特高壓直流保護動作策略優化

趙森林， 盧亞軍， 呂鵬飛， 阮思燁， 張建鋒， 劉 凱， 馮 宇

(1. 南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102；2. 國網北京經濟技術研究院，北京 102209；3. 國家電力調度通信中心，北京100031；4. 中國電力科學研究院，湖北 武漢 430074)

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特高壓直流保護動作策略優化

趙森林1， 盧亞軍2， 呂鵬飛3， 阮思燁3， 張建鋒1， 劉 凱1， 馮 宇4

(1. 南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102；2. 國網北京經濟技術研究院，北京 102209；3. 國家電力調度通信中心，北京100031；4. 中國電力科學研究院，湖北 武漢 430074)

特高壓直流輸送容量大，一極停運對兩端交流系統的沖擊很大, 且導致單極大地回線運行，很大的入地直流電流對交流系統及附近的金屬件產生不利影響，尤其對在運的換流變以及換流站近端的變壓器產生直流偏磁，威脅換流變及變壓器的安全運行。文中對特高壓直流保護中的換流器差動保護、接地極線過負荷保護、接地極線不平衡保護以及線路重啟邏輯的動作策略進行了優化，可大大縮短上述保護動作一極閉鎖后單極大地回線運行的時間，減少流入大地的直流電流對交流系統、金屬件、換流變及變壓器的影響；并針對接地極引線增加了接地極線差動保護和接地極線差動監視報警功能，提高了接地極線的保護水平。文中的策略已應用于哈鄭、靈紹直流工程, 現場試驗效果良好。

特高壓直流輸電；保護優化；重啟邏輯；接地極線保護

0 引言

特高壓直流輸電技術是支撐國家能源戰略的重要技術，在國務院《大氣污染防治行動計劃》、《政府工作報告》中都強調，增加清潔能源供應，節能減排、環境治理，通過跨區送電，優化能源配置。目前，已經建成6條特高壓直流輸電通道，承擔西北風電、西南水電的集中送出任務，在緩解東部地區用電缺口的同時，減輕環境污染壓力。未來五年，還有超過8條輸電線路將建成投運。目前特高壓直流工程容量也越來越大，向上特高壓直流工程容量為6400 MW，錦蘇特高壓直流工程容量為7200 MW，哈鄭、溪浙特高壓直流工程容量為8000 MW，錫盟—泰州、上海廟—臨沂特高壓直流工程容量為10 000 MW，當直流滿負荷運行時，當某一極故障導致直流保護動作停極，將會損失約一半的功率，對兩端交流系統的擾動較大；且在一極閉鎖后直流系統將會單極大地回線運行，非常大的直流電流使換流站附近大地形成較大電位差，將對交流系統、地下金屬件等產生不利影響；也可能對在運換流變以及附近的變壓器產生直流偏磁，威脅換流變或變壓器的安全運行[1-9]。因此對特高壓直流輸電的可靠性和安全性提出了更高要求。

本文對特高壓直流工程的換流器差動保護、接地極過負荷保護、接地極不平衡保護[10-12]和線路保護重啟邏輯策略進行了優化，大大縮短了上述保護動作后一極閉鎖后單極大地回線運行的時間，減少了流入大地的直流電流對交流系統、金屬件、換流變及變壓器的影響，增加了換流器個數的可用率。另外，對接地極線增加接地極線差動保護和接地極線差動監視報警功能，提高接地極線的保護水平，提高特高壓直流輸電系統的可靠性和可用率。

1 換流器差動保護動作策略優化

從目前特高壓運行經驗來看，直流側高壓穿墻套管是運行設備中一個薄弱環節，2015年1月25日國內某特高壓換流站由于套管故障導致極母線差動保護動作停極。

早期特高壓直流工程TA配置如圖1所示，高壓側穿墻套管在極母線差動保護的保護范圍內，若將閥廳內TA外移，則穿墻套管故障可以作為換流器區域故障，可以通過優化換流器差動保護的動作策略，并和極差動保護(換流器差動保護后備保護)配合，使健全換流器能夠繼續運行。

圖1 特高壓直流工程測點配置圖Fig.1 Measurement configuration of UHVDC

1.1 特高壓直流工程換流器差動保護原理

(1) 高壓換流器保護原理，即：

|IDC1P-IDC1N|>max(I_set,k_set*

|IDC1P+IDC1N|)

(1)

式(1)中:IDC1P為高壓換流器高壓側直流電流;IDC1N為高壓換流器低壓側直流電流。

(2) 低壓換流器保護原理，即:

|IDC2P-IDC2N|>max(I_set,k_set*

|IDC2P+IDC2N|)

(2)

式(2)中：IDC2P為高低壓換流器高壓側直流電流；IDC2N為低壓換流器低壓側直流電流。

(3) 換流器差動保護的動作結果為閉鎖極，跳高低壓換流變進線開關。極差動保護原理為：

|IDL-IDNE±IAN±ICN|>

max(I_set,k_set*|IDL+IDNE|)

(3)

圖2 特高壓直流工程開關刀閘示意圖Fig.2 Breaker and switch configuration of UHVDC

式(3)中：IDL為直流線路電流；IDNE為中性母線靠近接地極側直流電流；IAN為中性母線避雷器電流；ICN為中性母線沖擊電容器電流。

極差動保護的動作結果為閉鎖極，跳高低壓換流變進線開關。早期特高壓工程套管故障以后，運行人員向運維管理部門、調度部門進行匯報，匯報檢查以后，調度部門再下令起動健全換流器或者轉金屬回線運行方式，耗時較長。

為了提高換流器可用率，加快系統恢復速度，可以將換流器差動保護動作結果優化：換流器差動保護動作后執行極閉鎖、換流器隔離、極隔離、跳故障換流器換流變進線開關；待故障換流器完成隔離后，健全換流器自動投入運行。健全換流器自動投運后，直流系統總功率保持閉鎖后的功率不變。該種方案的優點是使接地極流過大電流的時間盡量縮短，對換流變及換流站附近的變壓器產生的直流偏磁影響較小，且可用換流器個數比優化前多一個，提高了設備可用率。

由于極差動保護為整個直流場區及換流器區接地故障的后備保護，換流器區接地故障也在極差動保護動作范圍內，因此優化換流器差動保護需考慮極差動保護影響。

1.2 改進點

(1) 取消了換流器差動保護跳非故障換流器換流變進線開關的動作后果，極差動保護拆分成有換流器差動動作和無換流器差動保護動作，其中有換流器差動保護動作下的極差動保護取消跳高低壓換流變進線開關的動作后果。

(2) 自動恢復起極后，到雙極電流平衡運行，需要極平衡過程，和通常極平衡過程(速率375 MW/min)不同，為了盡快完成該過程，速率增大到1 000 000 MW/Min，過程大概需1 s；

(3) 若極隔離過程中中性母線開關失靈保護動作，則閉鎖健全換流器自動恢復邏輯。

以國內某特高壓為例，說明套管故障后的動作策略，2站的開關刀閘示意圖如圖2所示。

套管故障動作以后自動恢復健全換流器的操作流程如圖3所示。

圖3 自動恢復健全換流器操作流程圖Fig.3 Flowchart of auto deblocking healthy converter

在國內某特高壓工程實時仿真系統中模擬高壓換流器穿墻套管故障，故障前極1、極2均為雙極功率全壓運行，運行功率8000 MW。在RTDS上模擬站1高壓側套管故障100 ms。

1.3 動作結果

站1高壓換流器差動保護II段動作后，閉鎖極1，跳開站1高壓換流器換流變進線開關，站1依次進行極隔離，隔離高壓換流器，連接低壓換流器(閉鎖過程中可能會合旁通開關，連接換流器操作主要拉開旁通開關)，極連接；站2無需進行極隔離，站2依次隔離高端換流器，連接低端換流器，兩站滿足準備運行(簡稱RFO)后，極1低壓換流器自動恢復運行，恢復后極1單換流器運行于雙極功率控制模式，極2正常運行于雙極功率控制模式，總功率水平維持極1閉鎖后的雙極總功率不變，極1、極2雙極電流平衡。主要動作過程如圖4所示。故障前的運行狀態如圖5所示。

圖4 套管故障控制保護動作過程Fig.4 Operation of control and protection after bush fault

圖5 故障前站1運行狀態Fig.5 Operation status of station 1 before fault

極1閉鎖后的RFO運行狀態如圖6所示，高壓換流器進行隔離，低壓換流器不進行隔離，處于換流器連接狀態。低壓換流器自動恢復運行后運行狀態如圖7所示。

圖6 P1閉鎖后站1運行狀態Fig.6 Operation status of station 1 after P1 blocked

通過對非故障換流器的自動恢復運行，使流過接地極線電流降至最小，并且在運換流器比優化前多，提高了設備可用率。

2 接地極線保護優化

2015年7月13日某特高壓工程穿墻套管故障閉鎖時由于中性線電壓波動較高，導致接地極線絕緣擊穿從而發生接地極引線接地故障，由于故障電流較大，導致部分接地極線被燒壞，接地極區故障示意圖如圖8所示。

目前接地極線區保護配置了接地極線過負荷和接地接線路不平衡保護。

(1) 接地極線過負荷保護原理，即：

|IDEL1|>I_setor |IDEL2|>I_set

(4)

式(4)中：IDEL1為接地極線1靠近站內直流電流；IDEL2為接地極線2靠近站內直流電流。

系統雙極運行時執行極平衡，單極運行時執行功率回降, 目前該工程的動作定值為0.75 p.u.，動作時間為120 s。

(2) 接地極線不平衡保護，即：

|IDEL1-IDEL2|>I_set

(5)

延時1 s動作報警。通過分析事件記錄，可以得到接地極線過流情況，如圖9所示。

圖9 直流接地極線路故障時接地線過流情況Fig.9 Electrode line overload after grounding fault

目前接地極線過負荷保護沒有展寬，由于中間保護返回，保護重新計時導致接地極線過負荷保護未動作。

(3) 針對上述情況，可將接地極線過負荷保護中增加展寬時間，且約為動作時間的2%，并適當縮短定值，上述接地極線過負荷可動作。動作后直流系統將進行功率回降，接地極線將不會被燒壞，但接地故障不會消除。此時不平衡保護也只是報警，不能消除故障。因此需對接地極線不平衡保護進行優化，針對單根接地極線路發生接地短路、不能熄弧的故障，增加保護動作段，保護動作判據建議：

|IDEL1-IDEL2|>I_set1&|IDEL1|>

I_set2&|IDEL2|>I_set2

(6)

3個條件同時滿足時保護出口，后2個條件的判據是為了排除接地極引線斷線的可能。保護動作結果為單極運行時執行移相重啟，使故障點熄弧，重啟后仍滿足上述判據，則自動轉換成金屬回線運行；雙極運行時執行極平衡，故障點就無電流，系統可以繼續運行。

(4) 為了避免產生中間狀態下的風險，自動轉金屬回線開始一段時間內如未完成則整個工程自動停運。但在某些情況下，譬如兩根接地極線在同一地點同時接地故障，此時不平衡保護將不會動作。為了更好的保護接地極線，可以在接地極址側增加TA(IDEE1，IDEE2)，IDEE1為接地極線1靠近接地極址直流電流，IDEE2為接地極線2靠近接地極址直流電流，與換流站內的TA作差，配置接地極線差動保護，保護TA配置圖如圖10所示。

圖10 增加接地極側測點配置圖Fig.10 Configuration of adding electrode side measurement

保護原理為：

(7)

動作結果為單極運行時執行移相重啟，重啟不成功閉鎖；雙極運行時執行極平衡。目前國內哈鄭特高壓工程的定值I_set為100 A，k取值0.1，單極移相重啟時間取值5 s，重啟不成功1 s后閉鎖；雙極極平衡時間為1.5 s。

圖11為哈鄭工程單極最小功率接地極線末端故障(距離站內99%)波形圖。從圖11可以看到，即使在線路末端，差流明顯，保護正確動作。

圖11 接地極線末端故障波形圖Fig.11 Wave of fault at the end of electrode line 1

另外，接地極線還配置了接地極線阻抗監視[13，14]，當系統雙極平衡運行時，接地極線故障主要靠接地極線阻抗監視報警，但目前在運工程阻抗監視經常誤報警，給運維帶來不便。因此，可以通過增加接地極線差動監視報警來監視雙極平衡運行時的接地故障。

(5) 該策略要求兩端TA測量精度較高，目前特高壓站IDEL1，IDEL2都配置了大小量程的TA，小量程的TA額定值為50 A，測量精度為0.2%，因此建議IDEE1，IDEE2亦配置大小量程的TA，精度與IDEL1，IDEL2保持一致。大量程用于接地極線差動保護，小量程用于接地極線差動監視報警。報警的原理為：

(8)

I_set推薦取值2 A，延時5 s報警，為了防止上述監視誤報警，當|IDEL1|>50 A或|IDEL2|>50 A閉鎖上述報警功能。而當雙極平衡運行時，理論上接地極線電流為0，即使有故障接地極線差動報警也不起作用。為了能讓接地極線差動報警監視功能起作用，可以在兩極的電流控制器中定時疊加一個±5 A的附加量，總功率保持不變，持續時間10 s，可以自動觸發，每天一次，也可以由運行人員手動觸發，這樣接地極線將流過10 A電流。可以結合接地極阻抗監視，就可以準確地判斷接地極線是否存在故障。

圖12為哈鄭直流P1電流510 A，P2電流500 A雙極運行工況下接地極引線1末端接地(距離站內99%)故障波形圖。由圖12可以看出，差流超過2 A，保護能夠正確報警。

圖12 雙極運行時接地極線末端故障波形圖Fig.12 Wave of fault at the end of electrode line 1 in bipolar operation

3 線路重啟策略優化

直流線路保護動作一般會啟動直流線路故障重啟功能，用于直流架空輸電線路瞬時性故障后迅速清除故障恢復送電，最大限度確保直流系統的正常運行[15-18]。目前特高壓工程線路故障時重啟策略采用2次原壓重啟、一次降壓重啟，降壓重啟不成功后跳閘。

為了避免線路故障停極后較長一段時間內單極運行，線路保護在重啟邏輯跳閘以后可以進行優化，重啟邏輯跳閘動作后不跳高低壓換流變進行開關，進行極隔離，自動恢復高壓換流器，此時雙極運行的總功率與單極閉鎖的后總功率不變，增加雙極運行的概率，減少了單極大的運行時間，增加了換流器運行的數量，提高了設備的可用率。對于分層接入的特高壓直流工程，需要恢復的換流器根據系統要求進行選擇。

線路故障自動重啟邏輯過程如圖13所示，其重啟過程與換流器差動保護自動恢復非故障換流器類似，操作過程基本一致，與其不同的是線路故障需要兩站都進行極隔離，防止閉鎖時由于兩站合上旁通開關導致故障點無法熄弧的，影響單換流器自動重啟。

圖13 線路故障重啟邏輯流程圖Fig.13 Flow chart of restart logic after line fault

4 結論

通過對換流器差動保護和線路重啟策略優化，大大縮短了單極大地的運行時間，降低了其他換流變及換流站周邊變壓器遭受直流偏磁的風險，提高了換流器的可用率，提高直流系統的可靠性。通過優化接地極線過負荷和不平衡保護，并增加接地接線差動保護和報警監視功能，大大提高了接地極引線的保護水平，為特高壓穩定可靠運行提供了重要保障。目前特高壓直流保護優化策略已在哈鄭、靈紹、酒湖特高壓直流中應用，現場試驗效果較好，為后續特高壓直流建設提供了有益的參考和借鑒價值。

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(編輯 徐林菊)

Optimization of UHVDC Protection Action Strategy

ZHAO Senlin1，LU Yajun2， LYU Pengfei3，RUAN Siye3，ZHANG Jianfeng1，LIU Kai1，FENG Yu4

(1. Nanjing Nari-relays Electric Co., Ltd, Nanjing 211102，China; 2. State Power Economic Research Institute，Beijing 102209，China; 3. National Power Dispatching & Communication Center，Beijing 100031，China;4. China Electric Power Research Institute, Wuhan 430074，China)

UHVDC transmission capacity is large, there will be a great impact on both sides of connecting ac system while one pole is outage，leading another pole in monopolar ground circuit operation mode. At this time the high amplitude dc current flowing into ground will have negative effects on the AC system and the metal parts nearby, producing DC magnetic biasing in converter transformers in operation and transformers nearby, threatening the safety operation of converter transformers and other transformers. Optimizations of the protection strategy in UHVDC including the converter differential protection，the grounding electrode line overload protection, the grounding electrode line unbalance protection and line fault restart logic is described in this paper, extremely shortening the operation time of the monopolar ground circuit operation mode after action of above protections, reducing influence of DC current flowing into the earth on the AC system，metal parts, converter transformers and other transformers. In order to improve the electrode line protection level, the grounding electrode line differential protection and supervision are added. These strategies have been applied in Hami-Zhengzhou UHVDC project and Linzhou-Shaoxin UHVDC project, the result of field test is effective and good.

UHVDC; protection optimization; restart logic; grounding electrode line protection

2017-01-31；

2017-03-08

TM723

A

2096-3203(2017)04-0143-07

趙森林

趙森林(1981—)，男，安徽桐城人，工程師，研究方向為直流控制保護開發與研究(E-mail：zhaosl@nrec.com)；

盧亞軍(1982—)，男，河南虞城人，高級工程師，研究方向為特高壓直流成套設計及仿真分析(E-mail：luyajun@chinasperi.sgcc.com.cn)；

呂鵬飛(1979—)，男，山東煙臺人，高級工程師，研究方向為繼電保護管理(E-mail：lv_pengfei@sgcc.com.cn);

阮思燁(1992—)，男，福建寧德人，高級工程師，研究方向為繼電保護管理(E-mail：ruansiye@sgcc.com.cn);

張建鋒(1977—)，男，江蘇洪澤人，高級工程師，研究方向為直流控制保護(E-mail：zhangjf@nrec.com);

劉 凱(1986—)，男，江蘇宿遷人，工程師，研究方向為特高壓直流控制保護技術(E-mail：liukai@nrec.com.cn);

馮 宇(1978—)，男，內蒙古呼和浩特人，高級工程師，研究方向為電力互感與電能質量(E-mail：fengyu@epri.sgcc.com.cn)。