劉臣賓，盧 宇，邵震霞，李 林，柏傳軍，劉海彬

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211100）

相對于傳統(tǒng)的單回架設(shè)直流輸電線路，采用雙回直流輸電線路同桿并架技術(shù)，可以有效節(jié)約線路走廊資源、提高通道輸送能力、降低建設(shè)成本[1]。由于同塔架設(shè)的雙回直流共4個極導(dǎo)線之間存在著靜電耦合及電磁耦合，因此會產(chǎn)生一定的相互影響，反過來也有可能影響各回直流本身的特性。然而，相對于應(yīng)用廣泛、研究深入的交流同桿并架技術(shù)[2，3]，目前關(guān)注于直流同塔雙回架設(shè)方式的研究還比較少[4]。

±500kV荊滬直流輸電系統(tǒng)和技改后的±500kV葛南直流輸電系統(tǒng)將是國內(nèi)首個采用同塔雙回模式的直流輸電工程，同塔雙回架設(shè)的直流輸電線路全長共907 km。本文以此實(shí)際的同塔雙回直流輸電工程為仿真對象，使用實(shí)時仿真工具RTDS與實(shí)際直流控制保護(hù)系統(tǒng)構(gòu)造的閉環(huán)仿真系統(tǒng)，對±500kV同塔雙回直流系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的仿真研究。仿真研究的目的在于弄清同塔雙回直流系統(tǒng)的主要特性，以仿真結(jié)論指導(dǎo)直流控制保護(hù)系統(tǒng)功能設(shè)計與參數(shù)整定。

1 仿真系統(tǒng)與建模

1.1 仿真系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

仿真系統(tǒng)采用基于電磁暫態(tài)數(shù)字仿真原理的RTDS仿真器模擬直流輸電系統(tǒng)一次設(shè)備；直流控制保護(hù)系統(tǒng)則采用南瑞繼保直流控制保護(hù)設(shè)備。實(shí)際外部控制保護(hù)系統(tǒng)與RTDS數(shù)字仿真器共同構(gòu)成一個閉環(huán)的仿真系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與連接方式見圖1。RTDS與外部控制保護(hù)系統(tǒng)之間的接口信號包括脈沖輸入量、模擬輸出量、數(shù)字輸入量和輸出量[5]。

1.2 實(shí)時仿真系統(tǒng)建模

±500kV葛南與荊滬同塔雙回直流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

同塔架設(shè)的兩回直流線路的排列方式：同一回直流系統(tǒng)的正負(fù)兩極導(dǎo)線布置在桿塔的同一側(cè)，極性分別采取上負(fù)下正和上正下負(fù)。

2 同塔雙回直流輸電系統(tǒng)仿真研究

對于同塔架設(shè)的雙回直流系統(tǒng)，兩回線路之間存在著靜電耦合及電磁耦合。在穩(wěn)態(tài)工況下，兩回直流間相互影響甚微，因此研究的重點(diǎn)放在直流啟動、停運(yùn)、指令擾動以及交直流故障等情況下，考察同塔架設(shè)的雙回直流系統(tǒng)間的相互影響以及這種架線方式對直流系統(tǒng)自身特性的影響。

2.1 直流正常啟動/停運(yùn)

仿真研究了一回直流穩(wěn)態(tài)運(yùn)行、另一回直流正常雙極啟動以及雙極停運(yùn)的各種情況。系列仿真結(jié)果表明：一回直流系統(tǒng)的正常啟動和停運(yùn)過程對同塔雙回架設(shè)的另一回直流系統(tǒng)產(chǎn)生的擾動非常微小，可以忽略不計。

2.2 電流/功率階躍

在同塔雙回研究中，用階躍響應(yīng)試驗來定量的評估實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行時由于系統(tǒng)擾動導(dǎo)致一回直流電流/功率擾動后對另一回直流中產(chǎn)生的影響情況。

仿真研究分別對荊滬、葛南直流正極、負(fù)極進(jìn)行了電流階躍和功率階躍試驗，觀察了同塔雙回架設(shè)的各非擾動極在階躍過程中的響應(yīng)特性。此外，本項仿真研究還對比了同塔架設(shè)方式與單回架設(shè)方式下直流系統(tǒng)階躍響應(yīng)的差異。

系列仿真結(jié)果表明：

（1）當(dāng)同塔雙回直流系統(tǒng)中的其中一極由于某種擾動發(fā)生電流/功率躍變時，會對同塔架設(shè)的另一極以及另一回直流產(chǎn)生一定的擾動，且對另一回直流擾動大小與對本回另一極的擾動大小相當(dāng)。

（2）經(jīng)過同塔雙回改造后的直流系統(tǒng)，如果直流線路等值電阻值不變，控制系統(tǒng)的階躍特性保持與改造前單回架設(shè)時基本一致。

2.3 直流緊急停運(yùn)

由于從額定直流功率直接緊急停運(yùn)對系統(tǒng)擾動最大，仿真研究以此為對象，詳細(xì)仿真了荊滬和葛南直流正極、負(fù)極以及雙極緊急停運(yùn)過程。

系列仿真結(jié)果表明：

（1）當(dāng)同塔雙回直流系統(tǒng)中的一回或一極緊急閉鎖時，會對同塔架設(shè)的另一回直流產(chǎn)生一定的擾動。閉鎖前系統(tǒng)輸送功率越大，擾動越大。

（2）單極閉鎖時，閉鎖極對另一回直流雙極的擾動大小與對本回另一極的擾動大小相當(dāng)。

（3）如果雙極同時緊急停運(yùn)，由于同時刻閉鎖的正負(fù)極在另一回直流系統(tǒng)中的擾動存在反向的疊加效應(yīng)，因此雙極緊急停運(yùn)對另一回的擾動不會大于單極緊急停運(yùn)對另一回的擾動。

（4）由于正向的疊加效應(yīng)，同塔架設(shè)的4個極中，同極性的2個極同時緊急停運(yùn)對另2個健全極的影響最甚。

2.4 與直流系統(tǒng)相連的交流系統(tǒng)故障

研究時分別對整流站和逆變站的交流母線單相、兩相和三相接地故障進(jìn)行了詳細(xì)的仿真，重點(diǎn)比較了同塔雙回架設(shè)與獨(dú)立架設(shè)2種方式下，直流系統(tǒng)在故障恢復(fù)特性方面的異同。

系列仿真結(jié)果表明，在同等系統(tǒng)條件下，采用同塔雙回架設(shè)方式與采用獨(dú)立架設(shè)方式的直流系統(tǒng)在交流系統(tǒng)故障后的恢復(fù)特性基本一致，即同塔架設(shè)方式對直流系統(tǒng)在交流系統(tǒng)故障后的恢復(fù)特性沒有明顯的影響。

2.5 直流系統(tǒng)100 Hz保護(hù)

在交流系統(tǒng)發(fā)生不對稱故障時，直流電流中會出現(xiàn)100 Hz分量。直流系統(tǒng)配置100 Hz保護(hù)來作為交流系統(tǒng)的后備保護(hù)[6]。

仿真研究以交流側(cè)單相接地故障為典型故障，首先研究了整流側(cè)和逆變側(cè)分別發(fā)生500 ms單相接地故障時，采用同塔架設(shè)和獨(dú)立架設(shè)方式對故障系統(tǒng)100 Hz分量的影響。在額定功率下，荊滬直流整流站交流母線發(fā)生500 ms單相金屬性接地故障時，同塔架設(shè)與獨(dú)立架設(shè)方式，單極直流電流100 Hz分量的對比如圖3所示。

仿真結(jié)果表明：對于故障回直流的100 Hz分量，同塔架設(shè)與獨(dú)立架設(shè)方式?jīng)]有明顯區(qū)別，因此在整定同塔雙回直流系統(tǒng)的保護(hù)定值時完全可以參照常規(guī)直流的原則。

仿真結(jié)果還表明：

（1）同塔雙回架設(shè)的兩回直流線路間感應(yīng)的100 Hz分量水平均小于目前工程設(shè)定的100 Hz保護(hù)的定值，即該100 Hz保護(hù)的定值可以躲過同塔架設(shè)方式帶來的感應(yīng)分量。

（2）同塔雙回的4個換流站中任意1個發(fā)生交流系統(tǒng)故障，非故障回直流中的100 Hz分量等于純感應(yīng)分量與自身100 Hz分量的之和。這是由于同塔雙回架設(shè)的2個換流站距離較近，并且存在比較緊密的交流系統(tǒng)聯(lián)系，因此發(fā)生在同一區(qū)域內(nèi)另一換流站的交流故障同樣會導(dǎo)致本換流母線電壓的畸變，從而在直流系統(tǒng)中產(chǎn)生100 Hz分量。

2.6 直流系統(tǒng)50 Hz保護(hù)

當(dāng)換流閥發(fā)生丟失脈沖等觸發(fā)異常的故障時，直流電流中會產(chǎn)生較大的50 Hz電流分量，并且直流線路對該分量具有放大作用。顯然，這種交變的基頻分量會通過同塔架設(shè)的直流線路相互感應(yīng)，從而影響非故障回直流。本文詳細(xì)仿真研究了整流和逆變側(cè)丟脈沖故障時，同塔架設(shè)的各極直流線路上的50 Hz分量的特性，并比照了同塔架設(shè)與獨(dú)立架設(shè)方式對50 Hz保護(hù)的影響。荊滬直流整流側(cè)極1的Y橋6號閥丟脈沖500 ms故障時，同塔雙回與常規(guī)單回架設(shè)方式下，極1直流電流中50 Hz分量的波形對比如圖4所示。

仿真結(jié)果表明：

（1）同塔雙回架設(shè)方式會助增直流線路對50 Hz分量的放大效應(yīng)。因此對于50 Hz保護(hù)考慮兩側(cè)切換定值的配合。在較大50 Hz電流情況下切換段動作時間可以加長，同時50 Hz保護(hù)不建議采用反時限方式實(shí)現(xiàn)。

（2）故障極50 Hz分量在同塔雙回架設(shè)的其他3個極中感應(yīng)的大小基本相當(dāng)。同塔雙回直流系統(tǒng)的50 Hz保護(hù)定值的動作門檻的整定時完全可以參照常規(guī)直流的原則。

2.7 直流線路故障

直流線路行波保護(hù)和電壓突變量保護(hù)是直流線路故障的主保護(hù)，主要依靠檢測直流電壓變化率dU/dt和直流電壓。仿真研究重點(diǎn)考察了同塔雙回架設(shè)方式在直流線路故障時的對電壓變化率dU/dt的影響情況。荊滬直流極1線路中點(diǎn)處發(fā)生800 ms金屬性接地故障時，同塔架設(shè)與獨(dú)立架設(shè)方式，故障極直流電壓變化率dU/dt波形對比如圖5所示。

仿真結(jié)果表明：同塔雙回直流線路單極接地故障的特性與常規(guī)單極架設(shè)方式基本一致，因此，直流線路保護(hù)可以參考常規(guī)直流系統(tǒng)來配置和整定。

2.8 直流碰線故障

圖5 直流電壓變化率dU/dt波形對比

對于同塔雙回架設(shè)的直流系統(tǒng)，兩回直流輸電線路的正負(fù)極分別布置在桿塔的兩側(cè)，從而就存在正負(fù)極碰線的可能性，這是需要研究的特殊情況。荊滬直流極1與極2線路碰線800 ms時兩極中直流電壓、電流和功率的波形如圖6所示。故障時兩極功率同時失去，保護(hù)2次重啟線路不成功后第3次降壓重啟。

圖6 直流電壓及電流和功率的波形

系列仿真結(jié)果表明：常規(guī)直流線路保護(hù)能保護(hù)同塔雙回直流碰線故障情況。但是，相比與單極線路故障，直流碰線故障可能引起一回直流雙極功率同時失去，從而增加該回直流換流站交流過電壓的嚴(yán)重程度。

實(shí)際上，直流碰線故障又分為兩極碰線和兩極接地2種情況。對這2種故障的仿真結(jié)果表明：兩者的暫態(tài)過程相同，故現(xiàn)工程配置的保護(hù)無法將兩者區(qū)分開，但能正確保護(hù)。

與常規(guī)獨(dú)立架設(shè)的直流系統(tǒng)不同，當(dāng)遇到雷擊時，同塔架設(shè)的同極性極可能同時故障，這是同塔雙回直流系統(tǒng)直流線路的另一種特殊故障。仿真研究了同塔雙回直流同極性的兩極碰線以及同時接地故障的情況，結(jié)果表明：

（1）2個同極性直流極的電壓大小相差不大，在發(fā)生碰線故障時電壓變化較小，由于故障點(diǎn)有電流流過，電流將在兩回直流間重新分布，但是兩站的和電流保持不變，整體功率基本不變，故障必須依靠直流線路縱差保護(hù)動作后切除。

（2）兩回直流同極性極同時發(fā)生接地故障與單回直流發(fā)生接地故障的系統(tǒng)響應(yīng)相同，故每回直流將通過直流線路保護(hù)重啟來消除故障。

3 結(jié)束語

采用實(shí)際控制保護(hù)系統(tǒng)與實(shí)時數(shù)字仿真器RTDS搭建了閉環(huán)的仿真系統(tǒng)，模擬了±500kV葛南直流和±500kV荊滬直流同塔雙回直流輸電系統(tǒng)。通過大量仿真試驗研究，最終確定同塔雙回直流系統(tǒng)在暫態(tài)過程中的相互影響有以下主要特征：

（1）一回直流的某一極發(fā)生擾動或故障，對另一回直流兩個極的擾動大小與其對本回另一極的擾動大小相當(dāng)。

（2）擾動極或故障極的響應(yīng)特性由擾動與故障本身決定，不受同塔雙回架設(shè)方式的影響。

（3）交、直流故障時，同塔雙回線路間的相互影響不會導(dǎo)致保護(hù)誤動作。

（4）同回直流正負(fù)極碰線、兩回直流同極性直流極碰線2種特殊故障均可通過已有的直流線路故障來保護(hù)。

基于全部仿真分析結(jié)果，在同塔雙回直流控制保護(hù)系統(tǒng)功能設(shè)計與參數(shù)整定時有如下依據(jù)：

（1）在線路參數(shù)相同的前提下，同塔雙回直流控制系統(tǒng)參數(shù)可以參照常規(guī)直流來設(shè)定，其系統(tǒng)的響應(yīng)特性和故障后的恢復(fù)特性均能夠滿足技術(shù)上的要求。

（2）常規(guī)直流的保護(hù)配置和保護(hù)原理能夠滿足同塔雙回直流的安全性要求。主要通過合理策略避免雙回直流發(fā)生碰線故障時同時閉鎖。

[1]潘 靖，易 輝，陳柏超.我國緊湊型與同塔雙回輸電現(xiàn)狀與展望[J].高電壓技術(shù)，2005，31(9)：25-27.

[2]胡丹暉，涂彩琪，蔣 偉，等.500kV同桿并架線路感應(yīng)電壓和電流的計算分析[J].高電壓技術(shù)，2008，34(9)：1927-1931.

[3]傅 中，張必全.500kV同桿并架線路感應(yīng)電壓和電流的仿真與研究[J].電力建設(shè)，2007(7)：31-33.

[4]石 巖，王 慶，聶定珍，等.±500kV直流輸電工程同桿并架技術(shù)的綜合研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2006，30(11)：1-6.

[5]龍 英，馬玉龍，曾南超，等.RTDS應(yīng)用于直流控制保護(hù)系統(tǒng)的仿真試驗[J].高電壓技術(shù)，2005，31(8)：56-58.

[6]周紅陽，余 江，黃佳胤，等.南方電網(wǎng)直流100 Hz保護(hù)的改進(jìn)措施[J].電力自動化設(shè)備，2007，27(12)：96-100.