永富直流工程零功率試驗(yàn)仿真研究

周玉勇吳寶生宋延濤楊 健張自朋

（1.許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000；2.國(guó)家電網(wǎng)公司運(yùn)行分公司上海管理處，上海 201413）

永富直流工程零功率試驗(yàn)仿真研究

周玉勇1吳寶生2宋延濤1楊 健1張自朋1

（1.許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000；2.國(guó)家電網(wǎng)公司運(yùn)行分公司上海管理處，上海 201413）

基于永富直流輸電工程對(duì)零功率試驗(yàn)進(jìn)行仿真，研究了試驗(yàn)原理、試驗(yàn)步驟、試驗(yàn)對(duì)控制保護(hù)系統(tǒng)的功能配置要求、試驗(yàn)過(guò)程中直流系統(tǒng)電氣參數(shù)的變化。通過(guò)仿真試驗(yàn)確定并驗(yàn)證了直流控制保護(hù)系統(tǒng)在零功率試驗(yàn)時(shí)的參數(shù)設(shè)置，仿真試驗(yàn)過(guò)程中直流控制保護(hù)系統(tǒng)無(wú)異常動(dòng)作，系統(tǒng)解鎖和閉鎖過(guò)程平穩(wěn)，電氣量及觸發(fā)角度正常，達(dá)到了仿真試驗(yàn)的目的，證明直流控制保護(hù)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置滿(mǎn)足要求。仿真研究的結(jié)果對(duì)工程現(xiàn)場(chǎng)的系統(tǒng)試驗(yàn)有指導(dǎo)和借鑒意義。

直流輸電；零功率試驗(yàn)；極控；直流保護(hù)；解鎖；閉鎖；仿真

目前國(guó)內(nèi)直流輸電工程主要由國(guó)家電網(wǎng)公司和南方電網(wǎng)公司負(fù)責(zé)建設(shè)、運(yùn)行和維護(hù)。通過(guò)對(duì)兩家電網(wǎng)公司的工程現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行比較，南方電網(wǎng)公司的工程項(xiàng)目在換流變正式帶電后需進(jìn)行零功率試驗(yàn)，其目的主要是驗(yàn)證直流控制系統(tǒng)與閥控系統(tǒng)及換流閥設(shè)備的觸發(fā)脈沖回路，檢驗(yàn)換流閥的通流能力。國(guó)網(wǎng)公司工程項(xiàng)目則是在換流變帶電前，進(jìn)行低壓加壓試驗(yàn)，更偏重于觸發(fā)回路和觸發(fā)角度的檢查驗(yàn)證。

永仁-富寧直流輸電工程（永富工程）是我國(guó)第一條省內(nèi)端對(duì)端直流輸電工程，永富工程額定輸送功率為3000MW，額定電流為3000A，額定直流電壓為±500kV，線路送電距離約為577km。基于永富工程直流控制保護(hù)設(shè)備廠內(nèi)系統(tǒng)調(diào)試階段，通過(guò)RTDS建模進(jìn)行零功率的仿真試驗(yàn)，在仿真試驗(yàn)過(guò)程中開(kāi)展了相關(guān)分析研究，即研究零功率的試驗(yàn)步驟、零功率試驗(yàn)對(duì)控制保護(hù)系統(tǒng)的參數(shù)配置要求以及零功率試驗(yàn)過(guò)程中直流系統(tǒng)主要電氣參數(shù)的變化等。

1 零功率試驗(yàn)原理

零功率試驗(yàn)在工程建設(shè)調(diào)試階段有著重要的意義，其中包括：①能夠系統(tǒng)的檢查直流輸電控制系統(tǒng)特性；②電流控制器調(diào)節(jié)特性；③換流閥控制系統(tǒng)功能；④觸發(fā)脈沖回路；⑤直流測(cè)量設(shè)備系統(tǒng)功能；⑥直流場(chǎng)模擬量通流及極性校驗(yàn)；⑦換流閥通流能力等。這是對(duì)一次設(shè)備和直流控制保護(hù)系統(tǒng)的綜合驗(yàn)證[1]。

零功率試驗(yàn)是換流變充電成功后的第一項(xiàng)重要試驗(yàn)，零功率試驗(yàn)的結(jié)果直接決定著現(xiàn)場(chǎng)后續(xù)的系統(tǒng)試驗(yàn)?zāi)芊裾ｉ_(kāi)展。

1.1 一次回路和接線

零功率試驗(yàn)通常針對(duì)一個(gè)換流站內(nèi)的某個(gè)極進(jìn)行開(kāi)展的，在試驗(yàn)前直流場(chǎng)需要增加臨時(shí)導(dǎo)線，其電氣連接示意圖如圖1所示。臨時(shí)導(dǎo)線將試驗(yàn)極的極母線與接地極的一條出線進(jìn)行連接，為零功率試驗(yàn)過(guò)程中直流電流提供導(dǎo)通路徑，試驗(yàn)時(shí)直流電流僅在本極范圍內(nèi)流通，運(yùn)行人員可對(duì)電流的大小進(jìn)行控制，電流導(dǎo)通方向如圖1中箭頭方向所示。

圖1 零功率試驗(yàn)接線示意圖

1.2 零功率試驗(yàn)系統(tǒng)工況

1）非試驗(yàn)范圍內(nèi)的設(shè)備狀態(tài)要求

由于零功率試驗(yàn)主要是分別驗(yàn)證各個(gè)閥組相關(guān)控制保護(hù)設(shè)備和閥控設(shè)備的觸發(fā)脈沖回路和換流閥的通流能力，因此對(duì)于本站非試驗(yàn)極和對(duì)站所對(duì)應(yīng)極均要求為極隔離狀態(tài)，避免其與零功率試驗(yàn)回路有電氣連接。

2）直流控制保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)

零功率試驗(yàn)對(duì)直流控制保護(hù)系統(tǒng)的要求，等同于正常的直流解鎖和運(yùn)行，因此，零功率試驗(yàn)時(shí)直流站控系統(tǒng)、交流站控系統(tǒng)以及所在極的極控系統(tǒng)和直流保護(hù)系統(tǒng)均在運(yùn)行狀態(tài)。

3）零功率試驗(yàn)時(shí)直流系統(tǒng)電氣參數(shù)

根據(jù)圖1所示，整流站極1在直流場(chǎng)完成臨時(shí)導(dǎo)線連接后，極1以電流控制模式解鎖，電流參考值及電流升降速率由運(yùn)行人員通過(guò)后臺(tái)下發(fā)。零功率試驗(yàn)解鎖后直流系統(tǒng)的主要電氣參數(shù)如下。

（1）直流電壓。由于零功率回路電阻較小，所以直流電壓幾乎為0kV。

（2）直流電流。直流極控系統(tǒng)PI控制器為定電流控制，故直流電流等于運(yùn)行人員設(shè)定的電流參考值。

（3）直流功率。由于直流電壓為零，所以試驗(yàn)過(guò)程中極1輸出的直流功率為0。

2 零功率試驗(yàn)對(duì)二次系統(tǒng)的參數(shù)配置要求

永富直流工程在正常運(yùn)行時(shí)直流電壓為額定值（±500kV），直流輸送功率與調(diào)度指令一致，點(diǎn)火角在15°±2.5°范圍內(nèi)。在零功率試驗(yàn)時(shí)，由于直流場(chǎng)主回路臨時(shí)導(dǎo)線改變了正常運(yùn)行時(shí)的電流流向和分配，直流電壓接近于 0，控制系統(tǒng)輸出的點(diǎn)火角也不在正常范圍內(nèi)，因此針對(duì)零功率試驗(yàn)，首先需要對(duì)直流控制保護(hù)系統(tǒng)相關(guān)控制和保護(hù)功能的參數(shù)配置進(jìn)行調(diào)整，然后才可進(jìn)一步開(kāi)展零功率試驗(yàn)[2]。

2.1 零功率試驗(yàn)對(duì)直流控制系統(tǒng)的影響分析

零功率試驗(yàn)時(shí)主要有如下特征，這些特征決定了控制系統(tǒng)的參數(shù)調(diào)整策略。

1）帶電范圍

零功率試驗(yàn)的帶電范圍僅包括一個(gè)站的一個(gè)極，相比較正常的解鎖，在站間通信正常時(shí)需要同時(shí)判斷兩站的直流場(chǎng)狀態(tài)，只有在兩站的直流場(chǎng)狀態(tài)均滿(mǎn)足條件后（如雙極大地回線、單極大地回線、單極金屬回線等），才允許運(yùn)行人員發(fā)出解鎖命令；由于零功率試驗(yàn)僅有試驗(yàn)所在的極，為極連接狀態(tài)，不具備正常的解鎖條件[3-4]。

基于以上因素，為了滿(mǎn)足零功率試驗(yàn)解鎖允許條件，可通過(guò)極控軟件置數(shù)，或直接斷開(kāi)站間通信來(lái)滿(mǎn)足。

2）直流電壓

在進(jìn)行零功率試驗(yàn)時(shí)，直流電壓在0左右，此種工況下極控系統(tǒng)的直流低電壓監(jiān)視、異常運(yùn)行監(jiān)視、低壓限流功能受到影響。

（1）直流低電壓監(jiān)視

直流低電壓監(jiān)視在整流站、逆變站均起作用，其邏輯原理如圖2所示。

圖2 直流低電壓監(jiān)視邏輯圖

為了避免零功率試驗(yàn)時(shí)極控系統(tǒng)直流低電壓監(jiān)視功能閉鎖，需要對(duì)此監(jiān)視功能進(jìn)行屏蔽。

（2）異常運(yùn)行監(jiān)視

異常運(yùn)行監(jiān)視功能，主要是通過(guò)對(duì)直流電壓、直流電流進(jìn)行判斷，當(dāng)其超出設(shè)定范圍后并持續(xù)一定的延時(shí)，極控發(fā)出告警并請(qǐng)求系統(tǒng)切換。如故障持續(xù)存在則閉鎖。極控系統(tǒng)異常運(yùn)行監(jiān)視邏輯原理如圖3所示。

圖3 異常運(yùn)行監(jiān)視邏輯圖

在零功率試驗(yàn)時(shí)，異常運(yùn)行監(jiān)視邏輯的直流電壓監(jiān)視原理滿(mǎn)足條件，故需對(duì)此進(jìn)行屏蔽。

（3）低壓限流功能

低壓限流（VDCL）的主要功能是當(dāng)直流電壓降低時(shí)，根據(jù)電壓實(shí)際值降低電流指令，在交流系統(tǒng)出現(xiàn)干擾或干擾消失后使系統(tǒng)保持穩(wěn)定，在交直流故障切除后，為快速、可控的再啟動(dòng)創(chuàng)造條件，在連續(xù)換相失敗時(shí)避免晶閘管過(guò)電壓。

VDCL的邏輯原理如圖4所示。

圖4 低壓限流功能邏輯圖

在圖4中，UD_LOW為0.45p.u.（225kV），UD_HIGH為1.0p.u.（500kV），I_ORD_MAX為2.0p.u.（6000A），I_ORD_LIM為0.2p.u.（600A）；在進(jìn)行零功率試驗(yàn)時(shí)，UD等于0，受VDCL功能的限制，直流電流將被限制在 0.2p.u.水平上，無(wú)法進(jìn)一步增大；為了避免試驗(yàn)時(shí)電流直流被VDCL限制，則需對(duì)I_ORD_LIM進(jìn)行修改，保證直流電流指令在要求的范圍內(nèi)[5]。

3）觸發(fā)角度

在進(jìn)行零功率試驗(yàn)過(guò)程中，觸發(fā)角應(yīng)為90°左右，極控系統(tǒng)大角度監(jiān)視受到影響。

極控系統(tǒng)大角度監(jiān)視原理如圖5所示。

圖5 大角度監(jiān)視邏輯圖

正常情況下，如果系統(tǒng)解鎖后觸發(fā)角大于60°小于 120°，經(jīng)過(guò)延時(shí)后就將閉鎖直流。針對(duì)零功率試驗(yàn)項(xiàng)目，結(jié)合零功率試驗(yàn)的持續(xù)時(shí)間，可以對(duì)延時(shí)時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，避免在零功率試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生閉鎖，影響試驗(yàn)的進(jìn)行[6]。

4）角度控制

角度控制是直流工程控制系統(tǒng)的核心所在，通過(guò)PI控制器完成對(duì)點(diǎn)火角的閉環(huán)控制，角度控制原理如圖6所示。

圖6 角度控制原理

角度控制主要由電流控制器、電壓控制器和熄弧角控制器實(shí)現(xiàn)的，根據(jù)圖6所示的原理，可對(duì)電流裕度和電壓裕度進(jìn)行設(shè)置，正常情況下整流站電流控制器起作用，即“定電流控制”；逆變站電壓控制器起作用，即“定電壓控制”；熄弧角控制器僅在逆變站有效，其作用是防止點(diǎn)火角過(guò)大導(dǎo)致?lián)Q相失敗的發(fā)生。

整流站定電流控制時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)觸發(fā)角度，控制直流電流，保證直流輸送功率與調(diào)度指令一致。當(dāng)直流電流低于電流指令時(shí)，減小觸發(fā)角，直流電壓升高，直流電流增大，向直流電流指令靠攏。

逆變站定電壓控制時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)觸發(fā)角度，控制整流側(cè)直流電壓在額定值，保證整流側(cè)的電壓恒定。當(dāng)整流側(cè)電壓高于額定值（500kV）時(shí)，逆變側(cè)減小觸發(fā)角，減小本側(cè)直流電壓，直流電流增大，整流側(cè)電流控制調(diào)節(jié)觸發(fā)角控制電流，最終將整流側(cè)電壓保持額定。

在零功率試驗(yàn)時(shí)，需保證直流電流與運(yùn)行人員下發(fā)的設(shè)定值一致，因此逆變站在進(jìn)行該項(xiàng)試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)設(shè)置為整流模式，從而避免電壓控制器起作用，在整流模式下，逆變站極控系統(tǒng)電流控制器有效，實(shí)現(xiàn)直流電流的閉環(huán)控制[7-9]。

5）分接頭位置

在零功率試驗(yàn)過(guò)程中，分接頭始終在最低檔位（換流變閥側(cè)電壓最低），因此對(duì)換流器解鎖前的分接頭自動(dòng)控制有影響；系統(tǒng)解鎖前，換流變分接頭控制模式為Udi0控制，正常情況下會(huì)根據(jù)閥側(cè)電壓實(shí)際值調(diào)節(jié)換流變檔位，將閥側(cè)電壓調(diào)整到參考值范圍內(nèi)；在零功率試驗(yàn)工況下，解鎖前應(yīng)將分接頭強(qiáng)制調(diào)整到最低檔位，使換流變閥側(cè)電壓最小，在試驗(yàn)過(guò)程中換流變檔位保持穩(wěn)定狀態(tài)，無(wú)需調(diào)節(jié)。

2.2 零功率試驗(yàn)對(duì)直流保護(hù)系統(tǒng)的影響分析

零功率試驗(yàn)解鎖后除了直流電壓為0外，直流電流的流通方向也因主回路臨時(shí)導(dǎo)線的影響發(fā)生了較大改變，根據(jù)圖1所示，解鎖后直流電流通過(guò)直流CT的方向順序?yàn)镮dch→Idl→Idee1→Idmrtb→Ide→Idcn。

在上述工況下，結(jié)合直流保護(hù)原理及判據(jù)，為了保證零功率試驗(yàn)的正常進(jìn)行，需要退出的以下保護(hù)功能[10-12]。

1）直流低電壓保護(hù)（27DC）

保護(hù)功能：在站間通信故障，逆變站投旁通對(duì)的時(shí)候閉鎖整流站。

保護(hù)判據(jù)：UdL＜SET。

動(dòng)作結(jié)果：閉鎖。

退出原因：零功率試驗(yàn)時(shí)，UdL=0。

2）直流線路低電壓保護(hù)（27DCL）

保護(hù)功能：直流線路高阻接地故障。

保護(hù)判據(jù)：UdL＜SET。

動(dòng)作結(jié)果：線路故障重啟。

退出原因：零功率試驗(yàn)時(shí)，UdL=0。

3）接地極電流不平衡保護(hù)（60EL）

保護(hù)功能：接地極線路故障。

保護(hù)判據(jù)：ABS（Idee1?Idee2）＞SET。

動(dòng)作結(jié)果：?jiǎn)螛O運(yùn)行時(shí)，移相重啟、重啟不成功閉鎖。

退出原因：零功率試驗(yàn)時(shí)，Idee2=0。

4）直流線路縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)（87DCLL）

保護(hù)功能：直流線路高阻接地故障。

保護(hù)判據(jù)：ABS（IdL?IdL_os）＞SET。

動(dòng)作結(jié)果：閉鎖。

退出原因：零功率試驗(yàn)時(shí)，IdL_os=0。

3 零功率試驗(yàn)仿真驗(yàn)證

3.1 仿真試驗(yàn)步驟

在仿真試驗(yàn)中，最關(guān)鍵步驟是在試驗(yàn)前完成對(duì)直流控制保護(hù)參數(shù)的修改；其中極控系統(tǒng)修改內(nèi)容見(jiàn)表1。

在表1中，異常運(yùn)行監(jiān)視時(shí)間、低電壓監(jiān)視時(shí)間、大角度監(jiān)視時(shí)間均被改為130s，其作用是在零功率試驗(yàn)成功解鎖后130s自動(dòng)閉鎖，結(jié)束試驗(yàn)；130s可以根據(jù)零功率試驗(yàn)計(jì)劃持續(xù)時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，異常運(yùn)行監(jiān)視、低電壓監(jiān)視、大角度監(jiān)視互為備用。

表1 極控系統(tǒng)零功率試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

在零功率試驗(yàn)前，直流保護(hù)系統(tǒng)可通過(guò)控制字退出以下保護(hù)功能：

直流低電壓保護(hù)（27DC）。

直流線路低電壓保護(hù)（27DCL）。

接地極電流不平衡保護(hù)（60EL）。

直流線路縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)（87DCLL）。

3.2 仿真試驗(yàn)過(guò)程

以永富直流工程整流站極1零功率試驗(yàn)作為驗(yàn)證對(duì)象，在RTDS仿真系統(tǒng)進(jìn)行建模，極1直流場(chǎng)中的臨時(shí)導(dǎo)線與圖1保持一致；直流控制系統(tǒng)由實(shí)際供貨的控制保護(hù)屏柜組成，除了控制系統(tǒng)點(diǎn)火脈沖信號(hào)外，所有控制保護(hù)系統(tǒng)跳閘均接入RTDS仿真系統(tǒng)。

通過(guò)后臺(tái)設(shè)定電流參考值為 1500A，解鎖極 1進(jìn)行零功率試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程如圖7所示。

根據(jù)圖7進(jìn)行分析，零功率試驗(yàn)過(guò)程中直流系統(tǒng)電氣特性主要表現(xiàn)如下。

圖7 零功率仿真試驗(yàn)（1500A）波形圖

直流電壓UDL由0升至0.04kV；直流電流 IDL由0升至0.15kA，升降速率及參考值與設(shè)定命令保持一致；直流電流方向?yàn)?Idch→Idl→Idee1→Idmrtb→Ide→Idcn；基于直流場(chǎng)臨時(shí)導(dǎo)線位置，導(dǎo)致接地極電流不平衡，即 Idee1等于 0.15kA，Idee2等于 0；直流功率約為0.006MW，相對(duì)于額定直流功率1500MW，即可視為零功率。

3.3 仿真結(jié)果分析

在仿真試驗(yàn)過(guò)程中，直流控制保護(hù)系統(tǒng)無(wú)異常動(dòng)作，系統(tǒng)解鎖和閉鎖過(guò)程平穩(wěn)，電氣量及觸發(fā)角度正常，130s設(shè)置時(shí)間達(dá)到后，極控系統(tǒng)低電壓監(jiān)視功能正確動(dòng)作，自動(dòng)閉鎖直流系統(tǒng)。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)永富直流工程零功率試驗(yàn)的仿真研究，確定了零功率實(shí)驗(yàn)對(duì)工程現(xiàn)場(chǎng)一次設(shè)備運(yùn)行工況及系統(tǒng)接線的要求，確定了零功率實(shí)驗(yàn)時(shí)控制系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置和直流保護(hù)保護(hù)功能配置，并對(duì)極控參數(shù)設(shè)置原理和屏蔽部分直流保護(hù)功能的原因進(jìn)行了分析。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，研究分析了零功率實(shí)驗(yàn)過(guò)程中直流輸電系統(tǒng)的電氣特性；仿真數(shù)據(jù)證明極控和直流保護(hù)的定值參數(shù)是正確的，能夠滿(mǎn)足零功率實(shí)驗(yàn)的要求。仿真研究的結(jié)果對(duì)工程現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際試驗(yàn)有指導(dǎo)和借鑒意義。

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Research on the Zero Power Test Simulation of Yongfu HVDC Project

Zhou Yuyong1Wu Baosheng2Song Yantao1Yang Jian1Zhang Zipeng1
(1.XJ Electric Corp.,Ltd,Xuchang,He’nan 461000；2.Shanghai Extra High Voltage Direct Current Administrative Department of State Grid Operation Limited Company,Shanghai 201413)

The zero power test simulation based on Yongfu HVDC project,the items of researching include:the principle of zero power test procedure,the test procedure,the function setting of DC control and protection systems only used for zero power test,and the characteristic of DC electrical parameters in zero power testing.Through simulation experiments,determine and verify the setting of DC control and protection systems,DC control and protection havn’t actioned abnormally in the process of simulation experiment,the process of system deblock and block is smooth and steady,DC electrical parameters and fire pulse angle are normal.The purpose of the simulation experiment is achieved,the results of the study have the guidance and reference for the Yongfu project.

HVDC transmission；zero power test；pole control；DC protection；deblock；block；simulation

周玉勇（1983-），男，本科，工程師，長(zhǎng)期從事高壓直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。