周玉勇吳寶生宋延濤楊 健張自朋

（1.許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000；2.國家電網(wǎng)公司運行分公司上海管理處，上海 201413）

永富直流工程零功率試驗仿真研究

周玉勇1吳寶生2宋延濤1楊 健1張自朋1

（1.許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000；2.國家電網(wǎng)公司運行分公司上海管理處，上海 201413）

基于永富直流輸電工程對零功率試驗進行仿真，研究了試驗原理、試驗步驟、試驗對控制保護系統(tǒng)的功能配置要求、試驗過程中直流系統(tǒng)電氣參數(shù)的變化。通過仿真試驗確定并驗證了直流控制保護系統(tǒng)在零功率試驗時的參數(shù)設(shè)置，仿真試驗過程中直流控制保護系統(tǒng)無異常動作，系統(tǒng)解鎖和閉鎖過程平穩(wěn)，電氣量及觸發(fā)角度正常，達到了仿真試驗的目的，證明直流控制保護系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置滿足要求。仿真研究的結(jié)果對工程現(xiàn)場的系統(tǒng)試驗有指導和借鑒意義。

直流輸電；零功率試驗；極控；直流保護；解鎖；閉鎖；仿真

目前國內(nèi)直流輸電工程主要由國家電網(wǎng)公司和南方電網(wǎng)公司負責建設(shè)、運行和維護。通過對兩家電網(wǎng)公司的工程現(xiàn)場試驗項目進行比較，南方電網(wǎng)公司的工程項目在換流變正式帶電后需進行零功率試驗，其目的主要是驗證直流控制系統(tǒng)與閥控系統(tǒng)及換流閥設(shè)備的觸發(fā)脈沖回路，檢驗換流閥的通流能力。國網(wǎng)公司工程項目則是在換流變帶電前，進行低壓加壓試驗，更偏重于觸發(fā)回路和觸發(fā)角度的檢查驗證。

永仁-富寧直流輸電工程（永富工程）是我國第一條省內(nèi)端對端直流輸電工程，永富工程額定輸送功率為3000MW，額定電流為3000A，額定直流電壓為±500kV，線路送電距離約為577km?；谟栏还こ讨绷骺刂票Ｗo設(shè)備廠內(nèi)系統(tǒng)調(diào)試階段，通過RTDS建模進行零功率的仿真試驗，在仿真試驗過程中開展了相關(guān)分析研究，即研究零功率的試驗步驟、零功率試驗對控制保護系統(tǒng)的參數(shù)配置要求以及零功率試驗過程中直流系統(tǒng)主要電氣參數(shù)的變化等。

1 零功率試驗原理

零功率試驗在工程建設(shè)調(diào)試階段有著重要的意義，其中包括：①能夠系統(tǒng)的檢查直流輸電控制系統(tǒng)特性；②電流控制器調(diào)節(jié)特性；③換流閥控制系統(tǒng)功能；④觸發(fā)脈沖回路；⑤直流測量設(shè)備系統(tǒng)功能；⑥直流場模擬量通流及極性校驗；⑦換流閥通流能力等。這是對一次設(shè)備和直流控制保護系統(tǒng)的綜合驗證[1]。

零功率試驗是換流變充電成功后的第一項重要試驗，零功率試驗的結(jié)果直接決定著現(xiàn)場后續(xù)的系統(tǒng)試驗?zāi)芊裾ｉ_展。

1.1 一次回路和接線

零功率試驗通常針對一個換流站內(nèi)的某個極進行開展的，在試驗前直流場需要增加臨時導線，其電氣連接示意圖如圖1所示。臨時導線將試驗極的極母線與接地極的一條出線進行連接，為零功率試驗過程中直流電流提供導通路徑，試驗時直流電流僅在本極范圍內(nèi)流通，運行人員可對電流的大小進行控制，電流導通方向如圖1中箭頭方向所示。

圖1 零功率試驗接線示意圖

1.2 零功率試驗系統(tǒng)工況

1）非試驗范圍內(nèi)的設(shè)備狀態(tài)要求

由于零功率試驗主要是分別驗證各個閥組相關(guān)控制保護設(shè)備和閥控設(shè)備的觸發(fā)脈沖回路和換流閥的通流能力，因此對于本站非試驗極和對站所對應(yīng)極均要求為極隔離狀態(tài)，避免其與零功率試驗回路有電氣連接。

2）直流控制保護系統(tǒng)運行狀態(tài)

零功率試驗對直流控制保護系統(tǒng)的要求，等同于正常的直流解鎖和運行，因此，零功率試驗時直流站控系統(tǒng)、交流站控系統(tǒng)以及所在極的極控系統(tǒng)和直流保護系統(tǒng)均在運行狀態(tài)。

3）零功率試驗時直流系統(tǒng)電氣參數(shù)

根據(jù)圖1所示，整流站極1在直流場完成臨時導線連接后，極1以電流控制模式解鎖，電流參考值及電流升降速率由運行人員通過后臺下發(fā)。零功率試驗解鎖后直流系統(tǒng)的主要電氣參數(shù)如下。

（1）直流電壓。由于零功率回路電阻較小，所以直流電壓幾乎為0kV。

（2）直流電流。直流極控系統(tǒng)PI控制器為定電流控制，故直流電流等于運行人員設(shè)定的電流參考值。

（3）直流功率。由于直流電壓為零，所以試驗過程中極1輸出的直流功率為0。

2 零功率試驗對二次系統(tǒng)的參數(shù)配置要求

永富直流工程在正常運行時直流電壓為額定值（±500kV），直流輸送功率與調(diào)度指令一致，點火角在15°±2.5°范圍內(nèi)。在零功率試驗時，由于直流場主回路臨時導線改變了正常運行時的電流流向和分配，直流電壓接近于 0，控制系統(tǒng)輸出的點火角也不在正常范圍內(nèi)，因此針對零功率試驗，首先需要對直流控制保護系統(tǒng)相關(guān)控制和保護功能的參數(shù)配置進行調(diào)整，然后才可進一步開展零功率試驗[2]。

2.1 零功率試驗對直流控制系統(tǒng)的影響分析

零功率試驗時主要有如下特征，這些特征決定了控制系統(tǒng)的參數(shù)調(diào)整策略。

1）帶電范圍

零功率試驗的帶電范圍僅包括一個站的一個極，相比較正常的解鎖，在站間通信正常時需要同時判斷兩站的直流場狀態(tài)，只有在兩站的直流場狀態(tài)均滿足條件后（如雙極大地回線、單極大地回線、單極金屬回線等），才允許運行人員發(fā)出解鎖命令；由于零功率試驗僅有試驗所在的極，為極連接狀態(tài)，不具備正常的解鎖條件[3-4]。

基于以上因素，為了滿足零功率試驗解鎖允許條件，可通過極控軟件置數(shù)，或直接斷開站間通信來滿足。

2）直流電壓

在進行零功率試驗時，直流電壓在0左右，此種工況下極控系統(tǒng)的直流低電壓監(jiān)視、異常運行監(jiān)視、低壓限流功能受到影響。

（1）直流低電壓監(jiān)視

直流低電壓監(jiān)視在整流站、逆變站均起作用，其邏輯原理如圖2所示。

圖2 直流低電壓監(jiān)視邏輯圖

為了避免零功率試驗時極控系統(tǒng)直流低電壓監(jiān)視功能閉鎖，需要對此監(jiān)視功能進行屏蔽。

（2）異常運行監(jiān)視

異常運行監(jiān)視功能，主要是通過對直流電壓、直流電流進行判斷，當其超出設(shè)定范圍后并持續(xù)一定的延時，極控發(fā)出告警并請求系統(tǒng)切換。如故障持續(xù)存在則閉鎖。極控系統(tǒng)異常運行監(jiān)視邏輯原理如圖3所示。

圖3 異常運行監(jiān)視邏輯圖

在零功率試驗時，異常運行監(jiān)視邏輯的直流電壓監(jiān)視原理滿足條件，故需對此進行屏蔽。

（3）低壓限流功能

低壓限流（VDCL）的主要功能是當直流電壓降低時，根據(jù)電壓實際值降低電流指令，在交流系統(tǒng)出現(xiàn)干擾或干擾消失后使系統(tǒng)保持穩(wěn)定，在交直流故障切除后，為快速、可控的再啟動創(chuàng)造條件，在連續(xù)換相失敗時避免晶閘管過電壓。

VDCL的邏輯原理如圖4所示。

圖4 低壓限流功能邏輯圖

在圖4中，UD_LOW為0.45p.u.（225kV），UD_HIGH為1.0p.u.（500kV），I_ORD_MAX為2.0p.u.（6000A），I_ORD_LIM為0.2p.u.（600A）；在進行零功率試驗時，UD等于0，受VDCL功能的限制，直流電流將被限制在 0.2p.u.水平上，無法進一步增大；為了避免試驗時電流直流被VDCL限制，則需對I_ORD_LIM進行修改，保證直流電流指令在要求的范圍內(nèi)[5]。

3）觸發(fā)角度

在進行零功率試驗過程中，觸發(fā)角應(yīng)為90°左右，極控系統(tǒng)大角度監(jiān)視受到影響。

極控系統(tǒng)大角度監(jiān)視原理如圖5所示。

圖5 大角度監(jiān)視邏輯圖

正常情況下，如果系統(tǒng)解鎖后觸發(fā)角大于60°小于 120°，經(jīng)過延時后就將閉鎖直流。針對零功率試驗項目，結(jié)合零功率試驗的持續(xù)時間，可以對延時時間進行調(diào)整，避免在零功率試驗過程中發(fā)生閉鎖，影響試驗的進行[6]。

4）角度控制

角度控制是直流工程控制系統(tǒng)的核心所在，通過PI控制器完成對點火角的閉環(huán)控制，角度控制原理如圖6所示。

圖6 角度控制原理

角度控制主要由電流控制器、電壓控制器和熄弧角控制器實現(xiàn)的，根據(jù)圖6所示的原理，可對電流裕度和電壓裕度進行設(shè)置，正常情況下整流站電流控制器起作用，即“定電流控制”；逆變站電壓控制器起作用，即“定電壓控制”；熄弧角控制器僅在逆變站有效，其作用是防止點火角過大導致?lián)Q相失敗的發(fā)生。

整流站定電流控制時，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)角度，控制直流電流，保證直流輸送功率與調(diào)度指令一致。當直流電流低于電流指令時，減小觸發(fā)角，直流電壓升高，直流電流增大，向直流電流指令靠攏。

逆變站定電壓控制時，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)角度，控制整流側(cè)直流電壓在額定值，保證整流側(cè)的電壓恒定。當整流側(cè)電壓高于額定值（500kV）時，逆變側(cè)減小觸發(fā)角，減小本側(cè)直流電壓，直流電流增大，整流側(cè)電流控制調(diào)節(jié)觸發(fā)角控制電流，最終將整流側(cè)電壓保持額定。

在零功率試驗時，需保證直流電流與運行人員下發(fā)的設(shè)定值一致，因此逆變站在進行該項試驗時，應(yīng)設(shè)置為整流模式，從而避免電壓控制器起作用，在整流模式下，逆變站極控系統(tǒng)電流控制器有效，實現(xiàn)直流電流的閉環(huán)控制[7-9]。

5）分接頭位置

在零功率試驗過程中，分接頭始終在最低檔位（換流變閥側(cè)電壓最低），因此對換流器解鎖前的分接頭自動控制有影響；系統(tǒng)解鎖前，換流變分接頭控制模式為Udi0控制，正常情況下會根據(jù)閥側(cè)電壓實際值調(diào)節(jié)換流變檔位，將閥側(cè)電壓調(diào)整到參考值范圍內(nèi)；在零功率試驗工況下，解鎖前應(yīng)將分接頭強制調(diào)整到最低檔位，使換流變閥側(cè)電壓最小，在試驗過程中換流變檔位保持穩(wěn)定狀態(tài)，無需調(diào)節(jié)。

2.2 零功率試驗對直流保護系統(tǒng)的影響分析

零功率試驗解鎖后除了直流電壓為0外，直流電流的流通方向也因主回路臨時導線的影響發(fā)生了較大改變，根據(jù)圖1所示，解鎖后直流電流通過直流CT的方向順序為Idch→Idl→Idee1→Idmrtb→Ide→Idcn。

在上述工況下，結(jié)合直流保護原理及判據(jù)，為了保證零功率試驗的正常進行，需要退出的以下保護功能[10-12]。

1）直流低電壓保護（27DC）

保護功能：在站間通信故障，逆變站投旁通對的時候閉鎖整流站。

保護判據(jù)：UdL＜SET。

動作結(jié)果：閉鎖。

退出原因：零功率試驗時，UdL=0。

2）直流線路低電壓保護（27DCL）

保護功能：直流線路高阻接地故障。

保護判據(jù)：UdL＜SET。

動作結(jié)果：線路故障重啟。

退出原因：零功率試驗時，UdL=0。

3）接地極電流不平衡保護（60EL）

保護功能：接地極線路故障。

保護判據(jù)：ABS（Idee1?Idee2）＞SET。

動作結(jié)果：單極運行時，移相重啟、重啟不成功閉鎖。

退出原因：零功率試驗時，Idee2=0。

4）直流線路縱聯(lián)差動保護（87DCLL）

保護功能：直流線路高阻接地故障。

保護判據(jù)：ABS（IdL?IdL_os）＞SET。

動作結(jié)果：閉鎖。

退出原因：零功率試驗時，IdL_os=0。

3 零功率試驗仿真驗證

3.1 仿真試驗步驟

在仿真試驗中，最關(guān)鍵步驟是在試驗前完成對直流控制保護參數(shù)的修改；其中極控系統(tǒng)修改內(nèi)容見表1。

在表1中，異常運行監(jiān)視時間、低電壓監(jiān)視時間、大角度監(jiān)視時間均被改為130s，其作用是在零功率試驗成功解鎖后130s自動閉鎖，結(jié)束試驗；130s可以根據(jù)零功率試驗計劃持續(xù)時間進行調(diào)整，異常運行監(jiān)視、低電壓監(jiān)視、大角度監(jiān)視互為備用。

表1 極控系統(tǒng)零功率試驗參數(shù)設(shè)置

在零功率試驗前，直流保護系統(tǒng)可通過控制字退出以下保護功能：

直流低電壓保護（27DC）。

直流線路低電壓保護（27DCL）。

接地極電流不平衡保護（60EL）。

直流線路縱聯(lián)差動保護（87DCLL）。

3.2 仿真試驗過程

以永富直流工程整流站極1零功率試驗作為驗證對象，在RTDS仿真系統(tǒng)進行建模，極1直流場中的臨時導線與圖1保持一致；直流控制系統(tǒng)由實際供貨的控制保護屏柜組成，除了控制系統(tǒng)點火脈沖信號外，所有控制保護系統(tǒng)跳閘均接入RTDS仿真系統(tǒng)。

通過后臺設(shè)定電流參考值為 1500A，解鎖極 1進行零功率試驗，試驗過程如圖7所示。

根據(jù)圖7進行分析，零功率試驗過程中直流系統(tǒng)電氣特性主要表現(xiàn)如下。

圖7 零功率仿真試驗（1500A）波形圖

直流電壓UDL由0升至0.04kV；直流電流 IDL由0升至0.15kA，升降速率及參考值與設(shè)定命令保持一致；直流電流方向為 Idch→Idl→Idee1→Idmrtb→Ide→Idcn；基于直流場臨時導線位置，導致接地極電流不平衡，即 Idee1等于 0.15kA，Idee2等于 0；直流功率約為0.006MW，相對于額定直流功率1500MW，即可視為零功率。

3.3 仿真結(jié)果分析

在仿真試驗過程中，直流控制保護系統(tǒng)無異常動作，系統(tǒng)解鎖和閉鎖過程平穩(wěn)，電氣量及觸發(fā)角度正常，130s設(shè)置時間達到后，極控系統(tǒng)低電壓監(jiān)視功能正確動作，自動閉鎖直流系統(tǒng)。

4 結(jié)論

通過對永富直流工程零功率試驗的仿真研究，確定了零功率實驗對工程現(xiàn)場一次設(shè)備運行工況及系統(tǒng)接線的要求，確定了零功率實驗時控制系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置和直流保護保護功能配置，并對極控參數(shù)設(shè)置原理和屏蔽部分直流保護功能的原因進行了分析。通過仿真實驗，研究分析了零功率實驗過程中直流輸電系統(tǒng)的電氣特性；仿真數(shù)據(jù)證明極控和直流保護的定值參數(shù)是正確的，能夠滿足零功率實驗的要求。仿真研究的結(jié)果對工程現(xiàn)場的實際試驗有指導和借鑒意義。

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Research on the Zero Power Test Simulation of Yongfu HVDC Project

Zhou Yuyong1Wu Baosheng2Song Yantao1Yang Jian1Zhang Zipeng1
(1.XJ Electric Corp.,Ltd,Xuchang,He’nan 461000；2.Shanghai Extra High Voltage Direct Current Administrative Department of State Grid Operation Limited Company,Shanghai 201413)

The zero power test simulation based on Yongfu HVDC project,the items of researching include:the principle of zero power test procedure,the test procedure,the function setting of DC control and protection systems only used for zero power test,and the characteristic of DC electrical parameters in zero power testing.Through simulation experiments,determine and verify the setting of DC control and protection systems,DC control and protection havn’t actioned abnormally in the process of simulation experiment,the process of system deblock and block is smooth and steady,DC electrical parameters and fire pulse angle are normal.The purpose of the simulation experiment is achieved,the results of the study have the guidance and reference for the Yongfu project.

HVDC transmission；zero power test；pole control；DC protection；deblock；block；simulation

周玉勇（1983-），男，本科，工程師，長期從事高壓直流輸電控制保護系統(tǒng)設(shè)計工作。