Wide Area Protection of AC Networks Incorporating IBR Connected by HVDC Line

现代电网正经历着一场悄无声息的变革。几十年来，我们家中的灯光和城市的电力一直由发电厂中巨大的旋转涡轮机提供，这些涡轮机由煤炭、天然气或落水驱动。这些机器具有一种被称为“惯性”的自然物理特性；它们沉重且转速变化缓慢，这有助于在需求突然变化或线路断开时保持电网稳定。然而，今天，我们正越来越多地用风能和太阳能等可再生能源取代这些沉重的机器。这些能源并不旋转；它们通过电力电子设备产生电力，将直流电转换为电网使用的交流电。虽然这一转变对于实现更清洁的未来至关重要，但它也移除了那种天然的稳定性。当故障发生时——例如短路或线路断裂——新的电子系统表现得与旧有的旋转式系统截然不同。它们会限制电流输出以保护自身，这使得传统的安全装置很难准确检测出问题究竟发生在哪里。如果电网无法快速找到并隔离这些故障，整个系统就有可能崩溃，导致大规模停电。

伊朗科技大学的研究人员开发了一种解决这一特定问题的新方法，重点研究如何保护那些通过高压直流线路连接到这些基于现代电子资源的电网。他们的工作填补了一个关键空白：传统的安全系统是为旧有的旋转发电机设计的，在面对现代逆变器受控且受限的电流时，往往会失效或反应迟钝。该团队提出了一种方法，其作用类似于一个广域安全网，通过观察整个网络而非仅仅是单根导线来确定故障发生的位置。该方法不再试图测量电流的具体大小（因为对于这些新型电源来说，电流大小可能会产生误导），而是侧重于电流流向及其突变。通过分析布置在电网关键点上的传感器数据，该系统可以精准定位失效的具体线路，即使是在故障微弱、隐蔽或发生在系统其他压力并存的情况下。

研究人员使用了一个名为 IEEE 39 节点系统的改进型电气网络详细计算机模拟实验来测试他们的想法，该系统包括一个通过高压直流链路连接到陆地的大型海上风电场。在模拟过程中，他们引入了各种类型的电气故障，包括单线断路、双线短路，甚至是非常难以检测的高阻抗故障。他们还测试了电网处于压力下的场景，例如能量流发生振荡的功率摆动情况，以及两个故障在几乎同一时间发生在不同位置的情况。模拟结果显示，该方法能够在每种场景下都成功识别出正确的故障线路。它能够区分真实的故障与正常的系统波动，并且即使在电气信号带有噪声或故障电阻高达 500 欧姆时也能正常工作。

其核心策略包含一个模仿人类缩小搜索范围过程的两步法。首先，系统查看网络中每个母线（即连接点）的电压水平。当故障发生时，距离问题点最近的母线电压下降最为显著。系统根据电压下降程度对所有母线进行排序，并选择前三个作为最可能的怀疑对象。这一步骤极大地减少了系统需要处理的数据量，将其注意力集中在问题最可能发生的区域。一旦确定了这三个怀疑母线，系统就会检查连接到它们的每一条输电线路。它观察的不是流经线路的总电流，而是故障发生瞬间电流产生的突变。

为了做出这种判断，系统会比较每条候选线路两端的电流行为。在正常情况下，或者当故障发生在电网的其他部分时，一条线路两端的电流变化不会以特定方式匹配。然而，如果故障直接发生在被监测的线路上，两端的电流变化相对于故障点都会指向同一个方向。研究人员创建了一个决策图，将这两端的这种变化绘制出来。如果两端的这种变化都落在该图的一个特定正值区域内，系统就会宣布该线路为故障线路。这种方法即使在数据不完美或电网经历复杂、重叠的扰动时也表现出了极强的鲁棒性。

这项研究最重要的发现之一是，无论故障是对称的（影响输电线路的所有三相）还是不对称的（仅影响其中一相或两相），该方法均有效。它还能成功处理高阻抗故障，这类故障由于电流降过小无法触发报警，通常对旧有的保护系统来说是“隐形”的。此外，该系统还可以区分危险故障与功率摆动（一种电网虽承受压力但并未损坏的状态）。这种区分至关重要，因为在功率摆动期间进行不必要的跳闸可能会引发正是系统试图预防的停电。模拟显示，虽然系统正确识别了故障，但它忽略了功率摆动，从而保持了电网的稳定。

研究人员还测试了系统处理快速连续发生多个故障的能力，即所谓的“跨国故障”场景。在模拟中，一个故障发生在一条线上，紧接着在不到一秒钟的时间内，第二个故障发生在另一条线上。系统能够检测到第一个事件，识别出正确的线路，然后立即识别出第二个事件并识别出第二条故障线路，而没有发生混淆。这种处理顺序和重叠事件的能力表明，该方法在现实世界的复杂连锁故障场景中可能具有高度可靠性。该系统还展示了对测量噪声的韧性，即使在数据包含显著干扰（这是现实世界电气监测中的常见问题）的情况下，仍能保持其准确性。

该方法的运行速度是另一个关键特征。在模拟中，系统能在短短 10 毫秒内做出决策。虽然这很快，但研究人员指出，在实际应用中，该系统更可能作为备份保护而非主要防御手段。初级保护系统旨在在电波的几个周期内迅速行动以隔离故障。这里描述的广域系统将作为安全网，在初级系统失效时介入。这种延迟允许初级系统先执行其任务，只有当初级系统漏掉故障时，这个更广泛、更全面的系统才会接管，以防止更大规模的崩溃。这种分层方法确保了即使初级传感器或逻辑因现代可再生能源复杂的行为而产生困惑时，电网依然能够保持安全。

研究结论指出，这种方法为能源领域日益增长的问题提供了一个切实可行的解决方案。随着越来越多的风能和太阳能电场接入电网，传统的线路保护方法正变得越来越低效。通过关注电流变化的“方向”而非“大小”，并利用广域视角来缩小搜索范围，这种新方法为维持灯火通明提供了一种可靠的方式。源自严格计算机模拟的结果表明，此类系统可以投入应用以保护未来的电网，确保向可再生能源的转型不会以牺牲电网稳定性为代价。这项工作强调，尽管电网的物理特性正在发生变化，但通过细致的观察和逻辑推理的原则仍然可以用来保障系统的安全与运行。