李興建，篤 峻，姚婷婷，于 哲，張延冬，祁 琦，魏 星

(南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102)

0 引言

統(tǒng)一潮流控制器(UPFC)[1]是一種功能強大、特性優(yōu)越的新一代柔性交流輸電裝置，也是迄今為止通用性最好的柔性交流輸電系統(tǒng)(FACTS)裝置，它綜合了FACTS元件的多種靈活控制手段，具有電壓調(diào)節(jié)、串聯(lián)補償和移相等各種能力[2]。UPFC既能在電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制方面實現(xiàn)潮流調(diào)節(jié)，合理控制有功功率、無功功率，提高線路的輸送能力，實現(xiàn)優(yōu)化運行；又能在動態(tài)方面，通過快速吞吐無功，動態(tài)地支撐接入點的電壓，提高系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性；還可以改善系統(tǒng)阻尼，提高功角穩(wěn)定性[3- 4]。

因UPFC有諸多顯而易見的優(yōu)越性，加上大功率晶閘管的造價日趨降低，目前我國和美國、瑞典、巴西、德國、英國、日本等國家都在積極開展FACTS設(shè)備制造或者應(yīng)用的研究，我國更是取得了快速的進步，2015年12月，南京220 kV西環(huán)網(wǎng)UPFC工程正式投入運行[5]；2017年12月世界電壓等級最高、容量最大的UPFC工程——蘇州南部電網(wǎng)500 kV UPFC示范工程正式投運。這2個重點工程都是采用基于IGBT的模塊化多電平換流器(MMC)的UPFC工程。MMC為多個模塊構(gòu)成的三相橋式結(jié)構(gòu)，其基本單元是一個半橋單元(子模塊)，每個子模塊由2個IGBT器件和1個直流儲能電容并聯(lián)組成，多個子模塊串聯(lián)在一起構(gòu)成一個換流橋臂，6組級聯(lián)換流橋臂組合在一起構(gòu)成三相換流器[6]。

MMC模塊具有損耗小，可靠性高，電壓、容量等級易于擴展，便于工程實現(xiàn)等優(yōu)點，但開關(guān)器件數(shù)目增加，子模塊數(shù)目比較多，據(jù)統(tǒng)計，每個橋臂的串聯(lián)子模塊數(shù)達到數(shù)百個[7]，這給新的UPFC工程的驗收測試帶來不小的難度。

子模塊作為MMC的基本單元，其工作是否正常關(guān)系到UPFC工程的安全穩(wěn)定運行。然而子模塊與以往傳統(tǒng)的交流保護裝置相比，控制的對象、控制的方式都不一樣，無法像傳統(tǒng)保護裝置一樣進行調(diào)試。在現(xiàn)場的工程和生產(chǎn)測試中亟需調(diào)試效率高、調(diào)試模式先進的子模塊測試裝置，以保證UPFC工程的可靠運行。

1 子模塊的工作原理及調(diào)試現(xiàn)狀

參照IEC60633—1998標(biāo)準的規(guī)定，UPFC工程采用分層控制思想[8]，控制系統(tǒng)分為系統(tǒng)控制層、換流器控制和閥控制[9]3個層次，南京UPFC工程正是采用這種經(jīng)典的結(jié)構(gòu)，其工程結(jié)構(gòu)如圖1所示。Q/GDW11548—2016《統(tǒng)一潮流控制器工程分系統(tǒng)調(diào)試規(guī)范》中按照分層控制的思想，規(guī)定將UPFC工程分系統(tǒng)分級調(diào)試[10]，工程現(xiàn)場驗收測試和出廠驗收測試中正是根據(jù)這些原則分別對系統(tǒng)控制層裝置、換流器控制裝置和閥控層裝置以及閥控裝置的控制對象子模塊設(shè)備進行調(diào)試完畢，最后再進行整個系統(tǒng)的功能聯(lián)調(diào)測試。

圖1 南京UPFC工程典型結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Typical structure of Nanjing UPFC Project

目前UPFC工程還不太多，結(jié)合近年投入運行的南京西環(huán)220 kV UPFC工程和蘇南500 kV UPFC工程來看，在現(xiàn)場系統(tǒng)聯(lián)調(diào)調(diào)試采用實際運行方式通電進行測試；出廠驗收測試或者研發(fā)調(diào)試一般采用RTDS/MATLAB/PSCAD/EMTDC 等仿真系統(tǒng)對系統(tǒng)故障進行仿真[11-14]，然后采用接口轉(zhuǎn)換板卡將故障轉(zhuǎn)換成廠家的數(shù)據(jù)通信協(xié)議，接入換流器控制設(shè)備和閥控設(shè)備進行調(diào)試，文獻[11]搭建了一套RTDS模型，模擬了系統(tǒng)的各類故障，用于蘇南UPFC工程研發(fā)階段和出廠試驗時的策略驗證，起到了很好的效果。但這2種系統(tǒng)測試的方法都有很大的缺陷?，F(xiàn)場采用直接通電進行系統(tǒng)測試的方法，實際運行的系統(tǒng)不可能模擬所有場景和所有工況的故障，只能選取一些易于實現(xiàn)的系統(tǒng)故障進行驗證，不可避免存在一些測試死角等問題，即便如此，調(diào)試也是工程浩大，試驗過程非常繁瑣。RTDS等仿真方式是進行系統(tǒng)策略驗證的絕佳手段，但是這種測試也有不足之處：① 這種方法適用于系統(tǒng)級別的測試，無法對分級系統(tǒng)如子模塊等進行單獨快速測試;② 這種測試方法不方便在現(xiàn)場實施，僅限于出廠檢驗和研發(fā)測試。

仿真試驗無法在現(xiàn)場實施，現(xiàn)場系統(tǒng)測試由于某些破壞性故障不可能試驗等原因，存在一定的測試死角，因此有必要在分級測試時對各層設(shè)備進行完備充分的測試，以保證UPFC系統(tǒng)在將來的運行可靠性。

系統(tǒng)控制層裝置、換流器控制裝置和閥控層裝置跟傳統(tǒng)的保護裝置類似，可以借助原來的調(diào)試儀器和測試方法進行邏輯測試，但是子模塊控制層測試是分級測試的難點，由于UPFC工程是新興技術(shù)，市面上缺乏成熟的測試手段，目前的測試及試驗主要依靠輔助電源、萬用表等工具，通過閥控層裝置配合甚至系統(tǒng)控制層裝置的配合才能進行，測試的快速性和準確性不能兼顧，而UPFC工程的MMC子模塊數(shù)量眾多，據(jù)統(tǒng)計一個換流橋臂的子模塊數(shù)量就接近300個，這無疑給現(xiàn)場調(diào)試人員帶來了巨大的挑戰(zhàn)。以往由于缺乏有效的測試手段，干脆放在系統(tǒng)測試中進行測試，而由上述可知，系統(tǒng)測試時有些對系統(tǒng)有損害的故障是無法進行的，因而對子模塊的測試不夠充分，給日后UPFC工程的可靠運行埋下了一定的隱患。

2 UPFC換流閥模塊測試系統(tǒng)總體設(shè)計

鑒于目前UPFC工程中測試存在的問題，特別是對子模塊測試存在以下幾個難題：① 無法單獨測試，子模塊從一次系統(tǒng)取電，一次系統(tǒng)未運行時，子模塊無法工作；② 系統(tǒng)供電后要進行相應(yīng)的功能測試，需要閥控裝置以及換流器控制裝置配合；③ 測試完畢需要工程測試人員判斷模塊問題，無法自動診斷。本文提出并研制了一種便攜式UPFC換流閥子模塊測試裝置，旨在解決目前子模塊測試存在的上述難題，用自動化的測試方法為UPFC工程中數(shù)量龐大的子模塊提供高效、自動、全面的測試，以保證UPFC工程系統(tǒng)的可靠運行。

UPFC換流閥子模塊測試系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示，包括測試管理單元和測試執(zhí)行單元兩部分。

圖2 UPFC換流閥子模塊測試系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of testing system for sub-module of UPFC

各單元的功能如下。

(1) 測試管理單元。測試管理單元提供人機接口，用于根據(jù)工程需要配置閥控模擬單元采用的控制協(xié)議，配置采集單元采樣計算參數(shù)，以及控制能量控制單元的電壓輸出和放電回路，最后根據(jù)配置控制子模塊的測試過程，測試中測試管理單元通過測試執(zhí)行單元閥控模擬模塊接收被測UPFC子模塊的通信報文獲取狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過測試執(zhí)行單元采集模塊的采集數(shù)據(jù)，結(jié)合狀態(tài)數(shù)據(jù)自動判斷測試結(jié)果，并給出測試報告。目前不同的UPFC工程采用的協(xié)議并不相同，子模塊的拓撲分類、結(jié)構(gòu)也不盡相同，本設(shè)計通過測試管理單元以配置的方式，實現(xiàn)模擬協(xié)議可配置，測試功能根據(jù)子模塊的拓撲和結(jié)構(gòu)自適應(yīng)，兼容各個工程的UPFC子模塊的測試。

(2) 測試執(zhí)行單元。測試執(zhí)行單元用于執(zhí)行子模塊的測試功能，按照功能劃分成閥控模擬模塊、采集模塊和能量控制模塊幾個模塊，功能結(jié)構(gòu)如圖3所示，采用DSP+FPGA的實現(xiàn)方式，其中DSP負責(zé)和測試管理單元交換數(shù)據(jù)、模擬閥控應(yīng)用層協(xié)議、采集計算測試點的數(shù)據(jù)、控制子模塊的充放電邏輯，F(xiàn)PGA則用于實現(xiàn)閥控協(xié)議物理層的收發(fā)控制，各模塊功能如下。

圖3 測試執(zhí)行單元功能圖Fig.3 Structure of test executive unit

a. 閥控模擬模塊。該模塊用于模擬UPFC閥控裝置對子模塊進行控制，所模擬協(xié)議的格式、內(nèi)容、時鐘頻率等可靈活配置，子模塊采用的拓撲結(jié)構(gòu)、充電時間、放電時間、溫度傳感器的類別等也可通過配置的方式進行控制，用于支持不同直流系統(tǒng)的測試，閥控模擬模塊通過光纖模擬閥控單元的通信協(xié)議控制UPFC子模塊的IGBT的導(dǎo)通、關(guān)斷、閉鎖、解鎖和真空接觸器旁路開關(guān)分合等，并接收UPFC子模塊反饋的狀態(tài)數(shù)據(jù)，解析后傳遞給測試管理單元。本文在UPFC工程設(shè)計之初充分考慮了現(xiàn)場工程測試的問題，所采用的控制協(xié)議留有現(xiàn)場調(diào)試接口，可以用調(diào)試接口測試硬件，也可以用調(diào)試接口測試子模塊在各種異常工況下的自檢返回狀態(tài)，保證現(xiàn)場出現(xiàn)異常時能及時發(fā)現(xiàn)問題。閥控模擬模塊實現(xiàn)時采用了2種控制方式：一種是現(xiàn)場實際采用的控制協(xié)議控制子模塊單元，這種模式下，在測試裝置功能開發(fā)時，對用于測試的子模塊設(shè)置各種異常情況，包括各個測試點破壞性操作，以保證測試裝置功能的嚴密性；另一種則是采用調(diào)試命令的方式，將各種破壞性試驗也不易實現(xiàn)的子模塊通信自檢狀態(tài)反饋也一一測試，盡最大可能使測試不留死角。其具體實現(xiàn)的功能架構(gòu)如圖3中閥控模擬模塊所示，測試時根據(jù)測試管理單元選取的協(xié)議類型、拓撲結(jié)構(gòu)等配置信息，DSP在實時中斷循環(huán)中模擬閥控應(yīng)用層數(shù)據(jù)，然后通過FPGA進行物理層的數(shù)據(jù)編碼；接收到的狀態(tài)數(shù)據(jù)也通過FPGA解碼后，在中斷中實時讀取，狀態(tài)數(shù)據(jù)包括開關(guān)數(shù)據(jù)、故障代碼、溫度數(shù)據(jù)、采樣數(shù)據(jù)、版本信息等，由于中斷數(shù)據(jù)速率太高，故需要根據(jù)數(shù)據(jù)類型進行數(shù)據(jù)處理后再傳輸給管理單元，由測試管理單元綜合后進行結(jié)果判斷。

b. 采集模塊。該模塊用于采集UPFC子模塊動作時各個測試采樣點的直流電壓，用于輔助子模塊測試結(jié)果的自動判斷。采集模塊的功能架構(gòu)如圖3中采集模塊所示，采集模塊在DSP任務(wù)中實施，采用兩級中斷處理方式，高速采集任務(wù)放在中斷1中實現(xiàn)，在中斷1實時采集各個測試采樣點的數(shù)據(jù)，在次級中斷2中計算數(shù)據(jù)的平均值，由于各個測試點都是直流數(shù)據(jù)，故其數(shù)據(jù)的計算采用如下公式：

其中，M(i)為各個采集通道的有效值；u(j)為各個采樣點的實時采集數(shù)據(jù)；N為每個中斷2的時間所采樣的點數(shù)。

c. 能量控制模塊。該模塊采用市電供給能源，根據(jù)需要控制輸出直流電壓源的量級和時間，用于給UPFC子模塊充電，保證測試不需要輔助電源或者系統(tǒng)其他部分的配合，做到獨立測試；子模塊測試過程結(jié)束時，需要控制放電過程，圖3中的RLY1—RLY3以及K1均由DSP控制，根據(jù)測試需要控制電源和電阻，控制子模塊放電過程。該模塊是子模塊進行自動測試的基礎(chǔ)，使得現(xiàn)場的測試不依賴于一次系統(tǒng)及其他控制裝置。

3 UPFC子模塊的測試過程

UPFC子模塊測試時接線原理圖如圖4所示，圖中SMC為子模塊控制器。

圖4 UPFC模塊測試接線圖Fig.4 Wiring diagram of sub-module

通過能量控制模塊的輸出電壓DC± 給子模塊供電，通過光纖控制子模塊，在各個被測開關(guān)的兩端設(shè)置采集點，通過測試夾具回采測試點的電壓值。

UPFC子模塊測試涵蓋充電階段、穩(wěn)定工作時的功能測試，以及放電階段的狀態(tài)測試，如圖5所示。充電測試主要測試子模塊是否能夠快速充電，控制DC± 輸出需要的直流電壓后，在規(guī)定的時間測試子模塊的充電電壓是否能達到預(yù)期幅值。

圖5 子模塊階段測試圖Fig.5 Test phase of sub-module

穩(wěn)定工作時的功能測試包括溫度測試、IGBT開關(guān)測試、空載測試和真空接觸器KM的分合及拒動測試、均壓電阻測試幾個項目，測試覆蓋均壓電阻RJ、直流電容C、子器件IGBT(全橋拓撲時有4個IGBT器件，半橋拓撲有2個IGBT器件，目前UPFC工程中采用半橋拓撲)、真空接觸器KM等主要功率器件，要對這些器件的正常和異常情況都能夠進行檢測和判斷，測試時通過閥控模擬模塊發(fā)送各個器件真實的控制命令進行控制，根據(jù)子模塊發(fā)送的狀態(tài)數(shù)據(jù)和采集點的電壓值，判斷測試的結(jié)果，為了保證測試裝置的嚴密，各個模塊正常功能測試完畢，進行了各個環(huán)節(jié)的破壞性試驗，以驗證測試裝置的功能。如圖4所示，采集模塊采集點主要是DC之間的電壓VDC+,DC-、DC+和A點之間電壓VDC+,A、A點和DC-之間電壓VA,DC-、DC+和B點之間電壓VDC+,B、B點和DC-之間電壓VB,DC-、A點和B點之間電壓VA,B。

測試原理如表1所示。測試的流程如附錄中圖A1所示。

測試的目的不僅要測試出模塊中的問題，更重要的是定位故障的位置和具體的原因，既要方便現(xiàn)場用戶的使用，也要提供保存試驗報告的能力，以便于用戶反饋問題、廠家追溯質(zhì)量，本文的測試系統(tǒng)中充分考慮了這個問題，通過液晶給現(xiàn)場測試人員提供詳盡的界面顯示，如附錄中圖A2所示，并在管理單元中保存測試項目的報告，工程測試完畢后可以上傳到計算機，通過數(shù)據(jù)庫和管理后臺提供測試管理，可供日后進行質(zhì)量跟蹤。

表1 測試方法及判據(jù)Table 1 Testing method and criteria

4 UPFC模塊測試裝置的工程應(yīng)用

UPFC模塊測試裝置解決了UPFC工程調(diào)試中存在的實際問題，在公司的出廠、生產(chǎn)試驗環(huán)節(jié)、南京西環(huán)網(wǎng)UPFC工程、蘇南500 kV UPFC工程投運驗收過程中發(fā)揮了實際作用，由圖5所示的自動測試涵蓋了子模塊各個階段的功能，以蘇南UPFC工程調(diào)試為例，調(diào)試中最復(fù)雜的當(dāng)屬均壓電阻的測試，測試時需要模擬放電過程，測試子模塊的行為，以判斷均壓電阻是否工作正常，因為本設(shè)計中采用了可控的能量模塊，很容易模擬放電的過程，并在測試中實時采集子模塊的狀態(tài)，從而監(jiān)控了均壓電阻在放電整個過程的表現(xiàn)，通過對比正常和異常情況下的測試曲線和計算值很容易判斷均壓電阻的工作狀況。以往如果采用一次系統(tǒng)通電的過程進行測試，均壓電阻很難測試，即使勉強測試，因為沒有自動采集模塊的監(jiān)控，采用人工測量的方式，也很難判斷均壓電阻的工作狀態(tài)。而采用測試裝置后，包括充放電、各器件的功能測試，全部完成僅需3 min左右，極大加快了項目驗收的進度，其便攜、自動、全面的測試手段為工程投運的順利實施作出了貢獻，得到了用戶的好評。

5 UPFC模塊測試裝置的優(yōu)勢和不足

UPFC模塊測試裝置主要針對UPFC工程中數(shù)量龐大的換流閥子模塊進行測試，解決了子模塊中絕大多數(shù)元器件的功能檢測、接線檢查以及控制協(xié)議的通信監(jiān)測，具備很強的工程實用性，但是它只針對UPFC的工程局部，只體現(xiàn)了分系統(tǒng)調(diào)試的一部分，對UPFC工程的其他部分，比如閥控裝置、UPFC控制裝置的功能邏輯和單機測試并未涉及，對于整個UPFC系統(tǒng)運行方面的測試也沒有涉及，對于UPFC這樣一個新興技術(shù)只進行了一點工程實踐方面的探索，在后續(xù)的研究中，本文將著眼于如何解決UPFC系統(tǒng)各個層次的控制裝置分級測試以及系統(tǒng)功能測試，以期促進UPFC調(diào)試技術(shù)進一步的發(fā)展。

6 結(jié)語

UPFC被認為是功能最強大的FACTS設(shè)備，也是第三代FACTS的代表，在我國智能電網(wǎng)的建設(shè)中有著廣闊的應(yīng)用前景，但是作為新興的技術(shù)，在工程實際中還缺乏先進的測試手段，這勢必也會影響工程的應(yīng)用。本文提出的UPFC模塊測試裝置，根據(jù)工程的實際需要，解決了一部分工程調(diào)試的難題：用可控能量模塊給子模塊供電，解決子模塊依賴一次系統(tǒng)、不能獨立測試的問題；用模擬閥控協(xié)議的方式控制子模塊功率器件的功能測試，解決以往需要閥控裝置甚至換流器控制裝置配合才能進行子模塊測試的問題，同時采用配置的方法解決目前UPFC工程控制協(xié)議多變以及子模塊拓撲變化帶來的測試問題；采用實時采集模塊以及狀態(tài)監(jiān)測的方式解決自動判斷的問題。工程實踐表明，該測試裝置所采用的試驗方法原理可靠，方便易行，貼近工程使用的實際情況，為數(shù)量眾多的子模塊獨立測試提供了解決思路，從而為UPFC工程的運檢、驗收提供了有效的測試手段。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http:∥www.epae.cn)。