新型電力系統(tǒng)繼電保護(hù)面臨的問題與解決思路

鄭玉平，呂鵬飛，李 斌，吳通華，周博昊，宋國兵，楊國生

（1.南瑞集團(tuán)有限公司（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司），江蘇省南京市 211106；2.電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)防御技術(shù)與裝備全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省南京市 211106；3.國家電網(wǎng)有限公司，北京市 100031；4.智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（天津大學(xué)），天津市 300072；5.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，陜西省西安市 710049；6.中國電力科學(xué)研究院有限公司，北京市 100192）

0 引言

“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)下，加速推動新能源發(fā)電替代傳統(tǒng)化石能源發(fā)電，構(gòu)建新能源占比逐漸提高的新型電力系統(tǒng)成為中國電力系統(tǒng)發(fā)展的主要方向［1-4］。有別于同步機(jī)設(shè)備，新能源電源、交直流換流器、無功補(bǔ)償及儲能等電力電子設(shè)備運(yùn)行靈活性強(qiáng)。隨著新型電力系統(tǒng)源、網(wǎng)、荷各環(huán)節(jié)電力電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用，新型電力系統(tǒng)的慣性逐步降低，系統(tǒng)安全穩(wěn)定裕度受限，快速可靠切除故障有利于提升系統(tǒng)整體穩(wěn)定性。同時(shí)，弱支撐、低抗擾的特點(diǎn)也導(dǎo)致故障響應(yīng)過程非線性顯著增強(qiáng)［5-7］，大量電力電子設(shè)備接入導(dǎo)致新型電力系統(tǒng)故障特征發(fā)生深刻變化，對傳統(tǒng)基于同步機(jī)特性的繼電保護(hù)原理適應(yīng)性產(chǎn)生深刻影響?，F(xiàn)有繼電保護(hù)體系面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在：

1）故障特征認(rèn)知難。傳統(tǒng)交流電網(wǎng)基于同步發(fā)電機(jī)支撐交流電壓，采用疊加原理和序網(wǎng)絡(luò)分析方法實(shí)現(xiàn)故障電壓、電流的精確計(jì)算。但是，新型電力系統(tǒng)高比例新能源、高度電力電子化使得故障響應(yīng)過程具有顯著的非線性特性，受控制策略影響極大［8-9］，現(xiàn)有故障分析方法難以準(zhǔn)確理論解析故障全過程精確特性。此外，各種新能源和輸電方式聚合后，故障形態(tài)更加復(fù)雜，進(jìn)一步加大了故障特性分析的難度。

2）保護(hù)性能適應(yīng)難。新型電力系統(tǒng)故障特征迥異于傳統(tǒng)同步機(jī)組，現(xiàn)有交流繼電保護(hù)原理難以適應(yīng)，嚴(yán)重動搖了繼電保護(hù)“四性”要求。例如：中國西北電網(wǎng)新能源大規(guī)模接入，故障電流呈現(xiàn)幅值受限、諧波含量大的顯著特征，導(dǎo)致保護(hù)拒動或慢動［10］；中國渝鄂背靠背柔性直流輸電系統(tǒng)，交流故障時(shí)柔性直流提供短路電流受限，導(dǎo)致主保護(hù)靈敏度嚴(yán)重下降；中國江蘇省如東海上風(fēng)電柔性直流系統(tǒng)接入華東電網(wǎng)，致使500 kV 交流線路距離保護(hù)拒動及誤動風(fēng)險(xiǎn)增大。

本文立足電網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢，從新型電力系統(tǒng)的故障特征與規(guī)律認(rèn)知、保護(hù)邊界及性能提升、不依賴源特性的繼電保護(hù)、電力電子主動支撐的控保協(xié)調(diào)技術(shù)四方面展開，歸納總結(jié)了現(xiàn)階段的研究現(xiàn)狀，探討并展望了一些可行的解決思路。

1 新型電力系統(tǒng)的故障特征與規(guī)律認(rèn)知

1.1 研究現(xiàn)狀

1）新能源電源的故障特征研究

新能源電源的故障特征主要包括短路電流特征［11-16］、等值序阻抗特征［17-19］、頻率偏移特性［20］、波形及諧波特征［21］等。目前，逆變型新能源并網(wǎng)系統(tǒng)的等效模型分為恒流源型、壓控電流源型、正序壓控電流源型、正負(fù)序結(jié)合的壓控電流源型［22］。各類型新能源電源故障電流解析研究過于依賴新能源的控制策略和參數(shù)，而實(shí)際工程中參數(shù)的“黑箱化”導(dǎo)致解析表達(dá)式難以用于實(shí)際工程中新能源電源的短路電流計(jì)算。電力電子設(shè)備故障穿越期間往往會采用功率控制、負(fù)序抑制及限流方式對其輸出電流進(jìn)行控制，以保護(hù)電力電子設(shè)備，控制策略的復(fù)雜多樣使得故障特征難以理論解析。此外，大規(guī)模新能源、高比例電力電子裝備的接入以及常規(guī)/柔性直流等不同輸電方式極大地改變了傳統(tǒng)電網(wǎng)的形態(tài)，各種新能源和輸電方式聚合后，電網(wǎng)形態(tài)及場景更加復(fù)雜。由于電力電子設(shè)備控制策略的復(fù)雜性，常規(guī)故障分析方法已無法完全適應(yīng)故障后全過程的精確分析。

2）直流接入的交流輸電系統(tǒng)故障特征研究

故障后5 ms 內(nèi)的測量數(shù)據(jù)構(gòu)成的線路故障電壓及電流，理論上可不計(jì)及控制系統(tǒng)的影響，但直流濾波器與平波電抗器、不同故障類型與位置、雷擊、換相失敗等因素均會對電壓、電流的暫態(tài)特征造成明顯影響［23-24］。柔性直流換流器一般在交流故障后采取電壓控制方式，并配合低壓限流控制以限制短路電流；風(fēng)電場采取電流控制方式，抑制負(fù)序電流，以保證短路電流不超過電力電子器件的限值。此時(shí)，交流線路兩側(cè)的短路電流均呈現(xiàn)受控電源特性，故障特征發(fā)生了根本性變化。

1.2 解決思路

綜合對新型電力系統(tǒng)故障特征的研究現(xiàn)狀和保護(hù)需求，圖1 為一種可供參考的技術(shù)思路。未來，可從以下三方面開展研究。

1）新型電力系統(tǒng)背景下的典型應(yīng)用場景研究

保護(hù)的故障特征與規(guī)律認(rèn)知需要明確具體研究對象，新型電力系統(tǒng)在形成過程中，不同階段存在不同典型場景。因此，構(gòu)造典型場景是該部分研究的前提。后續(xù)研究中應(yīng)該聚焦“雙碳”目標(biāo)，緊密結(jié)合國家未來能源發(fā)展戰(zhàn)略布局及發(fā)展規(guī)劃，聯(lián)系電網(wǎng)企業(yè)的相關(guān)政策文件，并最終提出未來新型電力系統(tǒng)的發(fā)展演進(jìn)路徑。此過程中需要重點(diǎn)關(guān)注電源結(jié)構(gòu)和網(wǎng)架形態(tài)以及不同發(fā)展階段下新能源和儲能占比及接入方式、新型輸電方式等?，F(xiàn)階段，在“源”側(cè)，新型電力系統(tǒng)的電源結(jié)構(gòu)正由可控連續(xù)出力的煤電裝機(jī)占主導(dǎo)向強(qiáng)不確定性、弱可控出力的新能源發(fā)電裝機(jī)占主導(dǎo)轉(zhuǎn)變；在“網(wǎng)”側(cè)，新型電力系統(tǒng)的電網(wǎng)形態(tài)由單向逐級輸電為主的傳統(tǒng)電網(wǎng)向包括交直流混聯(lián)大電網(wǎng)、局部直流電網(wǎng)的能源互聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)變［25］。

同時(shí)，基于新能源場站和儲能設(shè)備在電網(wǎng)中的典型布局，需研究以風(fēng)、光、儲為代表的多類型新能源在不同滲透率、不同組合模式、不同并網(wǎng)形式下的典型工程場景與聚類組合技術(shù)。此外，兼顧已有工程經(jīng)驗(yàn)及調(diào)研結(jié)論，結(jié)合穩(wěn)定性、安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性等的綜合評價(jià)指標(biāo)和相應(yīng)的權(quán)重及評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，提煉形成風(fēng)、光等不同類型新能源電源和交流、常規(guī)/柔性直流等不同輸電方式的典型聚合場景。

2）電力電子設(shè)備暫態(tài)故障特性近似解析方法研究

研究電力電子設(shè)備故障穿越、限流及負(fù)序抑制等不同控制策略的控制環(huán)節(jié)和參數(shù)變化對故障特性的影響［26］；基于電力電子設(shè)備的數(shù)學(xué)模型，考慮控制器響應(yīng)前的行波階段、控制器響應(yīng)階段、控制器響應(yīng)后的穩(wěn)態(tài)階段［27-28］，研究在控制策略作用下新能源單機(jī)及換流設(shè)備從故障發(fā)生初期到故障穩(wěn)態(tài)的動態(tài)發(fā)展過程以及相關(guān)狀態(tài)量變化；提出電力電子設(shè)備暫態(tài)故障電流、電壓分階段的近似解析方法，給出相應(yīng)的誤差范圍，并基于解析表達(dá)建立各階段的等效模型，用于故障分析及整定。該過程中需要重點(diǎn)關(guān)注電力電子設(shè)備故障穿越、限流及負(fù)序抑制等不同控制策略的影響，最終形成數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)。

3）新型電力系統(tǒng)故障特征及分析方法研究

結(jié)合1）中梳理的新能源場站內(nèi)系統(tǒng)拓?fù)?，分析新能源場站并網(wǎng)規(guī)模、運(yùn)行工況、控制參數(shù)、集電網(wǎng)絡(luò)等因素對故障特性的影響［29］，歸納不同階段下故障特征的不同主導(dǎo)因素，并構(gòu)造包含主要故障特性的用于系統(tǒng)級故障計(jì)算的新能源場站聚合等值數(shù)學(xué)模型，最終結(jié)合場景基礎(chǔ)與模型基礎(chǔ)，開展新能源和新型輸電方式聚合情況下的故障特征及規(guī)律認(rèn)知技術(shù)研究，分析故障后的電流、電壓、阻抗等的特性。

2 新型電力系統(tǒng)的傳統(tǒng)保護(hù)適應(yīng)邊界及性能提升技術(shù)

2.1 研究現(xiàn)狀

故障暫態(tài)期間新能源電源/柔性直流換流器接入系統(tǒng)存在大量的諧波，會加劇電容電流對縱聯(lián)差動保護(hù)的影響［30-33］。對此，部分學(xué)者提出了基于正序差動阻抗區(qū)內(nèi)外差異性設(shè)計(jì)縱聯(lián)保護(hù)方案的思路［34-35］、基于虛擬制動電流的差動保護(hù)改進(jìn)算法［36-37］、基于波形相似度構(gòu)建保護(hù)方案、基于高頻阻抗構(gòu)建差動保護(hù)方案［38］以及提供短路電流的頻率差異構(gòu)建縱聯(lián)保護(hù)的方案［39］等。電力電子變流器在故障暫態(tài)期間正、負(fù)序阻抗相差較大且幅值遠(yuǎn)大于常規(guī)電網(wǎng)，會導(dǎo)致風(fēng)電側(cè)正、負(fù)序電流分支系數(shù)偏差較大，極大地降低了突變量保護(hù)元件的性能［40］。對此，部分學(xué)者提出了基于線、相電壓突變量幅值比較的選相方案［41］。電力電子變流器接入具有弱饋特性［42-43］，而撬棒的投入會進(jìn)一步增強(qiáng)雙饋風(fēng)機(jī)的弱饋特性［44］，逆變型電源的弱饋?zhàn)饔脮?dǎo)致場站側(cè)過渡電阻的影響被放大，造成場站側(cè)距離保護(hù)拒動。對此，實(shí)際工程中往往允許場站側(cè)距離保護(hù)延時(shí)動作，令系統(tǒng)側(cè)斷路器跳開并保持至弱饋?zhàn)饔孟В?5］，但這種做法增加了故障隔離時(shí)間。電力電子變流器的故障輸出電流受控會導(dǎo)致序阻抗分支系數(shù)非實(shí)數(shù)［46-47］。因此，傳統(tǒng)的自適應(yīng)整定距離保護(hù)、基于阻抗復(fù)數(shù)平面的距離保護(hù)和基于電壓相量平面的距離保護(hù)會存在較大誤差。

交流故障引發(fā)的直流換相失敗及控制動作通常發(fā)生在交流保護(hù)動作之前的故障暫態(tài)時(shí)期，常規(guī)直流換流器故障后往往會進(jìn)行定關(guān)斷角控制器、低壓限流環(huán)節(jié)等多個(gè)控制環(huán)節(jié)的切換，會引起交流電網(wǎng)的非特征諧波含量增多，尤其是50 Hz 附近的次諧波和低頻間諧波干擾。傳統(tǒng)交流保護(hù)常用的全周或半周傅氏算法無法有效濾除間諧波和次諧波的干擾，造成了目前交直流混聯(lián)系統(tǒng)中的交流保護(hù)裝置在提取工頻相量時(shí)產(chǎn)生較大的計(jì)算誤差，對現(xiàn)有基于工頻相量的交流保護(hù)動作性能，尤其是平行線路上的交流保護(hù)動作性能產(chǎn)生十分不利的影響。同時(shí)，交流故障會導(dǎo)致?lián)Q流器出現(xiàn)換相失敗故障，并引起功率倒向現(xiàn)象，特別是多直流落點(diǎn)的電氣距離較近時(shí)，還可能出現(xiàn)相繼或同時(shí)換相失敗問題，造成多條交流線路出現(xiàn)嚴(yán)重的功率倒向［48］，最終引起縱聯(lián)方向保護(hù)誤動。此外，換相失敗會引起等值工頻電流的變化，而該電流會作用在過渡電阻并引起測量阻抗出現(xiàn)變化，且與直流系統(tǒng)直接連接的線路受到的影響最為嚴(yán)重。

可見，隨著風(fēng)、光等新能源和常規(guī)/柔性直流等電力電子設(shè)備的大量接入，現(xiàn)有的繼電保護(hù)原理與方法已表現(xiàn)出不適用性?，F(xiàn)有研究往往針對新型電力系統(tǒng)的某些具體場景進(jìn)行保護(hù)適用性的研究，存在涉及場景過于單一、不全面，無法覆蓋新型電力系統(tǒng)下的各個(gè)典型場景等問題。針對線路保護(hù)，已有部分研究分析了新能源或電力電子設(shè)備接入下的故障特性與特定場景的適用問題，但僅停留在定性分析層面，缺乏基于定量指標(biāo)體系的適用邊界評估方法。同時(shí)，現(xiàn)有保護(hù)方案的改進(jìn)技術(shù)并不完善，多類型故障場景下線路保護(hù)的提升技術(shù)仍有較大突破空間。而針對元件保護(hù)，現(xiàn)有研究缺少對其在新型電力系統(tǒng)不同典型場景、不同運(yùn)行方式下適應(yīng)性的系統(tǒng)性梳理和研究，缺少對其適用區(qū)間的定量判斷。另外，隨著新能源和電力電子設(shè)備的大量接入，系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)次同步振蕩等現(xiàn)象對變壓器的影響已逐步得到關(guān)注，但仍缺少對并聯(lián)電抗器影響的相關(guān)研究。對于寬頻振蕩特別是柔性直流輸電工程中出現(xiàn)的中高頻振蕩問題對變壓器、并聯(lián)電抗器等主設(shè)備安全的影響，以及寬頻振蕩對主設(shè)備影響的本質(zhì)和反映這種本質(zhì)的繼電保護(hù)技術(shù)尚無研究，亟須開展相關(guān)研究工作。

2.2 解決思路

針對新型電力系統(tǒng)的傳統(tǒng)保護(hù)適應(yīng)邊界及性能提升技術(shù)，圖2 為一種可供參考的技術(shù)思路。未來，可從以下兩方面開展研究。

圖2 新型電力系統(tǒng)保護(hù)適應(yīng)邊界與性能提升方法的技術(shù)路線Fig.2 Technical route for adaptation boundary and performance improvement methods of relay protection in new power system

1）線路保護(hù)適應(yīng)性與性能提升技術(shù)研究

基于現(xiàn)有實(shí)際線路保護(hù)配置情況，從動作時(shí)間、保護(hù)范圍、靈敏度以及可靠性指標(biāo)入手，結(jié)合保護(hù)安裝處短路比、電力電子裝備短路電流占比等指標(biāo)定量評價(jià)線路保護(hù)性能，確定保護(hù)適用邊界。

對于線路保護(hù)的性能提升技術(shù)，需要基于適用性分析結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)，對于現(xiàn)階段已發(fā)現(xiàn)的適用性問題，研究現(xiàn)有線路保護(hù)性能提升技術(shù)，如：a）針對新能源或電力電子設(shè)備電流受控造成差動保護(hù)靈敏性不足的問題［49］，可以研究基于幅相平面的差動保護(hù)改進(jìn)方案；b）對于新能源送出多點(diǎn)T 接線路［50］，研究多點(diǎn)T 接線路差動保護(hù)的通信及數(shù)據(jù)同步方式、多端線路差動保護(hù)方案；c）對于新能源電源交流送出線路相間故障時(shí)造成距離保護(hù)拒動或誤動問題［51］，研究綜合暫態(tài)信息的快速判別故障方向的自適應(yīng)距離保護(hù)方法；d）對于新能源交流并網(wǎng)系統(tǒng)送出線路過渡電阻短路故障時(shí)距離保護(hù)靈敏度不足的問題［52］，研究基于線路兩側(cè)保護(hù)相繼速動的距離保護(hù)方法；e）針對電力電子設(shè)備接入下序分量選相元件不正確動作的問題［53］，研究基于電壓量的新型選相方法。

2）元件保護(hù)適應(yīng)性及性能提升技術(shù)研究

結(jié)合實(shí)際元件保護(hù)配置情況，從動作時(shí)間、保護(hù)范圍、靈敏度以及可靠性指標(biāo)入手，以保護(hù)安裝處短路比、電力電子裝備短路電流占比等參數(shù)來定量評價(jià)元件保護(hù)性能，確定不同工況、場景、故障情況下元件保護(hù)的適用邊界。

元件保護(hù)性能提升技術(shù)方面，研究故障時(shí)系統(tǒng)諧波特征與變壓器、并聯(lián)電抗器勵(lì)磁涌流諧波特征的差異，提出不受新型電力系統(tǒng)諧波特性影響的勵(lì)磁涌流判別技術(shù)。研究故障時(shí)系統(tǒng)諧波特征與電流互感器（current transformer，CT）飽和時(shí)諧波特征的差異，提出不受諧波特性影響的差動保護(hù)CT 飽和判別技術(shù)。研究新能源弱饋特性造成差動保護(hù)靈敏性不足的原因，提出差動保護(hù)靈敏度提升技術(shù)。研究換流器控制策略對并聯(lián)電抗器匝間保護(hù)的影響，提出改進(jìn)的匝間保護(hù)方法。分析寬頻振蕩對變壓器、并聯(lián)電抗器等主設(shè)備帶來的損耗增加和異常發(fā)熱等影響的機(jī)理，研究異常運(yùn)行工況下主設(shè)備的耐受能力及保護(hù)方法。

3 不依賴電源特性的繼電保護(hù)新原理

3.1 研究現(xiàn)狀

1）不依賴電源特性的單端量線路保護(hù)原理研究

為適應(yīng)新型電力系統(tǒng)發(fā)電弱饋、高諧波、頻率偏移等故障特征，相關(guān)學(xué)者基于時(shí)域模型識別的思想提出了距離保護(hù)原理，例如：基于集中參數(shù)模型的時(shí)域距離算法［54］、基于故障距離迭代計(jì)算的距離保護(hù)方案［55］、修正距離邊界的抗暫態(tài)超越的時(shí)域距離保護(hù)方案［56］、基于附加阻抗的自適應(yīng)距離保護(hù)方案［57］、零序分量與時(shí)域全量結(jié)合式時(shí)域距離保護(hù)方案［58］、基于壓降差異系數(shù)的時(shí)域距離保護(hù)算法［59］。但目前相關(guān)方案對線路集中參數(shù)模型忽略分布電容而產(chǎn)生的模型誤差的考慮仍不夠充分。隨著中國風(fēng)電場規(guī)模的不斷擴(kuò)大，對風(fēng)能以特高壓、遠(yuǎn)距離輸電進(jìn)行消納逐漸成為現(xiàn)實(shí)。因此，忽略線路分布電容所引起的誤差將變得越來越不可忽略。

2）不依賴電源特性的雙端量線路保護(hù)原理研究

電力電子裝置故障期間的弱饋特性和頻偏特性會降低差動保護(hù)的靈敏度［60］，對此部分學(xué)者提出了故障分量綜合阻抗法［61］、基于內(nèi)部正序電壓/電流的故障分量相位差的差動保護(hù)方案［62］、帶制動特性的正序阻抗縱聯(lián)保護(hù)方案［63］、多源網(wǎng)絡(luò)下一種差動保護(hù)與自適應(yīng)電流保護(hù)相結(jié)合的方案［64］。上述保護(hù)原理均為基于集中參數(shù)模型的工頻量保護(hù)，且易受系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、電源特性、線路參數(shù)等因素影響，仍有完善空間。

隨著電力電子裝置的大規(guī)模接入，受控制策略影響，故障前后新能源電源內(nèi)電勢不再恒定，且正、負(fù)序阻抗不相等，基于故障分量的縱聯(lián)方向保護(hù)會誤拒動［65］。部分學(xué)者利用高頻阻抗不受電源控制策略及故障情況的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了高頻縱聯(lián)保護(hù)［66］；部分學(xué)者提出了時(shí)域距離縱聯(lián)方向保護(hù)［67］、被動式和主動探測式縱聯(lián)保護(hù)［68］、基于暫態(tài)電流波形相似度的縱聯(lián)保護(hù)［69］，利用Bhattacharyya 系數(shù)、Hankel矩陣提取關(guān)鍵故障信息設(shè)計(jì)縱聯(lián)保護(hù)［70］。然而，高頻縱聯(lián)保護(hù)的工程可靠性有待進(jìn)一步驗(yàn)證；時(shí)域距離式縱聯(lián)保護(hù)沒有充分考慮線路分布電容和參數(shù)頻變效應(yīng)的影響；探測式縱聯(lián)保護(hù)對數(shù)據(jù)同步要求嚴(yán)格，易受換流器諧波干擾；基于相似度的縱聯(lián)保護(hù)整定值設(shè)定缺乏理論依據(jù)，且保護(hù)原理依賴于新能源系統(tǒng)的輸出特性，當(dāng)系統(tǒng)控制策略發(fā)生變化時(shí)，保護(hù)能否正確動作還有待研究。

3）不依賴電源特性的元件保護(hù)原理研究

目前，國內(nèi)外對于變壓器、母線、電抗器等元件保護(hù)不依賴于電源特性的繼電保護(hù)原理研究較少，尚處于初步的探索階段，但上述文獻(xiàn)中利用設(shè)備本身模型或參數(shù)在內(nèi)外部故障時(shí)存在差異進(jìn)行故障判斷的思路為探索不依賴電源特性的元件保護(hù)原理提供了借鑒和參考，需要在上述研究的基礎(chǔ)上深化原理和實(shí)用化判據(jù)的研究。

3.2 解決思路

綜合對不依賴電源特性的繼電保護(hù)新原理研究，圖3 為一種可供參考的技術(shù)思路。未來，可從以下三方面開展研究。

圖3 不依賴電源特性的繼電保護(hù)新原理技術(shù)路線Fig.3 Technical route of new principle of relay protection independent of source characteristics

1）不依賴電源特性的單端量線路保護(hù)新原理研究

對于故障初瞬階段，研究行波波前、暫態(tài)電氣量故障信息的描述方法和提取技術(shù)，基于暫態(tài)電氣量信息提出輸電線路單端快速保護(hù)新原理。對于換流器動態(tài)調(diào)節(jié)階段，可采用將貝瑞隆模型與集中參數(shù)模型融合迭代的方式，最大程度消除線路分布電容的影響；分析時(shí)域距離算法的算法誤差，可采用擬合誤差權(quán)重的方式，以提高暫態(tài)信息的利用率與準(zhǔn)確率，達(dá)到增強(qiáng)算法穩(wěn)定性與收斂速度的目的，構(gòu)建不依賴電源特性的單端量繼電保護(hù)新原理。

對于故障穩(wěn)態(tài)，可使用小波變換分析暫態(tài)電壓/電流的時(shí)/頻特征差異，推導(dǎo)暫態(tài)電壓/電流與線路參數(shù)、線路長度、折/反射系數(shù)的關(guān)系，建立暫態(tài)信息的分布規(guī)律。需要詳細(xì)研究數(shù)據(jù)窗的選取原則，尋求擴(kuò)大暫態(tài)特征差異的時(shí)/頻分析方法。嘗試采用擬合的方法提取暫態(tài)信息中僅反映故障位置且不受故障類型、過渡電阻影響的指數(shù)系數(shù)，得出基于指數(shù)系數(shù)的反時(shí)限特性方程，以此為依據(jù)計(jì)算反時(shí)限動作時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)整定的反時(shí)限級差配合。利用已有的定時(shí)限過電流保護(hù)定值實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)確認(rèn)，提出暫態(tài)排序、穩(wěn)態(tài)確認(rèn)的單端量后備保護(hù)新原理。

2）不依賴電源特性的雙端量線路保護(hù)新原理研究

研究區(qū)內(nèi)、外故障模型的差異，在此基礎(chǔ)上提出不受故障類型影響、僅反映故障位置特征的故障特征模型，揭示區(qū)內(nèi)、外故障模型本質(zhì)差異?；诘刃г瓌t尋求模型誤差的簡單表征，在保證保護(hù)可靠性的前提下研究降低模型誤差計(jì)算量的方法。研究系統(tǒng)噪聲、諧波及衰減非周期分量影響消除技術(shù)及快速相量提取技術(shù)，構(gòu)建不依賴電源特性的雙端量繼電保護(hù)新原理。

3）不依賴電源特性的元件保護(hù)新原理研究

構(gòu)造能反映故障特征差異的模型/參數(shù)特征，研究基于綜合阻抗的母線保護(hù)新原理。對于變壓器保護(hù)，需研究基于勵(lì)磁電感參數(shù)識別的變壓器保護(hù)原理，并提出勵(lì)磁電感數(shù)值大小和波動性的變壓器保護(hù)判據(jù)。針對電抗器保護(hù)新原理，為保證電抗器容量調(diào)節(jié)時(shí)模型/參數(shù)識別的準(zhǔn)確性，需提出利用電抗器模型/參數(shù)辨識實(shí)時(shí)修正保護(hù)參數(shù)的算法。同時(shí)，還需關(guān)注時(shí)/頻域信息快速獲取特征參數(shù)的數(shù)學(xué)計(jì)算方法，諧波及衰減非周期分量、互感器傳變特性、系統(tǒng)噪聲等因素對參數(shù)計(jì)算誤差和算法收斂性的影響。

4 電力電子設(shè)備主動支撐保護(hù)需求的控保協(xié)同技術(shù)

4.1 研究現(xiàn)狀

高可控電力電子裝備的本質(zhì)為受控電源，通過改變其故障控制策略，一方面可加強(qiáng)某些故障特征以滿足現(xiàn)有交流保護(hù)辨識故障的需求，另一方面可利用控制系統(tǒng)主動注入信號構(gòu)造保護(hù)。電力電子設(shè)備主動支撐保護(hù)需求的控保協(xié)同技術(shù)的研究主要包括：

1）利用電力電子設(shè)備控制提升傳統(tǒng)保護(hù)性能的研究

利用換流器的附加控制策略可以將其視為準(zhǔn)線性系統(tǒng)，換流器表現(xiàn)出的某些故障特征適用于傳統(tǒng)保護(hù)，進(jìn)而提高傳統(tǒng)保護(hù)性能。針對現(xiàn)有交流保護(hù)需求，通過附加控制使得電力電子裝置表現(xiàn)出滿足保護(hù)需求的相位［71-75］、阻抗特征［76-77］，通過電力電子化系統(tǒng)繼電保護(hù)與多類型設(shè)備控制協(xié)同配合實(shí)現(xiàn)故障可靠靈敏判別，在新型電力系統(tǒng)中極具研究價(jià)值。

2）特征信號主動注入式保護(hù)研究

利用換流器的故障控制策略向系統(tǒng)注入特征信號，使得故障特征較其他條件下更具差異性，進(jìn)而提高故障識別的可靠性和靈敏度。該思路被國內(nèi)外學(xué)者廣泛接受，并應(yīng)用于距離保護(hù)、縱聯(lián)保護(hù)、測距式保護(hù)、后備保護(hù)、重合閘的研究中［78-88］。

3）主動注入式故障性質(zhì)判別和自適應(yīng)重合閘研究

在重合閘和故障性質(zhì)判別方面，在輸電線路永久性故障判別時(shí)引入主動探測技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)控制與保護(hù)的融合，該方法適用于故障動態(tài)調(diào)節(jié)階段和故障穩(wěn)態(tài)階段［89］。主動注入式自動重合閘主要分為利用換流器注入［90-93］和利用直流斷路器或輔助裝置注入［94-99］兩大類。

關(guān)于電力電子設(shè)備支撐新型保護(hù)原理的研究則大多面向直流系統(tǒng)，對于信號主動注入式保護(hù)在交流系統(tǒng)中的應(yīng)用目前鮮有研究。亟須研究不同故障階段注入信號的選擇原則、注入設(shè)備的選擇依據(jù)、建立響應(yīng)信號的選擇原則以及響應(yīng)信號與保護(hù)靈敏度的關(guān)聯(lián)關(guān)系，并提出信號注入式保護(hù)在不同交流電網(wǎng)場景下的應(yīng)用方案，對提高未來交流電網(wǎng)的保護(hù)能力具有重大意義。

4.2 解決思路

綜合對電力電子設(shè)備主動支撐保護(hù)需求的控保協(xié)同技術(shù)，圖4 為一種可供參考的技術(shù)思路。未來，可從以下三方面開展研究。

1）計(jì)及繼電保護(hù)故障辨識需求的電力電子設(shè)備控制策略研究

從保護(hù)原理的最佳適用條件和適用范圍出發(fā)，研究在滿足自身設(shè)備安全和系統(tǒng)穩(wěn)定要求的前提下，適應(yīng)現(xiàn)有交流保護(hù)判別故障要求的電力電子設(shè)備控制策略。進(jìn)一步，從阻抗波動程度、電氣量穩(wěn)定度、支撐強(qiáng)度（幅值大小、持續(xù)時(shí)間）等方面出發(fā)，研究反映電力電子設(shè)備控制對繼電保護(hù)故障辨識支撐程度的指標(biāo)。最后，研究電力電子設(shè)備故障電流相位控制、阻抗控制、限流控制等策略的改進(jìn)方法，從而提出適應(yīng)現(xiàn)有交流保護(hù)辨識故障需求的電力電子設(shè)備故障控制策略。

2）基于主動信號注入的交流線路保護(hù)和自適應(yīng)重合閘方法研究

研究故障后不同階段注入信號的選擇原則與協(xié)同配合機(jī)制，研究探測信號注入后響應(yīng)特征與故障暫/穩(wěn)態(tài)特征的解耦分析方法，研究設(shè)備在正常狀態(tài)下注入特征信號后的電網(wǎng)響應(yīng)特征，研究設(shè)備在故障不同階段注入探測信號后電網(wǎng)的響應(yīng)特征，分析網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、故障類型、過渡電阻、故障位置、線路參數(shù)等對線路正常和故障狀態(tài)響應(yīng)特征的影響。提出反映電力電子設(shè)備注入信號改變電網(wǎng)狀態(tài)能力的注入信號強(qiáng)度指標(biāo)。研究利用電力電子設(shè)備增加故障特征信息量的附加控制策略，提出提升現(xiàn)有交流保護(hù)故障辨識性能的主動注入附加控制策略。研究反映注入信號對保護(hù)判別故障支撐程度的注入信號辨識度指標(biāo)?；诒槐Ｗo(hù)線路的參數(shù)與拓?fù)潢P(guān)系、故障線路與健全線路的電氣耦合關(guān)系，研究基于主動信號注入的線路瞬時(shí)性/永久性故障判別原理，研究主動信號注入式自適應(yīng)重合閘方法。

3）基于控保協(xié)同的系統(tǒng)設(shè)計(jì)及設(shè)備研制

研制具備內(nèi)電勢及阻抗控制、主動注入式控制的電力電子設(shè)備；考慮實(shí)際換流器控制裝置的執(zhí)行周期、采樣延遲、濾波特性，對附加控制環(huán)節(jié)進(jìn)行有效的補(bǔ)償，提升附加控制策略在運(yùn)行時(shí)的準(zhǔn)確性和響應(yīng)速度。計(jì)及電力電子設(shè)備電壓、電流約束條件，對附加控制環(huán)節(jié)參數(shù)進(jìn)行整定，避免動態(tài)響應(yīng)過程中超調(diào)越限、系統(tǒng)失穩(wěn)等現(xiàn)象的發(fā)生。開發(fā)內(nèi)電勢及阻抗控制、主動注入式控制算法軟件；以模塊化思想設(shè)計(jì)算法執(zhí)行程序的內(nèi)部架構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)化接口；根據(jù)電壓源型電力電子設(shè)備在控制系統(tǒng)上的共性，設(shè)計(jì)具備通用性的程序功能模塊，使算法執(zhí)行程序適應(yīng)不同場景、不同設(shè)備。

針對主動注入式保護(hù)原理，研究電力電子設(shè)備與繼電保護(hù)裝置間快速、可靠的通信技術(shù)，保證線路故障時(shí)電力電子設(shè)備可靠觸發(fā)注入信號。研究注入信號特征提取的軟、硬件濾波模塊；研制注入信號捕捉單元；研制主動注入式交流線路保護(hù)和重合閘設(shè)備。

5 結(jié)語

新型電力系統(tǒng)發(fā)展背景下，傳統(tǒng)故障分析與繼電保護(hù)原理性能受到嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。亟須研究適應(yīng)新型電力系統(tǒng)高比例新能源接入、高度電力電子化、新型輸配電形態(tài)快速演變特征的繼電保護(hù)新原理與新技術(shù)。

1）在故障分析方面，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的序網(wǎng)絡(luò)分析方法以線性疊加原理為基礎(chǔ)理論，難以精確反映新型電力系統(tǒng)大量電力電子設(shè)備的控制非線性響應(yīng)過程?？梢钥紤]構(gòu)建控制核心環(huán)節(jié)的全過程狀態(tài)方程，通過與常規(guī)一次設(shè)備廣義戴維南模型的交互迭代方式，獲取所需精度的故障特征解析方法。

2）在保護(hù)適用性方面，新能源強(qiáng)非線性、弱饋、高諧波特征的故障特征降低了現(xiàn)有繼電保護(hù)的性能，但對不同保護(hù)原理的影響程度并不相同。因此，亟須從保護(hù)原理與判據(jù)的最佳適用條件入手，得出適用邊界的量化評估方法，明確不同場景下的保護(hù)適應(yīng)性，進(jìn)而針對特定場景提出現(xiàn)有保護(hù)的性能提升技術(shù)。

3）在保護(hù)新原理方面，可以從被保護(hù)元件的本質(zhì)特征出發(fā)，基于時(shí)域暫態(tài)波形相關(guān)性信息、基于等值模型突變信息、基于暫態(tài)極性相關(guān)性信息、基于多頻帶和高諧波特征信息等思路，研究不受電源特性影響的保護(hù)新原理。

4）在控制與保護(hù)協(xié)同方面，相比同步旋轉(zhuǎn)設(shè)備，電力電子設(shè)備的響應(yīng)速度極快，這造成了傳統(tǒng)繼電保護(hù)原理動作性能的下降，但通過電力電子設(shè)備的附加控制和信號主動注入，可實(shí)現(xiàn)保護(hù)與控制協(xié)同。這也將是新型電力系統(tǒng)下繼電保護(hù)發(fā)展的又一可行方向。