鄭 濤，王赟鵬，馬家璇，祁歡歡

（1.新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室（華北電力大學）,北京市102206；2.先進輸電技術國家重點實驗室（全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司）,北京市102209）

0 引言

隨著新能源的大規(guī)模接入,電力系統(tǒng)負荷的持續(xù)增長,電網(wǎng)結構不斷擴大且日益復雜,柔性交流輸電系統(tǒng)（FACTS）利用大功率電力電子器件,可實現(xiàn)線路電氣參數(shù)的靈活控制,成為優(yōu)化中國現(xiàn)有電網(wǎng)潮流分布、提高輸電通道利用率的有效方案之一［1-3］。統(tǒng)一 潮流控制器（UPFC）作為新一代的FACTS裝置,可以靈活控制線路潮流,實現(xiàn)并聯(lián)補償、串聯(lián)補償、調壓等功能,并已在中國江蘇、上海等地實現(xiàn)工程應用［4-6］,具有良好的潮流調節(jié)效果。

UPFC所在高壓輸電線路均配置線路重合閘［7］,以提高瞬時性故障下線路的功率傳輸能力。當高壓輸電線路采用的三相重合閘重合于永久性故障時,系統(tǒng)將受到短路電流的二次沖擊,對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性及電氣設備造成更嚴重的危害［8-9］。因此,如何判別故障性質,實現(xiàn)線路的自適應重合閘,成為優(yōu)化故障線路恢復策略的關鍵問題。

目前,國內外學者關于輸電線路自適應重合閘的研究已有較多相關成果［10-12］。針對三相自適應重合閘的研究,對于帶并聯(lián)電抗器的輸電線路,可通過故障后并聯(lián)電抗器與線路電容構成振蕩回路,利用自由振蕩過程中的電氣量實現(xiàn)故障性質的判別［13-14］；而對于不帶并聯(lián)電抗器線路的三相重合閘,由于線路兩側斷路器跳開之后,線路儲能元件的電磁能量快速衰減,可用于故障性質判別的有效信息較少,因此如何實現(xiàn)三相自適應重合閘仍是目前存在的難題［15］。文獻［16］提出利用輸電線路高頻保護通道的信號衰減程度實現(xiàn)故障性質判別,但其僅適用于配置高頻通道的輸電線路。文獻［17］提出在線路一端增設電容器,通過判斷附加電容能否與線路形成振蕩放電回路判別永久性故障與瞬時性故障,但其增加了額外的設備投資。

電力電子裝置在電能轉換、運行控制等方面具有獨特的優(yōu)勢,并已在新能源并網(wǎng)、柔性交直流輸電等場景獲得廣泛應用；由于其具有高度的可控性,可利用控制與保護的協(xié)同配合,解決現(xiàn)有傳統(tǒng)被動式保護存在的問題［18］。文獻［19］針對風電場單回送出線故障場景,提出短時導通風機網(wǎng)側換流器電力電子器件,使得直流側電容向交流側放電,通過判斷故障線路是否存在注入電流判別永久性故障與瞬時性故障。文獻［20］針對模塊化多電平換流器（MMC）型交直流混聯(lián)輸電線路,提出一種主動探測式的交流線路故障自適應重合閘方案,通過改變MMC換流器調制比注入特征信號,利用小波變換實現(xiàn)故障性質的判別。對于含電力電子裝置的線路,通過附加特殊控制方式,主動注入特征信號實現(xiàn)故障判別,為解決傳統(tǒng)保護存在的故障判別有效信號少、靈敏度低等問題提供了新的思路。

本文針對UPFC接入線路故障場景,利用UPFC靈活的可控性,提出基于特征電壓注入的三相自適應重合閘方案。UPFC接入線路發(fā)生故障,線路兩側斷路器跳開后,將UPFC串聯(lián)側MMC切換至附加控制方式,向接入的交流線路主動注入特征電壓信號,通過判斷接入線路是否產(chǎn)生特征電流,實現(xiàn)故障性質的判別。基于PSCAD/EMTDC的仿真結果驗證了所提方案的可行性與有效性。本文提出的方案將UPFC裝置功能從原有的潮流控制拓展到線路保護方面,提高了UPFC裝置的利用率,且有效解決了UPFC接入線路重合閘故障性質判別困難的問題,為電網(wǎng)的安全運行提供了保障。

1 UPFC拓撲結構及控制方式介紹

1.1 MMC-UPFC拓撲結構

基于MMC的UPFC（MMC-UPFC）拓撲結構如圖1所示。并聯(lián)側換流器MMC1通過并聯(lián)變壓器與交流母線相連,串聯(lián)側換流器MMC2通過串聯(lián)變壓器串入交流線路,兩側MMC換流器直流側采用背靠背方式進行連接。

圖1 MMC-UPFC拓撲結構Fig.1 Topology of MMC-UPFC

UPFC接入線路本側的交流斷路器QF1配置在線路首端,串聯(lián)變壓器網(wǎng)側并聯(lián)交流斷路器QF11及旁路開關QS13,用于串聯(lián)側MMC2長時間退出運行時,旁路整個串聯(lián)側裝置；同時串聯(lián)變壓器網(wǎng)側兩端配置旁路開關QS11與QS12和接地開關QE11與QE12。串聯(lián)變壓器閥側配置晶閘管旁路開關（TBS）,用于緊急情況下快速旁路串聯(lián)側MMC2,保障UPFC裝置的安全［21］。

1.2 UPFC控制方式

UPFC串、并聯(lián)側控制器均采用d q雙環(huán)解耦控制,并聯(lián)側MMC采用定直流電壓和無功功率控制,其控制框圖如附錄A圖A2（a）所示。

串聯(lián)側MMC共有4種控制方式,分別為:定功率控制、阻抗補償控制、電壓調節(jié)控制和相角調節(jié)控制［22］,不同控制方式下,根據(jù)線路自然潮流以及控制指令值的變化輸出相應的工頻交流電壓,以實現(xiàn)線路潮流的靈活調節(jié)。以典型的定功率控制方式為例,串聯(lián)側MMC控制框圖如附錄A圖A2（b）所示。

2 基于特征電壓注入的三相自適應重合閘

2.1 方案實現(xiàn)思路

圖2 UPFC接入線路三相自適應重合閘示意圖Fig.2 Schematic diagram of three-phase adaptive reclosure for transmission line equipped with UPFC

傳統(tǒng)自動重合閘在線路兩側斷路器三相跳開后,由于接入線路與兩側交流系統(tǒng)斷開聯(lián)系,即使對于永久性故障,雖然相間或線間存在電磁耦合,但線路電磁能量的快速衰減,使得故障性質難以判別。本文提出在UPFC接入線路兩側斷路器跳開且線路去游離后,先將串聯(lián)變壓器系統(tǒng)側三相接地開關QE合閘,然后解鎖UPFC串聯(lián)側MMC,通過對串聯(lián)側輸出電壓進行特殊控制,UPFC接入線路串入經(jīng)串聯(lián)變壓器耦合的特征電壓,如圖2藍色實線所示,若為永久性故障,則注入的特征電壓將在接地開關QE與故障點之間形成通路,產(chǎn)生特征電流。故通過判斷接入線路是否產(chǎn)生特征電流,即可判別故障性質。

2.2 特征電壓的產(chǎn)生

當UPFC接入線路兩側斷路器跳開后,由于接入線路與兩側交流系統(tǒng)斷開聯(lián)系,故串聯(lián)側常規(guī)的控制方式無法實現(xiàn)特征電壓信號的注入。本文提出采用定交流電壓幅值、定頻率控制（定U/f控制）［23-24］,實現(xiàn)UPFC串聯(lián)側輸出幅值和頻率給定的交流電壓,其控制框圖如附錄A圖A3所示。

2.3 特征電壓注入的幅值和持續(xù)時間

已有實際工程中UPFC接入線路均為220 k V及以上電壓等級的高壓輸電線路,當線路發(fā)生短路故障導致斷路器三相跳閘時,由于電壓等級較高,考慮到線路短路阻抗可能較小,故注入的特征電壓幅值不應過大,否則對于永久性線路故障,當較大的特征電壓注入后,可能導致線路特征電流過大,威脅串聯(lián)側換流器的設備安全。

考慮到在永久性高阻故障特殊場景下,在注入幅值為0.2 UNse大小的特征電壓時,特征電流可能較小,故障性質難以準確鑒別。本文提出通過延長特征電壓注入時間并增大其幅值,實現(xiàn)階段式特征電壓注入策略。即如果第1階段注入特征電壓結束后,產(chǎn)生的特征電流不明顯,則再依次注入第2、3階段特征電壓,注入電壓幅值分別為0.4 UNse和0.6 UNse,注入時長均為20 ms。同時,為提高控制的響應速度與精度,采用斜坡函數(shù)作為各階段電壓指令的輸入值,則階段式特征電壓注入策略見圖3。

圖3 階段式特征電壓注入策略示意圖Fig.3 Schematic diagram of staged characteristic voltage injection strategy

2.4 故障判據(jù)設定

UPFC接入線路三相斷路器跳開后,當注入特征電壓時,在永久性故障和瞬時性故障下,線路將表現(xiàn)出不同的電流特性。

在永久性故障下,注入的特征電壓將在接地開關與故障點之間形成通路,接入線路將產(chǎn)生較為明顯的特征電流。而在瞬時性故障下,接入線路處于開路狀態(tài),線路產(chǎn)生的特征電流可以忽略不計。因此,可通過特征電流差異實現(xiàn)故障性質的判別。

2.4.1 特征電流的提取

為減少注入過程中暫態(tài)量的干擾,本文采用全周電流積分值Sφ提取特征電流,以提高故障性質判別的準確性。

式中:iφ為UPFC接入線路各相電流瞬時值,φ=A,B,C分別表示A,B,C三相；ts為注入特征電壓起始時刻；T為積分時長,由于注入的特征電壓為工頻量,故T取為20 ms。

2.4.2 故障性質判據(jù)

若第1階段注入期間,串聯(lián)側MMC過流閉鎖,則直接判別為永久性故障。若串聯(lián)側MMC未過流閉鎖,則進行以下判別。

1）若第1階段全周電流積分Sφ1＜0.5 Sset,則判別為瞬時性故障；若Sφ1＞1.5 Sset,則判別為永久性故障。

2）對 于0.5 Sset≤Sφ1≤1.5 Sset的 情 況,為 進 一 步明確是否為永久性高阻故障,本文提出通過判斷階段式注入特征電壓作用下產(chǎn)生的電流積分特征判別高阻故障性質。即在第1階段注入結束后,依次注入幅值大小為0.4 UNse、0.6 UNse的特征電壓,再分別求取第2、3階段故障相全周電流積分Sφ2和Sφ3,進行第2、3階段故障性質判別；由于圖3所示的第1,2、3階段特征電壓積分面積之比為1∶3∶5,永久性故障下,短路阻抗確定,階段式注入特征電壓與電流積分呈現(xiàn)為線性關系,考慮一定的裕度,設置高阻故障下,階段式特征電流故障性質判據(jù)如下:若第2、3階段故障相電流積分存在Sφ2＞2 Sφ1且Sφ3＞4 Sφ1,則判別為永久性故障；若不滿足上述條件,則判別為瞬時性故障。

2.5 三相自適應重合閘方案

本文提出的基于特征電壓注入的UPFC接入線路三相自適應重合閘動作時序如圖4所示。

1）假設t0時刻UPFC接入線路發(fā)生故障。

圖4 三相自適應重合閘動作時序圖Fig.4 Operation time sequence diagram of three-phase adaptive reclosure

2）t1時刻串聯(lián)側MMC閉鎖,TBS導通。

3）經(jīng)過短暫延時線路保護動作,t2時刻線路兩側斷路器跳開。

4）經(jīng)過200～300 ms線路去游離后,t3時刻合串聯(lián)變壓器系統(tǒng)側三相接地開關QE,TBS斷開。

5）t4時刻串聯(lián)側MMC解鎖,注入階段式特征電壓,判別故障性質,具體流程如圖5所示。

圖5 故障判別流程圖Fig.5 Flow chart of fault identification

注入第1階段特征電壓,計算全周電流積分Sφ1,若注入期間串聯(lián)側MMC過流閉鎖,則直接判別為永久性故障。若串聯(lián)側MMC未過流閉鎖,則進行以下判別。

①若Sφ1＜0.5 Sset,則判別為瞬時性故障。

②若0.5 Sset≤Sφ1≤1.5 Sset,則依次注入0.4 UNse和0.6 UNse特征電壓,再分別求得故障相Sφ2和Sφ3；若第2、3階段故障相存在Sφ2＞2 Sφ1且Sφ3＞4 Sφ1,則判別為永久性故障,否則判別為瞬時性故障。

③若Sφ1＞1.5 Sset,則判別為永久性故障。

6）t5時刻串聯(lián)側MMC閉鎖,TBS導通。

7）t6時刻串聯(lián)變壓器系統(tǒng)側三相接地開關QE跳開。

8）t7時刻將故障性質判別結果發(fā)送至線路UPFC接入側重合閘裝置。

9）線路重合閘閉鎖或執(zhí)行重合閘指令。

UPFC接入線路兩側采用檢無壓側（UPFC接入側）先合、檢同期側（非UPFC接入側）后合的重合閘方式。因此,在永久性故障下,UPFC接入側重合閘閉鎖后,非UPFC接入側也不會重合成功,故本文提出的自適應重合閘方案無須線路雙端通信就可實現(xiàn)UPFC接入線路重合閘的正確執(zhí)行。

3 仿真驗證

參照中國某500 k V線路UPFC工程參數(shù),本文在PSCAD/EMTDC仿真平臺搭建如圖2所示UPFC接入線路仿真模型,線路M N長度為40 km,線路參數(shù)Z1=Z2=（0.019 6+j0.286 5）Ω/km,Z0=（0.182 8+j0.861 3）Ω/km。UPFC仿真參數(shù)如附錄A表A1所示。

3.1 特征電壓輸出特性與故障判據(jù)整定值確定

3.1.1 特征電壓輸出特性

為驗證UPFC串聯(lián)側MMC輸出特征電壓的效果,設置UPFC接入線路正常運行,1.2 s斷開線路兩端交流斷路器,1.48 s串聯(lián)變壓器系統(tǒng)側三相接地開關合閘,1.5 s串聯(lián)側MMC解鎖,采用定U/f控制階段式注入特征電壓,每階段注入時長為20 ms,如附錄A圖A4所示為串聯(lián)變壓器網(wǎng)側各相電壓,本文采用了斜坡函數(shù)作為定U/f控制的指令值。由圖A4波形可以看出,各階段特征電壓輸出特性良好,為線路自適應重合閘故障判別奠定了基礎,1.56 s串聯(lián)側MMC閉鎖退出運行。

3.1.2 故障判據(jù)整定值的確定

為獲取故障性質判據(jù)整定值Sset,在UPFC接入線路末端設置過渡電阻為300Ω的A相永久性接地故障,在注入第1階段特征電壓為U*se=0.2 UNse時,線路特征電流如附錄A圖A5（a）所示。故障相A相線路在特征電壓注入后,產(chǎn)生明顯的特征電流,非故障相B、C兩相電流基本不變,幾乎為0,如附錄A圖A5（b）所示為各相電流積分值。當?shù)?階段注入結束后,非故障相電流積分S可以忽略不計,故障相A相電流積分S為0.076,其電流積分值作為故障判據(jù)整定值Sset,即Sset=0.076。

3.2 瞬時性故障仿真驗證

t=1.2 s,在UPFC接入線路中點設置ABC三相金屬性短路故障,故障持續(xù)時間為0.05 s,線路兩側交流斷路器跳開之后,經(jīng)過200 ms左右的去游離時間,三相接地開關合閘,t=1.50 s串聯(lián)側MMC解鎖,注入第1階段特征電壓。如附錄A圖A6為瞬時性故障下線路特征電流與電流積分S仿真波形。

由圖A6可知,瞬時性故障下,第1階段電壓注入后,線路特征電流較小,1.52 s測得的各相電流積分S遠小于0.076,滿足瞬時性故障判據(jù)S＜0.5 Sset,故第1階段注入結束后,便可正確判別故障為瞬時性故障。

3.3 永久性故障仿真驗證

3.3.1 不同故障位置

在UPFC接入線路首端、中點和末端分別設置不同類型的金屬性短路故障,故障類型分別為A相接地短路,AB相間接地短路,AB相間短路和ABC三相短路。以線路末端發(fā)生ABC三相金屬性短路為例,如附錄A圖A7所示,1.5 s串聯(lián)側MMC解鎖后第1階段特征電壓注入期間,線路ABC三相均出現(xiàn)幅值較大的特征電流,三相電流積分S遠大于整定值Sset,故在第1階段便可判別故障為永久性故障。

其他不同故障位置下,發(fā)生不同類型的短路,各相電流積分S仿真計算結果如附錄B表B1所示。由表B1數(shù)據(jù)可知,接入線路首端發(fā)生三相永久性短路故障時,由于串聯(lián)側MMC橋臂電流超過過流保護閾值,串聯(lián)側MMC閉鎖,因此可直接判別為永久性故障。其他故障場景下,故障相電流積分存在S＞1.5 Sset,滿足永久性故障判據(jù)。因此,在特征電壓注入第1階段結束后,均可正確判別故障性質。

3.3.2 考慮過渡電阻的影響

考慮不同過渡電阻對故障性質判別的影響,在UPFC接入線路中點,設置不同大小過渡電阻的短路故障,故障類型與附錄B表B1一致。相間故障過渡電阻值分別為:10Ω、25Ω和50Ω；接地故障過渡電阻值分別為:50Ω、150Ω和300Ω。電流積分S仿真計算結果如附錄B表B2所示。

由表B2數(shù)據(jù)可知,相同故障類型下,隨著過渡電阻的增大,各相電流積分S均減小,除線路中點發(fā)生A相經(jīng)過渡電阻接地故障外,其他故障場景下,故障相電流積分S仍滿足S＞1.5 Sset,故第1階段結束后,均可正確判別為永久性故障。

對于線路中點發(fā)生A相經(jīng)50Ω、150Ω和300Ω過渡電阻接地故障,由表B2標紅數(shù)據(jù)可知,故障相A相均滿足0.5 Sset＜S＜1.5 Sset,故需要增加第2、3階段特征電壓注入實現(xiàn)故障性質的判別。以A相經(jīng)300Ω接地故障為例,如附錄B圖B1所示,在階段式特征電壓注入期間,故障相線路特征電流逐漸增大,并且第2、3階段故障相電流積分S滿足Sφ2＞2 Sφ1且Sφ3＞4 Sφ1,故可以正確判別故障為永久性故障,A相經(jīng)50Ω、150Ω接地故障與之類似,仿真結果如附錄B表B3所示。

仿真結果表明,本文提出的三相自適應重合閘方案,對于瞬時性故障與不同故障位置的非高阻永久性故障,均可在注入特征電壓第1階段結束后,正確判別故障性質；對于高阻故障,通過階段式注入特征電流的判別,仍可有效判別故障性質。

4 結語

本文針對UPFC接入線路三相重合閘時,故障性質判別困難的問題,提出一種基于特征電壓注入的三相自適應重合閘方案,并通過仿真實驗驗證其可行性與有效性。

1）UPFC接入線路三相斷路器跳開后,串聯(lián)側MMC采用定U/f控制注入特征電壓,通過判斷UPFC接入線路是否產(chǎn)生特征電流實現(xiàn)故障性質的判別。

2）所提方案可以快速準確判別瞬時性故障與非高阻永久性故障。針對高阻故障的特殊場景,所提出的階段性特征電流判據(jù)提高了高阻永久性故障判別的可靠性。

3）本文主要以三相重合閘為研究對象,所提方案同樣適用于單相重合閘場景,但其重合閘具體操作步驟相對復雜,單相重合閘的優(yōu)化方案有待進一步研究。