直流孤島運行方式下交流保護裝置頻率適應(yīng)性仿真研究

蔡海青 ，黃立濱 ，郭 琦 ，李書勇 ，韓偉強 ，張 勇 ，關(guān)紅兵

（1.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院，廣東 廣州 510080；2.中國南方電網(wǎng)公司仿真重點實驗室，廣東 廣州 510080；3.中國南方電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心，廣東 廣州 510623）

0 引言

隨著“兩渡”直流工程的投入運行，目前南方電網(wǎng)已形成8交8直西電東送的交直流并聯(lián)輸送通道，輸送容量達(dá)到35950 MW，其中直流占70%，主網(wǎng)直流強交流弱的特性較為突出。直流孤島運行是提高強直弱交并聯(lián)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的重要途徑［1］，在實際工程應(yīng)用中得到了推廣應(yīng)用。隨著直流孤島方式的運行，交流保護裝置在直流孤島運行方式下不適應(yīng)頻率越限的缺陷逐漸暴露出來，云廣直流調(diào)試過程中就曾出現(xiàn)直流單極閉鎖導(dǎo)致交流保護裝置誤動情況。目前，國內(nèi)外檢測直流孤島運行方式下交流控制保護裝置頻率適應(yīng)性的仿真模型和仿真平臺尚無參考，對如何試驗檢測交流控制保護裝置頻率適應(yīng)性缺乏行之有效的手段與方法。

RTDS仿真器具有能接入實際控制保護裝置來構(gòu)成閉環(huán)實時仿真系統(tǒng)的優(yōu)勢［2-4］，南方電網(wǎng)仿真實驗室對直流孤島運行方式下交流保護裝置頻率適應(yīng)性開展了 RTDS仿真試驗研究［5］。

本文首先介紹了項目的研究背景，分析了直流孤島運行下交流保護裝置存在的風(fēng)險；然后建立直流孤島運行一次系統(tǒng)RTDS模型，并接入實際的控制保護裝置，搭建閉環(huán)試驗研究系統(tǒng)；最后通過試驗檢驗了多種類型的交流控制保護裝置在直流孤島運行方式下的頻率適應(yīng)性。

1 研究背景與問題分析

1.1 研究背景

直流系統(tǒng)的輸送容量巨大，對系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性影響較大，尤其是在交直流并聯(lián)方式下，一旦出現(xiàn)直流雙極閉鎖，大量的直流功率迅速轉(zhuǎn)移到交流主通道，主網(wǎng)功率大幅擺動，導(dǎo)致電網(wǎng)功角失穩(wěn)，必須依靠有效的安穩(wěn)措施才能保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。直流孤島方式運行是防范電網(wǎng)運行安全風(fēng)險的應(yīng)對措施之一，解決了大負(fù)荷直流雙極閉鎖后主網(wǎng)出現(xiàn)的功角穩(wěn)定問題，同時提高了直流系統(tǒng)的輸送能力［6］。

直流孤島運行方式將直流系統(tǒng)與送端電網(wǎng)斷開連接，將電源直接送往負(fù)荷地區(qū)，由于輸送容量較大，直流發(fā)生閉鎖相當(dāng)于系統(tǒng)失去大電源，系統(tǒng)頻率將會出現(xiàn)較大幅度振蕩。常規(guī)的交流保護裝置要求在（50±2）Hz范圍內(nèi)滿足可靠性要求，這是國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的強制性要求，但直流孤島運行期間，異常工況下系統(tǒng)頻率可能短時超過52 Hz，此情況下交流控制保護裝置的可靠性尚未經(jīng)過嚴(yán)格驗證。

1.2 問題分析

2013年5月26日16點42分02秒，云廣直流孤島現(xiàn)場調(diào)試，直流雙極功率5000 MW運行，極1單極閉鎖，系統(tǒng)頻率在4.67 s內(nèi)從50 Hz升至55 Hz，現(xiàn)場波形如圖1所示。

圖1 云廣直流孤島運行單極閉鎖現(xiàn)場錄波Fig.1 Wave record of single-pole blocking for islanding operation of Yun-Guang HVDC

在此工況下，由于系統(tǒng)頻率越限，交流保護裝置容易拒動或誤動?！?00 kV云廣直流孤島調(diào)試中曾發(fā)生直流單極閉鎖導(dǎo)致系統(tǒng)頻率越限，交流保護裝置拒動或誤動的情況。隨著云廣孤島方式的運行，交流保護裝置不適應(yīng)直流孤島方式運行的問題逐漸暴露出來。

2 頻率適應(yīng)性原理分析

保護裝置頻率適應(yīng)性是指保護裝置跟蹤電力系統(tǒng)的頻率變化實時調(diào)整采樣頻率，保證單個周期內(nèi)采樣點數(shù)N不變，從而能夠完整獲取實際的電網(wǎng)波形，準(zhǔn)確反映當(dāng)前系統(tǒng)的狀態(tài)。

目前交流保護裝置的算法大多數(shù)是建立在采樣頻率與電力系統(tǒng)工頻頻率成正倍數(shù)的基礎(chǔ)上，即采樣頻率fs為工頻f0的整倍數(shù)N，但是電力系統(tǒng)受多種因素的影響，頻率經(jīng)常會有波動，為保證任何周期內(nèi)的電壓、電流信號都能正周期均勻分割，需要跟蹤信號頻率的變化，此時采樣頻率fs不再是恒定不變的，需要通過動態(tài)調(diào)整采樣周期Ts來保證fs/f0=N的恒定，實現(xiàn)采樣頻率與信號頻率的同步［7-11］。

綜合以上分析，交流保護裝置頻率適應(yīng)性校核，需要通過仿真器模擬系統(tǒng)非正常頻率運行工況，檢驗交流保護裝置適應(yīng)不同電網(wǎng)頻率運行情況。

3 仿真研究系統(tǒng)介紹

3.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

本研究采用南方電網(wǎng)仿真重點實驗室云廣直流試驗研究系統(tǒng)，該系統(tǒng)是由RTDS實時數(shù)字仿真器和直流實際控制保護裝置構(gòu)成的閉環(huán)實時仿真系統(tǒng)，通過接入交流實際控制保護裝置，組成孤島運行方式下交流保護裝置頻率適應(yīng)性研究系統(tǒng)，其架構(gòu)如圖2所示。

圖2 仿真系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 Architecture of simulation system

3.2 數(shù)字建模和故障點設(shè)置

3.2.1 數(shù)字建模

采用RTDS仿真器搭建一次系統(tǒng)數(shù)字仿真模型：根據(jù)發(fā)電機的等值參數(shù)，采用仿真器建模軟件模型庫中的同步發(fā)電機模型并輸入對應(yīng)參數(shù)，同時根據(jù)發(fā)電機的調(diào)速、勵磁、穩(wěn)定器參數(shù)，搭建數(shù)字模型；同理，根據(jù)其他一次設(shè)備參數(shù)，選擇對應(yīng)設(shè)備模型搭建交流系統(tǒng)數(shù)字仿真模型。根據(jù)同樣方法搭建直流系統(tǒng)模型，然后按電網(wǎng)實際拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將上述交流系統(tǒng)模型和直流系統(tǒng)模型相互連接，完成直流孤島運行下交流控制保護裝置頻率適應(yīng)性試驗一次系統(tǒng)的數(shù)字仿真建模，建模示意圖如圖3所示。

圖3 數(shù)字建模示意圖Fig.3 Schematic diagram of digital modeling

3.2.2 故障點設(shè)置

檢驗保護裝置的頻率適應(yīng)性，需同時考慮保護區(qū)外和區(qū)內(nèi)故障情況。為提高試驗效率，線路故障點作為線路保護區(qū)內(nèi)故障點和母差保護區(qū)外故障點，母線故障點作為母差保護區(qū)內(nèi)故障點和線路保護區(qū)外故障點，線路和母線故障點設(shè)置見圖4。另外根據(jù)交流濾波器和換流變保護的原理，分別設(shè)置其區(qū)內(nèi)和區(qū)外故障點見圖 5。圖中，TV1、TV2、TV3為三相電壓互感器；TA′3、TA′4、TA′6、TA′7為三相電流互感器。

圖4 云廣直流孤島系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及故障點分布示意圖Fig.4 Structure of islanded Yun-Guang HVDC system and fault point distribution

圖5 交流濾波器和換流變壓器故障點Fig.5 Fault points of AC filter and transformer

3.3 交流保護安裝點設(shè)置和接口搭建

3.3.1 交流保護安裝點設(shè)置

為全面檢驗不同類型交流保護裝置的頻率適應(yīng)性，該仿真系統(tǒng)接入了交流線路保護、母差保護、交流濾波器保護和換流變保護等15套交流保護裝置，保護安裝位置說明見表1。

表1 保護裝置安裝位置表Table 1 Allocation of protective equipments

3.3.2 接口搭建

仿真模型分直流部分和交流部分，它們與控制保護裝置的接口搭建如下：通過模擬量輸出接口板卡向?qū)嶋H控制保護裝置輸出電壓、電流模擬量，同時通過數(shù)字量輸出接口板卡經(jīng)端子式繼電器向保護裝置輸出開關(guān)位置信號，實際控制保護裝置通過數(shù)字量輸入接口板卡向?qū)崟r數(shù)字仿真器返回控制命令數(shù)字量，接口搭建示意圖如圖6所示。

4 試驗方法和項目

RTDS系統(tǒng)具有實時、閉環(huán)、連續(xù)、數(shù)字仿真的優(yōu)勢，采用RTDS開展直流孤島運行方式下交流保護裝置的頻率適應(yīng)性試驗可以對交流保護裝置的特性進行全面檢驗，另外RTDS系統(tǒng)還可以詳細(xì)地記錄各種裝置動作情況、曲線波形，能夠有效地幫助分析結(jié)果。

圖6 接口搭建示意圖Fig.6 Schematic diagram of interfacing

4.1 直流閉鎖后交流系統(tǒng)相繼故障模擬

利用該仿真系統(tǒng)模擬直流孤島閉鎖導(dǎo)致電網(wǎng)頻率越限，通過測量直流開始閉鎖至需要考核頻率越限點的時間，在RTDS數(shù)字模型中設(shè)置好直流閉鎖和交流故障的時間間隔，通過在RTDS運行界面點擊故障啟動按鈕，即可完成一次直流孤島閉鎖后交流系統(tǒng)相繼發(fā)生故障的仿真試驗。

圖7為直流閉鎖后系統(tǒng)頻率越限至63.8 Hz，交流系統(tǒng)再次發(fā)生故障，交流線路電流、電壓和系統(tǒng)頻率的仿真波形。

圖7 RTDS仿真波形Fig.7 RTDS simulative waveforms

4.2 試驗項目

試驗重點檢驗直流孤島閉鎖導(dǎo)致系統(tǒng)頻率越限工況下，交流保護裝置的頻率適應(yīng)性。通過現(xiàn)場錄波和仿真錄波的分析，試驗選取系統(tǒng)頻率為50 Hz、52 Hz、54 Hz、54.6 Hz、63.8 Hz 時交流系統(tǒng)發(fā)生故障，檢驗交流保護裝置的動作情況。試驗分為三大類：第一大類是直流系統(tǒng)正常運行、交流系統(tǒng)發(fā)生故障，檢驗交流保護裝置的工頻動作情況；第二大類是直流系統(tǒng)故障、交流系統(tǒng)無故障，檢驗交流保護裝置的響應(yīng)情況；第三大類是直流單極閉鎖后交流系統(tǒng)相繼故障，在不同越限頻率下交流保護裝置的響應(yīng)情況。各大類試驗項目包括單相/相間金屬接地故障、相間/三相短路故障、單相/相間經(jīng)過渡電阻接地故障、發(fā)展性故障、轉(zhuǎn)化性故障等，總計113小項試驗，試驗項目見表2。

表2 RTDS試驗項目表Table 2 RTDS test items

5 試驗結(jié)果分析

5.1 線路保護

5.1.1 試驗結(jié)果

系統(tǒng)頻率為 50 Hz、52 Hz、54 Hz、54.6 Hz，區(qū)內(nèi)故障時線路保護裝置正確動作，區(qū)外故障時保護裝置不動作。

系統(tǒng)頻率為63.8 Hz時，區(qū)內(nèi)故障線路保護動作，但存在線路A相故障保護三相誤動情況；區(qū)外三相短路故障時，距離保護I段誤動作。

5.1.2 問題分析

線路保護裝置距離繼電器采用正序電壓極化方式：當(dāng)正序極化電壓較高時，采用正序電壓進行極化；當(dāng)正序電壓低于10%時，保護進入三相低壓程序，采用正序電壓記憶量進行極化。

系統(tǒng)頻率為63.8 Hz時，由于系統(tǒng)頻率偏差過大造成計算的正序電壓相位變化較大，從圖8可以看出保護裝置啟動前的1個周期內(nèi)正序極化電壓相位變化達(dá)到了92°；區(qū)外三相短路故障，由于正序電壓低于10%，保護采用記憶的正序電壓進行極化，相位差異導(dǎo)致低壓距離繼電器失去方向性，從而造成反方向故障動作。

圖8 63.8 Hz故障時正序極化電壓相位Fig.8 Positive polarization voltage phase when fault occurs at 63.8 Hz

5.2 母線保護

5.2.1 試驗結(jié)果

系統(tǒng)頻率為50 Hz和63.8 Hz，母線保護裝置在區(qū)內(nèi)故障時均正確動作，區(qū)外故障均可靠不動作。

系統(tǒng)頻率為52 Hz和54.6 Hz，除兩相相間短路外母線保護裝置在區(qū)內(nèi)故障時正確動作，區(qū)外故障不動作；母線兩相相間短路故障時，保護只有一相動作，54.6 Hz時保護動作時間比50 Hz和52 Hz工況有所延長，54.6 Hz時合閘角為0°情況下母線保護裝置存在拒動情況。

5.2.2 問題分析

母線保護有變化量差動保護元件和穩(wěn)態(tài)量差動保護元件。變化量差動保護利用電流工頻變化量啟動元件自適應(yīng)地開放加權(quán)算法，變化量差動保護的工頻變化量啟動元件判據(jù)為：

其中，ΔiS為制動電流工頻變化量瞬時值；0.5iIN為固定門檻；ΔiSIT為浮動門檻，隨著變化量的輸出變化而自動調(diào)整。

變化量差動引入浮動門檻是為了在系統(tǒng)頻率發(fā)生偏移的情況下自動降低變化量差動保護的靈敏度，以提高繼電保護裝置可靠性。系統(tǒng)頻率為54.6 Hz時，較大的系統(tǒng)頻率偏移導(dǎo)致浮動門檻升高，且故障電流較小，穩(wěn)態(tài)差動電流有效值約為2 A，加權(quán)算法未滿足動作條件，變化量差動未動作。

穩(wěn)態(tài)量差動保護依據(jù)差流中諧波分量的波形特征檢測電流互感器是否發(fā)生飽和，由于保護未進行頻率跟蹤，固定以1.2 kHz的采樣頻率對54.6 Hz的電流進行采樣，從而差流計算值中含有周期性不衰減的諧波分量，導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)量差動保護中的諧波閉鎖元件未開放，從而穩(wěn)態(tài)量差動保護未動作。

5.3 換流變保護

5.3.1 試驗結(jié)果

系統(tǒng)頻率為50 Hz和54.6 Hz，區(qū)外K1點A相接地故障轉(zhuǎn)區(qū)內(nèi)K3點YD換流變網(wǎng)側(cè)A相5%閘間故障時，無論轉(zhuǎn)換時間為20 ms還是200 ms，保護裝置均拒動；54.6 Hz時區(qū)內(nèi)K3點YD換流變網(wǎng)側(cè)A相5%閘間故障和K6點YY換流變網(wǎng)側(cè)A相5%閘間故障，保護裝置拒動；其他試驗項目，保護裝置動作正確。

5.3.2 問題分析

保護裝置依據(jù)現(xiàn)場定值勵磁涌流識別方式整定為采用波形比較原理閉鎖，2次諧波制動系數(shù)整定為0.15，即2次諧波相比于基波含量大于15%時，閉鎖差動保護及增量差動保護。在進行區(qū)外單相接地轉(zhuǎn)區(qū)內(nèi)星角變繞組匝間短路故障時，盡管星角變差流大于差動最小動作定值，但2次諧波含量一直大于15%，閉鎖差動保護，因此保護裝置未能動作出口，仿真波形見圖9。

圖9 星角變仿真波形Fig.9 Simulative waveforms of star-angle transformer

5.4 交流濾波器保護

5.4.1 試驗結(jié)果

系統(tǒng)頻率為50 Hz，區(qū)內(nèi)故障時，交流濾波器正確動作，區(qū)外故障不動作；系統(tǒng)頻率大于54 Hz時，基波過流保護頻繁啟動，區(qū)內(nèi)故障時保護正確動作，但在無交流系統(tǒng)故障或區(qū)外故障時基波過流保護動作。

5.4.2 問題分析

交流濾波器過流保護采用工頻電流分量作為判據(jù)，無復(fù)壓、方向等閉鎖元件，當(dāng)系統(tǒng)頻率大于54 Hz時，電容器計算阻抗減小，同時母線電壓升高，導(dǎo)致交流濾波器電流達(dá)到過流保護定值，保護裝置誤動。

6 結(jié)論

a.建立直流孤島運行一次系統(tǒng)RTDS仿真模型，并與實際控制保護系統(tǒng)形成一個閉環(huán)仿真試驗系統(tǒng)，較為精準(zhǔn)地仿真了驗證直流孤島運行方式下交流保護裝置頻率適應(yīng)性；

b.設(shè)置多個試驗項目，在不同類型故障下檢驗多種類型交流保護裝置的頻率適應(yīng)性，通過試驗項目發(fā)現(xiàn)交流保護裝置在直流孤島頻率越限情況下存在拒動或誤動風(fēng)險；

c.試驗為交流保護裝置在直流孤島方式下的運行提供了科學(xué)依據(jù)。

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