換流變保護改造分析及試驗技術研究

張佳敏 ，蔣 琛 ，李 鵬 ，袁宇波 ，張 劍

(1.江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇南京211103；2.江蘇方天電力技術有限公司，江蘇南京211102)

高壓直流輸電由于其技術和經濟上的獨特優勢，在我國遠距離大容量輸電和大區聯網中得到廣泛應用。高壓直流輸電的可靠性在一定程度上決定了區域電網的穩定性，作為直流換流站的主要設備，換流變壓器的可靠運行尤為重要，換流變保護應保證換流變壓器的可靠運行[1]。早期投運的部分換流站將換流變保護集成在直流控制保護系統中，實行雙重化配置，兩套保護同時運行，任何一套保護動作均可出口。2003年以來，多個換流站由于換流變電量、非電量保護單一接點或元件故障導致直流閉鎖，因此換流變保護單系統直接出口是高壓直流輸電穩定運行的重大隱患。如政平換流站直流控保系統采用了ABB的MACH2（Modular Advanced Control HVDC and SVC 2ndedition）系統，換流變保護集成在MACH2系統中，兩套換流變保護分別在極控制保護PCPA和PCPB中配置，其主保護均沒有采用切換邏輯，任一套保護動作均可出口。這種配置方式保證了換流變保護的靈敏性，同時也增加了保護不正確動作的概率[2-8]。

針對此項隱患，政平換流站在2012年大修期間對換流變保護電量、非電量保護進行了改造，將換流變保護從直流控保系統中獨立出來，每極增加兩套獨立的換流變電量保護裝置（CTP）和一套非電量保護裝置（NEP）。其中，電量保護采用與常規交流保護相同的“啟動+動作”邏輯，非電量保護采用“三取二”邏輯。對應于此次保護的改造方式，保護調試工作相應的分為2個部分：換流變電量、非電量保護裝置測試；直流控保系統與換流變保護相關部分的軟件修改。

1 換流變保護改造方式

換流變保護改造是對保護功能的實現方式進行改造，將原先集成在直流控制保護系統中換流變保護獨立為與常規變壓器保護相類似的換流變電量和非電量保護裝置。因此，有必要對換流變保護改造前后的保護實現方式進行比較，并對直流控制保護系統中與換流變保護相關的軟件修改內容及方式進行分析研究。

1.1 換流變電量保護改造前后保護實現方式

政平換流站原換流變保護按雙套配置，分別集成在直流控制保護系統PCPA與PCPB主機中，其功能由ABB公司的圖形化可編程軟件Hidraw實現。通過Hidraw軟件查看政平站PCP中保護邏輯，可知每極的兩套換流變保護功能配置相同，差動保護為換流變的主保護，其余為后備保護。改造前換流變電量保護集成在直流控保系統PCPA和PCPB中，其中一套系統為“active”，另一套為“standby”，兩套控保系統任意一套檢測到換流變保護動作即出口。跳閘信號、控制信號和啟動失靈信號均由PCP發出，其信號流圖如圖1所示。

圖1 改造前換流變保護信號流圖

改造后換流變電量保護為CTPA和CTPB雙套配置，任意一套動作即出口，與改造前相比其判斷邏輯中增加了啟動條件，只有啟動元件和動作元件均動作，保護才會出口。Y，Z閉鎖和控制系統切換等控制命令通過直流場終端裝置（DFT）發送到PCP，由PCP執行控制命令。其系統結構如圖2所示。改造后，換流變電量保護具備除換流變中性點偏移保護的所有保護功能，換流變中性點偏移保護保留在PCP中。

1.2 換流變非電量保護改造前后保護實現方式

圖2 改造后換流變保護信號流圖

非電量保護保護功能沒有變化，只是將原來的單一接點出口改造為利用3付接點進行“三取二”邏輯判斷后再出口，原換流變和平波電抗器本體相關單接點繼電器均更換為有3付接點的繼電器。改造前非電量保護信號流圖如圖3所示。

圖3 改造前非電量保護信號流圖

由圖3可見，每個換流變的非電量繼電器有兩付接點，分別送到PCPA和PCPB中，由于部分重要的繼電器動作后不需要切換直接出口，假如非電量的1付接點誤動作，就會導致PCP直接出口閉鎖極。因此，政平站將換流變非電量繼電器換成3付接點的繼電器，同時在TCI和PCP之間增加1臺非電量的 “三取二”邏輯判斷系統NEP，最終實現2付接點動作才出口，很好地避免了單一接點誤動導致直流閉鎖的風險。改造后的換流變非電量保護信號流圖如圖4所示 （以重瓦斯為例）。

圖4 換流變非電量保護改造后信號流圖

1.3 換流變保護改造軟件修改方案

換流變保護改造除了增加獨立裝置外，還有原極控系統軟件邏輯的修改，軟件修改包括2個部分：（1）增加與獨立的換流變保護（CTP）接口程序；（2）刪除原換流變保護的功能邏輯。

CTP除了跳交流開關外，還發出Y閉鎖、Z閉鎖和請求切換的控制指令至PCP，由極控制保護系統來實現相應的控制功能，因此需在DFT中增加RS851板卡，用于采集CTP發出的控制指令，轉換后發送到PCP主機中。除了增加硬件，相應的還需在Hidraw程序中修改原PCP中與換流變保護相關的邏輯。換流變保護軟件修改過程應按照以下流程進行：

（1）對于保留在PCP中的換流變保護功能，保留其所需要的模擬量通道，其余的刪除。如在PCPMC1COMMTRANSF_PORT3.HGF頁面中刪除換流變繞組差動保護的所有模擬量輸入鏈接，但是保留了換流變熱過負荷保護需要的模擬量采樣；

（2）增加CTP，NEP動作開入和保護動作事件。如在MC1COMMDC_PORT_IN2.HGF頁面中，增加換流變CTP保護動作后的相關閉鎖信號和動作事件；

（3） 增加 CTP，NEP開入到 PCP中的 Y閉鎖、Z閉鎖、請求切換動作跳閘矩陣，如在頁面MC1COMMPAM_3.HGF中增加了CTP請求切換的跳閘矩陣；

（4）對新增的相關總線通道進行監視及修改相關參數等。

2 換流變保護改造調試方案

改造后換流變故障判別的功能是由換流變保護裝置實現的，在對PCP的Hidraw軟件進行修改的同時，保護改造調試的另一項重要工作是CTP和NEP的調試，包括單體調試和整組測試。

2.1 CTP單體調試

政平站換流變電量保護裝置采用了南瑞繼保的PCS-977D，其基本原理與常規的變壓器保護區別不大，以差動保護為主保護，過流保護、過電壓保護、過激磁保護等作為后備保護。換流變保護配置了多種差動保護，包括換流變差動、閥側繞組差動、網側繞組差動、交流母線差動、交流母線及換流變差動。換流變差動保護調試的核心是差流計算和相關的電流折算方法。下面就換流變各種差動保護的差流計算和折算方法進行研究。以極I換流變電量保護A為例，換流變保護配置如圖5所示。將CTPA差動保護所需用到的電流互感器（TA）二次繞組進行編號：1A1～12A1,根據設計圖紙和PCS-977D說明書可得各差動保護的TA配置，如表1所示。

Y/D接法各參數如下：串內TA變比為4 000/1；換流變網側套管TA變比為2 000/1；Y/Y接法（YY）換流變閥側套管TA變比為3 000/1；Y/D接法（YD）換流變閥側套管TA變比為2 000/1；單相換流變容量為283.7 MW；網側一次額定相電壓為kV；YY換流變閥側一次額定相電壓為kV；YD換流變閥側一次額定相電壓為200.4 kV。據此計算換流變保護中各種差動電流的平衡系數 （以交流母線及換流變差動保護為例）。交流母線及換流變差動保護范圍包括交流進線和YY、YD換流變，取用的是5031、5032開關TA和YY、YD換流變閥側套管TA，計算網側TA和YY、YD換流變閥側的額定一次相電流：

圖5 極I換流變電量保護A套所需TA與TV繞組

表1 各保護差動TA配置

式（1—3）中：SN為單相換流變額定容量；UN為網側線電壓額定值；UYN為YY換流變閥側線電壓額定值；UDN為YD換流變閥側線電壓額定值。

根據各個TA變比可以換算得到二次額定電流分別為：

按照PCS-977D差動保護原理，各側平衡系數是最大額定電流除以該側額定電流，即各側都折算到額定電流最大側進行計算。從而計算得到交流母線及換流變差動保護網側平衡系數為K網ph=3.326 6，K閥Yph=1，K閥Dph=1.154 7。同理可以計算出其余差動保護各側平衡系數。

換流變保護PCS-977D的差動保護動作特性如圖6所示。對于不同的差動保護，其采用的比率特性是不一樣的。根據上述差動保護平衡系數計算方法和各側流入保護的電流值可以算出其制動電流大小，若差流大于對應制動門檻則保護動作出口。并對其動作邊界進行測試，測試結果表明換流變差動保護動作行為與說明書中差動保護動作特性一致。

圖6 PCS-977D換流變差動保護動作特性

2.2 換流變非電量保護NEP單體調試

政平站原非電量保護直接在PCP中進行邏輯判斷和動作出口，非電量繼電器有2付接點輸出，將信號經TCI分別送到PCPA和PCPB中，根據元件重要性，部分繼電器動作不需系統切換直接出口，其余繼電器動作經切換再邏輯判斷出口。經改造后，每個非電量繼電器有3付接點，其信號流如圖4所示。改造后非電量保護屏由3塊IO板卡和2塊進行“三取二”邏輯判斷的子系統組成，每臺換流變非電量繼電器的3付接點分別送到3塊IO板中，每塊IO板卡采集所有換流變非電量信號，并將信號分別送至子系統A和子系統B中。任意兩個接點動作，子系統A、B均會動作，極控制保護值班系統即會動作出口。非電量保護（NEP）的單體調試方法比較簡單，通過短接端子的方法驗證“三取二”邏輯是否正確，非電量保護主要調試包括：（1）3塊IO板卡正常工作時，短接任意繼電器的任意2個接點，保護動作出口；（2）1塊IO板卡退出運行時，短接繼電器的任意1個接點，保護動作出口。需要驗證的換流變本體繼電器包括瓦斯繼電器、有載調壓油流繼電器1、有載調壓油流繼電器2、SF6氣體密度繼電器1、SF6氣體密度繼電器2。

2.3 換流變保護改造整組聯動

換流變保護改造后，應進行整組傳動對換流變保護功能、PCP軟件修改的正確性以及換流變保護到PCP的回路進行驗證。整組傳動的方法與常規交流保護類似，對于換流變電量保護，在其裝置內部注入二次電流模擬不同換流變故障類型下保護動作行為。由于調試期間換流變處于極隔離狀態，無法驗證PCP收到閉鎖信號后的動作行為，分系統調試階段只能通過Hibug的方式檢測PCP是否接收到閉鎖信號，待雙極系統調試時驗證其閉鎖行為的正確性。換流變非電量保護改造的整組傳動方法與電量保護類似，通過在換流變就地按壓繼電器，模擬其動作的方式，檢測PCP是否收到閉鎖信號和交流開關是否動作跳開。

3 結束語

政平換流站原換流變電量、非電量保護均為單一接點出口，易造成不正確動作，需要對其進行改造。本文在完成換流變電量、非電量保護改造的基礎上，對改造過程中獨立換流變保護裝置調試和控保系統軟件修改方法進行了研究。獨立的換流變保護與常規變電站變壓器保護功能調試方法相似，但是要考慮與直流控保系統的接口問題；另外，原直流控保系統的軟件需要進行相應地修改，且非常關鍵，本文對軟件修改頁面的內容和修改的原因進行了闡述，便于更好地理解換流變保護改造方法。其中包含了換流變保護改造需要進行的各項試驗項目，對其他換流站的換流變電量、非電量保護改造具有較好地借鑒作用。

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