統一潮流控制器保護功能配置研究

姜崇學，戴　陽，王　瑩，何宏杰

統一潮流控制器保護功能配置研究

姜崇學1，戴陽2，王瑩3，何宏杰2

（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；3.江蘇省電力設計院，江蘇南京211102）

統一潮流控制器（UPFC）能夠靈活快速地控制線路潮流，改善電網的潮流分布。文中基于南京UPFC工程進行分析研究，從系統結構和故障測點出發，針對其雙回線接入方式，提出了系統設備保護的關鍵需求。同時，構建了以網側交流保護區、閥側交流保護區和換流器保護區等組成的完整分區保護策略，以及以模塊保護、閥控保護和系統保護等組成的多層次保護策略。保護系統及保護策略在基于RTDS仿真實驗平臺進行驗證和分析，并給出實驗結果。

UPFC；拓撲結構；故障點；保護策略

統一潮流控制器（UPFC）作為功能最為全面的新一代柔性交流輸電（FACTS）設備，能夠對交流輸電系統多個電氣量實現獨立、快速、準確的控制和動態補償。它能合理地控制潮流，實現優化運行，提升電網供電能力；通過快速地無功吞吐，動態支撐相關變電站的電壓水平，提高系統電壓穩定性；改善系統阻尼特性，提高功角穩定性。UPFC對提高電網供電能力，改善電網潮流分布，提升系統電壓水平起著至關重要的作用，因此UPFC本身的可靠性就顯得更加重要。目前國內已有針對UPFC接入系統后與交流保護相互影響方面的研究，文獻［1，2］中主要集中于線路上裝設UPFC時對距離保護測量阻抗產生的影響，提出了解決方案；文獻［3-5］對交流系統故障時UPFC動作響應和結果進行了研究，基于PSCAD/EMTDC仿真軟件給出研究結果和解決方案。但還未有涉及UPFC自身設備的保護策略、保護功能配置以及自身保護與常規交流保護配合方面的研究。本文以南京UPFC工程為實例，在結合該工程系統拓撲結構的基礎上，研究分析了UPFC設備可能出現的典型故障位置及類型，提出了交直流分區、設備分層的保護策略，建立了無死區、多層次完整的UPFC保護系統。

1　系統拓撲結構

南京UPFC工程采用雙回線路接入方式。并聯側連接于35 kV交流母線，通過兩回進線為UPFC供電，提高設備可靠性；串聯側分別通過不同串聯變壓器接入兩回線路中。如圖1所示。

工程配有3個相同參數的換流器，根據運行方式的不同選擇一個或多個分別與不同交流側進行連接。為了進一步提高UPFC系統可靠性、實現多種方式運行，在換流器與變壓器之間增加轉換隔離開關，通過改變隔離開關的分合位置，使任一換流器均可以連接在并聯或串聯交流系統，達到換流器間冗余備用、運行方式靈活轉換的目的

圖1　南京UPFC拓撲結構

2　UPFC故障點分析

UPFC典型故障根據位置可分為區外系統故障、變壓器與換流器之間故障、換流器故障和換流器間直流系統故障（此處未標出變壓器本體故障）。按類型，則交流處包含單相接地、相間及相見接地等故障，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。UPFC設備正常運行時，并聯連接部分與串聯連接部分結構略有不同，為區分故障發生處，如圖2和圖3所示。

圖2　并聯連接系統故障點示意圖

圖2、圖3中箭頭為故障發生的位置，各故障點的含義內容如表1所示。

圖3　串聯連接系統故障點示意圖

表1　UPFC系統典型故障點對應描述

表1中所列故障，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。如閥交流側故障按照位置和類型的不同會導致該交流母線過流或造成差流，而母線過流會引發橋臂過流等，同時故障導致的閥側電壓不平衡進而使得直流電壓也不平衡。又如直流母線短路，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，因此整個設備都受到影響。由于UPFC故障有聯鎖反應，并且引發的反應不盡相同，因此保護的原理需要更加多樣全面。兼顧保護的靈敏性、可靠性和速動性，劃分保護區域的范圍不宜過大，適當整定各保護的定值和動作時間，相互配合，充分發揮裝置和器件的性能，才能有效保護UPFC設備。

3　保護解決方案

3.1分區保護策略

根據典型故障點的分析，針對不同區域和不同類型的故障，提出分區保護策略，如圖4所示。

圖4　UPFC系統分區策略

（1）交流保護區包含變壓器高壓側以外的區域，配置交流過壓保護、交流欠壓保護和頻率異常保護。由于UPFC與電網緊密連接，所以系統交流的故障有可能對其造成影響；又因該區域屬于UPFC區外，則需合理整定定值，使其動作可靠、準確，既UPFC本身的安全，又不會誤動其他相鄰設備甚至影響電力系統運行。

（2）變壓器保護區包括常規變壓器保護和非電量保護，由于串聯變壓器的特殊性，增加了平衡繞組，因此在此區域內增設平衡繞組的過流保護。

（3）閥交流側保護區包含變壓器低壓側至換流器之間區域，考慮故障位置和類型的多樣化，配置閥側過流保護、閥側過壓保護、零序過流（外接）保護、零序過壓（自產）保護以及電流差動保護。此處以轉換隔離刀閘為斷點，分為引線差動保護和交流母線差動保護，根據運行方式的不同，交流側與換流器并不是一一對應，因此參與差動保護的計算量的對應需要做一定的處理，保證此運行方式下差動保護正確動作且無死區。

（4）換流器保護區包括換流閥及其橋臂電抗器等，配置橋臂過流保護、橋臂環流保護、電抗器差動保護和換流器差動保護。換流器結構復雜，器件對電流、電壓和溫度等靈敏，所以保護配置也相對復雜，動作過程和處理結果也與常規保護有些出入。

（5）直流保護區負責直流連接線路的保護，包含直流過壓保護、直流低電壓保護、直流電壓不平衡保護和直流欠壓過流保護。當直流線路較長時，可增加對線路單獨的直流線路縱差保護。

3.2分層保護策略

3.1節的分析從UPFC整體把握故障點分布，保護設備宏觀故障，但如第（4）點所述，UPFC的換流器結構較為復雜，而其內部不同故障也不必要一致的動作結果，因此將換流器區域分層次處理，即換流器區保護單元分成子模塊層保護子單元、閥控系統層保護子單元和換流器層直流控制保護子單元，如圖5所示。

圖5　UPFC系統分層策略

（1）子模塊是組成換流器的最小單元，其單元內部包含自身的過熱、過壓、電流變化、投切頻率等保護，以及實時監測模塊驅動系統是否正常。當子模塊發現上述任一異常后，會通過合自身的旁路開關達到隔離自己、消除故障的目的，從而最小程度地減少系統的擾動，避免個別子模塊故障對整個閥組的影響，保證系統穩定運行。但子模塊自動旁路后不可自動復歸。

（2）閥控系統是直接對模塊收發狀態信號和指令的控制單元，以橋臂為單位獨立運行。閥控本身采集合并單元發送的橋臂電流量并進行邏輯運算。當閥控系統檢測到下屬子模塊自行旁路失敗、與子模塊通訊發生故障、子模塊冗余個數不足、橋臂過流或者閥控裝置本身故障時，該閥控可快速閉鎖該橋臂并發送請求跳閘信號，通過上層控制保護系統斷開交流開關。

（3）當UPFC一次設備出現故障，且如3.1節分區保護策略的動作結果，此處不再贅述。

（4）UPFC系統包含交直流多種電氣量，保護動作結果較為復雜，單一通過控制交流開關不能完全滿足切斷故障的要求，具體措施及含義，如表2所示。

表2　UPFC動作結果解析

4　保護功能驗證

為驗證第3節中所述保護的策略及相關設備功能的正確性，搭建了基于RTDS的UPFC實時試驗仿真系統。系統完整模擬了南京西環網電網狀況、并聯和串聯變壓器、及UPFC設備等。試驗系統中UPFC工況及額定參數與實際工程一致。具體設備參數如表3所示。

表3　UPFC仿真電氣參數

模擬的故障中比較嚴重的兩類故障波形如圖6和圖7所示。且分別是閥交流側相間短路故障和閥組直流雙極短路故障。圖中波形自上至下依次表示閥側電壓UV、閥側連接線兩端電流IVS，IVC、直流電流ID、直流電壓UD和保護動作信號。

圖6　閥側相間短路故障

從圖6可看到，在發生閥側AB相間短路故障后，UV的兩相電壓幅值相位相同，近交流系統的閥側電流IVS兩相突然增大且方向相反，近換流器的閥側電流IVC先增大，在換流器閉鎖后電流減小，直流電流突變后也由于換流器閉鎖而降為0，直流電壓無法突變，經回路緩慢放電后降為0，故障由閥側電流差動保護、直流低電壓保護動作后切除，此時并聯側跳開交流開關，串聯側合旁路開關，所有的換流器均閉鎖，從而有效地保護了換流器的安全。圖7中，直流雙極短路后直流電壓瞬間下降，直流短路電流迅速上升并通過回路放電后回落，IVS和IVC隨之增大并保持幅值和相位一致。此時橋臂故障電流非常大，閥控系統對換流器進行快速的閉鎖處理后故障由閥側過流保護、直流低電壓保護及換流器差動保護動作切除。換流器閉鎖后，IGBT器件關斷，故障電流只流經二極管，有效保護了器件的安全。

經上述分析可看出，UPFC系統出現故障時通常引發多處部件測量異常，前文提出的分區分層保護策略，可全面快速地切除各處故障，保證設備整體的安全。

圖7　直流雙極短路故障

5　結束語

UPFC是調節電力系統輸電能力的重要設備，由于設備內部結構復雜，且受器件過流和過壓能力的限制，對UPFC本體的保護提出了苛刻的要求。本文以南京UPFC工程為基礎，對不同位置和類型的故障進行了分析，提出了故障的特點和保護需求，構建了電網系統交流區、閥側交流區和換流器區組成的分區域以及由子模塊層、閥控系統層和直流保護系統層組成的多層次的完整的保護系統及保護策略。UPFC故障的檢測方法和主要保護策略經過了RTDS仿真試驗系統的驗證，可以有效保護設備的安全。南京UPFC工程作為國內首個應用，其控制保護技術還需經受實際故障地檢驗，并隨著應用的發展而進一步完善。

［1］劉青，魏清，王增平.統一潮流控制器對距離保護影響的分析［J］.電力科學與工程，2005，21（1）：76-78.

［2］劉恩德.統一潮流控制器的存在對距離保護的影響［J］.國際電力，2002，01（6）：43-46.

［3］溫家良，姜為華，陳文忠，等.線路故障下UPFC的響應及其保護的仿真研究［J］.電瓷避雷器，2015，264（2）：109-113.

［4］楊杰，鄭健超，湯廣福，等.電壓源換相HVDC站內交流母線故障特性及保護配合［J］.中國電機工程學報，2010，30（16）：6-11.

［5］張振華，江道灼.基于MMC拓撲的UPFC控制策略仿真研究［J］.電力系統保護與控制，2012，39（3）：73-77.

Research on Protection Function Deployment for UPFC Device

JIANG Chongxue1，DAI Yang2，WANG Ying3，HE Hongjie2
（1.Nanjing Nari-relays Electric Co.Ltd.，Nanjing 211102，China；2.Jiangsu Electric Power Company，Nanjing 210024，China；3.Jiangsu Electric Power Design Institute，Nanjing 211102，China）

The UPFC is capable to control the power flows over transmission lines and to improve the distribution level of power flows in power grid.Based on the Nanjing UPFC project，the protection function deployment for the UPFC device with double circuit line connection mode is proposed.A complete partition protection strategy consists of grid-side AC protection zoon，valve-side AC protection zoon and converter protection zoon and a multi-level protection strategy composed of module protection，valve-controller protection and system protection are provided.The proposed protection system and strategy have been tested in RTDS，and the testing results are presented.

unitied power flow controller（UPFC）；topological structure；fault point；protection strategy

TM711

A

1009-0665（2015）06-0006-04

2015-08-08；

2015-09-20

姜崇學（1987），男，黑龍江佳木斯人，工程師，從事特高壓直流輸電及柔性直流輸電控制保護研究工作；

戴陽（1978），男，江蘇泰州人，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；

王瑩（1986），女，江蘇常州人，工程師，從事電力規劃研究工作；

何宏杰（1981），男，浙江德清人，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。