換流變保護(hù)改造分析及試驗(yàn)技術(shù)研究

張佳敏 ，蔣 琛 ，李 鵬 ，袁宇波 ，張 劍

(1.江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇南京211103；2.江蘇方天電力技術(shù)有限公司，江蘇南京211102)

高壓直流輸電由于其技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在我國(guó)遠(yuǎn)距離大容量輸電和大區(qū)聯(lián)網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用。高壓直流輸電的可靠性在一定程度上決定了區(qū)域電網(wǎng)的穩(wěn)定性，作為直流換流站的主要設(shè)備，換流變壓器的可靠運(yùn)行尤為重要，換流變保護(hù)應(yīng)保證換流變壓器的可靠運(yùn)行[1]。早期投運(yùn)的部分換流站將換流變保護(hù)集成在直流控制保護(hù)系統(tǒng)中，實(shí)行雙重化配置，兩套保護(hù)同時(shí)運(yùn)行，任何一套保護(hù)動(dòng)作均可出口。2003年以來(lái)，多個(gè)換流站由于換流變電量、非電量保護(hù)單一接點(diǎn)或元件故障導(dǎo)致直流閉鎖，因此換流變保護(hù)單系統(tǒng)直接出口是高壓直流輸電穩(wěn)定運(yùn)行的重大隱患。如政平換流站直流控保系統(tǒng)采用了ABB的MACH2（Modular Advanced Control HVDC and SVC 2ndedition）系統(tǒng)，換流變保護(hù)集成在MACH2系統(tǒng)中，兩套換流變保護(hù)分別在極控制保護(hù)PCPA和PCPB中配置，其主保護(hù)均沒(méi)有采用切換邏輯，任一套保護(hù)動(dòng)作均可出口。這種配置方式保證了換流變保護(hù)的靈敏性，同時(shí)也增加了保護(hù)不正確動(dòng)作的概率[2-8]。

針對(duì)此項(xiàng)隱患，政平換流站在2012年大修期間對(duì)換流變保護(hù)電量、非電量保護(hù)進(jìn)行了改造，將換流變保護(hù)從直流控保系統(tǒng)中獨(dú)立出來(lái)，每極增加兩套獨(dú)立的換流變電量保護(hù)裝置（CTP）和一套非電量保護(hù)裝置（NEP）。其中，電量保護(hù)采用與常規(guī)交流保護(hù)相同的“啟動(dòng)+動(dòng)作”邏輯，非電量保護(hù)采用“三取二”邏輯。對(duì)應(yīng)于此次保護(hù)的改造方式，保護(hù)調(diào)試工作相應(yīng)的分為2個(gè)部分：換流變電量、非電量保護(hù)裝置測(cè)試；直流控保系統(tǒng)與換流變保護(hù)相關(guān)部分的軟件修改。

1 換流變保護(hù)改造方式

換流變保護(hù)改造是對(duì)保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行改造，將原先集成在直流控制保護(hù)系統(tǒng)中換流變保護(hù)獨(dú)立為與常規(guī)變壓器保護(hù)相類似的換流變電量和非電量保護(hù)裝置。因此，有必要對(duì)換流變保護(hù)改造前后的保護(hù)實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行比較，并對(duì)直流控制保護(hù)系統(tǒng)中與換流變保護(hù)相關(guān)的軟件修改內(nèi)容及方式進(jìn)行分析研究。

1.1 換流變電量保護(hù)改造前后保護(hù)實(shí)現(xiàn)方式

政平換流站原換流變保護(hù)按雙套配置，分別集成在直流控制保護(hù)系統(tǒng)PCPA與PCPB主機(jī)中，其功能由ABB公司的圖形化可編程軟件Hidraw實(shí)現(xiàn)。通過(guò)Hidraw軟件查看政平站PCP中保護(hù)邏輯，可知每極的兩套換流變保護(hù)功能配置相同，差動(dòng)保護(hù)為換流變的主保護(hù)，其余為后備保護(hù)。改造前換流變電量保護(hù)集成在直流控保系統(tǒng)PCPA和PCPB中，其中一套系統(tǒng)為“active”，另一套為“standby”，兩套控保系統(tǒng)任意一套檢測(cè)到換流變保護(hù)動(dòng)作即出口。跳閘信號(hào)、控制信號(hào)和啟動(dòng)失靈信號(hào)均由PCP發(fā)出，其信號(hào)流圖如圖1所示。

圖1 改造前換流變保護(hù)信號(hào)流圖

改造后換流變電量保護(hù)為CTPA和CTPB雙套配置，任意一套動(dòng)作即出口，與改造前相比其判斷邏輯中增加了啟動(dòng)條件，只有啟動(dòng)元件和動(dòng)作元件均動(dòng)作，保護(hù)才會(huì)出口。Y，Z閉鎖和控制系統(tǒng)切換等控制命令通過(guò)直流場(chǎng)終端裝置（DFT）發(fā)送到PCP，由PCP執(zhí)行控制命令。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。改造后，換流變電量保護(hù)具備除換流變中性點(diǎn)偏移保護(hù)的所有保護(hù)功能，換流變中性點(diǎn)偏移保護(hù)保留在PCP中。

1.2 換流變非電量保護(hù)改造前后保護(hù)實(shí)現(xiàn)方式

圖2 改造后換流變保護(hù)信號(hào)流圖

非電量保護(hù)保護(hù)功能沒(méi)有變化，只是將原來(lái)的單一接點(diǎn)出口改造為利用3付接點(diǎn)進(jìn)行“三取二”邏輯判斷后再出口，原換流變和平波電抗器本體相關(guān)單接點(diǎn)繼電器均更換為有3付接點(diǎn)的繼電器。改造前非電量保護(hù)信號(hào)流圖如圖3所示。

圖3 改造前非電量保護(hù)信號(hào)流圖

由圖3可見(jiàn)，每個(gè)換流變的非電量繼電器有兩付接點(diǎn)，分別送到PCPA和PCPB中，由于部分重要的繼電器動(dòng)作后不需要切換直接出口，假如非電量的1付接點(diǎn)誤動(dòng)作，就會(huì)導(dǎo)致PCP直接出口閉鎖極。因此，政平站將換流變非電量繼電器換成3付接點(diǎn)的繼電器，同時(shí)在TCI和PCP之間增加1臺(tái)非電量的 “三取二”邏輯判斷系統(tǒng)NEP，最終實(shí)現(xiàn)2付接點(diǎn)動(dòng)作才出口，很好地避免了單一接點(diǎn)誤動(dòng)導(dǎo)致直流閉鎖的風(fēng)險(xiǎn)。改造后的換流變非電量保護(hù)信號(hào)流圖如圖4所示 （以重瓦斯為例）。

圖4 換流變非電量保護(hù)改造后信號(hào)流圖

1.3 換流變保護(hù)改造軟件修改方案

換流變保護(hù)改造除了增加獨(dú)立裝置外，還有原極控系統(tǒng)軟件邏輯的修改，軟件修改包括2個(gè)部分：（1）增加與獨(dú)立的換流變保護(hù)（CTP）接口程序；（2）刪除原換流變保護(hù)的功能邏輯。

CTP除了跳交流開(kāi)關(guān)外，還發(fā)出Y閉鎖、Z閉鎖和請(qǐng)求切換的控制指令至PCP，由極控制保護(hù)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制功能，因此需在DFT中增加RS851板卡，用于采集CTP發(fā)出的控制指令，轉(zhuǎn)換后發(fā)送到PCP主機(jī)中。除了增加硬件，相應(yīng)的還需在Hidraw程序中修改原PCP中與換流變保護(hù)相關(guān)的邏輯。換流變保護(hù)軟件修改過(guò)程應(yīng)按照以下流程進(jìn)行：

（1）對(duì)于保留在PCP中的換流變保護(hù)功能，保留其所需要的模擬量通道，其余的刪除。如在PCPMC1COMMTRANSF_PORT3.HGF頁(yè)面中刪除換流變繞組差動(dòng)保護(hù)的所有模擬量輸入鏈接，但是保留了換流變熱過(guò)負(fù)荷保護(hù)需要的模擬量采樣；

（2）增加CTP，NEP動(dòng)作開(kāi)入和保護(hù)動(dòng)作事件。如在MC1COMMDC_PORT_IN2.HGF頁(yè)面中，增加換流變CTP保護(hù)動(dòng)作后的相關(guān)閉鎖信號(hào)和動(dòng)作事件；

（3） 增加 CTP，NEP開(kāi)入到 PCP中的 Y閉鎖、Z閉鎖、請(qǐng)求切換動(dòng)作跳閘矩陣，如在頁(yè)面MC1COMMPAM_3.HGF中增加了CTP請(qǐng)求切換的跳閘矩陣；

（4）對(duì)新增的相關(guān)總線通道進(jìn)行監(jiān)視及修改相關(guān)參數(shù)等。

2 換流變保護(hù)改造調(diào)試方案

改造后換流變故障判別的功能是由換流變保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)的，在對(duì)PCP的Hidraw軟件進(jìn)行修改的同時(shí)，保護(hù)改造調(diào)試的另一項(xiàng)重要工作是CTP和NEP的調(diào)試，包括單體調(diào)試和整組測(cè)試。

2.1 CTP單體調(diào)試

政平站換流變電量保護(hù)裝置采用了南瑞繼保的PCS-977D，其基本原理與常規(guī)的變壓器保護(hù)區(qū)別不大，以差動(dòng)保護(hù)為主保護(hù)，過(guò)流保護(hù)、過(guò)電壓保護(hù)、過(guò)激磁保護(hù)等作為后備保護(hù)。換流變保護(hù)配置了多種差動(dòng)保護(hù)，包括換流變差動(dòng)、閥側(cè)繞組差動(dòng)、網(wǎng)側(cè)繞組差動(dòng)、交流母線差動(dòng)、交流母線及換流變差動(dòng)。換流變差動(dòng)保護(hù)調(diào)試的核心是差流計(jì)算和相關(guān)的電流折算方法。下面就換流變各種差動(dòng)保護(hù)的差流計(jì)算和折算方法進(jìn)行研究。以極I換流變電量保護(hù)A為例，換流變保護(hù)配置如圖5所示。將CTPA差動(dòng)保護(hù)所需用到的電流互感器（TA）二次繞組進(jìn)行編號(hào)：1A1～12A1,根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙和PCS-977D說(shuō)明書可得各差動(dòng)保護(hù)的TA配置，如表1所示。

Y/D接法各參數(shù)如下：串內(nèi)TA變比為4 000/1；換流變網(wǎng)側(cè)套管TA變比為2 000/1；Y/Y接法（YY）換流變閥側(cè)套管TA變比為3 000/1；Y/D接法（YD）換流變閥側(cè)套管TA變比為2 000/1；單相換流變?nèi)萘繛?83.7 MW；網(wǎng)側(cè)一次額定相電壓為kV；YY換流變閥側(cè)一次額定相電壓為kV；YD換流變閥側(cè)一次額定相電壓為200.4 kV。據(jù)此計(jì)算換流變保護(hù)中各種差動(dòng)電流的平衡系數(shù) （以交流母線及換流變差動(dòng)保護(hù)為例）。交流母線及換流變差動(dòng)保護(hù)范圍包括交流進(jìn)線和YY、YD換流變，取用的是5031、5032開(kāi)關(guān)TA和YY、YD換流變閥側(cè)套管TA，計(jì)算網(wǎng)側(cè)TA和YY、YD換流變閥側(cè)的額定一次相電流：

圖5 極I換流變電量保護(hù)A套所需TA與TV繞組

表1 各保護(hù)差動(dòng)TA配置

式（1—3）中：SN為單相換流變額定容量；UN為網(wǎng)側(cè)線電壓額定值；UYN為YY換流變閥側(cè)線電壓額定值；UDN為YD換流變閥側(cè)線電壓額定值。

根據(jù)各個(gè)TA變比可以換算得到二次額定電流分別為：

按照PCS-977D差動(dòng)保護(hù)原理，各側(cè)平衡系數(shù)是最大額定電流除以該側(cè)額定電流，即各側(cè)都折算到額定電流最大側(cè)進(jìn)行計(jì)算。從而計(jì)算得到交流母線及換流變差動(dòng)保護(hù)網(wǎng)側(cè)平衡系數(shù)為K網(wǎng)ph=3.326 6，K閥Yph=1，K閥Dph=1.154 7。同理可以計(jì)算出其余差動(dòng)保護(hù)各側(cè)平衡系數(shù)。

換流變保護(hù)PCS-977D的差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作特性如圖6所示。對(duì)于不同的差動(dòng)保護(hù)，其采用的比率特性是不一樣的。根據(jù)上述差動(dòng)保護(hù)平衡系數(shù)計(jì)算方法和各側(cè)流入保護(hù)的電流值可以算出其制動(dòng)電流大小，若差流大于對(duì)應(yīng)制動(dòng)門檻則保護(hù)動(dòng)作出口。并對(duì)其動(dòng)作邊界進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明換流變差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作行為與說(shuō)明書中差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作特性一致。

圖6 PCS-977D換流變差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作特性

2.2 換流變非電量保護(hù)NEP單體調(diào)試

政平站原非電量保護(hù)直接在PCP中進(jìn)行邏輯判斷和動(dòng)作出口，非電量繼電器有2付接點(diǎn)輸出，將信號(hào)經(jīng)TCI分別送到PCPA和PCPB中，根據(jù)元件重要性，部分繼電器動(dòng)作不需系統(tǒng)切換直接出口，其余繼電器動(dòng)作經(jīng)切換再邏輯判斷出口。經(jīng)改造后，每個(gè)非電量繼電器有3付接點(diǎn)，其信號(hào)流如圖4所示。改造后非電量保護(hù)屏由3塊IO板卡和2塊進(jìn)行“三取二”邏輯判斷的子系統(tǒng)組成，每臺(tái)換流變非電量繼電器的3付接點(diǎn)分別送到3塊IO板中，每塊IO板卡采集所有換流變非電量信號(hào)，并將信號(hào)分別送至子系統(tǒng)A和子系統(tǒng)B中。任意兩個(gè)接點(diǎn)動(dòng)作，子系統(tǒng)A、B均會(huì)動(dòng)作，極控制保護(hù)值班系統(tǒng)即會(huì)動(dòng)作出口。非電量保護(hù)（NEP）的單體調(diào)試方法比較簡(jiǎn)單，通過(guò)短接端子的方法驗(yàn)證“三取二”邏輯是否正確，非電量保護(hù)主要調(diào)試包括：（1）3塊IO板卡正常工作時(shí)，短接任意繼電器的任意2個(gè)接點(diǎn)，保護(hù)動(dòng)作出口；（2）1塊IO板卡退出運(yùn)行時(shí)，短接繼電器的任意1個(gè)接點(diǎn)，保護(hù)動(dòng)作出口。需要驗(yàn)證的換流變本體繼電器包括瓦斯繼電器、有載調(diào)壓油流繼電器1、有載調(diào)壓油流繼電器2、SF6氣體密度繼電器1、SF6氣體密度繼電器2。

2.3 換流變保護(hù)改造整組聯(lián)動(dòng)

換流變保護(hù)改造后，應(yīng)進(jìn)行整組傳動(dòng)對(duì)換流變保護(hù)功能、PCP軟件修改的正確性以及換流變保護(hù)到PCP的回路進(jìn)行驗(yàn)證。整組傳動(dòng)的方法與常規(guī)交流保護(hù)類似，對(duì)于換流變電量保護(hù)，在其裝置內(nèi)部注入二次電流模擬不同換流變故障類型下保護(hù)動(dòng)作行為。由于調(diào)試期間換流變處于極隔離狀態(tài)，無(wú)法驗(yàn)證PCP收到閉鎖信號(hào)后的動(dòng)作行為，分系統(tǒng)調(diào)試階段只能通過(guò)Hibug的方式檢測(cè)PCP是否接收到閉鎖信號(hào)，待雙極系統(tǒng)調(diào)試時(shí)驗(yàn)證其閉鎖行為的正確性。換流變非電量保護(hù)改造的整組傳動(dòng)方法與電量保護(hù)類似，通過(guò)在換流變就地按壓繼電器，模擬其動(dòng)作的方式，檢測(cè)PCP是否收到閉鎖信號(hào)和交流開(kāi)關(guān)是否動(dòng)作跳開(kāi)。

3 結(jié)束語(yǔ)

政平換流站原換流變電量、非電量保護(hù)均為單一接點(diǎn)出口，易造成不正確動(dòng)作，需要對(duì)其進(jìn)行改造。本文在完成換流變電量、非電量保護(hù)改造的基礎(chǔ)上，對(duì)改造過(guò)程中獨(dú)立換流變保護(hù)裝置調(diào)試和控保系統(tǒng)軟件修改方法進(jìn)行了研究。獨(dú)立的換流變保護(hù)與常規(guī)變電站變壓器保護(hù)功能調(diào)試方法相似，但是要考慮與直流控保系統(tǒng)的接口問(wèn)題；另外，原直流控保系統(tǒng)的軟件需要進(jìn)行相應(yīng)地修改，且非常關(guān)鍵，本文對(duì)軟件修改頁(yè)面的內(nèi)容和修改的原因進(jìn)行了闡述，便于更好地理解換流變保護(hù)改造方法。其中包含了換流變保護(hù)改造需要進(jìn)行的各項(xiàng)試驗(yàn)項(xiàng)目，對(duì)其他換流站的換流變電量、非電量保護(hù)改造具有較好地借鑒作用。

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