三側光差保護在新能源接入電網中的應用

孟慶立

（承德昊源電力承裝集團有限公司，河北承德 067000）

新能源發電正在進入高速發展階段，新能源場站的建設速度超前電網建設速度，新能源場站的建設與電網接入能力的不同步發展，對新能源場站接入電網的型式形成了一定影響。受限于電網接入能力、變電站間隔數量及經濟效益等方面限制，部分新能源場無適合接入點，形成了以新建新能源場站以T 接形式接入送電線路。新能源在電力系統中占比逐漸增高，同時新能源發電匯集區域氣候惡劣，因極端天氣如大風、雷暴、強降水引起的線路故障高于其他線路，加上源網荷儲一體化的實施，阻抗模型更加復雜，對線路保護提出了更高的要求。對新建能源接入電網形式進行分析，并對其中更為復雜的、T 接線路保護策略進行研究，通過對T 接線路三側光差保護的應用，為加速新能源發電項目建設，保障電網安全運行，增加經濟效益提供了有效保障。

1 我國新能源發電現狀及前景

我國新能源發電經過多年發展，能源轉型已由起步期向全面加速期轉變，風電、光伏發電建設周期短，新增裝機容量逐年上升，是新能源發電的主力軍，同時風電、光伏發電受風力、日照等環境影響，具有很大的波動性，需進一步加強電網調節能力。根據風電、光伏發電出力特征，為滿足新能源能源體系發展，電力系統結構也在逐漸發生變化：一是加強電網結構，打通遠距離輸電通道，將新能源發電輸送至負荷中心，提高消納能力；二是儲能技術的發展，降低風電、光伏發電的波動性和隨機性，實現平滑輸出，并具有一定調峰能力；三是對常規火力發電進行改造，進一步加強火力發電的出力調節范圍，提高系統調節能力。

2 新能源場站分布情況

在新能源發電體系中，水力發電、風力發電、光伏發電占據了主要地位。受我國資源分布影響，我國新能源發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。上述能源基地風力資源、太陽能、水力資源豐富，地域廣闊，用電負荷密度低，電能一部分經本地消納后，其余電量以外送通道送至其他負荷中心以滿足消納需求[1]。

3 電網結構

我國新能源發電發展初期，新能源場站容量小，發電規模占電網比重小，繼電保護方式簡單，以距離保護或電流保護為主[2]。隨著近年來新能源場站規模的迅速發展，新能源發電整體規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生故障時，保護動作時故障類型識別不準確或擴大停電范圍，不能滿足繼電保護可靠性、選擇性、靈敏性和速動性要求，并且大規模場站脫網影響電網安穩要求。原有繼電保護方式不能進一步適應新能源發展要求，中大型新能源場站送出線路逐漸轉變以全線速動保動為主的繼電保護方式。

網源不匹配，制約了新能源場站接入電網方式，針對我國已建成的新能源場站接入電網形式進行梳理歸類，總結出具有代表性的接線方式，并對這些接線方式進行分析，對未來發展趨勢進行預測，提前進行系統轉型，從電網網架、繼電保護配置及安全自動裝置上做好新能源場站的進一步接入工作，為充分利用風電、光伏等新能源發電，優化能源結構，建立安全可靠的能源供應體系作好準備。

我國中大規模新能源場站多以110 kV 及220 kV 電壓等級接入電網側。以220 kV 接入為例，主要接入電網形式以下列為主。

3.1 單輻射接入

每個新能源場站以專線接入電網。這種網架結構清晰、安全性高，每條線路停電時只停一座新能源場站，保護易于配置，如圖1 所示。缺點在于每個場站需要一條送出線路，工程造價高，大量占用電網間隔及土地資源。

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。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，占用電網側間隔少，缺點是送出線路故障時所有場站需同時停電。

圖2 串接接入

3.3 新能源場站經匯集站接入電網

幾個規模較小的新能源場站各自經線路接入同一匯集站，經匯集站送出，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，適用于某個范圍內有多個光伏共同接入電網情況。

圖3 經匯集站接入

3.4 T 接接入

受以下條件限制：新能源場站與電網側接入點距離太遠，造成工程經濟效益達不到要求；電網側間隔已滿且不具備擴建條件，無法接入電網；路經重要保護區、礦區等，無法取得路徑協議等，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，由于新能源發電不穩定的特點，新能源場站會在電源與負荷之間相互轉換，以T接形式接入電網相對于單輻射接入、串接接入、經匯集站接入，網絡模型更為復雜，對保護裝置可靠性、選擇性、速動性和靈敏性提出了更高的要求。

本文以三側光差保護實現對T 接線路的保護，在一定程度上解決了T 接線路保護問題及電網發展問題。

4 三側光差保護原理

電力系統繼電保護是在一定的網架結構下，保證電力系統和設備安全穩定運行的必要措施，針對T 接線路的結構特點，以三側光差保護裝置作為解決T 接線路保護措施的有效解決方案。三側光差以分相電流差動和零序電流差動作為主保護，由工頻變化量距離元件構成快速Ⅰ段保護，由三段式相間和接地距離及多個零序方向過流構成全套后備保護[3]。

PCS-931 型微機數字式超高壓線路成套快速保護裝置原理如下。

4.1 電流變電量啟動元件

啟動元件的主體以反應相應工頻變化量的過流繼電器實現，同時又配以反應全電流的零序過流繼電器互相補充。

電流變化量啟動由以下公式判定

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為浮動門坎，隨著變化量的變化而自動調整，取1.25 倍可保證門坎始終略高于不平衡輸出。

4.2 零序電流啟動元件

當外接和自產零序電流均大于整定值時，零序啟動元件動作。

4.3 工頻變化量相差動元件

動作方程

式中：ΔICDΦ為工頻變化量差動電流，當差動保護處于三側差動保護方式時，ΔICDΦ=|IMΦ+INΦ+ILΦ|。ΔIRΦ為工頻變化量制動電流，當差動保護處于三側差動保護方式時，ΔIRΦ=|IMΦ|+|INΦ|+|ILΦ|。IH為“2 倍差動動作電流定值”（整定值）與4 倍實測電容電流的大值。實測電容電流由正常運行時未經補償的差流獲得。

4.4 零序差動繼電器

對于經高過渡電阻接地故障，采用零序差動繼電器具有較高的靈敏度。其動作方程

式中：ICD0為零序差動電流，當差動保護處于三側差動保護方式時，ICD0=|IM0|+|IN0|+|IL0|。IR0為制動電流，當差動保護處于三側差動保護方式時，IR0=|IM0|+|IN0|+|IL0|。IL為“差動動作電流定值”（整定值）與1.25 倍實測電容電流的大值。ICDΦ為差動電流，當差動保護處于三側差動保護方式時，ICDΦ=|IMΦ|+|INΦ|+|ILΦ|。IRΦ為制動電流，當差動保護處于三側差動保護方式時，IRΦ=|IMΦ|+|INΦ|+|ILΦ|。

5 三側光差保護應用

某地區新建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，新變電站尚在規劃中，故此新建220 kV 新能源場站以T 接形式接入一條現有新能源場站至電網送出線路。

為滿足運行要求，本工程保護采用三側光差保護，根據GB/T 14285—2006《繼電保護與安全自動裝置技術規程》，220 kV 線路主保護雙重化配置，2 套主保護應分別動作于斷路器的一組跳閘線圈[4]。本工程采用2 套不同廠家的三側差動保護，新能源場站1、新能源場站2 與電網側2 套保護裝置規格型號保持一致。

保護安裝方式如圖5 所示。

圖5 保護裝置配置圖

保護整定以三側光差以分相電流差動和零序電流差動作為主保護。

當保護區內發生故障時，工頻變化量差動電流變電量與短路前負荷狀態無關，只考慮故障分量，無需與上下級保護配合，因而可以快速切除被保護線路中范圍內的故障，具有很好的選擇性、靈敏性與速動性。當保護區外發生故障時，裝置可靠不動作。

保護裝置采用數字光纖通道與對側進行通信，三側差動方式下，其中一側為主機（M 側），作為參考端，其他兩側分別為從機1（N 側），從機2（L 側），作為同步端[5]，如圖6 所示。三側裝置以同步方式交換信息，參考端以一定的固定間隔進行采樣并向對側發送信息，同步端進行調整與參考端保持一致。滿足采樣同步條件時，參考端向同步端傳輸三相電流采樣值，進行差動計算。

圖6 通道連接方式

220 kV 線路架設2 條OPGW 光纖復合架空地線，保護通道采用專用光纖通道，三側差動運行方式下，裝置采用環形通道，以本側通道一連接對側通道二交叉連接方式。三側差動方式下，一路通道發生異生常，裝置發生告警信號，兩路通道異常時，閉鎖差動保護。

當系統側電站或新能源場站因預試、檢修，其中一側停運時，保護裝置可以退投壓板實現三側光差保護和兩側光差保護之間的相互轉換，兩側差動方式時，僅一組通道軟、硬壓板全投入，且該組通道壓板對應的兩側裝置其他通道壓板退出。兩側差動保護運行方式見表1.

表1 兩側差動保護運行方式

通過三側光差保護，保護裝置、通道、設備跳閘線圈雙套配置及保護功能實現了對新能源T 接線路的繼電保護可靠性、選擇性、靈敏性和速動性要求，保障了電力系統安全穩定運行。

T 接線路不占電網間隔，節約線路及站內設備投資，為滿足新能源送出，在受電網間隔、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期內仍會在電網中應用。三側光差保護的應用，解決了新能源發電快速發展過程中，新建源場站的建設與電網接入能力的不同步發展帶來的T 接線路繼電保護問題，對于大規模新能源場站接入電網從繼電保護方面提供了一定的解決思路，對于加快新能源發電的建設并網具有重要意義。同時，三側光差保護又具有很強的適應能力，當場站檢修停運或電網結構發生變化，三側光差保護裝置跟隨電網運行方式變化調整運行方式，可以適應不同運行方式下的需要，在新型電力系統構建過程中發程中發揮重要作用。

6 結束語

新能源與電網協調發展是我國轉變能源和電網發展方式的內在要求，隨著清潔能源供給能力持續提升，在新型電力系統構建過程中，結合電力設備和電力網的結構特點和運行特點、故障出現的概率和可能造成的后果，選用有效的繼電保護和安全自動裝置是保障電力系統安全、穩定運行不可或缺的重要因素。將三側光差應用于T接線路保護，滿足可靠性、選擇性、靈敏性和速動性要求，并能根據電力系統近期及遠期發展規劃，實時調整保護策略，具有經濟上的合理性及技術上的可靠性，是新能源高速發展道路上有力的保障。