用于穩定控制的HVDC換相失敗識別判據研究

劉東洋， 徐捷， 孫寧， 汪大洋， 熊峰

(1. 南瑞集團(國網電力科學研究院)有限公司，江蘇 南京 211106；2. 國網江蘇省電力有限公司信息通信分公司，江蘇 南京 210024)

0 引言

高壓直流(high voltage direct current，HVDC)換相失敗會引起直流功率跌落，連續的換相失敗存在引起直流閉鎖的風險，對交流系統產生巨大的功率沖擊[1—5]。根據Q/GDW 1404—2015《國家電網安全穩定計算技術規范》，特高壓直流相繼發生多次因換相失敗引起功率波動，若即將導致系統安全穩定破壞，可以采取針對性的穩定控制措施。因此，必須對直流輸電系統的換相失敗狀態作出及時準確的識別，并采取相應的控制措施。

穩定控制關心的是HVDC換相失敗后帶來的功率沖擊，因此，穩定控制中把換相失敗后帶來的一次功率沖擊算作一次換相失敗，這與直流控保系統中的換相失敗保護有所區別。目前，已有實際工程應用的直流配套穩控系統根據直流控保裝置發送的HVDC換相失敗信號，結合換流變電氣量變化狀態判斷本站HVDC換相失敗[6—8]。然而，當直流控保系統死機或者與穩控裝置通信中斷時，直流配套穩控系統將無法采取針對性的穩控措施。近年來，國內外直流穩控系統多次出現由于直流控保系統的缺陷而導致穩控系統拒動的情況。同時，根據Q/GDW 1404—2015《電網安全穩定自動裝置技術規范》中的要求，為保證可信賴性，穩控裝置應采用獨立性強的設計方案，盡量減少安全穩定自動裝置與保護裝置間的依賴。因此，研究基于不依賴直流控保信號的HVDC換相失敗穩控判據仍有工程現實意義，也是提高穩控系統可靠性的重要途徑。文獻[9—15]詳細研究了換向失敗的微觀機理和判斷標準；文獻[16—18]介紹了特高壓直流配套安全穩定控制系統的典型設計方案、故障判據以及與直流控保裝置的通信方式；文獻[19—21]介紹了應對多直流同時換相失敗的安全穩定控制措施和緊急控制措施，但是未對HVDC換相失敗故障的穩控識別判據進行具體研究。

文中介紹了基于直流控保信號的傳統穩控裝置所用換相失敗識別判據及其存在的問題，研究了HVDC換相失敗工況下的故障電流特征，利用穩控工程上可以直接采集到的換流變網側電壓電流、閥側電流以及閥組的直流電流，從穩定控制的需求角度出發，在換相失敗保護基本原理的基礎上提出了適用于穩定控制的換相失敗、連續換相失敗、多直流同時換相失敗實用判據，并通過了基于實際控保系統的賓金直流實時數字仿真系統(real time digital system，RTDS)硬件在環試驗驗證。

1 HVDC換相失敗后的故障特征及換相失敗識別原理

1.1 HVDC換相失敗后的故障電流特征

換相失敗是直流輸電系統發生概率較高的異常運行狀態之一。正常換相時，各晶閘管順序導通，依次相隔60°，每個晶閘管導通120°，每個時刻上下橋臂各有一個晶閘管同時導通。閥組出口處的直流電流為閥側交流電流的包絡線。在換相失敗時，該關斷的閥組繼續導通，本該導通的閥組未能順利導通，按照原有的觸發順序會造成同一橋臂的2個閥同時導通，造成短時的直流側短路和交流側開路的形態，此時直流電流增大，閥側交流電流減小。圖1和圖2分別為交流系統單相故障、換流閥觸發脈沖丟失引發HVDC換相失敗時的電流特征仿真波形。可以看出，HVDC換相失敗時較為明顯的故障特征是直流電流大于閥側交流電流絕對值的最大值。

圖1 交流系統單相故障引發換相失敗時仿真波形Fig.1 Simulation waveform of commutation failures caused by AC system fault

圖2 觸發脈沖丟失引發換相失敗時電流波形Fig.2 Simulation waveform of commutation failures caused by lossing pulse

1.2 直流控保系統的換相識別判據分析

目前直流控保系統所用換相失敗判據采用的2種技術方案都是依據上述故障特征而設立，需要采集的電氣量包括換流變閥側Y、D繞組三相電流和換流閥高/低端出口電流，其中極Ⅰ測量點如圖3所示。

圖3 極I HVDC換相失敗判據測點示意Fig.3 Schematic diagram of the measurement point of the pole I DC commutation failure criterion

方案一的換相失敗保護對換流變壓器Y繞組和D繞組分別進行判斷，利用直流電流大于閥側三相交流電流絕對值的最大值構成判據。其Y橋和D橋的換相失敗判據如式(1)和式(2)所示[22—23]。

(1)

(2)

其中：

IDmax=max(IDCP,IDCN)

(3)

式中：IDCP，IDCN分別為極Ⅰ高端閥組高壓側與低壓側出口直流電流；IVD，IVY分別為Y、D橋三相交流電流幅值的最大值；I0為比率差動的最小動作電流，一般取0.133 p.u.；k1，k2為比例系數，一般k1取0.1，k2取0.65。

方案二通過Y橋差動、D橋差動和閥組差動共同實現逆變器換相失敗的判別。其Y橋、D橋和閥組的動作判據如式(4)—式(6)所示。

max(IVY，IVD)-IVY>ISET

(4)

max(IVY，IVD)-IVD>ISET

(5)

max(IDCP，IDNP)-max(IVY，IVD)>ISET

(6)

式中：ISET為動作門檻值，一般取0.1 p.u.。

無論是方案一還是方案二，一旦滿足其換相失敗判據條件中某一橋判斷條件時，說明該橋發生了換相失敗。而當一個閥組的單橋發生換相失敗時(另一橋未發生換相失敗)，一般是由直流內部故障引起的，需要盡快閉鎖換流器；當2個或多個六脈動橋相繼發生換相失敗時，一般是由交流系統故障引起的，保護邏輯和延時主要考慮交流系統最長故障清除時間以及直流自身設備的耐受能力。

實際工程運行經驗表明，當直流控保系統死機或者與穩控裝置通道異常時，穩控裝置將無法動作。雖然以上判據能夠準確判斷換相失敗的發生，但是其動作邏輯并未考慮交流系統對連續換相失敗的承受能力，也不能給出電網安全穩定控制領域所關心的連續換相失敗持續時間、時間間隔以及功率跌落次數等重要信息。而穩定控制所用故障識別判據還需要結合交流系統的承受能力以及換相失敗次數等信息進一步完善，以保證電網的安全穩定運行。

2 不依賴控保信號的HVDC換相失敗識別判據

為了避免直流配套穩控裝置判別換相失敗故障時對直流控保系統的依賴，穩定控制所用的換相失敗判據必須基于電氣量，在上述換相失敗保護原理的基礎上，結合交流系統的承受能力實現對HVDC換相失敗以及連續換相失敗的正確識別。穩控裝置需要對極Ⅰ和極Ⅱ的高低端共4個閥組分別進行換相失敗判斷，可直接采集的信息包括每個閥組所用電氣量和換流變網側三相電壓電流。

2.1 換相失敗啟動判據

穩控裝置正常運行時需要自動判斷換流器的運行狀態，以確定系統的運行方式，可通過判斷換流變網側是否有電流和功率來自動識別換流器的投停狀態。同時為了防止檢修期間誤判，可設置相應檢修壓板來閉鎖，具體識別方法如下。

如果某極換流變檢修壓板投入，則確定換流變元件停運；如果某極換流變檢修壓板退出，則滿足以下任一條件時確定換流變元件投運，否則確定換流變元件停運：

(1) 至少有兩相電流有效值大于等于投運電流定值，且持續100 ms；

(2) 有功功率大于等于投運功率定值，且持續100 ms。

確定換流變為運行狀態，就可以進行換相失敗判斷。啟動判據設計應滿足：在HVDC輸電系統各種故障情況下能可靠地啟動錄波并進入故障判斷狀態，而在正常運行時又不會頻繁啟動。對于穩定控制而言，若HVDC換相失敗后功率損失較小則無需采取控制措施，此時穩控裝置不需要識別本次換相失敗；若換相失敗給交流系統帶來的功率損失較大，則在換流變網側會出現電流和功率突變。因此，換相失敗的啟動判據可設計為：

(1) 換流變網側任意一相電流滿足|it-it-T20|≥ΔISET，且持續5 ms，則滿足電流突變量啟動條件。其中，it為當前電流瞬時值；it-T20為一個工頻周期前電流瞬時值；ΔISET為電流突變量門檻值。

(2) 換流變當前功率滿足|Pt-Pt-T20|≥ΔPSET，且持續5 ms，則滿足功率突變量啟動。其中，Pt為當前有功功率；Pt-T20為一個工頻周期前的有功功率；ΔPSET為功率突變量門檻值。

以上啟動判據為“或”邏輯關系，滿足其中任一判據都可使裝置進入啟動狀態，啟動周期為5 s。

2.2 換相失敗識別判據

當裝置采集的電氣量滿足投運和啟動條件后，進入換相失敗故障判斷邏輯，首先對閥組的換相失敗進行判斷，如圖4所示。當Y橋和D橋的動作方程至少有一個滿足，且閥組事故前200 ms功率大于定值時，則判定該閥組發生換相失敗，然后進入連續換相失敗判斷邏輯。

圖4 閥組換相失敗、連續換相失敗判據框圖Fig.4 Block diagram of commutation failures and continuous commutation failures criteria for valve terminal

穩定控制關心的是HVDC換相失敗后帶來的功率沖擊，若換相失敗之后交流電網的擾動源消失，則直流又能快速恢復正常換相，直流功率能在200 ms左右恢復90%；而如果交流電網發生的是單相永久短路故障，由于重合閘，逆變站交流母線將在較短的時間內發生2次電壓跌落，導致直流系統出現穩定控制所述的“連續換相失敗”。根據工程現場數據統計結果，換相失敗結束后直流恢復到事前90%的功率需要120～300 ms[24]，因此，可設定時間周期T(不超過300 ms)，在T時間內只記作一次換相失敗，相應連續換相失敗計次原理為：假設0 時刻檢測到換流閥換相失敗，計數器計1；計數器記1 后T—2T期間，若檢測到換相失敗，計數器計2；計數器記2 后2T—3T期間，若檢測到換相失敗，計數器計3；以此類推。如果計數器的次數大于設定的允許換相失敗次數門檻值，則穩控裝置判斷該閥組連續換相失敗次數已達臨界值。

計及一條直流的多個閥組之間的互相轉帶功能，在判斷出某閥組換相失敗后，穩控裝置需判斷該直流雙極高低端共4個閥組中處于運行狀態的是否均發生了換相失敗，只有所有運行的閥組同時發生換相失敗才是穩定控制所需要考慮的HVDC換相失敗。同時，穩控裝置還需要判斷該直流事故前功率滿足穩定控制的動作條件，滿足動作條件則判定為該HVDC換相失敗，并動作出口(查策略表采取相應的穩控措施)。

對于交流電網的穩定性而言，顯然多個直流同時換相失敗對其影響更大，而多直流落點的受端電網發生交流短路故障時往往會造成數條直流同時換相失敗，此時執行策略要按照多直流同時換相失敗來考慮，因此需要對多直流同時換相失敗作出正確的判斷。受直流控制系統參數、通信延時等影響，雖然各條直流的換相失敗并不是嚴格的“同步”，但考慮到HVDC換相失敗后的功率恢復需要120～300 ms，因此，若多個直流相繼換相失敗，但間隔較短時，也應當視作同時換相失敗。多直流同時換相失敗判據如圖5所示，其中Thold為展寬時間，在判出第一條HVDC換相失敗后，在之后Thold內判出其他HVDC換相失敗，則認為多直流同時換相失敗。

圖5 多直流同時換相失敗判斷邏輯Fig.5 The judgment logic of multi-HVDC communication failure at the same time

3 判據的RTDS試驗驗證

為了驗證換相失敗識別判據的可靠性與準確性，將文中所提的HVDC換相失敗判據在穩控裝置中進行相應的軟件設計，并針對性地在四川電科院開展了基于實際控保系統的賓金直流RTDS硬件在環試驗驗證(報告編號SEPR105-09-03-DM0001-2019)。

3.1 試驗方案

在RTDS平臺搭建的仿真試驗模型包括交流等值系統、換流變壓器、雙12脈動閥組、交流濾波器、直流濾波器、平波電抗器、阻波器、中性母線電容器、直流線路、接地極等元件。試驗中使用與實際工程一致的特高壓直流控制保護系統設備，被測穩控裝置接入逆變側的換流變網側電壓電流、閥側電流以及閥組的直流電流。RTDS仿真系統通過GTAO 接口卡經功率放大器向被測穩控裝置提供上述電氣量信號，穩控裝置進行采樣計算和邏輯判斷之后通過GTDI板卡向RTDS反饋開關量信號，從而構成閉環測試系統。試驗平臺架構如圖6所示。

圖6 RTDS試驗平臺架構Fig.6 Architecture of RTDS test platform

3.2 試驗項目及結果

試驗模擬的賓金特高壓直流輸電系統電壓等級±800 kV，額定傳輸容量8 000 MW。在特高壓直流定功率、定電流運行方式下，模擬各種故障類型，包含逆變側近區交流側故障、逆變側遠端交流故障、逆變側直流內部故障、直流線路故障、觸發脈沖錯誤、整流側直流內部故障、整流側近區交流故障、整流側遠端交流故障及勵磁空充。上述9項試驗共計65次，在直流控保系統換相失敗保護動作的同時，被測穩控判據不僅能正確識別直流系統的換相失敗發生，還能根據定值判斷連續換相失敗的次數和持續時間。RTDS試驗項目及試驗結果如表1所示。

表1 RTDS試驗項目及試驗結果Table 1 RTDS test items and test results

在所提判據能夠正確判別HVDC換相失敗的基礎上，進一步針對逆變側交流相繼故障和連續脈沖丟失故障進行連續換相失敗計次邏輯的驗證。RTDS試驗結果證明，所提的判據在直流發生換相時能夠準確動作，并且能夠根據安全穩定控制的需求判斷連續換相失敗發生的次數和時間間隔。

圖7為模擬交流系統連續3次單相接地故障的錄波圖，每次故障時間持續100 ms，間隔300 ms，引發直流連續發生3次換相失敗。裝置設定的允許換相失敗次數定值n設置為3，展寬計數時間T設置為200 ms。圖中，UA，UB，UC為換流變網側母線三相電壓；I_VY為極Ⅰ高端閥組Y橋三相交流電流絕對值的最大值；I_VD為極Ⅰ高端閥組D橋三相交流電流絕對值的最大值；I_Dmax為極Ⅰ高端閥組高壓側和低壓側直流電流中的最大值；CF為穩控裝置給出的極Ⅰ高端閥組換相失敗信號；CCF為穩控裝置判出的高端閥組連續3(定值整定)次換相失敗出口信號。可見，無論Y橋還是D橋，閥側三相交流電流絕對值的最大值都小于直流電流。

圖7 交流系統單相故障引發HVDC換相失敗試驗波形Fig.7 Test waveforms of commutation failurescaused by AC system fault

圖8模擬極Ⅰ低端閥組Y橋第一個晶閘管的觸發脈沖連續丟失300 ms，引發直流極Ⅰ低端閥組連續換相失敗。裝置設定的允許換相失敗次數定值n為2，展寬計數時間T設置為200 ms。

圖8 觸發脈沖丟失故障引發HVDC換相失敗試驗波形Fig.8 Test waveforms of commutation failurescaused by impulses losing

圖8中，I_VY為極Ⅰ低端閥組Y橋三相交流電流絕對值的最大值；I_VD為極Ⅰ低端閥組D橋三相交流電流絕對值的最大值；I_Dmax為極Ⅰ高端閥組高壓側和低壓側直流電流中的最大值；CF為穩控裝置給出的低端閥組換相失敗出口信號；CCF為穩控裝置判出的低端閥組連續2次換相失敗出口信號。

4 結語

換相失敗作為HVDC最常見的故障之一，有必要利用穩控裝置對其進行準確識別，而穩控裝置的動作成敗不能僅僅依賴于直流控保系統。文中在直流控保系統原有換相失敗保護判據的基礎上，提出適用于穩定控制的HVDC換相失敗、連續換相失敗及多直流同時換相失敗實用判據。RTDS試驗表明：所提的判據在直流發生換相時能夠準確動作，并且能夠根據安全穩定控制的需求判斷連續換相失敗發生的次數和時間間隔。

原有的換相失敗保護動作邏輯沒有考慮交流系統對連續換相失敗的承受能力，也不能直接作為穩定控制的HVDC換相失敗識別判據。當HVDC發生換相失敗時，穩控裝置需要結合換相失敗持續時間、時間間隔以及功率跌落次數等信息，針對性地采取穩定控制措施。