基于變電站分布式潮流控制器的控制保護策略研究與應(yīng)用

黃建陽

（國網(wǎng)浙江省電力有限公司杭州市余杭區(qū)供電公司，浙江 杭州 311100）

0 引言

變電站在電力系統(tǒng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，傳統(tǒng)變電站集中式潮流保護控制策略依賴于一個中心化的控制器來協(xié)調(diào)各個節(jié)點之間的潮流保護控制，如果該控制器發(fā)生故障，整個系統(tǒng)可能會陷入失控狀態(tài)，節(jié)點之間須頻繁地通信以共享狀態(tài)信息，這會導致大量的通信開銷；在大規(guī)模系統(tǒng)中，通信的延時問題也會導致控制效果下降。傳統(tǒng)集中式潮流保護控制策略須對整個系統(tǒng)進行全局建模和優(yōu)化，涉及到大量的參數(shù)調(diào)整和算法設(shè)計，增加了系統(tǒng)的復雜性和實現(xiàn)難度，對系統(tǒng)的擾動和變化較為敏感，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)變化，就須重新進行全局建模和優(yōu)化，導致系統(tǒng)的魯棒性較差。綜上，傳統(tǒng)集中式潮流保護控制策略存在單點故障問題、通信開銷大、系統(tǒng)復雜性高、魯棒性差等不足；因此，須開發(fā)一種新的保護控制策略來解決這些問題。

本文旨在設(shè)計一種基于變電站分布式潮流控制器的新控制策略，并詳細介紹了其工作原理和實現(xiàn)方法?；谧冸娬痉植际匠绷骺刂破鞯目刂撇呗詫嶋H應(yīng)用結(jié)果表明，該應(yīng)用功能可有效解決傳統(tǒng)潮流保護控制策略存在的問題，提升區(qū)域電網(wǎng)的安全性與經(jīng)濟性。

1 潮流控制器結(jié)構(gòu)及原理

分布式潮流控制器（DPFC）是一種基于大功率電力電子技術(shù)的柔性潮流控制裝置[1]。其主要功能是通過分布式方式安裝于電力系統(tǒng)的變電站或線路耐張桿塔上，對潮流進行優(yōu)化調(diào)節(jié)，實現(xiàn)功率的均衡分配，限制潮流斷面的過載并抑制功率震蕩。

傳統(tǒng)的潮流控制器通常集中安裝在變電站內(nèi)部[2]，因此其控制范圍有限，對電網(wǎng)潮流調(diào)節(jié)的效果也有所限制，如圖1 所示。

圖1 傳統(tǒng)潮流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

分布式潮流控制器的設(shè)計原理是在電力系統(tǒng)中多個節(jié)點分布式地安裝一系列的控制器，通過協(xié)同工作實現(xiàn)更廣泛范圍的潮流控制。這種分布式布局可以有效提高控制范圍和控制靈活性，優(yōu)化電網(wǎng)的潮流分布，使電網(wǎng)運行更加穩(wěn)定和可靠，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 分布式潮流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 分布式潮流控制器運行狀態(tài)

分布式潮流控制器的運行狀態(tài)主要有4 種，分別是運行狀態(tài)、旁路充電狀態(tài)、冷備用狀態(tài)、檢修狀態(tài)，主要設(shè)備和裝置在這4 種狀態(tài)分別對應(yīng)的狀態(tài)量如圖3 和表1 所示。

表1 分布式潮流控制器設(shè)備狀態(tài)

圖3 分布式潮流控制系統(tǒng)接線圖

1.2 控制保護系統(tǒng)功能機原理

基于分布式潮流控制器的控制保護系統(tǒng)采用雙重化配置，共包括2 套分布式潮流控制保護裝置、測控裝置和斷路器操作裝置。此外，系統(tǒng)還配備獨立的故障錄波裝置。

基于分布式潮流控制器的控制保護系統(tǒng)中2 套控制保護裝置分別標記為A 和B，它們接收調(diào)度控制層發(fā)出的指令，執(zhí)行功率控制和冗余邏輯策略。將分布式潮流控制器子單元模塊的啟動旁路命令、注入電壓指令和值班信息等數(shù)據(jù)發(fā)送給各級分布式潮流控制器的子單元模塊。子單元模塊根據(jù)控制保護系統(tǒng)下行通信通道的狀態(tài)選擇當前值班控制保護系統(tǒng)，并執(zhí)行相應(yīng)的控制命令，以實現(xiàn)子單元換流閥的控制。

測控裝置連接到監(jiān)控系統(tǒng)，接收監(jiān)控系統(tǒng)下發(fā)的斷路器和隔離開關(guān)的遠程控制命令，并執(zhí)行“五防”閉鎖邏輯，輸出控制接點。斷路器操作裝置接收控制保護裝置和測控裝置的旁路斷路器操作接點命令，執(zhí)行旁路斷路器的分合閘操作。故障錄波裝置可以獨立記錄分布式潮流控制器子單元的直流電容電壓、旁路開關(guān)位置等信息。

基于分布式潮流控制器的控制保護系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖4 所示，包括調(diào)度端控制層、分布式潮流控制器控制保護層和就地子單元控制保護層。調(diào)度層控制模塊根據(jù)電網(wǎng)運行情況，調(diào)整分布式潮流控制器的控制目標；分布式潮流控制器控制保護層實現(xiàn)各級子單元的協(xié)調(diào)控制和保護，執(zhí)行調(diào)度層的運行指令，與交流電網(wǎng)的其他設(shè)備協(xié)調(diào)配合；就地子單元控制保護層實現(xiàn)子單元的獨立控制和保護。

圖4 控制保護系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖

2 控制調(diào)節(jié)策略原理

基于分布式潮流控制器的控制保護系統(tǒng)可以根據(jù)變電站自動化系統(tǒng)下發(fā)的潮流控制指令，通過調(diào)節(jié)分布式潮流控制器，向輸電線路輸出幅值可調(diào)、相位超前或滯后90°的電壓。這樣可以改變線路的阻抗，使其呈現(xiàn)電感或電容特性，并對線路的潮流進行調(diào)節(jié)控制，以維持電網(wǎng)潮流的穩(wěn)定；此外，分布式潮流控制器的運行方式應(yīng)能適應(yīng)電力系統(tǒng)的各種運行模式。

分布式潮流控制器控保裝置的控制軟件分為2 層：總控模塊和A、B、C 三相控制模塊?？偪啬K接收調(diào)度層的指令和各相控制器的反饋狀態(tài)，并通過協(xié)調(diào)計算，將A、B、C 三相的相關(guān)指令分配給各相控制器，并向調(diào)度層上報設(shè)備狀態(tài)。相控制模塊接收控制保護裝置總控的指令和本相各子單元控制器的反饋狀態(tài)，并通過協(xié)調(diào)計算，將每個子單元的相關(guān)指令分配給本相的每個控制器，并向總控上報本相的狀態(tài)，如圖5 所示。

圖5 控保裝置控制關(guān)系圖

2.1 總控控制策略

總控模塊具有多種功能，包括定注入電壓控制、線路阻抗控制、線路功率控制、三相電壓不平衡控制、線路過載緊急控制、斷面功率限制控制、設(shè)備的啟?？刂疲ú糠止δ埽?、相間故障投退的協(xié)調(diào)控制、控制模式切換和系統(tǒng)切換等。

假設(shè)電網(wǎng)要求的各相輸出模式有電壓控制、阻抗控制、有功潮流控制和斷面限額控制。通過選擇不同的模式值，相應(yīng)的交流電壓參考值被選取。在不同的控制模式下，總控模塊會接收不同的調(diào)度指令，并為了簡化子單元內(nèi)部計算量，在總控模塊將所有控制模式轉(zhuǎn)換為電壓參考值，不同模式下的電壓參考值按以下算法計算得出：

電壓控制模式，根據(jù)調(diào)度端控制層接收到的交流電壓指令值確定。

阻抗控制模式，根據(jù)調(diào)度控制層的設(shè)備阻抗控制參考值和線路相電流有效值的乘積確定。

有功潮流控制模式，根據(jù)調(diào)度控制層的潮流有功功率控制參考值及流過本線路的有功功率加權(quán)換算確定。

斷面限額控制模式，根據(jù)電壓控制模式和有功潮流控制模式按照某個限值進行平滑切換，在監(jiān)測線路單線功率時，當其小于某個設(shè)定功率值時，參考值設(shè)為零；當其超過設(shè)定功率值時，則參考值由有功潮流控制得出，且控制定值為該功率設(shè)定值。

三相均衡協(xié)調(diào)控制策略是在某相單個或多個子模塊由于故障退出運行后，根據(jù)各相的上報信息協(xié)調(diào)其他兩相的輸出指令。具體的協(xié)調(diào)原則是以各相實時最大輸出能力為約束條件，允許三相間子單元冗余個數(shù)不對稱。例如，假設(shè)某相的電壓輸出指令超過了該相上報的可輸出最大電壓，則另外兩相須同步進行調(diào)整，減小實際下發(fā)的電壓指令值。同時，須修正設(shè)備當前的最大運行范圍并上報給調(diào)度控制層，以及時調(diào)整系統(tǒng)級的輸出指令。各相可輸出電壓范圍的計算由相控制器完成并上報。

2.2 相控控制策略

相控制模塊具有多種功能，包括分布式潮流控制器設(shè)備的啟?？刂疲ú糠止δ埽⒍嘟M子單元的載波移相和故障投退的協(xié)調(diào)控制等。

子單元電壓指令下發(fā)：相控制模塊接收總控模塊計算發(fā)送的本相總的電壓參考值，并根據(jù)本相可用的子單元數(shù)，在各子單元之間平均分配下發(fā)電壓指令。

載波移相角計算：為了減小交流出口注入的諧波含量，并充分發(fā)揮多個子單元級聯(lián)的優(yōu)勢，在集中布置時，可以采用載波移相控制。相控制器會向本相的各子單元下發(fā)相互配合的載波移相角，以使其相互協(xié)調(diào)工作。

相單元運行范圍校正：根據(jù)設(shè)備目前的設(shè)計容量，每個子單元的最大輸出電壓范圍為±0.6 kV。級聯(lián)個數(shù)將影響設(shè)備出口的輸出電壓范圍。因此，相控制模塊會根據(jù)級聯(lián)個數(shù)對每個子單元的最大輸出電壓進行范圍校正，以確保設(shè)備的輸出電壓在設(shè)計范圍內(nèi)。

2.3 子單元控制策略

在正常運行條件下，單級分布式潮流控制器子單元的控制功能可以分為有功類控制和無功類控制。有功類控制通過D 軸實現(xiàn)，通常為恒定直流電壓控制，生成D 軸電壓參考值。無功類控制通過控制Q軸實現(xiàn)，子單元可選擇恒定交流電壓控制模式，生成Q 軸電壓參考值。經(jīng)過D、Q 軸參考電壓產(chǎn)生調(diào)制波后，最終通過脈沖寬度調(diào)制（PWM）產(chǎn)生絕緣刪雙極管（IGBT）觸發(fā)信號進行輸出。

對于分布式潮流控制器子單元的控制器，控制流程可以分為主控制器層和閥控制器層。主控制器層主要包括鎖相、串聯(lián)輸出電壓基波分量提取、DQ 控制分量生成和調(diào)制波生成等4 部分。閥控制器層主要包括載波生成、可控充電控制信號生成、PWM 控制信號生成、器件觸發(fā)計算和觸發(fā)死區(qū)設(shè)置等4 部分。在控制流程中，主控制器負責生成參考信號，而閥控制器則負責相應(yīng)信號的生成和觸發(fā)設(shè)置，以實現(xiàn)對分布式潮流控制器的控制。

3 保護策略原理

分布式潮流控制器應(yīng)當配備專門的監(jiān)控部件，以實時監(jiān)測內(nèi)部元件的運行狀態(tài)。此外，分布式潮流控制器還應(yīng)實現(xiàn)對內(nèi)部元件的保護功能，并與線路保護配合，全面保護分布式潮流控制器裝置。

根據(jù)分布式潮流控制器保護范圍的不同，可以將保護劃分為交流線路保護區(qū)和子單元保護區(qū)，如圖6 所示。每個保護區(qū)都設(shè)置2 層保護機制，包括系統(tǒng)級保護和器件級保護，目的是有效對交流系統(tǒng)和分布式潮流控制器器件的故障進行保護。通過這樣的保護措施，可以確保分布式潮流控制器在運行過程中時刻保持安全可靠。

圖6 保護分區(qū)圖

線路保護區(qū)和子單元保護器之間的配合原則如下：

子單元保護比交流線路保護更為靈敏，具有更高的優(yōu)先權(quán)。這意味著在故障發(fā)生時，子單元保護器會優(yōu)先進行動作，以迅速切斷故障電路并保護分布式潮流控制器內(nèi)部元件的安全。

當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，分布式潮流控制器裝置可以在μs 級別下保護動作裝置旁路，不影響線路其他保護定值的整定。這意味著分布式潮流控制器能夠快速響應(yīng)并采取保護措施，而不會干擾線路其他保護裝置的設(shè)置。

在保護動作時，如果子單元旁路開關(guān)合閘失靈，裝置旁路開關(guān)將關(guān)閉。即在保護動作期間，如果子單元的旁路開關(guān)無法正常關(guān)閉，裝置旁路開關(guān)將代替其功能，確保保護系統(tǒng)的可靠性。

通過以上配合原則，線路保護區(qū)和子單元控制器能夠協(xié)同工作，確保分布式潮流控制器在故障情況下能夠快速、可靠地采取適當?shù)谋Ｗo措施，保護系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全運行，保護配置表見表2。

表2 分布式潮流控制器保護配置

4 控制保護策略應(yīng)用

浙江某變電站在1 回線路上安裝8 級分布式潮流控制器控制單元，兩供區(qū)斷面潮流可轉(zhuǎn)移140 MW，使得兩供區(qū)單回線路運行時不會出現(xiàn)超載現(xiàn)象，如圖7、8 所示。

圖7 潮流調(diào)控效果圖

圖8 控制保護設(shè)備狀態(tài)圖

采用分布式潮流控制器的實際應(yīng)用表明，它能夠有效優(yōu)化電力系統(tǒng)的運行，提高其效率和穩(wěn)定性。通過分布式潮流控制器的協(xié)同運行，電力系統(tǒng)的功率分配變得更加合理，負荷均衡性得到改善，從而降低過載和短路風險。

分布式潮流控制器的應(yīng)用可以實時監(jiān)測電力系統(tǒng)的運行狀態(tài)，并對其進行動態(tài)調(diào)整和控制。它能夠在系統(tǒng)負荷變化時迅速響應(yīng)，調(diào)整分布式電源的輸出，進一步提高系統(tǒng)負荷均衡性。同時，通過智能優(yōu)化算法和協(xié)同控制策略，分布式潮流控制器還能夠最大程度地減少線損，提高能源利用效率。此外，分布式潮流控制器還具備快速切除故障的能力，可以迅速隔離故障點，并通過保護控制功能保護系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。它能夠減少故障影響范圍，降低停電風險，并提高電力系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和效率，減少能源浪費，降低故障風險，為電力系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展做出貢獻。

5 順控流程

分布式潮流控制器順控控制是一種綜合型遙控系統(tǒng)，它在高級應(yīng)用功能的基礎(chǔ)上發(fā)展而來。該系統(tǒng)配備了一鍵順控按鈕，能夠方便地完成復雜的倒閘操作[3]。該系統(tǒng)不僅可以實現(xiàn)操作票預制、操作任務(wù)生成、狀態(tài)自動判別、智能聯(lián)鎖等功能，還能大大縮短分布式潮流控制器倒閘操作的時間，并且避免人工操作失誤的可能性。

變電站內(nèi)的運維人員控制系統(tǒng)具備一鍵順控操作功能，可以實現(xiàn)對分布式潮流控制器裝置的4 種設(shè)備狀態(tài)進行控制，包括運行、旁路充電、冷備用和檢修。這種操作功能的引入，方便運維人員對系統(tǒng)的控制，使其能夠通過簡單的操作完成設(shè)備狀態(tài)的切換。這不僅提高了操作效率，還減少了出錯的可能性，從而確保變電站的正常運行和設(shè)備的可靠性，設(shè)備狀態(tài)順控流程轉(zhuǎn)換示意圖見圖9 所示。

分布式潮流控制器順序控制啟動流程需要滿足以下前置條件：

判據(jù)1，接收到手動投入信號；

判據(jù)2，線路電流在合理范圍內(nèi)；

判據(jù)3，無裝置級故障；

圖9 順控流程示意圖

判據(jù)4，確認旁路斷路器CB 處于合位后，檢查后臺節(jié)點信號正常，準備進入啟動流程；

判據(jù)5，準備充電RFE 信號有效。

同時滿足以上判據(jù)后，分布式潮流控制器開始由旁路充電狀態(tài)到運行狀態(tài)。

6 結(jié)論

變電站分布式潮流控制器作為一種創(chuàng)新的技術(shù)方案，具有明顯的優(yōu)勢和潛力，對電力系統(tǒng)的運行和可持續(xù)發(fā)展起到積極的促進作用。

本研究提出了一種基于變電站分布式潮流控制器的高效控制策略，并驗證了其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用性能。通過實際應(yīng)用和驗證，證明了該策略的優(yōu)越性和可行性。該策略能夠有效解決傳統(tǒng)控制策略中存在的問題，并顯著提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

該研究的成果對電力系統(tǒng)的智能化改造和管理具有重要的參考價值。通過采用變電站分布式潮流控制器的控制策略，可以實現(xiàn)電力系統(tǒng)的精細化控制和優(yōu)化運行。這將提高電力系統(tǒng)的運行效率、能源利用效率，并且對于降低碳排放和實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標也具有積極的影響。

綜上所述，基于變電站分布式潮流控制器的研究成果為電力系統(tǒng)的優(yōu)化運行提供了重要的技術(shù)支持，有助于推動電力系統(tǒng)的智能化改造和管理，促進電力系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。