500 kV蘇南UPFC接入對距離保護(hù)的影響及應(yīng)對策略

瞿　峰, 鄧　凱, 張　赟, 錢　偉, 周　強， 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 210002；2. 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211103)

0　引言

近年來，柔性交流輸電系統(tǒng)(flexible AC transmission systems, FACTS)設(shè)備快速發(fā)展，而作為第三代FACTS的典型代表，統(tǒng)一潮流控制器(unified power flow controller, UPFC)是迄今為止功能最全面的FACTS裝置，能分別或同時實現(xiàn)并聯(lián)補償、串聯(lián)補償、移相和端電壓調(diào)節(jié)等多種基本功能[1-5]。利用UPFC可以均衡電網(wǎng)的潮流分布，將潮流從重載線路轉(zhuǎn)移至輕載線路，從而提升電網(wǎng)的輸電能力，可推遲或避免新建輸電線路[6-7]。220 kV南京UPFC是我國將UPFC應(yīng)用于工程實踐的第一次嘗試，運行經(jīng)驗表明，其在電網(wǎng)潮流精準(zhǔn)控制、提供無功電壓支撐、提高系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性方面具有十分明顯的技術(shù)優(yōu)勢[8-10]，應(yīng)用前景廣闊。

蘇南電網(wǎng)面臨著如下問題：特高壓錦屏直流接入蘇南電網(wǎng)后，對其提供了有效的電力支撐，但該電源為水電直流，受季節(jié)影響較大，冬季枯水期送電大幅減少(出力約20%)，因此蘇南電網(wǎng)的電力受進(jìn)隨季節(jié)變化潮流分布影響較大，在送電小方式下梅里至木瀆斷面存在電力受進(jìn)“卡脖子”的問題。同時蘇南電網(wǎng)以特高壓錦蘇直流為主要電源，其它常規(guī)電源相對較少，而錦蘇直流不能向地區(qū)提供無功支撐，導(dǎo)致該地區(qū)存在動態(tài)無功電壓支撐能力不足的問題[11]。經(jīng)過研究開發(fā)、技術(shù)論證、工程設(shè)計等環(huán)節(jié)的工作，全球首創(chuàng)500 kV UPFC于2017年12月19日在蘇州南部正式投運，以均衡蘇南電網(wǎng)各輸電通道潮流，提升蘇南電網(wǎng)的供電能力。

距離保護(hù)是反應(yīng)輸電線路一側(cè)電氣量變化的保護(hù)，以其較好的穩(wěn)定性、較高的靈敏度、不易受電網(wǎng)運行方式變化影響等優(yōu)點在繼電保護(hù)設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用[12-13]。隨著特高壓直流輸電、交直流混聯(lián)、柔性交流輸電等設(shè)備接入電網(wǎng)，導(dǎo)致常規(guī)距離保護(hù)的測量阻抗值無法真實反應(yīng)故障位置，從而影響了保護(hù)的靈敏性、準(zhǔn)確性?；诖?，眾多學(xué)者針對不同裝置接入對距離保護(hù)的影響展開了深入研究[14-19]。文獻(xiàn)[14]分析了風(fēng)電接入系統(tǒng)對距離保護(hù)的影響；文獻(xiàn)[15]介紹了直流饋入對輸電線路距離保護(hù)影響的機理；文獻(xiàn)[16]敘述了交直流互聯(lián)系統(tǒng)對距離保護(hù)動作特性的影響及對策。FACTS裝置的接入改變了線路阻抗的均勻分布，文獻(xiàn)[17]詳細(xì)介紹了不同F(xiàn)ACTS元件對距離保護(hù)的影響；文獻(xiàn)[18]著重對比分析了UPFC與串補對距離保護(hù)的影響；文獻(xiàn)[19]則提出了一種適用于UPFC接入的新型距離保護(hù)方案。

在前人的研究基礎(chǔ)上，文中詳細(xì)分析了蘇南500 kV UPFC的接入對兩側(cè)線路距離保護(hù)的影響，并提出了合理的定值整定方法以確保動作行為的正確性，滿足電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的要求。

1　500 kV蘇南UPFC工程簡介

500 kV蘇南UPFC工程的一次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，3個換流器采用基于絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor, IGBT)的模塊化多電平換流器(modular multilevel converter, MMC)技術(shù)。并聯(lián)交流側(cè)通過1臺并聯(lián)變壓器接入500 kV木瀆變電站的第4串；2個串聯(lián)交流側(cè)各安裝1臺串聯(lián)變壓器，通過其高壓側(cè)繞組串聯(lián)接入500 kV線路；串聯(lián)變壓器網(wǎng)側(cè)、閥側(cè)各配置1臺機械旁路斷路器，即高壓側(cè)旁路斷路器(high voltage breaker，HVB)和中壓側(cè)旁路斷路器(low voltage breaker, LVB)，其合上后能夠隔離換流器與串聯(lián)線路。同時，串聯(lián)變壓器閥側(cè)與中性點間配置1臺三相晶閘管旁路開關(guān)(thyristor bypass switch, TBS)，可對換流器進(jìn)行快速保護(hù)。蘇南UPFC共有3種運行方式，分別是雙線UPFC運行，單線UPFC運行和靜止同步補償器(static synchronous compensator,STATCOM)運行。

圖1　500 kV蘇南UPFC工程一次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1　Structure diagram of 500 kV UPFC project in Southern Suzhou

2　500 kV蘇南UPFC接入對距離保護(hù)的影響

UPFC具有對線路潮流的實時調(diào)整功能，接入系統(tǒng)以后，通過串聯(lián)變壓器給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。此外，在線路發(fā)生故障時，UPFC既可以通過串聯(lián)變壓器向線路提供一定的補償電壓以減小故障電流[20]，也能夠利用串聯(lián)變壓器網(wǎng)側(cè)漏抗來限制故障電流[21]，因此起到了故障限流的作用。

UPFC可等效于一個串聯(lián)元件接入到電力系統(tǒng)中，并且隨著系統(tǒng)參數(shù)的實時變化，等效串聯(lián)元件的參數(shù)隨之變化，將會影響周邊輸電線路保護(hù)的可靠性、選擇性和靈敏性。對于線路保護(hù)而言，UPFC設(shè)備的引入改變了輸電線路阻抗均勻分布的基本特征，導(dǎo)致線路中距離、方向等元件均受到影響，也就無法定量分析距離保護(hù)的故障特點。在工程實際中，UPFC的控制保護(hù)邏輯直接決定了交流系統(tǒng)故障的外在特性，需要結(jié)合UPFC本體的控制保護(hù)邏輯分析UPFC對交流系統(tǒng)距離保護(hù)的影響。

2.1　UPFC故障后控制保護(hù)邏輯

由圖1可知，UPFC裝置主要由換流器本體及與線路連接的串、并聯(lián)變壓器構(gòu)成，因此裝置內(nèi)保護(hù)主要由換流器保護(hù)、變壓器保護(hù)構(gòu)成，并配合線路保護(hù)進(jìn)行動作以保證系統(tǒng)無保護(hù)死區(qū)。

換流器內(nèi)發(fā)生故障，UPFC保護(hù)動作結(jié)果為閉鎖3個換流閥、觸發(fā)晶閘管旁路開關(guān)TBS并發(fā)信號合2個串聯(lián)變壓器的網(wǎng)側(cè)、閥側(cè)旁路斷路器HVB和LVB。并聯(lián)側(cè)換流器故障時跳開并聯(lián)變壓器的進(jìn)線側(cè)開關(guān)，且整個UPFC站停電。如果故障發(fā)生在串聯(lián)換流器閥側(cè)的交流連接線處，則僅閉鎖相應(yīng)換流器并合串變兩側(cè)開關(guān)，若故障切除且滿足重啟條件則會重啟UPFC。

變壓器保護(hù)分為串變保護(hù)和并變保護(hù)。串變保護(hù)動作會合相應(yīng)串的TBS、高中壓側(cè)旁路斷路器、閉鎖相應(yīng)換流閥、閉鎖線路重合閘。高壓側(cè)旁路斷路器HVB合閘失靈時，保護(hù)二時限動作跳兩側(cè)線路開關(guān)；并變保護(hù)動作時，會跳并變?nèi)齻?cè)斷路器且閉鎖并聯(lián)換流器，同時2個串聯(lián)換流器陪停；并變網(wǎng)側(cè)斷路器跳閘失靈時，則遠(yuǎn)跳木瀆側(cè)邊中開關(guān)。

2.2　故障分析模型建立

為了從理論上分析UPFC對距離保護(hù)動作特性的影響，首先要建立含UPFC的電力系統(tǒng)線性化模型，具體方法如下：

(1)

式中，注入電壓源幅值和相角都是時間的函數(shù)且相互獨立。根據(jù)蘇南UPFC串聯(lián)側(cè)的潮流調(diào)節(jié)特性，式中幅值可以取0～43.5 kV的任意值，相角可以取0～360°的任意值，對距離保護(hù)的影響分析基于圖2所示的UPFC等值電路模型結(jié)構(gòu)。

圖2　含UPFC系統(tǒng)等值結(jié)構(gòu)Fig.2　Equivalent structure diagram of UPFC

2.3　對距離保護(hù)的影響分析

圖2中保護(hù)1測量的電壓電流均為木瀆母線側(cè)電氣量。系統(tǒng)不同位置發(fā)生故障對于距離保護(hù)的影響不同，文中分為上級線路、本線路以及下級線路故障對UPFC線路兩側(cè)距離保護(hù)影響進(jìn)行討論。

2.3.1對UPFC線路本側(cè)距離保護(hù)影響

(1) UPFC接入線路上級線路故障。

圖3　上級線路故障時系統(tǒng)等值結(jié)構(gòu)Fig.3　Equivalent structure diagram of a superior line fault

在f1處發(fā)生故障時，保護(hù)1處的測量阻抗表達(dá)式為：

(2)

由式(2)可知，UPFC并聯(lián)側(cè)注入電流與測量電流的比值影響保護(hù)1處測量阻抗。根據(jù)實際，并聯(lián)換流器按STATCOM方式運行，不能提供短路電流，Ish控制在額定電流范圍內(nèi)；而500 kV UPFC串聯(lián)變壓器網(wǎng)側(cè)額定電流約為并聯(lián)變壓器網(wǎng)側(cè)額定電流的10倍，且短路電流Im1明顯大于串聯(lián)變壓器網(wǎng)側(cè)額定電流。故UPFC并聯(lián)單元注入電流Ish遠(yuǎn)小于短路電流Im1，故測量阻抗化簡為：

Z1≈-Zmf1

(3)

由式(3)可得，UPFC接入幾乎不影響反方向故障時保護(hù)1的測量阻抗，保護(hù)1的測量阻抗為線路阻抗的相反數(shù)，距離保護(hù)可靠不動作。

(2) UPFC接入線路故障。

① TBS動作對保護(hù)1距離Ⅰ段影響。在本線路f2點發(fā)生故障且UPFC保護(hù)動作，2 ms內(nèi)TBS觸發(fā)將串聯(lián)換流閥系統(tǒng)隔離，UPFC也不再向交流系統(tǒng)注入受控電壓源，僅將變壓器漏抗接入一次系統(tǒng)中，如圖4所示。

圖4　本線路故障且TBS動作時的故障模型Fig.4　Fault model of local line faults and TBS acts

保護(hù)1處的測量阻抗表達(dá)式為：

Z1=Zse+Zmf2

(4)

可見，保護(hù)1的測量阻抗與原來相比增加了變壓器漏抗Zse，如果按照原始線路長度整定，在保護(hù)范圍末端故障時，將發(fā)生區(qū)內(nèi)拒動，即保護(hù)1距離Ⅰ段的保護(hù)范圍縮小。

圖5　本線路故障且TBS不動作時的故障模型Fig.5　Fault model of local line faults and TBS falis to act

保護(hù)1處的測量阻抗表達(dá)式為：

(5)

由于實際UPFC系統(tǒng)參數(shù)的限制，注入電壓源的影響不能忽略。在故障穩(wěn)態(tài)過程中，由于線路電流增大，UPFC控制系統(tǒng)起到限流的作用，即呈現(xiàn)感性特性，則保護(hù)1處測量阻抗相較于原來增大，如果按照原始線路長度整定，在保護(hù)范圍末端故障時，將發(fā)生區(qū)內(nèi)拒動，即保護(hù)范圍縮短。

(3) UPFC下級線路故障。

UPFC下級線路故障時主要考慮UPFC對于保護(hù)1距離后備段的影響。由系統(tǒng)圖可知，保護(hù)1的故障回路中包含了UPFC系統(tǒng)的串聯(lián)單元，需要結(jié)合UPFC本體保護(hù)邏輯具體分析其對保護(hù)1距離后備段的影響。此處同樣按照本體保護(hù)動作和不動作兩種情況進(jìn)行分析，并結(jié)合HVB的動作情況進(jìn)行分類討論。

① HVB動作對保護(hù)1距離后備段的影響。HVB動作后，UPFC串聯(lián)支路被旁路，HVB將UPFC串聯(lián)側(cè)從交流系統(tǒng)中隔離，消除了UPFC對距離Ⅱ、Ⅲ段的影響。對于保護(hù)1，故障回路中不再包含UPFC支路，距離Ⅱ、Ⅲ段不受影響。

② HVB不動作對保護(hù)1距離后備的影響。HVB不動作，UPFC串聯(lián)注入電壓存在故障回路中，分析此情況下對距離Ⅱ、Ⅲ段的影響，下級線路f3故障且HVB不動作時故障簡化模型如圖6所示。

圖6　下級線路故障且HVB不動作時的故障模型Fig.6　Fault model of inferior line faults and HVB falis to act

保護(hù)1處的測量阻抗表達(dá)式為：

(6)

2.3.2對UPFC線路對側(cè)距離保護(hù)影響

保護(hù)2為UPFC對側(cè)的保護(hù)，在系統(tǒng)不同位置發(fā)生故障時，由于UPFC位置和實際參數(shù)的設(shè)置，會對距離保護(hù)產(chǎn)生不同的影響，需要具體分析。

(1) UPFC上級線路故障。

當(dāng)UPFC上級線路f1點發(fā)生故障時，UPFC包含在故障回路中。需要結(jié)合UPFC本體保護(hù)動作情況進(jìn)行詳細(xì)分析。

① HVB動作對保護(hù)2距離后備段的影響。當(dāng)在UPFC線路f1點發(fā)生故障時，若UPFC本體保護(hù)動作，則HVB在40 ms內(nèi)動作，將UPFC串聯(lián)部分從線路中隔離?？傻霉收虾喕Ｐ腿鐖D7所示。

圖7　上級線路故障且HVB動作的故障模型Fig.7　Fault model of superior line faults and HVB acts

保護(hù)2處的測量阻抗為：

(7)

由式(7)可知，HVB動作情況下UPFC接入對于保護(hù)2的測量阻抗基本沒有影響。

② TBS和HVB都不動作對保護(hù)2距離后備段的影響。HVB動作時間約為40 ms，因此距離后備保護(hù)的動作情況與HVB是否動作息息相關(guān)，當(dāng)TBS和HVB均不動作時，相當(dāng)于UPFC不退出運行。可得故障簡化模型如圖8所示。

圖8　上級線路故障且HVB不動作的故障簡化模型Fig.8　Fault simplification model of superior line faults and HVB fails to act

保護(hù)2處的測量阻抗為：

(8)

(2) UPFC線路故障。

當(dāng)故障發(fā)生在UPFC線路的架空線路段時，保護(hù)2的故障回路中不包含UPFC，因此保護(hù)2的動作情況不受影響。當(dāng)故障發(fā)生在母線m附近時，保護(hù)2的故障回路包含UPFC，測量阻抗受到UPFC本體保護(hù)動作結(jié)果的影響。在此結(jié)合TBS的動作情況進(jìn)行分類討論。

① TBS動作對保護(hù)2距離I段影響。在500 kV木瀆變近母線m處發(fā)生故障且UPFC串聯(lián)換流器閥側(cè)電流大于動作門檻時，2 ms內(nèi)TBS觸發(fā)將串聯(lián)換流器旁路，此時UPFC不再向交流系統(tǒng)注入受控電壓，僅將變壓器漏抗接入一次系統(tǒng)中，如圖9所示。

圖9　近母線m處故障且TBS動作時的故障模型Fig.9　Fault model of line faults near bus m and TBS acts

保護(hù)2處的測量阻抗表達(dá)式為：

Z2=Zmq+Zse

(9)

可見，保護(hù)2的測量阻抗與原來相比增加了變壓器漏抗Zse，即f2故障時，保護(hù)2距離Ⅰ段不會誤動。

圖10　近母線m處故障且TBS不動作時的故障模型Fig.10　Fault model of line faults near bus m and TBS fails to act

保護(hù)2處的測量阻抗表達(dá)式為：

(10)

同前分析，保護(hù)2處測量阻抗相較于原來增大，則母線m故障時保護(hù)2的距離Ⅰ段不會誤動。

(3) UPFC下級線路故障。

當(dāng)故障發(fā)生在UPFC下級線路時，保護(hù)2的故障回路中不包含UPFC，因此保護(hù)2的動作情況基本不受影響。

3　應(yīng)對策略

3.1　UPFC本側(cè)保護(hù)

3.2　UPFC對側(cè)保護(hù)

對于距離Ⅰ段，雖理論分析故障穩(wěn)態(tài)過程中距離Ⅰ段不會誤動，但是考慮故障暫態(tài)的影響，保守考慮，適當(dāng)減小可靠系數(shù)Krel。為簡便起見，與UPFC本側(cè)保護(hù)可靠系數(shù)保持一致，縮小至0.6。

4　結(jié)語

本文基于500 kV蘇南UPFC工程，對UPFC接入系統(tǒng)后，距離保護(hù)受到影響進(jìn)行理論分析，并就線路實際情況，提出了應(yīng)對性策略，通過合理整定距離保護(hù)各段定值，在不失距離保護(hù)靈敏度的情況下，最大限度消除UPFC對距離保護(hù)的影響，保障了電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

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