特高壓直流工程的融冰控制保護策略及試驗分析

薛海平， 趙森林， 盧亞軍， 劉 凱

(1.南京南瑞繼保電氣有限公司， 江蘇 南京 211100；2.國網北京經濟技術研究院， 北京 102209)

特高壓直流工程的融冰控制保護策略及試驗分析

薛海平1， 趙森林1， 盧亞軍2， 劉 凱1

(1.南京南瑞繼保電氣有限公司， 江蘇 南京 211100；2.國網北京經濟技術研究院， 北京 102209)

極端氣候條件和輸送功率的限制使得直流電流無法滿足融冰要求，導致直流輸電線路形成覆冰，這將嚴重影響特高壓直流系統的穩定運行。本文結合酒湖直流工程的融冰功能，闡述了特高壓直流輸電工程中循環阻冰模式和并聯融冰模式運行的主接線拓撲結構與特點，提出了循環阻冰模式下兩極聯跳的策略和并聯融冰模式下直流控制保護功能的修改方案。通過RTDS閉環實時數字仿真驗證了融冰功能的可行性和有效性，可為特高壓直流輸電工程融冰運行方式的直流控制保護系統設計提供參考。

特高壓直流；循環阻冰；并聯融冰；控制保護系統

直流輸電工程可實現遠距離、大容量輸電，高壓直流線路可能穿越多個覆冰區域，為防止線路覆冰造成的停電事故[1]，在直流輸電工程中采用線路融冰技術[2-4]。輸電線路的冰害事故在一定范圍內是可防治的[5]。為提高特高壓直流線路融冰能力，特高壓直流輸電工程引入了融冰運行方式[6]。直流融冰是解決輸電線路覆冰、緩解冰雪災害的有效方案[7]。

目前國家電網公司已投運的向家壩—上海、錦屏—蘇南和溪洛渡左岸—浙江金華±800 kV特高壓直流輸電工程均采用了融冰技術[8]，提高了直流線路的防冰、抗冰能力，對保障直流輸電工程乃至整個電力系統的安全穩定運行具有重大意義。

在建的酒泉—湖南±800 kV特高壓直流輸電工程(簡稱“酒湖直流工程”)是首條直接為湖南供電的特高壓直流輸電工程，直流線路全長約2360 km，輸送容量8000 MW。基于直流線路途徑的地區和氣候條件，酒湖直流工程設計了循環阻冰和并聯融冰兩種融冰模式。

循環阻冰是使特高壓直流工程的雙極功率方向相反，可以在直流雙極總功率很小的情況下實現較大的線路電流，防止線路覆冰形成；并聯融冰一般是將特高壓直流換流器從串聯接線方式轉換為每站雙極高端換流器并聯運行，產生很大的融冰電流，可迅速融化已經形成的覆冰。

本文根據特高壓直流控制保護系統的技術特點[9-10]，結合酒湖直流工程的融冰功能，闡述了特高壓直流工程的循環阻冰模式和并聯融冰模式運行的主接線拓撲結構和特點，提出了融冰模式下兩極聯跳的策略和直流控制保護功能模塊的修改方案，并對酒湖直流工程融冰功能的仿真試驗及在試驗中發現的技術問題進行了剖析，并提出了解決措施，從而為特高壓直流輸電工程融冰運行方式的直流控制保護系統設計提供參考。

1 特高壓直流融冰方式和特點

特高壓直流輸電工程的融冰方法主要有以下幾種：

(1) 采用直流輸電的正常運行方式融冰。

(2) 采用雙極反向送電方式融冰。

(3) 采用雙極兩個換流器并聯運行方式融冰。

以上的融冰方式均是利用電流在輸電線路上的熱效應來融化直流線路導線的覆冰。循環阻冰模式主要用于預防線路結冰，其原理如上述方法2，并聯融冰模式主要用于融化輸電線路已有的覆冰，其原理如上述方法(3)。

直流輸電正常方式可采用雙極平衡大電流運行或者單極金屬回線大電流運行進行直流線路融冰，其特點是不需要對系統主接線做任何改動，且控制保護系統的軟件也不需要修改，但若只能輸送較小功率有可能使線路電流起不到融冰效果。

循環阻冰模式則是一極功率正送，另一極功率反送，可在零功率輸送下將輸送電流控制在接近額定電流運行。循環阻冰模式主接線如圖1所示(圖1所示黑色填充的一次設備表示其閉合或運行；無填充的表示其斷開或停運)，其特點是無需更改系統主接線，適用于較小輸送功率下實現線路融冰，但是雙極功率異向傳輸大電流運行時，若某一極故障跳閘后，健全極大功率傳輸對兩端交流系統的沖擊很大，直流控制保護系統軟件需要提出切實可行的雙極聯動跳閘邏輯。

并聯融冰模式將構成雙極的兩個高端換流器通過相應的刀閘、引線改造成相并聯的換流系統，在輸送相同功率時，可以提高直流線路融冰電流近一倍，但是主接線的更改需要增加額外的設備投資，并且需要修改相應的直流控制保護策略來實現該方式下的系統穩定運行。并聯融冰模式整流側主接線如圖2所示(圖2所示黑色填充的一次設備表示其閉合或運行；無填充的表示其斷開或停運)，逆變側的主接線結構與整流側相近。

圖1 特高壓直流循環阻冰模式主接線圖

采用直流輸電正常方式進行線路融冰，不涉及系統主接線和直流控制保護軟件的修改，下面基于酒湖直流工程介紹特高壓直流工程的循環阻冰模式與并聯融冰模式下兩極聯跳的策略和直流控制保護功能模塊的修改方案。

圖2 特高壓直流并聯融冰模式整流側主接線圖

2 融冰方式控制與保護策略

特高壓直流控制保護系統在整體結構、分層及冗余、功能配置、控制保護策略等方面均與常規直流工程有所區別[11]。酒湖直流工程的極控制保護系統按分層冗余原則[12，13]進行配置，換流站內的控制系統按功能分為雙極控制層、極控制層和換流器控制層等3個層次，如圖3所示。

極1與極2的系統配置完全相同且相互獨立。雙極層控制與極層控制系統一體設計，不設置獨立的雙極控制主機，將無功控制等雙極層功能配置在兩極的極控制主機PCP中實現。對功率/電流指令的計算和分配、站間電流指令協調、無功設備投切控制、直流順序控制等功能，由PCP主機實現。對直流電流、直流電壓、熄弧角等閉環控制，以及換流器的解、閉鎖等功能，由換流器控制主機CCP實現。

圖3 酒湖直流工程極1控制保護系統結構圖

PCP與CCP間主要傳遞電流指令和控制信號。

與直流控制分層相對應，直流保護系統由極保護主機PPR和換流器保護主機CPR組成，采用三重化配置，通過三取二邏輯確保每套保護單一元件損壞時保護不誤動，保證安全性。雙極保護功能在PPR主機中實現。

2.1 循環阻冰模式

循環阻冰模式下兩個極的功率方向相反，極1功率正送，則極2功率反送，反之亦然。酒湖直流工程單極輸送的功率為4000 MW時可得到額定的直流電流5000 A，直流系統循環阻冰模式運行的總傳輸功率很小，甚至可以通過調整電壓參考值使某一端換流站總交換功率為0，而另一端的功率全部用于線路融冰損耗。

直流系統循環阻冰模式運行時，一旦故障造成一極停運，直流系統會轉入單極大地回線運行，系統將會出現大功率傳輸的運行工況，給兩側交流系統造成沖擊。為避免這種情況，在極控制主機PCP中為這種融冰模式配置了一極閉鎖另一極聯跳的保護功能，即判斷對極故障停運時，立即將本極閉鎖跳閘，相應的策略如圖4所示。

圖4 循環阻冰模式下的兩極聯跳策略

當兩極都處于循環阻冰模式運行，一極因故障停運，另一極判斷出本極與對極的功率值差大于200 MW(單閥組的最小運行功率)，則由有效系統(即ACTIVE值班系統)執行本極的閉鎖跳閘邏輯，實現兩極聯跳功能。

2.2 并聯融冰模式

酒湖直流工程的并聯融冰模式運行，即通過在兩端換流站增加少量連接線和隔離開關將兩個極的高端換流器并聯連接，并采用金屬回線方式運行。直流輸電線路兩端的4個換流器在同一個直流電壓下運行，換流器間的有功調節和分配主要是依靠控制改變換流器的直流電流來實現。酒湖直流系統的4個換流器的控制方式分別為：酒泉換流站極1高端換流器定電壓控制、極2高端換流器定電流控制；湘潭換流站雙極高端換流器均為定電流控制。

直流控制系統針對并聯融冰模式運行需調整以下控制功能(下面提及的開關/刀閘設備的所在位置可參見圖2。

(1) 直流功率和電流控制：正常運行時整流側控電流，逆變側控電壓。因并聯融冰模式下兩站換流器的控制方式發生了改變，需屏蔽電流裕度補償功能模塊CMR；直流線路電壓隨著融冰電流的升高而降低，調整低電壓限流功能VDCL的電壓高點值UD_High；直流系統控制方式設定為單極電流控制。

(2) 直流電壓控制：正常運行時采用大地回線或金屬回線方式，并聯融冰模式下主接線拓撲結構發生改變，需修正直流線路電壓降計算方法；雙極兩換流器并聯運行，修正極2直流電壓UD的極性。

(3) 直流開關場和模式順序控制：在正常運行回路中通過設置斷口連接形成極1/極2并聯金屬回線的融冰回路，因極連接和金屬回線的狀態判斷需對WN.Q14、極1的WP.Q18、極2的Q11、Q13、WP.Q17進行處理；酒湖直流工程設計的融冰刀閘WN.Q31、WN.Q32和WN.Q27，增加融冰方式接線的開關場順序控制和融冰模式順序控制。

(4) 換流變分接頭控制：增加融冰方式的分接頭控制策略。正常運行時逆變側的分接頭控制關斷角γ在17°左右，因直流系統運行模式的改變，需調整逆變側分接頭調節γ的范圍。

(5) 過負荷控制：考慮逆變側電壓不應小于正常方式下80%降壓水平所對應的逆變側電壓，γ不應大于40°，核算后的最大融冰電流限制為7 300 A，即酒湖直流工程的最大融冰電流為額定電流的1.46倍。

(6) 測量接口與監視：因極2所采集的直流線路電流IDNC、直流中性母線電流IDNE與正常運行時的極性發生了改變，測量接口需進行相應轉換；并聯融冰模式采用雙極金屬回線方式運行，調整對中性母線電壓UDN、金屬回線電流IDME的監視。

直流保護系統針對并聯融冰模式運行需調整以下保護功能。

(1) 極母線保護：正常運行時極母線差流計算根據換流器的運行狀態選擇IDCP(換流器極線側直流電流)。因主接線拓撲結構的改變，并聯融冰模式下極2極母線差動保護計算需采用IDCN(換流器中性線側直流電流)。

(2) 中性母線保護：正常運行時，中性母線差流計算根據換流器的運行狀態選擇IDCN，而在并聯融冰模式下，極2中性母線差動保護計算需采用IDCP。

(3) 金屬回線保護：正常金屬回線方式運行時，只允許一個極運行而另一個極處于隔離狀態，金屬回線接地保護功能在站2針對運行極生效。并聯融冰模式下兩極都處于金屬回線方式運行，金屬回線接地保護功能在站2的兩極都生效，檢測直流場區域及線路區域的接地故障；退出金屬回線縱差保護功能。

(4) 直流線路保護：調整直流線路縱差保護的功能邏輯，采用兩極線電流和與對站電流和作差；屏蔽直流線路重啟邏輯，一極線路故障聯跳對極。

并聯融冰模式下兩站換流器的控制方式與正常運行時(酒泉站換流器的控制方式為定電流控制，湘潭站換流器的控制方式為定電壓控制)差異很大，所以在并聯融冰模式運行時設置了兩極聯跳邏輯，如圖5所示。

圖5 并聯融冰模式下的兩極聯跳邏輯

當直流系統處于并聯融冰模式時，一極因保護性閉鎖，另一極將執行并聯融冰模式閉鎖跳閘；因酒泉站極1高端換流器的控制方式為“定電壓控制”，其余3個換流器的控制方式為“定電流控制”，若先閉鎖極1高端換流器則極2直流系統將失去電壓控制，導致極2直流系統運行不穩定，因此即使極1正常停運，極2也將執行閉鎖跳閘。

3 仿真試驗分析

采用先進的RTDS仿真試驗手段[14]，在實驗室通過搭建的閉環實時數字仿真系統進行一系列試驗，以驗證酒湖直流系統融冰方式的控制保護策略。特高壓直流系統故障種類較為復雜，根據換流閥閉鎖時是否投旁通對，可以將特高壓直流保護閉鎖分為3種[15]：

(1) X閉鎖：不投旁通對閉鎖，通常用于閥故障。

(2) Y閉鎖：有條件投旁通對閉鎖，通常用于不會對設備施加嚴重壓力的直流側故障、交流側故障和極手動閉鎖。

(3) Z閉鎖：投旁通對閉鎖，通常用于接地故障或直流側的過電流故障。

3.1 控制功能試驗

3.1.1 并聯融冰模式的起極

將兩站直流場設備操作至并聯融冰模式(參見圖2的主接線)，待滿足直流系統起極條件后，在聯合控制模式下以最小電流指令500 A(0.1 p.u.)進行解鎖，先解鎖極1，再解鎖極2。直流系統解鎖時兩站直流電流、電壓的波形見圖6和圖7。

UDL_IN為直流線路電壓；UDN_IN為直流中性母線電壓；IDNC為直流線路電流；αO為觸發角指令圖6 酒泉站極1解鎖波形

圖7 湘潭站極1解鎖波形

因兩站的極2高端換流器都為定電流控制，若先解鎖極2則將導致極2運行不穩定，所以必須先解鎖極1。

3.1.2 并聯融冰模式的停極

兩極直流電流降至500 A后，將控制模式由“聯合控制”切換至“獨立控制”，待閉鎖整流站極2后閉鎖極1，再閉鎖逆變站的極2和極1。直流系統閉鎖時兩站直流電流、電壓的波形見圖8和圖9。

圖9 酒泉站極1閉鎖波形

若IR1，IR2表示為整流站極1、極2高端換流器的直流電流，II1、II2表示為逆變站極1、極2高端換流器的直流電流，忽略直流線路的電流損失，根據電流平衡原理：

IR1+ IR2= II1+ II2

(1)

每個換流器的最小運行電流為0.1 pu，所以當整流站極2閉鎖后，各換流器的直流電流關系轉變為：

IR1= II1+ II2

(2)

所以整流站極2閉鎖后，整流側極1的直流電流會迅速升至1000 A。

若在聯合模式下閉鎖極，則整流站和逆變站同時閉鎖，逆變站的閥組旁路開關Q1將自動合上，則逆變側將通過Q1使極線路短路，導致直流線路低電壓保護跳閘。所以在退出并聯融冰模式運行需切換至獨立控制模式，而且按照先閉鎖極2再閉鎖極1的順序操作。

3.1.3 并聯融冰模式電流的提升

并聯融冰模式下兩極解鎖成功運行穩定后，可將直流電流提升至最大融冰電流7300 A，如圖10所示。酒湖直流工程并聯融冰模式運行時最小融冰電流和最大融冰電流所對應的相關參數見表1。

圖10 酒泉站7300 A融冰電流運行界面

Ide/Aαr/(°)γi/(°)Udr/kVUdi/kVTCrTCiPr/MWPi/MW10001523．8400381131740037773001534．240026423129201924

注：Ide為融冰電流；αr為整流側觸發角；γi為逆流側熄弧角；Udr為整流側直流電壓；Udi為逆變側直流電壓；TCr為整流側分接頭檔位；TCi為逆變側分接頭檔位；Pr為整流側輸送功率；Pi為逆變側接收功率。

3.1.4 循環阻冰模式兩極聯跳

將直流系統操作至循環阻冰模式(參見圖1的主接線)，待滿足起極條件后以最小電流指令0.1 p.u.分別解鎖兩極。循環阻冰模式下，兩極解鎖的順序沒有影響。當兩極解鎖成功運行穩定后，模擬站1極1母線100 ms接地故障。站1極1極母線差動保護動作，執行Z閉鎖；站1極2通過循環阻冰模式下兩極聯跳邏輯跳閘，執行Y閉鎖。站1極1故障動作后極2聯跳的波形見圖11。

——為高端換流器觸發角；——為低端換流器觸發角；X_BLOCK為X閉鎖；Y_BLOCK為Y閉鎖；DEBLOCK為解鎖；BLOCK為閉鎖；RETARD為移相；RECT為整流側圖11 極2阻冰模式跳閘波形

3.2 保護功能試驗

所有保護功能試驗都在并聯融冰模式下雙極最小電流運行的工況下開展。

3.2.1 整流側換流器故障

模擬整流站極1高端換流器高壓側接地故障。故障動作時的波形見圖12和圖13。

PROT_FOSTA為對站保護閉鎖；TRIP_ACC為跳進線開關圖12 酒泉站極1高端換流器故障波形

圖13 酒泉站極2高端換流器跳閘波形

當整流站極1高端換流器發生接地故障后，換流器差動保護動作，執行X閉鎖。根據兩極聯跳邏輯，整流站極2高端換流器通過并聯融冰模式跳閘，執行Y閉鎖。

3.2.2 逆變側交流系統故障

模擬逆變側交流系統100 ms單相接地故障。故障動作時的波形見圖14。

γC為關斷角；——為交流A相電壓；——為交流B相電壓；——為交流C相電壓圖14 湘潭站交流系統故障波形

當逆變側交流系統發生短時故障后，通過換相失敗預測增加GAMMA角，穩定直流系統。

3.2.3 直流線路故障

模擬極1直流線路中點100 ms接地故障。故障動作時的波形見圖15和圖16。

圖15 酒泉站極1直流線路故障波形

圖16 湘潭站極1直流線路故障波形

并聯融冰模式下，整流側控制直流電壓，屏蔽直流線路重啟策略。當直流線路故障后，整流側電壓突變量保護動作，經直流線路保護重啟動跳閘，執行Y閉鎖。逆變側接收到對站保護動作信號，通過并聯融冰模式跳閘邏輯執行Y閉鎖。

3.2.4 金屬返回線/極中性線故障

若極2直流線路(并聯融冰模式下極2直流線路為金屬返回線)發生接地故障，逆變側兩極的金屬回線接地保護請求移相，整流側接收對站請求移相命令后，通過直流線路保護重啟動跳閘，執行Y閉鎖。逆變側再通過并聯融冰模式跳閘邏輯執行Y閉鎖。

若整流側極2極中性線發生接地故障，動作后果與金屬返回線接地故障相同。

4 結束語

特高壓直流工程的額定輸送電流大、輸送距離遠，當處于大電流運行時，電流在導線上產生的熱量可以緩解線路覆冰，達到一定的融冰效果。但冰雪災害易發時期且輸電系統難以安排足夠功率使直流輸電系統運行大電流工況，則容易發生覆冰倒塔。基于特高壓直流工程的特點，研究直流線路融冰方案和相關的控制保護策略具有重要意義。

本文結合酒湖直流工程闡述了循環阻冰模式下雙極聯跳的策略和并聯融冰模式下的直流控制保護功能的修改方案，通過RTDS實時數字仿真驗證了融冰策略的有效性，并將在現場調試時進一步測試融冰功能的可靠性，對今后特高壓直流工程融冰運行方式的控制保護系統設計具有一定的參考價值。

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薛海平

薛海平(1980 —)，男，江蘇江陰人，工程師，從事直流輸電控制保護、電力系統自動化的開發和研究；

趙森林(1981 —)，男，安徽桐城人，工程師，從事直流輸電控制保護的開發和研究；

盧亞軍(1982 —)，男，河南虞城人，工程師，從事特高壓直流成套設計及仿真分析；

劉 凱(1986 —)，男，江蘇宿遷人，工程師，從事特高壓直流控制保護的開發和研究。

Analysis of Control and Protection Strategy and Test for De-icing mode in UHVDC Project

XUE Haiping1，ZHAO Senlin1，LU Yajun2，LIU Kai1

(1. Nanjing Nari-Relays Electric Co. Ltd., Nanjing 211100, China;2. State Grid Economic Research Institute, Beijing 102209, China)

Because of extreme weather conditions and the limitation of the transmission power, the DC current can not meet the requirement of de-icing. And it will lead to the formation of the DC transmission line icing, affecting the stability of the UHVDC system seriously. Combined with the de-icing function in Jiuquan-Hunan UHVDC project, the main connection topological structure and characteristics of the round resistance ice mode and hybrid de-icing mode for the UHVDC project is described in this paper, and then the strategy of bipolar synchronous tripping in round resistance ice mode and the modified scheme of UHVDC control and protection function in hybrid de-icing mode are proposed. At last, the feasibility and effectiveness of the de-icing function are verified by RTDS closed loop real-time digital simulation. Reference is provided for the design of UHVDC control and protection system for the de-icing operation mode.

UHVDC; round resistance ice; hybrid de-icing; control and protection system

2016-10-17；

2016-11-19

國家電網公司科技項目(特高壓直流故障分析及協同處置關鍵技術研究)

TM73

A

2096-3203(2017)01-0084-07