高嶺換流站潮流反轉(zhuǎn)保護(hù)動作的分析研究

張愛玲，黃金海，周仁偉，吳慶范，楊超峰，王彥賓

（許繼電氣股份有限公司，河南 許昌461000）

東北-華北聯(lián)網(wǎng)高嶺背靠背換流站位于遼寧省綏中縣高嶺鎮(zhèn)高嶺開關(guān)站的西北側(cè)，換流站設(shè)計容量1 500 MW，工程于2008年11月25日正式投入運(yùn)行，實現(xiàn)了東北電網(wǎng)與華北電網(wǎng)的直流背靠背聯(lián)網(wǎng)。高嶺背靠背換流站兩側(cè)交流電壓均為 500 kV，直流側(cè)電壓為±125 kV，分兩個單元，每個單元輸送容量為750MW?？刂票Ｗo(hù)系統(tǒng)采用SIMADY D平臺，其中直流保護(hù)系統(tǒng)采用三重化配置，動作出口邏輯為三取二邏輯，當(dāng)三套保護(hù)系統(tǒng)都正常運(yùn)行時，至少有兩套保護(hù)系統(tǒng)動作保護(hù)才會出口[1-4]。

2010年03月30日，高嶺背靠背換流站單元1功率輸送方向為東北到華北，輸送功率為額定功率750 MW，三套保護(hù)系統(tǒng)都處于正常運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)天華北側(cè)交流網(wǎng)側(cè)發(fā)生接地故障，高嶺背靠背換流站單元1三套直流保護(hù)系統(tǒng)均報潮流反轉(zhuǎn)保護(hù)跳閘，保護(hù)出口，導(dǎo)致單元1跳閘停運(yùn)。

1 潮流反轉(zhuǎn)保護(hù)基本原理

潮流反轉(zhuǎn)保護(hù)主要用在無運(yùn)行人員的控制命令的情況下，當(dāng)控制系統(tǒng)故障引起功率反向時，保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備。潮流反轉(zhuǎn)保護(hù)測量直流電壓和直流電流，如果在設(shè)定時間內(nèi)功率改變方向，并且超過預(yù)定參考值，保護(hù)動作，系統(tǒng)停運(yùn)。

潮流反轉(zhuǎn)保護(hù)的判據(jù)是直流電壓超過最小預(yù)定參考值，并在一定時間內(nèi)改變極性，并且功率水平達(dá)到設(shè)定的參考值。潮流反轉(zhuǎn)保護(hù)有三個條件：(1)時間窗口，直流電壓低于一個參考值（本工程設(shè)定為0.2 pu），則開放2 s的時間窗口；(2)電壓極性改變，直流電壓低于一個參考值時開放2 s的時間窗口，同時把這個時刻的電壓值送到鎖存器做電壓方向判斷；(3)功率水平，實時判斷功率水平是否大于參考值(本工程設(shè)定為最小功率值)。如果以上3個條件均滿足，則經(jīng)過延時啟動保護(hù)出口邏輯。

潮流反轉(zhuǎn)保護(hù)的具體邏輯框圖如圖1所示，其中：Ud1為高壓側(cè)直流電壓；Ud2為低壓側(cè)直流電壓；Id1為高壓側(cè)直流電流；Id2為低壓側(cè)直流電流。潮流反轉(zhuǎn)保護(hù)中開放時間窗口的電壓條件為：直流電壓Ud1和Ud2分別取絕對值，然后經(jīng)過平滑濾波后取最小值，小于0.2 pu則開放2 s的時間窗口，并同時觸發(fā)鎖存器。電壓極性判斷條件是：直流電壓Ud1和Ud2取差值經(jīng)過平滑濾波送入鎖存器，當(dāng)觸發(fā)鎖存器后把這個時刻的值鎖存并與設(shè)定的參考值進(jìn)行比較，將比較的結(jié)果送到異或邏輯輸出。功率水平判斷的實現(xiàn)方式為：直流電壓Ud1和Ud2取差值，然后經(jīng)過平滑濾波取絕對值與直流電流相乘，計算功率，再與設(shè)定好的最小功率值相比較。

2 潮流反轉(zhuǎn)保護(hù)動作的分析

在實驗室RTDS系統(tǒng)平臺上，用故障回放的方法來做分析。RTDS系統(tǒng)由實時數(shù)字仿真器和一套直流控制保護(hù)裝置兩部分構(gòu)成，實時數(shù)字仿真器用于模擬電網(wǎng)(包括直流系統(tǒng))一次部分，并與直流控制保護(hù)裝置連接構(gòu)成實時閉環(huán)仿真系統(tǒng)。RTDS與直流保護(hù)裝置之間采用±10 V的電信號進(jìn)行接口。RTDS按照高嶺直流工程建模，控制保護(hù)系統(tǒng)使用與高嶺工程中相同的軟件。故障回放方法就是利用現(xiàn)場故障濾波的波形通過RTDS送入直流保護(hù)裝置，以此模擬現(xiàn)場直流保護(hù)的動作情況。圖2就是利用此方法得到的保護(hù)系統(tǒng)中潮流反轉(zhuǎn)保護(hù)的各個量濾波圖。其中各個故障波形的含義為：UDC1為原始故障直流電壓1；UDC2為原始故障直流電壓2；IDC1為原始故障直流電流；AO1為絕對值并平滑濾波后的直流電壓1；AO2為絕對值并平滑濾波后的直流電壓2；AO3為直流電壓1和直流電壓2取差后平滑濾波值；AO4為鎖存器輸出的電壓值；AO_5為絕對值并平滑濾波后的直流電壓1和直流電壓2的最小值；UDLOW為啟動時間窗口并觸發(fā)鎖存器；UDREV為電壓極性反向；SS為啟動極控系統(tǒng)切換（保護(hù)出口）；REDESOF為移相閉鎖（保護(hù)出口）。

下面對圖2進(jìn)行分析，直流電壓Ud1與直流電壓Ud2的最小值小于0.2 pu時，啟動時間窗口并觸發(fā)鎖存器，直流電壓Ud1與直流電壓Ud2的差值作為判定電壓極性的輸入，從故障波形上可以看出，直流電壓Ud1與直流電壓 Ud2的最小值小于 0.2 pu時（AO_5），鎖存器輸出的電壓是-0.15 pu（AO4），小于 0.05 pu，后面的比較模塊輸出 “0”。而實時的電壓很快上升到 0.05 pu以上(AO3)，導(dǎo)致直接接在其后的比較模塊輸出“1”，接到這兩個比較模塊上的異或邏輯模塊輸出“1”，判定為直流電壓發(fā)生反向，這時功率水平大于75 MW，導(dǎo)致潮流反轉(zhuǎn)保護(hù)動作。

從原始故障波形上看出，直流電壓Ud1比直流電壓Ud2下降得更快。保護(hù)中對直流電壓Ud1和直流電壓Ud2分別采取平滑濾波，原始直流電壓Ud1下降到0.2 pu以下并快速返回，由于平滑濾波的作用，平滑濾波后的直流電壓Ud1并未下降到 0.2 pu以下（AO1），而是由直流電壓 Ud2下降到 0.2 pu時（AO2）觸發(fā)鎖存器，導(dǎo)致鎖存器收到錯誤的直流電壓值(-0.15 pu)，引起保護(hù)電壓方向判斷錯誤。

3 潮流反轉(zhuǎn)保護(hù)邏輯的改進(jìn)和驗證

潮流反轉(zhuǎn)保護(hù)中采用直流電壓Ud1與直流電壓Ud2中的小值作為低電壓觸發(fā)鎖存器的條件，而電壓極性判斷采用直流電壓Ud1與直流電壓Ud2的差值作為判斷條件；所以，直流電壓不一致有可能引起潮流反轉(zhuǎn)保護(hù)的不正確動作。

通過以上分析可知，如果采用直流電壓Ud1與直流電壓Ud2的差值代替直流電壓Ud1與直流電壓Ud2中的小值作為低電壓觸發(fā)鎖存器的條件，就可以保證低電壓時刻的電壓值正確地送到軟件中的鎖存器中，以此來判定電壓的方向。用修改過的程序做故障回放實驗，得到圖3的波形。從波形圖可以看出，在做相同的故障回放時，由于低電壓門檻條件和電壓極性判斷采用相同的直流電壓Ud1與直流電壓Ud2的差值作為判斷條件，正確地判定了電壓的方向，潮流反轉(zhuǎn)保護(hù)沒有動作。

模擬交流網(wǎng)側(cè)接地故障：在RTDS試驗系統(tǒng)中，兩側(cè)交流電壓均設(shè)為500 kV，功率傳輸方向設(shè)為東北到華北，單元1解鎖到額定功率運(yùn)行狀態(tài)，即直流側(cè)電壓為±125 kV，電流為 3 000 A，功率為 750 MW，在 RTDS模型中模擬華北側(cè)交流網(wǎng)側(cè)金屬性接地故障，得到如圖4所示的故障波形?？梢钥闯霾ㄐ闻c修改程序后的故障回放波形基本相似，潮流反轉(zhuǎn)保護(hù)沒有動作，驗證了程序修改的正確性。

本文介紹了直流極保護(hù)中潮流反轉(zhuǎn)保護(hù)的原理，詳細(xì)分析了高嶺換流站潮流反轉(zhuǎn)保護(hù)誤動作的原因，在此基礎(chǔ)上提出了修改意見，并通過故障回放和模擬交流網(wǎng)側(cè)故障的方法驗證了修改后的程序的正確性和可行性。修改后的程序在高嶺換流站進(jìn)行了實施，在運(yùn)行的過程中沒有出現(xiàn)問題，運(yùn)行良好。

[1]趙婉君.高壓直流輸電工程技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2004.

[2]戴熙杰.直流輸電基礎(chǔ)[M].北京：水利電力出版社,1990.

[3]張望，黃利軍，郝俊芳，等.高壓直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)的冗余設(shè)計[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009，37(13)：88-90.

[4]李延龍，楊亞璞，李楠.高壓直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)的冗余可靠性研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009，37(16)：59-62.