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统一潮流控制器对线路纵联保护的影响分析
2017-12-18 15:14:33  作者:  来源:中国设计师网  
  •   外部交流系统故障时,统一潮流控制器的保护可能动作于使统一潮流控制器退出运行。这将引起交流系统中电气量的再一次快速变化,与交流故障造成的扰动形成“电气竞争”,可能给线路纵联保护带来不利的影响。本文对南京西环网统一潮流控制器示范工程进行了介绍。并在分析统一潮流控制器保护系统设计原则的基础上,通过理论分析和数字仿真研究了统一潮流控制器对纵联零序保护、纵联距离保护和工频变化量方向保护的影响。研究表明统一潮流控制器的接入可能导致工频变化量方向保护区内故障拒动或区外故障误动,有必要对相关线路的保护进行改造。
    关键字: 统一潮流控制器

  国网江苏省电力公司电力科学研究院 孔祥平 李鹏 黄浩声 高磊 袁宇波

  1 引言

  统一潮流控制器由串联换流器和并联换流器等两个电压源型换流器组成,且串、并联换流器的直流侧通过公共直流母线构成背靠背接线方式。一方面,串联换流器通过变压器串联接入电网,并可控制注入的串联电压的幅值和相位以调节线路潮流;另一方面,并联换流器则通过变压器或连接电抗并联接入系统,并通过与交流系统交换有功、无功以维持直流电压恒定和实现无功调节[1]。因此,UPFC能够同时实现对多个电气量的控制,在众多柔性交流输电设备(如静止同步串联补偿器[2]、静止同步补偿器[3-5]等)家族中具有更强的灵活性和更广泛的应用前景。美国电力公司与美国电力研究院、西屋公司合作,研制了世界首套UPFC装置(额定电压138kV、额定容量320MVA),安装在东肯塔基州的Inez变电站,于1998年6月投运,大幅提高了电网输送能力和电压稳定性[6-7]。2003年,韩国电力公司和韩国电科院在朝鲜半岛南半部的Kangjin变电站安装了一台UPFC(额定电压154kV、额定容量40MVA)[8-9]。纽约电力公司和美国电科院、西门子公司合作,研制了世界上第一套可转换静止补偿器,安装在纽约州Marcy变电站,于2004年6月投运,以解决电力输送瓶颈问题,促进电力经济调度的实现。该套CSC装置额定电压为345kV,额定容量为200MVA,兼具UPFC、静止同步串联补偿器和线间潮流控制器等多种功能[10-11]。2015年12月,南京西环网220kV统一潮流控制器示范工程成功投运。

  众所周知,UPFC是基于全控型电力电子器件(如绝缘栅双极型晶体管、门极可关断晶闸管等)的,过载能力十分有限。因此,为了避免串、并联换流器等设备的损坏,UPFC在感受到电网故障引起的过电流或过电压时将快速退出运行[12],从而造成交流系统中电气量再一次快速变化。这不仅将对交流系统带来巨大冲击,同时也将对基于纯交流系统运行工况和时序配合关系的传统继电保护提出挑战。

  目前,基于UPFC接入改变了线路阻抗均匀分布特性的观点,国内外学者针对UPFC对基于单端电气量信息的距离保护的影响进行了广泛的研究[13-16]。但是,尚未有文献分析UPFC接入对基于线路双端电气量信息的纵联保护的影响。针对此,本文在分析UPFC保护系统设计原则的基础上,开展了UPFC对线路纵联保护的影响研究,并利用PSCAD/EMTDC搭建了含UPFC接入的区域电网仿真模型,对理论分析结果进行了验证。

  2 UPFC工程及原理

  2.1 南京西环网UPFC工程

  南京西环网网架结构如图1所示。

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  南京西环网是南京城网的主要负荷中心。目前,该区域主要由500kV东善桥变电站、龙王山变电站从南北两端共同供电。由于南京主城环网的电网结构及电源、负荷分布特点,至2016年,上述西环网供电的主要输电通道存在较严重的潮流分布不均情况。其中,500kV龙王山变电站向西环网供电的220kV输电通道潮流偏重,尤其是西环网内220kV晓庄南送下关、中央门断面潮流过重情况尤为突出,存在N-1过负荷的情况;500kV东善桥变电站

  向西环网供电的220kV输电通道潮流较轻,从而影响了南京电网向西环网的整体供电能力和安全可靠水平[17]。

  由于南京西环网地处南京中心城区,无论是新建输电通道还是对现有通道实施增容改造,均存在投资巨大、实施难度大等问题;故为解决南京西环网近期和远景年存在的输电“瓶颈”问题,线路增容、新建输电通道等输电网加强方案的可行性和经济性均不高。UPFC装置可双向快速地动态调节系统潮流,对西环网近期及远景年的适应性均较好;同时,UPFC装置安装在变电站内,无需对途经南京中心城区的输电通道施工,工程可实施性综合较优;因此,为提高南京江南城区西环网供电可靠性、加强220kV网架,建设UPFC工程是十分必要的。

  南京西环网UPFC工程具体安装方案为:在220kV铁北-晓庄双回线的铁北开关站侧各加装一套UPFC装置,即每条线路各串入一台UPFC换流器,UPFC安装位置和方式如图2所示[18]。

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  不同区域设备的故障有其自身的特点,对UPFC系统的影响也各不同。UPFC保护系统的目的则是检测到所有可能致使UPFC系统及设备处于危险情况的,以及对于系统运行来说不能接受的故障或异常运行情况,并尽可能地通过改变控制策略或者移除最少的故障元件,使得故障对于系统和设备的影响最小。因此,UPFC保护系统应分区配置,各保护分区之间应有重叠,确保不存在保护死区。每一区域或设备至少应采用相同原理的双主双备保护或者不同原理的一主一备保护配置。此外,保护系统应采取冗余配置,防止在单个保护系统失效的情况下不能切除故障[20-21]。

  UPFC保护系统按照串、并联换流器分区进行保护,同时,换流器区按照交流保护区、换流阀保护区和直流极保护区等分区进行保护配置。一般来说,交流保护区配置有交流过压保护、交流欠压保护、零序过流保护、短引线差动保护等;换流阀保护区配置有阀侧过流保护、阀侧过电压保护、阀差动保护、桥臂过流保护等;直流极保护区配置有直流欠压过流保护、直流低电压保护、直流过电压保护和直流电压不平衡保护等。UPFC保护动作结果一般有:告警、控制系统切换、闭锁换流器、跳开QF2、触发TBS导通、QF4合闸和QF5合闸等。

  从上述UPFC保护系统设计原则可以看出,若检测到可能危及UPFC装置运行安全的外部交流系统故障时,UPFC保护系统中的相应保护将会动作于闭锁换流器、跳开QF2、触发TBS、QF4合闸和QF5合闸。一般来说TBS可在故障发生后5ms内导通,QF2和QF4、QF5则分别在接收到保护动作信号后40ms左右完成跳闸或合闸。

  4 UPFC对纵联保护的影响

  外部交流系统故障5ms内,TBS触发导通,旁路了串联变压器的二次侧绕组,也相当于旁路了UPFC串联换流器的等效串联电压源,这将引起交流系统中电气量的再一次快速变化,给线路纵联保护带来不利的影响。

  4.1 纵联零序保护

  纵联零序保护的原理简单、实现方便,且灵敏度高、抗过渡电阻能力强,常用于220kV及以上电压等级输电线路中作为各类接地故障的主保护[22]。

  以北京四方继保公司的CSC101保护中的纵联零序保护为例,其设正、反2个零序方向元件,动作区如图7所示。

  正方向元件的整定值可以整定,反方向元件不需整定,灵敏度自动比正方向元件高,电流门槛取为正方向的0.625倍。

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  由式(1)和式(2)可知,零序方向元件的本质是判断保护测量得到的零序阻抗是否呈现感性。

  对于并联换流器而言,由于并联变压器的高压侧绕组为三角形接法,UPFC并联换流器注入或吸收的电流不会出现在系统零序网络中。对于串联换流器而言,在发生外部交流系统故障后、TBS触发导通前,由于UPFC串联变压器低压侧为中性点经大电阻(阻值达到500Ω)的星形接法,可以认为交流系统的零序电流仅在串联变压器的高压侧绕组和平衡绕组中流通,UPFC串联换流器注入的电压不会出现在系统零序网络中。因此,TBS触发导通前UPFC在系统零序网络中呈现为感性特征。故障发生5ms内TBS触发导通,串联变压器的二次侧绕组被短接,等效于将等效漏抗串联在线路中运行。因此,外部交流系统故障后,无论TBS导通与否,UPFC在故障零序网络中均呈现为感性特征,零序方向元件可以正确判断故障方向,即UPFC接入不会对纵联零序保护的性能造成不利的影响。

  4.2 纵联距离保护

  纵联距离保护是一种由线路两端超范围整定的距离保护经通道交换信号构成的全线路快速跳闸的方向保护,其动作特性与距离保护基本一致。下面主要分析TBS触发导通可能引起的功率倒向对纵联距离保护的影响。

  (1)功率倒向对双回线纵联距离保护的影响

  在如图8所示的平行双回线输电系统中,线路L2采用闭锁式纵联距离保护。

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  假设线路L1的M侧发生故障,且断路器QF1先于断路器QF2跳闸。在QF1跳闸前,线路L2M侧的纵联距离保护的反方向元件动作,仍向N侧保护发闭锁信号;N侧的正方向元件动作,停止向M侧保护发闭锁信号。在这种情况下,线路L2的纵联距离保护不会动作。

  在QF1跳闸后、QF2跳闸前,线路L2中的短路功率倒向,变为从M侧流向N侧,此时线路L2M侧的正方向元件动作,停止向N侧保护发闭锁信号;N侧的正方向元件将返回,并向M侧保护发闭锁信号。但是,由于正、反方向元件的动作时间和灵敏度不同,若线路L2N侧的正方向未能及时返回,将导致线路L2两侧纵联距离保护误动。

  解决上述问题的方向是启动元件动作经过一段时间后尚未跳闸,就认为是外部故障,延迟纵联距离保护的动作时间以躲过功率倒向的过程。

  (2)UPFC对纵联距离保护的影响

  含UPFC接入的系统结构如图9所示,假设线路L1上发生故障。

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  以线路L2的纵联距离保护为例,当线路L1发生故障时,L2中的短路功率由N侧流向M侧。5ms内TBS触发导通,UPFC的串联侧换流器退出运行,但是由于UPFC的容量一般远小于系统短路容量,TBS触发使UPFC退出通常不会引起线路L2发生功率倒向。因此,纵联距离保护能够正确判断为区外故障,不动作。

  假设极端情况下TBS触发导致非故障线路出现功率倒向问题,但由于故障发生5ms内TBS即触发导通,且纵联距离保护采用的为半波或全波傅里叶算法,采样计算数据窗较长,线路两侧闭锁式纵联距离保护在故障后10ms内不会停信,因此,纵联距离保护可以在算法上避免TBS导通引起的功率倒向而带来的误动问题。

  4.3 工频变化量方向保护

  工频变化量方向保护的判据简单、动作速度快、方向性明确、抗过渡电阻能力强,在国内电力系统中得到了广泛应用[23]。以南京南瑞继保公司的RCS901保护中的工频变化量方向为例,其根据电压、电流变化量的正负序综合分量的相角是否反相位来判断故障方向,并经通道交换信号构成全线路快速跳闸的纵联保护。

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  在传统交流电网中,当被保护线路发生故障时,线路两侧的正方向元件均可靠动作,线路纵联保护可以快速动作以隔离故障;当发生保护区外故障时,线路一侧的正方向元件动作,而另一侧的反方向元件动作。因此,被保护线路的纵联保护不动作。

  然而,当线路中含有UPFC时,外部交流系统故障时,UPFC保护可能动作,并闭锁换流器、跳开QF2、触发TBS、QF4 合闸和QF5 合闸。在这种情况下,不仅线路故障将引起保护测量得到的电压、电流的正负序综合分量发生突变,TBS导通也将引起交流系统中电气量的再一次突变。因此,将存在TBS导通与交流故障点的相互“电气竞争”,从而可能引起工频变化量方向保护区内故障拒动或区外故障误动。

  以图9为例分析UPFC接入对工频变化量方向保护的影响。假设线路L1发生故障,对于任意一条线路上的工频变化量方向保护而言,感受到的都是同一方向的故障和TBS导通引起的突变量,能正确识别正、反方向故障,保护可靠动作或不动作。

  假设线路L2上发生故障,对于安装在线路L2M侧的工频变化量方向保护而言,其几乎同时感受到正向区内故障和反向区外TBS导通引起的突变量,可能错误判断为反向故障,从而导致线路L2上的基于工频变化量方向元件的纵联保护拒动。对于安装在线路L1 K 侧的工频变化量方向保护而言,其感受到的是同一方向的TBS导通引起和故障引起的突变量,可以正确判断为正向故障;然而对于M侧的工频变化量方向保护而言,其几乎同时感受到正向TBS 导通引起和反向区外故障的突变量,可能错误判断为正向故障,从而导致线路L1上的基于工频变化量方向元件的纵联保护误动。

  5 仿真验证

  前述理论分析指出在TBS触发导通的情况下UPFC接入不会对纵联零序保护和纵联距离保护的性能造成不利的影响,而可能导致基于工频变化量方向元件的纵联保护区内故障拒动或区外故障误动。因此,为了验证UPFC对工频变化量方向保护的影响,利用PSCAD/EMTDC建立了如图10所示的区域电网的仿真模型。

  5.1 区内故障拒动

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  从图10中可以看出,中央侧工频变化量方向保护的正方向元件的测量相角在-45°与-90°之间,反方向元件的测量相角在90°与135°之间。因此,中央侧的正方向元件不动作,反方向元件动作。下关侧工频变化量方向保护的正方向元件的测量相角在-90°与-135°之间,反方向元件的测量相角在45°与90°之间。因此,下关侧的正方向元件动作,反方向元件不动作。

  下关-中央线路两侧的工频变化量方向保护经通道交换动作信号后判断为保护区外故障,从而将导致下关-中央线路的纵联保护拒动。

  5.2 区外故障误动

  时在铁北-经港线路经港侧发生A相经10Ω过渡电阻接地故障时,图11给出了晓庄-铁北线路两侧工频变化量方向保护正、反方向元件的测量相角。

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  从图11中可以看出,晓庄侧工频变化量方向保护的正方向元件的测量相角在180°左右,反方向元件的测量相角则在0°左右。因此,晓庄侧的正方向元件动作,反方向元件不动作。铁北侧工频变化量方向保护的正方向元件的测量相角在-90°与-180°之间,反方向元件的测量相角在0°与90°之间。因此,铁北侧的正方向元件动作,反方向元件不动作。

  晓庄-铁北线路两侧的工频变化量方向保护经通道交换动作信号后判断为保护区内故障,从而将导致晓庄-铁北线路的纵联保护误动。

  综上,UPFC接入可能导致UPFC线路的工频变化量方向保护误动,或非UPFC线路的工频变化量方向保护拒动。为了保证UPFC接入后电网的运行安全,有必要对UPFC线路及其相邻线路的保护进行改造,避免采用基于工频变化量方向元件的纵联保护。由于电网结构、潮流水平和运行方式的变化,受影响的线路范围难以准确界定,根据经验可对UPFC线路及其相邻四级线路的保护进行改造。

  6 结论

  在检测到可能危及UPFC装置运行安全的外部交流系统故障时,UPFC保护将会动作于闭锁换流器、跳开并联换流器进线交流断路器、触发晶闸管旁路开关、合串联变压器高/低压侧旁路开关。这将引起交流系统中电气量的再一次快速变化,并与交流故障点形成相互的“电气竞争”,从而可能给线路纵联保护带来不利的影响。

  (1)UPFC在故障零序网络中呈现为感性特征,零序方向元件可以正确判断故障方向。因此,UPFC不会对纵联零序保护的性能造成不利的影响。

  (2)UPFC保护动作一般不会引起功率倒向。即使极端情况下非故障线路出现功率倒向问题,纵联距离保护也可以在算法上确保不误动。

  (3)晶闸管旁路开关的导通与交流故障点之间的相互“电气竞争”可能引起UPFC线路的工频变化量方向保护误动,或非UPFC线路的工频变化量方向保护拒动,有必要对相关线路保护进行改造。

  本文的研究成果为南京西环网UPFC示范工程的建设和相关线路保护的改造提供了参考。

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