換流站直流控制保護(hù)系統(tǒng)隱患排查分析

楊 帆，侯 超

(東北電力大學(xué) 研究生學(xué)院，吉林吉林，132012)

控制保護(hù)系統(tǒng)是直流輸電工程的核心部分，除具有安全準(zhǔn)確輸送功率等基本控制策略外，還具有滿足交直流系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的控制策略、保護(hù)性監(jiān)控和幫助系統(tǒng)自愈的功能，充分體現(xiàn)了直流輸電高速和靈活有效的控制策略。本文以奉賢換流站為例，簡(jiǎn)述了直流控制系統(tǒng)的基本原理，分析了奉賢換流站直流控制保護(hù)系統(tǒng)中的測(cè)量回路、控制系統(tǒng)及其出口回路存在的典型隱患，并給出了合理的改進(jìn)意見。

1 ±800 kV奉賢換流站主接線方式

特高壓奉賢換流站是±800 kV向家壩—上海直流輸電工程的受端換流站，直流額定輸送功率為6 400 MW，直流額定電壓為±800 kV，直流額定電流為4 000 A，直流線路一回，送電距離約為2 071 km。每極采用兩組12脈動(dòng)換流器串聯(lián)，換流變壓器(24+4)×297.1 MVA(其中4臺(tái)備用)，交流出線3回至遠(yuǎn)東變電站，遠(yuǎn)期交流出線4回，分別為2回至遠(yuǎn)東變電站，2回至三林變電站。直流換流站主接線的設(shè)計(jì)主要包括直流側(cè)主接線和交流側(cè)主接線。奉賢換流站直流側(cè)主接線采用(400+400)kV換流器的接線方法，如圖1所示。

圖1 直流輸電系統(tǒng)主接線圖

圖1中12脈動(dòng)換流器每一極的兩端的電壓相同，直流旁路斷路器接在12脈動(dòng)換流器兩端，這樣就可以操作直流旁路斷路器決定該12脈動(dòng)換流器投入或推出。該運(yùn)行方式靈活性好，當(dāng)正送和反送功率傳輸時(shí)，直流輸電系統(tǒng)按如下過程運(yùn)行[1]:

1)單極(大地或金屬回線)運(yùn)行方式，為輸送容量的1/4。

2)半雙極運(yùn)行方式，為輸送容量的1/2。

3)雙極不對(duì)稱運(yùn)行方式，為輸送容量的3/4。

4)雙極運(yùn)行。

由于直流系統(tǒng)電壓從±500 kV提高到了±800 kV，特高壓直流輸電工程換流器接線從傳統(tǒng)的單12脈動(dòng)換流器改為采用雙12脈動(dòng)換流器結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)使主回路有更多的運(yùn)行方式，提高了整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的靈活性和可用率。針對(duì)雙12脈動(dòng)的特點(diǎn)，在直流側(cè)接線中增加了旁路斷路器和隔離開關(guān)。通過旁路斷路器和隔離開關(guān)的配合控制，可以完成單12脈動(dòng)換流器的正常起?？刂坪凸收锨闆r下的換流器退出操作。

奉賢站交流側(cè)主接線采用常規(guī)的3/2斷路器接線方式，這種接線方式的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行的可靠性和靈活性很高，在檢修回路斷路器或母線時(shí)省去了隔離開關(guān)很多倒閘操作[2]。

2 奉賢站直流控制保護(hù)系統(tǒng)

直流控制保護(hù)系統(tǒng)可以通過對(duì)換流器的快速調(diào)節(jié)，控制直流功率輸送的大小和方向，控制保護(hù)設(shè)備自身的故障或功能異常不應(yīng)對(duì)直流輸電系統(tǒng)的運(yùn)行造成影響，更不允許導(dǎo)致直流輸電系統(tǒng)的停運(yùn)。

奉賢換流站控制保護(hù)系統(tǒng)由ABB公司提供的DCC800和許繼公司提供的MACH2兩套系統(tǒng)組成。其中DCC800用于特高壓直流系統(tǒng)的相關(guān)控制保護(hù);MACH2用于奉賢站交流場(chǎng)、交流濾波器、站用電及輔助系統(tǒng)的控制保護(hù)。

奉賢站直流控制保護(hù)系統(tǒng)從功能上分為4層:站控層、雙極控制層、極控制層和換流器控制層。

站控層配置高性能、實(shí)時(shí)的站控系統(tǒng)，為運(yùn)行人員提供站級(jí)設(shè)備的控制、監(jiān)視、測(cè)量、管理及保護(hù)。雙極控制層為極控主機(jī)提供極功率指令，兼管全站相關(guān)的順序控制、無功控制、交流母線電壓控制及保護(hù)。極控制層產(chǎn)生本極主機(jī)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)火角指令，負(fù)責(zé)本極相關(guān)的順序控制、本極換流變分接頭的控制、本極相關(guān)的無功控制及保護(hù)。直流極控主機(jī)還承擔(dān)站間通信任務(wù)。換流器控制層接收直流極控層的運(yùn)行點(diǎn)火角指令并轉(zhuǎn)換成觸發(fā)脈沖，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)換流閥組的投、退順序控制及保護(hù)。

3 隱患排查分析

3.1 測(cè)量回路存在的隱患

奉賢站測(cè)量回路配置有直流分壓器4臺(tái)，換流變進(jìn)線PT共12臺(tái)，光CT共18臺(tái)，零磁通CT共8臺(tái)，直流場(chǎng)電磁式CT共25臺(tái)，單臺(tái)換流變套管CT共4組。這里僅分析直流分壓器回路出現(xiàn)的隱患。

3.1.1 直流分壓器回路

直流極母線及直流中性母線上均需安裝直流分壓器用于測(cè)量直流母線電壓。直流母線電壓測(cè)量結(jié)果直接作用于直流系統(tǒng)控制閉環(huán)，是決定直流控制系統(tǒng)輸出的重要信息源[3]。

奉賢站共有4臺(tái)直流分壓。=P(1，2).WP.T1、=P(1，2).WN.T1分別用于測(cè)量極母線和中性母線的直流電壓，測(cè)量結(jié)果用于換流站的控制和保護(hù)。直流分壓器保護(hù)配置如圖2所示。

圖2 直流分壓器保護(hù)配置圖

圖2中，=P1.WP.T1用于測(cè)量極1母線電壓(UDL)，參數(shù)為800 kV/37.65;=P1.WN.T1用于測(cè)量極1中性線電壓(UDN)，參數(shù)為60/37.65。從=P1.WP.T1采集到的模擬量應(yīng)用于LPTW、DLPD、DLPLUOP、RPDP、DCOVP、UVP、ACDC_TOUCH 等保護(hù)，從 =P1.WN.T1采集到的模擬量應(yīng)用于DCOVP、ELOCP 等保護(hù)。

3.1.2 直流分壓器單回路故障

3.1.2.1 隱患描述

正常運(yùn)行時(shí)，測(cè)量回路3套系統(tǒng)的PS844板卡并聯(lián)(單個(gè)板卡電阻90 kΩ)，控制系統(tǒng)匹配電阻值為30 kΩ，PS844板卡連接示意圖如圖3所示。

圖3 PS844板卡連接示意圖

假設(shè)端子松動(dòng)等原因?qū)е翪系統(tǒng) PS844板卡退出，A、B系統(tǒng)正常運(yùn)行，如圖3虛線部分退出，低壓臂的電阻值會(huì)發(fā)生變化，低壓臂電阻值變?yōu)?/p>

當(dāng)一次電壓為800 kV時(shí)，經(jīng)過電阻電容分壓后，低壓臂采集電壓會(huì)由37.65 V升高到47.34 V;A系統(tǒng)和B系統(tǒng)電壓會(huì)達(dá)到

此時(shí)過電壓保護(hù)會(huì)動(dòng)作。

3.1.2.2 建議整改措施

當(dāng)直流系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，禁止對(duì)處于“Test”或“Off”狀態(tài)系統(tǒng)的PS844板卡與直流分壓器之間的回路進(jìn)行任何工作。PS844板卡故障必須將極停運(yùn)后更換。

3.2 控制系統(tǒng)存在的隱患

對(duì)控制系統(tǒng)的隱患排查包括無功控制、變壓器分接頭控制、空載加壓試驗(yàn)、功率/電流控制等。這里對(duì)空載加壓試驗(yàn)中存在的一處隱患進(jìn)行分析。

3.2.1 空載加壓試驗(yàn)

空載加壓試驗(yàn)也叫開路試驗(yàn)(簡(jiǎn)稱OLT)。OLT試驗(yàn)分帶線路和不帶線路操作。帶直流線路的開路試驗(yàn)主要檢驗(yàn)直流線路的接線狀況和絕緣水平，本端合上極母線刀閘，對(duì)端拉開極母線刀閘。不帶直流線路的開路試驗(yàn)主要檢驗(yàn)換流器的絕緣、控制保護(hù)系統(tǒng)的檢測(cè)回路和觸發(fā)回路等，本端拉開極母線刀閘。這里主要分析不帶線路操作存在的隱患。6脈動(dòng)的換流器原理接線如圖4所示。

圖4 6脈動(dòng)的換流器原理接線圖

在直流系統(tǒng)開路狀態(tài)下，即在不帶直流線路的理想工況下(如圖4中去掉虛線部分)，通過改變換流器的觸發(fā)角來控制直流充電電壓上升，進(jìn)行OLT試驗(yàn)。

一個(gè)6脈動(dòng)換流器充電的理論公式如下[4]:

3.2.2 奉賢站開路試驗(yàn)啟動(dòng)邏輯不判斷UDL模擬量條件

3.2.2.1 隱患描述

通過比較常規(guī)直流工程和向上±800 kV特高壓直流輸電工程的OLT啟動(dòng)邏輯判據(jù)中發(fā)現(xiàn)，常規(guī)直流增加一個(gè)極母線(UDL)低電壓判據(jù)，而此特高壓直流輸電工程不判別極母線(UDL)低電壓，其它邏輯判據(jù)中常規(guī)直流與特高壓直流均相同。

三上工程OLT啟動(dòng)邏輯比向上OLT啟動(dòng)邏輯多一個(gè)邏輯判LOW_UD_OLT。其滿足的條件為L(zhǎng)OW_UD_OLT_REF≥(∣UDL∣/UDL_NOM)。其中LOW_UD_OLT_REF為常數(shù)0.5，UDL_NOM為常數(shù)500 kV。

3.2.2.2 建議整改措施

分析并比較常規(guī)直流工程和向上特高壓直流輸電工程的OLT試驗(yàn)條件，考慮是否可以在向上中增加UDL低電壓判據(jù)，如圖5所示。

圖5 增加UDL判據(jù)的OLT啟動(dòng)邏輯圖(部分)

3.3 保護(hù)系統(tǒng)存在的隱患

保護(hù)系統(tǒng)排查部分包括雙極保護(hù)、極保護(hù)、換流器保護(hù)、換流變保護(hù)、交流濾波器保護(hù)和非電量保護(hù)，這里僅對(duì)直流過電壓保護(hù)中存在的隱患進(jìn)行分析。

3.3.1 直流過電壓保護(hù)

直流過電壓保護(hù)通過采集極母線直流分壓器電壓量UDL、極中性線直流分壓器電壓量UDN以及電流量IDNC來判斷，UDL、UDN測(cè)量回路都通過一個(gè)接點(diǎn)分別進(jìn)入三套保護(hù)主機(jī)，電流量IDNC測(cè)量回路獨(dú)立配置。

3.3.2 奉賢站UDN測(cè)量故障未閉鎖直流過電壓保護(hù)

3.3.2.1 隱患描述

直流過電壓保護(hù)其中一個(gè)判據(jù)為UDL＞1.05UDL_NOM 且|UDL-UDN|＞1.1UDL_NOM，無UDL和IDNC測(cè)量故障延時(shí)50 s(整流站)/延時(shí)60 s(逆變站)，跳閘。但是，直流過壓保護(hù)的保護(hù)閉鎖量?jī)H參考了UDL和IDNC的變量值，未將 UDN考慮進(jìn)去，當(dāng)UDN測(cè)量故障時(shí)，可能使得|UDL-UDN|＞1.1UDL_NOM條件滿足。DCOVP_MEAS_OK的邏輯判斷如圖6所示。

圖6 DCOVP_MEAS_OK的邏輯判斷圖

3.3.2.2 建議整改措施

將UDN_MEAS_OK測(cè)量信號(hào)引入DCO/P_MEAS_OK，參與閉鎖，即UDN測(cè)量故障時(shí)閉鎖直流過電壓保護(hù)，如圖7所示。

圖7 整改后的DCOVP_MEAS_OK邏輯圖

4 結(jié)語

分析了奉賢換流站直流控制保護(hù)系統(tǒng)中測(cè)量回路、控制系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)存在的幾處典型故障隱患，發(fā)現(xiàn)測(cè)量回路中的直流分壓器、控制系統(tǒng)中的空載加壓實(shí)驗(yàn)和保護(hù)系統(tǒng)中直流過電壓保護(hù)容易存在故障隱患。為了防止這些隱患對(duì)設(shè)備和系統(tǒng)產(chǎn)生危害，對(duì)于每一個(gè)典型的隱患提出了整改建議，以保證電氣設(shè)備的質(zhì)量和控制保護(hù)策略的準(zhǔn)確，防患于未然。

[1]趙畹君.高壓直流輸電工程技術(shù)[M].北京:中國(guó)電力出版社，2002.

[2]岳麗霖，連美霞.±800奉賢換流站的結(jié)構(gòu)與功能特點(diǎn)[J].電氣技術(shù)，2011(12):113-115.

[3]梁旭明，常勇，吳巾克，等.高壓直流輸電直流分壓器內(nèi)部故障分析及反措[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2012，20(36):118-121.

[4]王明新，謝國(guó)平.高壓直流輸電開路實(shí)驗(yàn)原理的探討[J].電網(wǎng)技術(shù)，2004，22(28):11-15.