可控串補保護控制系統的設計

蘇春華

(惠州供電局，廣東 惠州 516001)

1 引言

晶閘管控制的串聯補償電容器(TCSC)最早是在1986年由Virhayathil等人作為一種快速調節網絡阻抗的方法提出來的。在美國、瑞典、巴西的電網中已投運了部分可控串補裝置，此外，印度、澳大利亞等國也在進行TCSC的研制計劃。我國自20世紀90年代中期開始對TCSC技術進行了長期的研究。針對多條線路進行了安裝TCSC的可行性論證，包括:伊敏—馮屯線、陽城—淮陰線、天平線(貴州天生橋——廣西平果)。2003年6月，我國第一個TCSC工程在天平線平果側變電站建成投運，對500kV天平線Ⅰ，Ⅱ回采用FSC+TCSC補償模式，總補償度為40%。2005年，由中國電力科學院研制的第一套國產化TCSC裝置在甘肅省壁口—成縣220kV電網投運，線路串補償度達到50%[1]。

發展到今天，TCSC已是柔性交流輸電系統(FACTS)家族中的重要成員。文獻[2]中詳細介紹到:它通過調節線路電抗來控制潮流，從而提高線路傳輸能力，此外其快速控制能力可以更有效抑制低頻功率振蕩，消除次同步諧振，對提高電力系統運行可靠性和靈活性及改善線路性能具重大意義，對實現我國電力工業西電東送的發展戰略有著十分廣闊的應用前景[3]。

與傳統電力系統設備相比較，可控串補設備的組件類型較多，不僅涉及傳統的電力元器件，還包括新型的電力電子設備，同時各組件在保護原理與實現技術上也與傳統繼電保護有一定的差別。因此，設計完整而有效的可控串補保護控制系統，以保證可控串補的安全可靠運行具有重要的現實意義。

2 TCSC概述

2.1 TCSC 的基本構成與工作原理[4－7](見圖1)

圖1 TCSC模塊一次系統結線圖

電容器組C:進行串聯補償。其容量大小決定了TCSC的基本補償度，其耐受電流/電壓的能力與晶閘管觸發角的限制共同決定了TCSC的容性運行區范圍。

反向并聯晶閘管T1、T2:用于改變TCSC的等效阻抗，以滿足系統在各種運行條件下的要求(如提高穩定性、增加輸送能力、抑制同步諧振等)。

旁路電抗器TCR:有時候與反并聯的晶閘管串聯的電抗器會被分成兩半，以便在電抗器發生短路時能起到保護晶閘管閥的作用。

金屬氧化物變阻器MOV:防止電容器上發生高的過電壓，且使電容器保持接入狀態，即使在故障情況下也如是，從而有助于提高系統的暫態穩定性。

旁路斷路器S1:在發生嚴重故障或設備工作不正常時，將電容器旁路;是最后一道防線。

限流電抗器:用以限制電容器旁路操作時電容器上電流的大小和頻率。

火花間隙G1:當MOV不能動作而電壓升高到一定水平時，間隙擊穿，實現對電容器和MOV的過電壓保護。

特高速接觸器(UHSC):當要求閥在“全導通”模式下運行較長時間時，可使閥上的導通損耗最小。在閥突然過載或故障情況下是，閉合可減輕閥上的壓力。

限流阻尼裝置D:幫助電容器在內部故障情況下，電容器端電壓達到保護水平時，對電容器放電電流和放電電流頻率進行限制且加速其衰減。

由圖1可見，TCSC的主電路結構非常簡單，這也是TCSC在實際工程中得以廣泛應用重要原因之一。在實際工程應用中，既可以將單個TCSC模塊直接串接于輸電線路中，也可以將多個小容量TCSC單元同時串接于輸電線路中，分別對每個TCSC單元進行調節。可變串聯補償的工作原理是通過對晶閘管觸發脈沖(觸發角)的控制，對電容器進行旁路、投入或部分調制，改變并聯電抗器支路電流脈沖;該脈沖電流和線路電流疊加得到電容電流，使得電容器上的基頻電壓得到升高;電容器端電壓和線路電流之比即為TCSC的等值電抗。這個提高了的電壓可快速而平滑地調節串接在輸電線路中的有效容抗值，改變了串聯容性電抗的有效值。LC并聯電路的等效阻抗Zeq表達式為:

①若wC－(1/wL)＞0即wL＞(1/wC)，這個并聯電路總體上呈現為一個可變的容性電抗，且比FC本身的容性電抗值要大。隨可變電抗器感性電抗的增加，等效容性電抗逐漸變小。當可變電抗器開路時，等效容性電抗值最小，即等于FC本身的電抗值。

②若wC－(1/wL)=0即 wL=(1/wC)，諧振產生，導致一個無窮大的容性電抗，是不可接受的狀態。

③若wC－(1/wL)＜0即wL＜(1/wC)，這個并聯電路總體上為等效電感值，且大于固定電抗器本身的值，對應于TCSC運行方式中的感性微調模式[8]。

2.2 TCSC的基本運行模式

(1)晶閘管旁通模式(晶閘管投切電抗器(TSR)模式):晶閘管全導通，導通角為180°。一旦晶閘管閥上電壓過零并開始變正時，就加上觸發脈沖，從而使晶閘管閥上流過連續的正弦電流。TCSC模塊此時為一個電容器和電感器的并聯，一起對外提供感性阻抗。這種模式被用來達到某些控制目的，或用來起動某些保護功能。無論何時，TCSC模塊因為超出電流限值而被旁路時，都要等線路電流回落到指定限值以下，并延遲一定的時間Tdelay以后，才能將TCSC模塊重新插入電路。

區別于斷路器旁路模式:斷路器旁路模式只在TCSC故障或TCSC上有暫態過電壓才會發生。

(2)晶閘管閉鎖模式(或等待模式):TCSC退化為固定的串聯電容器，并且TCSC的凈電抗是容性的。在這種模式下，電容器上的直流偏移電壓受到監視并采用直流偏移控制來快速釋放，因而不會對輸電系統的變壓器產生任何損害。此時的晶閘管閥監控功能仍在工作。晶閘管閥是TCSC保護的一部分，必要時閥由保護系統自動觸發(TPSC模式)。

注:TPSC模式指當出現線路區內故障后的1ms內，晶閘管閥觸發導通，將電容器組快速旁路承受故障電流，直至旁路斷路器合上為止。在故障清除后，TCSC自動重新投入，并以故障前的控制模式運行。

(3)晶閘管微調模式(即阻抗控制模式):這是TCSC的標準模式。呈現為連續可控的容性電抗或連續可控的感性電抗。容性微調模式時，當電容器上的電壓和電流極性相反時，晶閘管被觸發，使得TCR電流與電容器電流方向相反，從而導致TCSC上存在一個循環電流。該電流提高了FC上的電壓，增大了等效的容性電抗并提高了串聯補償度。為防止諧振，amin≤a≤180°，當a從180°減小到 amin時，循環電流時不斷增大的。當a=amin時，容許的TCSC達到基頻電容器電抗值的2.5～3倍。

3 TCSC的保護控制系統

3.1 TCSC保護控制系統構成概述

3.1.1 可控串補的控制層及功能綜述

可控串補的控制系統可以分為三層:主控室控制、繼電保護室控制和現場就地控制。運行人員可在繼電保護內的控制系統屏上的操作方式選擇開關(Remote、Local、Field分別表示上述三種操作方式)進行切換，任何時候均只能用其中的一種操作方式進行操作。而且正常情況下應該在變電站主控室的終端WINCC上進行操作，僅當變電站主控室的終端出現故障時才可切換到繼電保護室內的終端上操作。但在串補裝置進行維修時，也可在繼電器室內的終端上進行操作。就地操作方式僅在緊急情況和串補裝置檢修情況下才可以進行，正常運行時禁止使用此方式。

可控串補的控制系統主要功能有:

(1)串補站的隔離開關、旁路斷路器和串補地刀的操作;

(2)串補實際值計算;

(3)串補控制參數設置;

(4)串補控制模式選擇;

(5)串補投入/退出順序控制;

(6)串補站功率震蕩抑制控制模式;

(7)串補站固定的觸發角度控制;

(8)串補站動態的觸發角度控制;

(9)串補站閥門點火控制;

(10)串補站點火脈沖產生;

(11)串補站設置點的生成控制;

(12)電容器過電壓、過負荷控制;

(13)閥電流限制;

(14)閥過流中斷控制;

(15)保護干預控制;

(16)串補站設備運行狀態監視;

(17)事件記錄器記錄的信息顯示、信號的報警與復歸;

(18)顯示測量參數的變化曲線顯示等。

3.1.2 可控串補的控制方式介紹

可控串補站的控制系統主要分為開環控制和閉環控制兩種方式。開環控制是指控制系統的輸出對控制過程能行使控制，但控制結果的狀態沒有影響控制系統，控制計算機、控制器、控制過程等環節沒有構成閉合環路。例如可根據給定的阻抗來開環調節線路阻抗。閉環控制是指計算機對控制對象進行控制時，控制過程狀態能直接影響計算機控制系統，在閉環控制系統中，一方面控制中心按計算機發出的控制信息對運行設備進行控制，另一方面運行設備的運行狀態作為輸出由檢測部件測出后，作為輸入反饋給控制計算機，從而控制計算機、控制中心、控制過程、檢測部件構成一個閉環回路。例如可通過將流經線路的電流控制為一恒定值來調節線路的潮流。

其中，閉環控制包括四部分:測量系統、控制模式、保護控制、點火控制。上述的控制系統功能中第4、5及16項均屬閉環控制。

繼電器室內的開環控制屏上有分、合閘按鈕，其中合閘按鈕可對旁路開關直接進行操作。當串補裝置的在繼電器室內與主控樓內WINCC都損壞時可用才能用分閘按鈕來分開旁路旁路開關。

3.1.3 保護控制系統的具體構成及有關說明

可控串補的控制系統由控制終端WINCC、控制中心SIMADYND、接口裝置SU200、閥基電子設備(VBE)以及相應的通信網絡構成。

①終端WINCC有兩臺，即主控室WINCC和繼電器室WINCC，它們分別通過光纜與控制中心相連。

②SIMADYND是全數字式的，是實現保護功能的硬件平臺。可以自由配置的模板化控制器，具有快速化的開環控制及監測、閉環控制及數學運算、信息采集及邏輯運算、通信等功能。控制的邏輯與信號處理是在控制中心SIMADYND中實現的。

③VBE主要作用是產生點火脈沖觸發可控硅和監測核對可控硅的運行狀態信號。

④每個接口裝置SU200有40個開關量輸入、8個模擬量輸入和24個開關量輸出，與控制中心SIMADYND的連接通過光纜實現。

圖2 平果可控串補站的保護控制系統配置圖

圖3 TCSC部分自監測圖

圖3是TCSC部分的自監測圖。由以上兩個圖可知，每個串補段(FSC段和TCSC段)的保護系統都配備兩組完全相同且相互獨立工作的數字保護系統。保護系統使用數字邏輯技術，便于更新且穩定性高。保護功能被分解成多個功能模塊，每個功能塊都是由相同的硬件但不同的軟件來實現的。兩組保護的每個電流信號來自于同一個CT的不同繞組，保護的輸出回路相互獨立:分別接到旁路開關、線路開關的不同線圈中;通過不同的回路觸發GAP。保護系統構成如下:

(1)兩面保護屏:提供告警信號、旁路命令、去控制系統的光纖接口;

(2)與事件記錄和故障錄波(DFR)的接口:數字IO單元(SU200);

(3)光纖測量系統(OPTODYN);

(4)間隙觸發電子裝置(GTE)(FSC部分);

(5)閥基電子設備VBE(TCSC部分);

保護系統是一個在高壓平臺上進行測量的地面系統。所有的電信號均可以通過位于平臺上的常規低壓電流互感器或電壓分壓器檢測到。測量到的數據被轉換成光信號通過光纖傳送到地面至繼電保護室。光纖信號傳輸系統是每相每個電流用一個通道。其中傳輸的模擬信號包括:線路電流、平臺電流(從TCSC與FSC之間的母排到平臺之間的CT)、MOV電流和MOV支路電流、電容器不平衡電流和電壓、間隙電流、旁路斷路器電流等。而線路電壓由電纜從地電位直接送至保護。

測量系統(OPTODYN)由位于地面的激光二極管以激光形式給位于平臺上的光電傳感器供電。這樣可實現保護系統在線路電流和電流反轉時也具有完整的保護功能，保證串補裝置在各種負荷下能正常工作。

保護系統、光纖測量系統、數據傳輸系統所有的功能都進行監測，硬件和軟件的實時監測免除了實驗裝置和周期性人工測試。包括如下監測裝置:

①每個處理器配有硬件/軟件看門狗

②內部通訊監測

③與OLC(OpenLoopControl)和HMI/WINCC之間的通訊監測

④光線信號傳輸系統的監測(測量和GTE)

⑤保護系統電源電壓監測系統

TCSC和FSC可以通過多個控制地點來控制。如圖4所示，可在繼電器室內=U2+SJ2屏上的操作方式開關進行(Remote、Local、Field)三種操作方式切換。同時，基于網絡的WinCC操作可實現:基于網絡的HIM操作和遠程HIM操作享有同等優先權，是網絡電腦用戶和遠程HIM用戶可實現同步操作。

圖4 通過開關鍵來控制地點且通過HIM選擇遠程操作

4 結論

超高壓系統故障暫態過程的復雜性以及TCSC控制系統的多模式，使得對其繼電保護的性能分析較之傳統的保護復雜得多。近年來國內對TCSC展開了研究，但研究的領域多集中在可控串補的運行機理、控制策略、暫態和穩態分析、數字仿真與動模建設、過電壓保護上，而在可控串補應用于電力系統后對二次系統——尤其是繼電保護系統的運行性能的分析略顯不足，有必要做進一步的工作。

而整個可控串補保護是隨電力系統發展而產生的一個新型元件保護分支。對TCSC的控制保護系統將朝著網絡化、數字化、智能化、測量和數據通信一體化的方向發展。

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