特高壓直流輸電線路故障重啟策略優化研究

周曉風　吳彥維　李　乾　張艷浩　許朋見

（許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000）

特高壓直流輸電線路故障重啟策略優化研究

周曉風吳彥維李乾張艷浩許朋見

（許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000）

為了解決以往特高壓直流輸電工程中直流線路故障重啟策略不完善導致直流功率波動甚至雙極閉鎖的不足，提出了把直流輸電運行工況和運行功率點加入到直流線路故障重啟策略中。利用RTDS對特高壓直流輸電線路接地故障進行仿真，建立直流輸電線路接地故障等效模型。針對在故障極重啟動過程中非故障極實際直流功率波動大的問題，提出采用閉鎖非故障極低壓電流（VDCL）功能的方法來減少非故障極實際直流功率的波動。以溪洛渡左岸-浙江金華±800kV特高壓直流輸電工程為試驗背景，仿真試驗證明：所提出的特高壓直流輸電線路故障重啟優化策略能有效的提高系統線路故障時的穩定性，具有很好的工程實用性。

特高壓直流輸電；RTDS仿真；線路故障重啟；線路互感

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了廣泛應用。在特高壓直流輸電工程中，由于直流輸電線路往往長達數千公里，線路遭遇雷擊、山火、云霧等影響的可能性大大增加。類似于交流系統的重合閘，直流線路閃絡、接地故障等多是瞬時性故障，采用移相重啟可以快速恢復直流線路周圍的介質絕緣性能，并使直流系統恢復正常送電水平。

截止目前，我國華東電網已有三條特高壓直流（向上工程6400MW、錦蘇工程7200MW、溪浙工程8000MW）、三條常規直流在運行，特別是迎峰度夏期間三條特高壓直流均滿負荷運行，任意一條特高壓直流因直流線路故障重啟動引起功率波動甚至閉鎖都會對整個系統造成影響。因此，有必要對特高壓直流輸電線路故障重啟策略進行優化。

常規直流工程采用單個十二脈動換流器主接線結構，當直流線路發生故障時，采用兩次全壓和一次降壓的直流線路故障重啟策略，即在通信正常，雙極運行方式下，發生一極直流線路接地故障后，原壓重啟兩次，降壓70%重啟一次，三次重啟不成功后閉鎖故障極。然而對于特高壓直流輸電工程，由于采用雙十二脈動換流器串聯的主接線結構，除了雙換流器運行方式外，還存在單換流器運行方式，因此為了提高直流線路故障重啟動的成功率并盡可能的減少對系統的影響，可考慮在原有直流線路故障重啟策略的基礎上，增加新的線路故障重啟方式。

本文基于RTDS建立了特高壓直流輸電系統直流線路接地故障的等效模型，在常規直流工程直流線路故障重啟策略的基礎上把特高壓直流運行方式和運行功率點兩個因素加入到重啟策略中，并提出了故障極重啟過程中閉鎖非故障極VDCL功能的策略，以減少直流輸送功率的波動，最后以溪洛渡-浙江金華±800kV特高壓直流輸電工程（賓金直流）為例對所提出的直流線路故障重啟優化策略進行了試驗驗證。

1　直流線路故障重啟概述

1.1直流線路故障暫態過程分析

目前，特高壓直流輸電工程均采用正極直流輸電線路和負極直流輸電線路的形式，不同于直流輸電的穩態工況，直流線路的瞬時性接地故障是一個很復雜的電磁暫態過程［1-2］。

以極1為例，圖1所示為直流輸電線路中點發生接地故障時的等效電路模型。

圖1　直流輸電等效電路

對于整流側：

對于逆變側：

式中，ZR=ZI=（R+L） /2，Ud0為線路接地點對地電位。

由式（1）、式（2）可知，換流閥的單向導通特性決定了極1直流電流只能是從整流側流向逆變側，線路接地點鉗制接地點電位近似為0，所以整流側會出現很大的短路電流，而逆變測的直流電流則接近于0。

對于特高壓直流輸電工程，額定直流電流已經達到5000A，一極線路故障重啟勢必會對另一極產生影響，考慮到直流輸電極線間的電磁干擾，建立了如圖2所示的線路重啟恢復過程中的簡化等效模型（只考慮分布參數的線路部分）［3-4］。

架空輸電線路主要考慮4個參數（電阻、電感、導納、電容（，，，r L g c））［3-4］，通常情況下線路絕緣良好，泄漏電流很小，可認為0g=；為了簡化分析，忽略線路對地電容，即0c=［5-8］。

根據耦合電路的基本理論可得線路壓降：

圖2　線路互感模型

由于兩條極線中直流電流方向相反，呈現出強烈的去磁作用，故12M前面為負號。因此，分析非故障極的暫態特性時，不僅要考慮線路本身自感，還要考慮另一極線路互感的作用。

文獻［9］中以特高壓直流為例給出了定量分析，當故障極重啟過程中電流劇烈變化時，在非故障極上會產生很大的感應電動勢，可能會導致極線中電流由低電壓流向高電壓方向。此時，非故障極整流側電流控制器由于觸發角限制而失去調節能力。

1.2直流保護

直流保護主要分為閥保護、極保護和雙極保護、直流濾波器保護等。特高壓直流輸電線路故障重啟過程中涉及的直流保護有：①行波保護；②線路突變量保護；③線路低電壓保護；④線路縱差保護；⑤雙極中性線差動保護；⑥金屬回線接地保護；⑦金屬回線縱差保護。其中，保護①～④達到定值后展寬20ms向極控系統發送“移相重啟”信號，保護⑤～⑦滿足定值條件后展寬6s向極控系統發送“移相重啟一次”信號。

1.3控制系統響應

直流保護系統檢測到直流線路接地故障后向極控系統發送線路重啟信號（移相重啟或移相重啟一次信號），線路故障重啟順序邏輯需要整流側與逆變側極控系統協調配合完成。

直流輸電系統一般采用整流側定直流電流，逆變側定熄弧角且逆變側換流變分接頭控制整流側直流電壓為額定的控制策略。對于特高壓直流輸電極控系統，整流側和逆變側都配置了線路故障重啟功能，但在一次線路故障重啟動過程中，移相操作只有整流側才會執行，因此整流側決定線路故障重啟次數（重啟1次、2次、3次），逆變側決定每一次重啟電壓參考值。

特高壓直流極控系統線路故障重啟過程中整流側典型波形如圖3所示。從圖3可知，極控系統完成了三次重啟，三次重啟不成功最后移相閉鎖。對于每一次重啟，極控系統主要分為移相和再啟動兩個步驟。三次重啟移相時間分別對應三次線路去游離時間，在移相期間極控PI控制器不使能，每一次移相過程包含兩個步驟：

（1）當Id_Act≥0.05p.u.時，移相角度保持為120°。

（2）當Id_Act＜0.05p.u.時，移相角度保持為160°。

圖3　整流側動作

整流側線路故障移相重啟與整流側移相閉鎖相似，但是不同之處在于移相重啟過程中觸發脈沖一直使能。另外，對于是否需要下一次再啟動，是由整流側邏輯判斷的，具體邏輯為：在上次移相重啟結束后的50ms內，若實際直流電壓Ud_Act＜0.1p.u.，則觸發下一次的再啟動。

直流線路故障重啟過程中，逆變側按照正常的控制特性進行響應，等待整流側重新建立起直流電流。圖4所示為極控系統原壓重啟2次后，第3次降壓70%重啟成功。

在圖3、圖4中，UDLA1、IDNCA1、UDLB1、IDNCB1分別為整流和逆變側極1電壓、電流，ALPVCS1A11、ALPVCS1A12、ALPVCS1B11、ALPVCS1B12分別為整流和逆變側極1高低閥組觸發角，LINrec為線路故障重啟信號，UCtrlB1a為逆變側電壓控制模式，ICtrlB1a為逆變側電流控制模式，GamCtrlB1a為逆變側熄弧角控制模式。

圖4　逆變側動作

實際工程中穩態工況下逆變側采用預測型熄弧角控制策略，預測型熄弧角控制器主要是根據換相理論，對熄弧角進行預測，并且按照一定的算法實現，具體公式如下：

式中，maxA為計算的逆變側觸發角，refγ為逆變側設定的熄弧角參考值，drefI為直流電流指令值，dI為實際直流電流值，dNI為額定直流電流值，di0NU為額定理想空載直流電壓值，di0U為實際理想空載直流電壓值，1K為正斜率修正系數。

在直流線路接地故障的瞬間，由于接地點的鉗電位作用逆變側實際直流電壓會跌落，如圖4中電壓波形所示，逆變側PI控制器采用取最大誤差值的邏輯，因此接地故障瞬間逆變側會出現定熄弧角控制方式向定直流電流控制方式的切換。

2　線路故障重啟策略優化研究

2.1特高壓直流輸電線路故障重啟策略優化

不同于常規直流工程采用單十二脈動換流器主接線結構，特高壓直流通常采用雙十二脈動主接線結構且電壓、功率水平較高，因此其線路故障重啟策略要考慮更多的約束條件。當直流線路發生接地故障時，常規直流采用兩次全壓和一次降壓的線路故障重啟策略，即在通信正常，雙極運行方式下，發生一極直流線路接地故障后，原壓重啟2次，降壓70%重啟1次，3次重啟不成功后閉鎖故障極。

特高壓直流輸電工程在雙極運行和單極大地回線運行方式下，線路重啟次數主要受交流系統條件約束；單極金屬回線運行方式下，線路重啟次數主要受金屬回線EM避雷器能量約束。因此，對于特高壓直流而言需要考慮故障極當前運行功率點、運行方式（單閥組或雙閥組、大地回線或金屬回線、并聯融冰接線）、站間通信是否正常、雙極同時故障和相繼故障（短時或長時）等約束條件。

這里以±800kV/8000MW特高壓直流輸電工程為例，把特高壓直流故障前運行功率點及運行工況加入到線路故障重啟策略中，表1給出了具體的重啟策略。

表1　直流線路故障重啟策略

在表1中，線路重啟條件均針對故障極而言，并且重啟電壓參考值原壓主要指800kV、400kV、640kV（降壓80%）和560kV（降壓70%），其中，降壓只包含560kV。特殊保護觸發是指由雙極中性線差動保護、金屬回線接地保護和金屬回線縱差保護所發的移相重啟一次信號。

對于雙極線路故障的工況，規定：

（1）故障極實際功率SP_Act＞1000MW ，在5s內另一極發生線路故障直接閉鎖本極；若雙極同時發生線路故障，則直接閉鎖雙極。

（2）故障極實際功率SP_Act≤1000MW ，雙極之間互不約束，可按照正常條件進行重啟。

線路重啟實際次數統計的有效時間窗口為30s，即：30s后實際重啟次數計數器會清零，30s內故障極能允許表2中重啟條件所決定的最大重啟次數，30s后若再次發生線路故障則意味著新的線路重啟邏輯的啟動。由雙極中性線差動保護、金屬回線接地保護和金屬回線縱差保護導致的直流再啟動納入再啟動實際次數統計，按照再啟動策略執行。

每一次重啟的線路去游離時間見表2。

表2　直流線路故障重啟去游離時間

2.2VDCL功能優化

特高壓直流輸電系統一極發生線路故障后，一方面兩極線路間有電磁感應效應，另一方面直流功率變化影響相連交流系統，從而間接影響另一極的運行狀態。上述兩方面影響因素以及直流極控裝置的自動調節功能，使得一極線路故障期間，會造成另一健全極的直流電壓、電流波動，繼而再影響到故障極的平穩恢復。隨著特高壓直流輸電工程額定輸送功率的增加，這種極間干擾的影響會越來越大，在故障極線路重啟動期間，健全極電壓可能會降的很低，導致VDCL環節動作，造成非故障極輸送功率的進一步波動。

VDCL功能是在直流電壓降低時對直流電流指令進行限制，其主要用于在交流或直流故障后，提高交流系統電壓穩定性，避免直流過電壓，幫助直流系統可控恢復。在一極發生線路故障時，故障極VDCL功能應起作用；然而對于非故障極，VDCL功能將不利于其維持功率穩定或進行極間功率轉移。

VDCL功能的靜態特性如圖5所示，實際直流電壓介于Ud_H和Ud_L之間時，VDCL功能激活。實際工程中VDCL環節的輸入是直流電壓實際值與參考值的比值，其經過一個非線性濾波環節，再經過折線化輸出直流電流參考值Idref_VDCL；這個非線性濾波環節的時間常數在直流電壓升高和下降時是不同的，為了保證在交直流故障時直流電流快速的降低，直流電壓下降時的時間常數通常要小。Idref_VDCL與原來的drefI取小后參與直流電流閉環控制。

以溪洛渡-浙江金華±800kV特高壓直流輸電工程為例［10］，當一極發生線路故障時，把線路故障信號送到另一極，同時，屏蔽非故障極VDCL功能Δt =400ms 。

圖5　VDCL靜態特性

針對同一運行工況：極1雙閥組800kV 5kA，極2單閥組400kV 5kA，RTDS中模擬極1直流線路中點接地故障0.5s，對比圖6、圖7可以得出：

在極2 VDCL功能使能的條件下，極1直流線路故障恢復過程中，極2電壓電流波動較大。然而，在極2 VDCL功能屏蔽400ms的條件下，極1直流線路故障恢復期間，極2電壓電流波動明顯減小。

其中，圖6、圖7中PDPRA為雙極功率實際值，IVDCLrefA2為極2經過VDCL后電流參考值，UDLA2為極2實際直流電壓。

圖6　有VDCL動作結果

3　結論

1）本文在傳統直流輸電線路故障重啟策略的基礎上，提出了把直流系統運行工況和運行功率點加入到特高壓直流輸電線路故障恢復策略中。該策略已得到現場實施，在一定程度上減少了特高壓直流輸電系統閉鎖的可能性。

圖7　無VDCL動作結果

2）針對特高壓直流輸電工程一極線路故障恢復，另一極電壓電流波動大的問題，本文提出了故障及重啟過程中屏蔽非故障極VDCL功能時間的策略，仿真試驗證明該策略有效。

［1］ 戴熙杰. 直流輸電基礎［M］. 北京： 水利電力出版社，1990.

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

［3］ 李濤， 李新年， 蔣衛平， 等. 交流線路對平行架設±500kV同塔雙回直流的影響及措施研究［J］. 電力系統保護與控制， 2010， 38（19）： 70-75.

［4］ 黃愛華， 鄭旭， 錢廣忠. 同桿并架多回路技術的應用［J］. 華東電力， 2006， 34（8）： 60-63.

［5］ 朱軍， 熊萬亮， 曹曉斌， 等. 共用走廊高壓輸電線路間耦合影響分析［J］. 華東電力， 2011， 39（12）：2021-2025.

［6］ 楊勇， 陸家榆， 鞠勇. 交流線路與±800kV直流線路同走廊時的地面混合電場研究（英文）［J］. 電網技術，2009， 33（15）： 54-59， 86.

［7］ 熊萬亮. 超/特高壓輸電走廊雷電繞擊特征及電磁耦合特性研究［D］. 成都： 西南交通大學， 2013.

［8］ 鄭楠， 鄭彬， 班連庚， 等. 750kV強耦合并行單回架設線路感應電壓和電流研究［J］. 電網與清潔能源，2013， 29（8）： 38-44.

［9］ 王亞濤. HVDC中直流線路的互感機理及其對控制系統影響的研究［D］. 電力系統保護與控制， 2015， 43（12）： 28-33.

［10］ 溪洛渡-浙江金華±800kV特高壓直流輸電工程主回路參數研究報告［S］.

Research on the Optimization of UHVDC Line Fault Recovery Strategy

Zhou Xiaofeng Wu Yanwei Li Qian Zhang Yanhao Xu Pengjian
（XJ Electric Co.， Ltd， Xuchang， He'nan 461000）

To solve the problem that UHVDC DC line fault recovery logic is not perfect resulting DC power fluctuating even bipole blocking， a new strategy considering the HVDC working conditions and running power point against DC line faults is put forward. RTDS is used to simulate the DC line fault and build the equivalent line-to-ground fault model. A strategy inhibiting VDCL function of the non-fault pole for some time is illustrated to decrease the non-fault pole power fluctuation. Based on Xiluodu-Zhejiang Jinhua ±800kV UHVDC， it is concluded that the sugguested DC line fault recovery strategy can effectively keep the whole HVDC system stable against DC line faults.

UHVDC； RTDS simulation； DC line fault； line mutual-inductance

周曉風（1988-），男，碩士，工程師，主要從事直流輸電控制保護研究工作。