含統(tǒng)一潮流控制器輸電線路斷路器保護研究

朱曉彤， 趙青春， 謝 華， 劉 奎， 潘 磊

(南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102)

0 引言

統(tǒng)一潮流控制器(unified power flow controller，UPFC)作為功能強大的柔性交流輸電設(shè)備，為傳統(tǒng)手段難以解決的潮流分布不均、供電能力提升等問題提供了新的技術(shù)手段。UPFC的推廣應(yīng)用對于建設(shè)堅強智能電網(wǎng)，降低智能電網(wǎng)的能量損耗以及提高電能輸送效率等方面都具有重要的意義[1-2]。隨著2015年南京220 kV西環(huán)網(wǎng)統(tǒng)一潮流控制器工程的成功投運[3]，國內(nèi)正在逐步開展UPFC在更高電壓等級、更大范圍內(nèi)的規(guī)模性推廣應(yīng)用的研究工作[4]。

針對統(tǒng)一潮流控制器基礎(chǔ)仿真、控制策略等方面較早開展了基礎(chǔ)研究[5-9]，目前國內(nèi)針對UPFC接入以后的研究多集中在如下兩個方面：(1) 對于UPFC本體系統(tǒng)控制保護優(yōu)化研究。文獻[10]通過構(gòu)建UPFC新型潮流計算模型，設(shè)計了一種利用中間控制變量代替直接控制方式的控制策略；文獻[11]針對基于MMC的UPFC系統(tǒng)優(yōu)化閥側(cè)短引線差動保護性能；文獻[12]研究了一種具有短路限流功能的統(tǒng)一潮流控制器優(yōu)化結(jié)構(gòu)，給出了具體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及控制策略。(2) UPFC接入后交流保護適應(yīng)性措施研究。文獻[13]針對同桿雙回線中引入UPFC以后對于傳統(tǒng)距離保護的影響以及解決措施進行研究；文獻[14]通過類比串補與UPFC系統(tǒng)的典型差異，總結(jié)對于交流保護的影響并提出適應(yīng)性措施；文獻[15]針對南京西環(huán)網(wǎng)220 kV UPFC工程中保護的配置和配合策略進行了分析研究。

隨著UPFC在更高電壓等級中的應(yīng)用進入工程實施階段，500 kV系統(tǒng)中交流保護將新增斷路器保護(circuit breaker protection，CB Protection)配置，自動重合閘與失靈保護等功能均包含在斷路器保護中。UPFC接入后如何構(gòu)建UPFC本體與斷路器保護之間交互配合的通道，斷路器保護如何實現(xiàn)高效可靠地重合閘從而滿足UPFC整體系統(tǒng)可靠運行的要求，是當(dāng)前階段面臨的新問題，需要重新進行系統(tǒng)性的綜合考慮。

本文針對500 kV含UPFC系統(tǒng)斷路器保護存在的問題進行分析研究，指出該系統(tǒng)對于斷路器保護功能配置的特殊需求，繼而提出完備的成套解決措施為現(xiàn)場工程實施提供參考。

1 蘇州南部電網(wǎng)UPFC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本節(jié)針對UPFC典型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行說明，明確UPFC系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備配置及其功能，結(jié)合蘇州南部電網(wǎng)500 kV UPFC示范工程網(wǎng)架結(jié)構(gòu)[16]，說明斷路器保護配置情況及其在整個交流保護系統(tǒng)中需要特殊考慮的環(huán)節(jié)。

1.1 UPFC典型結(jié)構(gòu)介紹

實現(xiàn)單回線路控制的UPFC系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖 1所示，它由兩個背靠背的電壓源換流器構(gòu)成，兩個換流器共用直流母線，二者都通過聯(lián)接變壓器接入系統(tǒng)中。其中，換流器1對應(yīng)的聯(lián)接變壓器以并聯(lián)形式接入，換流器2對應(yīng)的聯(lián)接變壓器以串聯(lián)形式接入[17]。

圖1 UPFC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure diagram PFC system

換流器1的功能是通過公共直流母線提供或吸收換流器2所需要的有功功率，以維持串聯(lián)變壓器與線路之間的有功功率交換；換流器2的功能是通過串聯(lián)聯(lián)接的變壓器向線路注入幅值和相角均可控的電壓矢量，可同時或有選擇性地調(diào)節(jié)線路上的電壓、阻抗和相角。除了換流器2能與系統(tǒng)進行有功和無功功率的交換外，換流器1也可同時發(fā)出或吸收無功功率，為系統(tǒng)提供獨立的并聯(lián)無功補償。

為應(yīng)對本體以及交流系統(tǒng)故障，UPFC系統(tǒng)配置了齊全的保護，能夠在系統(tǒng)故障時通過網(wǎng)側(cè)、閥側(cè)旁路開關(guān)以及并聯(lián)側(cè)的進線開關(guān)快速動作，起到故障隔離的效果，UPFC本體交流及直流側(cè)配置的保護功能主要包括：

(1) 并聯(lián)側(cè)交流保護：短引線差動保護、交流過壓欠壓保護、零序過流保護；

(2) 串聯(lián)側(cè)交流保護：短引線差動保護、交流過壓欠壓保護、零序過流保護、避雷器保護；

(3) 換流器保護：連接線差動保護、閥側(cè)過流過壓保護、直流欠壓過壓不平衡保護、橋臂相關(guān)保護等。

UPFC接入后交流系統(tǒng)保護配置需相應(yīng)的進行調(diào)整，主要包括串聯(lián)變壓器保護、并聯(lián)變壓器保護、線路保護、斷路器失靈及自動重合閘保護、母差保護等。為適應(yīng)UPFC接入后系統(tǒng)電氣特征變化及UPFC運行控制的特殊需求，部分交流保護功能須針對性地進行優(yōu)化完善以保證整體系統(tǒng)的運行效果。

1.2 蘇州南部電網(wǎng)UPFC工程網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

為解決蘇州南部電網(wǎng)在直流小方式下梅木雙線的N-1過載問題，保證充分消納錦蘇直流輸送功率，提升蘇南地區(qū)電網(wǎng)的動態(tài)無功/電壓支撐能力，選擇在緊鄰500 kV木瀆變裝設(shè)UPFC裝置，站址位于蘇州市吳中區(qū)藏書鎮(zhèn)篁村，南距藏書鎮(zhèn)約4 km，北距蘇州世紀(jì)大道約3 km，西側(cè)距藏北路約300 m。將梅里—木瀆雙回線改接至UPFC，實現(xiàn)UPFC裝置在梅里—木瀆雙回線的控制功能，UPFC站出線5回，梅里2回，木瀆3回(2回串聯(lián)變壓器，1回并聯(lián)變壓器)。

新增UPFC接入的木瀆至梅里雙回線路詳細(xì)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)如圖 2所示。

圖2 梅木雙線網(wǎng)架結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of Meili-Mudu double transmission line

對于500 kV一個半斷路器接線方式，區(qū)別于220 kV系統(tǒng)，其斷路器重合閘功能及失靈保護功能均配置在斷路器保護中。斷路器保護依據(jù)不同的接線情況，需要進行相應(yīng)的交互配合處理，主要考慮如下幾種接線情況下的斷路器保護功能改進：

(1) 木瀆變5053邊斷路器，梅里變5053邊斷路器，間隔出線均增加了UPFC接入；

(2) 木瀆變5052斷路器為線變串的中斷路器，靠近Ⅰ母側(cè)間隔為并聯(lián)變壓器；

(3) 梅里變5052斷路器為線線串的中斷路器，靠近Ⅰ母側(cè)間隔為常規(guī)出線，不含UPFC。

作為國內(nèi)首個500 kV UPFC示范工程，蘇州南部電網(wǎng)500 kV UPFC示范工程在實施過程中充分考慮不同接線方式下UPFC與斷路器保護之間交互配合，從而提升整體系統(tǒng)運行可靠性[18]。

2 斷路器重合閘與UPFC本體配合要求

為了針對含UPFC系統(tǒng)斷路器保護進行適應(yīng)性改進，需要在結(jié)合UPFC本體控制保護特性和整體系統(tǒng)運行要求基礎(chǔ)上，分析既有的斷路器保護功能配置，提出含UPFC系統(tǒng)中斷路器保護運行指標(biāo)。

2.1 常規(guī)斷路器保護邏輯介紹

常規(guī)斷路器保護全稱為斷路器保護與自動重合閘裝置[19]，裝置功能包括斷路器失靈保護、三相不一致保護、死區(qū)保護、充電過流保護和自動重合閘等。與UPFC接入后配合關(guān)系最為密切的是斷路器保護自動重合閘功能。

目前國內(nèi)110 kV及以上電壓等級應(yīng)用的斷路器重合閘均為一次重合閘方式，可實現(xiàn)單相重合閘或三相重合閘。在500 kV系統(tǒng)一個半斷路器接線系統(tǒng)中，一般采用單相重合閘方式。單相重合閘由兩種啟動方式，一是由線路保護跳閘啟動重合閘，二是由斷路器跳閘位置啟動重合閘。跳閘位置啟動重合功能可由“單相TWJ啟動重合閘”控制字來設(shè)置該功能的投退。

線路保護跳閘啟動重合閘邏輯如圖 3所示，當(dāng)僅單相跳開，即裝置收到單相跳閘的信號接點且該接點已返回，開始啟動單相重合閘，經(jīng)整定的單相重合閘延時后重合閘動作出口。

圖3 斷路器保護單相重合閘啟動邏輯Fig.3 Starting logic diagram of single phase reclosing for CB protection

斷路器跳閘位置啟動重合閘邏輯如圖 3所示，當(dāng)單相跳閘位置開入滿足且投入“單相TWJ啟動重合閘”控制字時，開始啟動單相重合閘，經(jīng)整定的單相重合閘延時后重合閘動作出口。

從上文邏輯說明可以看出，常規(guī)斷路器保護重合閘功能在識別斷路器跳閘以后即開始進行重合閘計時，不受其他外部條件影響，對于在輸電線路中接入UPFC系統(tǒng)以后，常規(guī)的斷路器保護重合閘功能將不能完全適用。

2.2 含UPFC系統(tǒng)斷路器重合閘配合要求

由于電力電子器件耐受沖擊能力相對較弱，需要盡量避免出現(xiàn)帶UPFC重合的情況，特別是當(dāng)帶UPFC重合于永久性故障時，對于串聯(lián)變壓器以及相應(yīng)的直流側(cè)設(shè)備，都會帶來較大的影響。與常規(guī)串聯(lián)電容、串聯(lián)電抗等補償設(shè)備能夠耐受重合閘沖擊不同，UPFC系統(tǒng)需要重點考慮其在重合閘期間的整體耐受能力。

一方面，適應(yīng)UPFC接入的輸電線路保護與UPFC本體控制保護之間增加了相互配合，當(dāng)線路保護動作后，聯(lián)動UPFC本體保護，從而實現(xiàn)將UPFC退出運行；另一方面，由于難以保證在重合閘時UPFC已經(jīng)退出運行，需要在UPFC系統(tǒng)與斷路器保護之間構(gòu)建相互配合通道，增加相應(yīng)的邏輯處理環(huán)節(jié)，從而保證不會出現(xiàn)帶UPFC重合閘的工況。

考慮到UPFC系統(tǒng)的可靠性，對于斷路器保護重合閘邏輯提出了明確要求：斷路器保護不能重合于UPFC系統(tǒng)運行狀態(tài)，即當(dāng)斷路器保護重合閘時UPFC串聯(lián)變壓器網(wǎng)側(cè)旁路開關(guān)應(yīng)該處于閉合狀態(tài)，從而避免重合閘對于串聯(lián)變壓器以及直流側(cè)系統(tǒng)造成影響。

3 適應(yīng)UPFC接入的斷路器保護解決方案

由于UPFC系統(tǒng)具備完整的控制保護邏輯，采集了相應(yīng)的測量PT、CT、斷路器位置等關(guān)鍵信息，并且在UPFC站與交流站之間構(gòu)建了相應(yīng)的通信渠道，使得UPFC系統(tǒng)與斷路器保護之間的緊密配合成為可能，本節(jié)針對上文提出的問題，為斷路器保護提出成套解決方案，以滿足UPFC接入以后的系統(tǒng)運行要求。

3.1 重合閘允許判別條件優(yōu)化

依據(jù)上文分析，斷路器保護重合閘時需要UPFC處于退出運行狀態(tài)，直觀來講，串聯(lián)變壓器網(wǎng)側(cè)旁路開關(guān)合閘狀態(tài)能夠有效反應(yīng)這一狀態(tài)。

因此，對于間隔的出線接入UPFC系統(tǒng)時，要在斷路器保護中設(shè)置對應(yīng)的網(wǎng)側(cè)旁路開關(guān)合閘位置開入接口，當(dāng)斷路器保護由于線路保護動作或者斷路器位置啟動重合閘時，必須滿足對應(yīng)的網(wǎng)側(cè)旁路開關(guān)在合位，才允許重合閘動作出口。具體邏輯如圖 4所示。

圖4 斷路器保護重合閘優(yōu)化邏輯Fig.4 Optimization logic of reclosing for CB protection

由于串聯(lián)變壓器閥側(cè)斷路器合閘需要一定時間，為了不影響既有的輸電線路重合閘時間，僅須在斷路器保護重合閘出口前使用該合閘位置進行把關(guān)即可。

3.2 線線串特殊問題考慮

上文提出的引入網(wǎng)側(cè)旁路開關(guān)合閘位置作為重合閘必要條件，能夠有效地解決線變串中出線含UPFC系統(tǒng)的情況。

在常規(guī)系統(tǒng)中，線線串的中斷路器僅具備一組分相跳閘開入，兩條出線的線路保護動作信號并聯(lián)接入該開入，以實現(xiàn)任一線路跳閘均能夠啟動中斷路器重合閘。但在線線串接線方式下，如果兩條出線中，其中一條線路接入UPFC，而另一條為常規(guī)輸電線路，如圖 2中梅里變側(cè)兩個線線串的配置情況，對于這個串內(nèi)的中斷路器，由于串內(nèi)兩條出線的任一線路保護動作均會啟動重合閘，按照新增網(wǎng)側(cè)旁路開關(guān)合位作為重合閘允許條件則常規(guī)線路故障時會出現(xiàn)重合閘無法出口動作問題。

為了解決中斷路器在線線串中的重合閘應(yīng)用問題，在斷路器保護中新增一組分相跳閘開入。應(yīng)用于中斷路器時，常規(guī)線路的線路保護跳閘信號接入原有的分相跳閘開入(第一組分相跳閘開入)，安裝UPFC線路的線路保護分相跳閘信號接入新增的一組分相跳閘開入(第二組分相跳閘開入)。

圖 4所示邏輯進一步優(yōu)化如圖 5所示。當(dāng)有重合閘啟動，且裝置未收到第二組分相跳閘開入，也不是跳閘位置啟動重合閘時，可以認(rèn)為是常規(guī)線路的線路保護裝置跳閘啟動了重合閘，此時重合閘出口不經(jīng)網(wǎng)側(cè)旁路開關(guān)位置把關(guān)；反之則重合閘出口需要經(jīng)網(wǎng)側(cè)旁路開關(guān)位置把關(guān)。

圖5 中斷路器保護重合閘優(yōu)化邏輯Fig.5 Optimization logic of reclosing for Tie CB protection

應(yīng)用于邊斷路器時，當(dāng)其所接線路安裝有UPFC時，上述優(yōu)化后的斷路器保護裝置仍然適用：線路保護的跳閘信號接入第二組分相跳閘開入，第一組分相跳閘開入不接即可。

3.3 不一致運行狀態(tài)保護邏輯改進

當(dāng)斷路器單相偷跳造成三相不一致需要啟動重合閘時，重合閘前也需要串聯(lián)變壓器網(wǎng)側(cè)旁路開關(guān)處于合位。由于系統(tǒng)可能并無線路保護動作，也沒有相關(guān)的擾動造成UPFC停運，此時就需要斷路器保護輸出信號給UPFC控制系統(tǒng)，使其相應(yīng)串聯(lián)側(cè)停運，旁路開關(guān)閉合，此信號通過斷路器保護開出接點輸出。具體邏輯如圖 6所示。

圖6 三相不一致運行時斷路器保護邏輯Fig.6 Logic in three phase inconsistent operation forCB protection

與之相配合的，UPFC收到該信號后臨時退出運行，當(dāng)重合閘完成后，UPFC控制系統(tǒng)監(jiān)測交流系統(tǒng)電壓和電流已經(jīng)恢復(fù)正常，則開始解鎖換流器啟動UPFC重投策略，將UPFC及時投入線路中，從而有效降低對于系統(tǒng)運行帶來的影響。

4 結(jié)語

本文對于500 kV一個半接線斷路器接線方式下接入UPFC后斷路器保護的適應(yīng)性進行評估，對于該系統(tǒng)中斷路器保護重合閘功能提出明確的技術(shù)要求，提出了全新的斷路器保護與UPFC系統(tǒng)之間的交互配合方案，主要包含如下內(nèi)容：(1) 斷路器保護新增一組分相跳閘開入，對應(yīng)間隔的出線如果包含UPFC，則將該線路保護的跳閘接點接入新增的這一組分相跳閘開入；(2) 新增的分相跳閘開入啟動重合閘時，須額外判別串聯(lián)變壓器網(wǎng)側(cè)旁路開關(guān)合閘位置作為重合閘允許條件；(3) 為避免斷路器偷跳造成帶UPFC重合閘，斷路器偷跳啟動重合閘時，將同時輸出信號至UPFC控制設(shè)備用于其臨時退出，重合后及時自動投入運行。

通過上述的配合措施，可有效避免交流線路故障及異常運行狀態(tài)對于UPFC本體設(shè)備帶來的影響，增強整體系統(tǒng)動作可靠性，從而為含UPFC的500 kV系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定運行奠定基礎(chǔ)。