興安直流金屬回線縱差保護研究

鄔乾晉，張 楠，鄭 偉，楊光源

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興安直流金屬回線縱差保護研究

鄔乾晉，張 楠，鄭 偉，楊光源

(南方電網(wǎng)超高壓輸電公司檢修試驗中心，廣東 廣州510663)

興安直流現(xiàn)有保護邏輯下，金屬回線線路發(fā)生瞬時性接地故障后無故障重啟邏輯，降低了直流系統(tǒng)的可靠性。提出了興安直流SIMADYN D平臺下增加金屬回線縱差保護的程序修改方案，該保護作為直流金屬回線線路接地故障的主保護，動作后果為啟動直流線路故障重啟邏輯。利用興安直流EMTDC仿真模型，在單極金屬運行方式下，開展不同功率水平、不同故障位置、不同過渡電阻的故障仿真。仿真結果顯示該保護在過渡電阻較大情況下有拒動的風險，在大負荷條件下執(zhí)行故障重啟并不能有效地熄滅故障點電弧，故障重啟失敗后閉鎖直流。綜合考慮保護邏輯設計方案和EMTDC仿真結果，不建議興安直流增加金屬回線縱差保護。

興安直流；金屬回線縱差保護；SIMADYN D；EMTDC仿真

0 引言

單極金屬回線方式是直流輸電系統(tǒng)的一種常用方式，它們可以保證某一極因檢修等工作停運時，另一極仍可正常運行，從而降低對整個系統(tǒng)的影響。興安直流曾發(fā)生多次金屬回線接地故障導致的直流閉鎖，直流系統(tǒng)停運后均強制送電成功，表明金屬回線接地故障可以通過暫時停運直流消除故障點。興安直流現(xiàn)有保護系統(tǒng)邏輯中，直流線路橫差保護(87DCLT)、站內(nèi)接地網(wǎng)過流保護(76SG)可以保護金屬回線線路的接地故障，但兩個保護的出口邏輯均為極閉鎖，對于金屬回線的瞬時性接地故障，保護功能無線路故障重啟邏輯，降低了直流輸電系統(tǒng)的可靠性。

針對興安直流金屬回線線路接地故障相關保護邏輯的不足，提出了興安直流增加金屬回線縱差保護的程序修改方案，該保護作為直流金屬回線線路接地故障的主保護，動作后果為啟動直流線路故障重啟邏輯。在SIMADYN D平臺下完成了保護邏輯的設計、修改，保護邏輯設計涉及到的現(xiàn)場軟件修改較多，現(xiàn)場實施風險較大。利用興安直流EMTDC仿真模型，在單極金屬運行方式下，開展不同功率水平、不同故障位置、不同過渡電阻的故障仿真，仿真結果顯示該保護在過渡電阻較大情況下有拒動的風險，且在大負荷條件下執(zhí)行故障重啟并不能有效地熄滅故障點電弧，故障重啟失敗后閉鎖直流。綜合考慮保護邏輯設計方案和EMTDC仿真結果，不建議現(xiàn)場增加興安直流金屬回線縱差保護。

1 金屬回線接地故障相關保護原理

興安直流輸電工程中，直流線路橫差保護(87DCLT)、站內(nèi)接地網(wǎng)過流保護(76SG)都能保護金屬回線運行方式下的金屬回線線路接地故障，橫差保護和接地網(wǎng)過流保護動作后直接閉鎖直流，均不再啟動直流，其保護原理分別如表1、表2所示。

表1橫差保護（87DCLT）原理及定值

Table 1 Theory and threshold of 87DCLT protection

表2站內(nèi)接地過流保護（76SG）保護原理及定值

Table 2 Theory and threshold of 76SG protection

由表1可知，興安直流工程中，直流線路橫差保護(87DCLT)的出口方式為極閉鎖，是由于廠家在功能設置中將直流線路橫差保護定位為金屬回線故障時站內(nèi)接地網(wǎng)過流的后備保護。站內(nèi)接地網(wǎng)過流保護除了反映金屬回線接地故障外，站內(nèi)發(fā)生接地故障保護也會動作出口，從人身及直流設備安全角度考慮，站內(nèi)發(fā)生接地故障顯然不適合重啟直流。因此，直流線路橫差保護的出口方式設置為極閉鎖；但在楚穗直流和普僑直流保護邏輯中，考慮到站內(nèi)接地故障已有多個保護動作閉鎖極，直流線路橫差保護出口邏輯修改為：第一次動作，400 ms強制移相，在接下來的10 000 ms內(nèi)若有第二次動作，再發(fā)400 ms強制移相并同時發(fā)閉鎖命令。

據(jù)統(tǒng)計，線路故障多為瞬時性接地故障，在興安直流現(xiàn)有保護邏輯下，金屬回線線路發(fā)生瞬時性故障并無重啟功能，增加了直流系統(tǒng)閉鎖的風險；在興安直流中增加金屬回線縱差保護（87MLL），保護出口邏輯為執(zhí)行線路故障重啟，可有效地降低金屬回線線路瞬時性故障導致直流閉鎖的風險。興安直流金屬回線縱差保護原理如表3所示，表中dL_op為本站金屬回線上的電流測量值，dL_op_os為對站金屬回線上的電流測量值。

表3金屬回線縱差保護87MLL原理及定值

Table 3 Theory and threshold of 87MLL protection

2 SIMADYN D平臺金屬回線縱差保護邏輯設計

興安直流保護邏輯基于SIMADYN D平臺設計，綜合考慮各CPU的負荷率及程序改動情況，在ep3_p4板卡的DCLINE4功能包中對金屬回線縱差保護（87MLL）進行設計。新增87MLL保護需要在站間增加電流量的通信；金屬回線電流值的傳輸、直流運行方式的傳輸、保護出口線路重啟命令的傳輸、SER信號傳輸、TFR錄波請求命令的傳輸?shù)刃枰谥绷鞅Ｗo的ep3_p2、ep3_p3、ep3_p4、ep3_p5共計5個板卡中修改相關邏輯，各個板塊的修改情況簡單介紹如下。

ep3_p2板卡修改情況：雙極大地運行方式、單極大地運行方式、金屬回線運行方式送往ep3_p4板卡。

ep3_p3板卡修改情況：金屬回線線路電流IDL_OP信號送往ep3_p4板卡；金屬回線縱差保護的出口邏輯在ep3_p3板卡中與行波保護、27d/d保護出口邏輯取或，執(zhí)行線路故障重啟。

ep3_p4板卡修改情況：接收ep3_p5板卡送來的對站金屬回線線路電流IDL_OP_OS信號；將本站的IDL_OP信號送往ep3_p5板卡，并最終送往對站；設置IDL_OP_OS信號異常和金屬回線縱差保護出口的SER信息；金屬回線縱差保護出口請求故障重啟命令送往ep3_p3板卡；根據(jù)表3的金屬回線縱差保護原理及定值，設計SIMADYN D平臺下的87MLL軟件邏輯，并設置保護復位條件為：1）單極大地運行方式；2）雙極大地運行方式；3）金屬大地運行方式取反；4）IDL_OP信號故障；5）IDL_OP_OS信號故障；6）通信故障；7）保護出口后延時50ms閉鎖本保護；8）行波保護和電壓突變量保護動作后閉鎖本保護；9）保護系統(tǒng)復位；10）對站保護系統(tǒng)不OK。

ep3_p5板卡修改情況：將本站的IDL_OP信號送往對站；接收對站的IDL_OP_OS信號；增加87MLL觸發(fā)TFR故障錄波邏輯。

由興安直流新增金屬回線縱差保護87MLL在SIMADYN D平臺下的軟件邏輯設計方案可知：1）增加金屬回線縱差保護需要在兩站之間傳輸模擬量，在保護系統(tǒng)的各EP3板卡之間通信傳輸模擬量和狀態(tài)量，牽涉的量較多；2）EP3板卡之間的新增通信信號需要對EP3編譯文件修改；3）兩站保護系統(tǒng)之間新增通信信號需要對通信屏柜進行配置，同時需要核實光纖通道是否足夠。以上的軟、硬件修改情況增加了現(xiàn)場實施新增金屬回線縱差保護的風險。

3 EMTDC仿真驗證

利用興安直流EMTDC仿真模型，對金屬回線區(qū)內(nèi)的線路中點F3，金屬回線區(qū)外的F1和F2點分別在不同功率水平、不同過渡電阻情況下設置故障，檢驗金屬回線縱差保護87MLL防誤動能力、抗拒動能力和瞬時故障情況下的再啟動功能。故障點F1、F2、F3設置如圖1所示。

圖1 金屬回線運行方式下故障位置示意圖

設置興安直流EMTDC模型為極1金屬回線運行方式，功率為300 MW，故障位置為金屬回線線路中點F3，故障過渡電阻為0.01W，故障持續(xù)時間100 ms，故障錄波如圖2所示。

圖2傳輸功率300 MW，過渡電阻0.01 W故障情況下保護動作情況

由圖2可知，F(xiàn)2點發(fā)生故障后，ABS(IdL_op– IdL_op_os)大于保護定值，并且滿足保護延時后，金屬回線縱差保護出口，由極控執(zhí)行由保護觸發(fā)的線路故障重啟邏輯，87MLL正確動作。橫差保護和站內(nèi)接地網(wǎng)過流保護定值在故障期間均滿足，保護延時不滿足，保護正確不動作。

設置興安直流EMTDC模型為極1金屬回線運行方式，功率為1500 MW，故障位置為金屬回線線路中點F3，故障過渡電阻為0.01W，故障持續(xù)時間100 ms，故障錄波如圖3所示。

由圖3可見，在傳輸功率1500 MW，過渡電阻0.01W故障情況下，金屬回線縱差保護動作，執(zhí)行線路故障重啟；第一次重啟未成功，87MLL再次動作，再次請求故障重啟，在第二次重啟過程中，76SG和87DCLT保護均滿足條件，閉鎖直流。試驗設置故障持續(xù)時間為100 ms，故障重啟去游離時間設置為350 ms，第一次線路重啟失敗的原因為金屬回線運行方式下，金屬回線的電壓一直較低，故障后的去游離效果不明顯，不能有效地使故障電流熄弧。試驗反映出金屬回線縱差保護87MLL的重啟動功能在大功率傳輸模式下，對金屬回線瞬時接地故障的消除作用不大。

為了進一步的分析87MLL保護的抗拒動能力和故障重啟功能，借助EMTDC仿真模型，開展了多種故障情況下的故障仿真試驗，設置故障持續(xù)時間均為100 ms，得到結果如表4所示。

圖3傳輸功率1 500 MW，過渡電阻0.01W故障情況下保護動作情況

表4 87MLL保護動作情況

由表4可知，金屬回線縱差保護在區(qū)外故障時可靠不動作；區(qū)內(nèi)故障時，抗高阻接地故障的能力較弱，有拒動的風險；對于大負荷情況下的低阻接地故障，存在重啟不成功的風險。

4 結語

在興安直流SIMADYN D平臺下設計了保護軟件邏輯，利用EMTDC仿真模型對單極金屬回線方式下，不同故障位置、不同傳輸功率、不同過渡電阻等工況的仿真驗證，可得到如下結論：

（1）興安直流增加金屬回線縱差保護能有效地降低金屬回線瞬時接地故障導致直流閉鎖的風險。

（2）增加金屬回線縱差保護需要在兩站之間傳輸模擬量，在保護系統(tǒng)的各EP3板卡之間通信傳輸模擬量和狀態(tài)量，牽涉的量較多；EP3板卡之間的新增通信信號需要對EP3編譯文件修改。

（3）金屬回線縱差保護87MLL在金屬回線區(qū)外故障時能可靠不動作。

（4）部分工況下，金屬回線縱差保護87MLL在金屬回線瞬時接地故障后啟動直流線路故障重啟邏輯，可以避免直流系統(tǒng)不必要的閉鎖。

（5）金屬回線縱差保護87MLL在過渡電阻較大情況下有拒動的風險。

（6）大負荷條件下，87MLL動作后執(zhí)行故障重啟并不能有效地使故障點電流熄弧，故障點一直存在使得后備保護76SG動作將直流閉鎖。

（7）興安直流增加金屬回線縱差保護，兩站保護系統(tǒng)之間新增通信信號需要對通信屏柜進行配置，同時需要核實光纖通道是否足夠。

綜合考慮現(xiàn)場軟件修改的風險和EMTDC仿真結果，不建議在興安直流系統(tǒng)增加金屬回線縱差保護；為避免金屬回線故障時直流無法重啟，建議對興安直流的金屬回線橫差保護87DCLT進行優(yōu)化，將其改為兩段式邏輯。保持原有的2s延時保護出口閉鎖直流的邏輯不變，增加一段出口延時較短，出口結果為執(zhí)行線路故障重啟的保護邏輯。

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Research on metallic return line longitudinal differential protection in Xing-An HVDC Project

WU Qian-jin, ZHANG Nan, ZHENG Wei, YANG Guang-yuan

(China Southern Power Grid EHV Maintenance & Test Center, Guangzhou 510663, China)

When metallic return line occurs transient fault, DC protection system will not request fault restart in existing protection logic in Xing-An HVDC Project, which reduces the reliability of DC system. This paper proposes a metallic return line longitudinal differential protection (87MLL) at SIMADYN D platform. This protection acts as the main protection for metallic return line earth fault. This paper uses EMTDC model to simulate earth fault at different power, different fault location, different resistance monopolar metallic return operation. The result shows that the protection has misstrip risk when fault resistance is large, the arc can’t extinguish during DC system restart when DC power is high. By comprehensively considering protection logic design scheme and EMTDC simulation result, we don’t suggest to add 87MLL in Xing-An HVDC Project.

Xing-An HVDC Project; metallic return line longitudinal differential protection; SIMADYN D; EMTDC simulation

TM77

A

1674-3415(2014)19-0145-05

2013-12-21

鄔乾晉（1986-）,男, 碩士,工程師,從事高壓直流輸電控制保護系統(tǒng)檢修維護工作；E-mail:willwqj@163.com

張 楠（1978-）,男, 學士,工程師,從事高壓直流輸電控制保護系統(tǒng)檢修維護工作；

鄭 偉（1984-）,男, 碩士,工程師,從事高壓直流輸電控制保護系統(tǒng)檢修維護工作。