一种适用于基于逆变器的能源系统的交流线路的新型定向元件 钱坤、 文铭浩、 薛晓婷、 孙志昌

《Sensors》：A Novel Directional Element for AC Lines in Systems with Inverter-Based Resources Kun Qian, Minghao Wen, Xiaoting Xue and Zichang Sun

　　摘要 基于逆变器的资源（IBR）的故障响应受到其控制策略的强烈影响，这些策略在非接地故障期间可能会显著改变线路上继电器可用的方向信息。因此，根据传统电力系统的故障特性设计的传统方向元件在IBR连接的系统中可能表现出较差的适应性。特别是，零序方向元件不能用于非接地故障，而基于负序的方案可能会受到IBR故障控制行为的不利影响。为了解决这个问题，本文提出了一种用于IBR系统中交流线路非接地故障的方向元件。首先，在典型故障条件下分析了继电器位置的正序测量阻抗，并阐明了可用方向信息对IBR故障电流相位特性的依赖性。然后，引入了一种控制-保护协调方法来调节故障期间的IBR故障电流相位，以便在两个线路端点建立稳定且一致的正序方向特征。在此基础上，制定了一个统一的方向标准。最后，进行了PSCAD/EMTDC仿真以验证所提出的方法，并进行了动态模型实验以验证其工程可行性。结果表明，所提出的元件能够在三相故障和相间故障条件下正确识别故障方向。考虑测量噪声和反侧电网强度变化的额外测试进一步证明了所提出标准的稳健性。与传统方向元件相比，所提出的方法提高了IBR连接交流线路中非接地故障方向识别的适应性。 1. 引言随着基于逆变器的资源集成程度的增加，电力系统的故障行为与以同步发电机为主的传统电力系统有了显著不同[1]。由于控制策略、电流限制机制和弱输入特性的影响，IBR在故障期间的电压-电流相位关系、序列分量特性和等效输出行为与传统电源有显著差异。因此，基于传统故障特性建立的交流输电线路保护原则面临着新的适应性挑战[2,3,4]。方向元件通过识别故障方向并确保选择性，在交流线路保护中起着重要作用。它们在IBR系统中的适应性受到了越来越多的关注[5,6]。因此，已经付出了大量努力来研究IBR系统中方向保护的性能[7,8,9,10,11,12]。正序量能够在广泛的故障条件下捕捉主要的电气特性，因此早期就引起了研究兴趣。参考文献[7,8]表明，在集成IBR后，继电器位置的正序电压和电流之间的相位关系可能与以同步发电机为主的传统系统有很大不同。这种差异主要是由于受控的故障电流注入、等效阻抗特性的变化和弱输入效应造成的。结果，基于正序量或正序故障分量的方向元件的灵敏度可能会降低，在严重情况下，可能会导致操作失败。在严重的近区故障和低压条件下，这种恶化变得更加明显。负序量非常适合描述相位故障。因此，传统的负序方向元件已被广泛用于相位故障方向的识别。参考文献[9,10]报告称，IBR通常采用负序电流抑制控制。因此，传统负序方向保护的适应性降低，可能导致误操作和操作失败。零序方向保护因其高可靠性而被广泛用于高压线路的接地故障保护。参考文献[11,12]表明，在IBR系统中，现有零序方向保护的性能基本不受影响。然而，它不适用于非接地故障。总之，现有的方向元件在IBR系统中仍然存在明显的适应性限制。零序方向元件不能用于相位故障识别，负序方向元件受到控制策略的不利影响，正序方向元件可能会遇到误操作、操作失败和电压死区问题。因此，IBR系统中非接地故障的故障方向识别仍然是一个紧迫的问题。近年来，IBR系统中方向保护的适应性受到了越来越多的关注。为了解决这个问题，一些研究利用了IBR系统的故障特性来改进方向元件。在[13]中，基于正序电压和线路电流之间的相位关系，为连接光伏电站的线路开发了一种方向标准。在[9]中，分析了在包含逆变器的可再生能源系统中传统负序方向元件误操作的机制，并提出了一种自适应改进方法。总体而言，这些研究通过利用IBR与对侧交流系统之间的故障差异来改进现有方向元件的性能或开发新原理。然而，这些方法通常需要根据继电器后面的电源特性，在两个线路端点使用不同的标准或设置。因此，当网络拓扑或IBR集成模式发生变化时，它们的适用性可能会降低，在某些情况下，可能不再能保证正确操作。故障特性是继电保护方案设计的基础。在IBR系统中，越来越多的人关注控制和保护协调的理念，其中首先分析保护的要求，然后修改IBR的控制策略，以积极塑造有利于保护操作的故障特性[14,15]。基于这一理念，本文提出了一种用于IBR系统中的非接地故障的方向保护方法，同时考虑了IBR设备的安全操作限制。首先，对于非接地故障场景，分析了两个线路端点继电器位置的正序故障量与IBR的短路电流特性之间的关系，并阐明了IBR控制对继电器处可用方向信息的影响。在此基础上，根据方向保护的要求改进了IBR的控制策略，以便积极调节故障响应，在两个线路端点建立一致的正序方向特征。然后，制定了统一的方向标准和相应的设置方法，允许在两个线路端点使用相同的标准和设置。最后，进行了PSCAD/EMTDC仿真以验证所提出的方法，并进行了动态模型实验以验证其工程可行性。结果表明，所提出的方法可以有效提高IBR系统中非接地故障方向识别的可靠性和实际适用性。受上述分析的启发，所提出方法的主要优点和新颖性总结如下：(1)引入了正序测量阻抗的概念，用于描述继电器侧电压-电流相位关系。它提供了一个简单明了的分析变量，用于描述正序量的方向特性。(2)提出了一种改进的IBR控制策略，以积极塑造正序测量阻抗特性。所提出的方法不是被动依赖IBR的自然故障响应，而是利用IBR的快速可控性来调节正序电流相位。因此，在非接地故障下，两个线路端点处的测量阻抗特性变得一致，而在正向和反向故障下的特性仍然可以清晰区分。(3)所提出的方向保护原理简单，具有良好的工程适用性。可以在两个线路端点使用相同的角度标准和设置，而无需根据IBR集成位置或每个继电器后面的电源特性来修改标准。这减少了对端点特定设置的依赖性，并提高了IBR连接交流线路中非接地故障方向识别的适应性。本文的其余部分组织如下。第2节分析了继电器位置的正序电压和电流之间的相位关系。第3节介绍了基于控制和保护协调的方向保护方法。第4节通过仿真和动态模型实验验证了所提出的方法。第5节总结了本文。2. 正序电压和电流的特性分析对于IBR系统中的非接地故障，由于IBR通常采用负序抑制控制，传统的负序方向保护可能无法可靠地操作。由于正序量能够在非接地故障下捕捉系统的主要电气特性，因此需要进一步研究继电器位置的正序电压和电流特性以及它们对IBR控制策略的依赖性。以下分析基于图1所示的典型IBR系统进行。对于相间故障，IBR通常采用负序抑制控制，相应的负序网络可以近似视为开路。图1. 带有IBR的系统的简化图。 2.1. 三相故障在交流线路的三相短路故障下，系统中只包含正序分量。因此，有必要分析在这种条件下的继电器位置的正序电压和电流之间的相位关系，以便为方向元件的开发提供基础。对于非近区故障，继电器位置的正序电压通常保持在一个特定水平，可以直接用于相位分析。相比之下，当故障靠近继电器位置时，测量的正序电压会显著下降，在极端情况下可能接近零。在这种条件下，其相位信息不再能够可靠地识别，从而导致电压死区问题。由于记忆量可以在故障发生后保留故障前的相位特性，它们已在工程实践中广泛用于低压相关元件。在此基础上，对于近区三相故障，有必要进一步研究基于继电器位置记忆的正序电压与故障电流之间的相位关系来构建方向标准的可行性，从而为解决近区低压条件下的方向元件电压死区问题提供基础。对于图1中所示的线路的三相故障，相应的序列网络如图2所示。图2. 三相故障下带有IBR的电网等效电路。对于非近区故障，序列网络分析表明，继电器位置M和N的正序电压和电流之间的相位关系可以表示如下。为了建立一个统一的分析基础，本文引入了正序测量阻抗，定义为继电器位置的正序电压与正序电流之比。 (1) (2) 其中下标1和2分别表示正序和负序分量。在(1)和(2)中，，，，和分别表示两侧继电器位置的电压和电流，而和表示从两侧继电器位置到故障点的等效线路阻抗。为了建立一个统一的分析基础，本文引入了正序测量阻抗，定义为继电器位置的正序电压与正序电流之比。在三相故障下，继电器位置的正序电压和电流之间的相位差由故障点与继电器位置之间的等效阻抗的阻角度决定。特别是，当继电器位置附近发生实心三相短路时，端电压可能降至接近零，使得难以准确测量正序电压。记忆电压已在低压相关保护元件中广泛使用，以保持可靠的运行性能。因此，可以使用记忆电压与继电器位置电流之间的相位关系来解决电压死区问题。对于交流线路上的近区三相故障，继电器位置测量的正序电压可能过低，无法提供可靠的位置参考。因此，使用记忆的正序电压来构建正序测量阻抗。在这种情况下，继电器位置的正序测量阻角的相位角，即两个线路端点的正序测量阻抗可以表示为： (3) (4) 其中下标m表示记忆量。ZNS1是交流电网的正序等效内部阻抗。ZMS1表示IBR的正序等效内部阻抗。表示等效交流电压。表示IBR提供的电流。IIBRs(0)表示故障发生前IBR提供的电流。正序测量阻抗由...提供。从(3)和(4)到(5)和(6)的近似是基于转换器接口资源的弱注入故障特性。由于IBR故障电流受到电流限制和故障穿越控制的约束，它通常接近额定电流。对于转换器接口的风力发电厂，故障前的电流还取决于风力发电输出，可能低于额定值。因此，与IBR侧故障和故障前电流相关的电压降项与主导的交流系统电源和电网阻抗项相比相对较小。这种近似并不假设IBR电流为零，而是提取了用于定向区分所需的主导相位关系。因此，相位关系可以近似表示为：(5) (6) 定义...之间的相位差为...。根据(1)、(2)、(5)和(6)，当...等于系统阻抗角时，继电器位置的正序电压和电流之间的相位差等于正向三相故障下的阻抗角。2.2. 相间故障以图1中所示的典型系统为例，考虑了受保护线路上的相间故障，相应的复合序列网络如图3所示。图3. 有IBR的电网在相间故障下的等效电路。因此，继电器位置M和N处的正序电压和电流之间的相位关系可以表示为：(7) (8) 由于IBR的弱注入故障特性，(8)右侧分子和分母中的第一项占主导地位。因此，(8)可以近似为：(9) 对于(7)，右侧的表达式由两项组成。第一项对应的角度是系统阻抗角，而第二项对应的角度是...。因此，正序电压和电流之间的相位差位于这两个角度之间。结合(9)的分析可以看出，当...等于系统阻抗角时，两线路端处的正序电压和电流之间的相位差等于正向故障下的阻抗角。上述分析表明，在有IBR的系统中，交流线路上的相间故障时，继电器位置处正序电压和电流之间的相位关系取决于等效系统电源与IBR注入电流之间的相位差。当这个相位差等于系统阻抗角时，正向故障下继电器位置处的正序电压和电流之间的相位差是一个常数。类似地，对于反向故障，相应的角度等于负系统阻抗角。因此，可以从继电器位置处的正序电压和电流之间的相位差建立一个统一的定向标准，用于故障方向识别。3. 提出的定向元件上述分析表明，当IBR注入的短路电流相对于等效交流系统电源的相位滞后等于系统阻抗角时，继电器位置处的正序电压和电流之间的相位差表现出明显的方向特性，因此可以用于故障方向识别。在实际的交流传输系统中，架空线路的阻抗角通常在70°~85°之间，当等效阻抗高度感性时可能接近90°。因此，90°被采用作为理论分析和IBR故障电流相位控制的简化参考角度。这种设置简化了IBR的控制策略，避免了根据每条线路的确切阻抗角调整控制目标。同时，等效交流系统电源的相位角不能直接从继电器位置处的电气量获得，而在正常运行条件下，继电器位置M处的电压相位角接近于等效电源的相位角[6]。因此，IBR的控制策略被修改为主动调节故障电流相位角，基于此开发了一种定向保护方法。3.1. 基于控制和保护协调的控制策略当连接点电压降至规定的阈值以下时，相位锁定环（PLL）根据现有的故障穿越策略，从实时电压切换到记忆的故障前电压相位，以保持相位跟踪能力。在此基础上，本文采用记忆电压技术在故障期间重建参考电压，使得IBR的PLL参考框架与终端处记忆的正序电压矢量对齐，并控制IBR注入一个滞后于参考点电压90°的正序电流。同时，由于电力电子设备的短路过流能力有限，必须在故障期间协调电流限制策略，以确保转换器的安全运行。图4展示了所提出的控制方案中用于调节IBR故障电流相位的相位保持策略。当故障导致PCC电压降至预定义的阈值以下时，PLL角度不再由 distortioned low-voltage signal 更新。相反，保留故障前的正序电压相位作为参考相位，确保IBR的故障电流相位在故障期间保持一致。这种相位保持策略允许定向保护保持稳定且可区分的电压-电流相位关系，这对于准确的故障方向识别至关重要。图4. IBR故障电流相位的相位保持策略。IBR的故障控制策略应同时满足交流侧过流约束和直流侧安全约束。由于电力电子设备的短期过流能力有限，IBR通常在故障期间只能提供1.2~2.0 p.u.的额定电流。因此，其输出电流需要通过电流限制环控制在允许范围内。同时，控制策略还必须考虑转换器的调制裕度和直流链路的安全运行，以避免因参考电压过高或调制指数接近其极限而引起的过调制，同时保持足够的安全裕度以稳定运行。因此，IBR的故障控制应综合考虑电流限制、调制指数约束和直流侧安全要求，以实现预期的控制目标，而不影响设备的安全。在这些约束下，电流限制...和...如下确定：(10) (11) 其中V1和V2表示参考电压的正序和负序分量。是过流系数，是额定电流，是最大调制指数。ω是从PLL获得的角频率，Udc表示直流电压，L表示滤波电路的等效阻抗。ugd1和ugq1分别是参考坐标系中的d轴和q轴正序参考电压。表示V1和V2之间的夹角。通过结合(10)和(11)，受电流限制约束的电流参考...可以表示为：(12) 3.2. 基于控制和保护协调的定向元件根据上述分析，当系统阻抗角为90°时，可以从正序电压-电流相位关系推断出故障方向。在实际的交流传输系统中，架空线路的阻抗角通常在70°~85°之间，当等效阻抗高度感性时可能接近90°。因此，90°被采用作为理论分析和IBR故障电流相位控制的简化参考角度。这种设置简化了IBR的控制策略，避免了根据每条线路的确切阻抗角调整控制目标。考虑到实际线路和变压器阻抗角的偏差，定向保护标准定义如下：(13) 其中表示继电器位置的正序电压，表示从母线到线路的正序电流。当测量电压降至额定电压的30%以下时，用继电器位置记忆的电压替换。表示保护的灵敏度角。系统阻抗角主要由输电线路和变压器决定，通常在70°到90°之间。考虑到过渡电阻的影响，灵敏度角设置为80°。在实际实施中，所提出的标准使用继电器位置测量的三相电压和电流作为输入。首先由继电器相位计算模块提取基波频率相位，然后使用传统的对称分量变换得到正序电压和电流。电流方向定义为从母线到被保护线路为正。当测量的正序电压高于预设的电压阈值时，使用实时...在(13)中。当测量电压低于阈值时，用继电器位置记忆的正序电压替换，以避免接近故障时的电压死区问题。在确定...和...之后，计算(13)中的相位关系。如果补偿后的相位角在操作范围内，则故障被识别为正向；否则，被识别为反向故障。在完整逻辑中，首先检查零序电流。如果存在零序电流，则使用零序定向元件。如果没有检测到零序电流，则对非接地故障应用所提出的正序标准。这样，相同的计算过程和设置在两个线路端都可以使用。根据继电器位置是否存在零序电流，所提出的标准与零序定向保护协调，以识别故障方向。当继电器位置存在零序电流时，使用零序定向元件进行故障方向识别。当没有检测到零序电流时，在两个线路端应用相同的定向标准。以一个端点的保护为例，所提出的定向保护方案的决策逻辑如图5所示。图5. 所提出的定向保护方案对地故障和非接地故障的决策逻辑。4. 性能评估 4.1. 仿真分析开发了一个PSCAD/EMTDC仿真模型，用于验证所提出的定向保护方法。系统参数列在表1中。该仿真模型基于中国实际220 kV区域电网的参数建立。如图6所示，M1和M2表示线路保护位置。定义了用于测试的故障点F1~F5：F1和F5分别对应于相对于相应保护位置的反向出口故障，F2和F4对应于正向出口故障，F3位于线路的中点。零序定向保护的性能已经得到验证[12]。在F1~F5处模拟了三相和相间故障，验证结果总结在表2和表3中。表1. 仿真系统的参数。图6. 有IBR的电网图。表2. 相间故障下的PSCAD/EMTDC仿真验证结果。表3. 三相故障下的PSCAD/EMTDC仿真验证结果。仿真结果确认，所提出的方法可以可靠地确定逆变器集成交流系统中的故障方向，不受故障位置或类型的影响。为了进一步评估所提出标准的鲁棒性和适应性，分析了白噪声、电网强度和线路X/R比的影响。以M1处的定向元件作为研究对象，选择F3处的故障作为代表案例。为了评估测量噪声对所提出标准的影响，在测量的电压和电流信号上叠加了白噪声。在提取相位之前，采用了截止频率为300 Hz的低通滤波器，并使用20 ms的数据窗口计算基波频率相位。然后计算相位差，并与所提出标准的操作区域进行比较。结果显示在表4中。表4. 白噪声对所提出定向标准的影响。如表4所示，在测量信号中加入白噪声后，计算出的正序电压-电流相位差略有变化。然而，相位差仍然在正向故障的操作范围内，而在反向故障的操作范围之外。因此，在测试的噪声条件下，保护决策保持不变。这表明，采用低通滤波和20毫秒的相位计算窗口后，所提出的判据对测量噪声具有可接受的鲁棒性。为了进一步研究电网强度变化的影响，通过调整等效源阻抗来改变对侧交流系统的强度。仍然以M1处的保护作为研究对象，并选择F2处的故障作为代表性的正向故障。不同等效源阻抗缩放因子下的相应保护决策如表5所示。表5显示，当对侧电网强度在测试范围内变化时，所提出的判据仍能正确识别故障方向。这是因为所提出的方向元件主要基于正序电压-电流相位关系，而不是故障电流的绝对大小。此外，判据的角度操作区域为系统强度的实际变化提供了一定的余量。因此，对侧电网强度的适度变化不会改变所提方法的基本方向决策。

为了进一步研究线路阻抗特性的影响，考虑了不同的线路X/R比率。X/R比率的变化会改变等效阻抗角度，从而影响所提判据使用的正序测量阻抗角度。选择M1处的保护和F2处的故障作为代表性案例，相应的结果如表6所示。表6显示，在测试的X/R比率条件下，所提出的判据仍然有效。当X/R比率降低时，等效阻抗角度变小，计算出的正序电压-电流相位差也随之变化。然而，由于所提判据的操作区域涵盖了交流传输线的实际阻抗角度范围，因此在测试案例中方向决策不受影响。如果线路阻抗角度显著偏离正常传输线范围内，应根据实际线路参数重新检查灵敏度角度。

4.2 实验验证
为了进一步评估所提方法的工程可行性，基于图7所示的PSCAD/EMTDC方案构建了一个动态模型测试系统，并在图8中展示了相应的实验平台。测试系统模拟了连接到75兆瓦逆变式静止无刷器（IBR）的110千伏交流线路上的故障条件。故障点P1–P5的布置方式与仿真研究中的F1–F5相同，以便直接比较仿真和实验结果。图7为测试电力系统的示意图，图8为动态仿真实验平台的示意图。为了评估所提出的方法，在P1~P5处模拟了三相和相间短路故障，操作结果分别总结在表7和表8中。动态仿真结果证实，所提出的方法能够可靠地确定逆变器集成交流系统中的故障方向，不受故障位置或类型的影响。图9和图10分别展示了P2处发生三相故障和相间故障时的动态仿真测试结果及相应的保护决策结果。可以看出，所提方法在两种故障条件下都能准确识别故障位置。此外，在近区故障期间没有观察到电压死区，进一步验证了所提判据的有效性。

5. 结论
本文提出了一种适用于连接IBR的交流线路非接地故障的控制-保护协调方向元件。该方法基于继电器位置处的正序电压-电流相位关系开发。通过调节IBR的正序故障电流相位，主动塑造了方向保护所需的故障特性，从而建立了稳定且可区分的方向特征。在此基础上，制定了一个统一的角度判据，可以应用于线路的两端。PSCAD/EMTDC仿真验证和动态模型实验验证证明了所提方法的有效性。对于在五个故障位置和两个继电器位置发生的相间和三相故障，所提判据在仿真和实验案例中均实现了正确的方向识别，没有观察到误操作或无法操作的情况。考虑测量噪声和对侧电网强度变化的额外测试表明，在测试的干扰下，保护决策保持不变。与传统正序方向元件相比，所提方法通过控制-保护协调主动塑造正序电压-电流相位关系，提高了非接地故障方向识别的适应性。

所提方法也存在一些局限性。它主要针对跟随电网的IBR连接的交流线路场景开发，并依赖于IBR故障电流相位控制功能的可用性。其对于两侧都由电力电子器件主导的系统（如海上风电传输系统）的适用性尚未全面研究。此外，当风电场包含其他类型的发电机（如双馈感应发电机）时，需要进一步分析相应的故障电流特性及其对所提判据的适应性。