柔性直流輸電工程二次保護系統的實現

季子孟，王學寬，周經天

（國網上海市電力公司檢修公司，上海 200120）

柔性直流輸電工程二次保護系統的實現

季子孟，王學寬，周經天

（國網上海市電力公司檢修公司，上海 200120）

介紹了某柔性直流示范工程中直流保護系統的配置原則及其二次構成，分析了基于多模塊多電平(MMC)的換流器保護特殊性，并對單站現場調試、驗收過程中保護系統所遇到的若干問題進行分析和總結。

柔性直流輸電；保護系統；換流器；閥基控制系統

0 引言

柔性直流輸電可以實現有功功率及無功功率的獨立調節，已被運用于風電并網、孤島供電等工程。我國首個柔性直流輸電工程——上海南匯風電場柔性直流示范工程已順利投入運行。VSCHVDC(電壓源換流器型直流輸電)作為一種新型的電能傳輸方式，其特有的電路結構及控制方式，需要有一整套與之相適應的保護系統對其元器件進行保護，特別是對其中的換流器進行保護。

以下對該示范工程中的保護系統配置原則及保護系統的二次構成進行介紹，并對基于直流控制保護系統(PCP)中的交流場區保護、直流場區保護、閥區保護，特別是換流器保護進行分析;同時對現場調試及驗收過程中所遇到的若干問題進行總結。

1 保護系統的構成

1.1 保護配置原則及動作策略

對于柔性直流輸電系統中的大部分組件，其保護配置原則和常規直流輸電系統是類似的，主要有以下幾個方面：可靠性、靈敏性、選擇性、快速性、可控性、安全性、可維護性。柔性直流換流站保護的作用在于使換流站免受由外部故障和外部過電壓所引起的危害，限制換流站內部故障所帶來的危害以及抑制系統對故障的回饋作用。

與常規直流輸電系統類似，柔性直流輸電系統的保護采取分區重疊配置原則。該示范工程按電氣接線中的位置可將保護分為交流場保護區、接口變壓器保護區、閥保護區、直流場保護區，如圖1所示。

結合該工程一次接線以及故障類型，保護系統主要采用以下措施進行故障處理操作。

(1) 報警。對于不影響正常運行的故障，首要應對措施是通過后臺報警來告知運行人員，但系統仍然保持運行狀態。

(2) 暫時性閉鎖換流器。在出現暫態過電流等情況時，對換流閥發出閉鎖脈沖進行短時間的暫時性閉鎖，待電流恢復正常后嘗試恢復脈沖。

(3) 永久性閉鎖換流器。發送閉鎖脈沖到全部換流閥，使換流器立即關斷。

(4) 交流斷路器跳閘。跳開接口交流斷路器開關，中斷交流系統與直流系統的連接。

(5) 交流斷路器鎖定。發送斷路器跳閘命令的同時，發送鎖定信號來閉鎖斷路器，以防止運行人員在找到故障原因前誤合開關。

1.2 二次保護系統構成

圖1中所示接口變壓器采用單獨的微機保護裝置RCS-9671C及RCS-9681C作為其差動及后備保護，動作后跳開交流斷路器及閉鎖換流器，其保護策略及二次保護設備與傳統交流保護無差異，在此不展開討論。

圖1中對應的交流場區保護、閥區保護和直流場區保護都集成在直流控制保護系統(PCP)內，其系統的組成如圖2所示。

圖1 示范工程保護配置

圖2 PCP接口示意

PCP按雙重化冗余配置，分為A，B 2套，每套系統均有各自獨立的通信接口及雙重化電源回路。PCP是整個換流站控制系統的核心，其功能主要是完成換流器系統級控制與保護，與SCADA接口，與閥基控制系統的通信，為閥水冷系統提供接口，實現交直流開關場斷路器、閘刀的聯鎖與控制等。

閥基控制系統(VBC)也按雙重化配置，并與2套PCP一一對應。其作為換流器控制器，接收PCP下傳的電壓參考值，對下級的換流閥進行控制，并處理下級換流閥上傳的狀態量，以及向PCP上傳信息量。

交流現場單元(AFT)實現對一次系統電壓、電流等模擬量以及斷路器、閘刀、閥冷卻系統等數字量就地采集與控制。AFT配置有2套，并與2套PCP一一對應。

2套PCP保護系統之間可以隨著系統運行工況的變化自動進行切換，也可以由運行人員進行手動切換。切換邏輯處于每套系統中，不需要獨立的外部切換設備，主要有以下幾種方式進行冗余系統之間的切換：

(1) 運行人員在運行人員工作站手動發出切換命令；

(2) PCP自診斷系統在檢測到當前有效系統出現故障時，發出系統切換命令；

(3) 外部系統要求，這里主要由VBC自檢發現當前電路或與PCP通信故障時，便發出“VBC_ CHANGE=1”信號，請求PCP切換主從機。

1.3 交流場區保護

換流器通過換流電抗器及接口變壓器與交流系統連接，從而進行有功及無功的交換。因此，交流系統故障主要影響換流站和交流系統的功率交換以及柔性直流系統的運行性能。交流系統的故障類型主要包括系統線路故障和由于雷擊、甩線路、處理故障所造成的過電壓，以及切機、切除無功補償裝置所造成的欠壓等。

PCP中的交流場區保護主要反映換流站所接交流系統故障或不正常運行狀態，動作后暫時或永久閉鎖換流器并跳開交流斷路器。該示范工程中交流系統的電壓取自35 kV側交流母線的電壓互感器TV1，用以判別交流系統的故障及異常狀況。保護類型有交流過電壓保護、欠電壓保護，以及頻率異常保護。

1.4 直流場區保護

直流場區保護主要反映直流場及直流輸電線路所發生的各類故障，其故障類型主要有直流單極接地、直流雙極短路、直流線路斷相等。保護類型分為：直流電壓不平衡保護、直流欠壓及過流保護、直流過壓保護以及直流低電壓保護。由于該工程采用電纜輸電，其線路故障基本為永久故障，所以直流側保護動作不考慮換流閥暫時性閉鎖，而是直接永久閉鎖換流閥并且跳開交流斷路器。

1.5 閥區保護

閥區主要包含換流器、換流電抗器(即橋臂電抗器)以及換流器輔助設備等。基于PCP的閥區保護功能主要完成閥區內各種故障的判別及動作，以及保護閥區內的一次設備不受過流所產生應力的影響，同時檢測閥基控制功能是否失效。保護功能主要由換流電抗器差動保護、零序電壓保護、橋臂差動保護、交流過流保護以及橋臂環流檢測構成。保護動作除了閉鎖換流器及跳開交流斷路器外，為了保護換流器中的子模塊不受過流影響，還需觸發子模塊中的保護晶閘管(SCR)。

1.6 換流器保護

VSC-HVDC作為一種兆瓦級以上的大功率裝置，其每一個換流器都需要由多個大功率全控器件串并聯組成。這些大功率的全控器件是VSCHVDC系統中最核心的器件，因此也是裝置中重點保護的對象，對它們要采取嚴格的多級保護。

該工程采用的是49電平模塊化多電平(MMC)換流器，換流器的每個橋臂都由56個子模塊(SM)級聯而成。子模塊基本結構如圖3所示，主要設備包括：IGBT模塊(T1和T2)、儲能電容(C)、并聯電阻(R)、保護晶閘管(SCR)和旁路開關(K)，另外還有子模塊控制器(SMC)。

圖3 子模塊電氣結構

對換流閥產生影響的主要有過電流以及過電壓。換流閥的過電流包括：IGBT的過電流和反并聯續流二極管的過電流。IGBT的過電流發生時電流變化率很大，換流閥過電流程度較高，其產生是由換流閥橋臂直通故障引起的；反并聯續流二極管的過電流是在IGBT閉鎖期間換流閥外部出現直流側短路故障時，短路電流經過換流閥而產生的。

相對于過電流工況，換流閥對于過電壓工況更為敏感。引起過電壓的原因很多，根據過電壓產生位置的不同，可將其分為內部過電壓和外部過電壓。外部過電壓包括換流過程中產生的瞬間電壓上升和儲能電容電壓升高等；內部過電壓主要是由反并聯續流二極管反向恢復過程中，以及關斷短路電流過程中出現的快速變化電流通過換流閥內部雜散電感和引線電感產生的。

為了確保換流器無論是在系統正常運行還是發生故障情況下，都能夠避免遭過電壓或過電流等異常損害，對換流器實施了3級保護。

(1) 第1級保護通過換流器子模塊自身實現。當子模塊內部傳感器檢測到過電壓時，子模塊控制器快速閉鎖子模塊，必要時合上旁路開關(K)，使子模塊退出工作，過電壓定值取1.5 p.u.。

(2) 第2級保護通過閥基控制系統(VBC)實現。當橋臂光纖電流互感器監測到橋臂過流時，VBC便發出閉鎖脈沖暫時性閉鎖子模塊，過流定值為1.3 p.u.。除此之外，VBC還有子模塊冗余保護功能。橋臂上子模塊數量按冗余設計，其中48個運行、6個熱備用。當一個運行的子模塊被旁路而退出運行時，備用的子模塊將投入使用；同時VBC將會對被旁路的子模塊進行計數，當計數超過設計的子模塊冗余值時，便會閉鎖換流器并跳開交流斷路器。

(3) 第3級保護通過直流控制保護系統(PCP)實現。保護通過監測交流三相基波的最大值來進行判別，達到定值后閉鎖并跳開交流斷路器，并會向VBC發出“Thy_on=1”信號，將換流器子模塊中的保護晶閘管開通，以保護子模塊中的反并聯續流二極管。

2 現場調試問題總結

2.1 保護系統冗余問題

出于可靠性考慮，柔性直流輸電保護系統應按完全冗余配置，每套冗余配置有各自獨立的硬件設備，這樣就可避免因保護裝置本身故障引起的主設備或系統停運。因此，冗余保護系統中的測量回路之間也應實現相互獨立。對于常規互感器，冗余系統應取自互感器不同的二次繞組；而對于非常規互感器，則應取自不同的合并單元。

此次基于PCP的保護系統電流量分別取自交流側常規電流互感器TA4，橋臂光纖電流互感器TA5、直流場電子式電流互感器TA6。其中TA4，TA6與保護系統的測量回路實現了冗余；但是TA5只設置了單套合并單元，其合并單元只有1個低功率模擬量輸出接口(LEA)供2套交流場接口(AFT)同時使用，故PCP(A)，PCP(B)得到的橋臂電流信息量來源于同一個合并單元。當合并單元裝置本身出現故障時，冗余保護系統無法實現切換，將導致閥停運，因此示范工程中保護系統的測量回路并未實現真正的雙系統冗余。

2.2 閥區差動保護CT極性

基于PCP的閥區保護中主要有橋臂電抗器差動保護以及橋臂閥差動保護，動作判據如表1所示。其中，橋臂差動保護又分為上橋臂差動保護及下橋臂差動保護。

表1 閥區橋臂電抗器差動保護及橋臂閥差動保護配置

表1中：Ic為閥區交流側電流，取自TA4；Ibp為上橋臂電流，取自上橋臂TA5；Ibn為下橋臂電流，取自下橋臂TA5；Idp為直流正極電流，取自正極TA6；Idn為直流負極電流，取自負極TA6。

工程設計初期，閥區的電流互感器TA5，TA6的P1端是以換流站運行在整流狀態下直流電流的方向作為正方向來設計的。但是在施工過程中，由于下橋臂電流互感器并未按原設計安裝，而是將P1端朝向了電抗器。因此，下橋臂差動保護與換流電抗器差動保護中在使用下橋臂TA時都將其二次電流取反后再使用。

由于TA5和TA6為非常規互感器，無法用傳統的電流互感器極性校驗方式進行極性確認。為確認電流互感器極性正確，在現場調試過程中，對整個閥區的差動保護所涉及的電流互感器進行了一次通流試驗，通過PCP內的錄波功能，確認采樣及差動保護元件的正確性。

2.3 接口變保護與AFT接口

示范工程中，作為獨立保護的接口變保護，單獨配置，以RCS-9671C及RCS-9681C作為其差動及后備保護，并配有接口變本體非電氣量保護，保護動作跳閘于交流側斷路器，并通過硬接點同時向AFT(A)與AFT(B)發送跳閘信號。

接口變作為連接交流系統與直流系統的紐帶之一，當其發生故障時除了應跳開交流側斷路器外，還應及時地對換流器進行閉鎖。工程初期，PCP并未將接口變保護上送的跳閘信號作為閉鎖信號轉發至VBC系統，而是僅僅作為一般信號傳送至后臺監控系統。當接口變保護動作跳開交流側斷路器時，換流器并未及時閉鎖，而是需要靠PCP內部的保護功能進行判別，以對換流器進行閉鎖。這樣換流器閉鎖不及時，容易造成換流器件過應力損壞。因此，系統廠家對PCP內部邏輯進行修改，當AFT(A)或AFT(B)接受到接口變保護動作的信號開入時，便向VBC發出換流器閉鎖命令，同時向AFT發出交流側斷路器開關跳閘命令，通過AFT再次跳開交流側斷路器。

3 結束語

隨著國內首個柔性直流輸電工程——上海南匯風電場柔性直流示范工程的順利投運，基于MMC的VSC-HVDC的保護策略也得到了實際運行的考驗。同時，作為示范工程，由于缺乏一套值得借鑒的標準化保護系統設計規范，其保護系統配置還處于摸索階段。

1 湯廣福．基于電壓源換流器的高壓直流輸電技術[M]．北京：中國電力出版社，2010．

2 趙畹君，謝國恩，曾南超，等．高壓直流輸電工程技術[M]．北京：中國電力出版社，2004.

3 劉洪濤．新型直流輸電的控制和保護策略研究[D]．浙江大學，2003.

4 管敏淵，徐 政，屠卿瑞，等．模塊化多電平換流器型直流輸電的調制策略[J]．電力系統自動化，2010(34).

5 丁冠軍，丁 明，湯廣福，等．新型多電平VSC子模塊電容參數與均壓策略[J]．中國電機工程學報，2009(29).

2014-10-25。

季子孟(1984-)，男，工程師，主要從事超高壓繼電保護及自動化工作，email：443956240@qq.com。

王學寬(1985-)，男，助理工程師，主要從事超高壓繼電保護及自動化工作。

周經天(1985-)，男，助理工程師，主要從事超高壓繼電保護及自動化工作。