錦屏—蘇南±800kV特高壓直流工程交流濾波器投入異常分析和應對措施

賈軒濤，嚴兵，張愛玲，姚進波，吳寶生

(1.許繼電氣股份有限公司，河南省許昌市 461000;2.國網運行有限公司上海超高壓管理處，上海市 201413)

0 引言

2012年6月5日，錦屏—蘇南±800kV特高壓直流輸電工程(簡稱錦蘇工程)同里換流站在進行站系統啟動試驗時，在極1低端換流變壓器(簡稱換流變)充電操作過程中，無功控制系統由交流系統低電壓監視(Umin)功能發出交流濾波器/電容器投入命令，處于熱備用狀態的交流濾波器/電容器5612、5611、5634、5633、5643、5644、5613、5614、5631、5632、5641、5642依次投入(當時第2大組濾波器處于冷備用)。12組濾波器/電容器相繼投入后，交流母線電壓由505 kV升至550 kV以上，交流濾波器母線過壓保護動作，跳開第4大組濾波器后無功控制(reactive power control，RPC)重新將其投入運行，最后根據現場總指揮命令，運行人員手動啟動緊急停運(emergency stop off，ESOF)按鈕，跳開換流變進線開關并手動拉開所有交流濾波器使交流電壓恢復正常。

此次事件暴露的問題主要有:交流濾波器/電容器異常投入、交流濾波器母線過電壓保護跳閘時序與程序不符、交流濾波器/電容器未完全放電的情況下再次被投入、控制功能缺少相應的聯鎖邏輯等。

1 換流站無功控制策略

直流輸電工程無功功率控制的目的是保證交直流系統的無功交換滿足系統要求，同時減輕換流站諧波對交直流系統及主設備的危害。實際工程中無功控制主要通過對交流濾波器小組等無功單元的投切實現，需要考慮的因素有交直流系統無功交換的平衡、交流系統穩態電壓的限制、基本濾波條件的保證和濾波性能的優化、無功單元投切的均衡性、投切過程對系統的擾動等［1］。同里換流站共配置了4個大組、12個小組交流濾波器/電容器，具體參數及類型如圖1所示。

圖1 同里換流站交流濾波器配置Fig.1 Configuration of AC filters in Tongli Converter Station

直流輸電無功功率控制主要有:絕對最小濾波器控制;Umax、Umin控制;Qmax控制;最小濾波器控制;Q控制、U控制。其中，絕對最小濾波器控制主要是指由設備額定應力來決定投入的濾波器;Umax、Umin是為了監視和穩定交流母線電壓;Qmax是為了限制投入濾波器的數量;最小濾波器控制則是投入足夠的濾波器用于滿足濾除特征諧波的要求;Q控制、U控制是通過控制與交流系統的無功交換量或者控制交流母線電壓在參考值的死區范圍內［2-3］。

上述無功控制功能的優先級則是按照順序由上至下依次遞減。其中前2項控制不受無功控制自動或手動模式限制，同時絕對最小濾波器控制僅在換流器具備解鎖條件(空載升壓試驗除外)或者功率輸送狀態下起作用，Umax、Umin在交流母線帶電或者換流變帶電條件下有效;后3項功能僅在直流系統解鎖后，功率輸送狀態下起作用。

結合現場系統試驗過程，在極1低端換流變壓器充電時，閥組未解鎖的狀態下，無功控制中起作用的僅有Umax、Umin功能，該部分軟件邏輯如圖2所示。

在圖2中，ENERGIZEN為交流母線帶電或者換流變壓器充電信號;UAC_BUS1、UAC_BUS2分別是500kV交流場I母、II母AB相的線電壓;U_MAX_LIMIT為Umax參考值，本工程該值取550 kV;U_MIN_LIMIT為Umin參考值，本工程該值取475 kV。

當交流場帶電或者換流變壓器帶電后，如果交流母線電壓大于550 kV，無功控制系統Umax功能發出交流濾波器切除命令;如果交流母線電壓低于475 kV，無功控制系統Umin功能發出交流濾波器投入命令。

圖2 無功功率控制Umax/Umin邏輯圖Fig.2 Logic of Umax/Uminfunction in reactive power control

2 交流濾波器投入異常的分析

2.1 交流濾波器投入異常的過程

事件發生前現場系統試驗時的工況:交流場I母、II母已帶電，線電壓為505 kV左右;第1、3、4大組交流濾波器共12個小組處于熱備用狀態;極1低端換流變壓器準備進行充電操作，其余換流變壓器還未完成安裝或本體調試;相關的控制保護系統已經投入運行。

當運行人員手動合上換流變進線開關進行充電操作后，無功控制系統將所有處于熱備用的12組交流濾波器/電容器在30 s內全部投入。交流電壓上升到550 kV以上，交流濾波器母線過電壓保護動作，將第4大組濾波器全部切除。切除后的濾波器/電容器還未完全放電，無功控制系統又將其全部投入。最后運行人員根據現場指揮按下緊急停運按鈕，跳開換流變進線開關后，手動拉開所有交流濾波器/電容器小組開關。

2.2 交流濾波器投入異常的原因

在特高壓直流工程中，直流控制系統分為3層:雙極層/站層(BCP)、極層(PCP)、閥組層(CCP)，其中雙極層控制主要負責兩極間的協調控制和全站的無功功率控制，極層控制主要完成本極2個閥組的協調控制，閥組層控制主要完成換流閥控制脈沖的發生等功能［4-7］。

由于無功控制位于BCP，用于檢測交流場電壓的UAC_BUS1、UAC_BUS2由其直接采集，而換流變帶電信號(邏輯信號，1為已帶電、0為未帶電)由CCP完成判斷并送至PCP，再由PCP送至BCP用于無功控制的邏輯判斷。

當現場問題發生后，經過檢查發現用于無功控制的交流母線電壓測量值UAC_BUS1、UAC_BUS2輸入回路的屏內測試端子連片被打開，造成UAC_BUS1與UAC_BUS2測量值為0。對圖2進行分析:當極1低端換流變壓器充電后ENERGIZEN條件被滿足，由于UAC100取交流場I母、II母線電壓的最大值為0，低于Umin參考值475 kV，因此Umin控制功能一直發出交流濾波器投入命令，將處于熱備用條件下的12組濾波器/電容器依次投入。

其原因也可以解釋為用于無功控制的交流母線電壓測量回路開路，在換流變充電后雙極控制系統將處于熱備用的濾波器/電容器小組誤投入。RCP交流電壓輸入回路如圖3所示。

圖3 RPC交流電壓輸入回路Fig.3 Input circuit of AC voltage for reactive power control

2.3 電壓測量回路開路引起濾波器誤投入的解決措施

由于交流濾波器/電容器小組的誤投入，使站內交流系統過電壓達到550 kV以上，嚴重影響江蘇省電網的穩定運行。由于現場指揮及操作人員應急處理及時、得當，避免了事故進一步擴大。

根據現場施工情況，在不改變現有的外部電纜接線和控制保護程序分層結構下，以盡可能小的改動來解決問題，并做出如下更改。

在Umax、Umin軟件邏輯中增加低電壓閉鎖功能，以防止交流電壓測量回路開路引起的RPC誤動作，如圖4所示。在圖4中UAC_N為正常交流電壓，該值取505 kV，當交流母線電壓測量值UAC_100小于正常電壓的0.2倍時，將閉鎖Umax和Umin功能。

圖4 更改后的無功功率控制Umax/Umin邏輯圖Fig.4 Logic of Umax/Uminfunction in updated reactive power control

由此可見，軟件邏輯在更改后能夠有效避免因為電壓測量回路開路引起的交流濾波器誤投入。

3 交流濾波器異常投入引發的其他相關問題

第1、3、4大組共12個小組交流濾波器/電容器依次投入后，交流母線電壓最高上升至575 kV左右，第4大組交流濾波器母線過電壓保護動作，同時跳開第4大組共4個小組交流濾波器/電容器，1 s后RPC Umin功能將4個小組依次投入。在此過程中，除了交流濾波器/電容器異常投入外還存在如下問題:交流濾波器大組過電壓保護跳閘時序不對;交流濾波器在跳閘后還未完全放電的情況下又被重新投入。

3.1 交流濾波器母線過電壓保護跳閘

直流工程換流站中交流濾波器的設置主要是為換流器提供無功補償和濾除諧波用的，由于當時并無直流功率輸送，12組交流濾波器/電容器產生的無功功率通過交流場交流出線進入江蘇電網系統，造成交流電壓隨著濾波器/電容器的投入逐步升高，在此過程中由于電網系統會吸收少量無功功率，故在某一階段電壓會有小幅回落，但總體上保持快速上升趨勢。

與國內常規交流濾波器保護不同，錦蘇工程中交流濾波器保護是按大組進行配置的。每大組濾波器(包含各小組)配置了2套冗余的濾波器保護屏柜，每套保護裝置負責本大組連線保護和各個小組的保護，其中母線過電壓保護的定值如表1所示。

表1 同里站交流濾波器母線過電壓保護定值表Tab.1 Setting for AC filter over-voltage protection in Tongli Converter Station

在表1中1段為告警，其余段為跳閘;其中2～5段逐級跳開各大組交流濾波器，6段是同時跳開所有交流濾波器/電容器。以2段為例，其電壓定值為1.15 pu(1 pu為505 kV)，即相電壓為453.5 kV;第1大組母線過電壓保護如果檢測到電壓超過定值10 s后，跳開本大組所有小組開關;第2大組則需20 s延時;第3、4分別需要30、40 s延時;在延時過程中，如果電壓低于定值，延時時間需要重新進行計時［8-11］。

12組交流濾波器/電容器投入后過電壓水平低于1.15 pu，故僅有2段跳閘出口。理論上10 s后應先跳開第1大組濾波器，但實際上只有第4大組過電壓保護動作，與母線過電壓保護時序(第1、2、3、4大組按順序依次跳閘)邏輯不符。

根據圖5的故障錄波來看，當第4大組母線過電壓跳閘時，交流母線電壓已經穩定在1.104 pu，與2段定值非常接近，由于測量系統存在測量誤差，對保護測量誤差要求為±0.5%，由此可以推斷:某一時段第1、3大組(第2大組冷備用)電壓測量值低于1.1 pu，延時時間未達到設定值并反復進行重新計數，所以過電壓保護未跳閘。同時根據后臺監控事件中跳閘時間推算，第4大組跳閘發生在5641投入40 s后，與程序跳閘延時一致。

圖5 第4大組過電壓保護跳閘故障錄波圖Fig.5 Fault record of over-voltage trip of the fourth filter bank

因此交流濾波器母線過電壓保護跳閘時序異常的原因可以歸結為:電壓測量回路的誤差。

3.2 交流濾波器未完全放電狀況下再投入

正常情況下，交流濾波器/電容器切除后要將能量充分釋放才能再次投入到系統中，其目的是為了保證交流系統的穩定和避免設備本體過應力受損。

在現場實際操作過程中，交流濾波器母線過電壓保護不同于其他保護(如過流、差動、電抗器過負荷等)，過流、差動、電抗器/電阻器過負荷、電容器不平衡等保護反應的是設備元器件確實出現故障，因此保護跳閘后會鎖定相應的斷路器，禁止其再次合閘。當故障排除后，必須經運行人員手動回歸后，該斷路器才能再次投入運行。而交流母線過電壓保護僅在反應系統運行狀況出現異常時啟動，而保護跳閘后并不會鎖定斷路器，這一設計理念在直流工程中已被大家認可。

在調試過程中發現交流濾波器母線過電壓保護跳開小組開關后，RPC立即將可用的交流濾波器/電容器再次投入，由此可見，在軟件邏輯設計方面存在不足之處，需要增加相應的聯鎖邏輯。RPC對濾波器/電容器進行投入操作的前提是該小組是可用的，“濾波器小組可用”信號由交流濾波器控制(AC filter control，AFC)進行判斷并通過CAN總線上送給RPC功能所在的BCP控制主機。

在圖6所示邏輯中，當交流濾波器母線過電壓保護跳閘后，由于不會鎖定斷路器，所以當其余條件滿足后“濾波器小組可用”信號即為1;結合以往工程運行經驗，可在AFC上述的程序中增加相應的聯鎖條件，使設備能夠更加可靠地運行。

如圖7所示，當AFC檢測到小組斷路器分閘狀態，經延時10 min后“濾波器小組可用”信號才能為“1”，并送至RPC。因此，無論是無功控制切除濾波器、保護跳閘、遠方手動分閘還是就地操作等，小組開關跳開后濾波器/電容器有充足的時間進行能量釋放。

4 結語

錦蘇工程系統調試期間交流濾波器/電容器異常投入及反復投切的原因主要是，由于無功控制及交流濾波器控制系統軟件的邏輯設計不完善所致，在軟件中增加了低電壓監視和相應的聯鎖邏輯后，經過現場的試驗驗證，改進后的軟件能夠有效地避免交流電壓測量回路開路引起的Umin誤投入交流濾波器/電容器小組，同時徹底解決了交流濾波器/電容器小組在切除后還未完全放電的情況下再次被投入的問題和隱患。

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