季子孟，王學(xué)寬，周經(jīng)天

（國網(wǎng)上海市電力公司檢修公司，上海 200120）

柔性直流輸電工程二次保護(hù)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

季子孟，王學(xué)寬，周經(jīng)天

（國網(wǎng)上海市電力公司檢修公司，上海 200120）

介紹了某柔性直流示范工程中直流保護(hù)系統(tǒng)的配置原則及其二次構(gòu)成，分析了基于多模塊多電平(MMC)的換流器保護(hù)特殊性，并對單站現(xiàn)場調(diào)試、驗(yàn)收過程中保護(hù)系統(tǒng)所遇到的若干問題進(jìn)行分析和總結(jié)。

柔性直流輸電；保護(hù)系統(tǒng)；換流器；閥基控制系統(tǒng)

0 引言

柔性直流輸電可以實(shí)現(xiàn)有功功率及無功功率的獨(dú)立調(diào)節(jié)，已被運(yùn)用于風(fēng)電并網(wǎng)、孤島供電等工程。我國首個柔性直流輸電工程——上海南匯風(fēng)電場柔性直流示范工程已順利投入運(yùn)行。VSCHVDC(電壓源換流器型直流輸電)作為一種新型的電能傳輸方式，其特有的電路結(jié)構(gòu)及控制方式，需要有一整套與之相適應(yīng)的保護(hù)系統(tǒng)對其元器件進(jìn)行保護(hù)，特別是對其中的換流器進(jìn)行保護(hù)。

以下對該示范工程中的保護(hù)系統(tǒng)配置原則及保護(hù)系統(tǒng)的二次構(gòu)成進(jìn)行介紹，并對基于直流控制保護(hù)系統(tǒng)(PCP)中的交流場區(qū)保護(hù)、直流場區(qū)保護(hù)、閥區(qū)保護(hù)，特別是換流器保護(hù)進(jìn)行分析;同時對現(xiàn)場調(diào)試及驗(yàn)收過程中所遇到的若干問題進(jìn)行總結(jié)。

1 保護(hù)系統(tǒng)的構(gòu)成

1.1 保護(hù)配置原則及動作策略

對于柔性直流輸電系統(tǒng)中的大部分組件，其保護(hù)配置原則和常規(guī)直流輸電系統(tǒng)是類似的，主要有以下幾個方面：可靠性、靈敏性、選擇性、快速性、可控性、安全性、可維護(hù)性。柔性直流換流站保護(hù)的作用在于使換流站免受由外部故障和外部過電壓所引起的危害，限制換流站內(nèi)部故障所帶來的危害以及抑制系統(tǒng)對故障的回饋?zhàn)饔谩?/p>

與常規(guī)直流輸電系統(tǒng)類似，柔性直流輸電系統(tǒng)的保護(hù)采取分區(qū)重疊配置原則。該示范工程按電氣接線中的位置可將保護(hù)分為交流場保護(hù)區(qū)、接口變壓器保護(hù)區(qū)、閥保護(hù)區(qū)、直流場保護(hù)區(qū)，如圖1所示。

結(jié)合該工程一次接線以及故障類型，保護(hù)系統(tǒng)主要采用以下措施進(jìn)行故障處理操作。

(1) 報警。對于不影響正常運(yùn)行的故障，首要應(yīng)對措施是通過后臺報警來告知運(yùn)行人員，但系統(tǒng)仍然保持運(yùn)行狀態(tài)。

(2) 暫時性閉鎖換流器。在出現(xiàn)暫態(tài)過電流等情況時，對換流閥發(fā)出閉鎖脈沖進(jìn)行短時間的暫時性閉鎖，待電流恢復(fù)正常后嘗試恢復(fù)脈沖。

(3) 永久性閉鎖換流器。發(fā)送閉鎖脈沖到全部換流閥，使換流器立即關(guān)斷。

(4) 交流斷路器跳閘。跳開接口交流斷路器開關(guān)，中斷交流系統(tǒng)與直流系統(tǒng)的連接。

(5) 交流斷路器鎖定。發(fā)送斷路器跳閘命令的同時，發(fā)送鎖定信號來閉鎖斷路器，以防止運(yùn)行人員在找到故障原因前誤合開關(guān)。

1.2 二次保護(hù)系統(tǒng)構(gòu)成

圖1中所示接口變壓器采用單獨(dú)的微機(jī)保護(hù)裝置RCS-9671C及RCS-9681C作為其差動及后備保護(hù)，動作后跳開交流斷路器及閉鎖換流器，其保護(hù)策略及二次保護(hù)設(shè)備與傳統(tǒng)交流保護(hù)無差異，在此不展開討論。

圖1中對應(yīng)的交流場區(qū)保護(hù)、閥區(qū)保護(hù)和直流場區(qū)保護(hù)都集成在直流控制保護(hù)系統(tǒng)(PCP)內(nèi)，其系統(tǒng)的組成如圖2所示。

圖1 示范工程保護(hù)配置

圖2 PCP接口示意

PCP按雙重化冗余配置，分為A，B 2套，每套系統(tǒng)均有各自獨(dú)立的通信接口及雙重化電源回路。PCP是整個換流站控制系統(tǒng)的核心，其功能主要是完成換流器系統(tǒng)級控制與保護(hù)，與SCADA接口，與閥基控制系統(tǒng)的通信，為閥水冷系統(tǒng)提供接口，實(shí)現(xiàn)交直流開關(guān)場斷路器、閘刀的聯(lián)鎖與控制等。

閥基控制系統(tǒng)(VBC)也按雙重化配置，并與2套PCP一一對應(yīng)。其作為換流器控制器，接收PCP下傳的電壓參考值，對下級的換流閥進(jìn)行控制，并處理下級換流閥上傳的狀態(tài)量，以及向PCP上傳信息量。

交流現(xiàn)場單元(AFT)實(shí)現(xiàn)對一次系統(tǒng)電壓、電流等模擬量以及斷路器、閘刀、閥冷卻系統(tǒng)等數(shù)字量就地采集與控制。AFT配置有2套，并與2套PCP一一對應(yīng)。

2套PCP保護(hù)系統(tǒng)之間可以隨著系統(tǒng)運(yùn)行工況的變化自動進(jìn)行切換，也可以由運(yùn)行人員進(jìn)行手動切換。切換邏輯處于每套系統(tǒng)中，不需要獨(dú)立的外部切換設(shè)備，主要有以下幾種方式進(jìn)行冗余系統(tǒng)之間的切換：

(1) 運(yùn)行人員在運(yùn)行人員工作站手動發(fā)出切換命令；

(2) PCP自診斷系統(tǒng)在檢測到當(dāng)前有效系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，發(fā)出系統(tǒng)切換命令；

(3) 外部系統(tǒng)要求，這里主要由VBC自檢發(fā)現(xiàn)當(dāng)前電路或與PCP通信故障時，便發(fā)出“VBC_ CHANGE=1”信號，請求PCP切換主從機(jī)。

1.3 交流場區(qū)保護(hù)

換流器通過換流電抗器及接口變壓器與交流系統(tǒng)連接，從而進(jìn)行有功及無功的交換。因此，交流系統(tǒng)故障主要影響換流站和交流系統(tǒng)的功率交換以及柔性直流系統(tǒng)的運(yùn)行性能。交流系統(tǒng)的故障類型主要包括系統(tǒng)線路故障和由于雷擊、甩線路、處理故障所造成的過電壓，以及切機(jī)、切除無功補(bǔ)償裝置所造成的欠壓等。

PCP中的交流場區(qū)保護(hù)主要反映換流站所接交流系統(tǒng)故障或不正常運(yùn)行狀態(tài)，動作后暫時或永久閉鎖換流器并跳開交流斷路器。該示范工程中交流系統(tǒng)的電壓取自35 kV側(cè)交流母線的電壓互感器TV1，用以判別交流系統(tǒng)的故障及異常狀況。保護(hù)類型有交流過電壓保護(hù)、欠電壓保護(hù)，以及頻率異常保護(hù)。

1.4 直流場區(qū)保護(hù)

直流場區(qū)保護(hù)主要反映直流場及直流輸電線路所發(fā)生的各類故障，其故障類型主要有直流單極接地、直流雙極短路、直流線路斷相等。保護(hù)類型分為：直流電壓不平衡保護(hù)、直流欠壓及過流保護(hù)、直流過壓保護(hù)以及直流低電壓保護(hù)。由于該工程采用電纜輸電，其線路故障基本為永久故障，所以直流側(cè)保護(hù)動作不考慮換流閥暫時性閉鎖，而是直接永久閉鎖換流閥并且跳開交流斷路器。

1.5 閥區(qū)保護(hù)

閥區(qū)主要包含換流器、換流電抗器(即橋臂電抗器)以及換流器輔助設(shè)備等?；赑CP的閥區(qū)保護(hù)功能主要完成閥區(qū)內(nèi)各種故障的判別及動作，以及保護(hù)閥區(qū)內(nèi)的一次設(shè)備不受過流所產(chǎn)生應(yīng)力的影響，同時檢測閥基控制功能是否失效。保護(hù)功能主要由換流電抗器差動保護(hù)、零序電壓保護(hù)、橋臂差動保護(hù)、交流過流保護(hù)以及橋臂環(huán)流檢測構(gòu)成。保護(hù)動作除了閉鎖換流器及跳開交流斷路器外，為了保護(hù)換流器中的子模塊不受過流影響，還需觸發(fā)子模塊中的保護(hù)晶閘管(SCR)。

1.6 換流器保護(hù)

VSC-HVDC作為一種兆瓦級以上的大功率裝置，其每一個換流器都需要由多個大功率全控器件串并聯(lián)組成。這些大功率的全控器件是VSCHVDC系統(tǒng)中最核心的器件，因此也是裝置中重點(diǎn)保護(hù)的對象，對它們要采取嚴(yán)格的多級保護(hù)。

該工程采用的是49電平模塊化多電平(MMC)換流器，換流器的每個橋臂都由56個子模塊(SM)級聯(lián)而成。子模塊基本結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要設(shè)備包括：IGBT模塊(T1和T2)、儲能電容(C)、并聯(lián)電阻(R)、保護(hù)晶閘管(SCR)和旁路開關(guān)(K)，另外還有子模塊控制器(SMC)。

圖3 子模塊電氣結(jié)構(gòu)

對換流閥產(chǎn)生影響的主要有過電流以及過電壓。換流閥的過電流包括：IGBT的過電流和反并聯(lián)續(xù)流二極管的過電流。IGBT的過電流發(fā)生時電流變化率很大，換流閥過電流程度較高，其產(chǎn)生是由換流閥橋臂直通故障引起的；反并聯(lián)續(xù)流二極管的過電流是在IGBT閉鎖期間換流閥外部出現(xiàn)直流側(cè)短路故障時，短路電流經(jīng)過換流閥而產(chǎn)生的。

相對于過電流工況，換流閥對于過電壓工況更為敏感。引起過電壓的原因很多，根據(jù)過電壓產(chǎn)生位置的不同，可將其分為內(nèi)部過電壓和外部過電壓。外部過電壓包括換流過程中產(chǎn)生的瞬間電壓上升和儲能電容電壓升高等；內(nèi)部過電壓主要是由反并聯(lián)續(xù)流二極管反向恢復(fù)過程中，以及關(guān)斷短路電流過程中出現(xiàn)的快速變化電流通過換流閥內(nèi)部雜散電感和引線電感產(chǎn)生的。

為了確保換流器無論是在系統(tǒng)正常運(yùn)行還是發(fā)生故障情況下，都能夠避免遭過電壓或過電流等異常損害，對換流器實(shí)施了3級保護(hù)。

(1) 第1級保護(hù)通過換流器子模塊自身實(shí)現(xiàn)。當(dāng)子模塊內(nèi)部傳感器檢測到過電壓時，子模塊控制器快速閉鎖子模塊，必要時合上旁路開關(guān)(K)，使子模塊退出工作，過電壓定值取1.5 p.u.。

(2) 第2級保護(hù)通過閥基控制系統(tǒng)(VBC)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)橋臂光纖電流互感器監(jiān)測到橋臂過流時，VBC便發(fā)出閉鎖脈沖暫時性閉鎖子模塊，過流定值為1.3 p.u.。除此之外，VBC還有子模塊冗余保護(hù)功能。橋臂上子模塊數(shù)量按冗余設(shè)計，其中48個運(yùn)行、6個熱備用。當(dāng)一個運(yùn)行的子模塊被旁路而退出運(yùn)行時，備用的子模塊將投入使用；同時VBC將會對被旁路的子模塊進(jìn)行計數(shù)，當(dāng)計數(shù)超過設(shè)計的子模塊冗余值時，便會閉鎖換流器并跳開交流斷路器。

(3) 第3級保護(hù)通過直流控制保護(hù)系統(tǒng)(PCP)實(shí)現(xiàn)。保護(hù)通過監(jiān)測交流三相基波的最大值來進(jìn)行判別，達(dá)到定值后閉鎖并跳開交流斷路器，并會向VBC發(fā)出“Thy_on=1”信號，將換流器子模塊中的保護(hù)晶閘管開通，以保護(hù)子模塊中的反并聯(lián)續(xù)流二極管。

2 現(xiàn)場調(diào)試問題總結(jié)

2.1 保護(hù)系統(tǒng)冗余問題

出于可靠性考慮，柔性直流輸電保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)按完全冗余配置，每套冗余配置有各自獨(dú)立的硬件設(shè)備，這樣就可避免因保護(hù)裝置本身故障引起的主設(shè)備或系統(tǒng)停運(yùn)。因此，冗余保護(hù)系統(tǒng)中的測量回路之間也應(yīng)實(shí)現(xiàn)相互獨(dú)立。對于常規(guī)互感器，冗余系統(tǒng)應(yīng)取自互感器不同的二次繞組；而對于非常規(guī)互感器，則應(yīng)取自不同的合并單元。

此次基于PCP的保護(hù)系統(tǒng)電流量分別取自交流側(cè)常規(guī)電流互感器TA4，橋臂光纖電流互感器TA5、直流場電子式電流互感器TA6。其中TA4，TA6與保護(hù)系統(tǒng)的測量回路實(shí)現(xiàn)了冗余；但是TA5只設(shè)置了單套合并單元，其合并單元只有1個低功率模擬量輸出接口(LEA)供2套交流場接口(AFT)同時使用，故PCP(A)，PCP(B)得到的橋臂電流信息量來源于同一個合并單元。當(dāng)合并單元裝置本身出現(xiàn)故障時，冗余保護(hù)系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)切換，將導(dǎo)致閥停運(yùn)，因此示范工程中保護(hù)系統(tǒng)的測量回路并未實(shí)現(xiàn)真正的雙系統(tǒng)冗余。

2.2 閥區(qū)差動保護(hù)CT極性

基于PCP的閥區(qū)保護(hù)中主要有橋臂電抗器差動保護(hù)以及橋臂閥差動保護(hù)，動作判據(jù)如表1所示。其中，橋臂差動保護(hù)又分為上橋臂差動保護(hù)及下橋臂差動保護(hù)。

表1 閥區(qū)橋臂電抗器差動保護(hù)及橋臂閥差動保護(hù)配置

表1中：Ic為閥區(qū)交流側(cè)電流，取自TA4；Ibp為上橋臂電流，取自上橋臂TA5；Ibn為下橋臂電流，取自下橋臂TA5；Idp為直流正極電流，取自正極TA6；Idn為直流負(fù)極電流，取自負(fù)極TA6。

工程設(shè)計初期，閥區(qū)的電流互感器TA5，TA6的P1端是以換流站運(yùn)行在整流狀態(tài)下直流電流的方向作為正方向來設(shè)計的。但是在施工過程中，由于下橋臂電流互感器并未按原設(shè)計安裝，而是將P1端朝向了電抗器。因此，下橋臂差動保護(hù)與換流電抗器差動保護(hù)中在使用下橋臂TA時都將其二次電流取反后再使用。

由于TA5和TA6為非常規(guī)互感器，無法用傳統(tǒng)的電流互感器極性校驗(yàn)方式進(jìn)行極性確認(rèn)。為確認(rèn)電流互感器極性正確，在現(xiàn)場調(diào)試過程中，對整個閥區(qū)的差動保護(hù)所涉及的電流互感器進(jìn)行了一次通流試驗(yàn)，通過PCP內(nèi)的錄波功能，確認(rèn)采樣及差動保護(hù)元件的正確性。

2.3 接口變保護(hù)與AFT接口

示范工程中，作為獨(dú)立保護(hù)的接口變保護(hù)，單獨(dú)配置，以RCS-9671C及RCS-9681C作為其差動及后備保護(hù)，并配有接口變本體非電氣量保護(hù)，保護(hù)動作跳閘于交流側(cè)斷路器，并通過硬接點(diǎn)同時向AFT(A)與AFT(B)發(fā)送跳閘信號。

接口變作為連接交流系統(tǒng)與直流系統(tǒng)的紐帶之一，當(dāng)其發(fā)生故障時除了應(yīng)跳開交流側(cè)斷路器外，還應(yīng)及時地對換流器進(jìn)行閉鎖。工程初期，PCP并未將接口變保護(hù)上送的跳閘信號作為閉鎖信號轉(zhuǎn)發(fā)至VBC系統(tǒng)，而是僅僅作為一般信號傳送至后臺監(jiān)控系統(tǒng)。當(dāng)接口變保護(hù)動作跳開交流側(cè)斷路器時，換流器并未及時閉鎖，而是需要靠PCP內(nèi)部的保護(hù)功能進(jìn)行判別，以對換流器進(jìn)行閉鎖。這樣換流器閉鎖不及時，容易造成換流器件過應(yīng)力損壞。因此，系統(tǒng)廠家對PCP內(nèi)部邏輯進(jìn)行修改，當(dāng)AFT(A)或AFT(B)接受到接口變保護(hù)動作的信號開入時，便向VBC發(fā)出換流器閉鎖命令，同時向AFT發(fā)出交流側(cè)斷路器開關(guān)跳閘命令，通過AFT再次跳開交流側(cè)斷路器。

3 結(jié)束語

隨著國內(nèi)首個柔性直流輸電工程——上海南匯風(fēng)電場柔性直流示范工程的順利投運(yùn)，基于MMC的VSC-HVDC的保護(hù)策略也得到了實(shí)際運(yùn)行的考驗(yàn)。同時，作為示范工程，由于缺乏一套值得借鑒的標(biāo)準(zhǔn)化保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范，其保護(hù)系統(tǒng)配置還處于摸索階段。

1 湯廣福．基于電壓源換流器的高壓直流輸電技術(shù)[M]．北京：中國電力出版社，2010．

2 趙畹君，謝國恩，曾南超，等．高壓直流輸電工程技術(shù)[M]．北京：中國電力出版社，2004.

3 劉洪濤．新型直流輸電的控制和保護(hù)策略研究[D]．浙江大學(xué)，2003.

4 管敏淵，徐 政，屠卿瑞，等．模塊化多電平換流器型直流輸電的調(diào)制策略[J]．電力系統(tǒng)自動化，2010(34).

5 丁冠軍，丁 明，湯廣福，等．新型多電平VSC子模塊電容參數(shù)與均壓策略[J]．中國電機(jī)工程學(xué)報，2009(29).

2014-10-25。

季子孟(1984-)，男，工程師，主要從事超高壓繼電保護(hù)及自動化工作，email：443956240@qq.com。

王學(xué)寬(1985-)，男，助理工程師，主要從事超高壓繼電保護(hù)及自動化工作。

周經(jīng)天(1985-)，男，助理工程師，主要從事超高壓繼電保護(hù)及自動化工作。