美麗山二期直流線路突變量保護優(yōu)化研究

龔 飛 李 林 趙森林 鄒 強 汪大全

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

0 引言

特高壓直流輸電是解決遠距離、大容量輸電問題的重要方案，不僅在中國得到了廣泛運用，在世界范圍內也得到了越來越多的重視。巴西美麗山二期直流工程是國家電網獨立中標的第一個海外特高壓直流工程，是國家實施“一帶一路”戰(zhàn)略的走出去工程，該工程線路電壓等級為±800kV，額定電流為2 500A，輸送容量4 000MW，輸送起點為巴西北部欣谷（Xingu）河畔的美麗山水電站，終點至巴西南部的巴西第二大城市里約熱內盧（Rio），線路全長2 540多km，是巴西迄今為止輸送距離最長、輸送容量最大的特高壓直流線路，對保障巴西南部的可靠供電具有重要意義。該工程屬于典型的超長距離特高壓輸電工程，線路耦合較強，兩極間相互影響較大，因而需要對常規(guī)的控制保護策略做出相應的改進以適應長距離輸電的需要。現有的針對線路強耦合的改進策略較少，且主要集中在控制方面，針對保護的很少。文獻[1-3]分析了一極線路重啟中，另一極由于線路強耦合導致功率大幅波動的問題，解決策略是在擾動過程中短時閉鎖低壓限流（voltage dependent current limited, VDCL）環(huán)節(jié)，或者是調整PI參數，讓調節(jié)器調節(jié)速度減慢。文獻[4]分析了長線路中存在一極線路接地，另一健全極出現換相失敗的問題，解決思路是對換相失敗預測控制做出改進，當健全極檢測到對極電壓突變減小后，健全極立刻增大關斷角來防止換相失敗。

在美麗山直流的實時數字仿真（real time digital simulation, RTDS）中發(fā)現，當一極線路接地故障后，非故障極存在線路突變量保護誤動的現象。本文針對突變量保護誤動，詳細研究兩極間互感的影響機理，指出兩回線間互感是導致突變量保護誤動的原因，并針對此種誤動給出一種突變量保護優(yōu)化策略，并在RTDS系統中進行驗證，對其他特高壓直流工程有較大的參考意義。

1 直流線路突變量保護原理

直流線路接地故障是直流運行過程中最常見的故障，直流線路接地時產生的大電流會對設備產生很大的危害，并會大大影響輸送功率，所以一般要求直流線路保護能夠快速動作[5-10]。直流線路突變量保護是直流線路中配置的快速保護之一，與行波保護相比，不依賴波阻抗，原理簡單可靠，所以得到了廣泛應用。幾乎所有的直流輸電工程都配置了直流線路突變量保護，其能否準確動作，對直流輸電的可靠性有重大影響。直流線路突變量保護原理如圖1所示。

圖1 直流線路突變量保護原理

圖1中，d為微分運算，第一項表示直流線路電壓（UDL）突變減小，第二項表示直流線路電流（IDL）增大（整流站為增大，逆變站為電流減小），第三項表示直流線路低電壓。突變量啟動后配置展寬環(huán)節(jié)的原因是電壓突變的時間很短，但是為了加強保護出口的可靠性，需要配置一定的延時，如果不加展寬，就可能在延時過后檢測不到突變量。所以為了使突變量保護準確、可靠、快速動作，一旦檢測到電壓突變，突變量啟動將會展寬T1時間（一般取為5～10ms左右）。若這段時間內，直流低電壓維持了T2的時間（T2一般延時1～2ms左右），則保護就會出口。直流線路保護的動作結果是首先會嘗試2～3次的移相再啟動，如果重啟次數達到保護定值，就會閉鎖換流閥。

在美麗山二期直流RTDS系統中模擬極2靠Rio站線路接地故障，發(fā)現此時Xingu站極1會有直流線路突變量保護誤動作，極2和極1的波形分別如圖2和圖3所示，UDL、IDL、DUDT_TRIP分別表示Xingu站直流線路電壓、線路電流、突變量保護動作信號。分析圖2和圖3波形可以發(fā)現，在極2接地故障時，極2線路電壓會快速下降，電流會突增；但同時也可以發(fā)現，此時非故障極1的線路電壓也是突變減小的，電流增大，初始階段的特征與故障極完全一致，如果此時突變量保護不做改動，那么此時非故障極的突變量保護就會誤動。另外，如果兩條線路同時檢測到故障，由于巴西電網比較脆弱，承受不住雙極同時故障移相對電網的沖擊，按巴西國調（ONS）要求，此時進行雙極閉鎖，會損失大量的功率，造成極大的經濟損失及社會影響。

圖2 極2線路故障極波形

圖3 極1非故障極波形

2 直流線路互感影響分析

故障開始后的初始階段，非故障極的電壓變化趨勢與故障極基本一致，這是由于電磁耦合產生的結果。由于直流輸電一般采用同塔共設，兩條直流線路間存在較強的電磁耦合，線路越長，影響就越大。巴西直流工程的線路長達2 500多km，超過了大部分的特高壓直流輸電工程。巴西工程的線路參數見表1。

表1 直流線路參數

根據表1參數，可以算出直流線路的自感及互感，自感為[11]

式中：L0為單位長度自感；μ0為磁導率，具體數值為 4π ×1 0-7H/m；l為線路長度；Ds為分裂導線的等效半徑，對于六分裂導線，有

式中：r′=0.779r，r為分裂導線半徑；d為分裂導線間距。代入參數值，可以算出單位長度自感為3.225mH/km，整條線路的自感L1為8.27H。

直流線路互感為

式中：M0為單位長度互感；Dm為導線間距。代入參數值，可以算出單位長度互感為2.479mH/km，整條線路的互感M1為6.3H。可以看出，互感相比自感來說，數值并不小，因而不能忽略其影響。

巴西美麗山二期極1直流輸電系統等效電路如圖4所示，直流場主要由換流閥、平波電抗器、直流濾波器（direct current filter, DCF）、直流線路、接地極、直流斷路器及隔離開關等構成。系統的正常運行方式是由Xingu送電Rio，稱為功率正送模式，通常采用雙極正送方式；如在枯水季節(jié)，會運行在功率反送模式，功率由Rio送往Xingu。

圖4 極1直流輸電系統等效電路

假設極2靠Rio站末端發(fā)生故障，那么此時極2的線路電流IDL2將會突然增大，由于互感影響[12-15]，相當于此時在極1線路上疊加一個電源，此時極1線路由于互感而感應出的電壓如式（4）所示。根據楞次定律，其電壓極性有利于極1電流的增大。

分析圖2可知，故障極極2的電流變化率為1.817/0.000 2kA/s，根據式（4），在極1等效的電壓為57 235kV，持續(xù)時間為0.2ms。其后故障極極2電流的變化很不規(guī)則，有增大也有減小，這是由于兩極互相耦合引起的。但分析初始階段0.2ms對于分析互感影響已經足夠，能看出極1電壓突變減小的過程，這段時間對于極1的突變量啟動也是足夠的，因而此分析過程也不失一般性。由于電壓突變量動作時間很短，在這段時間內，換流器來不及調節(jié)，并且為了簡化電路分析，忽略一些次要參數，接地極的等效電感可以忽略，把直流濾波器等效為一個電容，此時極1的電流回路可以等效為如圖5所示的等效電路，L1為線路自感，RL為線路電阻，典型值為17Ω，Cdcf為直流濾波器的等效電容，美麗山工程為2.4μF。

圖5 極1電流回路的等效電路

根據上述電路，Xingu站和Rio站的直流線路電壓的關系為

對式（5）進行積分，并考慮初始條件，可以得出兩站線路電壓的關系。根據圖5的等效電路，有

式中：ULxin(0-)為故障起始時的Xingu站初始電壓，正送時一般為800kV；ULrio(0-)為故障起始時的Rio站初始電壓，由于穩(wěn)態(tài)運行存在線路壓降，正送時一般為758kV左右；ε(t)為階躍信號。對上述微分方程進行拉普拉斯變換后，可得

經過運算后，可得出Xingu線路電壓為

其中，δ、ω、φ的定義為

代入線路參數及初始電壓，可得Xingu站線路電壓為

根據式（10），可以得出極1非故障極計算波形如圖6所示。可以看出初始階段0.2ms內的電壓、電流變化趨勢與實際的RTDS波形基本一致，說明極1電壓突變確實是由互感引起的。

圖6 極1非故障極計算波形

3 直流線路突變量保護及優(yōu)化

對于由互感影響引起的非故障極直流電壓突變，控制系統來不及反應，所以優(yōu)化的方向應是防止保護誤動[16-20]。對于故障極來說，由于接地故障一直存在，此時線路電壓會一直很低；而對于非故障極來說，在互感影響消失后，此時電壓會恢復到一個較高的水平，但根據實際的RTDS波形，恢復過程不是完全平滑上升的，上升過程還伴隨著電壓的抖動，所以若通過延時來躲過互感影響這一過程，需要很長的延時，不能滿足突變量保護快速性的要求。因而為了兼顧快速性與可靠性，利用故障極和非故障極的差異，對突變量保護做如下優(yōu)化：適當加長保護延時，以躲過互感影響，一旦在保護延時時間內檢測到電壓升高，就馬上閉鎖突變量保護一段時間，防止其誤動。改進后的突變量保護優(yōu)化策略如圖7所示，圖7中的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的功能表示一旦輸入從0到1，輸出馬上變1并保持設定的時間T，之后輸出變?yōu)榱悖钡捷斎朐僖淮斡?變?yōu)?。

圖7 突變量保護優(yōu)化策略

在保護延時時間段T2（2～5ms左右）內，如果在檢測到線路電壓低后的T3（1～5ms左右）時間段內，又檢測到電壓升高，那么此時封鎖突變量保護T4（10～50ms左右）的時間。相比于常規(guī)只加長延時來躲過電壓跌落過程的方法，本改進方式動作時間更短，保護定值也不需要做大量改動，兼顧了保護的快速性及可靠性，因而更有優(yōu)越性。

為了驗證上述策略的有效性，在RTDS系統中進行試驗驗證，試驗條件為雙極正送滿功率4 000MW，靠逆變站Rio站故障，這是因為靠線路末端故障時，互感影響的是整條線路，因而更具代表性。

試驗波形如圖8和圖9所示，其中UDL表示直流電壓，IDL表示直流電流，DUDT_TRIP表示突變量保護動作信號，DUDT_BLK表示閉鎖突變量保護信號，使其不動作。可以看出，在加入線路突變量保護的改進策略后，線路突變量保護準確識別了互感影響，非故障極極1可靠不動作，而故障極極2仍可以準確動作，證明了所提的改進策略確實是有效的。

圖8 Xingu站極1非故障極波形

圖9 Xingu站極2故障極波形

由于美麗山特高壓直流工程是單閥組的特高壓，為了驗證對于雙閥組特高壓也有類似的優(yōu)化作用，在RTDS平臺上對國內某雙閥組特高壓也做了 類似仿真試驗。試驗波形如圖10所示，線路故障前極1電壓400kV，極2電壓800kV，電流都為5 000A，故障點位于極2靠逆變側。圖10中UDL_OP表示對極（極2）電壓，可以看出，在加入線路突變量保護的改進策略后，線路突變量保護準確識別了互感影響，非故障極極1可靠不動作，證明了所提的改進策略對于雙閥組特高壓直流也是有效的。

圖10 整流站極1非故障極波形

4 結論

本文針對美麗山直流RTDS中發(fā)現的突變量保護誤動問題，首先介紹了線路突變量保護的一般性原理，然后詳細研究了互感引起突變量保護誤動的機理，給出了一種突變量保護的優(yōu)化策略，并通過RTDS證明了所提策略的有效性。本文所提的改進策略，對其他已建的和在建的特高壓直流都有一定的參考意義。