云貴互聯通道工程控制與保護的配合優化

張強，韓建偉，毛文俊，王云龍，孫豪，楊大生，潘明昊

（中國南方電網超高壓輸電公司昆明局，昆明 650217）

0 前言

云貴互聯通道工程（也可稱為±500 kV祿高肇三端直流輸電工程），是國內首個將常規的兩端高壓直流改為三端直流的±500 kV直流輸電工程[1-4]。云貴互聯通道工程，新建一座±500 kV、3000 MW祿勸換流站，并對原有的高肇直流（高坡、肇慶換流站）進行改造，構成三端常規直流輸電工程[5-9]。

直流系統的控制、保護系統[10-16]是±500 kV云貴互聯通道工程的重要組成部分。控制與保護，兩者的相互配合、相互作用，以確保直流輸電工程的安全穩定運行。±500 kV祿勸換流站是云貴互聯通道工程的首端換流站，其控制、保護系統在±500 kV祿高肇三端直流輸電工程控制保護FPT過程中存在異常，本文針對異常進行深入的分析與研究，提出了優化的措施，對三端直流輸電工程的安全運維有著重要意義。

1 直流控制方式

1.1 整流站控電流

正常運行時，直流系統的控制方式[17]是：整流站控電流，逆變站控電壓。整流站的PI控制器邏輯如下圖1所示。

整流站定電流運行，因此直流電流控制器為整流站的主要控制器，整流站直流電流的誤差計算方法如下公式：

其中，ΔIdCont是直流電流的誤差，Iref是直流電流的參考值，Idmeas是直流電流的實際值。

圖1所示，直流電壓的誤差、直流電流的誤差，兩者作比較，將最小誤差，送至PI控制器，產生相應的控制信號，然后經過線性化環節，將觸發角數值送至觸發單元，產生觸發脈沖。

圖1 整流模式單個PI控制器

當整流站的PI控制器由直流電流閉環控制器作用時，當直流電流實際值偏小，那么PI控制器將調整觸發角由大變小，逐漸往5°移動，電流增大；當直流電流實際值偏大，PI控制器則調整觸發角由小變大，逐漸往160°方向移動，電流降低。

1.2 逆變站控電壓

直流電壓控制中使用的直流電壓實際值為換流器兩端電壓，具體計算公式為：

圖2 逆變模式單個PI控制器

其中，Udmeas是直流電壓的實際值，Udhmeas是直流電壓高壓側電壓實際值，Udnmeas是直流電壓中性線電壓實際值，ΔUdCont是直流電壓的誤差，Uref是直流電壓的參考值，UMarg是直流電壓的裕度。

直流電壓控制的作用是控制整流站的直流電壓為額定值500 kV，逆變站通過計算，可以得出用作控制變量的整流側直流電壓參考值。整個直流系統選擇0.8 pu、0.7 pu降壓運行，或由于直流線路故障重啟引起0.8 pu、0.7 pu降壓時，逆變站的參考值會降低，控制整流站的直流電壓降低到0.8 pu或0.7 pu的電壓水平。當整流站處于最小觸發角5°控制時，逆變站的PI控制器由直流電壓控制切換至直流電流控制，電流裕度補償功能（CMC）會起作用，改變逆變站的電流參考值，使之與整流站的電流參考值相等。另外極控系統提供了電流誤差控制（CEC）功能，可以使整個過程能夠平滑的轉變。通過CMC、CEC的功能，可以使逆變站的電壓曲線、電流曲線之間有一段平滑的過渡，即便逆變站發生控制方式切換時，也可以使整個直流系統的運行穩定。

當逆變站發生故障、交流電壓降低時，為使熄弧角不小于最小參考值17°，逆變站切換控制器方式，熄弧角控制器將起作用，可能會出現瞬時的換相失敗，熄弧角控制器將觸發角調節到參考值時，換相失敗會消失。當交流電壓增加時，逆變站的電壓控制器，為維持整流站電壓為參考值，將通過減少觸發角，以及換流變的分接開關控制會調整熄弧角值[18]，維持原有的控制器，不發生控制器方式的切換。

2 直流系統極保護

2.1 極保護分區

直流系統的極保護系統主要完成換流器保護功能、直流極母線保護功能、中性母線保護功能、雙極中性線以及接地極引線保護功能，保護區域共有4個區域，分別為：

1）換流器保護區域，保護范圍是換流變閥側套管至閥廳極線側的直流穿墻套管之間的所有設備；

2）直流極母線保護區域，保護范圍是閥廳高壓直流穿墻套管至極性轉換區域閥側直流電流互感器之間的所有極設備和母線設備；

3）直流中性母線保護區域，保護范圍是閥廳低壓直流穿墻套管至雙極中性線連接點之間的所有設備和母線設備；

4）雙極中性線及接地極引線保護區域，保護范圍是雙極中性線連接點的電流互感器到接地極連接點。

2.2 59DC直流過壓保護

59DC直流過壓開路保護屬于極保護的換流器保護區域，保護目的是檢測不正常的直流過電壓及開路故障，初步設計的保護定值如下表1所示，各個保護分段的動作后果都是ESOF和跳交流斷路器。

表1 保護的定值

其中Ⅰ段是針對開路，時間定值跟Ⅲ段一致，但是定值電壓比Ⅲ段小，Ⅲ段針對故障時候的突然過高的電壓，避免設備損壞。Ⅱ段針對長期過壓，定值時間比Ⅰ段和Ⅲ段長。

3 測量異常分析

3.1 直流電壓測量異常現象說明

在祿高肇三端直流控制保護FPT試驗中，初始狀態為祿勸站送高坡站、肇慶站，雙極大地回線方式，三站功率分別為3000 MW-300 MW-2700 MW，肇慶站極1極控主系統為A套。

設置肇慶站極1極控系統的直流電壓UdL測量異常[19-21]為0.9倍，隨后導致了祿勸站直流過壓開路保護59DC-Ⅱ段跳閘，祿勸站極1極控系統的故障錄波情況如圖3所示。

圖3 祿勸站極1極控系統的故障錄波

3.2 異常原因分析

肇慶站的極1極控系統的UdL異常為0.9倍后，為維持祿勸站的電壓維持在500 kV，則肇慶站的電壓參考值變大，而系統中的電流、電阻可認為未變化，則祿勸站的電壓增大。根據圖1所示，祿勸站的UDL實際電壓一旦超過515 kV后，由原本的控電流變為控電壓，電壓裕度切換為0.04，則祿勸站控制電壓在520 kV，但由于59DC-Ⅱ段的保護定值為520 kV，延時為1000ms，達到了直流過壓開路保護59DC-Ⅱ段的定值，保護正確啟動ESOF，極1跳閘。

可以得出，祿勸站的電壓裕度與保護定值的配合不恰當，則引起了異常動作。因此，可以考慮優化的措施是修改電壓裕度數值，與保護定值相互配合且不影響。

4 優化措施

4.1 優化電壓裕度數值

優化控制程序為：祿勸站UDL實際電壓一旦超過515 kV后，電壓裕度切換為0.03。

重新再進行肇慶站的極1極控系統的UdL異常為0.9倍的試驗，祿勸站極1極控系統的故障錄波情況如圖4所示。圖中可見，祿勸站UDL實際電壓一旦超過515 kV后，由原本的控電流變為控電壓，電壓裕度切換為0.03，則將祿勸站UDL的電壓控在515 kV，但是此時實際電壓不斷在515 kV附近變動。祿勸站的UDL超過515 kV時，控制方式為控電壓，低于515 kV時，控制方式為控電流，因此導致控制方式不斷在控電流、控電壓之間來回切換。

圖4 祿勸站極1極控系統的故障錄波

直流系統的控制方式不斷在控電流與控電壓之間來回切換，不利于三端直流系統長期運行，單單依靠修改電壓裕度為0.03，仍不能滿足穩定運行。因此，仍需對電壓越限數值進行優化。

4.2 優化電壓越限數值

優化控制程序為：優化電壓越限數值為510 kV，即祿勸站的UDL實際電壓一旦超過510 kV后，電壓裕度切換為0.03。

再次進行肇慶站的極1極控系統的UdL異常為0.9倍的試驗，祿勸站極1極控系統的故障錄波情況如圖5所示。

圖5 祿勸站極1極控系統的故障錄波

祿勸站的UDL實際電壓一旦超過510 kV后，由原本的控電流變為控電壓，電壓裕度切換為0.03，將祿勸站的UDL電壓控制在515 kV，不會導致控制方式不斷在控電流與控電壓之間來回切換，穩定在控電壓的方式，利于長期運行，也利于肇慶站有充足的時間來排查極1極控系統的UdL異常。

5 結束語

云貴互聯通道工程的直流控制、保護系統在±500 kV祿高肇三端直流輸電工程控制保護FPT試驗中存在異常，本文針對異常情況進行了分析與研究，并且提出了優化的措施，優化了電壓裕度數值與電壓越限數值，不僅對±500 kV祿勸換流站、云貴互聯通道工程的安全運行有著重要作用，同時也是其他多端直流輸電工程、高壓直流輸電工程的控制與保護的相互配合有著啟發與借鑒的作用。