南京UPFC工程電網(wǎng)交流保護(hù)與UPFC保護(hù)分析

1、南京UPFC工程電網(wǎng)交流保護(hù)與UPFC保護(hù)分析一、南京UPFC工程簡(jiǎn)介南京主城西環(huán)網(wǎng)供電的主要輸電通道存在較嚴(yán)重的潮流分布不均情況，其中500kV龍王山變向西環(huán)網(wǎng)的220kV輸電通道潮流偏重，尤其是西環(huán)網(wǎng)內(nèi)220kV曉莊南送下關(guān)、中央門斷面潮流過(guò)重情況尤為突出，而500kV東善橋變向西環(huán)網(wǎng)的220kV輸電通道潮流較輕。經(jīng)過(guò)前期的研究，本工程在鐵北曉莊220kV雙回線路上安裝一套UPFC，以解決南京電網(wǎng)存在的南北通道潮流分配不均、曉莊下送斷面潮流過(guò)重的問(wèn)題，設(shè)備安裝地點(diǎn)為鐵北變電站。UPFC 方案原理如圖1所示，三個(gè)換流器均通過(guò)隔離刀閘連接至串聯(lián)變壓器，再通過(guò)兩個(gè)串聯(lián)變壓器分別接入鐵北曉莊220

2、kV雙回線路三個(gè)換流器均通過(guò)隔離刀閘連接至一個(gè)起動(dòng)電阻，再通過(guò)兩個(gè)并聯(lián)側(cè)變壓器分別接入站內(nèi)35kV母線的兩個(gè)分段，三個(gè)換流器采用背靠背的連接方式，三個(gè)換流器連接至直流公共母線上，將三個(gè)換流器和直流場(chǎng)一起安裝在一個(gè)閥廳里圖1 UPFC主回路拓?fù)浞桨甘疽鈭D考慮到統(tǒng)一潮流控制器接入后與交流系統(tǒng)的交互影響，以及UPFC控制保護(hù)的性能，UPFC的相關(guān)參數(shù)如表1所示。表1 UPFC主要技術(shù)參數(shù)主要技術(shù)參數(shù)串聯(lián)側(cè)并聯(lián)側(cè)換流器容量（MVA）2×6060變壓器容量（MVA）2×702×60變壓器變比（kV）26.5/20.835/20.8直流側(cè)額定容量（MW）4040直流側(cè)額定電壓

3、（kV）±20±20二、UPFC保護(hù)配置及原理UPFC保護(hù)的目的是防止危害UPFC系統(tǒng)和設(shè)備的過(guò)電壓、過(guò)應(yīng)力，以及接地、斷線、開關(guān)失靈等故障。在故障情況下，盡可能的通過(guò)改變控制策略或者移除最少的故障元件，使得故障對(duì)于系統(tǒng)和設(shè)備的影響最小。保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行三取二配置，防止單個(gè)保護(hù)系統(tǒng)誤動(dòng)作停運(yùn)整個(gè)系統(tǒng)、以及在單個(gè)保護(hù)系統(tǒng)失效的情況下故障不能切除。2.1 保護(hù)分區(qū)及配置并聯(lián)側(cè)和串聯(lián)側(cè)保護(hù)分區(qū)及配置分別如圖2和圖3所示。圖2 并聯(lián)側(cè)保護(hù)分區(qū)及配置圖3 串聯(lián)側(cè)保護(hù)分區(qū)及配置2.2 并聯(lián)側(cè)交流保護(hù)并聯(lián)側(cè)所有交流系統(tǒng)的保護(hù)功能及原理如表2所示。表2 交流側(cè)交流保護(hù)保護(hù)名稱保護(hù)功能保護(hù)判據(jù)

4、保護(hù)動(dòng)作結(jié)果后備保護(hù)短引線差動(dòng)保護(hù)換流變至轉(zhuǎn)換刀閘段引線接地故障|Ivt-Ivs|>閉鎖換流閥，跳交流側(cè)進(jìn)線開關(guān)、并鎖定，觸發(fā)TBS，合串聯(lián)側(cè)旁路開關(guān)，啟失靈。閥側(cè)過(guò)流保護(hù)交流過(guò)壓保護(hù)防止并聯(lián)側(cè)交流系統(tǒng)故障對(duì)直流設(shè)備造成影響|Us|>切換控制系統(tǒng)；閉鎖換流閥，跳交流側(cè)進(jìn)線開關(guān)、并鎖定，觸發(fā)TBS，合串聯(lián)側(cè)旁路開關(guān)，啟失靈。/交流欠壓保護(hù)防止并聯(lián)側(cè)交流系統(tǒng)故障對(duì)直流設(shè)備造成影響|Us|<切換控制系統(tǒng)；閉鎖換流閥，跳交流側(cè)進(jìn)線開關(guān)、并鎖定，觸發(fā)TBS，合串聯(lián)側(cè)旁路開關(guān)，啟失靈。/零序過(guò)流保護(hù)并聯(lián)變壓器閥至換流器間的不對(duì)稱故障|Itz|>，t<40ms閉鎖換流閥，跳交流

5、側(cè)進(jìn)線開關(guān)、并鎖定，觸發(fā)TBS，合串聯(lián)側(cè)旁路開關(guān)，啟失靈。閥側(cè)過(guò)流保護(hù)2.3 串聯(lián)側(cè)交流保護(hù)串聯(lián)側(cè)所有交流系統(tǒng)的保護(hù)功能及原理如表3所示。表3 交流側(cè)交流保護(hù)保護(hù)名稱保護(hù)功能保護(hù)判據(jù)保護(hù)動(dòng)作結(jié)果后備保護(hù)短引線差動(dòng)保護(hù)換流變至轉(zhuǎn)換刀閘段引線接地故障|Ivt-Ivs|>閉鎖換流閥，跳交流側(cè)進(jìn)線開關(guān)、并鎖定，觸發(fā)TBS，合串聯(lián)側(cè)旁路開關(guān)，啟失靈。閥側(cè)過(guò)流保護(hù)交流零序電流保護(hù)防止串聯(lián)變壓器閥至換流器間系統(tǒng)故障對(duì)直流設(shè)備造成影響|Itz|>閉鎖換流閥，跳交流側(cè)進(jìn)線開關(guān)、并鎖定，觸發(fā)TBS，合串聯(lián)側(cè)旁路開關(guān)，啟失靈。閥側(cè)過(guò)流保護(hù)交流線路過(guò)壓保護(hù)防止220kV 交流線路故障對(duì)直流設(shè)備造成影響|U

6、Lout|>切換控制系統(tǒng)；閉鎖換流閥，跳交流側(cè)進(jìn)線開關(guān)、并鎖定，觸發(fā)TBS，合串聯(lián)側(cè)旁路開關(guān)，啟失靈。/交流線路欠壓保護(hù)防止220kV 交流線路故障對(duì)直流設(shè)備造成影響|ULout|<切換控制系統(tǒng)；閉鎖換流閥，跳交流側(cè)進(jìn)線開關(guān)、并鎖定，觸發(fā)TBS，合串聯(lián)側(cè)旁路開關(guān)，啟失靈。/串聯(lián)變壓器平衡繞組過(guò)流保護(hù)換流閥及直流接地短路故障|Itp|>閉鎖換流閥，跳交流側(cè)進(jìn)線開關(guān)、并鎖定，觸發(fā)TBS，合串聯(lián)側(cè)旁路開關(guān)，啟失靈。閥側(cè)過(guò)流保護(hù)TBS 避雷器能量過(guò)大保護(hù)防止 TBS 避雷器因累積的能量過(guò)大而擊穿(ImovUv)>閉鎖換流閥，跳交流側(cè)進(jìn)線開關(guān)、并鎖定，觸發(fā)TBS，合串聯(lián)側(cè)旁路開關(guān)

7、，啟失靈。閥側(cè)過(guò)流保護(hù)2.4 換流器保護(hù)（三個(gè)換流器）換流器保護(hù)功能及原理如表4所示。表4 交流側(cè)交流保護(hù)保護(hù)名稱保護(hù)功能保護(hù)判據(jù)保護(hù)動(dòng)作結(jié)果后備保護(hù)交流連接母線差動(dòng)轉(zhuǎn)換刀閘至換流閥之間的交流連接母線接地故障|Ivs-Ivc|>閉鎖換流閥，跳交流側(cè)進(jìn)線開關(guān)、并鎖定，觸發(fā)TBS，合串聯(lián)側(cè)旁路開關(guān)，啟失靈。閥側(cè)過(guò)流保護(hù)閥側(cè)過(guò)流保護(hù)交流連接母線接地故障，直流接地故障|Ivc|>，分段反時(shí)限并聯(lián)換流器： 切換控制系統(tǒng)；閉鎖換流閥，跳交流側(cè)進(jìn)線開關(guān)、并鎖定，觸發(fā)TBS，合串聯(lián)側(cè)旁路開關(guān)，啟失靈。串聯(lián)換流器： 切換控制系統(tǒng)；閉鎖換流閥，觸發(fā)TBS，合串聯(lián)側(cè)旁路開關(guān)，啟失靈；啟動(dòng)允許故障重啟邏輯

8、。閥側(cè)零序電流保護(hù)閥側(cè)過(guò)電壓保護(hù)換流閥及直流接地短路故障|Uv|>，分段反時(shí)限并聯(lián)換流器： 切換控制系統(tǒng)；閉鎖換流閥，跳交流側(cè)進(jìn)線開關(guān)、并鎖定，觸發(fā)TBS，合串聯(lián)側(cè)旁路開關(guān)，啟失靈。串聯(lián)換流器： 切換控制系統(tǒng)；閉鎖換流閥，觸發(fā)TBS，合串聯(lián)側(cè)旁路開關(guān)，啟失靈。閥側(cè)零序電壓保護(hù)閥側(cè)零序電壓保護(hù)閥區(qū)接地故障|Uv0|>，t<40ms閉鎖換流閥，跳交流側(cè)進(jìn)線開關(guān)、并鎖定，觸發(fā)TBS，合串聯(lián)側(cè)旁路開關(guān)，啟失靈。閥側(cè)過(guò)流保護(hù)直流欠壓過(guò)流保護(hù)直流雙極短路故障|UdP|< & |IdP|>，|UdN|< & |IdN|>切換控制系統(tǒng)；閉鎖換流閥，跳交

9、流側(cè)進(jìn)線開關(guān)、并鎖定，觸發(fā)TBS，合串聯(lián)側(cè)旁路開關(guān)，啟失靈。直流低電壓保護(hù)，閥側(cè)過(guò)流保護(hù)直流低電壓保護(hù)直流線路異常電壓故障UdP-UdN<切換控制系統(tǒng)；閉鎖換流閥，跳交流側(cè)進(jìn)線開關(guān)、并鎖定，觸發(fā)TBS，合串聯(lián)側(cè)旁路開關(guān)，啟失靈。/直流過(guò)電壓保護(hù)直流線路異常電壓故障UdP-UdN>切換控制系統(tǒng)；閉鎖換流閥，跳交流側(cè)進(jìn)線開關(guān)、并鎖定，觸發(fā)TBS，合串聯(lián)側(cè)旁路開關(guān)，啟失靈。閥側(cè)過(guò)電壓保護(hù)直流電壓不平衡保護(hù)直流線路異常電壓故障|UdP+UdN|>切換控制系統(tǒng)；閉鎖換流閥，跳交流側(cè)進(jìn)線開關(guān)、并鎖定，觸發(fā)TBS，合串聯(lián)側(cè)旁路開關(guān)，啟失靈。閥側(cè)過(guò)電壓保護(hù)橋臂電抗差動(dòng)保護(hù)電抗器及相連母線接地

10、故障|IvC-IbP+IbN|>閉鎖換流閥，跳交流側(cè)進(jìn)線開關(guān)、并鎖定，觸發(fā)TBS，合串聯(lián)側(cè)旁路開關(guān)，啟失靈。橋臂過(guò)流保護(hù)，閥側(cè)過(guò)流保護(hù)閥差動(dòng)保護(hù)閥接地故障|IbP+IdP|>，|IbN+IdN|>閉鎖換流閥，跳交流側(cè)進(jìn)線開關(guān)、并鎖定，觸發(fā)TBS，合串聯(lián)側(cè)旁路開關(guān)，啟失靈。橋臂過(guò)流保護(hù)，閥側(cè)過(guò)流保護(hù)橋臂過(guò)流保護(hù)換流閥及直流接地短路故障|IbP|> or |IbN|>切換控制系統(tǒng)；閉鎖換流閥，跳交流側(cè)進(jìn)線開關(guān)、并鎖定，觸發(fā)TBS，合串聯(lián)側(cè)旁路開關(guān)，啟失靈。閥側(cè)過(guò)流保護(hù)橋臂環(huán)流保護(hù)控制或者故障時(shí)刻的環(huán)流Ibk=(IbPk+IbNk)/2，rms(Ib1-(Ib1+Ib2

11、+Ib3)/3)>切換控制系統(tǒng)；閉鎖換流閥，跳交流側(cè)進(jìn)線開關(guān)、并鎖定，觸發(fā)TBS，合串聯(lián)側(cè)旁路開關(guān)，啟失靈。橋臂過(guò)流保護(hù)，閥側(cè)過(guò)流保護(hù)2.5 三取二裝置快速保護(hù)為減少保護(hù)動(dòng)作過(guò)程中由于CPR與三取二裝置通訊引起的延時(shí)等問(wèn)題，在三取二裝置內(nèi)增加換流器過(guò)流快速保護(hù)、換流器閥側(cè)過(guò)電壓快速保護(hù)、TBS避雷器過(guò)電流快速保護(hù)，其功能及原理如表4所示。表4 交流側(cè)交流保護(hù)保護(hù)名稱保護(hù)功能保護(hù)判據(jù)保護(hù)動(dòng)作結(jié)果后備保護(hù)換流器過(guò)流快速保護(hù)換流閥及直流接地短路故障|Ivc|>閉鎖換流閥，跳交流側(cè)進(jìn)線開關(guān)、并鎖定，觸發(fā)TBS，合串聯(lián)側(cè)旁路開關(guān)，啟失靈。CPR保護(hù)換流器閥側(cè)過(guò)電壓保護(hù)換流閥及直流接地短路故障

12、|Uv|>閉鎖換流閥，跳交流側(cè)進(jìn)線開關(guān)、并鎖定，觸發(fā)TBS，合串聯(lián)側(cè)旁路開關(guān)，啟失靈。CPR保護(hù)TBS避雷器過(guò)電流快速保護(hù)防止TBS避雷器因瞬時(shí)的能量過(guò)大而擊穿，從而防止進(jìn)一步的換流閥故障|Imov|>閉鎖換流閥，跳交流側(cè)進(jìn)線開關(guān)、并鎖定，觸發(fā)TBS，合串聯(lián)側(cè)旁路開關(guān)，啟失靈。CPR保護(hù)2.6 線路故障重啟220kV 以上線路保護(hù)裝置一般配置有線路重合閘功能，在交流線路故障后，跳開線路斷路器，經(jīng)過(guò)設(shè)定時(shí)間后（一般為0.8s1s），斷路器重合閘，若仍檢測(cè)到故障，則閉鎖重合閘，永久跳開線路斷路器。因此，串入線路的UPFC需要與線路重合閘進(jìn)行配合，在交流線路瞬時(shí)故障清除后完成換流器的重新

13、啟動(dòng)。線路故障時(shí)，對(duì)于換流器為區(qū)外故障，但故障電流會(huì)經(jīng)串聯(lián)變壓器耦合到換流器，換流器閥側(cè)電流會(huì)隨線路電流增大，因此，線路故障時(shí)UPFC也需要迅速動(dòng)作、退出運(yùn)行。在線路故障時(shí)，只有UPFC保護(hù)中的換流器閥側(cè)過(guò)流保護(hù)動(dòng)作，利用此特點(diǎn)來(lái)區(qū)分區(qū)內(nèi)和線路故障，并輔助復(fù)壓閉鎖判據(jù)。具體邏輯如下：|IvC|> & （UL1< | UL2> | UL0>）其中，UL1為線路正序電壓、UL2為線路負(fù)序電壓、UL0為線路零序電壓。當(dāng)上述判據(jù)滿足且其它保護(hù)不動(dòng)作時(shí)，判斷為線路故障，則允許換流器重啟。在經(jīng)過(guò)1.5s后，若判斷線路重合閘成功，則重新啟動(dòng)換流器；若判斷線路跳閘，則不再重新啟

14、動(dòng)。判斷線路重合閘是否成功的判據(jù)如下：線路開關(guān)為合位&( UL>)&(IL>)其中IL為線路電流。三、交流保護(hù)與UPFC保護(hù)的配合3.1 并聯(lián)變壓保護(hù)（PCS978）并聯(lián)變壓保護(hù)跳開該變壓器高壓側(cè)進(jìn)線開關(guān)（開關(guān)在燕子磯變）及低壓側(cè)開關(guān)，并閉鎖備自投；同時(shí)發(fā)信號(hào)給交流站控ACC，ACC中通過(guò)邏輯判別實(shí)現(xiàn)備自投功能，再次快速跳故障變壓器低壓側(cè)開關(guān)，合備用變壓器低壓側(cè)開關(guān)，投入備用變壓器（500ms）。如果兩臺(tái)并聯(lián)變壓器保護(hù)均動(dòng)作跳閘，由ACC根據(jù)變壓器開關(guān)位置及其他量判斷為UPFC并聯(lián)側(cè)故障，則向UPFC保護(hù)發(fā)送故障停運(yùn)信號(hào)，UPFC保護(hù)動(dòng)作出口，觸發(fā)TBS，合旁路開關(guān)

15、，閉鎖換流器，停運(yùn)UPFC。并聯(lián)變保護(hù)2時(shí)限失靈跳燕子磯220kV主變35kV開關(guān)及分段開關(guān)，并閉鎖220kV主變低壓側(cè)備自投；3.2 串聯(lián)變壓保護(hù)（PCS978）串聯(lián)變壓保護(hù)動(dòng)作，合串聯(lián)變壓器高、低壓側(cè)旁路開關(guān)，并送GOOSE跳閘信號(hào)給線路保護(hù)閉鎖重合閘；同時(shí)通過(guò)接點(diǎn)送跳閘信號(hào)至UPFC保護(hù)，UPFC保護(hù)動(dòng)作，閉鎖換流閥，觸發(fā)TBS，合串聯(lián)變壓器高、低壓側(cè)旁路開關(guān)，跳開交流進(jìn)線開關(guān)。當(dāng)串聯(lián)側(cè)高壓旁路開關(guān)合閘失敗時(shí)判為串變合閘失靈，串聯(lián)變壓器保護(hù)跳線路開關(guān)（GOOSE至智能終端），并發(fā)串變保護(hù)失靈信號(hào)給線路保護(hù)起動(dòng)線路遠(yuǎn)跳跳線路對(duì)側(cè)開關(guān)并閉鎖重合閘（GOOSE至線路保護(hù)），同時(shí)啟動(dòng)母差失靈（G

16、OOSE至母差）。網(wǎng)側(cè)繞組對(duì)地故障合旁路開關(guān)不能隔離故障，需要跳線路開關(guān)，同串變保護(hù)失靈邏輯。串變失靈保護(hù)邏輯如下：1）串變保護(hù)動(dòng)作經(jīng)延時(shí)，動(dòng)作元件不返回，串變失靈動(dòng)作；2）串變保護(hù)收UPFC保護(hù)失靈動(dòng)作信息，經(jīng)確認(rèn)后，串變失靈動(dòng)作。串聯(lián)變壓器旁路斷路器雙點(diǎn)位置信號(hào)由旁路斷路器操作箱給線路開關(guān)智能終端，并由智能終端用GOOSE給線路保護(hù)及測(cè)控、串聯(lián)變壓器保護(hù)。3.3 UPFC線路保護(hù)（PCS931）UPFC線路保護(hù)動(dòng)作跳線路開關(guān)，同時(shí)曉莊線路保護(hù)跳閘信號(hào)發(fā)送給鐵北側(cè)，鐵北側(cè)保護(hù)合成曉莊和鐵北的線路保護(hù)跳閘信息，組成線路跳閘信息，通過(guò)接點(diǎn)送UPFC保護(hù)；UPFC保護(hù)經(jīng)綜合電壓判別（正負(fù)序電壓關(guān)系

17、等）后，觸發(fā)TBS，同時(shí)發(fā)旁路串聯(lián)變壓器旁路開關(guān)指令。若旁路開關(guān)分位則不允許線路重合閘和手合：1、鐵北側(cè)線路保護(hù)重合閘允許信號(hào)根據(jù)旁路開關(guān)位置合成，并經(jīng)線路保護(hù)通道傳給對(duì)側(cè)保護(hù)，曉莊側(cè)僅在該信號(hào)有效時(shí)才允許重合。2、鐵北側(cè)線路保護(hù)根據(jù)接收到串變保護(hù)跳閘和串變保護(hù)失靈合成閉鎖重合閘信號(hào)，并經(jīng)線路保護(hù)通道傳給對(duì)側(cè)保護(hù)，曉莊側(cè)接收該信號(hào)時(shí)，重合閘放電。3、線路手合時(shí)要求UFPC側(cè)先合、線路對(duì)側(cè)后合。3.4 母差保護(hù)母差保護(hù)動(dòng)作，跳線路本側(cè)開關(guān)，并遠(yuǎn)跳對(duì)側(cè)。UPFC保護(hù)判斷線路開關(guān)分位且無(wú)流，則UPFC保護(hù)動(dòng)作，停運(yùn)UPFC。（該邏輯適用于UPFC線路開關(guān)偷跳。）交流保護(hù)與UPFC保護(hù)的相互配合關(guān)系如

18、圖4所示，圖中紅色箭頭表示保護(hù)動(dòng)作信號(hào)，藍(lán)色箭頭表示不同保護(hù)裝置之間的信息交互。3.5 UPFC保護(hù)閉鎖換流閥，跳交流側(cè)進(jìn)線開關(guān)，觸發(fā)TBS，合串聯(lián)側(cè)旁路開關(guān)；若串聯(lián)變壓器高、中壓側(cè)開關(guān)均合閘失靈，則判為合閘失靈，UPFC保護(hù)給串聯(lián)變壓器保護(hù)合閘失靈的信號(hào)，該信號(hào)與串聯(lián)變壓器保護(hù)合閘失靈判據(jù)取或構(gòu)成串變失靈保護(hù)邏輯。圖4 交流保護(hù)與UPFC保護(hù)的配合關(guān)系四、UPFC接入對(duì)交流保護(hù)的影響UPFC接入交流系統(tǒng)的接入點(diǎn)包括并聯(lián)側(cè)交流母線和串聯(lián)變壓器一次繞組。UPFC接入后對(duì)交流保護(hù)的影響主要體現(xiàn)在，UPFC通過(guò)串聯(lián)變壓器給線路注入幅值和相角均可控的電壓矢量，改變了輸電線路阻抗均勻分布的基本特征。因此

19、，UPFC接入可能劣化交流保護(hù)性能，導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)或拒動(dòng)。為了保證UPFC系統(tǒng)及設(shè)備的運(yùn)行安全，在南京UPFC工程中，UPFC設(shè)備采取電網(wǎng)故障短時(shí)退出，故障切除后恢復(fù)運(yùn)行措施：當(dāng)檢測(cè)到可能危及UPFC設(shè)備運(yùn)行安全的電網(wǎng)故障時(shí)，UPFC保護(hù)動(dòng)作，閉鎖換流閥、跳交流側(cè)進(jìn)線開關(guān)、觸發(fā)TBS、合串聯(lián)側(cè)旁路開關(guān)。一般來(lái)說(shuō)TBS在接收到觸發(fā)命令后可在2ms左右導(dǎo)通，串聯(lián)側(cè)旁路開關(guān)則需要在接收到合閘命令后40ms左右完成合閘。需要說(shuō)明的是，在UPFC正常運(yùn)行期間，控制保護(hù)系統(tǒng)會(huì)對(duì)TBS的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，若發(fā)現(xiàn)TBS狀態(tài)異常，控制保護(hù)系統(tǒng)將停運(yùn)UPFC，以確保UPFC系統(tǒng)和設(shè)備的運(yùn)行安全。在UPFC保護(hù)系統(tǒng)檢測(cè)到

20、可能危及UPFC設(shè)備運(yùn)行安全的電網(wǎng)故障并發(fā)送閉鎖換流閥、觸發(fā)TBS的指令時(shí)，若由于通信故障等原因使TBS閥控設(shè)備無(wú)法接收UPFC保護(hù)的觸發(fā)脈沖，為防止晶閘管過(guò)壓損壞，TBS晶閘管閥控會(huì)進(jìn)行保護(hù)性觸發(fā)；若TBS閥控設(shè)備故障導(dǎo)致TBS不能正確觸發(fā)，則系統(tǒng)故障時(shí)串變電壓會(huì)升高，其高/低壓側(cè)的避雷器將根據(jù)其伏安特性曲線將串聯(lián)變壓器兩側(cè)的電壓限制在一定水平下，同時(shí)TBS可能被正向擊穿，以保證UPFC系統(tǒng)和設(shè)備的安全。因此，一般情況下，電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，UPFC換流閥閉鎖后，UPFC串聯(lián)換流器不會(huì)繼續(xù)向系統(tǒng)注入容性或感性電壓。本節(jié)分別針對(duì)以下幾種情況分析UPFC接入對(duì)電網(wǎng)交流保護(hù)的影響：1）TBS正確導(dǎo)通，

21、串聯(lián)變壓器高壓側(cè)旁路開關(guān)正確合閘；2）TBS正確導(dǎo)通，串聯(lián)變壓器高壓側(cè)旁路開關(guān)無(wú)法正確合閘；3）TBS無(wú)法正確導(dǎo)通、換流閥被正確閉鎖，串聯(lián)變壓器高壓側(cè)旁路開關(guān)正確合閘。同時(shí)，考慮了TBS無(wú)法正確導(dǎo)通、換流閥無(wú)法閉鎖，UPFC串聯(lián)換流器仍向系統(tǒng)注入電壓的極端情況下UPFC接入對(duì)電網(wǎng)交流保護(hù)的影響。4.1 TBS正確導(dǎo)通、旁路開關(guān)正確合閘時(shí)對(duì)交流保護(hù)的影響在這種情況下，UPFC保護(hù)在檢測(cè)到輸電線路故障時(shí)，可在2ms內(nèi)迅速導(dǎo)通TBS以旁路串聯(lián)變壓器二次側(cè)繞組，此時(shí)等效于將變壓器的等效漏抗串聯(lián)在線路中運(yùn)行；待40ms后串聯(lián)側(cè)高/低壓側(cè)旁路開關(guān)合閘，串聯(lián)變壓器一、二次側(cè)繞組均被旁路，對(duì)線路阻抗無(wú)影響。4

22、.1.1 對(duì)距離保護(hù)的影響由于故障發(fā)生40ms后串聯(lián)變壓器高/低壓側(cè)旁路開關(guān)合閘，因此，UPFC不會(huì)對(duì)距離保護(hù)II段、III段的動(dòng)作行為造成影響，此處僅分析UPFC接入對(duì)距離保護(hù)I段的影響。在故障發(fā)生后、TBS觸發(fā)導(dǎo)通前，UPFC仍在工作，可能對(duì)保護(hù)的測(cè)量電壓、電流造成影響，但是此過(guò)程僅持續(xù)2ms，對(duì)于基于全波傅里葉算法的距離保護(hù)的測(cè)量阻抗的影響很小，可以忽略。在TBS觸發(fā)導(dǎo)通后，等效于將UPFC串聯(lián)變壓器的等效漏抗串聯(lián)在線路中運(yùn)行，如圖5所示，并將從以下幾個(gè)方面對(duì)距離保護(hù)I段的性能造成影響。圖5 TBS導(dǎo)通后UPFC線路故障示意圖1、對(duì)UPFC線路的母線M側(cè)的距離保護(hù)I段的影響UPFC線路母

23、線M側(cè)的距離保護(hù)I段的性能與PT安裝位置有關(guān)。1） 若采用線路側(cè)PT，則PT安裝位置正向的線路均勻分布，因此正方向故障時(shí)，測(cè)量阻抗特性不受UPFC影響，從而能夠有效保證距離保護(hù)I段的保護(hù)范圍和動(dòng)作的正確性。在發(fā)生反向故障時(shí)，距離保護(hù)I段也將可靠不動(dòng)作。2） 若采用母線側(cè)PT，發(fā)生反向故障時(shí)，距離保護(hù)I段能正確識(shí)別區(qū)外故障，可靠不動(dòng)作。發(fā)生正向故障時(shí)，由于串聯(lián)變壓器的等效漏抗的影響，距離保護(hù)I段的保護(hù)范圍將會(huì)縮小。2、對(duì)UPFC線路的母線N側(cè)的距離保護(hù)I段的影響對(duì)于母線N側(cè)的距離保護(hù)I段而言，PT安裝位置不會(huì)對(duì)其性能造成影響。當(dāng)發(fā)生反向區(qū)外或UPFC線路區(qū)內(nèi)故障時(shí)，母線N側(cè)的距離保護(hù)I段的測(cè)量阻

24、抗不受UPFC影響，距離保護(hù)I段的動(dòng)作行為不受影響；當(dāng)發(fā)生正向區(qū)外故障時(shí)，距離保護(hù)I段也將可靠不動(dòng)作。因此，TBS正確導(dǎo)通、旁路開關(guān)正確合閘時(shí)，UPFC的接入可能導(dǎo)致采用母線側(cè)PT時(shí)本線UPFC側(cè)距離保護(hù)I段保護(hù)范圍縮小，需在整定時(shí)加以考慮。同時(shí)，在TBS正確導(dǎo)通，串聯(lián)變壓器高壓側(cè)旁路開關(guān)正確合閘的情況下，UPFC接入不會(huì)對(duì)相鄰線路的距離保護(hù)I段造成影響。4.1.2 對(duì)零序方向元件的影響在故障發(fā)生后、TBS觸發(fā)導(dǎo)通前，UPFC仍在工作，可能對(duì)保護(hù)的測(cè)量電壓、電流造成影響，但是此過(guò)程僅持續(xù)2ms，對(duì)于基于全波傅里葉算法的零序方向元件的影響很小，可以忽略。如前所述，UPFC保護(hù)在檢測(cè)到輸電線路故障

25、時(shí)，可在2ms內(nèi)迅速導(dǎo)通TBS以旁路串聯(lián)變壓器二次側(cè)繞組，此時(shí)等效于將變壓器的等效漏抗串聯(lián)在線路中運(yùn)行；待40ms后串聯(lián)側(cè)旁路開關(guān)合閘，串聯(lián)變壓器一、二次側(cè)繞組均被旁路，對(duì)系統(tǒng)無(wú)影響。在這種情況下，零序方向元件能夠正確識(shí)別故障方向。4.1.3 對(duì)差動(dòng)保護(hù)的影響在故障發(fā)生后、TBS觸發(fā)導(dǎo)通前，UPFC仍在工作，可能對(duì)保護(hù)的測(cè)量電壓、電流造成影響，但是此過(guò)程僅持續(xù)2ms，對(duì)于基于全波傅里葉算法的常規(guī)差動(dòng)保護(hù)和基于半波傅里葉算法的突變量差動(dòng)保護(hù)的影響很小，可以忽略。如前所述，UPFC保護(hù)在檢測(cè)到輸電線路故障時(shí)，可在2ms內(nèi)迅速導(dǎo)通TBS以旁路串聯(lián)變壓器二次側(cè)繞組，此時(shí)等效于將變壓器的等效漏抗串聯(lián)在線

26、路中運(yùn)行；待40ms后串聯(lián)側(cè)旁路開關(guān)合閘，串聯(lián)變壓器一、二次側(cè)繞組均被旁路，對(duì)系統(tǒng)無(wú)影響。在這種情況下，差動(dòng)保護(hù)能正確識(shí)別區(qū)、內(nèi)外故障。4.1.4 對(duì)突變量方向元件的影響以圖6所示線路故障示意圖分析UPFC接入對(duì)突變量方向元件的影響。圖6 TBS導(dǎo)通后UPFC相鄰線路故障示意圖理論分析：1、假設(shè)UPFC線路發(fā)生故障，則對(duì)于任意一條線路上的突變量方向元件而言，感受到的都是同一方向的故障和TBS導(dǎo)通引起的突變量，能正確識(shí)別正、反方向故障，從而保障基于突變量方向的縱聯(lián)保護(hù)的動(dòng)作行為的正確性。2、假設(shè)線路L1上發(fā)生故障，UPFC檢測(cè)到故障后將觸發(fā)TBS、合串聯(lián)側(cè)旁路開關(guān)。因此，對(duì)于安裝在線路L1母線P

27、側(cè)的突變量方向元件而言，其幾乎同時(shí)感受到正向區(qū)內(nèi)故障和反向區(qū)外TBS導(dǎo)通引起的突變量，可能錯(cuò)誤判斷為反向故障，引起基于突變量方向的縱聯(lián)保護(hù)拒動(dòng)。對(duì)于安裝在線路L2兩側(cè)的突變量方向元件而言，其幾乎同時(shí)感受到正向區(qū)外故障和反向區(qū)外TBS導(dǎo)通引起的突變量，可能錯(cuò)誤判斷為正向故障，從而引起基于突變量方向的縱聯(lián)保護(hù)誤動(dòng)。仿真實(shí)例：利用PSCAD/EMTDC構(gòu)建了南京西環(huán)網(wǎng)的仿真模型，其電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、線路參數(shù)和500kV外部電源數(shù)據(jù)與南瑞繼保RTDS仿真平臺(tái)中的模型一致，僅兩臺(tái)220kV電源有所區(qū)別。為了簡(jiǎn)化UPFC串聯(lián)換流器的故障暫態(tài)模型，并考慮極端情況，利用一幅值為1.2倍串聯(lián)變壓器一次側(cè)額定電壓、相位超

28、前負(fù)荷電流90°的電壓源對(duì)UPFC注入線路的電壓進(jìn)行了等效替代。在下關(guān)中央門線路的下關(guān)側(cè)發(fā)生A相經(jīng)50歐過(guò)渡電阻接地故障時(shí)，由于故障后2ms時(shí)UPFC等效電壓源被旁路退出，導(dǎo)致中央門側(cè)突變量方向元件誤判為反方向故障，從而使得基于突變量方向元件的縱聯(lián)保護(hù)拒動(dòng)。由于電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、潮流水平和運(yùn)行方式的變化，實(shí)際受影響的線路范圍難以準(zhǔn)確界定，但通過(guò)仿真算例驗(yàn)證了上述理論分析結(jié)果，即基于突變量方向元件的縱聯(lián)保護(hù)的動(dòng)作行為會(huì)受到UPFC接入的影響。因此，有必要對(duì)南京西環(huán)網(wǎng)的相關(guān)線路進(jìn)行保護(hù)改造。4.2 TBS正確導(dǎo)通、旁路開關(guān)無(wú)法合閘時(shí)對(duì)交流保護(hù)的影響TBS正確導(dǎo)通、串聯(lián)變壓器高壓側(cè)旁路開關(guān)無(wú)法合閘

29、時(shí)UPFC接入對(duì)無(wú)延時(shí)的交流保護(hù)（如距離保護(hù)I段、零序方向元件和差動(dòng)保護(hù)）的影響與上一節(jié)相同，此處不再贅述。由于故障后高壓側(cè)旁路開關(guān)無(wú)法合閘，串聯(lián)變壓器的一次繞組始終串接在線路中，可能對(duì)距離保護(hù)的II、III段造成影響。以圖7所示線路故障示意圖為例，分析TBS正確導(dǎo)通、旁路開關(guān)無(wú)法合閘時(shí)UPFC對(duì)距離保護(hù)II、III段的影響：圖7 TBS導(dǎo)通后UPFC線路故障示意圖1、對(duì)UPFC線路的母線M側(cè)的距離保護(hù)II、III段的影響對(duì)于UPFC線路的母線M側(cè)的距離保護(hù)而言，其性能與PT安裝位置有關(guān)。1）若采用線路側(cè)PT，則PT安裝位置正向的線路均勻分布，因此正方向故障時(shí)，測(cè)量阻抗特性不受UPFC影響，從

30、而能夠有效保證距離保護(hù)II、II段的保護(hù)范圍和動(dòng)作的正確性。在發(fā)生反向故障時(shí)，距離保護(hù)II、III段可靠不動(dòng)作。2）若采用母線側(cè)PT，發(fā)生反向故障時(shí)，距離保護(hù)II、III段能正確識(shí)別區(qū)外故障，可靠不動(dòng)作。發(fā)生正向故障時(shí)，由于串聯(lián)變壓器的等效漏抗的影響，距離保護(hù)II、III段的保護(hù)范圍將會(huì)縮小，甚至可能發(fā)生拒動(dòng)的情況，需要在距離II、III段定值中考慮串變漏抗的影響。2、對(duì)UPFC線路的母線N側(cè)的距離保護(hù)的影響對(duì)于母線N側(cè)的距離保護(hù)II、III段而言，PT安裝位置不會(huì)對(duì)其性能造成影響。當(dāng)發(fā)生反向區(qū)外或UPFC線路區(qū)內(nèi)故障時(shí)，母線N側(cè)的距離保護(hù)II、III段的測(cè)量阻抗不受UPFC影響，距離保護(hù)II

31、、III段的動(dòng)作行為不受影響；當(dāng)發(fā)生正向區(qū)外故障時(shí)，由于串聯(lián)變壓器的等效漏抗的影響，距離保護(hù)II、III段的保護(hù)范圍將會(huì)縮小，甚至可能發(fā)生拒動(dòng)的情況。3、 對(duì)線路L2的距離保護(hù)II、III段的影響UPFC線路上發(fā)生故障時(shí)，線路L2的母線M側(cè)的距離保護(hù)II、III段可靠不動(dòng)作；但由于串聯(lián)變壓器的等效漏抗的影響，母線P側(cè)的距離保護(hù)II、III段的保護(hù)范圍將會(huì)縮小。4、 對(duì)線路L1的距離保護(hù)II、III段的影響UPFC線路上發(fā)生故障時(shí)，線路L1的母線P側(cè)的距離保護(hù)II、III段不動(dòng)作；經(jīng)過(guò)合理的整定，母線K側(cè)的距離保護(hù)II段也不動(dòng)作；由于串聯(lián)變壓器的等效漏抗的影響，母線K側(cè)的距離保護(hù)III段的保護(hù)范

32、圍將會(huì)縮小。同時(shí)，在TBS正確導(dǎo)通，串聯(lián)變壓器高壓側(cè)旁路無(wú)法合閘的情況下，UPFC接入不會(huì)對(duì)相鄰線路的距離保護(hù)I段造成影響。4.3 TBS無(wú)法導(dǎo)通、換流閥正確閉鎖時(shí)對(duì)交流保護(hù)的影響在TBS無(wú)法導(dǎo)通、換流閥正確閉鎖時(shí)，UPFC串聯(lián)變壓器的一次繞組始終串接在線路中，雖然此時(shí)串接在線路中的串聯(lián)變壓器的等效電抗將受其高/低壓側(cè)避雷器伏安特性的影響，但整體仍體現(xiàn)為感性特征。因此，TBS無(wú)法導(dǎo)通、換流閥正確閉鎖時(shí)UPFC接入對(duì)電網(wǎng)交流保護(hù)的影響與第4.1節(jié)中分析的TBS正確導(dǎo)通、旁路開關(guān)正確合閘時(shí)UPFC接入對(duì)交流保護(hù)的影響相同。4.4 TBS無(wú)法導(dǎo)通、換流閥無(wú)法閉鎖時(shí)對(duì)交流保護(hù)的影響在TBS無(wú)法導(dǎo)通且換

33、流閥無(wú)法閉鎖時(shí)，UPFC串聯(lián)換流器仍將向系統(tǒng)注入感性或容性電壓，從而對(duì)電網(wǎng)交流保護(hù)的性能帶來(lái)不利的影響。4.4.1 對(duì)距離保護(hù)的影響由于故障發(fā)生40ms后串聯(lián)變壓器高/低壓側(cè)旁路開關(guān)合閘，UPFC不會(huì)對(duì)距離保護(hù)II段、III段的動(dòng)作行為造成影響，因此，此處主要分析TBS無(wú)法導(dǎo)通時(shí)UPFC對(duì)距離保護(hù)I段的影響。1、UPFC串聯(lián)換流器注入容性電壓假設(shè)UPFC串聯(lián)換流器向系統(tǒng)注入一相位滯后線路電流90°的電壓分量，從而呈現(xiàn)出容性特性。以電容等效替代串聯(lián)變壓器，得到圖8所示的UPFC線路故障示意圖。圖8 UPFC注入容性電壓時(shí)線路故障示意圖1）對(duì)線路L1的距離保護(hù)I段的影響UPFC線路上發(fā)生

34、故障時(shí)，其相對(duì)于線路L1而言是區(qū)外故障，但是，由于UPFC注入的容性電壓的影響，線路L1的母線P側(cè)的距離保護(hù)I段可能超越誤動(dòng)，母線M側(cè)的距離保護(hù)I段也可能反向誤動(dòng)。2）對(duì)UPFC線路的母線M側(cè)的距離保護(hù)的影響對(duì)于UPFC線路（線路L2）的母線M側(cè)的距離保護(hù)I段而言，其動(dòng)作性能與PT安裝位置有關(guān)。a） 若采用線路側(cè)PT，則PT安裝位置正向的線路均勻分布，因此正方向故障時(shí)，測(cè)量阻抗特性不受UPFC影響，從而能夠有效保證距離保護(hù)I段的保護(hù)范圍和動(dòng)作的正確性。但是，在發(fā)生反向故障時(shí)，由于UPFC注入的容性電壓分量的影響，距離保護(hù)I段將會(huì)誤動(dòng)。b） 若采用母線側(cè)PT，則發(fā)生反向故障時(shí)，距離保護(hù)I段能正確

35、識(shí)別區(qū)外故障，可靠不動(dòng)作。但發(fā)生UPFC線路近區(qū)正向故障時(shí)，由于UPFC注入的容性電壓分量的影響，距離保護(hù)I段將會(huì)拒動(dòng)；UPFC線路的下一級(jí)線路故障時(shí)，距離保護(hù)I段則可能超越誤動(dòng)。3）對(duì)UPFC線路的母線N側(cè)的距離保護(hù)I段的影響對(duì)于母線N側(cè)的距離保護(hù)I段而言，PT安裝位置不會(huì)對(duì)其性能造成影響。發(fā)生反向區(qū)外故障或UPFC線路區(qū)內(nèi)故障時(shí)，母線N側(cè)的距離保護(hù)I段的測(cè)量阻抗不受UPFC影響，能夠有效保證距離元件的保護(hù)范圍和動(dòng)作的正確性；當(dāng)母線M或線路L1發(fā)生故障時(shí)，由于UPFC注入的容性電壓分量的影響，距離保護(hù)I段則可能超越誤動(dòng)。2、UPFC串聯(lián)換流器注入感性電壓假設(shè)UPFC串聯(lián)換流器向系統(tǒng)注入一相位

36、超前線路電流90°的電壓分量，從而呈現(xiàn)出感性特性。以電抗等效替代串聯(lián)變壓器，得到圖9所示的UPFC線路故障示意圖。圖9 UPFC注入感性電壓時(shí)線路故障示意圖1）對(duì)線路L1的距離保護(hù)I段的影響UPFC線路上發(fā)生故障時(shí)，線路L1的母線P側(cè)和母線M側(cè)的距離保護(hù)I段均能可靠不動(dòng)作。2）對(duì)UPFC線路的母線M側(cè)的距離保護(hù)I段的影響對(duì)于UPFC線路（線路L2）的母線M側(cè)的距離保護(hù)I段而言，其動(dòng)作性能與PT安裝位置有關(guān)。a） 若采用線路側(cè)PT，則PT安裝位置正向的線路均勻分布，因此正方向故障時(shí)，測(cè)量阻抗特性不受UPFC影響，從而能夠有效保證距離保護(hù)I段的保護(hù)范圍和動(dòng)作的正確性。在發(fā)生反向故障時(shí)，由

37、于UPFC注入的感性電壓分量的影響，距離保護(hù)I段也將可靠不動(dòng)作。b） 若采用母線側(cè)PT，發(fā)生反向故障時(shí)，距離保護(hù)I段能正確識(shí)別區(qū)外故障，可靠不動(dòng)作。發(fā)生正向故障時(shí)，由于UPFC注入的感性電壓分量的影響，距離保護(hù)I段的保護(hù)范圍將會(huì)縮小，甚至可能發(fā)生拒動(dòng)的情況。3）對(duì)UPFC線路的母線N側(cè)的距離保護(hù)I段的影響對(duì)于母線N側(cè)的距離保護(hù)I段而言，PT安裝位置不會(huì)對(duì)其性能造成影響。當(dāng)發(fā)生反向區(qū)外或UPFC線路區(qū)內(nèi)故障時(shí)，母線N側(cè)的距離保護(hù)I段的測(cè)量阻抗不受UPFC影響，距離保護(hù)的動(dòng)作行為不受影響；當(dāng)發(fā)生正向區(qū)外故障時(shí)，距離保護(hù)I段也將可靠不動(dòng)作。綜上，TBS無(wú)法導(dǎo)通時(shí)，UPFC的接入對(duì)距離保護(hù)I段的影響與

38、PT安裝位置、UPFC控制特性等因素有關(guān)?？紤]鐵北至?xí)郧f兩回UPFC線路本身長(zhǎng)度較短，對(duì)于短線路，本身距離I段范圍就很小，在測(cè)量誤差時(shí)可能發(fā)生誤動(dòng)，建議距離I段退出。4.4.2 對(duì)零序方向元件的影響TBS無(wú)法導(dǎo)通、換流閥無(wú)法閉鎖的極端情況下，由于UPFC串聯(lián)變壓器低壓側(cè)為中性點(diǎn)不接地的星形接法，零序電流僅在串聯(lián)變壓器的高壓側(cè)繞組和平衡繞組中流通，即UPFC串聯(lián)換流器注入的容性電壓或感性電壓不會(huì)出現(xiàn)在故障零序網(wǎng)絡(luò)中。這意味著，UPFC在故障零序網(wǎng)絡(luò)中呈現(xiàn)為感性特征，因此零序方向元件能正確判斷故障方向。4.4.3 對(duì)差動(dòng)保護(hù)的影響分析TBS無(wú)法導(dǎo)通且換流閥無(wú)法閉鎖時(shí)，若UPFC串聯(lián)換流器向系統(tǒng)注入一相位超前線路電流90°的電壓分量，從而呈現(xiàn)出