可控串补保护控制系统的设计

苏春华

(惠州供电局，广东 惠州 516001)

1 引言

晶闸管控制的串联补偿电容器(TCSC)最早是在1986年由Virhayathil等人作为一种快速调节网络阻抗的方法提出来的。在美国、瑞典、巴西的电网中已投运了部分可控串补装置，此外，印度、澳大利亚等国也在进行TCSC的研制计划。我国自20世纪90年代中期开始对TCSC技术进行了长期的研究。针对多条线路进行了安装TCSC的可行性论证，包括:伊敏—冯屯线、阳城—淮阴线、天平线(贵州天生桥——广西平果)。2003年6月，我国第一个TCSC工程在天平线平果侧变电站建成投运，对500kV天平线Ⅰ，Ⅱ回采用FSC+TCSC补偿模式，总补偿度为40%。2005年，由中国电力科学院研制的第一套国产化TCSC装置在甘肃省壁口—成县220kV电网投运，线路串补偿度达到50%[1]。

发展到今天，TCSC已是柔性交流输电系统(FACTS)家族中的重要成员。文献[2]中详细介绍到:它通过调节线路电抗来控制潮流，从而提高线路传输能力，此外其快速控制能力可以更有效抑制低频功率振荡，消除次同步谐振，对提高电力系统运行可靠性和灵活性及改善线路性能具重大意义，对实现我国电力工业西电东送的发展战略有着十分广阔的应用前景[3]。

与传统电力系统设备相比较，可控串补设备的组件类型较多，不仅涉及传统的电力元器件，还包括新型的电力电子设备，同时各组件在保护原理与实现技术上也与传统继电保护有一定的差别。因此，设计完整而有效的可控串补保护控制系统，以保证可控串补的安全可靠运行具有重要的现实意义。

2 TCSC概述

2.1 TCSC 的基本构成与工作原理[4－7](见图1)

图1 TCSC模块一次系统结线图

电容器组C:进行串联补偿。其容量大小决定了TCSC的基本补偿度，其耐受电流/电压的能力与晶闸管触发角的限制共同决定了TCSC的容性运行区范围。

反向并联晶闸管T1、T2:用于改变TCSC的等效阻抗，以满足系统在各种运行条件下的要求(如提高稳定性、增加输送能力、抑制同步谐振等)。

旁路电抗器TCR:有时候与反并联的晶闸管串联的电抗器会被分成两半，以便在电抗器发生短路时能起到保护晶闸管阀的作用。

金属氧化物变阻器MOV:防止电容器上发生高的过电压，且使电容器保持接入状态，即使在故障情况下也如是，从而有助于提高系统的暂态稳定性。

旁路断路器S1:在发生严重故障或设备工作不正常时，将电容器旁路;是最后一道防线。

限流电抗器:用以限制电容器旁路操作时电容器上电流的大小和频率。

火花间隙G1:当MOV不能动作而电压升高到一定水平时，间隙击穿，实现对电容器和MOV的过电压保护。

特高速接触器(UHSC):当要求阀在“全导通”模式下运行较长时间时，可使阀上的导通损耗最小。在阀突然过载或故障情况下是，闭合可减轻阀上的压力。

限流阻尼装置D:帮助电容器在内部故障情况下，电容器端电压达到保护水平时，对电容器放电电流和放电电流频率进行限制且加速其衰减。

由图1可见，TCSC的主电路结构非常简单，这也是TCSC在实际工程中得以广泛应用重要原因之一。在实际工程应用中，既可以将单个TCSC模块直接串接于输电线路中，也可以将多个小容量TCSC单元同时串接于输电线路中，分别对每个TCSC单元进行调节。可变串联补偿的工作原理是通过对晶闸管触发脉冲(触发角)的控制，对电容器进行旁路、投入或部分调制，改变并联电抗器支路电流脉冲;该脉冲电流和线路电流叠加得到电容电流，使得电容器上的基频电压得到升高;电容器端电压和线路电流之比即为TCSC的等值电抗。这个提高了的电压可快速而平滑地调节串接在输电线路中的有效容抗值，改变了串联容性电抗的有效值。LC并联电路的等效阻抗Zeq表达式为:

①若wC－(1/wL)＞0即wL＞(1/wC)，这个并联电路总体上呈现为一个可变的容性电抗，且比FC本身的容性电抗值要大。随可变电抗器感性电抗的增加，等效容性电抗逐渐变小。当可变电抗器开路时，等效容性电抗值最小，即等于FC本身的电抗值。

②若wC－(1/wL)=0即 wL=(1/wC)，谐振产生，导致一个无穷大的容性电抗，是不可接受的状态。

③若wC－(1/wL)＜0即wL＜(1/wC)，这个并联电路总体上为等效电感值，且大于固定电抗器本身的值，对应于TCSC运行方式中的感性微调模式[8]。

2.2 TCSC的基本运行模式

(1)晶闸管旁通模式(晶闸管投切电抗器(TSR)模式):晶闸管全导通，导通角为180°。一旦晶闸管阀上电压过零并开始变正时，就加上触发脉冲，从而使晶闸管阀上流过连续的正弦电流。TCSC模块此时为一个电容器和电感器的并联，一起对外提供感性阻抗。这种模式被用来达到某些控制目的，或用来起动某些保护功能。无论何时，TCSC模块因为超出电流限值而被旁路时，都要等线路电流回落到指定限值以下，并延迟一定的时间Tdelay以后，才能将TCSC模块重新插入电路。

区别于断路器旁路模式:断路器旁路模式只在TCSC故障或TCSC上有暂态过电压才会发生。

(2)晶闸管闭锁模式(或等待模式):TCSC退化为固定的串联电容器，并且TCSC的净电抗是容性的。在这种模式下，电容器上的直流偏移电压受到监视并采用直流偏移控制来快速释放，因而不会对输电系统的变压器产生任何损害。此时的晶闸管阀监控功能仍在工作。晶闸管阀是TCSC保护的一部分，必要时阀由保护系统自动触发(TPSC模式)。

注:TPSC模式指当出现线路区内故障后的1ms内，晶闸管阀触发导通，将电容器组快速旁路承受故障电流，直至旁路断路器合上为止。在故障清除后，TCSC自动重新投入，并以故障前的控制模式运行。

(3)晶闸管微调模式(即阻抗控制模式):这是TCSC的标准模式。呈现为连续可控的容性电抗或连续可控的感性电抗。容性微调模式时，当电容器上的电压和电流极性相反时，晶闸管被触发，使得TCR电流与电容器电流方向相反，从而导致TCSC上存在一个循环电流。该电流提高了FC上的电压，增大了等效的容性电抗并提高了串联补偿度。为防止谐振，amin≤a≤180°，当a从180°减小到 amin时，循环电流时不断增大的。当a=amin时，容许的TCSC达到基频电容器电抗值的2.5～3倍。

3 TCSC的保护控制系统

3.1 TCSC保护控制系统构成概述

3.1.1 可控串补的控制层及功能综述

可控串补的控制系统可以分为三层:主控室控制、继电保护室控制和现场就地控制。运行人员可在继电保护内的控制系统屏上的操作方式选择开关(Remote、Local、Field分别表示上述三种操作方式)进行切换，任何时候均只能用其中的一种操作方式进行操作。而且正常情况下应该在变电站主控室的终端WINCC上进行操作，仅当变电站主控室的终端出现故障时才可切换到继电保护室内的终端上操作。但在串补装置进行维修时，也可在继电器室内的终端上进行操作。就地操作方式仅在紧急情况和串补装置检修情况下才可以进行，正常运行时禁止使用此方式。

可控串补的控制系统主要功能有:

(1)串补站的隔离开关、旁路断路器和串补地刀的操作;

(2)串补实际值计算;

(3)串补控制参数设置;

(4)串补控制模式选择;

(5)串补投入/退出顺序控制;

(6)串补站功率震荡抑制控制模式;

(7)串补站固定的触发角度控制;

(8)串补站动态的触发角度控制;

(9)串补站阀门点火控制;

(10)串补站点火脉冲产生;

(11)串补站设置点的生成控制;

(12)电容器过电压、过负荷控制;

(13)阀电流限制;

(14)阀过流中断控制;

(15)保护干预控制;

(16)串补站设备运行状态监视;

(17)事件记录器记录的信息显示、信号的报警与复归;

(18)显示测量参数的变化曲线显示等。

3.1.2 可控串补的控制方式介绍

可控串补站的控制系统主要分为开环控制和闭环控制两种方式。开环控制是指控制系统的输出对控制过程能行使控制，但控制结果的状态没有影响控制系统，控制计算机、控制器、控制过程等环节没有构成闭合环路。例如可根据给定的阻抗来开环调节线路阻抗。闭环控制是指计算机对控制对象进行控制时，控制过程状态能直接影响计算机控制系统，在闭环控制系统中，一方面控制中心按计算机发出的控制信息对运行设备进行控制，另一方面运行设备的运行状态作为输出由检测部件测出后，作为输入反馈给控制计算机，从而控制计算机、控制中心、控制过程、检测部件构成一个闭环回路。例如可通过将流经线路的电流控制为一恒定值来调节线路的潮流。

其中，闭环控制包括四部分:测量系统、控制模式、保护控制、点火控制。上述的控制系统功能中第4、5及16项均属闭环控制。

继电器室内的开环控制屏上有分、合闸按钮，其中合闸按钮可对旁路开关直接进行操作。当串补装置的在继电器室内与主控楼内WINCC都损坏时可用才能用分闸按钮来分开旁路旁路开关。

3.1.3 保护控制系统的具体构成及有关说明

可控串补的控制系统由控制终端WINCC、控制中心SIMADYND、接口装置SU200、阀基电子设备(VBE)以及相应的通信网络构成。

①终端WINCC有两台，即主控室WINCC和继电器室WINCC，它们分别通过光缆与控制中心相连。

②SIMADYND是全数字式的，是实现保护功能的硬件平台。可以自由配置的模板化控制器，具有快速化的开环控制及监测、闭环控制及数学运算、信息采集及逻辑运算、通信等功能。控制的逻辑与信号处理是在控制中心SIMADYND中实现的。

③VBE主要作用是产生点火脉冲触发可控硅和监测核对可控硅的运行状态信号。

④每个接口装置SU200有40个开关量输入、8个模拟量输入和24个开关量输出，与控制中心SIMADYND的连接通过光缆实现。

图2 平果可控串补站的保护控制系统配置图

图3 TCSC部分自监测图

图3是TCSC部分的自监测图。由以上两个图可知，每个串补段(FSC段和TCSC段)的保护系统都配备两组完全相同且相互独立工作的数字保护系统。保护系统使用数字逻辑技术，便于更新且稳定性高。保护功能被分解成多个功能模块，每个功能块都是由相同的硬件但不同的软件来实现的。两组保护的每个电流信号来自于同一个CT的不同绕组，保护的输出回路相互独立:分别接到旁路开关、线路开关的不同线圈中;通过不同的回路触发GAP。保护系统构成如下:

(1)两面保护屏:提供告警信号、旁路命令、去控制系统的光纤接口;

(2)与事件记录和故障录波(DFR)的接口:数字IO单元(SU200);

(3)光纤测量系统(OPTODYN);

(4)间隙触发电子装置(GTE)(FSC部分);

(5)阀基电子设备VBE(TCSC部分);

保护系统是一个在高压平台上进行测量的地面系统。所有的电信号均可以通过位于平台上的常规低压电流互感器或电压分压器检测到。测量到的数据被转换成光信号通过光纤传送到地面至继电保护室。光纤信号传输系统是每相每个电流用一个通道。其中传输的模拟信号包括:线路电流、平台电流(从TCSC与FSC之间的母排到平台之间的CT)、MOV电流和MOV支路电流、电容器不平衡电流和电压、间隙电流、旁路断路器电流等。而线路电压由电缆从地电位直接送至保护。

测量系统(OPTODYN)由位于地面的激光二极管以激光形式给位于平台上的光电传感器供电。这样可实现保护系统在线路电流和电流反转时也具有完整的保护功能，保证串补装置在各种负荷下能正常工作。

保护系统、光纤测量系统、数据传输系统所有的功能都进行监测，硬件和软件的实时监测免除了实验装置和周期性人工测试。包括如下监测装置:

①每个处理器配有硬件/软件看门狗

②内部通讯监测

③与OLC(OpenLoopControl)和HMI/WINCC之间的通讯监测

④光线信号传输系统的监测(测量和GTE)

⑤保护系统电源电压监测系统

TCSC和FSC可以通过多个控制地点来控制。如图4所示，可在继电器室内=U2+SJ2屏上的操作方式开关进行(Remote、Local、Field)三种操作方式切换。同时，基于网络的WinCC操作可实现:基于网络的HIM操作和远程HIM操作享有同等优先权，是网络电脑用户和远程HIM用户可实现同步操作。

图4 通过开关键来控制地点且通过HIM选择远程操作

4 结论

超高压系统故障暂态过程的复杂性以及TCSC控制系统的多模式，使得对其继电保护的性能分析较之传统的保护复杂得多。近年来国内对TCSC展开了研究，但研究的领域多集中在可控串补的运行机理、控制策略、暂态和稳态分析、数字仿真与动模建设、过电压保护上，而在可控串补应用于电力系统后对二次系统——尤其是继电保护系统的运行性能的分析略显不足，有必要做进一步的工作。

而整个可控串补保护是随电力系统发展而产生的一个新型元件保护分支。对TCSC的控制保护系统将朝着网络化、数字化、智能化、测量和数据通信一体化的方向发展。

[1]徐政.基于晶闸管的柔性交流输电控制装置[M].机械工业出版社，2005.

[2]田杰，尹建华.可控串联补偿(TCSC)的分析研究[J].电力系统自动化，1997，23(14):43 －47.

[3]黄振华，陈建业.可控串补(TCSC)技术的应用进展[J].国际电力，2005，9(3):53 －58.

[4]祝谦，刘相枪.平果可控串补本体保护介绍[J].电网技术，2004，28(16):73－77.

[5]胡玉峰，尹项根，陈德树，等.可控串补(TCSC)本体保护原理、配置及实现研究[J].继电器，2003，31(7):28 －32.

[6]谢小荣，姜齐荣.柔性交流输电系统的原理与应用[M].清华大学出版社，2006.

[7]孙雯.可控串补TCSC装置保护部分的研究与开发[D].河北:华北电力大学，2004.

[8]余江，段献忠，王为国，等.TCSC动态基频阻抗特性分析[J].电力系统自动化，1999，23(14):21 －23.

[9]胡玉峰，尹项根，陈德树，等.TCSC的继电保护数字仿真研究[J].电力系统自动化，2002，26(16):39 －43.

[10]彭夕岚，王维洲.可控串补装置(TCSC)的运行和维护技术[J].甘肃电力技术，2004，11:1 －3.

[11]周彦，彭饱书，龚天森.亚洲首个500kV可控串补(TCSC)工程(II)－天广交流输变电平果变电站可控串补控制与保护系统设计方案[J].国际电力，2004，8(6):46 －51.

[12]K Br＆un，H Spachtholz，M Beck.Design of the First Asian 500 kV Thyristor Controlled Series Compensation Scheme(TCSC)of Tian Guang at Pingguo Substation:Control and Protection System[J].International Electric Power for China，2004，8(6):46 －51.

[13]陈葛松，林集明，郭剑波，等.500kV串补站过电压保护研究[J].电网技术，2001，25(2):21 －29.