特高壓直流換流站中性母線開關失靈邏輯分析與優化

江金成 王 鴻

特高壓直流換流站中性母線開關失靈邏輯分析與優化

江金成 王 鴻

（國網新疆超高壓分公司，烏魯木齊 830000）

中性母線開關失靈（NBSF）邏輯是特高壓直流輸電工程控制保護系統的典型設計，主要是考慮直流輸電工程在雙極運行過程中，若其中一個極故障，保護動作執行極隔離時，故障極中性母線開關拉不開且動作于重合，無法隔離故障點，通過借助站內接地開關（NBGS）轉移電流，然后拉開故障極中性母線開關、中性線隔離開關，對故障點進行隔離。本文詳細介紹NBSF的具體邏輯，結合仿真對該邏輯在逆變側單極故障時可能引起雙極閉鎖的重大隱患進行深入分析，提出優化改進方案，并對優化后的方案進行仿真分析，以期對在運工程中該邏輯的改進及今后的工程設計提供參考。

中性母線開關失靈（NBSF）；特高壓（UHV）；極隔離；重合；雙極閉鎖

0 引言

中性母線開關失靈（neutral bus switch failure, NBSF）邏輯是特高壓直流輸電工程中的典型設 計[1-2]，考慮的是特高壓直流輸電工程雙極運行過程中，一極發生故障時，在隔離故障的同時發生中性母線開關失靈的工況[3-7]。該邏輯的執行與發生故障的區域及故障類型[8-14]、電流回路直阻、控制保護策略[11-14]、開關特性[6-7]、閉鎖時序息息相關。在控制保護系統的工程應用中發現，當逆變站一極故障且NBSF動作后有可能導致閉鎖健全極，從而導致雙極閉鎖的嚴重后果。本文結合仿真對上述問題進行深入分析，提出優化改進方案，并對優化后的方案進行驗證，為在運工程中該邏輯的改進及今后工程設計提供參考。

1 NBSF邏輯簡介

在特高壓換流站控制保護邏輯中，NBSF邏輯是設計在控制主機里的保護邏輯。該邏輯考慮的是在極隔離過程中中性母線開關（neutral bus switch, NBS）拉不開，中性母線開關保護（neutral bus switch protection, NBSP）動作于重合，然后執行NBSF邏輯[3-7]。具體是：當有拉開NBS指令時，若NBSP動作于重合，NBSF立即合上站內中性母線接地開關（neutral bus grounding switch, NBGS），NBGS合閘到位后發出分中性線隔離開關Q11、Q13或Q12、Q14刀開關及延時分NBS指令，當Q11、Q13或Q12、Q14分閘到位后拉開NBGS。NBSF邏輯示意圖及主接線示意圖分別如圖1和圖2所示。

圖1 NBSF邏輯示意圖

圖2 主接線示意圖

2 NBSF邏輯作用

特高壓換流站極區保護配置了極母線差動、極中性線差動、閥組連接線差動、極差動等用于檢測極區接地故障的保護，上述保護動作后執行Z閉鎖、極隔離、跳開并鎖定換流器交流進線開關等動作策略。在特高壓的閉鎖時序里，Z閉鎖時序如下：

1）若故障發生在整流側，整流側立即跳交流進線開關，投入旁通對，合旁通開關（bypass switch, BPS），BPS合上后閉鎖換流閥；收到對站動作信號以后，逆變側執行alpha90，投入旁通對，合BPS，BPS合上以后閉鎖換流閥。

2）若故障發生在逆變側，逆變側立即跳交流進線開關，投入旁通對，合BPS，BPS合上后閉鎖換流閥；整流側收到對站的保護動作信號以后，整流側立即移相，60ms后執行Y閉鎖（Y-BLOCK），當滿足低電流（I_LOW）條件時，20ms后閉鎖；當不滿足低電流條件時，20ms后投入旁通對，合BPS，BPS合上后閉鎖換流閥。極隔離操作涉及NBS、極母線刀開關（P1.WP.Q17、P2.WP.Q17）、中性線刀開關（P1.WN.Q11、P1.WN.Q13、P2.WN.Q12、P2.WN.Q14），動作時序如下：①當極母線電流小于set時，極隔離時序為拉開極母線刀開關→拉開中性母線開關→拉開中性線刀開關；②當極母線電流大于set時，極隔離時序為拉開中性線開關→拉開極母線刀開關→拉開中性線刀開關。

結合上述保護動作策略分析NBSF邏輯的作用，主要在五類故障中起作用，即極中性母線金屬性接地故障K1（NBS靠近閥側）、換流器閥區金屬性接地故障K2、閥組連接線金屬性接地故障K3、極母線金屬性接地故障K4、極中性母線金屬性接地故障K5（NBS與DNE測點之間）。NBSF邏輯保護范圍示意圖如圖3所示。

雙極大功率運行情況下，當上述故障點發生金屬性接地故障后，由于故障點接地電阻小，接地電阻為數百毫歐，而接地極電阻通常在1W左右，所以故障極NBS支路會有大電流流過，若流過NBS的電流大于NBS的開斷能力，則在極隔離的過程中NBS保護動作于重合，觸發NBSF，合上站內NBGS，由于NBGS接地電阻很小，通常為數十毫歐，正常極電流絕大部分經過NBGS流入大地，流過NBS支路的電流基本為零，此時拉開中性母線刀開關和中性母線開關，完成極隔離，故障點被隔離后拉開NBGS，正常極電流全部轉移至接地極支路穩定運行。以整流側極中性母線金屬性接地故障（NBS靠近閥側）為例說明NBSF動作前后電流流向、電流轉移及電流大小變化情況。

圖3 NBSF邏輯保護范圍示意圖

整流側極中性母線金屬性接地故障示意圖如圖4所示，以整流側極1故障為例，極1中性母線金屬性接地故障點在NBS靠近閥側。假設運行方式為雙極四閥組大地回線不平衡運行方式，輸送功率水平高。當整流側極1中性母線發生接地故障時，極1中性母線差動保護動作，整流側極1執行Z閉鎖，逆變側極1執行Y閉鎖，極1閉鎖后，極2的電流有三條通路。整流側極1中性母線金屬性接地故障電流回路示意圖如圖5所示。

圖4 整流側極中性母線金屬性接地故障示意圖

圖5 整流側極1中性母線金屬性接地故障電流回路示意圖

支路1（圖5中紅色實線所示）：電流經整流側極1中性母線接地點、逆變側接地極、極2直流線路返回。

支路2（圖5中紫色虛線所示）：電流經整流側接地極、逆變側接地極、極2直流線路返回。

支路3（圖5中粉色點劃線所示）：電流經整流側極1高、低端換流器旁通開關、極1直流線路、極2直流線路返回。

三條支路的分流與回路電阻關系緊密，當極1中性線發生金屬性接地故障時，極1閉鎖后極2電流絕大部分流經支路1，若極2輸送功率大，則流過極1 NBS的電流大，極1中性母線差動保護動作后要執行極隔離，若流過NBS的電流大于NBS的開斷能力，則在極隔離的過程中NBS保護動作于重合，觸發NBSF，合上站內NBGS，由于NBGS接地電阻很小，極2電流絕大部分經過NBGS流入大地，原支路1流過的電流基本為零，此時拉開中性母線刀開關和中性母線開關，完成極隔離，故障點被隔離后拉開NBGS，極2電流全部轉移至支路2，極2變為單極大地回線穩定運行。

3 NBSF邏輯隱患仿真分析

以±800kV青豫直流工程控制保護軟件為基礎，以逆變側極2極母線發生金屬性接地故障為例，開展NBSF邏輯仿真分析。

3.1 試驗條件及結果

將青豫直流啟至功率正送雙極半壓大地回線3 380MW運行工況，在實時數字仿真（real time digital simulation, RTDS）系統中，模擬逆變側極2極母線1s接地故障，接地電阻0.1W，觀察實驗現象并做事件記錄見表1，故障波形分別如圖6～圖10所示。

表1 逆變側極2極母線金屬性接地故障事件記錄

（續表1）

圖6 逆變側極2極母線接地故障時逆變側P2PCP主機波形

圖7 逆變側極2極母線接地故障時逆變側P1PCP主機波形1

圖8 逆變側極2極母線接地故障時逆變側P1PCP主機波形2

圖9 逆變側極2極母線接地故障時整流側P1PCP主機波形1

圖10 逆變側極2極母線接地故障時整流側P1PCP主機波形2

3.2 波形分析

故障時電流回路示意圖如圖11所示。

當逆變側極2極母線發生金屬性接地故障時，逆變側極2極母線電壓DL跌落至零，故障電流經接地極和故障點形成兩條支路，DL正向增大，DEL反向增大，DNC、DNE減小，如圖6所示。逆變側極2閉鎖后，逆變側極1電流經接地極和故障點也形成兩條支路，如圖7所示，流過逆變側極母線的電流DL逐漸減小至零，逆變側DNC、DNE電流逐漸增大。

故障發生后，逆變側極母線差動保護出現差流，并很快超過極母線差動Ⅱ段制動值，延時6ms保護動作，逆變側極2執行Z閉鎖。

逆變側極2閉鎖后，由于兩極都是雙極功率控制，極2功率正常轉帶至極1，整流側、逆變側極1進入3s過負荷，如圖7和圖9所示，整流側控制電流，電流限制器動作，將電流指令限制到3s過負荷電流值1.36p.u.（6 810A），之后兩站進入2h過負荷，電流指令被限制到1.237p.u.（6 185A）。由圖7可知，故障后逆變側極1電流經接地極和故障點也形成兩條支路，進入2h過負荷后，兩條支路電流之和為2h過負荷電流，電流比約為18:1，經接地故障點、逆變側極2中性母線支路流過的電流占絕大部分，約為5 862A。

流經逆變側極2的大電流直接導致逆變側極2在執行極母差保護動作策略極隔離時，拉不開NBS，NBSP動作于重合，同時觸發NBSF，合上NBGS。當逆變側NBGS合上后，由于逆變側NBGS接地電阻很小，2h過負荷電流幾乎全部轉移至NBGS支路，如圖8和圖10所示。由于流過NBGS支路的電流超過NBGS允許開斷值，在后續NBSF邏輯執行中不滿足NBGS拉開允許條件，未發出NBGS拉開指令，導致電流和時間滿足站接地過電流保護、后備接地極過電流保護動作條件，保護動作閉鎖極1，造成單極故障引起雙極閉鎖。

圖11 逆變側極2極母線發生金屬性接地故障示意圖

3.3 NBSF邏輯隱患

由圖8和圖10可知，當逆變側NBSF動作合上NBGS后，逆變側極1PCP電流限制器動作，將電流限到額定值1.0p.u.（5 000A）。極控制主機電流限制器邏輯如圖12所示。

圖12 極控制主機電流限制器邏輯

由于整流側收不到逆變側站內接地極的狀態及逆變側PCP電流限制器的限制值，且在大地回線正常方式，所以整流側極1PCP仍然將電流限制在2h過負荷電流1.237p.u.（6185A）。由于直流輸電工程采用電流裕度控制法，逆變側電流控制器電流指令比整流側低0.1p.u.，根據兩站電流控制器、電壓控制器的限幅邏輯，實際運行中整流側控制直流電流，逆變側控制直流電壓。兩站運行方式不一致，電流限制器最終的值也不一致，而在功率正送時，只有整流側的電流控制器有效，使電流最終被限制在2h過負荷電流值，導致NBSF邏輯未執行完，NBGS未拉開，最終導致保護動作閉鎖極1，直流雙極閉鎖。

同時，通過上述分析還可知，上述情況只在逆變側發生故障時才會出現，整流側發生故障觸發NBSF合上NBGS后，由于整流側電流控制器有效，電流會被正常限制在1.0p.u.。

4 改進建議

通過上述分析可知，當逆變側一個極發生故障觸發NBSF邏輯后，導致健全極也閉鎖的原因是逆變側NBSF動作后，整流側收不到逆變側站內接地極的狀態及逆變側PCP電流限制器的限制值，因此可采用以下改進方法。

1）將逆變側站內接地極狀態送至整流側

在電流限制邏輯中增加通過站間通信相互交互的站內接地極狀態，電流限制器邏輯修改示意圖如圖13所示。

通過修改極控制主機PCP程序，實現在電流限制邏輯中增加通過站間通信相互交互的站內接地極狀態，當逆變側站內接地極連接后，通過站間通信送至整流側，由于整流側控制電流，電流限制邏輯會將電流限制到1.0p.u.，逆變側電流降至額定值，NBSF邏輯可以正常拉開站內NBGS，不會導致站內接地極過電流保護及后備接地極過電流保護動作，從而保障正常極的正常運行。

2）逆變側過負荷期間站內接地極連接后降功率

NBSF動作時降功率邏輯示意圖如圖14所示。通過修改極控制主機PCP程序，當逆變側站內接地極在運行狀態時，若一極檢測到另一極NBSF動作，且電流大于額定值，則延時發降功率指令，將電流降至額定值。此時電流在NBGS開斷允許范圍內，在中性母線開關及刀開關拉開后，NBSF正常拉開NBGS，斷開站內接地極，正常極轉為單極大地運行方式正常運行。

圖14 NBSF動作時降功率邏輯示意圖

5 改進策略仿真結果

以第二種改進策略為例進行仿真分析。

5.1 試驗條件及結果

將青豫直流啟至功率正送雙極全壓大地回線8 000MW運行工況，在RTDS系統中，將站2極2的PPR主機中NBS的I段動作電流定值置為-75A，在站2通過置數模擬極2發生X閉鎖并觸發NBSF邏輯，事件記錄見表2，波形分別如圖15和圖16所示。

表2 NBSF邏輯改策略后事件記錄

（續表2）

圖15 逆變側極2接地極開路Ⅲ段動作時逆變側P1PCP控制主機波形1

圖16 逆變側極2接地極開路Ⅲ段動作時逆變側P1PCP控制主機波形2

5.2 仿真結果

試驗前工況為雙極四閥組大地回線8 000MW運行，在站2通過置數模擬極2接地極開路Ⅲ段動作于X閉鎖，功率轉帶至極1，極1進入過負荷運行，如圖15所示。極2執行極隔離，由于站2極2的PPR主機中NBS的Ⅰ段動作電流定值置為-75A，在拉開極2 NBS時觸發NBSF邏輯，合上NBGS，此時極1根據邏輯判定對極NBSF觸發功率回降邏輯，功率回降量233.275MW，電流降至額定值，如圖16所示。此時電流在NBGS開斷允許范圍內，在中性母線開關及刀開關拉開后，NBSF發拉開NBGS指令，正常拉開NBGS，斷開站內接地極，直流轉為單極大地運行方式，控制保護邏輯策略執行正確。

6 結論

NBSF是集成直流控制中的保護邏輯，本文詳細介紹了該邏輯的原理、作用，結合仿真結果分析了目前該邏輯存在的問題，提出了可行的改進方案，并對改進方案進行了仿真分析，仿真結果顯示改進后的邏輯避免了特殊工況下閉鎖雙極的嚴重后果，更有利于特高壓直流輸電工程的安全穩定運行，可為后續特高壓直流工程提供NBSF邏輯更完善的典型設計。

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Logic analysis and optimization of neutral bus switch failure in ultra-high voltage direct current grid project converter station

JIANG Jincheng WANG Hong

(EHV Branch Company of State Grid Xinjiang Electric Power Co., Ltd, Urumqi 830000)

Neutral bus switch failure (NBSF) logic is a typical design of the control and protection system of ultra-high voltage (UHV) DC transmission project. When the DC transmission project is in bipolar operation, if one pole fails, the neutral bus switch of the fault pole cannot be opened and acts on reclosing when the protection action performs pole isolation, so it is unable to isolate the fault point. By NBSF logic, the current can be transferred through the neutral bus grounding switch (NBGS) in the station, thus the neutral bus switch of fault pole and neutral line disconnector are opened to isolate the fault point. In this paper, the specific logic of NBSF is introduced in detail. Combined with simulation, the major hidden danger of bipolar locking caused by unipolar fault on the inverter side is deeply analyzed, the optimization and improvement scheme is put forward, and the optimized scheme is simulated and verified. It is expected to provide reference for the improvement of the logic in operation engineering and future engineering design.

neutral bus switch failure (NBSF); ultra-high voltage (UHV); pole isolation; reclosing; bipolar block

2022-05-16

2022-07-20

江金成（1989—），男，湖北巴東人，學士，主要從事特高壓直流輸電控制保護技術的研究工作。