高壓直流輸電直流系統保護設備現場檢驗方法探索*

吳晉波，陳宏，熊尚峰，劉海峰，霍思敏

(1.國網湖南省電力公司電力科學研究院，長沙 410007； 2.湖南省湘電試驗研究院有限公司，長沙 410004；3.國網湖南省電力公司，長沙 410007)

0 引 言

作為跨區域大范圍資源配置的重要手段，(特)高壓直流輸電[1-3]已成為國家能源戰略的重要組成部分。近10年來已有一大批(特)高壓直流輸電系統[4-8]相繼建成投運，在保障能源供應、優化能源結構和轉變能源發展方式方面發揮了重要作用。而隨著特高壓直流建設步伐的加速，其在國家經濟、人民生活中影響將日益重大。直流系統控制保護[9-12]設備作為(特)高壓直流輸電系統的“大腦”，其性能直接決定(特)高壓直流輸電系統的性能。

現有的直流系統保護設備檢驗方法主要有以下幾種方法：

(1)實驗室檢驗[13-16]。在設備安裝前，直流系統控制、保護設備與RTDS等電磁數模仿真系統連接，構成測試平臺，利用仿真系統模擬一次設備及相關故障，開展設備性能檢驗工作。

(2)系統檢驗[17-20]。設備安裝后直流系統調試階段，直接在已送電的一次線路上設置短路，開展設備功能驗證工作。

上述兩類檢驗局限于直流系統正式投運前設備調試階段。對于已投運的直流系統，上述兩種檢驗方法均不適用：前者因設備不易拆卸運輸無法實施，后者因危險系數較高且可能對電網造成不良影響無法定期開展。

由于缺乏簡單便捷又有效可行的現場檢驗手段[21]，直流系統保護設備從投運至今通常未再檢驗，有的甚至已長達十年。保護設備長期得不到有效檢驗，設備板卡元件故障和程序缺陷得不到及時發現，將給直流控制保護系統、乃至整個(特)高壓直流輸電工程帶來嚴重隱患[22-25]。

文章根據直流系統保護設備現場檢驗技術難題，提出了各采樣通道外部加量方法和保護動作正確性判斷方法，提出一套完整的直流系統保護設備現場檢驗方法，該方法不需拆卸保護設備，易于實施，也不會對電網造成不良影響，安全風險小，且檢驗儀器易獲取，成本較低。應用所提方法在投運已超過十年的±500 kV江城直流鵝城換流站進行了試點應用，并獲得成功，驗證了所提方法可實現直流系統保護設備的現場定期檢驗。

1 現場檢驗原理

1.1 交流保護現場檢驗方法

目前國內針對已投運的交流系統保護設備的現場檢驗方法已較為成熟[26]。交流系統保護設備被檢驗的部分包括采樣回路(不含測量元件本體)、保護動作判據邏輯和動作回路。保護動作判據邏輯可視為一組不等式，如式(1)所示。X1、X2、. . .Xn為被檢保護設備一次采樣值。

(1)

當全部或部分不等式f、g成立時，被檢保護設備通過動作回路發出信號，動作于告警或跳閘。

由于受儀器、設備、安全等因素制約，交流保護現場檢驗通常不會選擇直接在一次設備上施加激勵量，而是在TV、TA二次側施加激勵量，如式(2)所示。x1、x2、. . .xn為激勵量，k1、k2、. . .kn為各采樣通道的變比值。

(2)

綜合式(1)、式(2)可得式(3)：

(3)

交流保護現場檢驗方法是在一次設備停電檢修期間，由現場外部施加激勵量，模擬交流系統故障或異常，通過具體保護動作行為，檢驗保護設備采樣回路、保護動作判據邏輯以及動作回路的正確性。采用這種方法，既無需拆卸運輸保護設備，也不會對電網造成不良影響。

1.2 直流保護現場檢驗技術難題

除保護動作行為需通過控制設備實現外，直流系統保護設備工作原理與交流系統保護設備，特別是智能變電站交流保護幾乎一致。因此，從原理上，在一次系統停電檢修期間，直流系統保護設備若能采用類似交流保護現場檢驗方法，即可開展現場定期檢驗，而且也無需考慮一次設備投退、與控制設備的協調、隔離等問題。

但實現直流系統保護設備現場定期檢驗，需要解決一系列技術難題，可歸納為以下兩個方面：

(1)外部施加激勵量如何實現。與交流系統不同，直流系統保護設備所使用的電流狀態量大多通過光電式電流互感器或零磁通電流互感器采集。上述測量設備提供給保護設備的采樣值并非電流二次模擬量。特別是光電式電流互感器[27]，直接將電流采樣值轉換為光數字信號提供給保護設備，而且光數字協議多為私有協議，技術保密。部分私有協議的光數字信號甚至直接接入保護設備。缺乏外部施加二次模擬量作為激勵量有效方法是阻礙直流系統保護設備現場檢驗的主要難題;

(2)保護動作正確性如何判斷。與交流系統不同，直流系統保護設備與控制設備構成一套整體系統，而非一系列單體設備。對其中某一個保護開展檢驗時，無法有效隔離其他保護，檢驗過程中必將受到其他保護信號影響，若按交流保護現場檢驗方法，通過具體保護動作行為如告警、控制系統切換、換流閥移相/閉鎖、極隔離、交流斷路器跳閘，判斷保護動作正確性是不可能的。此外，與交流保護不同，直流保護動作行為是通過直流控制設備實現的，在一次設備停電檢修期間，基于安全考慮，直流控制系統將保持換流閥閉鎖、極隔離等指令，此時即便收到被檢直流保護的動作信號，也不會執行相關動作行為；而直流控制與保護設備通過光纖數字LAN網通信，直流保護動作信號不易觀測。如何有效地判斷直流保護保護動作正確性也是亟待解決的問題。

2 外部施加激勵量實現方法

根據測量設備不同，保護設備外部采樣通道可分為光電式電流互感器通道、零磁通電流互感器通道、直流分壓器通道、以及交流電流/電壓互感器通道。針對不同的采樣通道，提出了不同的外部加量方法。

2.1 光電式電流互感器通道加量方法

(特)高壓直流系統中光電式電流互感器一般用于測量直流線路電流、閥組高壓進線電流、以及直流、交流濾波器高端電流和電容器組間不平衡電流等。目前常用的光電式電流互感器采樣通道由本體和光數字轉換器共同構成。本體位于被測量的高壓一次設備上，由負責測量的羅氏線圈、直流分壓器和負責光電轉換的光電模塊組成的。無論是羅戈夫斯基線圈或直流分流器，其特性均是輸出電壓與所測量的一次電流成正比，如式(4)所示:

IOCT=kOCTuOCT

(4)

式中IOCT為光電式電流互感器所測量的一次電流值，uOCT為羅戈夫斯基線圈或直流分流器輸出的二次電壓值，kOCT為一次電流測量值與二次電壓采樣值的比例，可視為光電式電流互感器的變比，與常規交流TA不同，kOCT單位為kA/mV。

光電模塊將uOCT轉換為光數字信號，傳輸給光數字轉換器。

光數字轉換器，位于控制保護室內，部分型號甚至直接布置在保護設備內部，用于接收、解析來自本體的光數字信號，一般視為保護設備的一部分。

光電模塊與光數字轉換器中，用于傳輸采樣數據的光電轉換協議一般為私有協議，技術保密，不對外開放，且不同廠家型號的光電式電流互感器的光電轉換協議也不一致。這是光電式電流互感器通道現場加量主要的難題。

圖1 所提光電式電流互感器通道加量方法接線示意圖

所提現場檢驗方法包含一種不需解析光電轉換協議的光電式電流互感器通道加量方法，如圖1所示：由一個可調直流電壓源和一個光電模塊模擬光電式電流互感器本體，并與保護設備中光數字轉換器聯接；可調直流電壓源用于模擬光電式電流互感器本體中測量部分；光電模塊與其模擬的光電式電流互感器本體中光電模塊同廠家同型號，利用其帶光電轉換協議，將可調直流電壓源輸出的模擬量轉換為光數字信號，傳輸給保護設備中的光數字轉換器；通過調節直流電壓源的輸出，實現外部施加激勵量。

2.2 零磁通電流互感器通道加量方法

(特)高壓直流系統中零磁通電流互感器一般用于測量中性母線電流、閥組低壓出線電流、接地極線路電流以及臨時接地極電流等。目前常用的零磁通電流互感器采樣通道由本體、電子模塊和模數轉換模塊共同構成。本體位于被測量的高壓一次設備上，由5組二次繞組構成。位于控制保護室內的電子模塊與二次繞組連接構成零磁通電流互感器測量回路，其功能是將一次測量值轉換為二次采樣值，如式(5)所示:

ICCT=kCCTuCCT

(5)

式中ICCT為零磁通電流互感器所測量的一次電流值，uCCT為電子模塊輸出的二次電壓值，kCCT為一次電流測量值與二次電壓采樣值的比例，可視為零磁通電流互感器的變比，與常規交流TA不同，kOCT單位為kA/V。

模數轉換模塊布置在保護設備內部，用于接收、轉換來自電子模塊的電壓模擬量信號，為保護設備的一部分。

圖2 所提零磁通電流互感器通道加量方法接線示意圖

所提現場檢驗方法包含一種零磁通電流互感器通道加量方法，如圖2所示：由一個可調直流電壓源模擬零磁通電流互感器測量回路，并與保護設備中模數轉換模塊聯接；通過調節直流電壓源的輸出，實現外部施加激勵量。

2.3 其他采樣通道加量方法

其他采樣通道包括直流分壓器通道、交流電流互感器通道、交流電壓互感器通道等。上述采樣通道與交流系統保護設備采樣通道構成原理基本相同。其外部加量方法可以直接采用交流系統保護設備加量方法，即由被測電氣量對應的電壓或電流源作為激勵源，模擬測量設備輸出。

上述所提出的光電式電流互感器通道、零磁通電流互感器通道、以及其他采樣通道的加量方法均無需拆卸一次和保護設備，可在控制保護室內完成，無需施加大電流或高電壓信號，安全風險小，無需解析光電協議和TDM協議，現場易實現。

3 保護動作正確性判斷方法

3.1 控制、保護設備配置方法

不同于交流保護，直流保護動作行為是由直流控制設備實現的。與新投系統不同，對于已投運的直流系統，其控制設備及相關回路已經過長期運行，包括控制系統切換、換流閥移相/閉鎖、極隔離、交流斷路器跳閘的控制/保護動作回路正確性已被反復檢驗。因此，具體的直流保護動作行為既不需在直流保護現場檢驗中檢驗，且實際現場試驗環境下，也無法開展檢驗。故，所提出的直流保護現場檢驗方法不需涉及直流保護跳閘矩陣出口以及相關控制系統配合、設置問題，僅檢驗被測保護設備采樣精度和邏輯正確性，只需對與被測保護設備相關的開關、刀閘位置進行軟件置數，通過工程師工作站即可實現。

3.2 保護動作正確性判斷方法

按第2節所提加量方法，對被測保護設備涉及的各采樣通道同時施加激勵量，模擬直流系統測試運行工況。依次逐步改變各通道的采樣量，模擬故障工況，觀測保護動作信號。按所檢驗保護邏輯，根據保護動作時刻所模擬的工況，計算相應的保護動作實測值。通過比對保護動作實測值與保護動作定值，判斷保護動作的正確性。

所提方法對各采樣通道加量的同步性要求不高：在到達模擬測試運行工況過程中，由于各通道加量不同步導致的保護動作信號，在到達模擬測試運行工況后，均會自動復歸或可手動復歸；模擬故障工況時，每次只改變一個采樣通道的加量值，其余通道加量值不變。

3.3 信號觀測方法

所提出方法將直流系統保護設備所在換流站的監控系統作為現場檢驗的信號觀測裝置。檢驗過程中，通過監控系統實時查看相關直流保護動作信號情況，將監控系統信號作為判斷保護動作正確性的依據。采用此方法無需拆裝直流系統二次系統通信線路，也不需專用數字信號采集觀測裝置。更為重要的是換流站監控系統采集信號全面，分類清晰，可通過篩選，剔除其他保護動作信號的干擾，易于觀測判斷，且所顯示保護動作信號自帶時標，便于對動作時序及時間的計算檢驗。

4 現場檢驗方法

4.1 現場檢驗方法

結合所提出的外部加量和保護動作正確性判斷方法，提出一種直流系統保護設備現場檢驗方法：

(1)根據采樣通道類型，按所提外部加量方法，完成被測直流保護涉及的各采樣通道現場檢驗接線，如圖3所示；

(2)通過圖3中各可調直流電壓、交流源分別向被測保護設備各采樣通道施加激勵量；

(3)通過所在換流站監控系統查看被檢保護設備響應情況，完成對被測保護設備的現場檢驗。

圖3 所提現場檢驗方法接線示意圖

4.2 檢驗項目及流程

現場檢驗開展的項目包括采樣通道精度檢驗、保護動作值檢驗、保護動作時序與時間檢驗等。其中采樣通道精度檢驗可參照交流系統保護設備現場檢驗流程開展，即通過改變外部施加的激勵量，直接在換流站監控系統查看保護設備采樣值，計算采樣精度是否滿足要求。

4.3 保護動作值檢驗流程

直流系統保護設備保護動作值(包括告警、跳閘動作值)檢驗，參照交流保護現場檢驗流程，采用以下流程開展：

(1)模擬一次系統指定工況對各個采樣通道同時施加初始激勵量，遍歷選定一個采樣通道作為當前檢驗通道；

(2)復歸保護信號后，逐步改變當前檢驗通道的采樣量直至被檢直流保護動作，記錄此時與各個通道的一次采樣值，根據被檢的保護判據計算當前檢驗通道的保護告警動作值；

(3)判斷是否所有與被檢的保護判據相關的采樣通道已經遍歷完畢，如果尚未遍歷完畢則遍歷選定下一個與被檢的保護判據相關的采樣通道作為當前檢驗通道，重復檢驗流程(2)；

(4)檢驗所有保護動作值是否與被檢保護動作定值一致(偏差是否在允許范圍內)；

(5)選擇多個測試工況，重復檢驗流程(2)；

(6)根據檢驗結果判斷保護動作值檢驗是否通過，動作定值偏差是否滿足要求。

4.4 保護動作時序與時間檢驗流程

直流系統保護設備保護動作時間無法直接計算，采用以下流程開展保護動作時序與時間檢驗：

(1)通過外部加量的方法模擬直流系統測試運行工況；

(2)復歸保護信號后，瞬間改變大幅度其中一個激勵量，記錄被測設備發出告警、切換系統、閉鎖等保護動作信號的時間，檢驗切換系統、閉鎖、告警信號三者時間差是否與設定時間值一致(偏差是否在允許范圍內)；

(3)選擇多個測試工況，重復檢驗流程(2)；

(4)根據檢驗結果推算保護動作時序是否正確，保護動作時間值是否滿足要求。

5 專用檢驗裝置

為進一步提高現場檢驗效率，研制了高壓直流輸電系統保護設備專用現場檢驗裝置—— DCPTE -001直流保護測試儀，見圖4，其具備光電式電流互感器、零磁通電流互感器加量能力，適用于開展所提方法中涉及的各項現場檢驗項目包括采樣通道精度檢驗、保護動作值檢驗、保護動作時序與時間檢驗等。

圖4 DCPTE-001直流保護測試儀

該設備具有兩路獨立的輸出通道，可同時實現對高壓直流輸電系統保護設備現場兩路不同的光電式互感器或零磁通互感器采樣通道現場加量。該設備輸出量程可調整，光電模塊易更換，可適用于不同類型的光電式互感器或零磁通互感器。

6 現場應用

2016年4月±500 kV江城直流鵝城換流站開展年度停電檢修。±500 kV江城直流系統自2004年投運以來距今已超過十年，其控制保護系統為ABB公司MACH2系統。按所提方法與裝置對鵝城換流站極ⅡA套控制保護系統閥直流差動保護開展現場檢驗。

閥直流差動保護判據分為告警、閉鎖兩種，其中告警判據為：VDCDP_DIFF > 90 A，延時4 s告警(VDCDP _ALARM)；閉鎖判據為VDCDP_DIFF -0.2×IDNC> 150 A，則延時40 ms切換系統(VDCDP_SS)，再延時50 ms閉鎖直流(VDCDP_TRIP)。其中VDCDP_DIFF=IDP-IDNC，IDP為閥廳高壓進線電流，采樣值來自閥廳高壓側極母線進線光電式電流互感器P2. U. T1(ABB DOCT4000型)，IDNC為閥廳低壓出線電流，采樣值來自閥廳中性母線進線零磁通電流互感器P2. U. T11(ABB DCCT3000型)。

鵝城換流站額定直流電流為3 000 A，P1. U. T1光電式電流互感器變比為3 kA/20 mV。P1. U. T11零磁通電流互感器變比為3 kA/1. 66 V。

由兩臺輸出精度達0.05%的高精度直流電壓源和借用的站內光電模塊(ABB DOCT 4000型)備品，按所提方法完成試驗接線，構成檢驗回路，開展采樣通道精度檢驗、保護動作值檢驗、保護動作時序與時間檢驗等項目的檢驗工作。

6.1 采樣通道精度檢驗

分別從P2. U. T1、P2. U. T11兩個采樣通道施加不同的激勵量，記錄下鵝城換流站站監控系統顯示值，計算誤差，結果如表1、表2所示。

表1 P2. U. T1精度檢驗數據

表2 P2. U. T11精度檢驗數據

P2. U. T1采樣精度要求：誤差≤0. 5%。P2. U. T11采樣精度要求：I≤120%，誤差≤0. 2%；120%

6.2 保護動作值檢驗

選擇兩個測試工況分別為額定功率即3 000 A和0. 25倍額定功率即747 A。對P2. U. T1、P2. U. T11采樣通道同時施加激勵量，模擬測試工況。

達到測試工況、確定被測保護未動作后，逐步增大或減小P1. U. T11采樣通道的激勵量，直到極ⅡA套閥直流差動保護告警動作，記錄下該點激勵量，計算保護動作值偏差量；繼續增大或減小P1. U. T11的激勵量，直到極ⅡA套閥直流差動保護閉鎖動作，記錄下該點激勵量，計算保護動作值偏差量。保護告警、閉鎖動作定值檢驗結果如表3、表4所示。

表3 保護告警動作值檢驗數據

表4 保護閉鎖動作值檢驗數據

保護動作值偏差要求：偏差量≤10%保護動作定值。根據判據設置，保護告警動作定值為90 A，保護閉鎖動作定值為150 A。由表3、表4可知被測保護告警、閉鎖動作定值偏差滿足要求。

6.3 保護動作時序與時間檢驗

選擇兩個測試工況分別為額定功率即3 000 A和0. 25倍額定功率即747A。對P2. U. T1、P2. U. T11采樣通道同時施加激勵量，模擬測試工況。

表5 保護動作時間檢驗數據

達到測試工況、確定被測保護未動作后，瞬間改變P1. U. T11的激勵量，確定被測保護告警、閉鎖均動作，記錄下被測保護告警、切換系統、閉鎖等動作信號的時間，計算三者時間差。保護動作時序與時間檢驗結果如表5所示。

保護動作時序與時間要求：保護動作時序正確，保護動作時間偏差量≤20 ms。根據判據設置，告警動作時間為4 s，切換系統動作時間為30 ms，閉鎖直流動作時間為90 ms。切換系統與閉鎖信號的時間差定值為50 ms，切換系統與告警信號時間差定值為3 910 ms。由表5可知被測保護動作時序與時間滿足要求。

通過上述現場檢驗項目，有效地驗證了被測直流系統保護設備功能正常、性能滿足要求。

7 結束語

文中針對直流系統保護設備投運后定期檢驗無法開展的問題，開展了直流系統保護設備現場檢驗方法的探索，結論如下：

(1)所提方法包含了光電式電流互感器通道、零磁通電流互感器通道、以及其他采樣通道的加量方法，均無需拆卸一次和保護設備，可在控制保護室內完成，無需施加大電流或高電壓信號，安全風險小，無需解析光電協議和TDM協議，現場易實現；

(2)所提方法僅檢驗被測保護設備采樣精度和邏輯正確性，不需涉及直流保護跳閘矩陣出口以及相關控制系統配合、設置問題，只需對與被測保護設備相關的開關、刀閘位置進行軟件置數；

(3)所提方法給出判斷保護動作正確性的方法，對各采樣通道加量的同步性要求不高；同時，將所在換流站的監控系統作為現場檢驗的信號觀測裝置，無需拆裝直流系統二次系統通信線路，也不需專用數字信號采集觀測裝置；

(4)所提方法給出了直流系統保護設備現場檢驗方法、項目與流程，并研制了具備光電式電流互感器、零磁通電流互感器加量能力的專用現場檢驗裝置——DCPTE-001直流保護測試儀；

(5)通過在投運已超過十年的±500 kV江城直流鵝城換流站的試點應用，證明了所提方法可行。