換流站直流控制保護系統隱患排查分析

楊 帆，侯 超

(東北電力大學 研究生學院，吉林吉林，132012)

控制保護系統是直流輸電工程的核心部分，除具有安全準確輸送功率等基本控制策略外，還具有滿足交直流系統動態性能的控制策略、保護性監控和幫助系統自愈的功能，充分體現了直流輸電高速和靈活有效的控制策略。本文以奉賢換流站為例，簡述了直流控制系統的基本原理，分析了奉賢換流站直流控制保護系統中的測量回路、控制系統及其出口回路存在的典型隱患，并給出了合理的改進意見。

1 ±800 kV奉賢換流站主接線方式

特高壓奉賢換流站是±800 kV向家壩—上海直流輸電工程的受端換流站，直流額定輸送功率為6 400 MW，直流額定電壓為±800 kV，直流額定電流為4 000 A，直流線路一回，送電距離約為2 071 km。每極采用兩組12脈動換流器串聯，換流變壓器(24+4)×297.1 MVA(其中4臺備用)，交流出線3回至遠東變電站，遠期交流出線4回，分別為2回至遠東變電站，2回至三林變電站。直流換流站主接線的設計主要包括直流側主接線和交流側主接線。奉賢換流站直流側主接線采用(400+400)kV換流器的接線方法，如圖1所示。

圖1 直流輸電系統主接線圖

圖1中12脈動換流器每一極的兩端的電壓相同，直流旁路斷路器接在12脈動換流器兩端，這樣就可以操作直流旁路斷路器決定該12脈動換流器投入或推出。該運行方式靈活性好，當正送和反送功率傳輸時，直流輸電系統按如下過程運行[1]:

1)單極(大地或金屬回線)運行方式，為輸送容量的1/4。

2)半雙極運行方式，為輸送容量的1/2。

3)雙極不對稱運行方式，為輸送容量的3/4。

4)雙極運行。

由于直流系統電壓從±500 kV提高到了±800 kV，特高壓直流輸電工程換流器接線從傳統的單12脈動換流器改為采用雙12脈動換流器結構。這種結構使主回路有更多的運行方式，提高了整個系統運行的靈活性和可用率。針對雙12脈動的特點，在直流側接線中增加了旁路斷路器和隔離開關。通過旁路斷路器和隔離開關的配合控制，可以完成單12脈動換流器的正常起停控制和故障情況下的換流器退出操作。

奉賢站交流側主接線采用常規的3/2斷路器接線方式，這種接線方式的優點是運行的可靠性和靈活性很高，在檢修回路斷路器或母線時省去了隔離開關很多倒閘操作[2]。

2 奉賢站直流控制保護系統

直流控制保護系統可以通過對換流器的快速調節，控制直流功率輸送的大小和方向，控制保護設備自身的故障或功能異常不應對直流輸電系統的運行造成影響，更不允許導致直流輸電系統的停運。

奉賢換流站控制保護系統由ABB公司提供的DCC800和許繼公司提供的MACH2兩套系統組成。其中DCC800用于特高壓直流系統的相關控制保護;MACH2用于奉賢站交流場、交流濾波器、站用電及輔助系統的控制保護。

奉賢站直流控制保護系統從功能上分為4層:站控層、雙極控制層、極控制層和換流器控制層。

站控層配置高性能、實時的站控系統，為運行人員提供站級設備的控制、監視、測量、管理及保護。雙極控制層為極控主機提供極功率指令，兼管全站相關的順序控制、無功控制、交流母線電壓控制及保護。極控制層產生本極主機的穩態運行點火角指令，負責本極相關的順序控制、本極換流變分接頭的控制、本極相關的無功控制及保護。直流極控主機還承擔站間通信任務。換流器控制層接收直流極控層的運行點火角指令并轉換成觸發脈沖，負責實現換流閥組的投、退順序控制及保護。

3 隱患排查分析

3.1 測量回路存在的隱患

奉賢站測量回路配置有直流分壓器4臺，換流變進線PT共12臺，光CT共18臺，零磁通CT共8臺，直流場電磁式CT共25臺，單臺換流變套管CT共4組。這里僅分析直流分壓器回路出現的隱患。

3.1.1 直流分壓器回路

直流極母線及直流中性母線上均需安裝直流分壓器用于測量直流母線電壓。直流母線電壓測量結果直接作用于直流系統控制閉環，是決定直流控制系統輸出的重要信息源[3]。

奉賢站共有4臺直流分壓。=P(1，2).WP.T1、=P(1，2).WN.T1分別用于測量極母線和中性母線的直流電壓，測量結果用于換流站的控制和保護。直流分壓器保護配置如圖2所示。

圖2 直流分壓器保護配置圖

圖2中，=P1.WP.T1用于測量極1母線電壓(UDL)，參數為800 kV/37.65;=P1.WN.T1用于測量極1中性線電壓(UDN)，參數為60/37.65。從=P1.WP.T1采集到的模擬量應用于LPTW、DLPD、DLPLUOP、RPDP、DCOVP、UVP、ACDC_TOUCH 等保護，從 =P1.WN.T1采集到的模擬量應用于DCOVP、ELOCP 等保護。

3.1.2 直流分壓器單回路故障

3.1.2.1 隱患描述

正常運行時，測量回路3套系統的PS844板卡并聯(單個板卡電阻90 kΩ)，控制系統匹配電阻值為30 kΩ，PS844板卡連接示意圖如圖3所示。

圖3 PS844板卡連接示意圖

假設端子松動等原因導致C系統 PS844板卡退出，A、B系統正常運行，如圖3虛線部分退出，低壓臂的電阻值會發生變化，低壓臂電阻值變為

當一次電壓為800 kV時，經過電阻電容分壓后，低壓臂采集電壓會由37.65 V升高到47.34 V;A系統和B系統電壓會達到

此時過電壓保護會動作。

3.1.2.2 建議整改措施

當直流系統運行時，禁止對處于“Test”或“Off”狀態系統的PS844板卡與直流分壓器之間的回路進行任何工作。PS844板卡故障必須將極停運后更換。

3.2 控制系統存在的隱患

對控制系統的隱患排查包括無功控制、變壓器分接頭控制、空載加壓試驗、功率/電流控制等。這里對空載加壓試驗中存在的一處隱患進行分析。

3.2.1 空載加壓試驗

空載加壓試驗也叫開路試驗(簡稱OLT)。OLT試驗分帶線路和不帶線路操作。帶直流線路的開路試驗主要檢驗直流線路的接線狀況和絕緣水平，本端合上極母線刀閘，對端拉開極母線刀閘。不帶直流線路的開路試驗主要檢驗換流器的絕緣、控制保護系統的檢測回路和觸發回路等，本端拉開極母線刀閘。這里主要分析不帶線路操作存在的隱患。6脈動的換流器原理接線如圖4所示。

圖4 6脈動的換流器原理接線圖

在直流系統開路狀態下，即在不帶直流線路的理想工況下(如圖4中去掉虛線部分)，通過改變換流器的觸發角來控制直流充電電壓上升，進行OLT試驗。

一個6脈動換流器充電的理論公式如下[4]:

3.2.2 奉賢站開路試驗啟動邏輯不判斷UDL模擬量條件

3.2.2.1 隱患描述

通過比較常規直流工程和向上±800 kV特高壓直流輸電工程的OLT啟動邏輯判據中發現，常規直流增加一個極母線(UDL)低電壓判據，而此特高壓直流輸電工程不判別極母線(UDL)低電壓，其它邏輯判據中常規直流與特高壓直流均相同。

三上工程OLT啟動邏輯比向上OLT啟動邏輯多一個邏輯判LOW_UD_OLT。其滿足的條件為LOW_UD_OLT_REF≥(∣UDL∣/UDL_NOM)。其中LOW_UD_OLT_REF為常數0.5，UDL_NOM為常數500 kV。

3.2.2.2 建議整改措施

分析并比較常規直流工程和向上特高壓直流輸電工程的OLT試驗條件，考慮是否可以在向上中增加UDL低電壓判據，如圖5所示。

圖5 增加UDL判據的OLT啟動邏輯圖(部分)

3.3 保護系統存在的隱患

保護系統排查部分包括雙極保護、極保護、換流器保護、換流變保護、交流濾波器保護和非電量保護，這里僅對直流過電壓保護中存在的隱患進行分析。

3.3.1 直流過電壓保護

直流過電壓保護通過采集極母線直流分壓器電壓量UDL、極中性線直流分壓器電壓量UDN以及電流量IDNC來判斷，UDL、UDN測量回路都通過一個接點分別進入三套保護主機，電流量IDNC測量回路獨立配置。

3.3.2 奉賢站UDN測量故障未閉鎖直流過電壓保護

3.3.2.1 隱患描述

直流過電壓保護其中一個判據為UDL＞1.05UDL_NOM 且|UDL-UDN|＞1.1UDL_NOM，無UDL和IDNC測量故障延時50 s(整流站)/延時60 s(逆變站)，跳閘。但是，直流過壓保護的保護閉鎖量僅參考了UDL和IDNC的變量值，未將 UDN考慮進去，當UDN測量故障時，可能使得|UDL-UDN|＞1.1UDL_NOM條件滿足。DCOVP_MEAS_OK的邏輯判斷如圖6所示。

圖6 DCOVP_MEAS_OK的邏輯判斷圖

3.3.2.2 建議整改措施

將UDN_MEAS_OK測量信號引入DCO/P_MEAS_OK，參與閉鎖，即UDN測量故障時閉鎖直流過電壓保護，如圖7所示。

圖7 整改后的DCOVP_MEAS_OK邏輯圖

4 結語

分析了奉賢換流站直流控制保護系統中測量回路、控制系統、保護系統存在的幾處典型故障隱患，發現測量回路中的直流分壓器、控制系統中的空載加壓實驗和保護系統中直流過電壓保護容易存在故障隱患。為了防止這些隱患對設備和系統產生危害，對于每一個典型的隱患提出了整改建議，以保證電氣設備的質量和控制保護策略的準確，防患于未然。

[1]趙畹君.高壓直流輸電工程技術[M].北京:中國電力出版社，2002.

[2]岳麗霖，連美霞.±800奉賢換流站的結構與功能特點[J].電氣技術，2011(12):113-115.

[3]梁旭明，常勇，吳巾克，等.高壓直流輸電直流分壓器內部故障分析及反措[J].電力系統自動化，2012，20(36):118-121.

[4]王明新，謝國平.高壓直流輸電開路實驗原理的探討[J].電網技術，2004，22(28):11-15.