基于特征电压注入的UPFC接入线路三相自适应重合闸方案

郑 涛，王赟鹏，马家璇，祁欢欢

（1.新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学）,北京市102206；2.先进输电技术国家重点实验室（全球能源互联网研究院有限公司）,北京市102209）

0 引言

随着新能源的大规模接入,电力系统负荷的持续增长,电网结构不断扩大且日益复杂,柔性交流输电系统（FACTS）利用大功率电力电子器件,可实现线路电气参数的灵活控制,成为优化中国现有电网潮流分布、提高输电通道利用率的有效方案之一［1-3］。统一 潮流控制器（UPFC）作为新一代的FACTS装置,可以灵活控制线路潮流,实现并联补偿、串联补偿、调压等功能,并已在中国江苏、上海等地实现工程应用［4-6］,具有良好的潮流调节效果。

UPFC所在高压输电线路均配置线路重合闸［7］,以提高瞬时性故障下线路的功率传输能力。当高压输电线路采用的三相重合闸重合于永久性故障时,系统将受到短路电流的二次冲击,对电力系统稳定性及电气设备造成更严重的危害［8-9］。因此,如何判别故障性质,实现线路的自适应重合闸,成为优化故障线路恢复策略的关键问题。

目前,国内外学者关于输电线路自适应重合闸的研究已有较多相关成果［10-12］。针对三相自适应重合闸的研究,对于带并联电抗器的输电线路,可通过故障后并联电抗器与线路电容构成振荡回路,利用自由振荡过程中的电气量实现故障性质的判别［13-14］；而对于不带并联电抗器线路的三相重合闸,由于线路两侧断路器跳开之后,线路储能元件的电磁能量快速衰减,可用于故障性质判别的有效信息较少,因此如何实现三相自适应重合闸仍是目前存在的难题［15］。文献［16］提出利用输电线路高频保护通道的信号衰减程度实现故障性质判别,但其仅适用于配置高频通道的输电线路。文献［17］提出在线路一端增设电容器,通过判断附加电容能否与线路形成振荡放电回路判别永久性故障与瞬时性故障,但其增加了额外的设备投资。

电力电子装置在电能转换、运行控制等方面具有独特的优势,并已在新能源并网、柔性交直流输电等场景获得广泛应用；由于其具有高度的可控性,可利用控制与保护的协同配合,解决现有传统被动式保护存在的问题［18］。文献［19］针对风电场单回送出线故障场景,提出短时导通风机网侧换流器电力电子器件,使得直流侧电容向交流侧放电,通过判断故障线路是否存在注入电流判别永久性故障与瞬时性故障。文献［20］针对模块化多电平换流器（MMC）型交直流混联输电线路,提出一种主动探测式的交流线路故障自适应重合闸方案,通过改变MMC换流器调制比注入特征信号,利用小波变换实现故障性质的判别。对于含电力电子装置的线路,通过附加特殊控制方式,主动注入特征信号实现故障判别,为解决传统保护存在的故障判别有效信号少、灵敏度低等问题提供了新的思路。

本文针对UPFC接入线路故障场景,利用UPFC灵活的可控性,提出基于特征电压注入的三相自适应重合闸方案。UPFC接入线路发生故障,线路两侧断路器跳开后,将UPFC串联侧MMC切换至附加控制方式,向接入的交流线路主动注入特征电压信号,通过判断接入线路是否产生特征电流,实现故障性质的判别。基于PSCAD/EMTDC的仿真结果验证了所提方案的可行性与有效性。本文提出的方案将UPFC装置功能从原有的潮流控制拓展到线路保护方面,提高了UPFC装置的利用率,且有效解决了UPFC接入线路重合闸故障性质判别困难的问题,为电网的安全运行提供了保障。

1 UPFC拓扑结构及控制方式介绍

1.1 MMC-UPFC拓扑结构

基于MMC的UPFC（MMC-UPFC）拓扑结构如图1所示。并联侧换流器MMC1通过并联变压器与交流母线相连,串联侧换流器MMC2通过串联变压器串入交流线路,两侧MMC换流器直流侧采用背靠背方式进行连接。

图1 MMC-UPFC拓扑结构Fig.1 Topology of MMC-UPFC

UPFC接入线路本侧的交流断路器QF1配置在线路首端,串联变压器网侧并联交流断路器QF11及旁路开关QS13,用于串联侧MMC2长时间退出运行时,旁路整个串联侧装置；同时串联变压器网侧两端配置旁路开关QS11与QS12和接地开关QE11与QE12。串联变压器阀侧配置晶闸管旁路开关（TBS）,用于紧急情况下快速旁路串联侧MMC2,保障UPFC装置的安全［21］。

1.2 UPFC控制方式

UPFC串、并联侧控制器均采用d q双环解耦控制,并联侧MMC采用定直流电压和无功功率控制,其控制框图如附录A图A2（a）所示。

串联侧MMC共有4种控制方式,分别为:定功率控制、阻抗补偿控制、电压调节控制和相角调节控制［22］,不同控制方式下,根据线路自然潮流以及控制指令值的变化输出相应的工频交流电压,以实现线路潮流的灵活调节。以典型的定功率控制方式为例,串联侧MMC控制框图如附录A图A2（b）所示。

2 基于特征电压注入的三相自适应重合闸

2.1 方案实现思路

图2 UPFC接入线路三相自适应重合闸示意图Fig.2 Schematic diagram of three-phase adaptive reclosure for transmission line equipped with UPFC

传统自动重合闸在线路两侧断路器三相跳开后,由于接入线路与两侧交流系统断开联系,即使对于永久性故障,虽然相间或线间存在电磁耦合,但线路电磁能量的快速衰减,使得故障性质难以判别。本文提出在UPFC接入线路两侧断路器跳开且线路去游离后,先将串联变压器系统侧三相接地开关QE合闸,然后解锁UPFC串联侧MMC,通过对串联侧输出电压进行特殊控制,UPFC接入线路串入经串联变压器耦合的特征电压,如图2蓝色实线所示,若为永久性故障,则注入的特征电压将在接地开关QE与故障点之间形成通路,产生特征电流。故通过判断接入线路是否产生特征电流,即可判别故障性质。

2.2 特征电压的产生

当UPFC接入线路两侧断路器跳开后,由于接入线路与两侧交流系统断开联系,故串联侧常规的控制方式无法实现特征电压信号的注入。本文提出采用定交流电压幅值、定频率控制（定U/f控制）［23-24］,实现UPFC串联侧输出幅值和频率给定的交流电压,其控制框图如附录A图A3所示。

2.3 特征电压注入的幅值和持续时间

已有实际工程中UPFC接入线路均为220 k V及以上电压等级的高压输电线路,当线路发生短路故障导致断路器三相跳闸时,由于电压等级较高,考虑到线路短路阻抗可能较小,故注入的特征电压幅值不应过大,否则对于永久性线路故障,当较大的特征电压注入后,可能导致线路特征电流过大,威胁串联侧换流器的设备安全。

考虑到在永久性高阻故障特殊场景下,在注入幅值为0.2 UNse大小的特征电压时,特征电流可能较小,故障性质难以准确鉴别。本文提出通过延长特征电压注入时间并增大其幅值,实现阶段式特征电压注入策略。即如果第1阶段注入特征电压结束后,产生的特征电流不明显,则再依次注入第2、3阶段特征电压,注入电压幅值分别为0.4 UNse和0.6 UNse,注入时长均为20 ms。同时,为提高控制的响应速度与精度,采用斜坡函数作为各阶段电压指令的输入值,则阶段式特征电压注入策略见图3。

图3 阶段式特征电压注入策略示意图Fig.3 Schematic diagram of staged characteristic voltage injection strategy

2.4 故障判据设定

UPFC接入线路三相断路器跳开后,当注入特征电压时,在永久性故障和瞬时性故障下,线路将表现出不同的电流特性。

在永久性故障下,注入的特征电压将在接地开关与故障点之间形成通路,接入线路将产生较为明显的特征电流。而在瞬时性故障下,接入线路处于开路状态,线路产生的特征电流可以忽略不计。因此,可通过特征电流差异实现故障性质的判别。

2.4.1 特征电流的提取

为减少注入过程中暂态量的干扰,本文采用全周电流积分值Sφ提取特征电流,以提高故障性质判别的准确性。

式中:iφ为UPFC接入线路各相电流瞬时值,φ=A,B,C分别表示A,B,C三相；ts为注入特征电压起始时刻；T为积分时长,由于注入的特征电压为工频量,故T取为20 ms。

2.4.2 故障性质判据

若第1阶段注入期间,串联侧MMC过流闭锁,则直接判别为永久性故障。若串联侧MMC未过流闭锁,则进行以下判别。

1）若第1阶段全周电流积分Sφ1＜0.5 Sset,则判别为瞬时性故障；若Sφ1＞1.5 Sset,则判别为永久性故障。

2）对 于0.5 Sset≤Sφ1≤1.5 Sset的 情 况,为 进 一 步明确是否为永久性高阻故障,本文提出通过判断阶段式注入特征电压作用下产生的电流积分特征判别高阻故障性质。即在第1阶段注入结束后,依次注入幅值大小为0.4 UNse、0.6 UNse的特征电压,再分别求取第2、3阶段故障相全周电流积分Sφ2和Sφ3,进行第2、3阶段故障性质判别；由于图3所示的第1,2、3阶段特征电压积分面积之比为1∶3∶5,永久性故障下,短路阻抗确定,阶段式注入特征电压与电流积分呈现为线性关系,考虑一定的裕度,设置高阻故障下,阶段式特征电流故障性质判据如下:若第2、3阶段故障相电流积分存在Sφ2＞2 Sφ1且Sφ3＞4 Sφ1,则判别为永久性故障；若不满足上述条件,则判别为瞬时性故障。

2.5 三相自适应重合闸方案

本文提出的基于特征电压注入的UPFC接入线路三相自适应重合闸动作时序如图4所示。

1）假设t0时刻UPFC接入线路发生故障。

图4 三相自适应重合闸动作时序图Fig.4 Operation time sequence diagram of three-phase adaptive reclosure

2）t1时刻串联侧MMC闭锁,TBS导通。

3）经过短暂延时线路保护动作,t2时刻线路两侧断路器跳开。

4）经过200～300 ms线路去游离后,t3时刻合串联变压器系统侧三相接地开关QE,TBS断开。

5）t4时刻串联侧MMC解锁,注入阶段式特征电压,判别故障性质,具体流程如图5所示。

图5 故障判别流程图Fig.5 Flow chart of fault identification

注入第1阶段特征电压,计算全周电流积分Sφ1,若注入期间串联侧MMC过流闭锁,则直接判别为永久性故障。若串联侧MMC未过流闭锁,则进行以下判别。

①若Sφ1＜0.5 Sset,则判别为瞬时性故障。

②若0.5 Sset≤Sφ1≤1.5 Sset,则依次注入0.4 UNse和0.6 UNse特征电压,再分别求得故障相Sφ2和Sφ3；若第2、3阶段故障相存在Sφ2＞2 Sφ1且Sφ3＞4 Sφ1,则判别为永久性故障,否则判别为瞬时性故障。

③若Sφ1＞1.5 Sset,则判别为永久性故障。

6）t5时刻串联侧MMC闭锁,TBS导通。

7）t6时刻串联变压器系统侧三相接地开关QE跳开。

8）t7时刻将故障性质判别结果发送至线路UPFC接入侧重合闸装置。

9）线路重合闸闭锁或执行重合闸指令。

UPFC接入线路两侧采用检无压侧（UPFC接入侧）先合、检同期侧（非UPFC接入侧）后合的重合闸方式。因此,在永久性故障下,UPFC接入侧重合闸闭锁后,非UPFC接入侧也不会重合成功,故本文提出的自适应重合闸方案无须线路双端通信就可实现UPFC接入线路重合闸的正确执行。

3 仿真验证

参照中国某500 k V线路UPFC工程参数,本文在PSCAD/EMTDC仿真平台搭建如图2所示UPFC接入线路仿真模型,线路M N长度为40 km,线路参数Z1=Z2=（0.019 6+j0.286 5）Ω/km,Z0=（0.182 8+j0.861 3）Ω/km。UPFC仿真参数如附录A表A1所示。

3.1 特征电压输出特性与故障判据整定值确定

3.1.1 特征电压输出特性

为验证UPFC串联侧MMC输出特征电压的效果,设置UPFC接入线路正常运行,1.2 s断开线路两端交流断路器,1.48 s串联变压器系统侧三相接地开关合闸,1.5 s串联侧MMC解锁,采用定U/f控制阶段式注入特征电压,每阶段注入时长为20 ms,如附录A图A4所示为串联变压器网侧各相电压,本文采用了斜坡函数作为定U/f控制的指令值。由图A4波形可以看出,各阶段特征电压输出特性良好,为线路自适应重合闸故障判别奠定了基础,1.56 s串联侧MMC闭锁退出运行。

3.1.2 故障判据整定值的确定

为获取故障性质判据整定值Sset,在UPFC接入线路末端设置过渡电阻为300Ω的A相永久性接地故障,在注入第1阶段特征电压为U*se=0.2 UNse时,线路特征电流如附录A图A5（a）所示。故障相A相线路在特征电压注入后,产生明显的特征电流,非故障相B、C两相电流基本不变,几乎为0,如附录A图A5（b）所示为各相电流积分值。当第1阶段注入结束后,非故障相电流积分S可以忽略不计,故障相A相电流积分S为0.076,其电流积分值作为故障判据整定值Sset,即Sset=0.076。

3.2 瞬时性故障仿真验证

t=1.2 s,在UPFC接入线路中点设置ABC三相金属性短路故障,故障持续时间为0.05 s,线路两侧交流断路器跳开之后,经过200 ms左右的去游离时间,三相接地开关合闸,t=1.50 s串联侧MMC解锁,注入第1阶段特征电压。如附录A图A6为瞬时性故障下线路特征电流与电流积分S仿真波形。

由图A6可知,瞬时性故障下,第1阶段电压注入后,线路特征电流较小,1.52 s测得的各相电流积分S远小于0.076,满足瞬时性故障判据S＜0.5 Sset,故第1阶段注入结束后,便可正确判别故障为瞬时性故障。

3.3 永久性故障仿真验证

3.3.1 不同故障位置

在UPFC接入线路首端、中点和末端分别设置不同类型的金属性短路故障,故障类型分别为A相接地短路,AB相间接地短路,AB相间短路和ABC三相短路。以线路末端发生ABC三相金属性短路为例,如附录A图A7所示,1.5 s串联侧MMC解锁后第1阶段特征电压注入期间,线路ABC三相均出现幅值较大的特征电流,三相电流积分S远大于整定值Sset,故在第1阶段便可判别故障为永久性故障。

其他不同故障位置下,发生不同类型的短路,各相电流积分S仿真计算结果如附录B表B1所示。由表B1数据可知,接入线路首端发生三相永久性短路故障时,由于串联侧MMC桥臂电流超过过流保护阈值,串联侧MMC闭锁,因此可直接判别为永久性故障。其他故障场景下,故障相电流积分存在S＞1.5 Sset,满足永久性故障判据。因此,在特征电压注入第1阶段结束后,均可正确判别故障性质。

3.3.2 考虑过渡电阻的影响

考虑不同过渡电阻对故障性质判别的影响,在UPFC接入线路中点,设置不同大小过渡电阻的短路故障,故障类型与附录B表B1一致。相间故障过渡电阻值分别为:10Ω、25Ω和50Ω；接地故障过渡电阻值分别为:50Ω、150Ω和300Ω。电流积分S仿真计算结果如附录B表B2所示。

由表B2数据可知,相同故障类型下,随着过渡电阻的增大,各相电流积分S均减小,除线路中点发生A相经过渡电阻接地故障外,其他故障场景下,故障相电流积分S仍满足S＞1.5 Sset,故第1阶段结束后,均可正确判别为永久性故障。

对于线路中点发生A相经50Ω、150Ω和300Ω过渡电阻接地故障,由表B2标红数据可知,故障相A相均满足0.5 Sset＜S＜1.5 Sset,故需要增加第2、3阶段特征电压注入实现故障性质的判别。以A相经300Ω接地故障为例,如附录B图B1所示,在阶段式特征电压注入期间,故障相线路特征电流逐渐增大,并且第2、3阶段故障相电流积分S满足Sφ2＞2 Sφ1且Sφ3＞4 Sφ1,故可以正确判别故障为永久性故障,A相经50Ω、150Ω接地故障与之类似,仿真结果如附录B表B3所示。

仿真结果表明,本文提出的三相自适应重合闸方案,对于瞬时性故障与不同故障位置的非高阻永久性故障,均可在注入特征电压第1阶段结束后,正确判别故障性质；对于高阻故障,通过阶段式注入特征电流的判别,仍可有效判别故障性质。

4 结语

本文针对UPFC接入线路三相重合闸时,故障性质判别困难的问题,提出一种基于特征电压注入的三相自适应重合闸方案,并通过仿真实验验证其可行性与有效性。

1）UPFC接入线路三相断路器跳开后,串联侧MMC采用定U/f控制注入特征电压,通过判断UPFC接入线路是否产生特征电流实现故障性质的判别。

2）所提方案可以快速准确判别瞬时性故障与非高阻永久性故障。针对高阻故障的特殊场景,所提出的阶段性特征电流判据提高了高阻永久性故障判别的可靠性。

3）本文主要以三相重合闸为研究对象,所提方案同样适用于单相重合闸场景,但其重合闸具体操作步骤相对复杂,单相重合闸的优化方案有待进一步研究。