Алгоритмы релейной защиты для объектов с возобновляемыми источниками энергии

На сегодняшний день значительная часть возобновляемых источников электроэнергии (ВИЭ), например, ветряные и солнечные электростанции, интегрируются в энергосистему посредством инверторных преобразователей. Генерирующие установки с инверторными преобразователями по своим свойствам близки к источнику тока, что отличает их от источников электроэнергии с электродвижущей силой, имеющих относительно малое внутреннее сопротивление.

В докладе на основе данных, полученных с действующих энергообъектов, приведён анализ возможности применения классических защит с абсолютной и относительной селективностью на линии электропередачи (ЛЭП), отходящей от подстанции с генерирующей установкой, подключённой к сети через инверторный преобразователь.

При наличии высокочастотного (ВЧ) канала передачи информации для подстанций с ВИЭ рекомендован гибридный алгоритм защиты, который для обеспечения селективности определяет направление протекания аварийной мощности при повреждениях на самой линии или за её пределами и за шинами подстанции с подключёнными ВИЭ.

Авторы:

• Ефремов В. А., ООО «Релематика»;
• Ефремов А. В., ООО «Релематика»;
• Петрушков М. Ю., ООО «Релематика»;
• Смирнов С. Ю., АО «ВНИИР».

Введение

Международное агентство по возобновляемым источникам энергии IRENA приводит данные, по которым к концу 2024 г. на долю возобновляемых источников энергии приходилось 46,2% мировой установленной мощности. За 2024 г. введено 581,9 ГВт, из которых 452,8 ГВт пришлось на солнечные электростанции (СЭС) и 114,3 ГВт — на ветряные электростанции (ВЭС) [1]. Также в России наблюдается заметный рост выработки электроэнергии на ВЭС и СЭС [2].

Современные типы ветряных (ВЭС) и солнечных электростанций (СЭС) подключаются к сети переменного тока через полупроводниковые инверторные преобразователи. Характерной особенностью инверторных преобразователей является незначительное изменение величины тока на его выходе в аварийных режимах при изменении внешнего сопротивления в широком диапазоне. Внутреннее сопротивление инверторного преобразователя значительно превосходит сопротивление внешней сети, то есть для внешней сети инверторные преобразователи являются источниками тока. Наличие инверторного преобразователя в схеме подключения ВЭС или СЭС к сети обуславливает отличие режимных значений токов подпитки короткого замыкания (КЗ) и системных параметров энергосистем, которые имеют нелинейные характеристики и многократно большие сопротивления источников по сравнению с традиционными сетями [3].

Интеграция ВЭС и СЭС с использованием инверторных преобразователей в значительной степени изменяет условия функционирования релейной защиты линий, отходящих от подстанций с нетрадиционными источниками электроэнергии [4]. Применение существующих функций РЗА на линиях с ВЭС или СЭС может приводить не только к снижению чувствительности, но и к полному отказу в срабатывании устройств релейной защиты [5−8]. Активное внедрение ВЭС и СЭС в энергосистему России стало причиной поиска новых решений в области релейной защиты таких энергообъектов.

В данной статье приводится подробное описание принципов функционирования гибридного алгоритма для устройств релейной защиты линии электропередачи, отходящей от инверторных источников генерации. Алгоритм данных устройств предполагает использование высокочастотных приемопередатчиков для обмена разрешающими и блокирующими сигналами между полукомплектами защиты.

Информационные параметры для устройств релейной защиты линий, отходящих от инверторных источников генерации

Современная классическая РЗА во многом построена на реагировании на величины токов, напряжений и их симметричные составляющие. На базе аварийных составляющих, которые формируются по величинам токов и напряжений текущего и предшествующего режимов, могут быть построены устройства РЗА с адаптивными алгоритмами [9].

На рисунке 1, а приведена структурная схема энергообъекта с подключённым к нему ВИЭ, а её расчётная однолинейная модель — на рисунке 1, б.

С точки зрения имитационного моделирования, любая генерация, подключаемая к сети через инверторный преобразователь, представляет собой источник тока, зависимый от внешнего напряжения сети. Эквивалентное сопротивление относительно шин подстанции с ВИЭ определяется внутренним сопротивлением инверторного преобразователя, используемого при подключении ВЭС/СЭС к сети, которое в значительной степени превышает сопротивление остальной внешней сети. Поэтому для внешней сети, в т. ч. для питающей подстанции со стороны эквивалента энергосистемы, такие энергообъекты выступают в роли подключенного управляемого источника тока, а не в качестве источника электродвижущей силы (ЭДС), что характерно для питающей подстанции. Следует отметить, что вся релейная защита и автоматика до внедрения инверторных источников генерации строилась на предположении, что источниками в энергосистеме являются только идеализированные ЭДС [10].

На рисунке 2 приведены схемы моделей сети с инверторными источниками генерации для расчёта симметричных составляющих прямой (рисунок 2, а), обратной (рисунок 2, b) и нулевой (рисунок 2, c1, c2) последовательностей.

На приведенных схемах ВИЭ, подключенный к сети через инверторный преобразователь, показан как источник тока, значение тока прямой последовательности которого примерно равно току предшествующего нагрузочного режима I₁≈I_пр и меняется в незначительных пределах в зависимости от приложенного напряжения сети. Величины эквивалентных сопротивлений всех последовательностей (Z₁, Z₂, Z₀), на рисунке 2, а, b и c1 имеют несоизмеримо большие величины по сравнению с аналогичными значениями системы с источниками ЭДС. При этом, токи обратной (рисунок 2, b) и нулевой последовательности в схеме без заземления нейтрального вывода трансформатора связи (рисунок 2, c1) стремятся к нулю: I₂≈0, I₀≈0. При заземлении нейтрального вывода силового трансформатора (рисунок 2, c2) наблюдается ток нулевой последовательности I0ВИЭ, соизмеримый с током короткого замыкания I_0КЗ.

Таким образом, схемы на рисунках 2, а, b и c1 показывают, что информационные токовые параметры со стороны ВИЭ не несут в режиме КЗ достаточной полезной информации и, как следствие, их использование будет проблематично в устройствах РЗА для определения повреждений в энергообъектах и на ЛЭП.

В то же время напряжения всех последовательностей U_1ВИЭ, U_2ВИЭ, U_0ВИЭ (рисунок 2) определяются внешними сопротивлениями линии и системы питающей сети и могут быть рекомендованы в качестве одних из основных информационных параметров для защит линий, отходящих от инверторных источников генерации.

Со стороны подстанции питающей энергосистемы с источниками ЭДС должны быть использованы классические защиты линии, использующие токи и напряжения.

Анализ моделей и защит ЛЭП, отходящих от подстанций с ВИЭ

В связи с тем, что фазные токи повреждения со стороны ВИЭ с инверторными преобразователями неинформативны, возникают ограничения по применению РЗА на такого рода объектах.

Анализ схем подключения объектов с ВИЭ выявил три возможных варианта конфигураций сети:

• конфигурация сети № 1: ВИЭ с разземлённым нейтральным выводом силового трансформатора связи с сетью (рисунок 2, а, b, c1);
• конфигурация сети № 2: ВИЭ с заземлённым нейтральным выводом силового трансформатора связи с сетью (рисунок 2, а, b, c2);
• конфигурация сети № 3: ВИЭ с разземлённым/заземлённым нейтральным выводом силового трансформатора связи с сетью, подстанция с ВИЭ подключена в транзит между двумя питающими подстанциями (рисунок 3).

При размыкании транзита в схеме на рисунке 3, например, при отключении секционного выключателя на стороне высшего напряжения подстанции с ВИЭ, конфигурация сети № 3 будет соответствовать конфигурациям сети № 1 и № 2, в зависимости от заземления нейтрального вывода трансформатора.

Применяемость типов защит в сетях со стороны подстанции с инверторными ВИЭ следует рассматривать как в режимах при КЗ на отходящей линии и на смежных ей элементах питающей сети, так и в режимах при внешних КЗ (на подходящих линиях и элементах подстанции: трансформаторах, шинах, ошиновках и т. п.). При внешних КЗ через защиты будет протекать сквозной ток повреждения, и в таком режиме возможно применение всех типов защит с относительной селективностью. Таким образом, принципы выполнения защит на объектах с ВИЭ должны быть разными, в зависимости от места возникновения КЗ относительно шин подстанции с ВИЭ.

Анализ применимости защит с относительной селективностью для ЛЭП со стороны подстанции с ВЭС (СЭС) показал значительные ограничения и практическую неприменимость таких защит в классическом варианте их использования [4].

В настоящее время на линиях с ВИЭ для их защиты обычно применяют устройства РЗА, использующие логику отключения слабого конца [11]. На экспериментальном уровне рассматриваются и волновые защиты для таких объектов [12].

На ЛЭП с двусторонним питанием согласно [13, 14], необходима установка быстродействующей защиты с абсолютной селективностью. Тип применяемой защиты в основном определяется видом связи между полукомплектами защиты:

• при наличии волоконно-оптической связи может быть применена дифференциальная защита линии (ДЗЛ). При этом дифференциальный ток будет определяться аварийным током со стороны питающей подстанции (со стороны энергосистемы), т. е. можно говорить о максимальной токовой защите (МТЗ) с ограниченным действием;
• при наличии высокочастотной связи между подстанциями речь может идти о направленной высокочастотной защите (НВЧЗ) и защите с высокочастотной блокировкой. Применение дифференциально-фазной защиты (ДФЗ) на таких линиях не невозможно [4]. Далее будут рассмотрены технические решения по применению аналога НВЧЗ на линиях, отходящих от инверторных источников генерации (ВЭС, СЭС).

Алгоритм защиты линий, отходящих от инверторных источников генерации, при наличии ВЧ-канала между подстанциями

Как отмечалось ранее, для защиты линии с подключённым ВЭС не может быть использован ни один из алгоритмов, применяющих канал ВЧ-связи для передачи информации на другие концы линии. Поэтому был разработан гибридный алгоритм, обеспечивающий необходимую чувствительность защиты ЛЭП и выполняющий функции защиты с абсолютной селективностью. Для достижения такой цели были решены два типа задач:

• для полукомплекта защиты, установленной на подстанции с инверторным ВИЭ, применены две группы реле, которые по отдельности реагируют на повреждения в пределах защищаемой линии и при внешних КЗ;
• для передачи информации по концам линии посредством ВЧ-канала был разработан специальный алгоритм, который позволил по одной ВЧ-связи практически одновременно передавать блокирующий сигнал со стороны подстанции с ВЭС и разрешающие сигналы со стороны питающих подстанций.

За основу защиты на питающей подстанции была взята НВЧЗ, в которой внесены изменения в логическую часть, позволившие формировать логический разрешающий сигнал на другие концы линии при выявлении повреждения спереди в зоне защиты линии или за ее пределами; принимать с более высоким приоритетом блокирующий сигнал со стороны подстанции с инверторным ВИЭ.

Структурная блок-схема функционирования полукомплектов защиты, установленных по разным концам одной и той же ЛЭП, приведена на рисунке 4.

Блок-схема содержит следующие блоки:

• блоки, А и Б структурной схемы полукомплектов защиты для подстанции с ВИЭ (ВЭС или СЭС) и питающей подстанции;
• блок В — однолинейная схема защищаемой сети, включающая структурное изображение защищаемой ЛЭП Л1 и ЛЭП Л2-ЛN на стороне питающей сети, выключатели на защищаемой ЛЭП, трансформаторы T1-TN ответвительных подстанций, подстанция с ВИЭ и питающая сеть.

Полукомплект защиты со стороны подстанции с ВИЭ включает в себя модули:

• максимальное реле напряжения обратной последовательности U2 (рисунок 4, элемент 3), минимальное реле напряжения прямой последовательности U₁ (рисунок 4, элемент 4), реагирующие на появление повреждения в зоне чувствительности;
• реле направления мощности обратной последовательности (РНМОП) (рисунок 4, элемент 1);
• модуль обратнонаправленных реле сопротивления (РС) (рисунок 4, элемент 2); выявляющий повреждение за шинами подстанции;
• логические элементы 5 и 6 «ИЛИ», которые управляют приемопередатчиком (ПП) данного конца (рисунок 4, элемент 8.1) и элемент «И» формирующий команды управления на выключатель линии.

Блок Б соответствующего полукомплекта защиты со стороны питающего конца включает приемопередатчик (рисунок 4, элемент 8.2), пускаемый от НВЧЗ (рисунок 4, элемент 9) с некоторой задержкой (рисунок 4, элемент времени 10). Сигнал с выхода НВЧЗ при отсутствии блокирующего сигнала от приемопередатчика (элемент 8.2) посредством логического элемента «И» (рисунок 4, элемент 11) формирует отключение линии.

При повреждениях в зоне защиты в полукомплекте, А со стороны подстанции с ВИЭ срабатывают, в зависимости от вида повреждения, реле напряжения прямой (РН U₁) либо обратной (РН U₂) последовательностей, которые по схеме «ИЛИ» на элементе 6 подготавливают цепи отключения. Непосредственно отключение будет происходить при получении разрешающего ВЧ-сигнала от полукомплекта Б, находящегося на питающей подстанции, где в таком режиме срабатывает НВЧЗ и по истечении выдержки элемента времени 10 (см. рисунок 4) формируются разрешающий сигнал на другой конец линии и сигнал на отключение выключателя своего конца.

При повреждениях за шинами полукомплекта защиты А, установленного на подстанции с ВИЭ (блок А), когда токи в обоих полукомплектах защиты определяются токами повреждения от питающей подстанции, у полукомплекта, А срабатывает либо РНМОП при несимметричных повреждениях, либо обратнонаправленное РС при трехфазных симметричных замыканиях.

Сигналы от этих реле по схеме «ИЛИ» на элементе 5 поступают на ВЧ-передатчик (элемент 8.1) и посредством ВЧ-сигнала блокируют отключение линии с двух сторон независимо от состояния защиты со стороны питающей подстанции.

Схема логики ВЧ-отключения полукомплекта защиты, установленного со стороны подстанции с инверторной генерирующей установкой (блок А) приведена на рисунке 5.

Приоритет блокирующего ВЧ-сигнала от полукомплекта, А выше разрешающего сигнала, поэтому формирование разрешающего сигнала при внешних КЗ должно быть всегда позже блокирующего. Направленность при КЗ за шинами подстанции с ВИЭ определяется при помощи реле направления мощности обратной последовательности (РНМОП, сигнал «ТЗНП РНМОПобр») с контролем от напряжения обратной последовательности U₂ и модулем обратнонаправленных РС. Для выявления трехфазных КЗ за шинами подстанции ВЭС дополнительно измеряются уровень тока прямой последовательности I₁ и уровень фазных напряжений (U_А, U_В, U_С). Если при КЗ измеренный ток на подстанции ВЭС превысил величину 1,1I_1ном и при этом все три фазных напряжения снизились до значений ниже заданного порога срабатывания, то делается вывод о наличии трехфазного КЗ за спиной ВЭС. При выполнении вышеперечисленных условий со стороны подстанции ВЭС формируется блокирующий сигнал («Пуск ВЧ передатчика»), который запрещает формирование отключающего сигнала со стороны питающей подстанции.

Формирование разрешающего сигнала происходит от элемента НВЧЗ и с задержкой на элементе времени 10 (см. рисунок 4), выдержка времени на срабатывание которого определяется отстройкой от максимального времени срабатывания РНМОП (элемент 1) и РСобр (элемент 2) полукомплекта, А (см. рисунок 4)

Логика полукомплекта Б (см. рисунок 4, блок Б) в части ВЧ-отключения со стороны питающей подстанции энергосистемы отображена на рисунке 6.

На схеме рис. 6 формирование сигнала «Воздействие 2» в логике терминала НВЧЗ со стороны питающей подстанции происходит от модулей НВЧЗ, быстродействующих ступеней комплекта ступенчатых защит (КСЗ) или токовой отсечки (ТО), работающих без выдержки времени на срабатывание, а сигнал «Воздействие 1» поступает, соответственно, от ступеней КСЗ с выдержкой времени.

Со стороны питающей подстании отключение линии будет происходить при отсутствии блокирующего ВЧ-сигнала (сигнал «DI ВЧ прием») со стороны полукомплекта (рисунок 4, блок А).

При повреждениях за пределами рабочей зоны полукомплекта Б питающей подстанции из-за малых токов в линии не срабатывает модуль НВЧЗ (элемент 9) и не формируется отключающий сигнал на питающей подстанции и разрешающий ВЧ-сигнал на подстанции с ВИЭ. Таким образом, по принципу своего действия предложенный способ позволяет для ЛЭП с ВИЭ обеспечить защиту с абсолютной селективностью и с высоким быстродействием.

Как и любая защита с ВЧ-блокировкой указанная защита на базе ИО РС и реле тока нулевой последовательности может применяться как ступенчатая защита с относительной селективностью, например, в случае, когда защита на другом конце не в работе.

В рассматриваемом случае защита имеет абсолютную селективность и защищает линию целиком от измерительных трансформаторов тока (ИТТ) питающей подстанции до ИТТ ВЭС с высоким быстродействием, т. е. защита выполняет функции защиты с абсолютной селективностью. Поскольку такая защита не попадает ни под один из четырех классических видов защит абсолютной селективности, было рекомендовано называть данную защиту «аналог защиты абсолютной селективности ЛЭП».

Опыт эксплуатации релейной защиты линии, отходящей от подстанции с ВЭС

В качестве примера эксплуатации защиты на линиях с подключенными ВЭС выполнен анализ поведения защиты на двухцепной линии напряжением 110 кВ «ЦРП МАЭК — Форт Шевченко» в Республике Казахстан.

Поведение полукомплекта защиты со стороны питающей подстанции

На подстанции «ЦРП МАЭК» в качестве быстродействующих защит линии (БЗЛ) вместо НВЧЗ применены классические ступенчатые дистанционная и направленная токовая защита нулевой последовательности, причем для охвата всей линии использованы третьи ступени, работающие без выдержки времени. Замена НВЧЗ на ступенчатые защиты позволила охватить все виды повреждений и обеспечить необходимую чувствительность в зоне действия.

На рисунке 7 приведены осциллограмма токов и напряжений при междуфазном повреждении фаз, А и В K⁽²⁾_AB и логические сигналы защиты со стороны питающей подстанции. Через 39 мс происходит срабатывание реле сопротивления дистанционной защиты и через 20 мс по отсутствию блокирующего сигнала «75 ВЧ прием» со стороны подстанции с ВЭС происходит формирование отключающего сигнала на данном конце линии (сигнал «Откл. ЭМО1, ЭМО2») и пускается передатчик (сигнал «Пуск ВЧ перед.» для передачи на другой конец линии разрешающего сигнала.

На рисунке 8 приведены осциллограмма токов и напряжений и логические сигналы защиты со стороны питающей подстанции при однофазном замыкании фазы C K⁽¹⁾_C (рис. 8, а). В устройстве сработала токовая защита нулевой последовательности. Действие логики аналогично при срабатывании РС (см. рис. 7). На рис. 8, b приведен случай, когда в защите сначала сработала токовая отсечка, а затем и токовая защита нулевой последовательности. Следует отметить, что логика построена таким образом, что при срабатывании токовой отсечки отключение происходит независимо от состояния защиты со стороны ВЭС. Для надежного отключения выключателей на подстанции с ВЭС со стороны питающей подстанции передается сигнал телеотключения (ВЧТО № 2).

Опыт эксплуатации релейной защиты на подстанции с ВЭС

В качестве примера будет рассмотрено поведение защит на подстанции с ВЭС мощностью 82 МВт «Форт Шевченко». В алгоритме защиты основным критерием для выявления несимметричного КЗ в зоне является орган напряжения обратной последовательности «U_2откл» сработал менее чем через 5 мс после начала повреждения (рисунок 9). Отсутствие при этом срабатывания блокирующих обратнонаправленных реле направления мощности обратной последовательности (сигнал «РНМОП») и реле сопротивления (сигнал «РС»), а также появление разрешающего ВЧ-сигнала с противоположного конца (DI «ВЧ-приём») приводит к формированию команды отключения трех фаз (сигнал «Откл. 3Ф»). Помимо этих сигналов в защите наблюдается и срабатывание ступеней дистанционной защиты (сигнал «Откл. От ДЗ1»).

На рис. 10 приведена аналогичная осциллограмма КЗ в фазах В и С, которая была зафиксирована после автоматического повторного включения (АПВ) при отключённом выключателе со стороны подстанции с ВЭС. На этой осциллограмме токи со стороны ВЭС отсутствуют. Однако защита линии со стороны ВЭС отработала селективно и отключила выключатель. Формирование сигнала отключения при этом происходит после срабатывания ИО напряжения обратной последовательности и при получении разрешающего ВЧ-приёма с противоположного питающего конца линии. Этот пример наглядно показывает независимость работы защиты от тока со стороны ВИЭ, когда в качестве основного информационного параметра используется только напряжение.

Выводы

1. На подстанции с ВЭС в качестве информационных параметров для релейной защиты могут быть использованы напряжения и их симметричные составляющие;
2. Для обеспечения абсолютной селективности на линиях с ВЭС рекомендована комбинация из разрешающих и блокирующих ВЧ-сигналов, а для построения РЗА со стороны ВЭС следует применять вариант гибридных защит с фиксацией появления КЗ в системе по наличию напряжения нулевой или обратной последовательностей и реле направления мощности для выявления направления перетоков аварийной мощности в системе;
3. Из-за неработоспособности защит с относительной селективностью на объектах с ВИЭ следует предусматривать для защиты и отключения линии не менее двух защит с абсолютной селективностью.

Библиография

1. IRENA (2025), Renewable Capacity Statistics 2025, International Renewable Energy Agency, AbuDhabi, March 2025, ISBN: 978−92−9260−652−7
2. Дудин Р.И. Электроэнергия. Передача и распределение. Ежеквартальный выпуск № 4 (27), декабрь 2022 — с. 40−44
3. Tsili M., Papathanassiou S. Review of grid code technical requirements for wind farms // IET Renewable Power Generation. 2009. Vol. 3. Is. 3. pp. 308−332. DOI: 10.1049/iet-rpg.2008.0070
4. Ефремов В.А., Ефремов А.В., Смирнов С.Ю., Таныгин С.А. Применение устройств РЗА линий электропередачи, отходящих от возобновляемых источников электроэнергии / Релейщик, № 1. 2024. Стр.32−37
5. Behnke M. R. et al. Impact of Inverter Based Resource Negative Sequence Current Injection on Transmission System Protection // Sandia Report SAND2020−0265. United States. 2020. DOI:10.2172/1595917
6. Impact of Inverter Based Generation on Bulk Power System Dynamics and Short-Circuit Performance / IEEE PES Report PES-TR68. 2018. 2018
7. Zubiri G. M. et al. Impact on the power system protection of high penetration of wind farms technology // CIGRE 2010. Paris., B5₂₀₄_2010
8. Chowdhury R., Fischer N. Transmission Line Protection for Systems with Inverter-Based Resources // IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 36. № 4. 2021. DOI:10.1109/TPWRD.2020.3019990
9. Ефремов В.А., Ефремов А.В., Таныгин С.А. Адаптивные уставки для реле тока и напряжения / Релейная защита и автоматизация, № 01,2023
10. Атабеков Г. И. Теоретические основы электротехники, ч. 1, Линейные электрические цепи, изд.4-е М.: Энергия, 1970. 592с.
11. B. Kasztenny, Line Distance Protection Near Unconventional Energy Source. — 2022 CIGRE Canada Conference & Expo, Calgary, Alberta, Oct.31 — Nov. 3, 2022
12. Kasztenny В. Line Protective Relays Suitable for Systems With a High Penetration of Unconventional Sources — Operating Principles and Field Experience. — CIGRE Science & Engineering, CSE 031, CIGRE, December 2023, p.172
13. Правила устройства электротехнических установок: все действующие разделы и главы шестого и седьмого изданий. М.: ЭНАС, 2019. 672 с.
14. Об утверждении требований к оснащению линий электропередачи и оборудования объектов электроэнергетики классом напряжения 110 кВ и выше устройствами и комплексами релейной защиты и автоматики, а также к принципам функционирования устройств и комплексов РЗА: Приказ Министерства энергетики Российской Федерации от 13.02.2019 № 101.