基于数据模型的新能源涉网保护整定一体化管控平台

黄炳华，郭冰云，郭茂林

(福建华电电力工程有限公司，福建 福州350001)

0 引言

为避免含有大量可再生能源机组电力系统发生稳定性问题，风电机组、光伏机组等可再生能源系统需要具备相应的低电压穿越能力及动态无功自动补偿装置等，需要对相应的可再生能源机组配置多重保护，满足新能源接入系统涉网保护的具体要求，协调安全自动装置功能等。

目前针对涉网保护的整定与校核研究较少，文献[1]针对新能源场站涉网性能验证试验进行了研究；文献[2]对新能源场站涉网性能验证试验仿真进行分析。而目前针对传统机组的涉网保护主要集中在以下方面，文献[3]分析了大型核电机组涉网保护与电网安全自动装置的协调控制原则；文献[4]提出了一种核电机组接入电网的低频保护综合风险评估模型与方法；文献[5]提出了基于一体化数据的发电厂继电保护整定系统；文献[6]提出了涉网控制提高电网可靠性的具体方案；文献[7]研究了机组涉网保护与高频切机措施优化配置方案；文献[8]研究了隐极与凸极机组涉网保护配合差异性。上述针对新能源机组的涉网保护研究均没有特别针对新能源机组的模型特点进行分析。

为解决上述研究成果的不足，本文提出了基于数据模型的新能源涉网保护整定一体化管控平台。分析了新能源机组涉网保护的特点，针对涉网保护3道防线进行了分析。从机组的数据模型出发，对低电压、过电压保护、机组高频保护和低频保护整定进行了分析。开发了具有定值单录入、定值单校核、定值单审批和设备参数上传等功能的继电保护定值在线发放管理系统，分析了系统架构和功能模块。最后结合系统界面说明了系统实现以及功能应用流程。

1 新能源机组涉网保护特点分析

1.1 涉网保护定义

发电机涉网保护是电网保护和运行过程中的主要内容，发电机涉网保护在目前机组容量逐渐增大、可再生能源发电机组进入电网的背景下逐渐形成体系，越来越多的保护控制技术应用到涉网保护内容中。

涉网保护定义按照《大型发电机组涉网保护技术规范》是指在发电机组保护控制以及整定校核过程中，参数设置要与电网运行方式、电网安全自动装置相协调，从而满足大型机组与电网相互协调的作用。

随着电力系统的发展，发电厂与电网之间的相互影响以及复杂程度越来越高，电网与电厂之间的相互协调使得发电侧涉网保护的技术含量不断升高。同时，随着新兴电源类型在电网的渗透率逐渐升高，大规模新能源发电厂的并网也影响着电网的保护，因此，在新形势下，涉网保护需要尽可能从整体系统的安全稳定角度出发，实现发电与电网之间的双赢。

1.2 涉网保护3道防线分析

电网的3道防线包括低频低压减载、高周切机和失步解列等措施。涉网保护的3道防线对于避免电网大范围停电、保障电网安全稳定运行，具有十分重要的意义。尤其是在新能源并网规模逐渐扩大的情况下，涉网保护的3道防线，对于新能源电网稳定性也具有重要意义。通过对3道防线的分析和计算，可以对相应的可再生资源进行保护整定，包括加装无功补偿装置、改善电压水平以及提高故障穿越能力等，从而提升涉网保护的整体性能。

a.低频减载。

低频减载是指当电力系统发生故障后，频率降低的情况下能够迅速切除负荷，从而使电力系统频率逐渐恢复到合理范围。低频减载能够有效提升电力系统频率稳定性，需要对动作频率整定值、频率极差和各轮切负荷量等物理量进行整定计算。在新能源接入电网背景下，新能源机组切机也纳入低频减载整定计算中。

b.低压减载。

低压减载与低频减载的概念类似，是指电力系统发生电压崩溃的情况下，有效迅速地切除负荷，使得电压恢复到合理范围内。低压减载需要设定相应的启动电压阈值，整定值主要包括切负荷量、切负荷延时及动作轮次等关键参数。在可再生能源机组接入的背景下，需要提升这类可再生能源低电压穿越的性能，能够在电压发生跌落时，保证不脱离电网运行，因此在新能源机组运行整定方面，电压稳定性是关注的重点方面。

c.振荡解列。

振荡解列是指当电力系统失步发生后，能够选择合适的解列点将系统分解为若干子系统，从而消除频率不等2部分的振荡，避免事故波及全网络。振荡解列是目前国内外电网中较为先进的技术之一，需要根据阻抗轨迹、补偿原理和ucosφ轨迹进行判断。振荡解列主要得益于PMU等现代通信技术。

2 新能源机组涉网保护整定与校核

2.1 机组数据模型

新能源机组的数据模型主要包括相应机组的物理数据、电气数据、机械数据以及保护配置模型等。由于新能源机组接入电力系统后与电力系统形成耦合拓扑关系，受到电力系统正序、零序网络参数的影响，因此，需要对新能源机组接入电网后的参数和模型进一步修正。在二次模型控制方面，需要结合继电保护参数、安全自动控制装置要求、计算机监控以及辅助通信参数等进行调整。机组的数据模型与电力系统的运行方式和调度特性均密切相关。

在涉网数据的模型维护方面，需要定期更新可再生能源机组的运行状况数据以及模型参数调整情况，由于涉网保护的整定校核与数据模型的完整度以及可信度密切相关，因此从数据底层维护方面需要保持与系统的实时更新。

2.2 低电压、过电压保护整定

新能源机组在电力系统发生电压跌落时，如果不加以限制会脱离电网运行，造成电网局部系统有功缺额、频率降低，尤其是造成潮流转移，不利于系统的整体稳定性。低电压穿越能力是有效避免这一现象的措施，能够在并网点电压点下降时，不脱离电网运行，直到电力系统电压稳定性恢复正常。我国规定的风电机组和光伏机组低电压穿越要求如图1所示。

图1 风电低压电穿越要求

风电机组以及光伏机组都应具有低电压穿越能力，并配置低电压保护以及过电压保护。当电网低于或高于阈值时，以一定的时间延时跳开机组。当电网电压低于0.900且持续时间(周期)超过2 s时，则低电压保护动作。某地区风电机组和光伏机组的保护整定方案如表1和表2所示。

表1 低电压保护整定方案

表2 过电压保护整定方案

2.3 机组SVG配置

静止无功发生器是一种动态无功补偿装置，通过电力电子器件进行无功补偿，能够有效改变电压的相位和幅值提供可调节无功。目前在可再生能源发电机组中，无功设备主要是SVG，装设升压站的低压侧。补偿容量需要按照机组的发电出力进行相应配置。动态无功补偿装置能够有效提供电压支撑，从而提升风电机组、光伏机组的低电压以及故障穿越能力。机组SVG配置如图2所示。

图2 机组SVG配置

图2中，X为SVG与母线之间的联系电抗；T为大功率电力电子器件模块；C为滤波电容。

2.4 低频、高频保护整定

为满足电网对可再生能源机组并网的频率要求，可再生能源机组还需配置相应的高频保护、低频保护。当频率发生变化时，能够有效保护机组，当频率降低至一定幅度时，则触发低频减载装置动作。而当频率升高时，需要高频保护装置动作，切除相应机组，同时在高频保护和低频保护的配置中，需要设定相应的保护动作延时。

在可再生能源机组进行涉网保护配置时，需要校核新能源机组的保护定值与传统水火电机组保护定值的关系，如发生配合问题则有可能保护失效。

3 基于数据模型的涉网保护一体化管控平台

3.1 系统架构

基于数据模型的涉网保护一体化管控平台的架构如图3所示，主要包括定值在线流转、设备参数上传、身份认证和通信协议等模块。其中定值流转模块能够实现定值的计算、校核以及流转；设备参数模块实现对可再生能源机组的设备参数上传，通过录入校核存入数据库，为涉网保护整定计算提供相应数据；身份认证模块能够有效管理整定计算用户身份角色和权限，实现用户认证；通信协议模块能够提升整定计算结果的系统流转以及信息安全性能。

图3 系统架构

3.2 定值在线流转与设备参数表上传模块设计

定值在线流转的流程如图4所示，通过管理人员、定值录入人员、校核人员以及审批人员等环节进行数据的分发和流转，通过定值单生成、审核、批准和使用等环节，实现含有分布式能源机组的涉网保护整定流程。通过对定值单所含内容的状态加以区分，实现不同状态阶段的定值流程管理，从而记录用户的活动日志。设备参数上传主要依靠PMU、 SCADA等装置的采集数据，通过网络节点潮流变化量、机组性能数据等实现保护定值的计算。

图4 定值上传

由于保护整定值与系统的运行方式具有密切联系，因此，在数据采集上传时需要针对当前状态下电网运行方式加以区分和说明，尤其是在含有可再生能源机组的电网保护计算时需要调整相应地数据结构，以满足上传后电力系统分析计算的要求。

3.3 身份认证与访问控制模块

目前，常用的访问控制策略主要包括自主访问控制、强制访问控制、基于角色的访问控制、基于对象的访问控制及基于任务的访问控制等。针对继电保护定值的校核与认证需要采用动态访问控制，需要首先生成定值单，校核、审核及审批人员相继进行流程操作，而校审人员之间的权限不能够相互跨越，最终保证定值整定校核顺利完成。具体需要的数据包括继电保护定值单、设备参数表和用户信息表等。

3.4 SSL/TLS协议通信模块设计

为实现整定校核数据在传输过程中不被盗取，维护数据的完整性，采用SSL/TLS通信协议进行数据传输，SSL/TLS协议栈分为子协议和记录协议，子协议包括握手协议、修改密码规范协议和警报协议。本文采用的握手协议部分主要完成通信双方的互相认证、协商加密算法和密钥分发与交换任务，以下对握手协议实现过程进行分析，可分为如图5所示的4个阶段。

图5 通信策略

4 系统实现及应用流程

4.1 系统实现

利用C#语言和SQL数据库，基于C/S结构，结合新能源涉网保护整定校核的功能模块，设计如图6所示的系统界面。本文利用.NET开发工具中ADO.NET技术实现数据库访问功能。该系统支持将服务器上的数据库文件和日志文件打包备份到用户本地上。通过利用数据库cmdshell功能向数据库所在的服务器发送DOS命令直接操作服务器进行实现。

图6 系统界面

4.2 定值校核流程

涉网保护的自动校核流程如图7所示。首先需要电网的运行数据、可再生能源机组的开机方式以及线路的投运特点，获取电网的运行参数，建立数据模型。通过读取涉网保护整定值的信息，建立相应的机组涉网保护整定模型。

数据模型建立完成后，逐一对各机组进行保护整定值比较，判断保护限值与安全自动装置的配合关系是否满足要求。完成校核后，生成故障集，选取其中典型故障进行仿真，确定电网与电厂之间有无振荡或失稳、电压和功率是否越限等。校核结束后，形成校核记录。

图7 一体化平台运行流程

4.3 应用仿真及分析

以某地区电网为例进行分析，常规电源装机容量600 MW，风电装机740 MW，最大出力400 MW，该地负荷水平为300 MW左右。

根据本文提出的一体化整定管控平台，对主要保护进行分析。考虑高频保护动作、切除故障，系统频率变化曲线如图8所示。

图8 频率变化曲线

由图8可以看出，在风电外送电力出现问题后，系统高频保护开始动作，此时频率波动范围较大，随着系统对参数的调整，系统恢复稳定，频率波动逐渐减小。其中，风电机组和传统机组的定值匹配流程按照本文设计的方案进行流转，最终实现系统恢复稳定运行。

5 结束语

本文主要针对新能源涉网保护整定一体化流程进行了分析，所提出的一体化管控平台能够有效解决新能源机组数据模型录入问题，能够根据模型数据进行低电压保护、过电压保护、高频保护整定和校核。系统能够实现对定值在线流转以及身份认证和访问控制；所设计的通信协议，能够有效提升数据交互的可靠性。