500 kV苏南UPFC接入对距离保护的影响及应对策略

瞿　峰, 邓　凯, 张　赟, 钱　伟, 周　强， 孔祥平

(1. 国网江苏省电力有限公司检修分公司，江苏 南京 210002；2. 国网江苏省电力有限公司电力科学研究院，江苏 南京 211103)

0　引言

近年来，柔性交流输电系统(flexible AC transmission systems, FACTS)设备快速发展，而作为第三代FACTS的典型代表，统一潮流控制器(unified power flow controller, UPFC)是迄今为止功能最全面的FACTS装置，能分别或同时实现并联补偿、串联补偿、移相和端电压调节等多种基本功能[1-5]。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[6-7]。220 kV南京UPFC是我国将UPFC应用于工程实践的第一次尝试，运行经验表明，其在电网潮流精准控制、提供无功电压支撑、提高系统电压稳定性方面具有十分明显的技术优势[8-10]，应用前景广阔。

苏南电网面临着如下问题：特高压锦屏直流接入苏南电网后，对其提供了有效的电力支撑，但该电源为水电直流，受季节影响较大，冬季枯水期送电大幅减少(出力约20%)，因此苏南电网的电力受进随季节变化潮流分布影响较大，在送电小方式下梅里至木渎断面存在电力受进“卡脖子”的问题。同时苏南电网以特高压锦苏直流为主要电源，其它常规电源相对较少，而锦苏直流不能向地区提供无功支撑，导致该地区存在动态无功电压支撑能力不足的问题[11]。经过研究开发、技术论证、工程设计等环节的工作，全球首创500 kV UPFC于2017年12月19日在苏州南部正式投运，以均衡苏南电网各输电通道潮流，提升苏南电网的供电能力。

距离保护是反应输电线路一侧电气量变化的保护，以其较好的稳定性、较高的灵敏度、不易受电网运行方式变化影响等优点在继电保护设备中得到了广泛应用[12-13]。随着特高压直流输电、交直流混联、柔性交流输电等设备接入电网，导致常规距离保护的测量阻抗值无法真实反应故障位置，从而影响了保护的灵敏性、准确性。基于此，众多学者针对不同装置接入对距离保护的影响展开了深入研究[14-19]。文献[14]分析了风电接入系统对距离保护的影响；文献[15]介绍了直流馈入对输电线路距离保护影响的机理；文献[16]叙述了交直流互联系统对距离保护动作特性的影响及对策。FACTS装置的接入改变了线路阻抗的均匀分布，文献[17]详细介绍了不同FACTS元件对距离保护的影响；文献[18]着重对比分析了UPFC与串补对距离保护的影响；文献[19]则提出了一种适用于UPFC接入的新型距离保护方案。

在前人的研究基础上，文中详细分析了苏南500 kV UPFC的接入对两侧线路距离保护的影响，并提出了合理的定值整定方法以确保动作行为的正确性，满足电网安全稳定运行的要求。

1　500 kV苏南UPFC工程简介

500 kV苏南UPFC工程的一次系统结构如图1所示，3个换流器采用基于绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor, IGBT)的模块化多电平换流器(modular multilevel converter, MMC)技术。并联交流侧通过1台并联变压器接入500 kV木渎变电站的第4串；2个串联交流侧各安装1台串联变压器，通过其高压侧绕组串联接入500 kV线路；串联变压器网侧、阀侧各配置1台机械旁路断路器，即高压侧旁路断路器(high voltage breaker，HVB)和中压侧旁路断路器(low voltage breaker, LVB)，其合上后能够隔离换流器与串联线路。同时，串联变压器阀侧与中性点间配置1台三相晶闸管旁路开关(thyristor bypass switch, TBS)，可对换流器进行快速保护。苏南UPFC共有3种运行方式，分别是双线UPFC运行，单线UPFC运行和静止同步补偿器(static synchronous compensator,STATCOM)运行。

图1　500 kV苏南UPFC工程一次系统结构Fig.1　Structure diagram of 500 kV UPFC project in Southern Suzhou

2　500 kV苏南UPFC接入对距离保护的影响

UPFC具有对线路潮流的实时调整功能，接入系统以后，通过串联变压器给线路注入幅值和相角均可控的电压矢量，可同时或有选择性地调节线路上的电压、阻抗和相角。此外，在线路发生故障时，UPFC既可以通过串联变压器向线路提供一定的补偿电压以减小故障电流[20]，也能够利用串联变压器网侧漏抗来限制故障电流[21]，因此起到了故障限流的作用。

UPFC可等效于一个串联元件接入到电力系统中，并且随着系统参数的实时变化，等效串联元件的参数随之变化，将会影响周边输电线路保护的可靠性、选择性和灵敏性。对于线路保护而言，UPFC设备的引入改变了输电线路阻抗均匀分布的基本特征，导致线路中距离、方向等元件均受到影响，也就无法定量分析距离保护的故障特点。在工程实际中，UPFC的控制保护逻辑直接决定了交流系统故障的外在特性，需要结合UPFC本体的控制保护逻辑分析UPFC对交流系统距离保护的影响。

2.1　UPFC故障后控制保护逻辑

由图1可知，UPFC装置主要由换流器本体及与线路连接的串、并联变压器构成，因此装置内保护主要由换流器保护、变压器保护构成，并配合线路保护进行动作以保证系统无保护死区。

换流器内发生故障，UPFC保护动作结果为闭锁3个换流阀、触发晶闸管旁路开关TBS并发信号合2个串联变压器的网侧、阀侧旁路断路器HVB和LVB。并联侧换流器故障时跳开并联变压器的进线侧开关，且整个UPFC站停电。如果故障发生在串联换流器阀侧的交流连接线处，则仅闭锁相应换流器并合串变两侧开关，若故障切除且满足重启条件则会重启UPFC。

变压器保护分为串变保护和并变保护。串变保护动作会合相应串的TBS、高中压侧旁路断路器、闭锁相应换流阀、闭锁线路重合闸。高压侧旁路断路器HVB合闸失灵时，保护二时限动作跳两侧线路开关；并变保护动作时，会跳并变三侧断路器且闭锁并联换流器，同时2个串联换流器陪停；并变网侧断路器跳闸失灵时，则远跳木渎侧边中开关。

2.2　故障分析模型建立

为了从理论上分析UPFC对距离保护动作特性的影响，首先要建立含UPFC的电力系统线性化模型，具体方法如下：

(1)

式中，注入电压源幅值和相角都是时间的函数且相互独立。根据苏南UPFC串联侧的潮流调节特性，式中幅值可以取0～43.5 kV的任意值，相角可以取0～360°的任意值，对距离保护的影响分析基于图2所示的UPFC等值电路模型结构。

图2　含UPFC系统等值结构Fig.2　Equivalent structure diagram of UPFC

2.3　对距离保护的影响分析

图2中保护1测量的电压电流均为木渎母线侧电气量。系统不同位置发生故障对于距离保护的影响不同，文中分为上级线路、本线路以及下级线路故障对UPFC线路两侧距离保护影响进行讨论。

2.3.1对UPFC线路本侧距离保护影响

(1) UPFC接入线路上级线路故障。

图3　上级线路故障时系统等值结构Fig.3　Equivalent structure diagram of a superior line fault

在f1处发生故障时，保护1处的测量阻抗表达式为：

(2)

由式(2)可知，UPFC并联侧注入电流与测量电流的比值影响保护1处测量阻抗。根据实际，并联换流器按STATCOM方式运行，不能提供短路电流，Ish控制在额定电流范围内；而500 kV UPFC串联变压器网侧额定电流约为并联变压器网侧额定电流的10倍，且短路电流Im1明显大于串联变压器网侧额定电流。故UPFC并联单元注入电流Ish远小于短路电流Im1，故测量阻抗化简为：

Z1≈-Zmf1

(3)

由式(3)可得，UPFC接入几乎不影响反方向故障时保护1的测量阻抗，保护1的测量阻抗为线路阻抗的相反数，距离保护可靠不动作。

(2) UPFC接入线路故障。

① TBS动作对保护1距离Ⅰ段影响。在本线路f2点发生故障且UPFC保护动作，2 ms内TBS触发将串联换流阀系统隔离，UPFC也不再向交流系统注入受控电压源，仅将变压器漏抗接入一次系统中，如图4所示。

图4　本线路故障且TBS动作时的故障模型Fig.4　Fault model of local line faults and TBS acts

保护1处的测量阻抗表达式为：

Z1=Zse+Zmf2

(4)

可见，保护1的测量阻抗与原来相比增加了变压器漏抗Zse，如果按照原始线路长度整定，在保护范围末端故障时，将发生区内拒动，即保护1距离Ⅰ段的保护范围缩小。

图5　本线路故障且TBS不动作时的故障模型Fig.5　Fault model of local line faults and TBS falis to act

保护1处的测量阻抗表达式为：

(5)

由于实际UPFC系统参数的限制，注入电压源的影响不能忽略。在故障稳态过程中，由于线路电流增大，UPFC控制系统起到限流的作用，即呈现感性特性，则保护1处测量阻抗相较于原来增大，如果按照原始线路长度整定，在保护范围末端故障时，将发生区内拒动，即保护范围缩短。

(3) UPFC下级线路故障。

UPFC下级线路故障时主要考虑UPFC对于保护1距离后备段的影响。由系统图可知，保护1的故障回路中包含了UPFC系统的串联单元，需要结合UPFC本体保护逻辑具体分析其对保护1距离后备段的影响。此处同样按照本体保护动作和不动作两种情况进行分析，并结合HVB的动作情况进行分类讨论。

① HVB动作对保护1距离后备段的影响。HVB动作后，UPFC串联支路被旁路，HVB将UPFC串联侧从交流系统中隔离，消除了UPFC对距离Ⅱ、Ⅲ段的影响。对于保护1，故障回路中不再包含UPFC支路，距离Ⅱ、Ⅲ段不受影响。

② HVB不动作对保护1距离后备的影响。HVB不动作，UPFC串联注入电压存在故障回路中，分析此情况下对距离Ⅱ、Ⅲ段的影响，下级线路f3故障且HVB不动作时故障简化模型如图6所示。

图6　下级线路故障且HVB不动作时的故障模型Fig.6　Fault model of inferior line faults and HVB falis to act

保护1处的测量阻抗表达式为：

(6)

2.3.2对UPFC线路对侧距离保护影响

保护2为UPFC对侧的保护，在系统不同位置发生故障时，由于UPFC位置和实际参数的设置，会对距离保护产生不同的影响，需要具体分析。

(1) UPFC上级线路故障。

当UPFC上级线路f1点发生故障时，UPFC包含在故障回路中。需要结合UPFC本体保护动作情况进行详细分析。

① HVB动作对保护2距离后备段的影响。当在UPFC线路f1点发生故障时，若UPFC本体保护动作，则HVB在40 ms内动作，将UPFC串联部分从线路中隔离。可得故障简化模型如图7所示。

图7　上级线路故障且HVB动作的故障模型Fig.7　Fault model of superior line faults and HVB acts

保护2处的测量阻抗为：

(7)

由式(7)可知，HVB动作情况下UPFC接入对于保护2的测量阻抗基本没有影响。

② TBS和HVB都不动作对保护2距离后备段的影响。HVB动作时间约为40 ms，因此距离后备保护的动作情况与HVB是否动作息息相关，当TBS和HVB均不动作时，相当于UPFC不退出运行。可得故障简化模型如图8所示。

图8　上级线路故障且HVB不动作的故障简化模型Fig.8　Fault simplification model of superior line faults and HVB fails to act

保护2处的测量阻抗为：

(8)

(2) UPFC线路故障。

当故障发生在UPFC线路的架空线路段时，保护2的故障回路中不包含UPFC，因此保护2的动作情况不受影响。当故障发生在母线m附近时，保护2的故障回路包含UPFC，测量阻抗受到UPFC本体保护动作结果的影响。在此结合TBS的动作情况进行分类讨论。

① TBS动作对保护2距离I段影响。在500 kV木渎变近母线m处发生故障且UPFC串联换流器阀侧电流大于动作门槛时，2 ms内TBS触发将串联换流器旁路，此时UPFC不再向交流系统注入受控电压，仅将变压器漏抗接入一次系统中，如图9所示。

图9　近母线m处故障且TBS动作时的故障模型Fig.9　Fault model of line faults near bus m and TBS acts

保护2处的测量阻抗表达式为：

Z2=Zmq+Zse

(9)

可见，保护2的测量阻抗与原来相比增加了变压器漏抗Zse，即f2故障时，保护2距离Ⅰ段不会误动。

图10　近母线m处故障且TBS不动作时的故障模型Fig.10　Fault model of line faults near bus m and TBS fails to act

保护2处的测量阻抗表达式为：

(10)

同前分析，保护2处测量阻抗相较于原来增大，则母线m故障时保护2的距离Ⅰ段不会误动。

(3) UPFC下级线路故障。

当故障发生在UPFC下级线路时，保护2的故障回路中不包含UPFC，因此保护2的动作情况基本不受影响。

3　应对策略

3.1　UPFC本侧保护

3.2　UPFC对侧保护

对于距离Ⅰ段，虽理论分析故障稳态过程中距离Ⅰ段不会误动，但是考虑故障暂态的影响，保守考虑，适当减小可靠系数Krel。为简便起见，与UPFC本侧保护可靠系数保持一致，缩小至0.6。

4　结语

本文基于500 kV苏南UPFC工程，对UPFC接入系统后，距离保护受到影响进行理论分析，并就线路实际情况，提出了应对性策略，通过合理整定距离保护各段定值，在不失距离保护灵敏度的情况下，最大限度消除UPFC对距离保护的影响，保障了电力系统安全稳定运行。

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