基于序分量的新能源并网线路距离保护新方法：解决弱电网不对称故障下的保护范围难题

《CSEE Journal of Power and Energy Systems》：Sequence components-based distance protection for lines connected to inverter-based resources during asymmetrical faults

本文针对新能源（IBR）高渗透电网中，电网侧距离保护因故障电流受限及故障电阻影响导致的保护范围缩小（Underreach）和扩大（Overreach）问题，提出了一种基于序分量的新型保护算法。该算法利用逆变器侧负序网络的开路特性，仅需本地电气量测量，无需通信通道，即可在强弱电网等多种工况下精确计算故障距离。RTDS实时仿真结果表明，该方法能有效克服传统保护的局限性，为新能源并网线路提供了一种鲁棒且经济高效的保护解决方案。

　　

随着全球电力系统朝着脱碳目标加速迈进，基于逆变器的资源（IBR），如高压直流（HVDC）系统和可再生能源发电，正以前所未有的速度接入输电网络。然而，这股绿色浪潮也给电网的稳定运行带来了新的挑战。与传统同步发电机（SG）具有明确且强大的故障电流特性不同，IBR的短路行为完全由其内部控制算法决定，且受限于电力电子器件的耐热能力，其故障电流通常被限制在额定电流的1.5倍（1.5 pu）以内，远低于同步发电机。这一特性对电力系统的“守护神”——距离保护构成了严峻考验。

距离保护是保障输电线路安全、可靠运行的核心技术。在传统电网中，由于线路两端电源（主要是同步发电机）提供的故障电流相位差较小，距离保护能够较为准确地测量故障阻抗，从而判断故障位置。然而，当线路一端连接着IBR时，情况变得复杂。IBR不仅提供的故障电流幅值有限，其电流相位也可控，这导致在不对称故障（如单相接地、两相短路等）发生时，传统的阻抗测量方法会因远端电流助增（或助减）和故障电阻的联合影响而产生显著误差，表现为保护范围缩小（Underreach，即保护区内的故障无法被快速切除）或保护范围扩大（Overreach，即保护区外的故障被误判为区内故障）。在弱电网（系统短路容量低）场景下，交流系统提供的故障电流进一步减少，这一问题尤为突出，可能导致保护误动或拒动，威胁电网安全。

现有研究大多聚焦于改进IBR侧的保护，或默认电网侧为强大的交流系统，但这些假设在IBR高渗透率的新型电网中往往不再成立。电网侧距离保护的失灵，不仅会影响本地保护功能，还可能破坏旨在加速切除远端故障的整套保护方案的协调性。因此，开发一种不受电网运行条件影响、能适应IBR接入的电网侧距离保护新原理，已成为亟待解决的关键技术难题。

为此，发表在《CSEE Journal of Power and Energy Systems》上的一篇论文《Sequence Components-based Distance Protection for Lines Connected to Inverter-based Resources during Asymmetrical Faults》提出了一种创新的解决方案。该研究由Di Liu、Qiteng Hong、Adam Dysko、Campbell Booth和Xinzhou Dong合作完成，旨在为连接IBR的线路电网侧继电器解决不对称故障下的保护范围不准问题。

研究人员为开展此项研究，主要运用了以下几项关键技术方法：首先，利用实时数字仿真器（RTDS）及其配套软件RSCAD构建了精确的含IBR的输电线路模型，模拟了从强电网到弱电网（短路比SCR低至2.5）的不同系统强度。其次，设计了符合英国电网规范（如仅注入正序电流并限流1.2 pu）的IBR控制器，以模拟实际逆变器的故障响应。核心在于，基于对称分量法，针对单相接地（AG）、两相短路（BC）和两相短路接地（BCG）等典型不对称故障，分别推导出了仅利用电网侧继电器本地测量的序电压和序电流（如v_DR⁺, v_DR^-, v_DR⁰, i_G⁺, i_G^-, i_G⁰）即可精确计算故障距离m的解析公式。此外，集成了一种基于负序阻抗幅值比较的方向元件（|Z_Dir|）来区分正向和反向故障，确保保护动作的选择性。最后，通过大量仿真案例（涵盖不同故障电阻、位置、线路长度、IBR控制策略和系统工况）系统验证了所提算法的性能。

II. 电网侧继电器的保护范围问题

研究首先通过建模分析揭示了问题所在。在弱系统（SCR=2.5）下，当线路中点发生经电阻的单相接地故障时，传统距离继电器的阻抗轨迹会因IBR的接入而严重偏离理论值。例如，故障电阻为10Ω时，位于线路50%和85%处的故障可能无法被保护区正确识别（拒动），而15%处的故障也可能因测量阻抗落入动作区外而延迟切除。这证实了在IBR接入的弱电网中，传统距离保护确实存在严重的保护范围不准问题。

III. 提出的距离保护算法

为解决上述问题，论文提出了基于序分量的保护算法核心。

A. AG故障时的故障距离计算

算法巧妙利用了IBR在故障期间通常不提供负序电流（i_IBR^-≈ 0）且变压器Δ侧阻隔零序电流的特性。通过分析AG故障的序网络，建立了仅含已知参数和本地测量量的故障距离m_AG计算公式。该公式不包含故障电阻R_g，因此其精度不受故障电阻影响。

B. BC故障时的故障距离计算

对于BC故障，算法通过联立正、负序网络的电压方程，并利用两相短路时正、负序故障电流关系，导出了包含故障距离m和相间电阻R_ph的方程。通过对方程两边取虚部运算，可先求解出R_ph，再代入原方程求得精确的m_BC。

C. BCG故障时的故障距离计算

对于BCG故障，利用故障点正序电压等于负序电压的条件，直接推导出了更为简洁的m_BCG计算公式。

D. 距离继电器的方向单元

为防止反向故障误动，算法集成了一个方向判别单元。该单元通过计算测量点负序电压与负序电流的比值（|Z_Dir| = |v_DR^-/i_DR^-|）来判别方向。正向故障时，该值约等于电网侧负序源阻抗；反向故障时，由于IBR侧负序电流近乎为零，该值趋向无穷大，从而可靠闭锁保护。

E. 所提算法的设定

保护动作门槛设定为计算出的故障距离m < 120%（考虑裕量），方向阻抗定值|Z_Dir^set|则根据最弱系统条件（SCR=2.5对应的最大系统阻抗）并考虑安全系数后设定为62Ω。同时，引入了10ms的延时逻辑以躲过故障初瞬态过程，提高可靠性。

IV. 性能评估

通过RTDS进行了大量仿真测试，验证了算法在各种工况下的有效性。

A. 不同故障电阻下的性能

测试表明，即使在高达100Ω的故障电阻下，算法对AG、BC、BCG故障的距离计算误差均小于1.45%，最大动作时间不超过45.9ms，且AG故障动作速度快于BC/BCG故障。

B. 不同故障位置下的性能

在线路全长范围内（0%至100%）的测试中，算法均能准确计算故障位置，最大误差仅1.82%（AG故障），远优于传统阻抗法。

C. 不同系统故障水平下的性能

在弱电网（SCR=2.5）、边界系统（SCR=3）和强电网（SCR=5）下的测试结果表明，算法在不同系统强度下均能保持高精度（最大误差0.91%）和快速动作，验证了其对电网运行条件的强鲁棒性。

D. 不同保护线路长度下的性能

针对12.1km、50km和100km三种线路长度的测试显示，算法能有效保护不同长度的线路，计算误差最大为1.54%。在长线路且维持相同SCR的条件下，由于系统等效阻抗调整使得测量更快稳定，算法动作速度反而有所提升。

E. IBR采用不同无功电流注入策略下的性能

测试了IBR不注入无功和按特定规则注入无功两种策略。结果表明，算法性能基本不受IBR无功电流注入量的影响，计算误差均小于0.89%。

F. 电网侧含IBR的网络中的性能

在电网侧也接入IBR的更为严苛的测试场景下，算法依然能准确计算故障距离（误差<0.75%），证明了其对电网侧结构变化的适应性。

G. 存在测量误差下的性能

模拟了电压互感器（VT）和电流互感器（CT）最大允许误差（±6%和±10%）的极端情况。尽管计算精度有所下降，但算法在所有测试场景下仍能正确检测并切除故障。

H. 反向故障下的性能

对继电器背后的反向故障进行测试，结果表明方向元件能可靠识别故障方向并闭锁保护，确保了算法的安全性。

V. 结论

该论文提出了一种基于序分量的电网侧距离保护新算法，成功解决了IBR并网线路在不对称故障下的保护范围不准难题。该算法集成了新颖的故障距离估算器和可靠的方向判别单元，仅利用本地测量量，无需通信通道。大量仿真验证表明，该方法不受故障位置、故障电阻、线路长度、IBR注入策略以及电网侧运行条件（如故障水平和IBR渗透率）变化的影响，能够准确可靠地工作。相较于传统保护，该算法为新能源并网线路的保护提供了一种高效且经济的选择。

未来的研究工作将包括：考虑两相短路接地故障中相间电阻的影响以提升模型普适性；研究动态变化故障电阻的影响；以及将本算法与选相元件等其他保护功能进行协调，构建更完善的IBR电网保护方案。