孟慶立

（承德昊源電力承裝集團(tuán)有限公司，河北承德 067000）

新能源發(fā)電正在進(jìn)入高速發(fā)展階段，新能源場(chǎng)站的建設(shè)速度超前電網(wǎng)建設(shè)速度，新能源場(chǎng)站的建設(shè)與電網(wǎng)接入能力的不同步發(fā)展，對(duì)新能源場(chǎng)站接入電網(wǎng)的型式形成了一定影響。受限于電網(wǎng)接入能力、變電站間隔數(shù)量及經(jīng)濟(jì)效益等方面限制，部分新能源場(chǎng)無(wú)適合接入點(diǎn)，形成了以新建新能源場(chǎng)站以T 接形式接入送電線路。新能源在電力系統(tǒng)中占比逐漸增高，同時(shí)新能源發(fā)電匯集區(qū)域氣候惡劣，因極端天氣如大風(fēng)、雷暴、強(qiáng)降水引起的線路故障高于其他線路，加上源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化的實(shí)施，阻抗模型更加復(fù)雜，對(duì)線路保護(hù)提出了更高的要求。對(duì)新建能源接入電網(wǎng)形式進(jìn)行分析，并對(duì)其中更為復(fù)雜的、T 接線路保護(hù)策略進(jìn)行研究，通過(guò)對(duì)T 接線路三側(cè)光差保護(hù)的應(yīng)用，為加速新能源發(fā)電項(xiàng)目建設(shè)，保障電網(wǎng)安全運(yùn)行，增加經(jīng)濟(jì)效益提供了有效保障。

1 我國(guó)新能源發(fā)電現(xiàn)狀及前景

我國(guó)新能源發(fā)電經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，能源轉(zhuǎn)型已由起步期向全面加速期轉(zhuǎn)變，風(fēng)電、光伏發(fā)電建設(shè)周期短，新增裝機(jī)容量逐年上升，是新能源發(fā)電的主力軍，同時(shí)風(fēng)電、光伏發(fā)電受風(fēng)力、日照等環(huán)境影響，具有很大的波動(dòng)性，需進(jìn)一步加強(qiáng)電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力。根據(jù)風(fēng)電、光伏發(fā)電出力特征，為滿足新能源能源體系發(fā)展，電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也在逐漸發(fā)生變化：一是加強(qiáng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，打通遠(yuǎn)距離輸電通道，將新能源發(fā)電輸送至負(fù)荷中心，提高消納能力；二是儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展，降低風(fēng)電、光伏發(fā)電的波動(dòng)性和隨機(jī)性，實(shí)現(xiàn)平滑輸出，并具有一定調(diào)峰能力；三是對(duì)常規(guī)火力發(fā)電進(jìn)行改造，進(jìn)一步加強(qiáng)火力發(fā)電的出力調(diào)節(jié)范圍，提高系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力。

2 新能源場(chǎng)站分布情況

在新能源發(fā)電體系中，水力發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電占據(jù)了主要地位。受我國(guó)資源分布影響，我國(guó)新能源發(fā)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(guó)九大清潔能源基地。上述能源基地風(fēng)力資源、太陽(yáng)能、水力資源豐富，地域廣闊，用電負(fù)荷密度低，電能一部分經(jīng)本地消納后，其余電量以外送通道送至其他負(fù)荷中心以滿足消納需求[1]。

3 電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

我國(guó)新能源發(fā)電發(fā)展初期，新能源場(chǎng)站容量小，發(fā)電規(guī)模占電網(wǎng)比重小，繼電保護(hù)方式簡(jiǎn)單，以距離保護(hù)或電流保護(hù)為主[2]。隨著近年來(lái)新能源場(chǎng)站規(guī)模的迅速發(fā)展，新能源發(fā)電整體規(guī)模及單座新能源場(chǎng)站容量都在增長(zhǎng)，新能源場(chǎng)站或送出線路發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)動(dòng)作時(shí)故障類型識(shí)別不準(zhǔn)確或擴(kuò)大停電范圍，不能滿足繼電保護(hù)可靠性、選擇性、靈敏性和速動(dòng)性要求，并且大規(guī)模場(chǎng)站脫網(wǎng)影響電網(wǎng)安穩(wěn)要求。原有繼電保護(hù)方式不能進(jìn)一步適應(yīng)新能源發(fā)展要求，中大型新能源場(chǎng)站送出線路逐漸轉(zhuǎn)變以全線速動(dòng)保動(dòng)為主的繼電保護(hù)方式。

網(wǎng)源不匹配，制約了新能源場(chǎng)站接入電網(wǎng)方式，針對(duì)我國(guó)已建成的新能源場(chǎng)站接入電網(wǎng)形式進(jìn)行梳理歸類，總結(jié)出具有代表性的接線方式，并對(duì)這些接線方式進(jìn)行分析，對(duì)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，提前進(jìn)行系統(tǒng)轉(zhuǎn)型，從電網(wǎng)網(wǎng)架、繼電保護(hù)配置及安全自動(dòng)裝置上做好新能源場(chǎng)站的進(jìn)一步接入工作，為充分利用風(fēng)電、光伏等新能源發(fā)電，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，建立安全可靠的能源供應(yīng)體系作好準(zhǔn)備。

我國(guó)中大規(guī)模新能源場(chǎng)站多以110 kV 及220 kV 電壓等級(jí)接入電網(wǎng)側(cè)。以220 kV 接入為例，主要接入電網(wǎng)形式以下列為主。

3.1 單輻射接入

每個(gè)新能源場(chǎng)站以專線接入電網(wǎng)。這種網(wǎng)架結(jié)構(gòu)清晰、安全性高，每條線路停電時(shí)只停一座新能源場(chǎng)站，保護(hù)易于配置，如圖1 所示。缺點(diǎn)在于每個(gè)場(chǎng)站需要一條送出線路，工程造價(jià)高，大量占用電網(wǎng)間隔及土地資源。

圖1 單輻射接入

3.2 串接接入

新能源場(chǎng)站串接后接入電網(wǎng)。如新能源場(chǎng)站2 接入新能源場(chǎng)站1 母線，與新能源場(chǎng)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(wǎng)側(cè)間隔少，缺點(diǎn)是送出線路故障時(shí)所有場(chǎng)站需同時(shí)停電。

圖2 串接接入

3.3 新能源場(chǎng)站經(jīng)匯集站接入電網(wǎng)

幾個(gè)規(guī)模較小的新能源場(chǎng)站各自經(jīng)線路接入同一匯集站，經(jīng)匯集站送出，如圖3 所示。這種接入方式綜合投資相對(duì)于較低，易于檢修維護(hù)，適用于某個(gè)范圍內(nèi)有多個(gè)光伏共同接入電網(wǎng)情況。

圖3 經(jīng)匯集站接入

3.4 T 接接入

受以下條件限制：新能源場(chǎng)站與電網(wǎng)側(cè)接入點(diǎn)距離太遠(yuǎn)，造成工程經(jīng)濟(jì)效益達(dá)不到要求；電網(wǎng)側(cè)間隔已滿且不具備擴(kuò)建條件，無(wú)法接入電網(wǎng)；路經(jīng)重要保護(hù)區(qū)、礦區(qū)等，無(wú)法取得路徑協(xié)議等，則考慮以T 接接入其他新能源場(chǎng)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(chǎng)站T 接線路，由于新能源發(fā)電不穩(wěn)定的特點(diǎn)，新能源場(chǎng)站會(huì)在電源與負(fù)荷之間相互轉(zhuǎn)換，以T接形式接入電網(wǎng)相對(duì)于單輻射接入、串接接入、經(jīng)匯集站接入，網(wǎng)絡(luò)模型更為復(fù)雜，對(duì)保護(hù)裝置可靠性、選擇性、速動(dòng)性和靈敏性提出了更高的要求。

本文以三側(cè)光差保護(hù)實(shí)現(xiàn)對(duì)T 接線路的保護(hù)，在一定程度上解決了T 接線路保護(hù)問(wèn)題及電網(wǎng)發(fā)展問(wèn)題。

4 三側(cè)光差保護(hù)原理

電力系統(tǒng)繼電保護(hù)是在一定的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)下，保證電力系統(tǒng)和設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行的必要措施，針對(duì)T 接線路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以三側(cè)光差保護(hù)裝置作為解決T 接線路保護(hù)措施的有效解決方案。三側(cè)光差以分相電流差動(dòng)和零序電流差動(dòng)作為主保護(hù)，由工頻變化量距離元件構(gòu)成快速Ⅰ段保護(hù)，由三段式相間和接地距離及多個(gè)零序方向過(guò)流構(gòu)成全套后備保護(hù)[3]。

PCS-931 型微機(jī)數(shù)字式超高壓線路成套快速保護(hù)裝置原理如下。

4.1 電流變電量啟動(dòng)元件

啟動(dòng)元件的主體以反應(yīng)相應(yīng)工頻變化量的過(guò)流繼電器實(shí)現(xiàn)，同時(shí)又配以反應(yīng)全電流的零序過(guò)流繼電器互相補(bǔ)充。

電流變化量啟動(dòng)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(dòng)門坎，隨著變化量的變化而自動(dòng)調(diào)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(dòng)元件

當(dāng)外接和自產(chǎn)零序電流均大于整定值時(shí)，零序啟動(dòng)元件動(dòng)作。

4.3 工頻變化量相差動(dòng)元件

動(dòng)作方程

式中：ΔICDΦ為工頻變化量差動(dòng)電流，當(dāng)差動(dòng)保護(hù)處于三側(cè)差動(dòng)保護(hù)方式時(shí)，ΔICDΦ=|IMΦ+INΦ+ILΦ|。ΔIRΦ為工頻變化量制動(dòng)電流，當(dāng)差動(dòng)保護(hù)處于三側(cè)差動(dòng)保護(hù)方式時(shí)，ΔIRΦ=|IMΦ|+|INΦ|+|ILΦ|。IH為“2 倍差動(dòng)動(dòng)作電流定值”（整定值）與4 倍實(shí)測(cè)電容電流的大值。實(shí)測(cè)電容電流由正常運(yùn)行時(shí)未經(jīng)補(bǔ)償?shù)牟盍鳙@得。

4.4 零序差動(dòng)繼電器

對(duì)于經(jīng)高過(guò)渡電阻接地故障，采用零序差動(dòng)繼電器具有較高的靈敏度。其動(dòng)作方程

式中：ICD0為零序差動(dòng)電流，當(dāng)差動(dòng)保護(hù)處于三側(cè)差動(dòng)保護(hù)方式時(shí)，ICD0=|IM0|+|IN0|+|IL0|。IR0為制動(dòng)電流，當(dāng)差動(dòng)保護(hù)處于三側(cè)差動(dòng)保護(hù)方式時(shí)，IR0=|IM0|+|IN0|+|IL0|。IL為“差動(dòng)動(dòng)作電流定值”（整定值）與1.25 倍實(shí)測(cè)電容電流的大值。ICDΦ為差動(dòng)電流，當(dāng)差動(dòng)保護(hù)處于三側(cè)差動(dòng)保護(hù)方式時(shí)，ICDΦ=|IMΦ|+|INΦ|+|ILΦ|。IRΦ為制動(dòng)電流，當(dāng)差動(dòng)保護(hù)處于三側(cè)差動(dòng)保護(hù)方式時(shí)，IRΦ=|IMΦ|+|INΦ|+|ILΦ|。

5 三側(cè)光差保護(hù)應(yīng)用

某地區(qū)新建220 kV 新能源場(chǎng)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(guī)劃中，故此新建220 kV 新能源場(chǎng)站以T 接形式接入一條現(xiàn)有新能源場(chǎng)站至電網(wǎng)送出線路。

為滿足運(yùn)行要求，本工程保護(hù)采用三側(cè)光差保護(hù)，根據(jù)GB/T 14285—2006《繼電保護(hù)與安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程》，220 kV 線路主保護(hù)雙重化配置，2 套主保護(hù)應(yīng)分別動(dòng)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(cè)差動(dòng)保護(hù)，新能源場(chǎng)站1、新能源場(chǎng)站2 與電網(wǎng)側(cè)2 套保護(hù)裝置規(guī)格型號(hào)保持一致。

保護(hù)安裝方式如圖5 所示。

圖5 保護(hù)裝置配置圖

保護(hù)整定以三側(cè)光差以分相電流差動(dòng)和零序電流差動(dòng)作為主保護(hù)。

當(dāng)保護(hù)區(qū)內(nèi)發(fā)生故障時(shí)，工頻變化量差動(dòng)電流變電量與短路前負(fù)荷狀態(tài)無(wú)關(guān)，只考慮故障分量，無(wú)需與上下級(jí)保護(hù)配合，因而可以快速切除被保護(hù)線路中范圍內(nèi)的故障，具有很好的選擇性、靈敏性與速動(dòng)性。當(dāng)保護(hù)區(qū)外發(fā)生故障時(shí)，裝置可靠不動(dòng)作。

保護(hù)裝置采用數(shù)字光纖通道與對(duì)側(cè)進(jìn)行通信，三側(cè)差動(dòng)方式下，其中一側(cè)為主機(jī)（M 側(cè)），作為參考端，其他兩側(cè)分別為從機(jī)1（N 側(cè)），從機(jī)2（L 側(cè)），作為同步端[5]，如圖6 所示。三側(cè)裝置以同步方式交換信息，參考端以一定的固定間隔進(jìn)行采樣并向?qū)?cè)發(fā)送信息，同步端進(jìn)行調(diào)整與參考端保持一致。滿足采樣同步條件時(shí)，參考端向同步端傳輸三相電流采樣值，進(jìn)行差動(dòng)計(jì)算。

圖6 通道連接方式

220 kV 線路架設(shè)2 條OPGW 光纖復(fù)合架空地線，保護(hù)通道采用專用光纖通道，三側(cè)差動(dòng)運(yùn)行方式下，裝置采用環(huán)形通道，以本側(cè)通道一連接對(duì)側(cè)通道二交叉連接方式。三側(cè)差動(dòng)方式下，一路通道發(fā)生異生常，裝置發(fā)生告警信號(hào)，兩路通道異常時(shí)，閉鎖差動(dòng)保護(hù)。

當(dāng)系統(tǒng)側(cè)電站或新能源場(chǎng)站因預(yù)試、檢修，其中一側(cè)停運(yùn)時(shí)，保護(hù)裝置可以退投壓板實(shí)現(xiàn)三側(cè)光差保護(hù)和兩側(cè)光差保護(hù)之間的相互轉(zhuǎn)換，兩側(cè)差動(dòng)方式時(shí)，僅一組通道軟、硬壓板全投入，且該組通道壓板對(duì)應(yīng)的兩側(cè)裝置其他通道壓板退出。兩側(cè)差動(dòng)保護(hù)運(yùn)行方式見(jiàn)表1.

表1 兩側(cè)差動(dòng)保護(hù)運(yùn)行方式

通過(guò)三側(cè)光差保護(hù)，保護(hù)裝置、通道、設(shè)備跳閘線圈雙套配置及保護(hù)功能實(shí)現(xiàn)了對(duì)新能源T 接線路的繼電保護(hù)可靠性、選擇性、靈敏性和速動(dòng)性要求，保障了電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

T 接線路不占電網(wǎng)間隔，節(jié)約線路及站內(nèi)設(shè)備投資，為滿足新能源送出，在受電網(wǎng)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(shí)期內(nèi)仍會(huì)在電網(wǎng)中應(yīng)用。三側(cè)光差保護(hù)的應(yīng)用，解決了新能源發(fā)電快速發(fā)展過(guò)程中，新建源場(chǎng)站的建設(shè)與電網(wǎng)接入能力的不同步發(fā)展帶來(lái)的T 接線路繼電保護(hù)問(wèn)題，對(duì)于大規(guī)模新能源場(chǎng)站接入電網(wǎng)從繼電保護(hù)方面提供了一定的解決思路，對(duì)于加快新能源發(fā)電的建設(shè)并網(wǎng)具有重要意義。同時(shí)，三側(cè)光差保護(hù)又具有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，當(dāng)場(chǎng)站檢修停運(yùn)或電網(wǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，三側(cè)光差保護(hù)裝置跟隨電網(wǎng)運(yùn)行方式變化調(diào)整運(yùn)行方式，可以適應(yīng)不同運(yùn)行方式下的需要，在新型電力系統(tǒng)構(gòu)建過(guò)程中發(fā)程中發(fā)揮重要作用。

6 結(jié)束語(yǔ)

新能源與電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展是我國(guó)轉(zhuǎn)變能源和電網(wǎng)發(fā)展方式的內(nèi)在要求，隨著清潔能源供給能力持續(xù)提升，在新型電力系統(tǒng)構(gòu)建過(guò)程中，結(jié)合電力設(shè)備和電力網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和運(yùn)行特點(diǎn)、故障出現(xiàn)的概率和可能造成的后果，選用有效的繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置是保障電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行不可或缺的重要因素。將三側(cè)光差應(yīng)用于T接線路保護(hù)，滿足可靠性、選擇性、靈敏性和速動(dòng)性要求，并能根據(jù)電力系統(tǒng)近期及遠(yuǎn)期發(fā)展規(guī)劃，實(shí)時(shí)調(diào)整保護(hù)策略，具有經(jīng)濟(jì)上的合理性及技術(shù)上的可靠性，是新能源高速發(fā)展道路上有力的保障。