基于變電站分布式潮流控制器的控制保護(hù)策略研究與應(yīng)用

黃建陽(yáng)

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司杭州市余杭區(qū)供電公司，浙江 杭州 311100）

0 引言

變電站在電力系統(tǒng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，傳統(tǒng)變電站集中式潮流保護(hù)控制策略依賴(lài)于一個(gè)中心化的控制器來(lái)協(xié)調(diào)各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的潮流保護(hù)控制，如果該控制器發(fā)生故障，整個(gè)系統(tǒng)可能會(huì)陷入失控狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)之間須頻繁地通信以共享狀態(tài)信息，這會(huì)導(dǎo)致大量的通信開(kāi)銷(xiāo)；在大規(guī)模系統(tǒng)中，通信的延時(shí)問(wèn)題也會(huì)導(dǎo)致控制效果下降。傳統(tǒng)集中式潮流保護(hù)控制策略須對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行全局建模和優(yōu)化，涉及到大量的參數(shù)調(diào)整和算法設(shè)計(jì)，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和實(shí)現(xiàn)難度，對(duì)系統(tǒng)的擾動(dòng)和變化較為敏感，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)變化，就須重新進(jìn)行全局建模和優(yōu)化，導(dǎo)致系統(tǒng)的魯棒性較差。綜上，傳統(tǒng)集中式潮流保護(hù)控制策略存在單點(diǎn)故障問(wèn)題、通信開(kāi)銷(xiāo)大、系統(tǒng)復(fù)雜性高、魯棒性差等不足；因此，須開(kāi)發(fā)一種新的保護(hù)控制策略來(lái)解決這些問(wèn)題。

本文旨在設(shè)計(jì)一種基于變電站分布式潮流控制器的新控制策略，并詳細(xì)介紹了其工作原理和實(shí)現(xiàn)方法?；谧冸娬痉植际匠绷骺刂破鞯目刂撇呗詫?shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，該應(yīng)用功能可有效解決傳統(tǒng)潮流保護(hù)控制策略存在的問(wèn)題，提升區(qū)域電網(wǎng)的安全性與經(jīng)濟(jì)性。

1 潮流控制器結(jié)構(gòu)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(shù)的柔性潮流控制裝置[1]。其主要功能是通過(guò)分布式方式安裝于電力系統(tǒng)的變電站或線路耐張桿塔上，對(duì)潮流進(jìn)行優(yōu)化調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)功率的均衡分配，限制潮流斷面的過(guò)載并抑制功率震蕩。

傳統(tǒng)的潮流控制器通常集中安裝在變電站內(nèi)部[2]，因此其控制范圍有限，對(duì)電網(wǎng)潮流調(diào)節(jié)的效果也有所限制，如圖1 所示。

圖1 傳統(tǒng)潮流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

分布式潮流控制器的設(shè)計(jì)原理是在電力系統(tǒng)中多個(gè)節(jié)點(diǎn)分布式地安裝一系列的控制器，通過(guò)協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)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(yōu)化電網(wǎng)的潮流分布，使電網(wǎng)運(yùn)行更加穩(wěn)定和可靠，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 分布式潮流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 分布式潮流控制器運(yùn)行狀態(tài)

分布式潮流控制器的運(yùn)行狀態(tài)主要有4 種，分別是運(yùn)行狀態(tài)、旁路充電狀態(tài)、冷備用狀態(tài)、檢修狀態(tài)，主要設(shè)備和裝置在這4 種狀態(tài)分別對(duì)應(yīng)的狀態(tài)量如圖3 和表1 所示。

表1 分布式潮流控制器設(shè)備狀態(tài)

圖3 分布式潮流控制系統(tǒng)接線圖

1.2 控制保護(hù)系統(tǒng)功能機(jī)原理

基于分布式潮流控制器的控制保護(hù)系統(tǒng)采用雙重化配置，共包括2 套分布式潮流控制保護(hù)裝置、測(cè)控裝置和斷路器操作裝置。此外，系統(tǒng)還配備獨(dú)立的故障錄波裝置。

基于分布式潮流控制器的控制保護(hù)系統(tǒng)中2 套控制保護(hù)裝置分別標(biāo)記為A 和B，它們接收調(diào)度控制層發(fā)出的指令，執(zhí)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(dòng)旁路命令、注入電壓指令和值班信息等數(shù)據(jù)發(fā)送給各級(jí)分布式潮流控制器的子單元模塊。子單元模塊根據(jù)控制保護(hù)系統(tǒng)下行通信通道的狀態(tài)選擇當(dāng)前值班控制保護(hù)系統(tǒng)，并執(zhí)行相應(yīng)的控制命令，以實(shí)現(xiàn)子單元換流閥的控制。

測(cè)控裝置連接到監(jiān)控系統(tǒng)，接收監(jiān)控系統(tǒng)下發(fā)的斷路器和隔離開(kāi)關(guān)的遠(yuǎn)程控制命令，并執(zhí)行“五防”閉鎖邏輯，輸出控制接點(diǎn)。斷路器操作裝置接收控制保護(hù)裝置和測(cè)控裝置的旁路斷路器操作接點(diǎn)命令，執(zhí)行旁路斷路器的分合閘操作。故障錄波裝置可以獨(dú)立記錄分布式潮流控制器子單元的直流電容電壓、旁路開(kāi)關(guān)位置等信息。

基于分布式潮流控制器的控制保護(hù)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖4 所示，包括調(diào)度端控制層、分布式潮流控制器控制保護(hù)層和就地子單元控制保護(hù)層。調(diào)度層控制模塊根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行情況，調(diào)整分布式潮流控制器的控制目標(biāo)；分布式潮流控制器控制保護(hù)層實(shí)現(xiàn)各級(jí)子單元的協(xié)調(diào)控制和保護(hù)，執(zhí)行調(diào)度層的運(yùn)行指令，與交流電網(wǎng)的其他設(shè)備協(xié)調(diào)配合；就地子單元控制保護(hù)層實(shí)現(xiàn)子單元的獨(dú)立控制和保護(hù)。

圖4 控制保護(hù)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖

2 控制調(diào)節(jié)策略原理

基于分布式潮流控制器的控制保護(hù)系統(tǒng)可以根據(jù)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)下發(fā)的潮流控制指令，通過(guò)調(diào)節(jié)分布式潮流控制器，向輸電線路輸出幅值可調(diào)、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(xiàn)電感或電容特性，并對(duì)線路的潮流進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，以維持電網(wǎng)潮流的穩(wěn)定；此外，分布式潮流控制器的運(yùn)行方式應(yīng)能適應(yīng)電力系統(tǒng)的各種運(yùn)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?？偪啬K接收調(diào)度層的指令和各相控制器的反饋狀態(tài)，并通過(guò)協(xié)調(diào)計(jì)算，將A、B、C 三相的相關(guān)指令分配給各相控制器，并向調(diào)度層上報(bào)設(shè)備狀態(tài)。相控制模塊接收控制保護(hù)裝置總控的指令和本相各子單元控制器的反饋狀態(tài)，并通過(guò)協(xié)調(diào)計(jì)算，將每個(gè)子單元的相關(guān)指令分配給本相的每個(gè)控制器，并向總控上報(bào)本相的狀態(tài)，如圖5 所示。

圖5 控保裝置控制關(guān)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(guò)載緊急控制、斷面功率限制控制、設(shè)備的啟?？刂疲ú糠止δ埽⑾嚅g故障投退的協(xié)調(diào)控制、控制模式切換和系統(tǒng)切換等。

假設(shè)電網(wǎng)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(guò)選擇不同的模式值，相應(yīng)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(huì)接收不同的調(diào)度指令，并為了簡(jiǎn)化子單元內(nèi)部計(jì)算量，在總控模塊將所有控制模式轉(zhuǎn)換為電壓參考值，不同模式下的電壓參考值按以下算法計(jì)算得出：

電壓控制模式，根據(jù)調(diào)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(jù)調(diào)度控制層的設(shè)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(jù)調(diào)度控制層的潮流有功功率控制參考值及流過(guò)本線路的有功功率加權(quán)換算確定。

斷面限額控制模式，根據(jù)電壓控制模式和有功潮流控制模式按照某個(gè)限值進(jìn)行平滑切換，在監(jiān)測(cè)線路單線功率時(shí)，當(dāng)其小于某個(gè)設(shè)定功率值時(shí)，參考值設(shè)為零；當(dāng)其超過(guò)設(shè)定功率值時(shí)，則參考值由有功潮流控制得出，且控制定值為該功率設(shè)定值。

三相均衡協(xié)調(diào)控制策略是在某相單個(gè)或多個(gè)子模塊由于故障退出運(yùn)行后，根據(jù)各相的上報(bào)信息協(xié)調(diào)其他兩相的輸出指令。具體的協(xié)調(diào)原則是以各相實(shí)時(shí)最大輸出能力為約束條件，允許三相間子單元冗余個(gè)數(shù)不對(duì)稱(chēng)。例如，假設(shè)某相的電壓輸出指令超過(guò)了該相上報(bào)的可輸出最大電壓，則另外兩相須同步進(jìn)行調(diào)整，減小實(shí)際下發(fā)的電壓指令值。同時(shí)，須修正設(shè)備當(dāng)前的最大運(yùn)行范圍并上報(bào)給調(diào)度控制層，以及時(shí)調(diào)整系統(tǒng)級(jí)的輸出指令。各相可輸出電壓范圍的計(jì)算由相控制器完成并上報(bào)。

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(shè)備的啟?？刂疲ú糠止δ埽⒍嘟M子單元的載波移相和故障投退的協(xié)調(diào)控制等。

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

載波移相角計(jì)算：為了減小交流出口注入的諧波含量，并充分發(fā)揮多個(gè)子單元級(jí)聯(lián)的優(yōu)勢(shì)，在集中布置時(shí)，可以采用載波移相控制。相控制器會(huì)向本相的各子單元下發(fā)相互配合的載波移相角，以使其相互協(xié)調(diào)工作。

相單元運(yùn)行范圍校正：根據(jù)設(shè)備目前的設(shè)計(jì)容量，每個(gè)子單元的最大輸出電壓范圍為±0.6 kV。級(jí)聯(lián)個(gè)數(shù)將影響設(shè)備出口的輸出電壓范圍。因此，相控制模塊會(huì)根據(jù)級(jí)聯(lián)個(gè)數(shù)對(duì)每個(gè)子單元的最大輸出電壓進(jìn)行范圍校正，以確保設(shè)備的輸出電壓在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。

2.3 子單元控制策略

在正常運(yùn)行條件下，單級(jí)分布式潮流控制器子單元的控制功能可以分為有功類(lèi)控制和無(wú)功類(lèi)控制。有功類(lèi)控制通過(guò)D 軸實(shí)現(xiàn)，通常為恒定直流電壓控制，生成D 軸電壓參考值。無(wú)功類(lèi)控制通過(guò)控制Q軸實(shí)現(xiàn)，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(jīng)過(guò)D、Q 軸參考電壓產(chǎn)生調(diào)制波后，最終通過(guò)脈沖寬度調(diào)制（PWM）產(chǎn)生絕緣刪雙極管（IGBT）觸發(fā)信號(hào)進(jìn)行輸出。

對(duì)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(lián)輸出電壓基波分量提取、DQ 控制分量生成和調(diào)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(hào)生成、PWM 控制信號(hào)生成、器件觸發(fā)計(jì)算和觸發(fā)死區(qū)設(shè)置等4 部分。在控制流程中，主控制器負(fù)責(zé)生成參考信號(hào)，而閥控制器則負(fù)責(zé)相應(yīng)信號(hào)的生成和觸發(fā)設(shè)置，以實(shí)現(xiàn)對(duì)分布式潮流控制器的控制。

3 保護(hù)策略原理

分布式潮流控制器應(yīng)當(dāng)配備專(zhuān)門(mén)的監(jiān)控部件，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)內(nèi)部元件的運(yùn)行狀態(tài)。此外，分布式潮流控制器還應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)部元件的保護(hù)功能，并與線路保護(hù)配合，全面保護(hù)分布式潮流控制器裝置。

根據(jù)分布式潮流控制器保護(hù)范圍的不同，可以將保護(hù)劃分為交流線路保護(hù)區(qū)和子單元保護(hù)區(qū)，如圖6 所示。每個(gè)保護(hù)區(qū)都設(shè)置2 層保護(hù)機(jī)制，包括系統(tǒng)級(jí)保護(hù)和器件級(jí)保護(hù)，目的是有效對(duì)交流系統(tǒng)和分布式潮流控制器器件的故障進(jìn)行保護(hù)。通過(guò)這樣的保護(hù)措施，可以確保分布式潮流控制器在運(yùn)行過(guò)程中時(shí)刻保持安全可靠。

圖6 保護(hù)分區(qū)圖

線路保護(hù)區(qū)和子單元保護(hù)器之間的配合原則如下：

子單元保護(hù)比交流線路保護(hù)更為靈敏，具有更高的優(yōu)先權(quán)。這意味著在故障發(fā)生時(shí)，子單元保護(hù)器會(huì)優(yōu)先進(jìn)行動(dòng)作，以迅速切斷故障電路并保護(hù)分布式潮流控制器內(nèi)部元件的安全。

當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，分布式潮流控制器裝置可以在μs 級(jí)別下保護(hù)動(dòng)作裝置旁路，不影響線路其他保護(hù)定值的整定。這意味著分布式潮流控制器能夠快速響應(yīng)并采取保護(hù)措施，而不會(huì)干擾線路其他保護(hù)裝置的設(shè)置。

在保護(hù)動(dòng)作時(shí)，如果子單元旁路開(kāi)關(guān)合閘失靈，裝置旁路開(kāi)關(guān)將關(guān)閉。即在保護(hù)動(dòng)作期間，如果子單元的旁路開(kāi)關(guān)無(wú)法正常關(guān)閉，裝置旁路開(kāi)關(guān)將代替其功能，確保保護(hù)系統(tǒng)的可靠性。

通過(guò)以上配合原則，線路保護(hù)區(qū)和子單元控制器能夠協(xié)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(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施，保護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全運(yùn)行，保護(hù)配置表見(jiàn)表2。

表2 分布式潮流控制器保護(hù)配置

4 控制保護(hù)策略應(yīng)用

浙江某變電站在1 回線路上安裝8 級(jí)分布式潮流控制器控制單元，兩供區(qū)斷面潮流可轉(zhuǎn)移140 MW，使得兩供區(qū)單回線路運(yùn)行時(shí)不會(huì)出現(xiàn)超載現(xiàn)象，如圖7、8 所示。

圖7 潮流調(diào)控效果圖

圖8 控制保護(hù)設(shè)備狀態(tài)圖

采用分布式潮流控制器的實(shí)際應(yīng)用表明，它能夠有效優(yōu)化電力系統(tǒng)的運(yùn)行，提高其效率和穩(wěn)定性。通過(guò)分布式潮流控制器的協(xié)同運(yùn)行，電力系統(tǒng)的功率分配變得更加合理，負(fù)荷均衡性得到改善，從而降低過(guò)載和短路風(fēng)險(xiǎn)。

分布式潮流控制器的應(yīng)用可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，并對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整和控制。它能夠在系統(tǒng)負(fù)荷變化時(shí)迅速響應(yīng)，調(diào)整分布式電源的輸出，進(jìn)一步提高系統(tǒng)負(fù)荷均衡性。同時(shí)，通過(guò)智能優(yōu)化算法和協(xié)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(diǎn)，并通過(guò)保護(hù)控制功能保護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。它能夠減少故障影響范圍，降低停電風(fēng)險(xiǎn)，并提高電力系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和效率，減少能源浪費(fèi)，降低故障風(fēng)險(xiǎn)，為電力系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

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(tǒng)，它在高級(jí)應(yīng)用功能的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)。該系統(tǒng)配備了一鍵順控按鈕，能夠方便地完成復(fù)雜的倒閘操作[3]。該系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)操作票預(yù)制、操作任務(wù)生成、狀態(tài)自動(dòng)判別、智能聯(lián)鎖等功能，還能大大縮短分布式潮流控制器倒閘操作的時(shí)間，并且避免人工操作失誤的可能性。

變電站內(nèi)的運(yùn)維人員控制系統(tǒng)具備一鍵順控操作功能，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)分布式潮流控制器裝置的4 種設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行控制，包括運(yùn)行、旁路充電、冷備用和檢修。這種操作功能的引入，方便運(yùn)維人員對(duì)系統(tǒng)的控制，使其能夠通過(guò)簡(jiǎn)單的操作完成設(shè)備狀態(tài)的切換。這不僅提高了操作效率，還減少了出錯(cuò)的可能性，從而確保變電站的正常運(yùn)行和設(shè)備的可靠性，設(shè)備狀態(tài)順控流程轉(zhuǎn)換示意圖見(jiàn)圖9 所示。

分布式潮流控制器順序控制啟動(dòng)流程需要滿(mǎn)足以下前置條件：

判據(jù)1，接收到手動(dòng)投入信號(hào)；

判據(jù)2，線路電流在合理范圍內(nèi)；

判據(jù)3，無(wú)裝置級(jí)故障；

圖9 順控流程示意圖

判據(jù)4，確認(rèn)旁路斷路器CB 處于合位后，檢查后臺(tái)節(jié)點(diǎn)信號(hào)正常，準(zhǔn)備進(jìn)入啟動(dòng)流程；

判據(jù)5，準(zhǔn)備充電RFE 信號(hào)有效。

同時(shí)滿(mǎn)足以上判據(jù)后，分布式潮流控制器開(kāi)始由旁路充電狀態(tài)到運(yùn)行狀態(tài)。

6 結(jié)論

變電站分布式潮流控制器作為一種創(chuàng)新的技術(shù)方案，具有明顯的優(yōu)勢(shì)和潛力，對(duì)電力系統(tǒng)的運(yùn)行和可持續(xù)發(fā)展起到積極的促進(jìn)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(yàn)證了其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用性能。通過(guò)實(shí)際應(yīng)用和驗(yàn)證，證明了該策略的優(yōu)越性和可行性。該策略能夠有效解決傳統(tǒng)控制策略中存在的問(wèn)題，并顯著提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

該研究的成果對(duì)電力系統(tǒng)的智能化改造和管理具有重要的參考價(jià)值。通過(guò)采用變電站分布式潮流控制器的控制策略，可以實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的精細(xì)化控制和優(yōu)化運(yùn)行。這將提高電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率、能源利用效率，并且對(duì)于降低碳排放和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)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(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行提供了重要的技術(shù)支持，有助于推動(dòng)電力系統(tǒng)的智能化改造和管理，促進(jìn)電力系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。