新能源場站集中并網區域繼電保護裝置測試技術

張麗，李勝男，唐金銳，付士亮

（1.云南電網有限責任公司電力科學研究院，云南 昆明 650217；2.武漢理工大學自動化學院，湖北 武漢 430070；3.云南電網有限責任公司紅河供電局，云南 紅河 651400）

0 前言

云南全省新能源裝機容量快速增長，部分地區光伏/風電裝機容量已達數百萬千瓦[1]，需通過220 kV線路直接接入新建的500 kV變電站，從而實現新能源電力的并網消納，在局部地區已形成以新能源為主體的新型電力系統示范區，為云南省乃至全國的綠色電力消納及新型電力系統建設提供了有益借鑒。

受國內資源稟賦影響，現階段光伏/風電滲透率較高區域一般處于用電負荷較低區域，網架較為薄弱，往往會通過新增500 kV變電站/輸電線路、200 kV變電站/220 kV線路來實現新增大規模新能源場站的消納。新能源場站集中送出區域往往含有數個乃至十幾個大型的新能源場站，這些新能源場站再通過110 kV或者220 kV線路進行聯網，并最終通過500 kV變電站接入主網。在該區域內，輸電線路一旦發生故障，故障電流將主要由與故障點存在不同電氣距離的不同新能源場站提供。新能源場站內的各并網逆變器設備與場站升壓站距離各有不同，不同新能源場站內的各光伏逆變器、風電場并網變流器等的控制策略現階段也均處于“黑盒子”狀態，且參數不統一[2]。一旦新能源場站集中送出區域發生線路故障，受各并網逆變器鎖相環解耦環節、低電壓穿越控制環節、限流環節等影響，新能源場站集中送出區域與傳統同步發電為主的電網故障特征差異明顯[3]，特別是故障后百ms內的故障電壓和故障電流波形，對傳統繼電保護裝置的起動元件、選相元件、各保護算法元件等均帶來了深刻影響[4-6]。一旦該集中送出區域發生500 kV或者220 kV故障，將在數十ms內造成整個區域內電力電子設備的控制動作，影響到工頻故障分量的分析。且若送出線路被切除，則會帶來送出區域部分地區形成源網荷儲獨立運行電網[7]，內部更是以新能源為絕對主導，傳統繼電保護裝置的適應性以及動作性能更是需要全面評估并開展測試驗證，確保該區域的穩定安全供電。

1 某新能源場站集中送出區域分析

云南某區域計劃光伏裝機共計1930 MW，其中1530 MW需通過新建500 kV變電站A送出。根據光伏電站接入系統前期分析結論，光伏電站A，裝機容量530 MW，需新建一回220 kV線路至該新建500 kV變電站A；光伏電站B，裝機容量550 MW，需新建一回220 kV線路至該新建500 kV變電站A；光伏電站C，裝機容量450 MW，需新建一回220 kV線路至該新建500 kV變電站A。該新建500 kV變電站通過單回500 kV線路接入臨近的500 kV變電站B。光伏電站D，裝機容量100 MW，通過單回220 kV與裝機容量為200 MW的光伏電站E相連，且光伏電站E通過220 kV線路與500 kV變電站B相連；光伏電站F，裝機容量100 MW，通過中間某220 kV變電站A接入500 kV變電站B。與此同時，500 kV變電站B還與旁邊的直流送出工程的換流站相連。

通過上述分析可知，該區域中，新建500 kV變電站A與接入的3個大規模新能源場站，僅通過單條500 kV線路與500 kV變電站B相連，該區域新能源裝機容量達到1530 MW，屬于典型的以新能源為主體的新型電力系統示范區。

具體到保護裝置配置方面，該新建500 kV變電站A與500 kV變電站B間的500 kV線路配置2套光纖分相電流差動保護，每套保護具有階段式相間距離、接地距離及零序方向過流保護及反時限零序過流保護的后備保護功能。每套主保護與遠方跳閘、過電壓保護采用一體化裝置。線路保護直接模擬量電纜采樣，直接GOOSE跳斷路器；經GOOSE網絡啟動斷路器失靈、重合閘；站內其他裝置經GOOSE網絡啟動遠跳。每套保護采用雙通道，且均采用彼此獨立的光纖通道，采用專用光纖芯+復用2 M光纖通信電路的方式傳送保護信號。

圖1 新能源場站集中送出區域示意圖

該新建500 kV變電站本期3回220 kV出線，分別至光伏電站A、光伏電站B、光伏電站C各1回，最終出線規模12回。220 kV線路長度均在10~30 km，每回線路配置2套光纖分相電流差動保護，每套保護均帶有完善的反應相間故障及接地故障的后備保護。線路保護直接模擬量電纜采樣，直接GOOSE跳斷路器；經GOOSE網絡啟動斷路器失靈、重合閘；站內其他裝置經GOOSE網絡啟動遠跳。

每套保護采用雙通道，且均采用彼此獨立的光纖通道，采用專用光纖芯+復用2 M光纖通信電路的方式傳送保護信號。

2 新型繼電保護裝置示范應用情況

新能源等電力電子設備接入電網，使得電網的故障特性發生了明顯的變化。電力電子裝置的快速響應使得反映故障的“源”和“路徑”均發生變化。新能源的故障特征受控制策略影響嚴重，存在電流幅值受限、相角受控、非工頻分量大、系統阻抗變化等特點，控制策略可能削弱故障后電氣特征、降低保護性能，使電力系統由傳統的同步電源特性向非線性、暫態受控的逆變器型的電源特性轉變。因此，基于電源電動勢與傳輸路徑參數恒定的繼電保護適應性受到嚴峻挑戰。

針對以上問題，依托“新型電力系統控制與保護協同技術研究、裝置研發及示范”課題，開展了新型電力系統電力電子設備與線路保護方法的研究工作，提出基于故障暫態波形時頻信息的高速主保護新原理，適用于新能源集中接入系統線路保護場景。為實現新型電力系統繼電保護裝置示范應用，在該新建500 kV變電站A至光伏電站B的220 kV線路上開展新型電力系統保護裝置試點應用。

目前已配置的220 kV線路保護裝置為南京南瑞繼保和北京四方線路保護裝置，新型保護裝置（單套）建議單獨組屏。保護通道一、通道二均采用專用光纖芯通道，同時保護裝置信號接保信子站，智能錄波器及監控后臺。新型電力系統保護裝置配置在該線路兩側，現場電流互感器CT配置情況：220 kV線路CT配置6組5P30級保護繞組，兩組用于母線差動保護、兩組用于線路保護，一組用于故障錄波，剩余一組備用繞組，可用于新型電力系統繼電保護裝置試運行，CT配置具備試點應用條件。

3 新型繼電保護裝置測試方案

繼電保護裝置的輸入信號可以來自于現場實際運行或物理模擬電力系統配套的電力系統互感器二次側模擬量，也可以來自于數字仿真模型生成的二次側數字量經數模轉換模塊產生的二次側模擬量。

現有的繼電保護裝置測試方案主要包括繼電保護測試儀為主的電流保護、距離保護和差動保護測試技術[8]、基于物理動態模擬系統的繼電保護測試技術[9]、基于實時數字仿真系統的繼電保護測試技術[10]。不管采用何種方法，其核心是如何獲取與真實故障類似的電壓電流波形，以此波形送入繼電保護裝置，并采集繼電保護裝置出口信號，判定新型繼電保護裝置的適應性與動作性能。對含新能源的新型電力系統故障暫態波形的生成技術進行了總結，見圖2所示。據此可知，為適應不同比例、不同接入位置、不同控制策略新能源接入電網場景下的繼電保護裝置測試分析需要，數字仿真具有較大的靈活性，便于開展現階段新型繼電保護裝置的測試需要。

圖2 新型電力系統故障暫態波形生成技術

在本次示范項目中，為保證新型繼電保護裝置在現場應用的適應性，提出了圖3所示的測試方案。

圖3 新型繼電保護裝置測試驗證方案示意圖

該方案考慮了輸電線路上游和下游同步發電機組、光伏發電站和風力發電場的機組組合情況，也計及了輸電線路兩端步發電機組、光伏發電站和風力發電場不同裝機容量比例下的輸電線路兩側短路電流、短路電壓特征，可實現新型電力系統輸電線路繼電保護裝置性能的全面測試。即考慮大區域內電網的特征，也適應待測試輸電線路周邊新能源滲透率的快速發展，可大幅提高輸電線路繼電保護的測試結果可信度。在此背景下，如果要驗證基于暫態量的新型繼電保護算法的普適性，則需要構建海量的電力系統模型（不同的風力發電、光伏發電、儲能裝置、直流輸電的自身容量、控制策略及接入位置），以及設置海量的故障情況（不同的故障位置、故障過渡電阻、故障初相角）來進行測試驗證。測試效率過低，且無法保證在新場景下的繼電保護算法的適應性。

與此同時，在實際數字仿真驗證中，尚無法考慮各類潛在新能源接入場景進行故障仿真，且數字仿真波形與現場實測波形往往有較大差距，無法反映現場故障波形中的各類電力電子設備、開關操作、電磁干擾環境等影響，以測試繼電保護裝置在各類場景下的動作性能。因此，項目組還提出了一種新型電力系統故障暫態波形自動生成方法，其主要思路是先從多維時頻特征分析出發，融合現場實測波形，得出新能源場站集中送出區域故障波形的特征區域，然后基于根據條件對抗生成網絡（conditional generative adversarial network，CGAN），自動生成海量典型的新型電力系統故障波形，為基于暫態量的繼電保護算法測試驗證提供重要技術支撐，大幅提高繼電保護的測試可信度。

具體如下：

步驟1，通過現場故障錄波圖或物理模擬仿真平臺或數字仿真平臺，獲取新型電力系統各設備（儲能電站、光伏電站、風電場、柔性直流輸電換流設備、常規交流輸電線路）出口處、各類型故障（單相接地、兩相短路、兩相接地短路、三相短路）、各故障條件（故障過渡電阻、故障初相角）的暫態波形圖，上述波形的采樣率統一為fc，一般可取為10 kHz；每個故障波形的采樣點總數均為n，一般可取為50。

步驟2，對這些實際新型電力系統故障暫態波形進行時域和頻域分析，提取第k個故障波形的26個特征參量，并獲取這些特征量的區間范圍。具體包括：時域平均值X1k、故障波形時域標準差X2k、故障波形時域偏度X3k、故障波形時域峭度X4k、故障波形時域最大值X5k、故障波形時域最小值X6k、故障波形時域峰峰值X7k、故障波形時域均方根X8k、故障波形時域振幅因數X9k、故障波形時域波形因數X10k、故障波形時域沖擊因數X11k、故障波形時域裕度因數X12k、故障波形時域能量X13k，共計13維時域特征值；頻譜結果的平均值F1k、標準差F2k、偏度F3k、峭度F4k、最大值F5k、最小值F6k、峰峰值F7k、均方根F8k、振幅因數F9k、波形因數F10k、沖擊因數F11k、裕度因數F12k、能量F13k，共計13維頻域特征值。

步驟3，對新型電力系統各設備（儲能電站、光伏電站、風電場、柔性直流輸電換流設備、常規交流輸電線路）出口處、各類型故障（單相接地、兩相短路、兩相接地短路、三相短路）、各故障條件（故障過渡電阻、故障初相角）的故障運行狀態進行編碼。具體而言，設備i在發生故障類型為j時，若故障過渡電阻為p歐姆且故障初相角為q角度時，則編碼值為：i×1000+j×100+round(p/10)+round(q/10)。

各參數取值具體為：

步驟4，如圖4所示，構建新型電力系統故障暫態波形的條件對抗生成網絡，重點包括一個條件信息c、一個生成器、一個判別器。生成器輸出的為維數為n的時間序列，判別器判斷生成器輸出的n維時間序列與步驟2中實際生成的故障暫態波形之間的相似程度，條件信息c為步驟2中26維時頻域特征值所屬區間范圍，其同時作為判別器和生成器的輸入。

圖4 故障暫態波形條件對抗生成網絡

步驟4.1，按步驟3中編碼值，從小到大分別單獨訓練形成條件生成對抗網絡。將編碼值相同下的故障波形，按步驟2中形成的26維時頻域特征值所屬區間范圍，形成26維的條件信息c。

構建適應新型電力系統故障暫態波形的條件對抗生成網絡的條件信息c，具體為步驟2中形成的26維時頻域特征值所屬區間范圍。

步驟4.2，生成器主要是對隨機生成的n個數據組成的序列進行生成，并同時附帶26維的條件信息c作為輸入，以便對生成器波形打上符合實際故障波形的特征標簽，n與步驟1中的每個故障波形的采樣點總數保持一致。生成器構建網絡采用長短記憶神經網絡（Long-short term memory neural network），便于生成前后聯系的波形數據。

步驟4.3，判別器采用常規的生成對抗網絡中的判別函數，判斷步驟4.2中生成的n維時間序列與步驟3中同一編碼值下的暫態波形的相似性，同時將條件信息c也作為判別器的輸入，進一步提高條件生成對抗網絡生成指定26維時頻域特征值區間暫態波形的訓練速度并保證良好的收斂性，避免傳統生成對抗網絡無區別的生成波形序列并被誤判為真實暫態故障波形。

步驟4.4，新型電力系統故障暫態波形的條件對抗生成網絡在訓練中，損失函數根據步驟3中的各編碼值進行微調，避免所構建的生成網絡出現模式坍塌問題。

步驟4.5，保存各編碼值下訓練好的生成器。

步驟5，根據步驟4得出的生成器，即可批量生成步驟3中各編碼值對應場景下的新型電力系統故障暫態波形。

相比傳統新型電力系統繼電保護測試驗證時構建海量的電力系統模型（不同的風力發電、光伏發電、儲能裝置、直流輸電的自身容量、控制策略及接入位置），以及設置海量的故障情況（不同的故障位置、故障過渡電阻、故障初相角）來進行測試驗證，提出的新型電力系統故障暫態波形自動生成方法，先通過26維故障波形時頻域特征值構建條件對抗生成網絡中的條件值，然后根據各故障場景微調損失函數來提高條件對抗生成網絡的訓練效率。所得到的生成器可以自動生成海量典型的新型電力系統故障波形，避免繁雜的搭建模型、更改故障參數、提取波形等過程，可大幅提高繼電保護的測試效率。

4 結束語

本文通過某實際的新能源場站集中并網區域的新能源場站、電網接線及繼電保護裝置配置情況，分析了新型繼電保護裝置示范應用的必要性，針對各新能源場站接入容量變化、外部電網變化、各逆變器控制策略不同等各類場景下繼電保護裝置適應性及動作性能存在明顯差異這一情況，提出了一種以新能源為主體的新型電力系統區域線路故障時的電壓和電流波形生成方法，為新能源場站集中并網區域繼電保護裝置測試提供了可行方案。