蘇春華

(惠州供電局，廣東 惠州 516001)

1 引言

晶閘管控制的串聯(lián)補(bǔ)償電容器(TCSC)最早是在1986年由Virhayathil等人作為一種快速調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)阻抗的方法提出來的。在美國(guó)、瑞典、巴西的電網(wǎng)中已投運(yùn)了部分可控串補(bǔ)裝置，此外，印度、澳大利亞等國(guó)也在進(jìn)行TCSC的研制計(jì)劃。我國(guó)自20世紀(jì)90年代中期開始對(duì)TCSC技術(shù)進(jìn)行了長(zhǎng)期的研究。針對(duì)多條線路進(jìn)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(guó)第一個(gè)TCSC工程在天平線平果側(cè)變電站建成投運(yùn)，對(duì)500kV天平線Ⅰ，Ⅱ回采用FSC+TCSC補(bǔ)償模式，總補(bǔ)償度為40%。2005年，由中國(guó)電力科學(xué)院研制的第一套國(guó)產(chǎn)化TCSC裝置在甘肅省壁口—成縣220kV電網(wǎng)投運(yùn)，線路串補(bǔ)償度達(dá)到50%[1]。

發(fā)展到今天，TCSC已是柔性交流輸電系統(tǒng)(FACTS)家族中的重要成員。文獻(xiàn)[2]中詳細(xì)介紹到:它通過調(diào)節(jié)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(duì)提高電力系統(tǒng)運(yùn)行可靠性和靈活性及改善線路性能具重大意義，對(duì)實(shí)現(xiàn)我國(guó)電力工業(yè)西電東送的發(fā)展戰(zhàn)略有著十分廣闊的應(yīng)用前景[3]。

與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)設(shè)備相比較，可控串補(bǔ)設(shè)備的組件類型較多，不僅涉及傳統(tǒng)的電力元器件，還包括新型的電力電子設(shè)備，同時(shí)各組件在保護(hù)原理與實(shí)現(xiàn)技術(shù)上也與傳統(tǒng)繼電保護(hù)有一定的差別。因此，設(shè)計(jì)完整而有效的可控串補(bǔ)保護(hù)控制系統(tǒng)，以保證可控串補(bǔ)的安全可靠運(yùn)行具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 TCSC概述

2.1 TCSC 的基本構(gòu)成與工作原理[4－7](見圖1)

圖1 TCSC模塊一次系統(tǒng)結(jié)線圖

電容器組C:進(jìn)行串聯(lián)補(bǔ)償。其容量大小決定了TCSC的基本補(bǔ)償度，其耐受電流/電壓的能力與晶閘管觸發(fā)角的限制共同決定了TCSC的容性運(yùn)行區(qū)范圍。

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

旁路電抗器TCR:有時(shí)候與反并聯(lián)的晶閘管串聯(lián)的電抗器會(huì)被分成兩半，以便在電抗器發(fā)生短路時(shí)能起到保護(hù)晶閘管閥的作用。

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

旁路斷路器S1:在發(fā)生嚴(yán)重故障或設(shè)備工作不正常時(shí)，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(shí)電容器上電流的大小和頻率。

火花間隙G1:當(dāng)MOV不能動(dòng)作而電壓升高到一定水平時(shí)，間隙擊穿，實(shí)現(xiàn)對(duì)電容器和MOV的過電壓保護(hù)。

特高速接觸器(UHSC):當(dāng)要求閥在“全導(dǎo)通”模式下運(yùn)行較長(zhǎng)時(shí)間時(shí)，可使閥上的導(dǎo)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(nèi)部故障情況下，電容器端電壓達(dá)到保護(hù)水平時(shí)，對(duì)電容器放電電流和放電電流頻率進(jìn)行限制且加速其衰減。

由圖1可見，TCSC的主電路結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，這也是TCSC在實(shí)際工程中得以廣泛應(yīng)用重要原因之一。在實(shí)際工程應(yīng)用中，既可以將單個(gè)TCSC模塊直接串接于輸電線路中，也可以將多個(gè)小容量TCSC單元同時(shí)串接于輸電線路中，分別對(duì)每個(gè)TCSC單元進(jìn)行調(diào)節(jié)。可變串聯(lián)補(bǔ)償?shù)墓ぷ髟硎峭ㄟ^對(duì)晶閘管觸發(fā)脈沖(觸發(fā)角)的控制，對(duì)電容器進(jìn)行旁路、投入或部分調(diào)制，改變并聯(lián)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(gè)提高了的電壓可快速而平滑地調(diào)節(jié)串接在輸電線路中的有效容抗值，改變了串聯(lián)容性電抗的有效值。LC并聯(lián)電路的等效阻抗Zeq表達(dá)式為:

①若wC－(1/wL)＞0即wL＞(1/wC)，這個(gè)并聯(lián)電路總體上呈現(xiàn)為一個(gè)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(dāng)可變電抗器開路時(shí)，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(chǎn)生，導(dǎo)致一個(gè)無窮大的容性電抗，是不可接受的狀態(tài)。

③若wC－(1/wL)＜0即wL＜(1/wC)，這個(gè)并聯(lián)電路總體上為等效電感值，且大于固定電抗器本身的值，對(duì)應(yīng)于TCSC運(yùn)行方式中的感性微調(diào)模式[8]。

2.2 TCSC的基本運(yùn)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(dǎo)通，導(dǎo)通角為180°。一旦晶閘管閥上電壓過零并開始變正時(shí)，就加上觸發(fā)脈沖，從而使晶閘管閥上流過連續(xù)的正弦電流。TCSC模塊此時(shí)為一個(gè)電容器和電感器的并聯(lián)，一起對(duì)外提供感性阻抗。這種模式被用來達(dá)到某些控制目的，或用來起動(dòng)某些保護(hù)功能。無論何時(shí)，TCSC模塊因?yàn)槌鲭娏飨拗刀慌月窌r(shí)，都要等線路電流回落到指定限值以下，并延遲一定的時(shí)間Tdelay以后，才能將TCSC模塊重新插入電路。

區(qū)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(tài)過電壓才會(huì)發(fā)生。

(2)晶閘管閉鎖模式(或等待模式):TCSC退化為固定的串聯(lián)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(jiān)視并采用直流偏移控制來快速釋放，因而不會(huì)對(duì)輸電系統(tǒng)的變壓器產(chǎn)生任何損害。此時(shí)的晶閘管閥監(jiān)控功能仍在工作。晶閘管閥是TCSC保護(hù)的一部分，必要時(shí)閥由保護(hù)系統(tǒng)自動(dòng)觸發(fā)(TPSC模式)。

注:TPSC模式指當(dāng)出現(xiàn)線路區(qū)內(nèi)故障后的1ms內(nèi)，晶閘管閥觸發(fā)導(dǎo)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(dòng)重新投入，并以故障前的控制模式運(yùn)行。

(3)晶閘管微調(diào)模式(即阻抗控制模式):這是TCSC的標(biāo)準(zhǔn)模式。呈現(xiàn)為連續(xù)可控的容性電抗或連續(xù)可控的感性電抗。容性微調(diào)模式時(shí)，當(dāng)電容器上的電壓和電流極性相反時(shí)，晶閘管被觸發(fā)，使得TCR電流與電容器電流方向相反，從而導(dǎo)致TCSC上存在一個(gè)循環(huán)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(lián)補(bǔ)償度。為防止諧振，amin≤a≤180°，當(dāng)a從180°減小到 amin時(shí)，循環(huán)電流時(shí)不斷增大的。當(dāng)a=amin時(shí)，容許的TCSC達(dá)到基頻電容器電抗值的2.5～3倍。

3 TCSC的保護(hù)控制系統(tǒng)

3.1 TCSC保護(hù)控制系統(tǒng)構(gòu)成概述

3.1.1 可控串補(bǔ)的控制層及功能綜述

可控串補(bǔ)的控制系統(tǒng)可以分為三層:主控室控制、繼電保護(hù)室控制和現(xiàn)場(chǎng)就地控制。運(yùn)行人員可在繼電保護(hù)內(nèi)的控制系統(tǒng)屏上的操作方式選擇開關(guān)(Remote、Local、Field分別表示上述三種操作方式)進(jìn)行切換，任何時(shí)候均只能用其中的一種操作方式進(jìn)行操作。而且正常情況下應(yīng)該在變電站主控室的終端WINCC上進(jìn)行操作，僅當(dāng)變電站主控室的終端出現(xiàn)故障時(shí)才可切換到繼電保護(hù)室內(nèi)的終端上操作。但在串補(bǔ)裝置進(jìn)行維修時(shí)，也可在繼電器室內(nèi)的終端上進(jìn)行操作。就地操作方式僅在緊急情況和串補(bǔ)裝置檢修情況下才可以進(jìn)行，正常運(yùn)行時(shí)禁止使用此方式。

可控串補(bǔ)的控制系統(tǒng)主要功能有:

(1)串補(bǔ)站的隔離開關(guān)、旁路斷路器和串補(bǔ)地刀的操作;

(2)串補(bǔ)實(shí)際值計(jì)算;

(3)串補(bǔ)控制參數(shù)設(shè)置;

(4)串補(bǔ)控制模式選擇;

(5)串補(bǔ)投入/退出順序控制;

(6)串補(bǔ)站功率震蕩抑制控制模式;

(7)串補(bǔ)站固定的觸發(fā)角度控制;

(8)串補(bǔ)站動(dòng)態(tài)的觸發(fā)角度控制;

(9)串補(bǔ)站閥門點(diǎn)火控制;

(10)串補(bǔ)站點(diǎn)火脈沖產(chǎn)生;

(11)串補(bǔ)站設(shè)置點(diǎn)的生成控制;

(12)電容器過電壓、過負(fù)荷控制;

(13)閥電流限制;

(14)閥過流中斷控制;

(15)保護(hù)干預(yù)控制;

(16)串補(bǔ)站設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視;

(17)事件記錄器記錄的信息顯示、信號(hào)的報(bào)警與復(fù)歸;

(18)顯示測(cè)量參數(shù)的變化曲線顯示等。

3.1.2 可控串補(bǔ)的控制方式介紹

可控串補(bǔ)站的控制系統(tǒng)主要分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩種方式。開環(huán)控制是指控制系統(tǒng)的輸出對(duì)控制過程能行使控制，但控制結(jié)果的狀態(tài)沒有影響控制系統(tǒng)，控制計(jì)算機(jī)、控制器、控制過程等環(huán)節(jié)沒有構(gòu)成閉合環(huán)路。例如可根據(jù)給定的阻抗來開環(huán)調(diào)節(jié)線路阻抗。閉環(huán)控制是指計(jì)算機(jī)對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制時(shí)，控制過程狀態(tài)能直接影響計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，一方面控制中心按計(jì)算機(jī)發(fā)出的控制信息對(duì)運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行控制，另一方面運(yùn)行設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)作為輸出由檢測(cè)部件測(cè)出后，作為輸入反饋給控制計(jì)算機(jī)，從而控制計(jì)算機(jī)、控制中心、控制過程、檢測(cè)部件構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)回路。例如可通過將流經(jīng)線路的電流控制為一恒定值來調(diào)節(jié)線路的潮流。

其中，閉環(huán)控制包括四部分:測(cè)量系統(tǒng)、控制模式、保護(hù)控制、點(diǎn)火控制。上述的控制系統(tǒng)功能中第4、5及16項(xiàng)均屬閉環(huán)控制。

繼電器室內(nèi)的開環(huán)控制屏上有分、合閘按鈕，其中合閘按鈕可對(duì)旁路開關(guān)直接進(jìn)行操作。當(dāng)串補(bǔ)裝置的在繼電器室內(nèi)與主控樓內(nèi)WINCC都損壞時(shí)可用才能用分閘按鈕來分開旁路旁路開關(guān)。

3.1.3 保護(hù)控制系統(tǒng)的具體構(gòu)成及有關(guān)說明

可控串補(bǔ)的控制系統(tǒng)由控制終端WINCC、控制中心SIMADYND、接口裝置SU200、閥基電子設(shè)備(VBE)以及相應(yīng)的通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。

①終端WINCC有兩臺(tái)，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(shù)字式的，是實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能的硬件平臺(tái)?？梢宰杂膳渲玫哪０寤刂破?，具有快速化的開環(huán)控制及監(jiān)測(cè)、閉環(huán)控制及數(shù)學(xué)運(yùn)算、信息采集及邏輯運(yùn)算、通信等功能?？刂频倪壿嬇c信號(hào)處理是在控制中心SIMADYND中實(shí)現(xiàn)的。

③VBE主要作用是產(chǎn)生點(diǎn)火脈沖觸發(fā)可控硅和監(jiān)測(cè)核對(duì)可控硅的運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)。

④每個(gè)接口裝置SU200有40個(gè)開關(guān)量輸入、8個(gè)模擬量輸入和24個(gè)開關(guān)量輸出，與控制中心SIMADYND的連接通過光纜實(shí)現(xiàn)。

圖2 平果可控串補(bǔ)站的保護(hù)控制系統(tǒng)配置圖

圖3 TCSC部分自監(jiān)測(cè)圖

圖3是TCSC部分的自監(jiān)測(cè)圖。由以上兩個(gè)圖可知，每個(gè)串補(bǔ)段(FSC段和TCSC段)的保護(hù)系統(tǒng)都配備兩組完全相同且相互獨(dú)立工作的數(shù)字保護(hù)系統(tǒng)。保護(hù)系統(tǒng)使用數(shù)字邏輯技術(shù)，便于更新且穩(wěn)定性高。保護(hù)功能被分解成多個(gè)功能模塊，每個(gè)功能塊都是由相同的硬件但不同的軟件來實(shí)現(xiàn)的。兩組保護(hù)的每個(gè)電流信號(hào)來自于同一個(gè)CT的不同繞組，保護(hù)的輸出回路相互獨(dú)立:分別接到旁路開關(guān)、線路開關(guān)的不同線圈中;通過不同的回路觸發(fā)GAP。保護(hù)系統(tǒng)構(gòu)成如下:

(1)兩面保護(hù)屏:提供告警信號(hào)、旁路命令、去控制系統(tǒng)的光纖接口;

(2)與事件記錄和故障錄波(DFR)的接口:數(shù)字IO單元(SU200);

(3)光纖測(cè)量系統(tǒng)(OPTODYN);

(4)間隙觸發(fā)電子裝置(GTE)(FSC部分);

(5)閥基電子設(shè)備VBE(TCSC部分);

保護(hù)系統(tǒng)是一個(gè)在高壓平臺(tái)上進(jìn)行測(cè)量的地面系統(tǒng)。所有的電信號(hào)均可以通過位于平臺(tái)上的常規(guī)低壓電流互感器或電壓分壓器檢測(cè)到。測(cè)量到的數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換成光信號(hào)通過光纖傳送到地面至繼電保護(hù)室。光纖信號(hào)傳輸系統(tǒng)是每相每個(gè)電流用一個(gè)通道。其中傳輸?shù)哪M信號(hào)包括:線路電流、平臺(tái)電流(從TCSC與FSC之間的母排到平臺(tái)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(hù)。

測(cè)量系統(tǒng)(OPTODYN)由位于地面的激光二極管以激光形式給位于平臺(tái)上的光電傳感器供電。這樣可實(shí)現(xiàn)保護(hù)系統(tǒng)在線路電流和電流反轉(zhuǎn)時(shí)也具有完整的保護(hù)功能，保證串補(bǔ)裝置在各種負(fù)荷下能正常工作。

保護(hù)系統(tǒng)、光纖測(cè)量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)所有的功能都進(jìn)行監(jiān)測(cè)，硬件和軟件的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)免除了實(shí)驗(yàn)裝置和周期性人工測(cè)試。包括如下監(jiān)測(cè)裝置:

①每個(gè)處理器配有硬件/軟件看門狗

②內(nèi)部通訊監(jiān)測(cè)

③與OLC(OpenLoopControl)和HMI/WINCC之間的通訊監(jiān)測(cè)

④光線信號(hào)傳輸系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)(測(cè)量和GTE)

⑤保護(hù)系統(tǒng)電源電壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

TCSC和FSC可以通過多個(gè)控制地點(diǎn)來控制。如圖4所示，可在繼電器室內(nèi)=U2+SJ2屏上的操作方式開關(guān)進(jìn)行(Remote、Local、Field)三種操作方式切換。同時(shí)，基于網(wǎng)絡(luò)的WinCC操作可實(shí)現(xiàn):基于網(wǎng)絡(luò)的HIM操作和遠(yuǎn)程HIM操作享有同等優(yōu)先權(quán)，是網(wǎng)絡(luò)電腦用戶和遠(yuǎn)程HIM用戶可實(shí)現(xiàn)同步操作。

圖4 通過開關(guān)鍵來控制地點(diǎn)且通過HIM選擇遠(yuǎn)程操作

4 結(jié)論

超高壓系統(tǒng)故障暫態(tài)過程的復(fù)雜性以及TCSC控制系統(tǒng)的多模式，使得對(duì)其繼電保護(hù)的性能分析較之傳統(tǒng)的保護(hù)復(fù)雜得多。近年來國(guó)內(nèi)對(duì)TCSC展開了研究，但研究的領(lǐng)域多集中在可控串補(bǔ)的運(yùn)行機(jī)理、控制策略、暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)分析、數(shù)字仿真與動(dòng)模建設(shè)、過電壓保護(hù)上，而在可控串補(bǔ)應(yīng)用于電力系統(tǒng)后對(duì)二次系統(tǒng)——尤其是繼電保護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)行性能的分析略顯不足，有必要做進(jìn)一步的工作。

而整個(gè)可控串補(bǔ)保護(hù)是隨電力系統(tǒng)發(fā)展而產(chǎn)生的一個(gè)新型元件保護(hù)分支。對(duì)TCSC的控制保護(hù)系統(tǒng)將朝著網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化、測(cè)量和數(shù)據(jù)通信一體化的方向發(fā)展。

[1]徐政.基于晶閘管的柔性交流輸電控制裝置[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[2]田杰，尹建華.可控串聯(lián)補(bǔ)償(TCSC)的分析研究[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，1997，23(14):43 －47.

[3]黃振華，陳建業(yè).可控串補(bǔ)(TCSC)技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展[J].國(guó)際電力，2005，9(3):53 －58.

[4]祝謙，劉相槍.平果可控串補(bǔ)本體保護(hù)介紹[J].電網(wǎng)技術(shù)，2004，28(16):73－77.

[5]胡玉峰，尹項(xiàng)根，陳德樹，等.可控串補(bǔ)(TCSC)本體保護(hù)原理、配置及實(shí)現(xiàn)研究[J].繼電器，2003，31(7):28 －32.

[6]謝小榮，姜齊榮.柔性交流輸電系統(tǒng)的原理與應(yīng)用[M].清華大學(xué)出版社，2006.

[7]孫雯.可控串補(bǔ)TCSC裝置保護(hù)部分的研究與開發(fā)[D].河北:華北電力大學(xué)，2004.

[8]余江，段獻(xiàn)忠，王為國(guó)，等.TCSC動(dòng)態(tài)基頻阻抗特性分析[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，1999，23(14):21 －23.

[9]胡玉峰，尹項(xiàng)根，陳德樹，等.TCSC的繼電保護(hù)數(shù)字仿真研究[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2002，26(16):39 －43.

[10]彭夕嵐，王維洲.可控串補(bǔ)裝置(TCSC)的運(yùn)行和維護(hù)技術(shù)[J].甘肅電力技術(shù)，2004，11:1 －3.

[11]周彥，彭飽書，龔天森.亞洲首個(gè)500kV可控串補(bǔ)(TCSC)工程(II)－天廣交流輸變電平果變電站可控串補(bǔ)控制與保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案[J].國(guó)際電力，2004，8(6):46 －51.

[12]K Br＆un，H Spachtholz，M Beck.Design of the First Asian 500 kV Thyristor Controlled Series Compensation Scheme(TCSC)of Tian Guang at Pingguo Substation:Control and Protection System[J].International Electric Power for China，2004，8(6):46 －51.

[13]陳葛松，林集明，郭劍波，等.500kV串補(bǔ)站過電壓保護(hù)研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2001，25(2):21 －29.