就地信息的自適應(yīng)電流保護改進方法,該方法基于實際故障場景、計及故障期間新能源實際輸出而實時生成保護定值。原理如圖3所示,具體包括如下:

圖3 基于實時生成定值的自適應(yīng)電流保護方法原理Fig.3 Principle of real-time generated protection settings based adaptive current protection

1)計及新能源和發(fā)電機的關(guān)鍵機理和外部輸出特性,建立能區(qū)分2種電源成分不同外部輸出的等效電源模型;故障前,利用負(fù)荷投切帶來的小擾動信號持續(xù)辨識模型的不變參數(shù)。

2)故障期間,結(jié)合就地信息獲取模型的可變參數(shù)--新能源實際故障輸出電流。

3)基于實際故障場景、計及故障期間新能源實際輸出,對分段式電流保護實時生成定值。

4)結(jié)合測量值與整定值進行動作判斷;故障場景變化后,各段線路保護再次基于變化后的故障場景實時生成保護定值,實現(xiàn)對故障場景的針對性保護。

2.1 等效電源模型

實際故障場景中,新能源的短路輸出與并網(wǎng)點和短路點間的電氣距離有關(guān),其分散性導(dǎo)致新能源輸出狀態(tài)不一,進一步與輸出非線性等耦合使得單臺或少量的發(fā)電單元難以模擬實際故障場景。

為此,本文綜合計及新能源和發(fā)電機的關(guān)鍵機理和輸出特性,建立一種能區(qū)分2種電源成分不同外部輸出的等效電源模型,以消除新能源狀態(tài)多樣性、布置分散性、輸出非線性等因素對電流保護的影響。

由1.1節(jié)分析可知,電網(wǎng)正常運行狀態(tài)下,各節(jié)點電壓相對處于額定運行工況,采用恒功率控制方式并網(wǎng)的新能源輸出電流相對恒定、波動較小。電網(wǎng)故障期間,與故障點電氣距離較遠的新能源并網(wǎng)點電壓依舊接近額定電壓,輸出電流基本不變。而少數(shù)靠近短路點的新能源電源因電氣距離較短而處于低壓穿越狀態(tài),但在負(fù)序抑制策略下,短暫的過渡過程后,很快保持穩(wěn)定且仍對稱輸出。因此,單個新能源輸出可用與并網(wǎng)點電壓相關(guān)的電流源表示,而電源側(cè)新能源整體外部輸出可用單個輸出可變的電流源等效表示[25-26]。

另外,參照現(xiàn)有發(fā)電機建模研究,發(fā)電機可視為內(nèi)部具有相同的恒定內(nèi)電勢,因此電源側(cè)發(fā)電機可等值為電壓源串聯(lián)阻抗的形式。

綜上,以短路點為基點、電源側(cè)為觀測方向,建立電源側(cè)等效模型,如圖4所示。其中,故障前后模型的不變參數(shù)包括:發(fā)電機內(nèi)電勢E和內(nèi)阻抗ZS;可變參數(shù)為新能源輸出電流IDG,故障前后分別用IDG0和IDG1表示。

圖4 等效電源模型Fig.4 Equivalent source model

此外,當(dāng)前及未來可預(yù)見一段時間內(nèi)新能源電源仍以跟網(wǎng)型為主且其對電流保護影響較大,因此本文所述新能源電源均為跟網(wǎng)型新能源電源(電流源特性),而未來并網(wǎng)的構(gòu)網(wǎng)型新能源電源因其電壓源特性則可歸入傳統(tǒng)發(fā)電機建立等效電源模型[27-28]。

2.2 等效電源模型參數(shù)辨識

接下來,為應(yīng)對新能源波動性和隨機性帶來的等效電源模型參數(shù)變化問題,通過負(fù)荷側(cè)投切帶來的小擾動信號,故障前在周波級尺度下采用持續(xù)辨識策略以獲取圖4等效電源模型的不變參數(shù)--發(fā)電機內(nèi)電勢E和內(nèi)阻抗ZS,同時還可獲得新能源電源的故障前輸出電流IDG0。

為兼顧辨識精度和速度,本文采用重點參數(shù)辨識、非重點參數(shù)使用運行典型值的辨識策略[29-30]。其中,需要辨識的參數(shù)包括發(fā)電機內(nèi)阻抗ZS、故障前新能源電源輸出電流IDG0,而內(nèi)電勢E可采用運行經(jīng)驗值,本文后續(xù)取1.03 pu[31]。

設(shè)發(fā)電機內(nèi)阻抗ZS和故障前新能源電源輸出電流IDG0待定,線路流經(jīng)電流計算值可表示為(E-U)/ZS+IDG0,線路電流實測值為I,以兩者間差值的絕對值最小,建立目標(biāo)函數(shù)及相應(yīng)約束:

(2)

式中:U、I分別為故障前保護安裝處實測電壓值和電流值;IDG0,min、IDG0,max分別為故障前新能源波動下可能出現(xiàn)的電流最小值、最大值;ZS,min、ZS,max分別為新能源波動下發(fā)電機內(nèi)阻抗的最小值、最大值。

可在周波級尺度下求解上述最優(yōu)問題,得出模型參數(shù)。通?？捎脙?nèi)點法、信賴域反射算法、序列二次規(guī)劃算法(sequence quadratic program,SQP)、活動集算法等求解該問題。而內(nèi)點法收斂性較好、計算速度較快,相對較為成熟,且得到的解一定是可行解,因此本文采用內(nèi)點法。

內(nèi)點法原理如下:

設(shè)定最優(yōu)化問題的目標(biāo)函數(shù)為:

(3)

式中:f(X)為目標(biāo)函數(shù);gu(X)為約束函數(shù);m為約束函數(shù)的個數(shù)。本文共2個約束條件,故m為2。

構(gòu)造懲罰函數(shù)為:

(4)

式中:r(k)為懲罰因子,為遞減的正數(shù)序列,通常取r(k)=1,0.1,0.01,0.001,…。

迭代步驟如圖5所示。

圖5 內(nèi)點法迭代流程Fig.5 Iterative process of interior point method

經(jīng)過上述內(nèi)點法迭代求解,可得等效電源模型的不變參數(shù)--發(fā)電機內(nèi)阻抗ZS,同時還可獲得故障前新能源電源輸出電流IDG0。

2.3 基于實時生成定值的自適應(yīng)電流保護整定方法

根據(jù)2.2節(jié)獲得的等效電源模型不變參數(shù),故障期間結(jié)合就地測量信息獲取等效電源模型的變化參數(shù)--故障期間新能源輸出電流IDG1。進一步,基于實際故障場景和故障期間新能源實際輸出實時生成保護定值。

首先,利用2.2節(jié)獲取的電源側(cè)等效模型不變參數(shù)ZS和電力線路故障期間保護安裝處就地測量信息,計算短路電流中發(fā)電機輸出部分:

(5)

式中:IS1為故障期間發(fā)電機輸出電流值;Uk為故障期間保護安裝處實測電壓值。

進一步,計算故障期間新能源實際輸出電流IDG1:

IDG1=Ik-IS1

(6)

式中:IDG1為故障期間新能源電源實際輸出電流值;Ik為故障期間保護安裝處實測電流值。

針對該實際故障場景,建立圖1的等值短路計算模型,如圖6所示。

圖6 等值短路計算模型Fig.6 Equivalent short-circuit calculation model

進一步,基于該實際故障場景和故障期間新能源實際輸出而實時生成保護定值。

以圖1的保護1為例,其Ⅰ段、Ⅱ段、Ⅲ段保護動作定值分別為:

(7)

(8)

(9)

定值實時生成中,使用新能源實際故障輸出代替預(yù)先整定方案中所用各線路末端發(fā)生設(shè)想故障時的新能源虛擬輸出,以實時生成適用于該場景的定值。故障場景改變(不同新能源占比、不同故障位置)時,新能源實際故障輸出也相應(yīng)改變,進而基于變化后的新能源實際故障輸出再次實時生成定值,實現(xiàn)對故障場景的針對性保護,如圖3所示。

3 算例對比與分析

在如圖1所示模擬電力系統(tǒng)中,以新能源電源占比為0、5%、20%、40%、60%代表其無、低、中、高、極高5種場景。利用常規(guī)負(fù)荷投切帶來的小擾動信號(仿真實驗中負(fù)荷投切5%左右,造成保護安裝點電壓波動2%左右)對電源側(cè)等效模型的參數(shù)進行辨識。獲取模型參數(shù)如表1所示。

表1 等效電源模型參數(shù)Table 1 Parameters of equivalent source model

由表1可見,利用負(fù)荷側(cè)投切或沖擊性負(fù)荷帶來的小擾動信號,能夠辨識獲取電源側(cè)模型的關(guān)鍵參數(shù)。

傳統(tǒng)電流保護整定過程中不計及新能源電源接入帶來的影響,即其整定過程中認(rèn)為電源側(cè)僅含有發(fā)電機,可得相應(yīng)的動作整定值,如表2所示,以作為對照。

表2 傳統(tǒng)電流保護動作整定值Table 2 Preset values of traditional current protection

下面就保護的Ⅰ段和Ⅱ段性能進行對比分析。

3.1 保護Ⅰ段定值對故障的反應(yīng)

1)三相短路故障。

在距各線路首端20%處設(shè)定三相短路故障,獲取線路短路電流及相應(yīng)Ⅰ段保護動作整定值,如表3所示。

表3 線路首端三相故障場景下Ⅰ段保護動作整定值Table 3 Preset values of protection section I under three-phase fault scenario at the head of the line

接下來,對比分析傳統(tǒng)電流保護方法和基于實時生成定值的自適應(yīng)電流保護方法能否反映該處故障,如表4所示。

表4 保護Ⅰ段對線路首端三相故障反應(yīng)情況Table 4 Response of protection section I to three-phase fault at the head of the line

2)兩相短路故障。

在距各線路首端20%處設(shè)定兩相短路故障,獲取線路短路電流及相應(yīng)Ⅰ段保護動作整定值,見表5。

表5 線路首端兩相故障場景下Ⅰ段保護動作整定值Table 5 Preset values of protection section I under two-phase fault scenario at the head of the line

接下來,對比分析傳統(tǒng)電流保護方法和基于實時生成定值的自適應(yīng)電流保護方法能否反映該處故障,見表6。

表6 保護Ⅰ段對線路首端兩相故障反應(yīng)情況Table 6 Response of protection section I to two-phase fault at the head of the line

由上述對比分析可見,隨著新能源比例的提高,傳統(tǒng)電流Ⅰ段保護難以準(zhǔn)確反映區(qū)間(線路全長20%)內(nèi)故障,而本文提出的基于實時生成定值的自適應(yīng)電流保護方法能準(zhǔn)確反映區(qū)間(線路全長20%)內(nèi)的故障。

3.2 保護Ⅱ段定值對故障的反應(yīng)

1)三相短路故障。

在各線路末端處設(shè)定三相短路故障,獲取線路短路電流及相應(yīng)Ⅱ段保護動作整定值,見表7。

表7 線路末端三相故障下Ⅱ段保護動作整定值Table 7 Preset values of protection section Ⅱ under three-phase fault scenario at the end of the line

接下來,對比分析傳統(tǒng)電流保護方法和基于實時生成定值的自適應(yīng)電流保護方法能否反映該處故障,見表8。

表8 保護Ⅱ段對線路末端三相故障反應(yīng)情況Table 8 Response of protection section Ⅱ to three-phase fault at the end of the line

2)兩相短路故障。

在各線路末端處設(shè)定兩相短路故障,獲取線路短路電流及相應(yīng)Ⅱ段保護動作整定值,見表9。

表9 線路末端兩相故障下Ⅱ段保護動作整定值Table 9 Preset values of protection section Ⅱ under two-phase fault scenario at the end of the line

接下來,對比分析傳統(tǒng)電流保護方法和基于實時生成定值的自適應(yīng)電流保護方法能否反映該處故障,見表10。

表10 保護Ⅱ段對線路末端兩相故障反應(yīng)情況Table 10 Response of protection section Ⅱ to two-phase fault at the end of the line

由上述對比分析可見,隨著新能源比例的提高,傳統(tǒng)電流Ⅱ段保護難以準(zhǔn)確反映區(qū)間(線路全長)內(nèi)故障,而本文提出的基于實時生成定值的自適應(yīng)電流保護方法能準(zhǔn)確反映區(qū)間(線路全長)內(nèi)故障。

3.3 保護II段靈敏性對比與分析

以兩相短路下各Ⅱ段保護的靈敏性為例,對比分析傳統(tǒng)電流保護和基于實時生成定值的自適應(yīng)電流保護方法的性能,見表11。

表11 保護II段靈敏性性能對比Table 11 Comparison in sensitivity of protection section II

隨著新能源電源比例的升高,傳統(tǒng)電流保護的Ⅱ段靈敏性不斷下降,將達不到相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求;而本文提出的基于實時生成定值的自適應(yīng)電流保護方法能保持較高的靈敏性,且新能源比例越高,該方法的靈敏性優(yōu)勢越明顯。

4 結(jié) 論

未來電網(wǎng)中含有高比例新能源電源,因其波動性、非線性等因素,造成短路后故障電流受新能源電源的影響增大,基于傳統(tǒng)短路電流計算分析的電流保護難以適用。本文提出了一種基于實時生成定值的自適應(yīng)電流保護方法,該方法能基于故障期間的新能源實際故障輸出而自適應(yīng)地實時改變保護動作定值,確保各段保護均能反映區(qū)內(nèi)故障,且大幅提高保護的靈敏性。通過算例對比與分析,驗證了該方法的準(zhǔn)確性和適用性。

該方法的實現(xiàn)可依托現(xiàn)有硬件平臺,只需引入保護安裝點的電壓信息,具備較好的技術(shù)延展性;采用保護安裝點偵測的方法,可計及電源側(cè)量大類雜的新能源電源總體特性,具有較好的普適性;采用在線持續(xù)跟蹤的策略,適用于新能源輸出占比不斷變化的不同故障場景,具有較好的自適應(yīng)性。

后續(xù)仍需進一步研究:1)計及相鄰線路負(fù)荷的影響對該方法進行改進;2)該方法原理較常規(guī)電流保護復(fù)雜,后續(xù)需對其可靠性進行深入研究;3)本文暫未計及接于線路中間或末端的新能源,后續(xù)需進一步研究其對所提保護方法的影響,并結(jié)合綜合負(fù)荷建模研究等對所提保護方法性能進一步優(yōu)化。