南京UPFC工程控制保护系统架构与配置研究

鲁　江，秦　健，潘　磊，董云龙，邱德锋，黄如海

规划设计

南京UPFC工程控制保护系统架构与配置研究

鲁江1，秦健2，潘磊1，董云龙1，邱德锋1，黄如海1

（1.南京南瑞继保电气有限公司，江苏南京211102；2.江苏省电力公司，江苏南京210024）

统一潮流控制器（UPFC）可以快速灵活地控制线路潮流，改善电网的潮流分布特性，适用于电网发展比较成熟、网架结构较为稳定、存在潮流不均衡问题的电网。文中以南京西环网UPFC工程为例，结合该双回线路UPFC工程一次系统结构特点，对其控制保护系统的架构及配置方案进行了详细研究，给出了适合该工程的最终方案，该方案满足双回线路UPFC工程的经济性、灵活性和可靠性要求。

UPFC；双回线路；控制保护系统；分层配置

统一潮流控制器（UPFC）作为迄今最全面的柔性交流输电系统（FACTS）设备，既能在电力系统稳定方面实现潮流调节，合理控制有功功率、无功功率，提高线路的输送能力，实现优化运行；又能在动态方面，通过快速无功吞吐，动态地支撑接入点的电压，提高系统电压稳定性；还可以改善系统阻尼，提高功角稳定性［1，2］。对于规划比较成熟、网架结构较为稳定的电网，受老线路输电能力的限制，通常会存在潮流输送能力不足的问题；同时，由于输电走廊及变电站占地面积紧张，通过增加输电通道提高输电能力的代价巨大，甚至不可能实现。利用UPFC可以均衡电网的潮流分布，将潮流从重载线路转移至轻载线路，从而提升电网的输电能力，可推迟或避免新建输电线路［3，4］。

1　南京UPFC工程概况

南京西环网是南京城网的主要负荷中心，其网架结构如图1所示。

图1　南京主城西环网结构示意图

由于电网结构特殊，目前南京主城西环网的沿江输电通道受限，南北输电通道负荷分布严重不均，且新增线路和扩容改造的成本高、施工难度大。经研究论证，在西环网北通道的铁北至晓庄双回线路上安装UPFC，利用其快速调节电网潮流的能力，可以优化南京西环网潮流，解决晓庄南送断面潮流过重以及近远期部分断面潮流无法满足N-1校核的问题，因此江苏省电力公司决定建设南京西环网UPFC示范工程。

南京西环网UPFC示范工程在铁北—晓庄220 kV双回线路上安装一套UPFC，安装地点为220 kV铁北变电站。采用3个相同容量的电压源型UPFC换流器背靠背连接的方式，其一次系统结构如图2所示。其中UPFC换流器采用基于IGBT的模块化多电平换流器（MMC）技术［5］，换流器容量设计为3×60 MV·A，各换流器通过隔离刀闸连接至直流公共母线上。

图2　南京UPFC工程一次系统结构图

该工程在正常双回线路UPFC方式运行时，2个换流器串联接入220 kV线路，分别控制双回线路的潮流，并可以对线路的有功功率和无功功率独立控制；另一个换流器并联接入35 kV交流系统，控制UPFC系统的直流电压，并可以提高35 kV交流系统的无功储备能力、控制交流系统电压。

考虑到双回线路UPFC系统运行的经济性、灵活性和可靠性，该工程的一次系统通过增加转换刀闸，使串、并联侧换流器互为备用，3个换流器均可以分别并联接入35 kV交流系统，而换流器1、换流器2可以分别串联接入220 kV线路1，换流器1、换流器3可以分别串联接入220 kV线路2，连接方式的切换通过转换刀闸实现；另外，考虑到并联侧系统的重要性，配置2台并联变压器分别接入35 kV系统的2个分段母线，2组并联变压器互为备用。

在串联侧每组串联变压器两侧分别配置1台高压侧机械旁路开关（HVB）、1台低压侧机械旁路开关（LVB）和1台快速晶闸管旁路开关（TBS）。TBS开关采用晶闸管反并联技术，当线路故障、串联变压器故障或者串联换流器区故障时，TBS能够迅速导通（导通延时小于2 ms），将串联侧换流器旁路，隔离换流阀和交流线路，避免交流系统和阀区故障的相互影响，提高系统的可靠性。

采用上述结构后，提高了该工程的经济性、灵活性和可靠性，其具有多种运行方式，各运行方式的基本结构如下：

（1）UPFC运行方式。1个换流器通过并联变压器接入35 kV交流系统，另外1个或2个换流器通过串联变压器串联接入220 kV的一回或双回线路，换流器直流侧连接。此为该工程的正常运行方式。

（2）SSSC（静止同步串联补偿器）运行方式。1个或2个换流器分别通过串联变压器串联接入220 kV的一回或双回线路，换流器直流侧断开。该运行方式在1个或2个换流器故障情况下采用，此时仍可以实现对交流线路的潮流控制目标。

（3）STATCOM（静止同步补偿器）运行方式。1个换流器通过并联变压器接入35 kV交流系统，换流器直流侧断开。该运行方式在2个换流器故障等某些特殊情况下采用，可以实现对35 kV交流系统的无功、交流电压控制。

2　南京UPFC工程控制保护系统架构

2.1控制保护系统架构方案研究

根据南京UPFC工程一次系统的结构特点，有2种可行的UPFC控制保护系统架构方案。

2.1.1方案1

方案1中UPFC控制保护装置按换流器分区配置，且控制和保护合并配置，配置结构如图3所示。

方案1特点是按照换流器分别配置3套双重化配置的UPFC控制保护装置，对各串联侧换流器和并联侧换流器进行分区控制；保护也采用分区方式，将3个换流器分为3个独立的保护区，由对应的控制保护装置进行保护，并分别与变压器保护、交流线路保护配合，实现整个系统的保护功能。图3中，浅色虚线为并联侧控制保护区，深色虚线为串联侧控制保护区。

图3　方案1结构图

方案1中交流系统的控制和UPFC协调控制策略需要通过各换流器间配置的通讯来实现。由于换流器可以在接入并联侧或串联侧之间进行切换，因此每个控制保护装置均需要接入串并联交流侧、转换刀闸及本换流器直流侧的所有相关开关量和模拟量，保护逻辑需要根据换流器的接入方式进行适应性切换。

各换流器配置独立的MMC阀控制装置（VBC），VBC接收对应控制保护装置下发的参考波对换流阀进行直接控制；当控制保护装置检测到故障，则经晶闸管旁路开关的阀控制装置（VCU）触发TBS开关。另外，由于换流器1通过转换刀闸的操作可作为换流器2和换流器3的备用，与串联变压器连接控制线路潮流，因此换流器1控制保护装置需要可分别触发2 个TBS开关导通，每个TBS开关的VCU装置也需要可接收2个换流器控制保护装置的晶闸管触发信号。

2.1.2方案2

方案2中将控制和保护分开，控制分区配置、保护整体配置，配置结构如图4所示。

方案2的特点是控制与保护独立配置，控制系统采用双重化配置方案，配置3套双重化的换流器控制装置分别控制3个换流器，配置1套双重化的交流站控装置用于控制交流系统；保护系统采用三取二配置方案，配置1套三重化的UPFC保护装置及双重化的三取二装置，保护整个UPFC设备区，并与变压器保护、交流线路保护配合，实现整个系统的保护功能。方案2中交流系统控制和UPFC协调控制策略由交流站控装置来实现。因负责保护整个UPFC设备区，每个保护装置均接入所有换流器的交流侧、转换刀闸及直流场所有相关开关量和模拟量。各换流器配置独立的MMC阀控制装置（VBC），VBC接收对应控制装置下发的参考波对换流阀进行直接控制；当UPFC保护检测到故障，则通过三取二装置经VCU触发TBS开关。

2.1.3方案比较

2种方案的比较结果如表1所示。

图4　方案2结构图

表1　南京UPFC工程控制保护系统架构方案比较

由表1可见，方案2中分区结构更为清晰，控制保护逻辑较为简单，各装置间交换的信息相对较少，该方案充分考虑了控制保护系统的可靠性，因此该工程的控制保护系统架构最终确定采用方案2。

2.2控制保护系统分层结构

在该工程的控制保护系统架构方案确定后，控制保护系统的总体分层结构划分如下：

（1）远方调度控制层。远方调度中心经由电力数据网或专线通道，经过站内的远动工作站对UPFC控制站的设备实施远方监视与控制。

（2）UPFC控制站运行人员控制层。通过站内运行人员工作站对UPFC控制站的所有设备实施监视与控制。

（3）UPFC控制站控制保护设备层。含交流站控、UPFC控制保护及辅助系统控制设备等。

（4）就地测控单元（I/O单元）层。执行其他控制层的指令，完成对应设备的操作控制。

3　南京UPFC工程控制保护系统配置

3.1控制系统功能配置

该工程中采用的UPFC典型控制方式为并联侧换流器控制直流系统电压恒定，同时控制与并联侧交流系统的无功功率交换或者控制并联侧系统的交流电压；串联侧换流器控制双回交流线路的有功和无功功率、或者晓庄断面的有功潮流等。

3.1.1估值功能分层结构

参照IEC 60633—1998标准中确定的分层配置原则［6］，经研究将该工程中的UPFC控制功能设计划分为3个层次：系统级控制、换流器控制和阀控制，控制功能的分层结构如图5所示。

（1）系统级控制。实现对晓庄断面的潮流控制、南京西环网其他线路的功率越限控制以及UPFC换流器间协调控制策略等。

（2）换流器控制。包括外环功率控制、交流电压控制和直流电压控制，以及内环电流的控制，实现UPFC，SSSC和STATCOM方式起停控制策略等。

（3）阀控制。实现最近电平逼近调制控制、换流器子模块电容电压平衡控制等。

各层次的功能配置如表2所示。

3.1.2不同运行方式下对应的控制功能

（1）UPFC方式运行。①并联侧换流器控制：直流电压控制、35 kV系统交流电压控制、与35 kV系统交换的无功功率控制。②串联侧换流器控制：线路有功功率控制、线路无功功率控制、双回线路功率协调控制、晓庄断面功率控制、西环网其他线路功率过载限制控制。

（2）SSSC方式运行。串联侧换流器控制：直流电压控制、线路有功功率控制、直流电压控制、双回线路功率协调控制、晓庄断面功率控制、西环网其他线路功率过载限制控制。

图5　南京UPFC工程控制功能分层结构示意图

表2　南京UPFC工程控制功能配置表

（3）STATCOM方式运行。并联侧换流器控制：直流电压控制、35 kV系统交流电压控制、与35 kV系统交换的无功功率控制。

UPFC的并联侧换流器用于控制直流系统的电压恒定，保证串联侧换流器能正常工作，一旦并联侧交流系统失电，UPFC系统将停运，为提高系统整体运行的可靠性，该工程配置了并联变压器备自投功能，当运行的并联变压器故障或者进线电源丢失时，该功能通过快速切除故障支路并投入备用变压器，可以使UPFC系统继续保持正常运行。

3.2保护系统功能配置

南京UPFC工程的保护系统配置如图6所示。

图6　南京UPFC工程保护系统配置图

UPFC保护的保护范围为并联变压器的阀侧以及串联变压器阀侧之间的区域，其对3个换流器区及串、并联连接区模拟量进行采样，对UPFC整个区域进行保护，同时与变压器保护、线路保护配合，保证设备的安全运行。UPFC保护按照自身保护区域又被划分为交流连接线保护区和换流器保护区，两区的保护范围相互交叉，保证无死区；另外，为保证换流器免受线路故障时的过电流冲击，在三取二装置里还配置了快速保护功能。UPFC保护配置的主要保护功能如表3所示。UPFC保护的动作后果如表4所示。

当UPFC保护检测到故障时，立即通过三取二装置发出跳并联侧交流断路器及合串联变压器3个旁路开关的命令，其中晶闸管旁路开关TBS会最先动作，待串联变压器的机械旁路开关中任一个合闸后，TBS开关自动断开。

表3　南京UPFC工程保护功能配置表

表4　南京UPFC工程UPFC保护动作后果表

4　结束语

综上所述，对于双回线路UPFC工程，控制保护系统在架构设计上宜采用控制与保护独立、控制系统按换流器分区配置、保护系统整体配置的方案，在设备配置上宜采用控制系统双重化配置、保护系统三取二配置的方案，以满足双回线路UPFC工程的经济性、灵活性和可靠性要求。按照分层配置的原则，UPFC控制系统可设计划分为系统级控制、换流器控制和阀控制3个层次，各层次相互配合实现系统的整体控制目标；UPFC保护按照自身保护区域可划分为交流连接线保护区和换流器保护区，两区对应保护功能的保护范围应相互交叉，保证无死区，并与串联/并联侧变压器保护、交流线路保护配合，实现对整个系统的保护。以上可作为后续双回线路UPFC工程控制保护系统方案确定的参考。

［1］马凡.统一潮流控制器动态特性及相关控制策略研究［D］.武汉：华中科技大学，2007.

［2］朱鹏程，刘黎明，刘小元，等.统一潮流控制器的分析与控制策略［J］.电力系统自动化，2006，30（1）：45-51.

［3］王旭，祁万春，黄俊辉，等.柔性交流输电技术在江苏电网中的应用［J］.电力建设，2014，35（11）：92-96.

［4］付俊波，朱炳铨，田杰，等.UPFC在浙江金华电网的应用研究［J］.浙江电力，2015：1-4.

［5］连霄壤.基于模块化多电平的统一潮流控制器拓扑设计［J］.机电工程，2012，29（5）：563-567.

［6］IEC 60633—1998，Terminology for High-voltage Direct Current （HVDC）Transmission［S］.

Study on Architecture and Configuration for Control and Protection System of Nanjing UPFC Project

LU Jiang1，QIN Jian2，PAN Lei1，DONG Yunlong1，QIU Defeng1，HUANG Ruhai1
（1.NR Electric Co.Ltd.，Nanjing 211102，China；2.Jiangsu Electric Power Company，Nanjing 210024，China）

The unified power flow controller（UPFC）can improve the power flow distribution in power grid by regulating the line power flow quickly and flexibly.For the maturely developed region grid with stable grid structure，the UPFC device is a suitable solution for the unbalanced power flow problem.Taking the Nanjing west grid UPFC project as an example and considering the primary system structural characteristics of this double-circuit line UPFC project，the architecture and configurationofthecontrolandprotectionsystemisstudiedindetail.Thefinalschemeofthisprojectisproposed，andtheproposed schemecanmeettherequirementsofthedouble-circuitlineUPFCprojectintermsofeconomy，flexibilityandreliability.

unified power flow controller（UPFC）；double-circuit line；control and protection system；hierarchical configuration

TM761

A

1009-0665（2015）06-0001-05

2015-08-02；

2015-09-10

鲁江（1979），男，江苏江阴人，高级工程师，从事高压直流输电、柔性直流输电及柔性交流输电技术研究工作；

秦健（1970），男，江苏启东人，高级工程师，从事电网工程建设管理、智能电网应用、电网新技术应用等方面的工作；

潘磊（1985），男，湖北荆州人，工程师，从事高压直流输电、柔性直流输电及柔性交流输电技术研究工作；

董云龙（1977），男，安徽安庆人，高级工程师，从事高压直流输电、柔性直流输电及柔性交流输电技术研究工作；

邱德锋（1986），男，江苏泰州人，工程师，从事高压直流输电、柔性直流输电及柔性交流输电技术研究工作；

黄如海（1987），男，江苏南通人，工程师，从事高压直流输电、柔性直流输电及柔性交流输电技术研究工作。