基于變電站分布式潮流控制器的控制保護策略研究與應用

黃建陽

（國網浙江省電力有限公司杭州市余杭區供電公司，浙江 杭州 311100）

0 引言

變電站在電力系統中發揮著至關重要的作用，傳統變電站集中式潮流保護控制策略依賴于一個中心化的控制器來協調各個節點之間的潮流保護控制，如果該控制器發生故障，整個系統可能會陷入失控狀態，節點之間須頻繁地通信以共享狀態信息，這會導致大量的通信開銷；在大規模系統中，通信的延時問題也會導致控制效果下降。傳統集中式潮流保護控制策略須對整個系統進行全局建模和優化，涉及到大量的參數調整和算法設計，增加了系統的復雜性和實現難度，對系統的擾動和變化較為敏感，一旦系統出現變化，就須重新進行全局建模和優化，導致系統的魯棒性較差。綜上，傳統集中式潮流保護控制策略存在單點故障問題、通信開銷大、系統復雜性高、魯棒性差等不足；因此，須開發一種新的保護控制策略來解決這些問題。

本文旨在設計一種基于變電站分布式潮流控制器的新控制策略，并詳細介紹了其工作原理和實現方法。基于變電站分布式潮流控制器的控制策略實際應用結果表明，該應用功能可有效解決傳統潮流保護控制策略存在的問題，提升區域電網的安全性與經濟性。

1 潮流控制器結構及原理

分布式潮流控制器（DPFC）是一種基于大功率電力電子技術的柔性潮流控制裝置[1]。其主要功能是通過分布式方式安裝于電力系統的變電站或線路耐張桿塔上，對潮流進行優化調節，實現功率的均衡分配，限制潮流斷面的過載并抑制功率震蕩。

傳統的潮流控制器通常集中安裝在變電站內部[2]，因此其控制范圍有限，對電網潮流調節的效果也有所限制，如圖1 所示。

圖1 傳統潮流控制系統結構圖

分布式潮流控制器的設計原理是在電力系統中多個節點分布式地安裝一系列的控制器，通過協同工作實現更廣泛范圍的潮流控制。這種分布式布局可以有效提高控制范圍和控制靈活性，優化電網的潮流分布，使電網運行更加穩定和可靠，系統結構圖如圖2 所示。

圖2 分布式潮流控制系統結構圖

1.1 分布式潮流控制器運行狀態

分布式潮流控制器的運行狀態主要有4 種，分別是運行狀態、旁路充電狀態、冷備用狀態、檢修狀態，主要設備和裝置在這4 種狀態分別對應的狀態量如圖3 和表1 所示。

表1 分布式潮流控制器設備狀態

圖3 分布式潮流控制系統接線圖

1.2 控制保護系統功能機原理

基于分布式潮流控制器的控制保護系統采用雙重化配置，共包括2 套分布式潮流控制保護裝置、測控裝置和斷路器操作裝置。此外，系統還配備獨立的故障錄波裝置。

基于分布式潮流控制器的控制保護系統中2 套控制保護裝置分別標記為A 和B，它們接收調度控制層發出的指令，執行功率控制和冗余邏輯策略。將分布式潮流控制器子單元模塊的啟動旁路命令、注入電壓指令和值班信息等數據發送給各級分布式潮流控制器的子單元模塊。子單元模塊根據控制保護系統下行通信通道的狀態選擇當前值班控制保護系統，并執行相應的控制命令，以實現子單元換流閥的控制。

測控裝置連接到監控系統，接收監控系統下發的斷路器和隔離開關的遠程控制命令，并執行“五防”閉鎖邏輯，輸出控制接點。斷路器操作裝置接收控制保護裝置和測控裝置的旁路斷路器操作接點命令，執行旁路斷路器的分合閘操作。故障錄波裝置可以獨立記錄分布式潮流控制器子單元的直流電容電壓、旁路開關位置等信息。

基于分布式潮流控制器的控制保護系統基本結構如圖4 所示，包括調度端控制層、分布式潮流控制器控制保護層和就地子單元控制保護層。調度層控制模塊根據電網運行情況，調整分布式潮流控制器的控制目標；分布式潮流控制器控制保護層實現各級子單元的協調控制和保護，執行調度層的運行指令，與交流電網的其他設備協調配合；就地子單元控制保護層實現子單元的獨立控制和保護。

圖4 控制保護系統基本結構圖

2 控制調節策略原理

基于分布式潮流控制器的控制保護系統可以根據變電站自動化系統下發的潮流控制指令，通過調節分布式潮流控制器，向輸電線路輸出幅值可調、相位超前或滯后90°的電壓。這樣可以改變線路的阻抗，使其呈現電感或電容特性，并對線路的潮流進行調節控制，以維持電網潮流的穩定；此外，分布式潮流控制器的運行方式應能適應電力系統的各種運行模式。

分布式潮流控制器控保裝置的控制軟件分為2 層：總控模塊和A、B、C 三相控制模塊。總控模塊接收調度層的指令和各相控制器的反饋狀態，并通過協調計算，將A、B、C 三相的相關指令分配給各相控制器，并向調度層上報設備狀態。相控制模塊接收控制保護裝置總控的指令和本相各子單元控制器的反饋狀態，并通過協調計算，將每個子單元的相關指令分配給本相的每個控制器，并向總控上報本相的狀態，如圖5 所示。

圖5 控保裝置控制關系圖

2.1 總控控制策略

總控模塊具有多種功能，包括定注入電壓控制、線路阻抗控制、線路功率控制、三相電壓不平衡控制、線路過載緊急控制、斷面功率限制控制、設備的啟停控制（部分功能）、相間故障投退的協調控制、控制模式切換和系統切換等。

假設電網要求的各相輸出模式有電壓控制、阻抗控制、有功潮流控制和斷面限額控制。通過選擇不同的模式值，相應的交流電壓參考值被選取。在不同的控制模式下，總控模塊會接收不同的調度指令，并為了簡化子單元內部計算量，在總控模塊將所有控制模式轉換為電壓參考值，不同模式下的電壓參考值按以下算法計算得出：

電壓控制模式，根據調度端控制層接收到的交流電壓指令值確定。

阻抗控制模式，根據調度控制層的設備阻抗控制參考值和線路相電流有效值的乘積確定。

有功潮流控制模式，根據調度控制層的潮流有功功率控制參考值及流過本線路的有功功率加權換算確定。

斷面限額控制模式，根據電壓控制模式和有功潮流控制模式按照某個限值進行平滑切換，在監測線路單線功率時，當其小于某個設定功率值時，參考值設為零；當其超過設定功率值時，則參考值由有功潮流控制得出，且控制定值為該功率設定值。

三相均衡協調控制策略是在某相單個或多個子模塊由于故障退出運行后，根據各相的上報信息協調其他兩相的輸出指令。具體的協調原則是以各相實時最大輸出能力為約束條件，允許三相間子單元冗余個數不對稱。例如，假設某相的電壓輸出指令超過了該相上報的可輸出最大電壓，則另外兩相須同步進行調整，減小實際下發的電壓指令值。同時，須修正設備當前的最大運行范圍并上報給調度控制層，以及時調整系統級的輸出指令。各相可輸出電壓范圍的計算由相控制器完成并上報。

2.2 相控控制策略

相控制模塊具有多種功能，包括分布式潮流控制器設備的啟停控制（部分功能）、多組子單元的載波移相和故障投退的協調控制等。

子單元電壓指令下發：相控制模塊接收總控模塊計算發送的本相總的電壓參考值，并根據本相可用的子單元數，在各子單元之間平均分配下發電壓指令。

載波移相角計算：為了減小交流出口注入的諧波含量，并充分發揮多個子單元級聯的優勢，在集中布置時，可以采用載波移相控制。相控制器會向本相的各子單元下發相互配合的載波移相角，以使其相互協調工作。

相單元運行范圍校正：根據設備目前的設計容量，每個子單元的最大輸出電壓范圍為±0.6 kV。級聯個數將影響設備出口的輸出電壓范圍。因此，相控制模塊會根據級聯個數對每個子單元的最大輸出電壓進行范圍校正，以確保設備的輸出電壓在設計范圍內。

2.3 子單元控制策略

在正常運行條件下，單級分布式潮流控制器子單元的控制功能可以分為有功類控制和無功類控制。有功類控制通過D 軸實現，通常為恒定直流電壓控制，生成D 軸電壓參考值。無功類控制通過控制Q軸實現，子單元可選擇恒定交流電壓控制模式，生成Q 軸電壓參考值。經過D、Q 軸參考電壓產生調制波后，最終通過脈沖寬度調制（PWM）產生絕緣刪雙極管（IGBT）觸發信號進行輸出。

對于分布式潮流控制器子單元的控制器，控制流程可以分為主控制器層和閥控制器層。主控制器層主要包括鎖相、串聯輸出電壓基波分量提取、DQ 控制分量生成和調制波生成等4 部分。閥控制器層主要包括載波生成、可控充電控制信號生成、PWM 控制信號生成、器件觸發計算和觸發死區設置等4 部分。在控制流程中，主控制器負責生成參考信號，而閥控制器則負責相應信號的生成和觸發設置，以實現對分布式潮流控制器的控制。

3 保護策略原理

分布式潮流控制器應當配備專門的監控部件，以實時監測內部元件的運行狀態。此外，分布式潮流控制器還應實現對內部元件的保護功能，并與線路保護配合，全面保護分布式潮流控制器裝置。

根據分布式潮流控制器保護范圍的不同，可以將保護劃分為交流線路保護區和子單元保護區，如圖6 所示。每個保護區都設置2 層保護機制，包括系統級保護和器件級保護，目的是有效對交流系統和分布式潮流控制器器件的故障進行保護。通過這樣的保護措施，可以確保分布式潮流控制器在運行過程中時刻保持安全可靠。

圖6 保護分區圖

線路保護區和子單元保護器之間的配合原則如下：

子單元保護比交流線路保護更為靈敏，具有更高的優先權。這意味著在故障發生時，子單元保護器會優先進行動作，以迅速切斷故障電路并保護分布式潮流控制器內部元件的安全。

當系統出現故障時，分布式潮流控制器裝置可以在μs 級別下保護動作裝置旁路，不影響線路其他保護定值的整定。這意味著分布式潮流控制器能夠快速響應并采取保護措施，而不會干擾線路其他保護裝置的設置。

在保護動作時，如果子單元旁路開關合閘失靈，裝置旁路開關將關閉。即在保護動作期間，如果子單元的旁路開關無法正常關閉，裝置旁路開關將代替其功能，確保保護系統的可靠性。

通過以上配合原則，線路保護區和子單元控制器能夠協同工作，確保分布式潮流控制器在故障情況下能夠快速、可靠地采取適當的保護措施，保護系統的穩定和安全運行，保護配置表見表2。

表2 分布式潮流控制器保護配置

4 控制保護策略應用

浙江某變電站在1 回線路上安裝8 級分布式潮流控制器控制單元，兩供區斷面潮流可轉移140 MW，使得兩供區單回線路運行時不會出現超載現象，如圖7、8 所示。

圖7 潮流調控效果圖

圖8 控制保護設備狀態圖

采用分布式潮流控制器的實際應用表明，它能夠有效優化電力系統的運行，提高其效率和穩定性。通過分布式潮流控制器的協同運行，電力系統的功率分配變得更加合理，負荷均衡性得到改善，從而降低過載和短路風險。

分布式潮流控制器的應用可以實時監測電力系統的運行狀態，并對其進行動態調整和控制。它能夠在系統負荷變化時迅速響應，調整分布式電源的輸出，進一步提高系統負荷均衡性。同時，通過智能優化算法和協同控制策略，分布式潮流控制器還能夠最大程度地減少線損，提高能源利用效率。此外，分布式潮流控制器還具備快速切除故障的能力，可以迅速隔離故障點，并通過保護控制功能保護系統的穩定運行。它能夠減少故障影響范圍，降低停電風險，并提高電力系統的可靠性、穩定性和效率，減少能源浪費，降低故障風險，為電力系統的可持續發展做出貢獻。

5 順控流程

分布式潮流控制器順控控制是一種綜合型遙控系統，它在高級應用功能的基礎上發展而來。該系統配備了一鍵順控按鈕，能夠方便地完成復雜的倒閘操作[3]。該系統不僅可以實現操作票預制、操作任務生成、狀態自動判別、智能聯鎖等功能，還能大大縮短分布式潮流控制器倒閘操作的時間，并且避免人工操作失誤的可能性。

變電站內的運維人員控制系統具備一鍵順控操作功能，可以實現對分布式潮流控制器裝置的4 種設備狀態進行控制，包括運行、旁路充電、冷備用和檢修。這種操作功能的引入，方便運維人員對系統的控制，使其能夠通過簡單的操作完成設備狀態的切換。這不僅提高了操作效率，還減少了出錯的可能性，從而確保變電站的正常運行和設備的可靠性，設備狀態順控流程轉換示意圖見圖9 所示。

分布式潮流控制器順序控制啟動流程需要滿足以下前置條件：

判據1，接收到手動投入信號；

判據2，線路電流在合理范圍內；

判據3，無裝置級故障；

圖9 順控流程示意圖

判據4，確認旁路斷路器CB 處于合位后，檢查后臺節點信號正常，準備進入啟動流程；

判據5，準備充電RFE 信號有效。

同時滿足以上判據后，分布式潮流控制器開始由旁路充電狀態到運行狀態。

6 結論

變電站分布式潮流控制器作為一種創新的技術方案，具有明顯的優勢和潛力，對電力系統的運行和可持續發展起到積極的促進作用。

本研究提出了一種基于變電站分布式潮流控制器的高效控制策略，并驗證了其在電力系統中的應用性能。通過實際應用和驗證，證明了該策略的優越性和可行性。該策略能夠有效解決傳統控制策略中存在的問題，并顯著提高電力系統的穩定性和可靠性。

該研究的成果對電力系統的智能化改造和管理具有重要的參考價值。通過采用變電站分布式潮流控制器的控制策略，可以實現電力系統的精細化控制和優化運行。這將提高電力系統的運行效率、能源利用效率，并且對于降低碳排放和實現可持續發展目標也具有積極的影響。

綜上所述，基于變電站分布式潮流控制器的研究成果為電力系統的優化運行提供了重要的技術支持，有助于推動電力系統的智能化改造和管理，促進電力系統的可持續發展。