超导磁储能系统对继电保护方向元件特性的影响分析

邵昱 拜姝羽 胡斐然 袁超

摘 要：超导磁储能系统（SMES）是利用超导装置将电磁能直接储存起来，需要时再将电磁能返回电网或其他负载的电力装置。本文利用PSCAD仿真软件建立的SMES电磁暂态模型，分析SMES在不同安装位置、不同类型故障下方向元件的动作特性，并分别进行仿真分析验证，从而得出结论。

关键词：纵联保护；SMES；方向特性

中图分类号：TM774 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）05-0137-05

Analysis of the Influence of Superconducting Magnetic Energy

Storage System on the Characteristics of Directional Relay Protection

SHAO Chao BAI Shuyu HU Feiran YUAN Chao

（Zhengzhou Power Supply Bureau Company of State Gride Henan Electric Power Company ，Zhengzhou Hennan 450000）

Abstract： Superconducting magnetic energy storage system （SMES） is the use of superconducting devices to store electromagnetic energy directly， if necessary， the electromagnetic energy back to the grid or other load power devices. In this paper， the SMES electromagnetic transient model established by PSCAD simulation software was used to analyze the operating characteristics of SMES with different installation locations and different types of faults， and the simulation results showed that they were validated.

Keywords： pilot protection；SMES；directional characteristics

超導磁储能系统（SMES）是利用超导装置将电磁能直接储存起来，需要时再将电磁能返回电网或其他负载的电力装置。由于装置采用超导结构，储能状态下装置损耗很小，因而效率比常规装置高。此外，超导储能系统释能速度快，能实现快速的有功、无功功率补偿，对于提高电力系统稳定性、抑制低频振荡、改善供电品质都具有重要作用。同时，其还能应用于太阳能发电、风力发电等功率输出不稳定的系统，以提高其并网性能。方向判别元件是纵联方向保护的核心部件[1]。当电网中存在SMES时，会对故障期间方向判别元件的工作状态造成影响[2]。本文在PSCAD环境下搭建含有SMES的方向元件保护模型，分析SMES的不同安装位置、不同类型故障下方向元件的动作特性，并分别进行仿真分析验证，从而得出结论。

1 含SMES的正序故障分量方向元件特性分析

本文建立的220kV电压等级双端电源输电系统模型如图1所示。线路MN为所研究的保护区段。线路两侧均设有采用正序故障分量的方向元件，判断故障是否位于保护区正方向。

1.1 SMES装在线路出口

1.1.1 区内故障。当SMES装设在线路出口处，以三相短路为例，故障发生在MN线路20%处。故障发生后的系统等效网络可以表示为故障前的正常网络与故障附加网络的叠加[3]，如图2所示。其中，SMES用电流源[Ism]表示，附加电源[-Uk]，[ZL]、[ZT]、[ZM]、[ZN]分别为MN段线路阻抗、NH段线路阻抗、M侧系统阻抗、N侧系统阻抗。[ΔU1]和[ΔI1]分别为保护测量的故障分量电压、电流。

根据方向元件判据计算故障分量电压、电流相位差，对于M侧保护：

[argΔUN1ΔIN1=-argZM] （1）

式（1）中，[ZM]为M侧系统等值阻抗，不受SMES的影响，正序故障分量电压、电流的相位差为-160°～-20°，能判断为正方向故障。对于N侧保护：

[argΔUN1ΔIN1=-argZN+ZT] （2）

式（2）中，[ZT]、[ZN]均为固定值，呈阻感性，不受SMES的影响，正序故障分量电压、电流的相位差为10°～170°，能判断为正方向故障。此时，SMES对方向元件保护没有影响。

1.1.2 区外故障。当SMES装设在线路出口处，以三相短路为例，故障发生在NH线路20%处。故障发生后的系统等效网络可以表示为故障前的正常网络与故障附加网络的叠加，如图3所示。

对于N侧的保护，当系统中不含SMES时，故障后保护测量正序故障电压、电流相位差为[argZM+ZL]。含SMES时，根据图3的附加网络：

[argΔUN1ΔIN1=argZM+ZL-ZMIsmΔIN-argZMΔIMΔIN+ZL] （3）

方向元件测量值受到SMES的输出电流[Ism]的影响。同时，[Ism]可以根据SMES的不同功率调节作用而改变，相对于线路电流的变化量[ΔI]，其值较小。故[ZM+ZL+ZMIsmΔIN]呈阻感性，其相位角仍为10°～170°，保护判断为反向动作区[4]。

1.2 SMES装在线路中点

1.2.1 区内故障。当SMES装设在线路中点处，故障发生在MN线路20%处。故障发生后的系统等效网络可以表示为故障前的正常网络与故障附加网络的叠加，如图4所示。

根据方向元件判据计算故障分量电压、电流相位差，对于M侧保护：

[argΔUM1ΔIM1=-argZM] （4）

式（4）中，[ZM]为M侧系统等值阻抗，不受SMES的影响，正序故障分量电压、电流的相位差为-160°～-20°，能判断为正方向故障。对于N侧保护：

[argΔUN1ΔIN1=-argZN+ZT] （5）

式（5）中，[ZT]、[ZN]均为固定值，呈阻感性，不受SMES的影响，正序故障分量电压、电流的相位差为10°～170°，能判断為正方向故障。此时，SMES对方向元件保护没有影响。

1.2.2 区外故障。当SMES装设在线路中点处，以三相短路为例，故障发生在NH线路20%处。故障发生后的系统等效网络可以表示为故障前的正常网络与故障附加网络的叠加，如图5所示。

根据方向元件判据计算故障分量电压、电流相位差，对于M侧保护：

[argΔUM1ΔIM1=-argZM] （6）

式（6）中，[ZM]为M侧系统等值阻抗，不受SMES的影响，正序故障分量电压、电流的相位差为-160°～-20°，能判断为正方向故障。

对于N侧保护，当系统中不含SMES时，故障后保护测量正序故障电压、电流相位差为[argZM+ZL]。含SMES时，根据图5的附加网络：

[argΔUN1ΔIN1=argZM+ZL-ZM+0.52ZLIsmΔIm] （7）

方向元件的测量值受到SMES的输出电流[Ism]的影响。由于[ZL]为MN线路阻抗，远大于M侧的系统阻抗。同时，[Ism]可以根据SMES的不同功率调节作用而改变，相对于线路电流的变化量[ΔI]，其值较小。故[ZM+ZL-ZM+0.52ZLIsmΔIm]呈阻感性，其相位角仍处在10°～170°的范围内，保护判断为反向动作区[5]。

当MN线路区外发生故障时，M侧方向元件测量值不受SMES影响，判断为正向动作区，N侧方向元件测量值会发生变化，但仍处在反向动作区内，方向元件保护能正确判断为区外故障。

2 含SMES的正序故障分量方向元件仿真验证

在PSCAD环境下对图1所示系统进行仿真分析，采用不含SMES的系统与含SMES的试验系统进行对比。仿真对SMES的典型安装位置线路出口处与线路中点进行分别试验，分析故障在保护动作区内、区外及不同类型故障对保护的影响。在不同仿真条件下，可以得到正序故障分量相位差，并与方向元件动作区域进行比较，判断保护动作与否。

系统参数如下。输电线路：[LMN]=300km，[LNH]=160km，[r1]=0.035Ω/km，[x1]=0.42Ω/km。超导线圈参数为：[Ld]=7.8H，起磁电流[Idc]=4.0kA，起磁功率[Ph]=25MW。仿真时间为8s，故障发生在5s，持续0.2s。仿真输出方向元件测量计算的正序故障分量相位差的波形，当相位差为200°～340°时，保护判断故障在正向动作区，当相位差为10°～170°时，保护判断故障在反向动作区。

2.1 仿真实例

2.1.1 SMES装于线路出口，故障发生在MN线路内部。在MN线路20%处设置三相金属性短路故障，故障发生在5s，0.2s后故障消失。此时，故障位于保护动作区内。此种状态下，故障对于M侧保护为正方向，对于N侧保护亦为正方向。

图6（a）为M侧正序故障分量电压、电流相位差的波形曲线，其中曲线cha_p1和cha_p3分别为实验系统与原始系统的波形曲线。从图6（a）可知，故障发生后，方向元件测量计算的相位差值为220°～254°，处于正向动作区。未装设SMES的原始组与装设SMES的实验组波形曲线几乎重合。在故障发生时，相位差进入正向动作区，保护能正确判断，不受SMES的影响。

图6（b）为N侧正序故障分量电压、电流相位差的波形曲线，其中曲线cha_p2和cha_p4分别为实验系统与原始系统的波形曲线。从图6（b）可知，故障发生后，方向元件测量计算的相位差值为268°，处于正向动作区。未装设SMES的原始组与装设SMES的实验组波形曲线几乎重合。在故障发生时，相位差进入正向动作区，保护能正确判断，不受SMES的影响，即验证所示结论。

在SMES装于线路出口处，对线路MN内相同位置进行单相短路故障、两相短路故障仿真试验，得到的结论与三相短路故障时基本相同。

2.1.2 SMES装于线路出口，故障发生在MN线路外部。短路点在线路NH的20%处，故障发生在5s，0.2s后故障消失。此时，故障位于保护动作区外。此种状态下，故障对于M侧保护为正方向，对于N侧保护为反方向。图7（a）为M侧正序故障分量电压、电流相位差的波形曲线，其中曲线cha_p1和cha_p3分别为实验系统与原始系统的波形曲线。从图中可以看出，故障发生后，出现故障分量，方向元件测量计算的相位差值增加到212°～255°，处于正向动作区。未装设SMES的原始组与装设SMES的实验组波形曲线几乎重合。在故障发生时，方向元件测量相位差值进入正向动作区，保护能正确判断，不受SMES的影响，即验证式所示结论。

图7（b）所示为N侧正序故障分量电压、电流相位差的波形曲线，其中曲线cha_p2和cha_p4分别为实验系统与原始系统的波形曲线。从图中可以看出，故障发生后，出现故障分量。未装设SMES的原始组的波形曲线增加到22°～78°，处于反向动作区；装设SMES的实验组波形曲线增加到57°～88°，亦处于反向动作区。两组试验曲线在数值上有差别，但其波形走向一致，保护能正确判断，即验证式结论。

在SMES装于线路出口处，对MN外相同位置进行单相短路故障、两相短路故障仿真试验，得到的结论与三相短路故障时基本相同。

2.1.3 SMES装于线路中点，故障发生在MN线路内部。在MN线路20%处设置三相金属性短路故障，故障发生在5s，0.2s后故障消失。此时，故障位于保护动作区内，故障对于M侧保护为正方向，对于N侧保护亦为正方向。

图8（a）为M侧正序故障分量电压、电流相位差的波形曲线，其中曲线cha_p1和cha_p3分别为实验系统与原始系统的波形曲线。故障发生后，出现故障分量，方向元件测量计算的相位差值增加到209°～260°，处于正向动作区。从图中可以看出，未装设SMES的原始组与装设SMES的实验组波形曲线几乎重合。故障发生时，相位差进入正向动作区，保护能正确判断，不受SMES的影响，即验证式结论[6]。

图8（b）为N侧正序故障分量电压、电流相位差的波形曲线，其中曲线cha_p2和cha_p4分别为实验系统与原始系统的波形曲线。从图中可以看出，故障发生后，出现故障分量，方向元件测量计算的相位差值增加到269°，处于正向动作区。同时还可以看出，未装设SMES的原始组与装设SMES的实验组波形曲线几乎重合。在故障发生时，方向元件测量相位差进入正向动作区，保护能正确判断，不受SMES的影响，即验证式结论[7]。

在SMES装于线路中点处，对线路MN内相同位置进行单相短路故障、两相短路故障仿真试验，得到结论与三相短路故障时基本相同。

2.1.4 SMES装于线路中点，故障发生在MN线路外部。在MN线路外的近N侧设置三相金属性短路故障，短路点在线路NH的20%处，故障发生在5s，0.2s后故障消失。此时，故障位于保护动作区外。此种状态下，故障对于M侧保护为正方向，对于N侧保护为反方向。

图9（a）为M侧正序故障分量电压、电流相位差的波形曲线，其中曲线cha_p1和cha_p3分别为实验系统与原始系统的波形曲线。从图中可以看出，故障发生后，出现故障分量，方向元件测量计算的相位差值增加到254°～218°，处于正向动作区。同时还可以看出，未装设SMES的原始组与装设SMES的实验组波形曲线几乎重合。在故障发生时，方向元件测量相位差值进入正向动作区，保护能正确判断[8]，不受SMES的影响，同时验证式结论。

图9（b）为N侧正序故障分量电压、电流相位差的波形曲线，其中曲线cha_p2和cha_p4分别为实验系统与原始系统的波形曲线[9]。从图中可以看出，故障发生后，出现故障分量。未装设SMES的原始组的波形曲线增加到22°～75°，处于反向动作区；装设SMES的实验组波形曲线增加到61°～90°，亦处于反向动作区。两组试验曲线在数值上有差别，但其波形走向一致，保护能正确判断。

在SMES装于线路出口处，对MN外相同位置进行单相短路故障、两相短路故障仿真试验，得到的结论与三相短路故障时基本相同。

2.2 仿真结果

针对SMES安装的不同位置、区内或者区外故障及不同类型的短路故障分别进行试验仿真，仿真输出方向元件测量计算的正序故障分量电压、电流相位差的波形，并判断是否位于相应动作区，保护是否正确动作，仿真结果见表1。其中A-G、BC-G、ABC-G分别表示A相接地短路、BC相接地短路、三相接地短路，“O”“X”分别表示距离保护正确运行、保护误动作。

根据图6至图9及表1可知，在双端电源系统中，当SMES装设与线路的出口处时，对于区内故障，方向元件测量值不受SMES动作特性的影响，测量值波形与未装设SMES时的波形重合，保护能正确判断；对于区外故障，方向元件测量值会受到SMES动作特性的影响，测量值波形与未装设SMES时的波形存在差异，但不影响保护的正确判断。当SMES装设于线路的中点处时，对于区内故障，方向元件测量值不受SMES动作特性的影响，测量值波形与未装设SMES时的波形重合，保护能正确判断[10]；对于区外故障，方向元件测量值会受到SMES动作特性的影响，测量值波形与未装设SMES时的波形有差异，但不影响保护的正确判断。

3 结语

本文建立含SMES的双端电源输电系统仿真模型，在SMES位于线路出口、中点处分别进行讨论，研究基于工频故障分量方向元件的动作特性，并进行了仿真验证。结果表明，在不同的SMES安装位置及不同的故障位置、故障类型下，保护能正确判断故障，SMES不会影响方向元件的动作结果。

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