—→報告人：鄭玉平三繼電保護新技術探索四總結與展望2口構建新型電力系統(tǒng)是我國實現(xiàn)“雙碳”目標的必然選擇。新型電力系統(tǒng)將以新現(xiàn)電力脫碳。2020年我國各種燃料發(fā)電量占比我國高達66.54%的電力來自煤炭、石油、天然氣，電力脫碳是實現(xiàn)碳中和目標的關鍵。新型電力系統(tǒng)將支撐電能廣泛替代，服務全社會降碳脫碳。建筑(30%→75%)工業(yè)(30%→50%)交通(5%-50%目前2060年峰碳中和目標，到2060年我國電能消費比重預計達到70%以上，終端能源消費電氣化進程加快。新型電力系統(tǒng)將發(fā)揮電網(wǎng)互聯(lián)優(yōu)勢，實現(xiàn)各類發(fā)電資源的共享和互濟。料M料M樹e優(yōu)勢，實現(xiàn)各類發(fā)電資源在就地微網(wǎng)、區(qū)域電網(wǎng)以及互聯(lián)大電網(wǎng)的共享和互濟。一、新型電力系統(tǒng)形態(tài)一、新型電力系統(tǒng)形態(tài)NARI口新型電力系統(tǒng)形態(tài)：交流電技術為基礎，大電網(wǎng)與微電網(wǎng)、直流組網(wǎng)等多種組網(wǎng)技術融合發(fā)展，高比例新能源、高比例電力電子設備接入是電網(wǎng)基本特征。(萬千瓦)占比2000年前新能源集中/分布接入電網(wǎng)入電網(wǎng)，逐漸在電源結構中占主體地位。雙饋風機并網(wǎng)雙饋風機并網(wǎng)m直驅(qū)風機并網(wǎng)新能源變流器變流器交流電網(wǎng)靜止同步補償裝置可控并聯(lián)電抗器故障電流限制器串聯(lián)電容器補償裝置控制器靜止無功補償裝置口新型電力系統(tǒng)設備脆弱性、故障連鎖性，對繼電保護提出更高要求。口新型電力系統(tǒng)故障特征將發(fā)生深刻變化，現(xiàn)有繼電保護體系面臨嚴峻挑戰(zhàn)。及控制策略故障離散非線性特征及控制策略故障離散非線性特征大型設備安全問題依然嚴峻挑戰(zhàn)1.挑戰(zhàn)2.適應新故障形態(tài)挑戰(zhàn)3.保障設備和系統(tǒng)安全運行，繼電保護責任重大，任重道遠。=繼電保護技術挑戰(zhàn)6二、繼電保護技術挑戰(zhàn)NARI口光伏故障暫態(tài)特性分析階段4:控制器穩(wěn)態(tài)控制，不同故障電流控制目標(負序電流抑制、有功/無功出力比例等)的精準控制電流/A電流/A022.01二、繼電保護技術挑戰(zhàn)NARI挑戰(zhàn)1:新型電力系統(tǒng)故障規(guī)律分析和共性特征提取困難口光伏故障暫態(tài)特性分析·隨著電壓跌落深度變小，支撐電壓的無功電流減小，并在系統(tǒng)容量許可的范圍內(nèi)輸出一定的有功電流，故障期間的電流相位對比無故障時的電流相位差值隨之減少。·當發(fā)生不對稱故障時，暫態(tài)過程中的負序電流尖峰隨著跌落深度增加明顯增大，隨著逆變器負序電流抑制策略的介入，負序電流經(jīng)過控制器閉環(huán)動態(tài)調(diào)節(jié)后，實現(xiàn)有效抑制。 幅值比電壓跌落深度對故障電流一正常電流2000一電壓跌至0%電壓跌至20%電壓跌至30%。1992201幅值及相位的影響不對稱跌落深度對故障電流負序分量影響(投入負序抑制)8口雙饋風機故障暫態(tài)特性分析口雙饋風機故障暫態(tài)特性分析④③②①④③②0電流/A電流/A轉(zhuǎn)子電流o投撬棒時長約30ms99.二、繼電保護技術挑戰(zhàn)NARI·隨著電壓跌落深度變小，支撐電壓的無功電流減小，并在系統(tǒng)容量許可的范圍內(nèi)輸出一定的有功電流，故障期間的交流電流相位對比無故障時的電流相位差值隨之減少。·當網(wǎng)壓跌落程度較深時，轉(zhuǎn)子變流器過流封鎖，定子電流在暫態(tài)響應階段出現(xiàn)轉(zhuǎn)速頻率分量，諧波含量較大；當?shù)涑潭容^淺時，定子電流動態(tài)過程由變換器及網(wǎng)壓共同決定。4oo一正常態(tài)電流3000電壓跌至35%一電壓跌至50%電流/A電流/Aa時間/s5.025.06電壓對稱跌落深度對故障電流幅值及相位的影響10口柔直交流側故障暫態(tài)特性分析口柔直交流側故障暫態(tài)特性分析階段1:暫態(tài)自然響應，不受電力電子控制策略影響階段2:控制器動態(tài)響應，對故障期間電流指令值的動態(tài)響應及跟蹤階段3:控制器穩(wěn)態(tài)控制，故障電流控制目標對負序電流抑制以及有功出力的精準控制③②①③②電流/KA電流/KA0口柔直交流測故障暫態(tài)特性分析一正常態(tài)電流一一正常態(tài)電流一電壓跌至85%一電壓跌至70%電壓跌至50%0.06一單相電壓跌至50%一單相電壓跌至0%電流/KA電流/KA電流/KA。0負序電流尖峰0.1pu時間/s時間/s電壓跌落深度對故障電流幅值的影響■四個階段：新能源電源和柔直在故障穿越的整個過程可以體現(xiàn)為暫態(tài)自然響應、本體保護響應、控制器動態(tài)響應和控制器穩(wěn)態(tài)控制四個階段。■電流幅值受限：受電力電子器件自身安全性要求，故障電流幅值受限，體現(xiàn)為弱饋特征。電流相位受控：光伏、直驅(qū)風機、雙饋風機在穩(wěn)態(tài)控制階段按照故障穿越要求，輸出無功功率，電流相位相較于故障前體現(xiàn)滯后性，隨電壓跌落深度增大，相位偏差呈增大趨勢。■波形畸變：控制器的動態(tài)調(diào)節(jié)過程必然引起波形畸變，雙饋風機轉(zhuǎn)子側變流器封鎖脈沖以及撬棒電路投入，定子側電流感應出轉(zhuǎn)速頻率分量，出現(xiàn)諧波含量變大、頻率偏移現(xiàn)象。■電流穿越特性：柔性直流輸電在故障時以維持原有功率輸送為控制目標，相較于光伏或風機，故障電流呈現(xiàn)出更明顯的穿越特性。1、故障時等效電勢變化導致疊加原理不再適用如：負序方向元件，電流序分量選相元件。3、故障電流幅值受限、相位受控導致保護可靠性與靈敏性下降距離保護極化電壓不能表征提供短路電流的電源電壓，距離保護近區(qū)故障失去方向性，對側電流助增超越和拒動現(xiàn)象更加嚴重；差動保護因穿越特征造成全量差動保護靈敏度下降，諧波造成基于波形辨識的變壓器差口大型電力變壓器保護難以滿足保護自身設備安全運行的要求保護不能反應內(nèi)部嚴重缺陷或輕微匝間故障，導致突然轉(zhuǎn)變?yōu)樨灤┬怨收希儔浩鲊乐負p毀甚至起火爆炸口線路差動保護：線路雙端接入電力電子設備時，故障電流幅值和相角受控，弱饋特性明顯，控制策略以維持功率傳送為控制目標，導致穿越性負荷電流占比大，可能造成相量電流差動靈敏性不足而拒動；故障分量電流差動靈敏度能滿足要求。低頻線路F低頻牌壓煙I0低頻線路F低頻牌壓煙I0II113二3二故障后50ms時線路兩側電流相量圖相量差相量差動電流遠小于制動電流o6故障分量差動電流與制動電流基本一致口線路距離保護適應性—出口正反向故障方向誤判：新能源或柔直送出交流線路出口發(fā)生正反向短路故障，因控制策略以維持功率傳送為控制目標，造成新能源短路電流源與比相式距離保護的極化電壓源不一致、故障電流呈明顯負荷特性，可能導致保護送端出口拒動，受端反方向出口誤動。風電場新能源經(jīng)柔直送出交流線路故障分析1111二、繼電保護技術挑戰(zhàn)的影響在受控電源接入系統(tǒng)時被放大。受控電源側：系統(tǒng)側電流的助增作用較強，距離保護動作范圍易受影響；系統(tǒng)側保護：受控電源電流助增作用較弱，距離動作范圍影響較小。過渡電阻對電力電子設備側距離保護的影響：單相接地經(jīng)過渡電阻Rg故障F1、F2點相間經(jīng)小過渡電阻故障的方向及有功、無功比例影響，可能造成附加阻抗Zad的幅值較大，角度偏差大，導致距離保護動作異常。逆變側故障時，附加阻抗在第四象限，易造成區(qū)外故障距離保護逆變側故障時，附加阻抗在第四象限，易造成區(qū)外故障距離保護超越或區(qū)內(nèi)故障保護拒動；整流側故障時，附加阻抗在第二象限，易造成距離保護拒動。電力電子設備側電流對系統(tǒng)側過渡電阻助增作用較弱，距離保護影響較小口線路距離保護適應性一選相問題：故障時新能源系統(tǒng)等值正、負序阻抗相差較大且存在較大波動性，電流序分量的分配關系發(fā)生變化，基于電流序分量及故障分量的選相結果不正確。lMC區(qū)畝0選相錯誤某特高壓換流變故障案例口變壓器保護難以滿足保護自身設備安全運行要求：輕微匝間短路時匝內(nèi)電流大、破壞性強，但保護使保護快速動作，也不能避免變壓器嚴重損壞甚至起火爆炸。某特高壓換流變故障案例匝內(nèi)外電流對比現(xiàn)有針對故障跳閘的保護匝內(nèi)外電流對比現(xiàn)有針對故障跳閘的保護保護動作電流電壓短路匝1、(標么)外部電流I(標么)保護動作電流電壓短路匝1、(標么)外部電流I(標么)線電氣量特征，靈敏度提高已到極限，滿足系統(tǒng)安全對保護的要求，卻無法檢測到內(nèi)部嚴重缺陷或早期故障。重瓦斯繼電器：動作速度慢、靈敏度低。由于絕緣油粘滯性和可壓縮性，變壓器內(nèi)部電弧故障引起油流涌動傳播速度慢。保P動作●短路故障發(fā)生前，變壓器端部電壓電流無任何故障特征短路故障發(fā)生時，故障電流陡升至50kA.保護11ms快進動作，60ms畫鵠器跳開切除查壓品.●巨大的故障電弧能量形成高溫、高壓力，造成變壓器爆裂，引起起火。000二、繼電保護技術挑戰(zhàn)NARI口變壓器保護難以滿足保護自身設備安全運行要求：反應變壓器內(nèi)部故障的瓦斯繼電器，重瓦斯速度慢，輕瓦斯告警后需進一步確認是否發(fā)生故障，現(xiàn)場取氣分析易對人身安全帶來隱患。4.7變壓器(電抗器)輕瓦斯動作監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出變壓器(電抗器)輕瓦所保護告警倍息。b)保護裝置發(fā)出變壓器(電優(yōu)器)輕瓦斯保護告警信總。c變壓(電抗器!氣體維電器內(nèi)有氣體積聚。色酒裝分誠武近話能種運行分析)若忙測氣體是可她的成油中活解氣肺分析結來異常，應立即中請將變壓(電抗i停運。(電批器)可續(xù)運行，并及時酒除進氣缺藏重瓦斯跳閘：反應油流涌動速度，動作慢且靈敏度低。因絕緣油粘滯性和可壓縮性，變壓器內(nèi)部電弧故障引起油流涌動傳播速度慢且靈敏度低。輕瓦斯告警：反應油分解的氣體壓力，靈敏度高；防誤動僅告警，規(guī)程規(guī)定為進一步確認是否為故障，需進行人工取氣進行分析，待確認后變壓器再停運，就近操作過程會對人身安全帶來隱患。■分布式新能源、儲能等多類型電源接入使得配電網(wǎng)拓撲結構復雜，潮流雙向流動，傳統(tǒng)配電網(wǎng)保護逐級整定配合困難無法適用；配網(wǎng)單相接地故障識別、區(qū)段定位困難，需要變電站裝置整線切除故障線路，擴大停電范圍；非同期合閘可能導致自愈失敗。BBDG接入助增作用，增大下游短路電流，可能造成下游保護誤動1mDG接入外汲作用，減小上游短路電流，可能造成上游保護拒動nlLK2KA三、繼電保護新技術探索NARI基于幅相平面的三區(qū)域差動保護口解決傳統(tǒng)相量差動應用于線路雙端均是電力電子設備時，因故障電流受限、穿越性負荷電流占比大，導致保護靈敏度不足的問題。10.風言過風言過動區(qū)30動區(qū) 傳統(tǒng)相量a0模糊區(qū)200差動比率線路中點(F1點)AN故障保護快速動作柔性低頻輸電系統(tǒng)交流線路166動作區(qū)240線路中點(F1點)經(jīng)100Ω過母線(F2點)AN故障，渡電阻AN故障，保護快速動作保護不動作23結合暫態(tài)信息的自適應距離保護口故障后數(shù)ms電氣量不受電力電子設備控制策略的影響，基于此構造暫態(tài)時域信息的快速方向元件風電場風電場換流變壓器N柔直系統(tǒng)動作區(qū)判為反方向時，適當縮小動作范圍，距離保護不誤動判為正方向時，適當擴大動作范圍，距離保護不拒動判為反方向時，適當縮小動作范圍，距離保護不誤動tt減TBC故障，判出正方向—Une葉29口對于新能源送出的交流線路，故障期間電壓主要由系統(tǒng)側決定，保護安裝處電壓與故障點電壓基本同相位。據(jù)此利用電壓量構建選相元件，避免了受控電源側送出線路中電流序分量可能誤選相問題電壓序分量選相風電場風電場升壓變Phase/Phase/A區(qū)三、繼電保護新技術探索NARI大型電力變壓器主動保護技術思路壓器內(nèi)部故障演化規(guī)律、外部擾動對故障表征參量影響機理，構建多物理場多維特征的大型電力變壓器主動保護技術，實現(xiàn)變壓器早期嚴重缺陷和輕微故障辨識，提升設備安全運行水平。缺陷故障特征熱、電、力的特征電弧放電的特征短路大電流特征物理過程發(fā)熱、放電、繞組變形電弧放電低短路阻抗的高能量故障改進、完善準確辨識嚴重故障快速保護如果改進、完善準確辨識嚴重故障快速保護大型電力變壓器主動保護技術---基于脈沖電流和超聲特征信息的變壓器保護技術■局部放電發(fā)展至持續(xù)電弧放電故障特征規(guī)律放電初始相位大型電力變壓器主動保護技術--基于脈沖電流和超聲特征信息的變壓器保護技術口還需要解決變壓器繞組首末端高頻脈沖電流信號的量測問題，即需要完成適應工頻大電流運行條件2000m三、繼電保護新技術探索NA大型電力變壓器主動保護技術---基于脈沖電流和超聲特征信息的變壓器保護技術■適應工頻大電流運行條件的大尺寸HFCT研制口尺寸：390mm*220mm*45mm,安裝在變壓器套管上。口性能：套管HFCT需避免正常負荷電流導致的鐵芯飽和問題、大工頻負荷電流下提取小高頻信號電流精度問題。頻率(MHz)工頻電流與高頻電流疊加響應測試工頻電流與高頻電流疊加響應測試三、繼電保護新技術探索NARI大型電力變壓器主動保護技術---基于漏磁信息的變壓器匝間保護技術傳感器安裝位置與數(shù)量間，根據(jù)繞組高度與設定的漏磁閾值確定傳感器的安裝數(shù)量，可靈敏快速檢測到高中低繞組1%的傳感器安裝位置與數(shù)量軸向漏磁測量路徑軸向漏磁測量路徑20傳感器感知范圍與漏磁閾值關系安裝數(shù)量安裝位置三、繼電保護新技術探索NARI大型電力變壓器主動保護技術---基于游離氣體特征的變壓器變壓器數(shù)字式瓦斯保護技術■調(diào)研并分析了現(xiàn)有瓦斯保護誤動、正確動作案例：H?和C?H?含量是衡量變壓器內(nèi)部故障核心指標；■基于典型放電缺陷模型設計了三種放電電極模型，獲得了不同缺陷下隨放電程度發(fā)展的游離氣體產(chǎn)氣規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了產(chǎn)氣量與放電模型、視在放電量之間的關系；■結合油浸式變壓器檢修和運維技術細則，研制了基于游離氣體特征的數(shù)字式瓦斯保護裝置。幾次變壓器起火爆炸事故看出：A.輕瓦斯靈敏度遠高于重瓦斯B.輕瓦斯告警后取氣進行分析，給操作人員帶來安全隱患。輕瓦斯告警后自動取氣、自動分析、自動診斷故障并上送報告、自動排氣注油。輕瓦斯告警時的主要特征：體為代表的烴類氣體產(chǎn)量較非故隔時候有明顯的增多；誤告警的主要原因：的油面下降；以往故障產(chǎn)生的殘留氣體緩慢上浮連接管道，2氣在，氣體傳夠，4位傳在不同實驗中發(fā)現(xiàn)：1.絕緣油中發(fā)生擊穿放電時才會產(chǎn)生游商氣體，而其余狀態(tài)下幾乎無氣體產(chǎn)生；2.絕緣油擊穿放電后所產(chǎn)生的游離氣體組分中，氫氣.乙炔、含量明顯大于其他幾種故障特征氣體，是主要的故障成3.結論：由此可將麗氣和乙塊含凰作為數(shù)字式瓦斯保護的主要判據(jù)。三、繼電保護新技術探索NA大型電力變壓器主動保護技術---大型電力變壓器主動保護試驗技術口設計了油中懸浮、紙板沿面、油間隙放電等放電類缺陷，繞組局部過熱、油道堵塞等過熱類缺陷，共計14類。口放置了特高頻、維薩拉、壓力、超聲流速、超聲、光纖溫度、漏磁、高頻CT等各類傳感器。三、繼電保護新技術探索NARI大型電力變壓器主動保護技術---基于變壓器主磁通估算的勵磁涌流識別技術■基于變壓器繞組型式和鐵芯磁化特性，建立電壓時域信息的鐵芯磁鏈計算數(shù)學模型，通過跟蹤磁鏈實時估算值在磁化曲線上的運行軌跡，有效區(qū)分勵磁涌流和故障場景；根據(jù)鐵磁材料磁滯效應，建立基于相電壓和差動電流突變量時差法的勵磁涌流和故障電流識別技術。變壓器鐵芯磁鏈實時計算數(shù)學模型變壓器鐵芯磁鏈實時計算數(shù)學模型Ftt接量測和本方法計算磁鏈值仿真示意圖三、繼電保護新技術探索NARI基于5G通信的配網(wǎng)故障快速隔離與自愈技術現(xiàn)單相接地故障快速定位與隔離，基于5G通信的協(xié)同控制技術實現(xiàn)配網(wǎng)快速自愈，縮短配電網(wǎng)非上下游饅線段母上下游饅線段母線保護各支路方向過流56差動單相接地檢淵寺量為負荷計算故障隔離寺量為負荷計算故障定位負荷轉(zhuǎn)供降隔高結果降隔高結果智能分布式饋線自動化DTU基于5G通信的配網(wǎng)故障快速隔離與自愈技術基于外部時鐘的同步技術不依賴外部時鐘的同步技術基于外部時鐘的同步技術不依賴外部時鐘的同步技術基于電氣量的數(shù)據(jù)同步技術基于采樣點序號同步方法基于采樣點序號同步方法基于采樣點插值同步方法?基于5G網(wǎng)絡授時的數(shù)據(jù)同步技術■5G差動保護數(shù)據(jù)流量控制技術啟動返回保護啟動12啟動返回保護啟動12(2)幀結構優(yōu)化ff7176dfffffdd7ff7176d7 fafffffdfa三、繼電保護新技術探索NARI基于5G通信的配網(wǎng)故障快速隔離與自愈技術選線技術直流偏移量穩(wěn)態(tài)工頻零序方向高頻暫態(tài)零序方向初始暫態(tài)零序方向非暫態(tài)量最大支路有偏移直流分量支路CT極性錯誤，需取反選相技術選相技術不接地和經(jīng)消弧接