特高壓直流在線融冰技術(shù)及其工程應(yīng)用

付廣旭 盧東斌 張 靖 薛海平 鄒 豐

特高壓直流在線融冰技術(shù)及其工程應(yīng)用

付廣旭 盧東斌 張 靖 薛海平 鄒 豐

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

雅湖直流線路跨越數(shù)個易發(fā)覆冰災(zāi)害的區(qū)域，易出現(xiàn)線路覆冰現(xiàn)象，影響直流輸電穩(wěn)定性。為解決上述問題，本文研究設(shè)計特高壓直流融冰功能。首先，分析融冰主接線隔離開關(guān)的配置情況，避免運維人員人工搭線的操作過程；其次，設(shè)計融冰隔離開關(guān)的順控及聯(lián)鎖邏輯，保障運維人員安全、快速地進行運行方式的轉(zhuǎn)換；再次，闡述融冰的基本控制策略及在線融冰技術(shù)，保證常規(guī)運行轉(zhuǎn)入融冰運行時，功率輸送不中斷；最后，介紹融冰配置的特殊功能，降低融冰運行異常對系統(tǒng)的影響。通過實時數(shù)字仿真試驗驗證了在線融冰技術(shù)的有效性，并一次性成功通過了現(xiàn)場解鎖、功率升降、閉鎖試驗。融冰功能的研究設(shè)計提高了雅湖直流線路在冰雪災(zāi)害天氣下的輸電可靠性。

直流輸電；在線融冰；控制策略；順控聯(lián)鎖；工程應(yīng)用

0 引言

2008年初，中國南方遭遇幾十年未遇的嚴(yán)重冰雪災(zāi)害，輸電線路覆冰嚴(yán)重，導(dǎo)致電網(wǎng)發(fā)生大面積解列和停電事故[1-3]。輸電線路覆冰輕則使線路弧垂增大而產(chǎn)生對地或相間放電，重則致使桿塔折斷或倒塌，嚴(yán)重威脅著電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。此次冰雪災(zāi)害導(dǎo)致電力設(shè)備損壞、電力無法有效輸送，對國家經(jīng)濟、百姓日常生活造成的影響難以準(zhǔn)確評估[4]。

雅湖直流送端起于四川雅安，受端落于江西撫州，將西部的清潔水電送至東部的負(fù)荷中心，承擔(dān)著江西省電力主動脈的重?fù)?dān)。一方面，由于其直流線路完全處于長江南岸，跨越了數(shù)個易發(fā)冰雪災(zāi)害區(qū)域；另一方面，由于冰雪災(zāi)害發(fā)生在冬季枯水期，直流輸電線路產(chǎn)生的熱量無法防止線路覆冰發(fā)生。因此，雅湖直流融冰技術(shù)的研究與應(yīng)用具有重要意義，在特殊自然災(zāi)害天氣下，可保障國家能源的穩(wěn)定供應(yīng)。

1 特高壓直流線路防覆冰技術(shù)

目前，多種多樣的交流輸電線路除冰技術(shù)方案得到全世界范圍內(nèi)的廣泛研究及應(yīng)用[5-12]，可有效防止冰雪災(zāi)害對輸電造成的嚴(yán)重影響。特高壓直流線路融冰技術(shù)的基本原理為，利用電流流過導(dǎo)線時的熱效應(yīng)來融化輸電線路上的覆冰[13]。一般地，特高壓直流工程配置阻冰及融冰兩種運行方式，防止直流線路覆冰的發(fā)生。

1）阻冰運行：利用直流兩極的功率輸送方向可以單獨設(shè)置的能力，實現(xiàn)交流系統(tǒng)零功率下的額定直流電流運行，其主要用于預(yù)防線路結(jié)冰。正常情況下，兩極功率同向傳輸。當(dāng)需要阻冰時，一極功率正向傳輸，另一極功率反向傳輸。由于換流閥導(dǎo)電的單向性，實際傳輸?shù)碾娏髟谥绷鲀蓸O之間形成回路，接地極無電流流過，所需交流系統(tǒng)的功率約為線路、換流器、換流變等一次設(shè)備的損耗。在特高壓直流工程中增加阻冰功能簡單且易于實現(xiàn)，但僅能提供額定融冰電流，無法快速消融線路覆冰。

2）融冰運行：利用直流兩極換流器可以并聯(lián)金屬回線運行的能力，實現(xiàn)直流半壓下的兩倍額定電流運行，其主要用于消融線路覆冰。通過對特高壓直流工程輸電線路的研究，融冰電流需達到8 000A以上[14]，才可以有效消除覆冰。特高壓直流設(shè)計的額定輸送電流一般為5 000A，無法提供如此高的融冰電流。因此，研發(fā)并聯(lián)換流器方式的融冰技術(shù)具有重要應(yīng)用價值。

阻冰運行實現(xiàn)簡單，但受限于兩個缺點：一是當(dāng)直流系統(tǒng)根據(jù)電力調(diào)度要求需帶負(fù)荷運行時[15]，無法投入使用；二是需在冰雪災(zāi)害發(fā)生前及期間，一直投入使用。融冰運行可以克服阻冰運行的缺點，其產(chǎn)生的線路熱量可達阻冰運行時的4倍，從而能夠快速消除線路覆冰，保證功率的持續(xù)輸送。

2 特高壓直流并聯(lián)融冰主接線

特高壓直流融冰運行選取高端換流器作為并聯(lián)換流器，主要考慮高端換流器具有更高的絕緣性能，可以承受反極性并聯(lián)時的直流半壓。選取金屬回線作為運行回路，一則可以避免流入大地電流，二則實現(xiàn)兩極直流線路同時融冰。

通過為兩端換流站配備融冰隔離開關(guān)，雅湖直流系統(tǒng)具備以順控或手控的方式，從常規(guī)運行快速轉(zhuǎn)為融冰運行的能力，可避免運維人員手動搭線操作，簡化直流隔離開關(guān)的操作工序，保證時效性和安全性。雅湖特高壓直流送端換流站并聯(lián)融冰主接線如圖1所示。

圖1中，特高壓直流送端換流站極1金屬回線的電流回路由紅虛線標(biāo)識，并聯(lián)融冰極的電流回路由藍點劃線標(biāo)識，箭頭代表電流方向。受端換流站主接線除未配置雙極中性區(qū)開關(guān)外，其他與送端換流站一致，本文不再贅述。融冰接線由融冰連線及融冰隔離開關(guān)組成，包括RB1.Q11、RB1.Q12、RB2.Q13、RB2.Q14、RB2.Q15、RB2.Q21、RB3.Q16，共7副隔離開關(guān)。

由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，若通過原隔離開關(guān)AI、CI接入融冰主回路，則電流無法流通。因此，極2高端閥組必須通過融冰隔離開關(guān)以反并聯(lián)的方式進行電氣連接。

特高壓直流融冰運行可以理解為，極1高端閥組金屬回線方式運行，極2高端閥組通過融冰接線與極1高端閥組并聯(lián)運行。因此，極1直流線路電流是極1高端換流器電流與融冰連線（RB2.Q14）電流之和，極2線路電流由極1金屬回線和融冰連線（RB3.Q16）分流，分流比例由兩極控制的電流指令決定。

3 特高壓直流融冰順控與聯(lián)鎖設(shè)計

順控功能可以避免手動操作的繁瑣步驟和人工搭線的設(shè)備及人員安全風(fēng)險，但需配備完善的聯(lián)鎖功能，防止運行人員誤操作帶來的設(shè)備損壞、直流閉鎖等嚴(yán)重后果，確保所有隔離開關(guān)、斷路器都在設(shè)備安全的前提下進行操作。

3.1 融冰順控功能

特高壓直流融冰運行對主接線的要求見表1。

基于上述融冰主接線分區(qū)，可增設(shè)融冰連接、融冰隔離順控功能。為減少運維人員操作步驟，順控功能將極區(qū)和閥區(qū)的操作步驟整合，融冰連接及隔離開關(guān)位置見表2。

表1 融冰主接線分區(qū)接線要求

表2在分區(qū)的基礎(chǔ)上，確定了各區(qū)在融冰連接及隔離方式下的隔離開關(guān)位置狀態(tài)。實際上，順控不僅需要考慮隔離開關(guān)的位置狀態(tài)，還需要考慮隔離開關(guān)的操作順序，融冰連接及隔離順控操作順序如圖2所示。

1）融冰連接順序為：首先，合閥區(qū)的融冰隔離開關(guān)RB1.Q11和RB1.Q12；其次，分極區(qū)融冰接地開關(guān)RB2.Q21、融冰隔離開關(guān)RB2.Q15；再次，合中性區(qū)融冰隔離開關(guān)RB3.Q16、中性線斷路器P2.WN.Q1、極區(qū)融冰隔離開關(guān)RB2.Q13與RB2.Q14；最后，合金屬支路隔離開關(guān)P1.WP.Q18。實際上，融冰順控同時設(shè)計了分P2.WP.Q12隔離開關(guān)的操作，防止極2形成環(huán)路而影響極1的正常運行。

表2 融冰連接及隔離開關(guān)位置

圖2 融冰連接及隔離順控操作順序

上述順序與常規(guī)極連接順序一致。首先確保閥組反極性連接，再保證極中性線區(qū)域連接，最后進行極線區(qū)域連接。

2）融冰隔離順序為：首先，分金屬支路隔離開關(guān)P1.WP.Q18；其次，分極區(qū)融冰隔離開關(guān)RB2.Q13與RB2.Q14、中性線斷路器P2.WN.Q1、中性區(qū)融冰隔離開關(guān)RB3.Q16；再次，合融冰接地開關(guān)RB2.Q21和融冰隔離開關(guān)RB2.Q15；最后，分閥區(qū)的融冰隔離開關(guān)RB1.Q11和RB1.Q12。實際上，融冰順控同時設(shè)計了合P2.WP.Q12隔離開關(guān)的操作，確保在極2高端閥組已隔離的情況下，分閥區(qū)融冰隔離開關(guān)。

上述順序與常規(guī)極隔離順序一致。首先確保極線區(qū)域隔離，再保證極中性線區(qū)域隔離，最后進行閥組隔離。

融冰順控同大地回線、金屬回線順控一樣，設(shè)計了兩站協(xié)調(diào)功能，即由主控站發(fā)出，從控站配合，同時進行融冰連接或隔離操作。

3.2 融冰聯(lián)鎖設(shè)計

融冰隔離開關(guān)設(shè)計的基本原則為：在融冰模式下，可以進行融冰隔離開關(guān)的分合操作；在常規(guī)模式下，僅可進行退融冰接線的單向操作。這樣設(shè)計既滿足對隔離開關(guān)的靈活操作需求，又可防止出現(xiàn)非必要的誤操作，融冰隔離開關(guān)的分、合閘聯(lián)鎖設(shè)計分別見表3、表4。

WP.Q18隔離開關(guān)為常規(guī)金屬回線運行使用的隔離開關(guān)，該隔離開關(guān)的聯(lián)鎖設(shè)計既要考慮常規(guī)運行下的聯(lián)鎖，又要考慮融冰運行下的聯(lián)鎖，設(shè)計極其復(fù)雜。由于兩極融冰隔離開關(guān)的不對稱性，P1.WP.Q18和P2.WP.Q18的聯(lián)鎖不一致，需分別設(shè)計聯(lián)鎖邏輯，由于篇幅限制，本文不再贅述。

融冰模式的投入與退出進行聯(lián)鎖設(shè)計，僅在特定的工況條件下，才可以投退融冰模式。融冰模式投入退出聯(lián)鎖設(shè)計見表5。

表3 融冰隔離開關(guān)分閘聯(lián)鎖設(shè)計

表4 融冰隔離開關(guān)合閘聯(lián)鎖設(shè)計

表5 融冰模式投入退出聯(lián)鎖設(shè)計

上述完善后的融冰順控聯(lián)鎖設(shè)計，可保障運維人員在任何工況下，安全靈活地操作各隔離開關(guān)，為直流運行及檢修提供了十分便利的條件。

4 特高壓直流在線融冰技術(shù)

4.1 融冰的基本控制策略

常規(guī)特高壓直流采用高低端閥組串聯(lián)運行，而融冰模式采用兩極高端閥組并聯(lián)運行。已投入的具備融冰功能的酒湖直流工程，融冰運行的控制策略為：整流站極1高端換流器控制電壓，整流站極1低端及逆變站極1、極2高端換流器控制電流[16]。本文采用一種新的控制策略，整流站極1、極2高端及逆變站極2高端換流器控制電流，逆變站極1高端換流器控制電壓。

該控制策略具有以下優(yōu)勢：極1控制模式與常規(guī)運行方式一致，無需切換；極2僅需將逆變站由電壓控制模式切換為電流控制模式。逆變站極1高端換流器處于定電壓控制，可確保直流四換流器運行時的電壓穩(wěn)定；極2高端換流器處于定電流控制，可確保兩極間電流的解耦控制，為直流在線融冰的實現(xiàn)提供技術(shù)基礎(chǔ)。

4.2 在線融冰技術(shù)

為實現(xiàn)直流系統(tǒng)在常規(guī)運行和融冰運行之間不停運轉(zhuǎn)換，設(shè)計直流在線融冰功能。在線融冰的特點是：極1處于常規(guī)運行狀態(tài)，極2直接轉(zhuǎn)入融冰運行。在線融冰的實現(xiàn)主要依賴融冰隔離開關(guān)的配備，具備自動將極2高端換流器反并聯(lián)于極1高端換流器的能力。再結(jié)合本文所述控制策略，使并聯(lián)融冰極2與極1可以解耦控制，即可以獨立解閉鎖而不影響極1的正常運行。

實際上，極2的常規(guī)閉鎖控制策略會對極1的正常運行造成影響，需重新設(shè)計極2的閉鎖控制策略。在正常停運或保護閉鎖時，禁止觸發(fā)角90°、投旁通對操作，避免極2閉鎖時將直流電壓控制為零，對極1的功率造成擾動。該閉鎖邏輯的啟動條件是：融冰模式下，極1處于運行，極2產(chǎn)生停運或閉鎖信號。

由于逆變側(cè)投旁通對功能被禁止，極2無法通過常規(guī)的投旁通對方式進行閉鎖，需增設(shè)不投旁通對閉鎖邏輯，實現(xiàn)換流器的閉鎖。正常停運時，逆變側(cè)先執(zhí)行觸發(fā)角90°，延遲200ms閉鎖，由于觸發(fā)角90°功能已被禁止，可縮短延遲閉鎖時間，快速退出并聯(lián)融冰極。

典型的在線投入融冰運行操作流程如下：首先，操作極2停運，極1轉(zhuǎn)為金屬回線運行；其次，操作極1退出低端換流器，僅高端換流器運行；再次，操作極2極隔離，低端閥組隔離，高端閥組隔離開關(guān)處于分位，待兩站均處于上述狀態(tài)后，投入融冰模式；最后，操作極2融冰連接、解鎖并逐步提升運行電流至目標(biāo)值。

典型的在線退出融冰運行操作流程如下：首先，操作極2停運；其次，操作極2融冰隔離，待兩站均處于上述狀態(tài)后，退出融冰模式；最后，操作極1轉(zhuǎn)為大地回線運行，極2進入大地回線、解鎖并逐步提升運行電流至目標(biāo)值。

在線融冰技術(shù)極大地方便了直流運行方式的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)了大地回線、金屬回線與融冰運行之間的不停運轉(zhuǎn)換。即使在自然災(zāi)害情況下，直流系統(tǒng)仍能保證功率不間斷輸送。

5 融冰特殊功能設(shè)計

除相關(guān)常規(guī)控制保護功能外，融冰還需要考慮特殊工況的保護功能設(shè)計。

5.1 融冰單極閉鎖聯(lián)跳功能

為實現(xiàn)融冰，極1處于高端換流器金屬回線運行，極2將高端換流器反并聯(lián)于極1運行。當(dāng)極1發(fā)生故障閉鎖或正常停運時，極2的兩換流器處于電流控制，無法穩(wěn)定運行，需設(shè)計單極閉鎖聯(lián)跳功能。當(dāng)極2發(fā)生故障閉鎖或正常停運時，極1可以繼續(xù)運行于金屬回線方式，無需配備聯(lián)跳功能，可由運行人員手動閉鎖。

5.2 融冰大角度監(jiān)視跳閘功能

大角度監(jiān)視跳閘功能設(shè)計的目的為：防止極2逆變側(cè)解鎖時，由于極1直流電壓偏置問題，導(dǎo)致極2換流器換相異常，逆變側(cè)的觸發(fā)角不斷向下調(diào)節(jié)，直至限制值110°，長期運行于該角度下，將對換流閥的避雷器等設(shè)備造成過電壓損壞。工程上，可以設(shè)置觸發(fā)角小于142°，延遲100ms跳閘。

5.3 融冰極隔離功能

融冰故障跳閘時，除閉鎖、跳斷路器等常規(guī)操作之外，設(shè)計融冰極隔離功能。通過類比常規(guī)極隔離，將P1.WP.Q18、RB2.Q14、RB2.Q13、RB3.Q16全部處于分位定義為融冰極隔離。在并聯(lián)融冰極跳閘時，進行融冰隔離操作將故障隔離，其斷路器、隔離開關(guān)操作順序類比于常規(guī)極隔離。

6 融冰試驗及工程應(yīng)用

出于設(shè)備安全性考慮，成套設(shè)計建議融冰電流的優(yōu)選值為8 000A，送端電壓為400kV，則融冰總功率為3 200MW，即融冰運行時仍能傳輸0.4p.u.的總功率。

6.1 在線融冰技術(shù)仿真試驗

為了驗證本文所設(shè)計的在線融冰功能，在RTDS實時仿真平臺進行在線融冰試驗。極1高端換流器以4 000A運行在單極金屬回線方式下，極2高端換流器反并聯(lián)于極1高端換流器，并以500A解鎖、閉鎖，并聯(lián)融冰極在線投入及退出波形如圖3～圖10所示，其中DL為極線電壓，DN為中性線電壓，DNC為中性線靠近換流器電流，為觸發(fā)角。

圖3 并聯(lián)融冰極在線投入-送端極1波形

圖4 并聯(lián)融冰極在線投入-受端極1波形

由圖3～圖10可知，融冰在線投退過程為：極1在4 000A運行時，并聯(lián)融冰極以500A解閉鎖，系統(tǒng)短暫擾動后，恢復(fù)平穩(wěn)運行，實現(xiàn)了常規(guī)運行與融冰運行之間的不停運轉(zhuǎn)換。

6.2 工程現(xiàn)場調(diào)試試驗

為進一步驗證融冰功能的可靠性，雅湖直流現(xiàn)場進行常規(guī)融冰解閉鎖及功率升降試驗，相關(guān)試驗一次性成功通過驗收，兩站并聯(lián)融冰極解鎖波形如圖11～圖14所示。

圖5 并聯(lián)融冰極在線投入-送端極2波形

圖6 并聯(lián)融冰極在線投入-受端極2波形

圖7 并聯(lián)融冰極在線退出-送端極1波形

圖8 并聯(lián)融冰極在線退出-受端極1波形

圖9 并聯(lián)融冰極在線退出-送端極2波形

圖10 并聯(lián)融冰極在線退出-受端極2波形

圖11 并聯(lián)融冰極解鎖-雅礱江站極1波形

圖12 并聯(lián)融冰極解鎖-鄱陽湖站極1波形

圖13 并聯(lián)融冰極解鎖-雅礱江站極2波形

圖14 并聯(lián)融冰極解鎖-鄱陽湖站極2波形

由圖11～圖14可知，并聯(lián)融冰極解鎖電流迅速升至目標(biāo)電流值500A，系統(tǒng)短暫擾動后恢復(fù)平穩(wěn)運行，無任何保護動作及報警，表明雅湖直流系統(tǒng)具備實際應(yīng)用融冰技術(shù)的條件。

7 結(jié)論

直流阻冰模式運行，可在零交換功率下，防止線路覆冰；但若線路已覆冰或需保持功率有效輸送，則需采取融冰模式運行。

采用并聯(lián)單換流器的融冰主接線，可實現(xiàn)直流半壓下兩倍額定電流運行，快速消融線路覆冰；融冰隔離開關(guān)及其順控聯(lián)鎖功能的設(shè)計，使直流系統(tǒng)具備融冰與常規(guī)運行模式的自動安全轉(zhuǎn)換能力；在線融冰技術(shù)的應(yīng)用，可保證直流進入或退出融冰運行時，不中斷直流功率的輸送；融冰特殊功能的配置，可保障直流故障時，減小對系統(tǒng)的影響。上述融冰功能的設(shè)計與開發(fā)，使雅湖直流系統(tǒng)具備融冰運行的全面控制保護技術(shù)。

為了驗證直流融冰性能，在RTDS實時仿真平臺進行了系列試驗，驗證了在線融冰技術(shù)的優(yōu)越性；同時，工程現(xiàn)場進行了融冰解閉鎖、功率升降試驗，驗證了融冰功能的可靠性。直流在線融冰技術(shù)的應(yīng)用使雅湖直流系統(tǒng)在極端冰雪災(zāi)害天氣下仍具備連續(xù)輸電能力，對受端省份保供電意義重大。

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Online ice melting technology for ultra high voltage direct current system and its engineering application

FU Guangxu LU Dongbin ZHANG Jing XUE Haiping ZOU Feng

(NR Electric Co., Ltd, Nanjing 211102)

The Yahu DC line spans several areas prone to icing disasters, which can easily lead to line icing and affect the stability of DC transmission. In order to solve these issues, the ultra-high voltage direct current ice melting function has been studied and designed. Firstly, a systematic analysis is conducted on the configuration of the isolation switch for the main wiring of the ice melting system, to avoid manual wiring operations by operation and maintenance personnel. Secondly, the sequence control and interlocking logic of the ice melting isolation switch is designed to ensure the safety and fast operation mode switching for the operation and maintenance personnel. Once again, the basic control strategy of ice melting and online ice melting technology are introduced to ensure uninterrupted power transmission when transitioning from conventional operation to ice melting operation. Finally, the special functions for ice melting configuration are produced to reduce the impact of abnormal ice melting operation on the system. The effectiveness of online ice melting technology are verified through real-time digital simulation experiments, and it successfully passes on-site deblocking, power lifting, and blocking tests one time. The research and design of ice melting function can improve the transmission reliability of Yahu DC line in ice and snow disaster weather.

DC transmission; online ice melting; control strategy; sequence interlocking; engineering application

2023-12-24

2024-01-31

付廣旭（1987—），男，吉林蛟河人，碩士，工程師，主要從事特高壓直流輸電控制保護技術(shù)研發(fā)工作。