可控串補(bǔ)保護(hù)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

蘇春華

(惠州供電局，廣東 惠州 516001)

1 引言

晶閘管控制的串聯(lián)補(bǔ)償電容器(TCSC)最早是在1986年由Virhayathil等人作為一種快速調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)阻抗的方法提出來的。在美國、瑞典、巴西的電網(wǎng)中已投運(yùn)了部分可控串補(bǔ)裝置，此外，印度、澳大利亞等國也在進(jìn)行TCSC的研制計(jì)劃。我國自20世紀(jì)90年代中期開始對TCSC技術(shù)進(jìn)行了長期的研究。針對多條線路進(jìn)行了安裝TCSC的可行性論證，包括:伊敏—馮屯線、陽城—淮陰線、天平線(貴州天生橋——廣西平果)。2003年6月，我國第一個(gè)TCSC工程在天平線平果側(cè)變電站建成投運(yùn)，對500kV天平線Ⅰ，Ⅱ回采用FSC+TCSC補(bǔ)償模式，總補(bǔ)償度為40%。2005年，由中國電力科學(xué)院研制的第一套國產(chǎn)化TCSC裝置在甘肅省壁口—成縣220kV電網(wǎng)投運(yùn)，線路串補(bǔ)償度達(dá)到50%[1]。

發(fā)展到今天，TCSC已是柔性交流輸電系統(tǒng)(FACTS)家族中的重要成員。文獻(xiàn)[2]中詳細(xì)介紹到:它通過調(diào)節(jié)線路電抗來控制潮流，從而提高線路傳輸能力，此外其快速控制能力可以更有效抑制低頻功率振蕩，消除次同步諧振，對提高電力系統(tǒng)運(yùn)行可靠性和靈活性及改善線路性能具重大意義，對實(shí)現(xiàn)我國電力工業(yè)西電東送的發(fā)展戰(zhàn)略有著十分廣闊的應(yīng)用前景[3]。

與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)設(shè)備相比較，可控串補(bǔ)設(shè)備的組件類型較多，不僅涉及傳統(tǒng)的電力元器件，還包括新型的電力電子設(shè)備，同時(shí)各組件在保護(hù)原理與實(shí)現(xiàn)技術(shù)上也與傳統(tǒng)繼電保護(hù)有一定的差別。因此，設(shè)計(jì)完整而有效的可控串補(bǔ)保護(hù)控制系統(tǒng)，以保證可控串補(bǔ)的安全可靠運(yùn)行具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 TCSC概述

2.1 TCSC 的基本構(gòu)成與工作原理[4－7](見圖1)

圖1 TCSC模塊一次系統(tǒng)結(jié)線圖

電容器組C:進(jìn)行串聯(lián)補(bǔ)償。其容量大小決定了TCSC的基本補(bǔ)償度，其耐受電流/電壓的能力與晶閘管觸發(fā)角的限制共同決定了TCSC的容性運(yùn)行區(qū)范圍。

反向并聯(lián)晶閘管T1、T2:用于改變TCSC的等效阻抗，以滿足系統(tǒng)在各種運(yùn)行條件下的要求(如提高穩(wěn)定性、增加輸送能力、抑制同步諧振等)。

旁路電抗器TCR:有時(shí)候與反并聯(lián)的晶閘管串聯(lián)的電抗器會被分成兩半，以便在電抗器發(fā)生短路時(shí)能起到保護(hù)晶閘管閥的作用。

金屬氧化物變阻器MOV:防止電容器上發(fā)生高的過電壓，且使電容器保持接入狀態(tài)，即使在故障情況下也如是，從而有助于提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。

旁路斷路器S1:在發(fā)生嚴(yán)重故障或設(shè)備工作不正常時(shí)，將電容器旁路;是最后一道防線。

限流電抗器:用以限制電容器旁路操作時(shí)電容器上電流的大小和頻率。

火花間隙G1:當(dāng)MOV不能動作而電壓升高到一定水平時(shí)，間隙擊穿，實(shí)現(xiàn)對電容器和MOV的過電壓保護(hù)。

特高速接觸器(UHSC):當(dāng)要求閥在“全導(dǎo)通”模式下運(yùn)行較長時(shí)間時(shí)，可使閥上的導(dǎo)通損耗最小。在閥突然過載或故障情況下是，閉合可減輕閥上的壓力。

限流阻尼裝置D:幫助電容器在內(nèi)部故障情況下，電容器端電壓達(dá)到保護(hù)水平時(shí)，對電容器放電電流和放電電流頻率進(jìn)行限制且加速其衰減。

由圖1可見，TCSC的主電路結(jié)構(gòu)非常簡單，這也是TCSC在實(shí)際工程中得以廣泛應(yīng)用重要原因之一。在實(shí)際工程應(yīng)用中，既可以將單個(gè)TCSC模塊直接串接于輸電線路中，也可以將多個(gè)小容量TCSC單元同時(shí)串接于輸電線路中，分別對每個(gè)TCSC單元進(jìn)行調(diào)節(jié)?？勺兇?lián)補(bǔ)償?shù)墓ぷ髟硎峭ㄟ^對晶閘管觸發(fā)脈沖(觸發(fā)角)的控制，對電容器進(jìn)行旁路、投入或部分調(diào)制，改變并聯(lián)電抗器支路電流脈沖;該脈沖電流和線路電流疊加得到電容電流，使得電容器上的基頻電壓得到升高;電容器端電壓和線路電流之比即為TCSC的等值電抗。這個(gè)提高了的電壓可快速而平滑地調(diào)節(jié)串接在輸電線路中的有效容抗值，改變了串聯(lián)容性電抗的有效值。LC并聯(lián)電路的等效阻抗Zeq表達(dá)式為:

①若wC－(1/wL)＞0即wL＞(1/wC)，這個(gè)并聯(lián)電路總體上呈現(xiàn)為一個(gè)可變的容性電抗，且比FC本身的容性電抗值要大。隨可變電抗器感性電抗的增加，等效容性電抗逐漸變小。當(dāng)可變電抗器開路時(shí)，等效容性電抗值最小，即等于FC本身的電抗值。

②若wC－(1/wL)=0即 wL=(1/wC)，諧振產(chǎn)生，導(dǎo)致一個(gè)無窮大的容性電抗，是不可接受的狀態(tài)。

③若wC－(1/wL)＜0即wL＜(1/wC)，這個(gè)并聯(lián)電路總體上為等效電感值，且大于固定電抗器本身的值，對應(yīng)于TCSC運(yùn)行方式中的感性微調(diào)模式[8]。

2.2 TCSC的基本運(yùn)行模式

(1)晶閘管旁通模式(晶閘管投切電抗器(TSR)模式):晶閘管全導(dǎo)通，導(dǎo)通角為180°。一旦晶閘管閥上電壓過零并開始變正時(shí)，就加上觸發(fā)脈沖，從而使晶閘管閥上流過連續(xù)的正弦電流。TCSC模塊此時(shí)為一個(gè)電容器和電感器的并聯(lián)，一起對外提供感性阻抗。這種模式被用來達(dá)到某些控制目的，或用來起動某些保護(hù)功能。無論何時(shí)，TCSC模塊因?yàn)槌鲭娏飨拗刀慌月窌r(shí)，都要等線路電流回落到指定限值以下，并延遲一定的時(shí)間Tdelay以后，才能將TCSC模塊重新插入電路。

區(qū)別于斷路器旁路模式:斷路器旁路模式只在TCSC故障或TCSC上有暫態(tài)過電壓才會發(fā)生。

(2)晶閘管閉鎖模式(或等待模式):TCSC退化為固定的串聯(lián)電容器，并且TCSC的凈電抗是容性的。在這種模式下，電容器上的直流偏移電壓受到監(jiān)視并采用直流偏移控制來快速釋放，因而不會對輸電系統(tǒng)的變壓器產(chǎn)生任何損害。此時(shí)的晶閘管閥監(jiān)控功能仍在工作。晶閘管閥是TCSC保護(hù)的一部分，必要時(shí)閥由保護(hù)系統(tǒng)自動觸發(fā)(TPSC模式)。

注:TPSC模式指當(dāng)出現(xiàn)線路區(qū)內(nèi)故障后的1ms內(nèi)，晶閘管閥觸發(fā)導(dǎo)通，將電容器組快速旁路承受故障電流，直至旁路斷路器合上為止。在故障清除后，TCSC自動重新投入，并以故障前的控制模式運(yùn)行。

(3)晶閘管微調(diào)模式(即阻抗控制模式):這是TCSC的標(biāo)準(zhǔn)模式。呈現(xiàn)為連續(xù)可控的容性電抗或連續(xù)可控的感性電抗。容性微調(diào)模式時(shí)，當(dāng)電容器上的電壓和電流極性相反時(shí)，晶閘管被觸發(fā)，使得TCR電流與電容器電流方向相反，從而導(dǎo)致TCSC上存在一個(gè)循環(huán)電流。該電流提高了FC上的電壓，增大了等效的容性電抗并提高了串聯(lián)補(bǔ)償度。為防止諧振，amin≤a≤180°，當(dāng)a從180°減小到 amin時(shí)，循環(huán)電流時(shí)不斷增大的。當(dāng)a=amin時(shí)，容許的TCSC達(dá)到基頻電容器電抗值的2.5～3倍。

3 TCSC的保護(hù)控制系統(tǒng)

3.1 TCSC保護(hù)控制系統(tǒng)構(gòu)成概述

3.1.1 可控串補(bǔ)的控制層及功能綜述

可控串補(bǔ)的控制系統(tǒng)可以分為三層:主控室控制、繼電保護(hù)室控制和現(xiàn)場就地控制。運(yùn)行人員可在繼電保護(hù)內(nèi)的控制系統(tǒng)屏上的操作方式選擇開關(guān)(Remote、Local、Field分別表示上述三種操作方式)進(jìn)行切換，任何時(shí)候均只能用其中的一種操作方式進(jìn)行操作。而且正常情況下應(yīng)該在變電站主控室的終端WINCC上進(jìn)行操作，僅當(dāng)變電站主控室的終端出現(xiàn)故障時(shí)才可切換到繼電保護(hù)室內(nèi)的終端上操作。但在串補(bǔ)裝置進(jìn)行維修時(shí)，也可在繼電器室內(nèi)的終端上進(jìn)行操作。就地操作方式僅在緊急情況和串補(bǔ)裝置檢修情況下才可以進(jìn)行，正常運(yùn)行時(shí)禁止使用此方式。

可控串補(bǔ)的控制系統(tǒng)主要功能有:

(1)串補(bǔ)站的隔離開關(guān)、旁路斷路器和串補(bǔ)地刀的操作;

(2)串補(bǔ)實(shí)際值計(jì)算;

(3)串補(bǔ)控制參數(shù)設(shè)置;

(4)串補(bǔ)控制模式選擇;

(5)串補(bǔ)投入/退出順序控制;

(6)串補(bǔ)站功率震蕩抑制控制模式;

(7)串補(bǔ)站固定的觸發(fā)角度控制;

(8)串補(bǔ)站動態(tài)的觸發(fā)角度控制;

(9)串補(bǔ)站閥門點(diǎn)火控制;

(10)串補(bǔ)站點(diǎn)火脈沖產(chǎn)生;

(11)串補(bǔ)站設(shè)置點(diǎn)的生成控制;

(12)電容器過電壓、過負(fù)荷控制;

(13)閥電流限制;

(14)閥過流中斷控制;

(15)保護(hù)干預(yù)控制;

(16)串補(bǔ)站設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視;

(17)事件記錄器記錄的信息顯示、信號的報(bào)警與復(fù)歸;

(18)顯示測量參數(shù)的變化曲線顯示等。

3.1.2 可控串補(bǔ)的控制方式介紹

可控串補(bǔ)站的控制系統(tǒng)主要分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩種方式。開環(huán)控制是指控制系統(tǒng)的輸出對控制過程能行使控制，但控制結(jié)果的狀態(tài)沒有影響控制系統(tǒng)，控制計(jì)算機(jī)、控制器、控制過程等環(huán)節(jié)沒有構(gòu)成閉合環(huán)路。例如可根據(jù)給定的阻抗來開環(huán)調(diào)節(jié)線路阻抗。閉環(huán)控制是指計(jì)算機(jī)對控制對象進(jìn)行控制時(shí)，控制過程狀態(tài)能直接影響計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，一方面控制中心按計(jì)算機(jī)發(fā)出的控制信息對運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行控制，另一方面運(yùn)行設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)作為輸出由檢測部件測出后，作為輸入反饋給控制計(jì)算機(jī)，從而控制計(jì)算機(jī)、控制中心、控制過程、檢測部件構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)回路。例如可通過將流經(jīng)線路的電流控制為一恒定值來調(diào)節(jié)線路的潮流。

其中，閉環(huán)控制包括四部分:測量系統(tǒng)、控制模式、保護(hù)控制、點(diǎn)火控制。上述的控制系統(tǒng)功能中第4、5及16項(xiàng)均屬閉環(huán)控制。

繼電器室內(nèi)的開環(huán)控制屏上有分、合閘按鈕，其中合閘按鈕可對旁路開關(guān)直接進(jìn)行操作。當(dāng)串補(bǔ)裝置的在繼電器室內(nèi)與主控樓內(nèi)WINCC都損壞時(shí)可用才能用分閘按鈕來分開旁路旁路開關(guān)。

3.1.3 保護(hù)控制系統(tǒng)的具體構(gòu)成及有關(guān)說明

可控串補(bǔ)的控制系統(tǒng)由控制終端WINCC、控制中心SIMADYND、接口裝置SU200、閥基電子設(shè)備(VBE)以及相應(yīng)的通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。

①終端WINCC有兩臺，即主控室WINCC和繼電器室WINCC，它們分別通過光纜與控制中心相連。

②SIMADYND是全數(shù)字式的，是實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能的硬件平臺。可以自由配置的模板化控制器，具有快速化的開環(huán)控制及監(jiān)測、閉環(huán)控制及數(shù)學(xué)運(yùn)算、信息采集及邏輯運(yùn)算、通信等功能?？刂频倪壿嬇c信號處理是在控制中心SIMADYND中實(shí)現(xiàn)的。

③VBE主要作用是產(chǎn)生點(diǎn)火脈沖觸發(fā)可控硅和監(jiān)測核對可控硅的運(yùn)行狀態(tài)信號。

④每個(gè)接口裝置SU200有40個(gè)開關(guān)量輸入、8個(gè)模擬量輸入和24個(gè)開關(guān)量輸出，與控制中心SIMADYND的連接通過光纜實(shí)現(xiàn)。

圖2 平果可控串補(bǔ)站的保護(hù)控制系統(tǒng)配置圖

圖3 TCSC部分自監(jiān)測圖

圖3是TCSC部分的自監(jiān)測圖。由以上兩個(gè)圖可知，每個(gè)串補(bǔ)段(FSC段和TCSC段)的保護(hù)系統(tǒng)都配備兩組完全相同且相互獨(dú)立工作的數(shù)字保護(hù)系統(tǒng)。保護(hù)系統(tǒng)使用數(shù)字邏輯技術(shù)，便于更新且穩(wěn)定性高。保護(hù)功能被分解成多個(gè)功能模塊，每個(gè)功能塊都是由相同的硬件但不同的軟件來實(shí)現(xiàn)的。兩組保護(hù)的每個(gè)電流信號來自于同一個(gè)CT的不同繞組，保護(hù)的輸出回路相互獨(dú)立:分別接到旁路開關(guān)、線路開關(guān)的不同線圈中;通過不同的回路觸發(fā)GAP。保護(hù)系統(tǒng)構(gòu)成如下:

(1)兩面保護(hù)屏:提供告警信號、旁路命令、去控制系統(tǒng)的光纖接口;

(2)與事件記錄和故障錄波(DFR)的接口:數(shù)字IO單元(SU200);

(3)光纖測量系統(tǒng)(OPTODYN);

(4)間隙觸發(fā)電子裝置(GTE)(FSC部分);

(5)閥基電子設(shè)備VBE(TCSC部分);

保護(hù)系統(tǒng)是一個(gè)在高壓平臺上進(jìn)行測量的地面系統(tǒng)。所有的電信號均可以通過位于平臺上的常規(guī)低壓電流互感器或電壓分壓器檢測到。測量到的數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換成光信號通過光纖傳送到地面至繼電保護(hù)室。光纖信號傳輸系統(tǒng)是每相每個(gè)電流用一個(gè)通道。其中傳輸?shù)哪M信號包括:線路電流、平臺電流(從TCSC與FSC之間的母排到平臺之間的CT)、MOV電流和MOV支路電流、電容器不平衡電流和電壓、間隙電流、旁路斷路器電流等。而線路電壓由電纜從地電位直接送至保護(hù)。

測量系統(tǒng)(OPTODYN)由位于地面的激光二極管以激光形式給位于平臺上的光電傳感器供電。這樣可實(shí)現(xiàn)保護(hù)系統(tǒng)在線路電流和電流反轉(zhuǎn)時(shí)也具有完整的保護(hù)功能，保證串補(bǔ)裝置在各種負(fù)荷下能正常工作。

保護(hù)系統(tǒng)、光纖測量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)所有的功能都進(jìn)行監(jiān)測，硬件和軟件的實(shí)時(shí)監(jiān)測免除了實(shí)驗(yàn)裝置和周期性人工測試。包括如下監(jiān)測裝置:

①每個(gè)處理器配有硬件/軟件看門狗

②內(nèi)部通訊監(jiān)測

③與OLC(OpenLoopControl)和HMI/WINCC之間的通訊監(jiān)測

④光線信號傳輸系統(tǒng)的監(jiān)測(測量和GTE)

⑤保護(hù)系統(tǒng)電源電壓監(jiān)測系統(tǒng)

TCSC和FSC可以通過多個(gè)控制地點(diǎn)來控制。如圖4所示，可在繼電器室內(nèi)=U2+SJ2屏上的操作方式開關(guān)進(jìn)行(Remote、Local、Field)三種操作方式切換。同時(shí)，基于網(wǎng)絡(luò)的WinCC操作可實(shí)現(xiàn):基于網(wǎng)絡(luò)的HIM操作和遠(yuǎn)程HIM操作享有同等優(yōu)先權(quán)，是網(wǎng)絡(luò)電腦用戶和遠(yuǎn)程HIM用戶可實(shí)現(xiàn)同步操作。

圖4 通過開關(guān)鍵來控制地點(diǎn)且通過HIM選擇遠(yuǎn)程操作

4 結(jié)論

超高壓系統(tǒng)故障暫態(tài)過程的復(fù)雜性以及TCSC控制系統(tǒng)的多模式，使得對其繼電保護(hù)的性能分析較之傳統(tǒng)的保護(hù)復(fù)雜得多。近年來國內(nèi)對TCSC展開了研究，但研究的領(lǐng)域多集中在可控串補(bǔ)的運(yùn)行機(jī)理、控制策略、暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)分析、數(shù)字仿真與動模建設(shè)、過電壓保護(hù)上，而在可控串補(bǔ)應(yīng)用于電力系統(tǒng)后對二次系統(tǒng)——尤其是繼電保護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)行性能的分析略顯不足，有必要做進(jìn)一步的工作。

而整個(gè)可控串補(bǔ)保護(hù)是隨電力系統(tǒng)發(fā)展而產(chǎn)生的一個(gè)新型元件保護(hù)分支。對TCSC的控制保護(hù)系統(tǒng)將朝著網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化、測量和數(shù)據(jù)通信一體化的方向發(fā)展。

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