南京UPFC工程控制保護系統架構與配置研究

魯　江，秦　健，潘　磊，董云龍，邱德鋒，黃如海

規劃設計

南京UPFC工程控制保護系統架構與配置研究

魯江1，秦健2，潘磊1，董云龍1，邱德鋒1，黃如海1

（1.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京211102；2.江蘇省電力公司，江蘇南京210024）

統一潮流控制器（UPFC）可以快速靈活地控制線路潮流，改善電網的潮流分布特性，適用于電網發展比較成熟、網架結構較為穩定、存在潮流不均衡問題的電網。文中以南京西環網UPFC工程為例，結合該雙回線路UPFC工程一次系統結構特點，對其控制保護系統的架構及配置方案進行了詳細研究，給出了適合該工程的最終方案，該方案滿足雙回線路UPFC工程的經濟性、靈活性和可靠性要求。

UPFC；雙回線路；控制保護系統；分層配置

統一潮流控制器（UPFC）作為迄今最全面的柔性交流輸電系統（FACTS）設備，既能在電力系統穩定方面實現潮流調節，合理控制有功功率、無功功率，提高線路的輸送能力，實現優化運行；又能在動態方面，通過快速無功吞吐，動態地支撐接入點的電壓，提高系統電壓穩定性；還可以改善系統阻尼，提高功角穩定性［1，2］。對于規劃比較成熟、網架結構較為穩定的電網，受老線路輸電能力的限制，通常會存在潮流輸送能力不足的問題；同時，由于輸電走廊及變電站占地面積緊張，通過增加輸電通道提高輸電能力的代價巨大，甚至不可能實現。利用UPFC可以均衡電網的潮流分布，將潮流從重載線路轉移至輕載線路，從而提升電網的輸電能力，可推遲或避免新建輸電線路［3，4］。

1　南京UPFC工程概況

南京西環網是南京城網的主要負荷中心，其網架結構如圖1所示。

圖1　南京主城西環網結構示意圖

由于電網結構特殊，目前南京主城西環網的沿江輸電通道受限，南北輸電通道負荷分布嚴重不均，且新增線路和擴容改造的成本高、施工難度大。經研究論證，在西環網北通道的鐵北至曉莊雙回線路上安裝UPFC，利用其快速調節電網潮流的能力，可以優化南京西環網潮流，解決曉莊南送斷面潮流過重以及近遠期部分斷面潮流無法滿足N-1校核的問題，因此江蘇省電力公司決定建設南京西環網UPFC示范工程。

南京西環網UPFC示范工程在鐵北—曉莊220 kV雙回線路上安裝一套UPFC，安裝地點為220 kV鐵北變電站。采用3個相同容量的電壓源型UPFC換流器背靠背連接的方式，其一次系統結構如圖2所示。其中UPFC換流器采用基于IGBT的模塊化多電平換流器（MMC）技術［5］，換流器容量設計為3×60 MV·A，各換流器通過隔離刀閘連接至直流公共母線上。

圖2　南京UPFC工程一次系統結構圖

該工程在正常雙回線路UPFC方式運行時，2個換流器串聯接入220 kV線路，分別控制雙回線路的潮流，并可以對線路的有功功率和無功功率獨立控制；另一個換流器并聯接入35 kV交流系統，控制UPFC系統的直流電壓，并可以提高35 kV交流系統的無功儲備能力、控制交流系統電壓。

考慮到雙回線路UPFC系統運行的經濟性、靈活性和可靠性，該工程的一次系統通過增加轉換刀閘，使串、并聯側換流器互為備用，3個換流器均可以分別并聯接入35 kV交流系統，而換流器1、換流器2可以分別串聯接入220 kV線路1，換流器1、換流器3可以分別串聯接入220 kV線路2，連接方式的切換通過轉換刀閘實現；另外，考慮到并聯側系統的重要性，配置2臺并聯變壓器分別接入35 kV系統的2個分段母線，2組并聯變壓器互為備用。

在串聯側每組串聯變壓器兩側分別配置1臺高壓側機械旁路開關（HVB）、1臺低壓側機械旁路開關（LVB）和1臺快速晶閘管旁路開關（TBS）。TBS開關采用晶閘管反并聯技術，當線路故障、串聯變壓器故障或者串聯換流器區故障時，TBS能夠迅速導通（導通延時小于2 ms），將串聯側換流器旁路，隔離換流閥和交流線路，避免交流系統和閥區故障的相互影響，提高系統的可靠性。

采用上述結構后，提高了該工程的經濟性、靈活性和可靠性，其具有多種運行方式，各運行方式的基本結構如下：

（1）UPFC運行方式。1個換流器通過并聯變壓器接入35 kV交流系統，另外1個或2個換流器通過串聯變壓器串聯接入220 kV的一回或雙回線路，換流器直流側連接。此為該工程的正常運行方式。

（2）SSSC（靜止同步串聯補償器）運行方式。1個或2個換流器分別通過串聯變壓器串聯接入220 kV的一回或雙回線路，換流器直流側斷開。該運行方式在1個或2個換流器故障情況下采用，此時仍可以實現對交流線路的潮流控制目標。

（3）STATCOM（靜止同步補償器）運行方式。1個換流器通過并聯變壓器接入35 kV交流系統，換流器直流側斷開。該運行方式在2個換流器故障等某些特殊情況下采用，可以實現對35 kV交流系統的無功、交流電壓控制。

2　南京UPFC工程控制保護系統架構

2.1控制保護系統架構方案研究

根據南京UPFC工程一次系統的結構特點，有2種可行的UPFC控制保護系統架構方案。

2.1.1方案1

方案1中UPFC控制保護裝置按換流器分區配置，且控制和保護合并配置，配置結構如圖3所示。

方案1特點是按照換流器分別配置3套雙重化配置的UPFC控制保護裝置，對各串聯側換流器和并聯側換流器進行分區控制；保護也采用分區方式，將3個換流器分為3個獨立的保護區，由對應的控制保護裝置進行保護，并分別與變壓器保護、交流線路保護配合，實現整個系統的保護功能。圖3中，淺色虛線為并聯側控制保護區，深色虛線為串聯側控制保護區。

圖3　方案1結構圖

方案1中交流系統的控制和UPFC協調控制策略需要通過各換流器間配置的通訊來實現。由于換流器可以在接入并聯側或串聯側之間進行切換，因此每個控制保護裝置均需要接入串并聯交流側、轉換刀閘及本換流器直流側的所有相關開關量和模擬量，保護邏輯需要根據換流器的接入方式進行適應性切換。

各換流器配置獨立的MMC閥控制裝置（VBC），VBC接收對應控制保護裝置下發的參考波對換流閥進行直接控制；當控制保護裝置檢測到故障，則經晶閘管旁路開關的閥控制裝置（VCU）觸發TBS開關。另外，由于換流器1通過轉換刀閘的操作可作為換流器2和換流器3的備用，與串聯變壓器連接控制線路潮流，因此換流器1控制保護裝置需要可分別觸發2 個TBS開關導通，每個TBS開關的VCU裝置也需要可接收2個換流器控制保護裝置的晶閘管觸發信號。

2.1.2方案2

方案2中將控制和保護分開，控制分區配置、保護整體配置，配置結構如圖4所示。

方案2的特點是控制與保護獨立配置，控制系統采用雙重化配置方案，配置3套雙重化的換流器控制裝置分別控制3個換流器，配置1套雙重化的交流站控裝置用于控制交流系統；保護系統采用三取二配置方案，配置1套三重化的UPFC保護裝置及雙重化的三取二裝置，保護整個UPFC設備區，并與變壓器保護、交流線路保護配合，實現整個系統的保護功能。方案2中交流系統控制和UPFC協調控制策略由交流站控裝置來實現。因負責保護整個UPFC設備區，每個保護裝置均接入所有換流器的交流側、轉換刀閘及直流場所有相關開關量和模擬量。各換流器配置獨立的MMC閥控制裝置（VBC），VBC接收對應控制裝置下發的參考波對換流閥進行直接控制；當UPFC保護檢測到故障，則通過三取二裝置經VCU觸發TBS開關。

2.1.3方案比較

2種方案的比較結果如表1所示。

圖4　方案2結構圖

表1　南京UPFC工程控制保護系統架構方案比較

由表1可見，方案2中分區結構更為清晰，控制保護邏輯較為簡單，各裝置間交換的信息相對較少，該方案充分考慮了控制保護系統的可靠性，因此該工程的控制保護系統架構最終確定采用方案2。

2.2控制保護系統分層結構

在該工程的控制保護系統架構方案確定后，控制保護系統的總體分層結構劃分如下：

（1）遠方調度控制層。遠方調度中心經由電力數據網或專線通道，經過站內的遠動工作站對UPFC控制站的設備實施遠方監視與控制。

（2）UPFC控制站運行人員控制層。通過站內運行人員工作站對UPFC控制站的所有設備實施監視與控制。

（3）UPFC控制站控制保護設備層。含交流站控、UPFC控制保護及輔助系統控制設備等。

（4）就地測控單元（I/O單元）層。執行其他控制層的指令，完成對應設備的操作控制。

3　南京UPFC工程控制保護系統配置

3.1控制系統功能配置

該工程中采用的UPFC典型控制方式為并聯側換流器控制直流系統電壓恒定，同時控制與并聯側交流系統的無功功率交換或者控制并聯側系統的交流電壓；串聯側換流器控制雙回交流線路的有功和無功功率、或者曉莊斷面的有功潮流等。

3.1.1估值功能分層結構

參照IEC 60633—1998標準中確定的分層配置原則［6］，經研究將該工程中的UPFC控制功能設計劃分為3個層次：系統級控制、換流器控制和閥控制，控制功能的分層結構如圖5所示。

（1）系統級控制。實現對曉莊斷面的潮流控制、南京西環網其他線路的功率越限控制以及UPFC換流器間協調控制策略等。

（2）換流器控制。包括外環功率控制、交流電壓控制和直流電壓控制，以及內環電流的控制，實現UPFC，SSSC和STATCOM方式起停控制策略等。

（3）閥控制。實現最近電平逼近調制控制、換流器子模塊電容電壓平衡控制等。

各層次的功能配置如表2所示。

3.1.2不同運行方式下對應的控制功能

（1）UPFC方式運行。①并聯側換流器控制：直流電壓控制、35 kV系統交流電壓控制、與35 kV系統交換的無功功率控制。②串聯側換流器控制：線路有功功率控制、線路無功功率控制、雙回線路功率協調控制、曉莊斷面功率控制、西環網其他線路功率過載限制控制。

（2）SSSC方式運行。串聯側換流器控制：直流電壓控制、線路有功功率控制、直流電壓控制、雙回線路功率協調控制、曉莊斷面功率控制、西環網其他線路功率過載限制控制。

圖5　南京UPFC工程控制功能分層結構示意圖

表2　南京UPFC工程控制功能配置表

（3）STATCOM方式運行。并聯側換流器控制：直流電壓控制、35 kV系統交流電壓控制、與35 kV系統交換的無功功率控制。

UPFC的并聯側換流器用于控制直流系統的電壓恒定，保證串聯側換流器能正常工作，一旦并聯側交流系統失電，UPFC系統將停運，為提高系統整體運行的可靠性，該工程配置了并聯變壓器備自投功能，當運行的并聯變壓器故障或者進線電源丟失時，該功能通過快速切除故障支路并投入備用變壓器，可以使UPFC系統繼續保持正常運行。

3.2保護系統功能配置

南京UPFC工程的保護系統配置如圖6所示。

圖6　南京UPFC工程保護系統配置圖

UPFC保護的保護范圍為并聯變壓器的閥側以及串聯變壓器閥側之間的區域，其對3個換流器區及串、并聯連接區模擬量進行采樣，對UPFC整個區域進行保護，同時與變壓器保護、線路保護配合，保證設備的安全運行。UPFC保護按照自身保護區域又被劃分為交流連接線保護區和換流器保護區，兩區的保護范圍相互交叉，保證無死區；另外，為保證換流器免受線路故障時的過電流沖擊，在三取二裝置里還配置了快速保護功能。UPFC保護配置的主要保護功能如表3所示。UPFC保護的動作后果如表4所示。

當UPFC保護檢測到故障時，立即通過三取二裝置發出跳并聯側交流斷路器及合串聯變壓器3個旁路開關的命令，其中晶閘管旁路開關TBS會最先動作，待串聯變壓器的機械旁路開關中任一個合閘后，TBS開關自動斷開。

表3　南京UPFC工程保護功能配置表

表4　南京UPFC工程UPFC保護動作后果表

4　結束語

綜上所述，對于雙回線路UPFC工程，控制保護系統在架構設計上宜采用控制與保護獨立、控制系統按換流器分區配置、保護系統整體配置的方案，在設備配置上宜采用控制系統雙重化配置、保護系統三取二配置的方案，以滿足雙回線路UPFC工程的經濟性、靈活性和可靠性要求。按照分層配置的原則，UPFC控制系統可設計劃分為系統級控制、換流器控制和閥控制3個層次，各層次相互配合實現系統的整體控制目標；UPFC保護按照自身保護區域可劃分為交流連接線保護區和換流器保護區，兩區對應保護功能的保護范圍應相互交叉，保證無死區，并與串聯/并聯側變壓器保護、交流線路保護配合，實現對整個系統的保護。以上可作為后續雙回線路UPFC工程控制保護系統方案確定的參考。

［1］馬凡.統一潮流控制器動態特性及相關控制策略研究［D］.武漢：華中科技大學，2007.

［2］朱鵬程，劉黎明，劉小元，等.統一潮流控制器的分析與控制策略［J］.電力系統自動化，2006，30（1）：45-51.

［3］王旭，祁萬春，黃俊輝，等.柔性交流輸電技術在江蘇電網中的應用［J］.電力建設，2014，35（11）：92-96.

［4］付俊波，朱炳銓，田杰，等.UPFC在浙江金華電網的應用研究［J］.浙江電力，2015：1-4.

［5］連霄壤.基于模塊化多電平的統一潮流控制器拓撲設計［J］.機電工程，2012，29（5）：563-567.

［6］IEC 60633—1998，Terminology for High-voltage Direct Current （HVDC）Transmission［S］.

Study on Architecture and Configuration for Control and Protection System of Nanjing UPFC Project

LU Jiang1，QIN Jian2，PAN Lei1，DONG Yunlong1，QIU Defeng1，HUANG Ruhai1
（1.NR Electric Co.Ltd.，Nanjing 211102，China；2.Jiangsu Electric Power Company，Nanjing 210024，China）

The unified power flow controller（UPFC）can improve the power flow distribution in power grid by regulating the line power flow quickly and flexibly.For the maturely developed region grid with stable grid structure，the UPFC device is a suitable solution for the unbalanced power flow problem.Taking the Nanjing west grid UPFC project as an example and considering the primary system structural characteristics of this double-circuit line UPFC project，the architecture and configurationofthecontrolandprotectionsystemisstudiedindetail.Thefinalschemeofthisprojectisproposed，andtheproposed schemecanmeettherequirementsofthedouble-circuitlineUPFCprojectintermsofeconomy，flexibilityandreliability.

unified power flow controller（UPFC）；double-circuit line；control and protection system；hierarchical configuration

TM761

A

1009-0665（2015）06-0001-05

2015-08-02；

2015-09-10

魯江（1979），男，江蘇江陰人，高級工程師，從事高壓直流輸電、柔性直流輸電及柔性交流輸電技術研究工作；

秦健（1970），男，江蘇啟東人，高級工程師，從事電網工程建設管理、智能電網應用、電網新技術應用等方面的工作；

潘磊（1985），男，湖北荊州人，工程師，從事高壓直流輸電、柔性直流輸電及柔性交流輸電技術研究工作；

董云龍（1977），男，安徽安慶人，高級工程師，從事高壓直流輸電、柔性直流輸電及柔性交流輸電技術研究工作；

邱德鋒（1986），男，江蘇泰州人，工程師，從事高壓直流輸電、柔性直流輸電及柔性交流輸電技術研究工作；

黃如海（1987），男，江蘇南通人，工程師，從事高壓直流輸電、柔性直流輸電及柔性交流輸電技術研究工作。