2018, Vol. 36 
随着电力电子技术的进步，基于电压源换流器的柔性直流输电技术快速发展，该技术采用全控型器件，不存在发生换相失败的风险，同时具有有功无功独立解耦控制、无功功率连续可调、不需要消耗无功功率甚至可以发出无功功率的特点。但是，相对传统直流输电技术而言，存在工程造价高、运行损耗大、输送容量小等缺点[1]。为了发挥传统直流与柔性直流输电技术优点，同时规避缺点，将2种输电技术结合起来组成混合直流输电系统已成为当下研究的热点。
目前国内外很多研究人员针对混合直流系统开展了大量基础理论、建模仿真研究，甚至有很多工程应用，鲁西背靠背换流站的成功投运将云南电网和南方电网解列[2]。但现有研究针对工程实际调试、投运期间发生的隐患、缺陷分析研究较少。
本文通过对鲁西背靠背换流站柔性直流保护因合并单元测量数据异常导致的跳闸事件进行分析，发现保护程序在失灵保护配置、频率算法、与或逻辑方面存在隐患，提出了优化初始化程序、修改逻辑等处理措施。
1 鲁西背靠背换流站柔性直流保护介绍鲁西背靠背换流站柔性直流单元额定功率为1000 MW，额定电压±350 kV。广西侧和云南侧分别配置2套CSD-350保护装置，采用主备一体化设计。每套保护装置内置2个CPU(中央处理器)模块，程序和保护定值一致，正常运行时2个CPU与逻辑出口，2套保护装置或逻辑出口。通过CSD-601A智能终端采集一次设备状态，每套直流保护配置1套智能终端。
1.1 直流保护区域划分直流保护区域包括交流母线保护区、换流器保护区和直流极保护区，如图 1所示，交流母线保护区共有9项保护功能，换流器保护区共有5项保护功能，直流极保护区共有6项保护功能，具体保护功能如表 1所示[3]。
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图中：UacD—换流变网侧3相电压；IacD—换流变网侧3相电流；UacY—换流变阀侧3相电压；IacY—换流变阀侧3相电流；IdZ—换流变网侧中性点接地电流；IacZ—换流变阀侧中性点接地电流；IvC—桥臂交流侧3相电流；IbP—上桥臂3相电流；IbN—下桥臂3相电流；IdP—直流正极母线电流；IdN—直流负极母线电流；UdP—直流正极母线电压；UdN—直流负极母线电压 图 1 柔性直流输电系统保护区域划分示意图 |
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表 1 直流保护区保护配置 |
直流保护最终出口逻辑示意图如图 2所示，每套保护系统内2个CPU向FPGA(逻辑门芯片)下发某项保护启动的出口矩阵及相应保护所采用的光TA(电流互感器)测量通道状态，并结合另1套保护状态，共5个输入量再进入FPGA进行最终出口逻辑判断，并输出最终的出口信号[3]。
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图 2 直流保护出口逻辑示意图 |
具体内部出口逻辑如图 3所示。当数据正常时保护装置的双CPU按保护元件的出口矩阵进行与门出口，防止其中1个CPU的数据异常导致误动。当某个CPU采集的某个MU数据出现异常(品质异常或中断)，则受异常数据影响的保护元件逻辑变成了出口矩阵或门出口，其他保护逻辑仍为出口矩阵进行与门出口。保护装置的最终出口矩阵为所有保护元件出口矩阵的或门，另1套保护退出运行时，本套保护双CPU改为按保护元件或门出口。
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图中：Y—逻辑与门；>1—或门；T1/T2—时间继电器，其中，T1为元件动作时间定值，T2为元件返回时间； —使能出口矩阵，如果不使能，则出口矩阵数据为0，不跳任何出口；出口矩阵—每个保护元件的跳闸对象；MUERR—MU数据品质异常或者中断；OK/BAD—数据品质的好坏输出标志
图 3 直流保护出口逻辑
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2016-11-01T00：02：34.815，云南侧柔性直流保护1 CPU2对应的启动回路(T1)L3相电流(IvC)采样存在异常，导致交流连接母线L3相差动三段、桥臂电抗器L3相差动三段保护动作，但由于保护处于“二取二状态”未出口跳闸。34 s815 ms，云南侧柔性直流保护1报“失灵远跳(CPU2)保护动作”，34s861 ms报“云南侧3001断路器跳开”，35 s631 ms交流频率保护(CPU1和CPU2)动作，±350 kV换流单元三退至备用状态。柔性直流电气主接线见图 4所示。交流母线区保护原理见表 2。
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图 4 鲁西背靠背换流站柔性直流电气主接线图 |
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表 2 交流母线区保护原理 |
交流频率保护用于监测换流变压器阀侧电压的频率偏移，当出现长时间的频率偏移时由直流保护停运直流系统。
软件测频基于阀侧电压的正序分量，采用旋转相量法实现。该算法依据旋转相量的角度差和时间偏差实时修正。为防止阀侧电压较低时角度计算不准确带来频率计算误差，在算法中增加了阀侧电压低时固定输出50 Hz并退出后续测频计算的程序，导致影响之后的累积偏差修正值的计算。该修正值一直递推使用，会导致较长时间频率计算不准确，在满足保护定值和时间门槛后出口动作[4-5]。
通过对电压未跌落时外部录波数据和装置内部录波数据进行离线仿真，发现测频精度满足保护要求。由此得出，造成现场保护装置频率测量异常的根本原因，不是电压中的谐波影响，而是电压降低时的处理方法影响了修正算法的实时性。
2.2.2 失灵远跳保护失灵远跳保护是为防止断路器拒动而设置，如果有保护一直处于动作状态，则经过较长延时(程序默认值35 s)后重跳换流变压器阀侧断路器。装设换流变压器阀侧断路器是为了在网侧断路器无法分开故障时，可以通过阀侧断路器切除故障。考虑到在失灵远跳保护动作前，其他保护已发闭锁命令至控制系统，所以失灵远跳保护功能不再发闭锁指令。
失灵远跳保护的判别逻辑是：本次判别周期中保护的出口指令不为空；换流变压器网侧断路器处于合闸状态；网侧电压大于电压门槛值(默认值42 kV)失灵远跳保护开始计时，达到时间定值后失灵远跳动作跳开换流变压器阀侧断路器。如果上述3个条件不能同时满足，则清除失灵远跳保护延时，下次条件满足时再重新计时。
差动保护的整组复归时间为30 s，复归计时起点是从上次动作开始计时。如果差动保护一直处于动作状态，在保护动作30 s后进行1次整组复归操作。在整组复归时差动保护先将本次动作的标志和保护的出口指令清0，然后重新进行差动保护逻辑判别。
当仅有1个差动保护满足动作条件时，由于差动保护每30 s会进行1次整组复归，在差动保护整组复归时出口指令为0，所以失灵远跳保护清除时间计时器。计时器无法累积到35 s，所以不会动作。
如果2个差动保护相继动作或2个不同延时定值的差动保护动作时，由于它们不会同时进行整组复归操作，出口指令不会同时清0，这时失灵远跳保护的计时器持续累积，失灵远跳保护就会动作。
2.3 处理措施根据以上分析，程序存在失灵保护配置有误、低电压时频率算法处理不当、与或逻辑不严谨等问题，主要是在MU数据异常的防护处理方面不够完善。所以在MU上送数据异常时，触发并导致了装置出口。对此提出应采取以下措施。
2.3.1 取消失灵远跳保护失灵远跳保护功能是柔直交流场进线开关未配置断路器失灵保护时，为防止断路器拒动而设置，如果有保护一直处于动作状态，则经过较长延时后重跳换流变压器阀侧断路器。根据该工程设计要求，鲁西背靠背换流站柔性直流单元500 kV交流场串内断路器已配置断路器失灵保护，在直流保护区内可不再重复配置。
2.3.2 改进测频算法改进测频算法，确保软件中实时修正算法的有效性，保证测量精度。将阀侧电压低时的预防措施移至实时修正算法后，确保实时修正算法正常。在频率计算结果输出前，若阀侧电压出现跌落，降至门槛值以下，则输出频率固定50 Hz，否则按实际计算结果输出。
2.3.3 保护装置优化冗余出口逻辑每套保护中2个处理单元按保护功能元件进行“与/或”逻辑出口判别。当2套保护装置都在运行时，如果某个处理单元的模拟量出现品质异常，闭锁本单元受影响的保护功能，另1个处理单元中相应的保护功能可以独立出口；其余不受模拟量品质影响的保护功能仍然采用“与”逻辑出口。当只有1套保护装置处于运行状态时，另1套装置的所有保护功能采用“或”逻辑出口。
3 柔性直流保护隐患分析及处理建议 3.1 保护装置断电重启后自动置为ACTIVE状态 3.1.1 隐患分析当保护装置处于OFF状态，对故障保护系统进行断电重启，重启完成后，装置未恢复至重启前的OFF状态，而是ACTIVE状态，此时保护装置的出口有效。
断电重启后由系统层的程序将保护状态置为ACTIVE，将故障系统投入运行，同时将另1套保护装置切换至“与”出口状态。
在进行程序升级、板卡更换的工作时，若升级使用的程序或更换的板卡存在问题，掉电重启后置为ACTIVE状态，存在误出口的隐患。
在检查测量回路后，若对测量回路状态恢复不到位，装置采集到异常电气量，保护在OFF状态下不进行逻辑判断，掉电重启后置为ACTIVE状态，保护重新投入，将导致保护直接动作出口。
3.1.2 处理建议(1) 优化初始化程序，将保护装置掉电重启后的状态默认设置为OFF状态。
(2) 此时直流保护向单元控制主机发送的指令中带有直流保护退出状态标志，单元控制主机不再处理该套直流保护的闭锁命令。
3.2 保护装置在OFF位发生严重告警时复归后会置为ACTIVE位 3.2.1 隐患分析当单套保护发生严重故障告警，退出该保护至OFF状态，按下保护系统复归按钮，CPU板卡进行软复位，保护装置将自动置为ACTIVE状态。
当发生严重故障，按下复归按钮，系统层程序将对装置进行软复位重启，在重启过程中会将保护状态置为ACTIVE。将故障系统投入运行同时将另1套保护装置切换至“与”出口状态。若在出现严重故障后，出现测量异常等问题，在按下复归按钮之后，保护将会直接出口跳闸。
3.2.2 处理建议(1) 优化初始化程序，将保护装置复位重启后的状态默认设置为OFF状态。
(2) 此时直流保护向单元控制主机发送的指令中带有直流保护退出状态标志，单元控制主机不再处理该套直流保护的闭锁命令。
3.3 交流低电压保护在断路器失灵工况下长期开入信号至操作箱导致设备损坏 3.3.1 隐患分析交流低电压保护通过判断串内开关位置进行保护功能投退。当直流保护动作出口跳闸，在跳开网侧串内开关时，若任意1个断路器失灵，断路器失灵保护启动跳开相邻元件。此时串内2个开关1个处于分位，另1个处于合位，交流低电压保护仍在投入状态，由于是欠量保护，无法通过电气量返回，在换流变压器失去电压后交流低电压将再次动作出口跳闸，保护将持续动作开出跳闸信号至操作箱，只有将直流保护装置退出(切换置OFF状态或退出出口压板)或断开失灵保护开关，直流保护才能退出并停止动作。
交流低电压保护取网侧三相电压最大值，关联断路器位置进行判别。交流低电压保护使用曾大于定值标志投入保护，当电压曾经大于低电压定值，将标志置位并默认保持。当断路器分开时，清除曾大于标志，退出保护，防止欠量保护因跳闸后的低电气量而保持动作。
因此，当直流系统因任意原因故障跳闸[6-7]，同时串内其中1个断路器失灵时，随后失灵保护动作，跳开失灵断路器的相邻开关，直流系统与交流系统断开，换流单元对应的2个断路器1个处于分位(正常跳开)，另1个处于合位(失灵拒动)，此时保护装置判断断路器处于合位，不进行曾大于标志的清除，交流低电压保护保持投入。且直流系统实际已经与交流系统断开，换流变压器进线TV(电压互感器)随着相关断路器跳开，测量电压为0。保护装置采集的网侧电压为0，交流电压保护投入，达到延时后，保护保持长期动作。通过跳闸回路，保护长期开出跳闸信号至对应的断路器操作箱TJR(跳闸)继电器，继电器保持动作。10 s后操作箱将发出长期开入异常告警。如果保护装置的长期动作无法通过按复归按钮停止，只有通过断开失灵保护开关或者退出保护装置才能停止。若故障处理时间过长，操作箱将长期保持动作。根据现场经验，断路器操作箱在长期开入的情况下，30 min操作箱温度将上升至100 ℃以上，若持续时间更长，很有可能将操作箱烧毁。
3.3.2 处理建议修改交流低电压保护的返回逻辑，在保护动作后经过1个固定的延时后自动返回。
4 结束语本文以鲁西背靠背换流站发生的1起异常跳闸事件为例，分析柔性直流保护存在的问题，并提出改进措施。保护装置程序升级后，运行稳定，未再出现重复性跳闸，提高了柔性直流保护运行的稳定性，对今后的柔性直流工程建设起到借鉴作用。但工程还未经受长期的运行考验，如软件质量管控不到位、试验未全面验证典型N-1故障、电网谐波过大导致直流闭锁等问题仍影响着直流系统运行[8]。因此有必要继续开展混合直流输电技术运行关键技术研究，组织相关设备生产厂家开展现场试验，进一步提高直流输电运行的可靠性。
| [1] | 徐政. 柔性直流输电系统[M]. 杭州: 机械工业出版社, 2013. |
| [2] | 刘涛, 李婧靓, 李明, 等. 南方电网鲁西背靠背直流异步联网工程控制保护系统设计方案[J]. 南方电网技术, 2014(6): 2–5. |
| [3] | 刘志超. ED4. 351. RZ-0柔性直流保护设计规范书[Z]. 北京: 北京四方继保自动化股份有限公司, 2014. |
| [4] | 于昊夫. CSD-350B常规直流保护装置说明书_V1. 00[Z]. 北京: 北京四方继保自动化股份有限公司, 2014. |
| [5] | 李洁, 黄凯漩, 陈志伟, 等. 南澳柔性直流输电工程换流阀保护拒动原因分析[J]. 广东电力, 2017, 30(11): 114–119. |
| [6] | 温向炜, 王昊赪, 宫力彬. 非典型220 kV直流系统接地故障原因分析[J]. 内蒙古电力技术, 2017, 35(4): 60–63. |
| [7] | 李莉美, 赵丽君, 菅晓清, 等. 变电站直流系统存在问题分析及改进措施[J]. 内蒙古电力技术, 2016, 34(2): 97–100. |
| [8] | 吴海涛, 王世祥. 柔性直流智能配电网的保护配置与动作策略研究[J]. 电力大数据, 2018, 20(2): 74–80. |