蘇南500 kV統(tǒng)一潮流控制器保護系統(tǒng)及動作結(jié)果分析

鄧 凱, 瞿 峰, 錢 偉, 吳 鑫, 周 強, 郭晉超， 孔祥平

(1. 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司檢修分公司, 江蘇 南京 210006；2. 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學研究院，江蘇 南京 211103)

0 引言

蘇州南部500 kV電網(wǎng)是蘇州電網(wǎng)的重要組成部分，其70%的電源為錦蘇直流(水電)提供，導致蘇州南部電網(wǎng)的受進電力規(guī)模及潮流分布季節(jié)變化較大。主要存在以下幾個問題：(1) 冬季錦蘇直流小方式下受電通道潮流分布不均；(2) 夏季直流滿送時發(fā)生雙極閉鎖后部分斷面超穩(wěn)定限額，將被迫減負荷運行；(3) 無功電壓支撐能力不足[1-2]。在蘇州南部電網(wǎng)加裝統(tǒng)一潮流控制器(unified power flow controller,UPFC)不僅可以有效消除上述問題，而且相對于傳統(tǒng)新增輸電通道或擴容改造，UPFC在建設成本和建設難度方面也存在巨大優(yōu)勢[3]。UPFC是迄今為止最全面的柔性交流輸電裝置，既可以有選擇性地控制線路上有功和無功功率潮流，又可以實現(xiàn)并聯(lián)無功補償功能[4]。目前世界上已有4套UPFC工程投入運行，其中基于模塊化多電平換流器(modular multilevel converter, MMC)的南京西環(huán)網(wǎng)UPFC工程[5-7]為蘇南UPFC工程的順利投運提供了重要的指導作用。

保護裝置的可靠性是UPFC系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的保證，國內(nèi)外眾多學者針對UPFC的保護技術(shù)展開了廣泛研究。文獻[8—13]分區(qū)域介紹了相關(guān)保護。其中文獻 [8—9]著重研究了基于MMC拓撲的UPFC換流閥及閥側(cè)交流區(qū)接地故障特性及保護方案；文獻[10—12]分析了UPFC對線路保護的影響并提出有效保護方案以確保保護正確動作；文獻[13]介紹了串聯(lián)變壓器保護配置方案及保護判據(jù)；文獻[14—16]以南京UPFC工程為例，分別從保護系統(tǒng)架構(gòu)、功能配置、配合策略3個方面展開研究，詳述了各保護之間的相互配合關(guān)系。

蘇南500 kV UPFC在系統(tǒng)主接線、運行方式、設備參數(shù)等方面均與南京工程有較大區(qū)別，因此有必要對保護配置及典型故障點保護動作結(jié)果進行分析研究。本文主要結(jié)合UPFC工作原理、蘇南工程的基本結(jié)構(gòu)及運行方式，分區(qū)域介紹了相關(guān)保護配置情況及相互間的配合關(guān)系，針對UPFC 設備可能出現(xiàn)的典型故障及其動作結(jié)果進行了詳細說明。

1 蘇南UPFC基本結(jié)構(gòu)及作用

蘇南500 kV UPFC工程基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。有3組換流器，兩串一并，均采用模塊化多電平結(jié)構(gòu)。其中1號換流器為并聯(lián)換流器，高壓側(cè)引自500 kV木瀆變；2號和3號換流器均為串聯(lián)換流器，利用串聯(lián)變壓器串接于梅里至木瀆雙回線路中。換流器正常運行時，3個換流器構(gòu)成雙回線路UPFC，共用直流母線，控制雙回線路的有功功率和無功功率。同時，也可以根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度的需求，利用直流隔離刀閘開斷使系統(tǒng)分別工作在雙回線UPFC、線路1單回UPFC、線路2單回UPFC、靜止同步補償器(static synchronous compensator，STATCOM)4種模式。

UPFC利用并聯(lián)換流器和串聯(lián)換流器連接成背靠背的形式，實現(xiàn)2個換流器交流端之間的有功功率雙向流動。2個換流器共用一組直流母線電容，構(gòu)成了一種理想的AC/AC功率變換器，每個換流器都可在其交流輸出端產(chǎn)生或吸收無功功率。

圖1 蘇南500 kV UPFC結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of UPFC structure in Suzhou 500 kV Southern Power Grid

串聯(lián)換流器通過串聯(lián)變壓器注入幅值相角均可調(diào)的電壓，疊加在線路端電壓上使其可以任意調(diào)節(jié)，從而改變線路的等效阻抗、線路兩側(cè)相角、線路端電壓幅值，以實現(xiàn)線路潮流調(diào)節(jié)。并聯(lián)換流器為背靠背的串聯(lián)換流器提供了一條有功功率傳輸通道，也可以向系統(tǒng)提供或吸收無功功率，維持直流母線電壓恒定，起到靜止同步補償功能。

2 蘇南UPFC保護系統(tǒng)配置

蘇南500 kV UPFC工程包括3個換流器及其相關(guān)附屬交直流設備。按整體配置一套UPFC保護系統(tǒng)，保護范圍為并聯(lián)變壓器以及串聯(lián)變壓器閥側(cè)保護用電流互感器(current transformer, CT)之間的區(qū)域。按區(qū)域劃分為UPFC保護區(qū)、變壓器保護區(qū)，與線路保護配合，每一個保護區(qū)與相鄰保護的區(qū)域重疊，以確保整個系統(tǒng)無保護死區(qū)，具體保護劃分如圖2所示。

圖2 蘇南500 kV UPFC保護分區(qū)配置Fig.2 Protection configuration diagram of UPFC in Suzhou 500 kV Southern Power Grid

在圖2中，線路保護雙重化配置，包括氣體絕緣金屬封閉輸電線路(gas insulated metal enclosed transmission line, GIL)保護及常規(guī)線路保護。變壓器保護分為串聯(lián)變壓器保護及并聯(lián)變壓器保護，電量保護雙重化配置，非電量保護單套配置。UPFC換流器保護包括閥交流保護區(qū)、換流閥保護區(qū)和直流母線保護區(qū)，采用三重化配置，動作信號通過三取二裝置后出口，保障設備動作的可靠性。

2.1 UPFC換流器保護區(qū)

UPFC換流器保護區(qū)的保護范圍為并聯(lián)變壓器和串聯(lián)變壓器閥側(cè)之間的區(qū)域，目的是防止危害UPFC系統(tǒng)和設備的過電壓、過應力，以及接地、斷線、開關(guān)失靈等故障[9]。主要分為閥側(cè)交流連接線區(qū)域、換流閥區(qū)域、直流母線區(qū)域，配置如圖3所示。蘇南工程的UPFC換流器保護采用三重化配置，配置3套相互獨立的保護設備，出口采用"三取二"邏輯判別，保障設備動作的可靠性。該“三取二”邏輯同時實現(xiàn)于獨立的三取二主機和控制主機中。

圖3 UPFC換流器保護分區(qū)配置Fig.3 Configuration diagram of converter protection

閥側(cè)交流連接線區(qū)域如圖3中區(qū)域A所示，主要配置閥側(cè)連接線差動保護、閥側(cè)過流保護、閥側(cè)過壓保護、零序過流保護、零序過壓保護以及短引線保護。

換流器保護區(qū)如圖3中區(qū)域B所示，包括換流閥及橋臂電抗器等，配置橋臂過流保護、橋臂環(huán)流保護、電抗器差動保護和閥差動保護。換流器結(jié)構(gòu)復雜，器件對電流、電壓和溫度等靈敏，所以保護配置也相對復雜，動作過程和處理結(jié)果也與常規(guī)保護有些出入。

直流保護區(qū)負責直流連接線路的保護，如圖3中區(qū)域C所示，主要包含直流過壓保護、直流低電壓保護等。

UPFC換流器保護的動作結(jié)果主要包括閉鎖換流閥、跳交流側(cè)進線開關(guān)、觸發(fā)晶閘管旁路開關(guān)(thyristor bypass switch，TBS)、合串聯(lián)側(cè)旁路開關(guān)，不同換流器的動作結(jié)果也有區(qū)別。

(1) 并聯(lián)換流器保護動作：報警、切換控制系統(tǒng)、閉鎖并聯(lián)換流器、跳并聯(lián)變壓器閥側(cè)開關(guān)、失靈跳并聯(lián)變壓器網(wǎng)側(cè)開關(guān)。

(2) 串聯(lián)換流器保護動作：報警、切換控制系統(tǒng)、閉鎖串聯(lián)換流器、觸發(fā)晶閘管旁路開關(guān)TBS導通、合串聯(lián)變壓器線路側(cè)旁路開關(guān)、合串聯(lián)變壓器閥側(cè)旁路開關(guān)。

(3) 并聯(lián)換流器保護區(qū)故障聯(lián)跳串聯(lián)換流器，串聯(lián)換流器閥側(cè)交流連接線區(qū)域故障僅退出相應側(cè)的換流器，換流閥區(qū)域、直流母線區(qū)域故障聯(lián)跳其它換流器。

(4) 由線路(非GIL段)瞬時故障引起UPFC閥側(cè)過流、連接線快速過流等保護動作而停運換流器，在線路重合閘成功后，UPFC具有自啟動功能。

2.2 變壓器保護區(qū)

變壓器保護區(qū)主要分為串聯(lián)變壓器保護及并聯(lián)變壓器保護，均配置了雙套電量保護及單套非電量保護。

2.2.1 串聯(lián)變壓器保護

串聯(lián)變壓器是本次UPFC工程核心設備之一，是換流器與交流系統(tǒng)交換功率的樞紐，主要作用是聯(lián)結(jié)UPFC成套裝置和線路并進行功率交換，補償線路的壓降[17]。本工程串聯(lián)變壓器非電量保護與常規(guī)保護區(qū)別不大，電量保護配置與常規(guī)有所區(qū)別，電量保護配置如圖4所示。

圖4 串聯(lián)變壓器電量保護配置Fig.4 Configuration diagram of electric quantity protection of series transformer

從圖中可以看出，串變保護僅配有縱聯(lián)差動保護和繞組差動。雖然同樣是三卷變，但縱差保護只有高壓側(cè)和中壓側(cè)兩側(cè)差動。△側(cè)為平衡側(cè)，用于諧波監(jiān)視等，不參與差動計算。串變的繞組差動反映的是網(wǎng)側(cè)首末端電流之間的差動。后備保護只配置了過流保護和繞組過壓保護。其中：

(1) 串聯(lián)變壓器保護采用變壓器一次繞組兩端的CT， 配置繞組差動保護。

(2) 串聯(lián)變壓器保護配置過電壓保護， 防止在變壓器近端線路接地故障時，變壓器端電壓升高帶來的過激磁問題。

(3) 串聯(lián)變壓器保護的主保護、 后備保護均設置二時限。當一時限動作后保護仍不返回(旁路開關(guān)未合上)，二時限保護跳木瀆側(cè)線路開關(guān)、同時遠跳梅里側(cè)線路開關(guān)，并啟動線路開關(guān)失靈保護。

串聯(lián)變壓器電量保護動作采取停運相應線路換流器的動作策略。切除故障的方式為合TBS、合變壓器高低壓側(cè)旁路開關(guān)，同時閉鎖UPFC換流器、閉鎖線路重合閘。

當串聯(lián)變壓器電量保護動作且高壓側(cè)開關(guān)合閘失靈時，串聯(lián)變壓器保護二時限動作發(fā)跳閘信號給線路保護啟動線路保護遠跳梅里、木瀆側(cè)線路開關(guān)并閉鎖重合閘。此外，本工程串聯(lián)變壓器保護還配置了跟合功能，即當UPFC 保護動作時，三取二裝置會給串變保護發(fā)送失靈信號、換流器控制裝置發(fā)送閥閉鎖信號，2個信號同時出口以啟動串變跟合功能。

2.2.2 并聯(lián)變壓器保護

UPFC中并聯(lián)變壓器的作用是與換流器共同實現(xiàn)交直流之間的相互轉(zhuǎn)換，并為串聯(lián)側(cè)提供有功、無功功率，也同時實現(xiàn)了直流部分和交流系統(tǒng)之間的電氣隔離[7]。并聯(lián)變壓器非電量保護與常規(guī)保護一致，電量保護配置也與常規(guī)保護差異不大，如圖5所示。本工程并聯(lián)變壓器電量保護的主保護配置為差動保護，包括縱聯(lián)差動和分相差動，后備保護配置了相間阻抗、復壓過流、零序過流、交流過欠壓、接地過流保護。

當并聯(lián)變壓器電量保護動作時，會跳并變?nèi)齻?cè)斷路器且閉鎖并聯(lián)換流器。并變高壓側(cè)斷路器配置斷路器保護柜，當開關(guān)跳閘失靈時，則遠跳木瀆側(cè)邊中開關(guān)。并聯(lián)換流器作用之一便是維持直流母線電壓恒定，因此并聯(lián)側(cè)故障會聯(lián)跳2個串流換流器，即UPFC站全停。

圖5 并聯(lián)變壓器電量保護配置Fig.5 Configuration diagram of electric quantity protection of shunt transformer

2.3 線路保護區(qū)

木瀆站至UPFC并聯(lián)變壓器高壓側(cè)、兩路串聯(lián)變壓器高壓側(cè)進線端采用GIL線路，UPFC串聯(lián)變壓器高壓側(cè)出線端至梅里站采用架空線路，因此UPFC工程線路保護分為GIL保護及常規(guī)線路保護。線路保護配置如圖6所示，其中GIL保護配置差動保護，常規(guī)線路保護以差動保護為主保護，距離及零序作為后備保護。GIL線路保護主要動作包括跳線路兩側(cè)開關(guān)、閉鎖重合閘、閉鎖換流器、合高低壓側(cè)旁路斷路器。

圖6 線路保護配置Fig.6 Configuration diagram of line protection

當串聯(lián)GIL線路區(qū)內(nèi)發(fā)生故障時，木瀆變側(cè)GIL線路保護跳閘并閉鎖相應串內(nèi)斷路器重合閘。UPFC站側(cè)GIL線路保護通過專用通信接口裝置遠跳梅里側(cè)相應串內(nèi)斷路器并閉鎖重合閘。UPFC站內(nèi)GIL線路保護裝置向三取二裝置發(fā)送跳閘信號，閉鎖換流器、合TBS、合高低壓側(cè)旁路斷路器。

梅里至木瀆線路GIL區(qū)外部分配置重合閘功能。交流線路故障后，跳開線路兩側(cè)斷路器，閉鎖相應線路的換流器、合TBS、合高低壓側(cè)旁路斷路器。經(jīng)過設定時間后斷路器重合閘，若重合于故障，則閉鎖重合閘，永久跳開線路斷路器。線路故障是瞬時性的還是永久性的、線路故障是否清除，是串入該線路UPFC能否進行重啟的條件之一。

對于并聯(lián)線路，木瀆站和UPFC站均配置GIL保護裝置。當GIL線路區(qū)內(nèi)發(fā)生故障時，木瀆變相應串內(nèi)斷路器跳閘并閉鎖重合閘。UPFC站跳并聯(lián)變壓器三側(cè)斷路器，閉鎖3個換流器，合2個串聯(lián)側(cè)的TBS、高低壓側(cè)旁路斷路器，即UPFC站全停。

3 蘇南UPFC典型故障點保護動作結(jié)果

蘇南UPFC工程典型故障根據(jù)位置可分為區(qū)外系統(tǒng)故障，變壓器與換流器之間故障，換流器故障和直流母線區(qū)域故障。交流處故障按類型劃分包含單相接地、相間及相間接地等故障。換流器及直流處包括單極接地、雙極短路、器件間短路故障等。上述故障均包括瞬時故障及永久性故障[9]。本文以串聯(lián)換流器2為例設置了典型故障點，示意圖如圖7所示，對應的故障點說明見表1。

表1所列故障為串聯(lián)換流器2的典型故障及其區(qū)外故障。這些故障會引起 UPFC一系列電氣量的異常，從而對主設備和換流器造成不同程度的威脅。如變壓器故障根據(jù)位置和類型的不同會導致GIL線路的動作，也會引起相鄰線路換流器的閥側(cè)交流線路過流保護動作。直流母線短路，直流電壓急劇降低，大電流流過橋臂會導致閥交流側(cè)電流隨之增大，而直流母線的故障會波及連接于該母線的所有換流器，因此整個UPFC設備都受到影響。由于UPFC故障有聯(lián)鎖反應，因此不同故障點的動作結(jié)果也不盡相同。

圖7 蘇南UPFC工程典型故障點示意Fig.7 Schematic diagram of typical fault points of UPFC project in Suzhou 500 kV Southern Power Grid

表1 UPFC系統(tǒng)典型故障點對應描述
Tab.1 Corresponding description of typical fault points of UPFC system

編號故障點描述分類F1梅木線近梅里側(cè)出口故障F2梅木線線路中點故障線路故障(GIL區(qū)外)F3梅木線串變近梅里側(cè)故障F4梅木線串變近梅里側(cè)故障GIL區(qū)內(nèi)故障F11梅木線木瀆側(cè)出口故障F5串變網(wǎng)側(cè)匝對地故障F6串變網(wǎng)側(cè)匝間故障串變故障F7串變閥側(cè)匝對地故障F8串變閥側(cè)匝間故障F9串聯(lián)變壓器閥側(cè)交流連接線故障UPFC換流器故障F10直流母線單極接地故障F12梅木I線中點故障區(qū)外故障

針對串聯(lián)換流器2的動作結(jié)果進行描述，均為瞬時故障，各故障點動作結(jié)果如下所示：

(1) F1、F2、F3。該故障點位于木瀆—梅里架空線路中，屬于GIL保護區(qū)外故障，瞬時單相接地故障會導致線路保護動作跳兩側(cè)開關(guān)，線路保護聯(lián)跳串聯(lián)換流器2或閥側(cè)交流過流而動作，在線路重合閘成功后換流器重啟。串聯(lián)換流器1同樣會因為閥側(cè)交流快速過流保護而動作，指定時間后重啟。當該故障為相間短路或接地時，線路閉重，串聯(lián)換流器2停運，串聯(lián)換流器1動作后重啟。

(2) F4、F11。該故障點屬于線路GIL保護區(qū)內(nèi)故障，會導致線路保護動作跳兩側(cè)開關(guān)且閉鎖重合閘，且保護聯(lián)跳換流器2，不重啟。串聯(lián)換流器1同樣會因為閥側(cè)交流快速過流保護而動作，重啟條件滿足后換流器重啟。

(3) F5。該故障點位于GIL保護和變壓器保護區(qū)內(nèi)，會導致串聯(lián)2換流器的GIL差動保護或變壓器繞組差動保護動作跳兩側(cè)開關(guān)。同時換流器本體閥側(cè)交流過流或快速過流保護也會動作，線路不重合。串聯(lián)換流器1閥側(cè)交流快速過流保護而動作，重啟條件滿足后換流器重啟。

(4) F6。該故障點處，較小百分比的匝間故障不會導致串變及線路保護動作。當匝間短路百分比較大時，串變差動保護動作，閉鎖換流閥，線路不重啟。串聯(lián)換流器1不受影響。

(5) F7。該故障點處線路保護不動作。因串變閥側(cè)經(jīng)高阻接地，所以變壓器縱差保護不動作。串聯(lián)換流器2本體保護閥側(cè)快速過流動作，不重啟。串聯(lián)換流器1同樣會因為閥側(cè)交流快速過流保護而動作，重啟條件滿足后換流器重啟。

(6) F8。該故障點處較大百分比繞組匝間故障，串變差動保護不動作，UPFC保護動作，隔離故障。較小繞組匝間故障時，UPFC保護不動作，串變工頻變化量差動保護動作。串聯(lián)換流器1同樣會因為閥側(cè)交流快速過流保護而動作，重啟條件滿足后換流器重啟。

(7) F9。該故障點會導致串聯(lián)換流器2快速過流保護及閥側(cè)連接線差動保護動作，閉鎖換流器同時合高低壓側(cè)旁路開關(guān)，換流器不重啟。串聯(lián)換流器1不受影響。

(8) F10。該故障點的故障會導致串聯(lián)換流器2直流電壓不平衡，換流器1閥側(cè)過壓保護，閥側(cè)過流保護動作，整個UPFC站全停。

(9) F12。該故障點屬于串聯(lián)換流器2的區(qū)外故障。串聯(lián)換流器2快速過流保護及閥側(cè)過流保護動作，閉鎖換流器同時合高低壓側(cè)旁路開關(guān)，換流器會重啟。串聯(lián)換流器1因線路保護動作，線路重合閘成功后重啟換流器。

4 結(jié)語

本文介紹了500 kV蘇南UPFC工程基本結(jié)構(gòu)及運行概況，闡述了工程保護配置，并對典型故障點的動作結(jié)果及各區(qū)域保護之間的配合進行說明。保護配置保證工程的安全穩(wěn)定運行，為更高電壓等級的柔性輸電系統(tǒng)保護研究提供了參考。

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