±500kV葛南與荊滬同塔雙回直流系統(tǒng)特性仿真研究

劉臣賓，盧 宇，邵震霞，李 林，柏傳軍，劉海彬

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211100）

相對(duì)于傳統(tǒng)的單回架設(shè)直流輸電線路，采用雙回直流輸電線路同桿并架技術(shù)，可以有效節(jié)約線路走廊資源、提高通道輸送能力、降低建設(shè)成本[1]。由于同塔架設(shè)的雙回直流共4個(gè)極導(dǎo)線之間存在著靜電耦合及電磁耦合，因此會(huì)產(chǎn)生一定的相互影響，反過來也有可能影響各回直流本身的特性。然而，相對(duì)于應(yīng)用廣泛、研究深入的交流同桿并架技術(shù)[2，3]，目前關(guān)注于直流同塔雙回架設(shè)方式的研究還比較少[4]。

±500kV荊滬直流輸電系統(tǒng)和技改后的±500kV葛南直流輸電系統(tǒng)將是國(guó)內(nèi)首個(gè)采用同塔雙回模式的直流輸電工程，同塔雙回架設(shè)的直流輸電線路全長(zhǎng)共907 km。本文以此實(shí)際的同塔雙回直流輸電工程為仿真對(duì)象，使用實(shí)時(shí)仿真工具RTDS與實(shí)際直流控制保護(hù)系統(tǒng)構(gòu)造的閉環(huán)仿真系統(tǒng)，對(duì)±500kV同塔雙回直流系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的仿真研究。仿真研究的目的在于弄清同塔雙回直流系統(tǒng)的主要特性，以仿真結(jié)論指導(dǎo)直流控制保護(hù)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)與參數(shù)整定。

1 仿真系統(tǒng)與建模

1.1 仿真系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

仿真系統(tǒng)采用基于電磁暫態(tài)數(shù)字仿真原理的RTDS仿真器模擬直流輸電系統(tǒng)一次設(shè)備；直流控制保護(hù)系統(tǒng)則采用南瑞繼保直流控制保護(hù)設(shè)備。實(shí)際外部控制保護(hù)系統(tǒng)與RTDS數(shù)字仿真器共同構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)的仿真系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與連接方式見圖1。RTDS與外部控制保護(hù)系統(tǒng)之間的接口信號(hào)包括脈沖輸入量、模擬輸出量、數(shù)字輸入量和輸出量[5]。

1.2 實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)建模

±500kV葛南與荊滬同塔雙回直流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

同塔架設(shè)的兩回直流線路的排列方式：同一回直流系統(tǒng)的正負(fù)兩極導(dǎo)線布置在桿塔的同一側(cè)，極性分別采取上負(fù)下正和上正下負(fù)。

2 同塔雙回直流輸電系統(tǒng)仿真研究

對(duì)于同塔架設(shè)的雙回直流系統(tǒng)，兩回線路之間存在著靜電耦合及電磁耦合。在穩(wěn)態(tài)工況下，兩回直流間相互影響甚微，因此研究的重點(diǎn)放在直流啟動(dòng)、停運(yùn)、指令擾動(dòng)以及交直流故障等情況下，考察同塔架設(shè)的雙回直流系統(tǒng)間的相互影響以及這種架線方式對(duì)直流系統(tǒng)自身特性的影響。

2.1 直流正常啟動(dòng)/停運(yùn)

仿真研究了一回直流穩(wěn)態(tài)運(yùn)行、另一回直流正常雙極啟動(dòng)以及雙極停運(yùn)的各種情況。系列仿真結(jié)果表明：一回直流系統(tǒng)的正常啟動(dòng)和停運(yùn)過程對(duì)同塔雙回架設(shè)的另一回直流系統(tǒng)產(chǎn)生的擾動(dòng)非常微小，可以忽略不計(jì)。

2.2 電流/功率階躍

在同塔雙回研究中，用階躍響應(yīng)試驗(yàn)來定量的評(píng)估實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)由于系統(tǒng)擾動(dòng)導(dǎo)致一回直流電流/功率擾動(dòng)后對(duì)另一回直流中產(chǎn)生的影響情況。

仿真研究分別對(duì)荊滬、葛南直流正極、負(fù)極進(jìn)行了電流階躍和功率階躍試驗(yàn)，觀察了同塔雙回架設(shè)的各非擾動(dòng)極在階躍過程中的響應(yīng)特性。此外，本項(xiàng)仿真研究還對(duì)比了同塔架設(shè)方式與單回架設(shè)方式下直流系統(tǒng)階躍響應(yīng)的差異。

系列仿真結(jié)果表明：

（1）當(dāng)同塔雙回直流系統(tǒng)中的其中一極由于某種擾動(dòng)發(fā)生電流/功率躍變時(shí)，會(huì)對(duì)同塔架設(shè)的另一極以及另一回直流產(chǎn)生一定的擾動(dòng)，且對(duì)另一回直流擾動(dòng)大小與對(duì)本回另一極的擾動(dòng)大小相當(dāng)。

（2）經(jīng)過同塔雙回改造后的直流系統(tǒng)，如果直流線路等值電阻值不變，控制系統(tǒng)的階躍特性保持與改造前單回架設(shè)時(shí)基本一致。

2.3 直流緊急停運(yùn)

由于從額定直流功率直接緊急停運(yùn)對(duì)系統(tǒng)擾動(dòng)最大，仿真研究以此為對(duì)象，詳細(xì)仿真了荊滬和葛南直流正極、負(fù)極以及雙極緊急停運(yùn)過程。

系列仿真結(jié)果表明：

（1）當(dāng)同塔雙回直流系統(tǒng)中的一回或一極緊急閉鎖時(shí)，會(huì)對(duì)同塔架設(shè)的另一回直流產(chǎn)生一定的擾動(dòng)。閉鎖前系統(tǒng)輸送功率越大，擾動(dòng)越大。

（2）單極閉鎖時(shí)，閉鎖極對(duì)另一回直流雙極的擾動(dòng)大小與對(duì)本回另一極的擾動(dòng)大小相當(dāng)。

（3）如果雙極同時(shí)緊急停運(yùn)，由于同時(shí)刻閉鎖的正負(fù)極在另一回直流系統(tǒng)中的擾動(dòng)存在反向的疊加效應(yīng)，因此雙極緊急停運(yùn)對(duì)另一回的擾動(dòng)不會(huì)大于單極緊急停運(yùn)對(duì)另一回的擾動(dòng)。

（4）由于正向的疊加效應(yīng)，同塔架設(shè)的4個(gè)極中，同極性的2個(gè)極同時(shí)緊急停運(yùn)對(duì)另2個(gè)健全極的影響最甚。

2.4 與直流系統(tǒng)相連的交流系統(tǒng)故障

研究時(shí)分別對(duì)整流站和逆變站的交流母線單相、兩相和三相接地故障進(jìn)行了詳細(xì)的仿真，重點(diǎn)比較了同塔雙回架設(shè)與獨(dú)立架設(shè)2種方式下，直流系統(tǒng)在故障恢復(fù)特性方面的異同。

系列仿真結(jié)果表明，在同等系統(tǒng)條件下，采用同塔雙回架設(shè)方式與采用獨(dú)立架設(shè)方式的直流系統(tǒng)在交流系統(tǒng)故障后的恢復(fù)特性基本一致，即同塔架設(shè)方式對(duì)直流系統(tǒng)在交流系統(tǒng)故障后的恢復(fù)特性沒有明顯的影響。

2.5 直流系統(tǒng)100 Hz保護(hù)

在交流系統(tǒng)發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)，直流電流中會(huì)出現(xiàn)100 Hz分量。直流系統(tǒng)配置100 Hz保護(hù)來作為交流系統(tǒng)的后備保護(hù)[6]。

仿真研究以交流側(cè)單相接地故障為典型故障，首先研究了整流側(cè)和逆變側(cè)分別發(fā)生500 ms單相接地故障時(shí)，采用同塔架設(shè)和獨(dú)立架設(shè)方式對(duì)故障系統(tǒng)100 Hz分量的影響。在額定功率下，荊滬直流整流站交流母線發(fā)生500 ms單相金屬性接地故障時(shí)，同塔架設(shè)與獨(dú)立架設(shè)方式，單極直流電流100 Hz分量的對(duì)比如圖3所示。

仿真結(jié)果表明：對(duì)于故障回直流的100 Hz分量，同塔架設(shè)與獨(dú)立架設(shè)方式?jīng)]有明顯區(qū)別，因此在整定同塔雙回直流系統(tǒng)的保護(hù)定值時(shí)完全可以參照常規(guī)直流的原則。

仿真結(jié)果還表明：

（1）同塔雙回架設(shè)的兩回直流線路間感應(yīng)的100 Hz分量水平均小于目前工程設(shè)定的100 Hz保護(hù)的定值，即該100 Hz保護(hù)的定值可以躲過同塔架設(shè)方式帶來的感應(yīng)分量。

（2）同塔雙回的4個(gè)換流站中任意1個(gè)發(fā)生交流系統(tǒng)故障，非故障回直流中的100 Hz分量等于純感應(yīng)分量與自身100 Hz分量的之和。這是由于同塔雙回架設(shè)的2個(gè)換流站距離較近，并且存在比較緊密的交流系統(tǒng)聯(lián)系，因此發(fā)生在同一區(qū)域內(nèi)另一換流站的交流故障同樣會(huì)導(dǎo)致本換流母線電壓的畸變，從而在直流系統(tǒng)中產(chǎn)生100 Hz分量。

2.6 直流系統(tǒng)50 Hz保護(hù)

當(dāng)換流閥發(fā)生丟失脈沖等觸發(fā)異常的故障時(shí)，直流電流中會(huì)產(chǎn)生較大的50 Hz電流分量，并且直流線路對(duì)該分量具有放大作用。顯然，這種交變的基頻分量會(huì)通過同塔架設(shè)的直流線路相互感應(yīng)，從而影響非故障回直流。本文詳細(xì)仿真研究了整流和逆變側(cè)丟脈沖故障時(shí)，同塔架設(shè)的各極直流線路上的50 Hz分量的特性，并比照了同塔架設(shè)與獨(dú)立架設(shè)方式對(duì)50 Hz保護(hù)的影響。荊滬直流整流側(cè)極1的Y橋6號(hào)閥丟脈沖500 ms故障時(shí)，同塔雙回與常規(guī)單回架設(shè)方式下，極1直流電流中50 Hz分量的波形對(duì)比如圖4所示。

仿真結(jié)果表明：

（1）同塔雙回架設(shè)方式會(huì)助增直流線路對(duì)50 Hz分量的放大效應(yīng)。因此對(duì)于50 Hz保護(hù)考慮兩側(cè)切換定值的配合。在較大50 Hz電流情況下切換段動(dòng)作時(shí)間可以加長(zhǎng)，同時(shí)50 Hz保護(hù)不建議采用反時(shí)限方式實(shí)現(xiàn)。

（2）故障極50 Hz分量在同塔雙回架設(shè)的其他3個(gè)極中感應(yīng)的大小基本相當(dāng)。同塔雙回直流系統(tǒng)的50 Hz保護(hù)定值的動(dòng)作門檻的整定時(shí)完全可以參照常規(guī)直流的原則。

2.7 直流線路故障

直流線路行波保護(hù)和電壓突變量保護(hù)是直流線路故障的主保護(hù)，主要依靠檢測(cè)直流電壓變化率dU/dt和直流電壓。仿真研究重點(diǎn)考察了同塔雙回架設(shè)方式在直流線路故障時(shí)的對(duì)電壓變化率dU/dt的影響情況。荊滬直流極1線路中點(diǎn)處發(fā)生800 ms金屬性接地故障時(shí)，同塔架設(shè)與獨(dú)立架設(shè)方式，故障極直流電壓變化率dU/dt波形對(duì)比如圖5所示。

仿真結(jié)果表明：同塔雙回直流線路單極接地故障的特性與常規(guī)單極架設(shè)方式基本一致，因此，直流線路保護(hù)可以參考常規(guī)直流系統(tǒng)來配置和整定。

2.8 直流碰線故障

圖5 直流電壓變化率dU/dt波形對(duì)比

對(duì)于同塔雙回架設(shè)的直流系統(tǒng)，兩回直流輸電線路的正負(fù)極分別布置在桿塔的兩側(cè)，從而就存在正負(fù)極碰線的可能性，這是需要研究的特殊情況。荊滬直流極1與極2線路碰線800 ms時(shí)兩極中直流電壓、電流和功率的波形如圖6所示。故障時(shí)兩極功率同時(shí)失去，保護(hù)2次重啟線路不成功后第3次降壓重啟。

圖6 直流電壓及電流和功率的波形

系列仿真結(jié)果表明：常規(guī)直流線路保護(hù)能保護(hù)同塔雙回直流碰線故障情況。但是，相比與單極線路故障，直流碰線故障可能引起一回直流雙極功率同時(shí)失去，從而增加該回直流換流站交流過電壓的嚴(yán)重程度。

實(shí)際上，直流碰線故障又分為兩極碰線和兩極接地2種情況。對(duì)這2種故障的仿真結(jié)果表明：兩者的暫態(tài)過程相同，故現(xiàn)工程配置的保護(hù)無法將兩者區(qū)分開，但能正確保護(hù)。

與常規(guī)獨(dú)立架設(shè)的直流系統(tǒng)不同，當(dāng)遇到雷擊時(shí)，同塔架設(shè)的同極性極可能同時(shí)故障，這是同塔雙回直流系統(tǒng)直流線路的另一種特殊故障。仿真研究了同塔雙回直流同極性的兩極碰線以及同時(shí)接地故障的情況，結(jié)果表明：

（1）2個(gè)同極性直流極的電壓大小相差不大，在發(fā)生碰線故障時(shí)電壓變化較小，由于故障點(diǎn)有電流流過，電流將在兩回直流間重新分布，但是兩站的和電流保持不變，整體功率基本不變，故障必須依靠直流線路縱差保護(hù)動(dòng)作后切除。

（2）兩回直流同極性極同時(shí)發(fā)生接地故障與單回直流發(fā)生接地故障的系統(tǒng)響應(yīng)相同，故每回直流將通過直流線路保護(hù)重啟來消除故障。

3 結(jié)束語

采用實(shí)際控制保護(hù)系統(tǒng)與實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器RTDS搭建了閉環(huán)的仿真系統(tǒng)，模擬了±500kV葛南直流和±500kV荊滬直流同塔雙回直流輸電系統(tǒng)。通過大量仿真試驗(yàn)研究，最終確定同塔雙回直流系統(tǒng)在暫態(tài)過程中的相互影響有以下主要特征：

（1）一回直流的某一極發(fā)生擾動(dòng)或故障，對(duì)另一回直流兩個(gè)極的擾動(dòng)大小與其對(duì)本回另一極的擾動(dòng)大小相當(dāng)。

（2）擾動(dòng)極或故障極的響應(yīng)特性由擾動(dòng)與故障本身決定，不受同塔雙回架設(shè)方式的影響。

（3）交、直流故障時(shí)，同塔雙回線路間的相互影響不會(huì)導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)作。

（4）同回直流正負(fù)極碰線、兩回直流同極性直流極碰線2種特殊故障均可通過已有的直流線路故障來保護(hù)。

基于全部仿真分析結(jié)果，在同塔雙回直流控制保護(hù)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)與參數(shù)整定時(shí)有如下依據(jù)：

（1）在線路參數(shù)相同的前提下，同塔雙回直流控制系統(tǒng)參數(shù)可以參照常規(guī)直流來設(shè)定，其系統(tǒng)的響應(yīng)特性和故障后的恢復(fù)特性均能夠滿足技術(shù)上的要求。

（2）常規(guī)直流的保護(hù)配置和保護(hù)原理能夠滿足同塔雙回直流的安全性要求。主要通過合理策略避免雙回直流發(fā)生碰線故障時(shí)同時(shí)閉鎖。

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