特高壓直流雙極區(qū)直流保護(hù)系統(tǒng)可靠性研究

李俊霞，嚴(yán) 兵，張愛玲，吳慶范，郝俊芳

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特高壓直流雙極區(qū)直流保護(hù)系統(tǒng)可靠性研究

李俊霞，嚴(yán) 兵，張愛玲，吳慶范，郝俊芳

(許繼集團(tuán)有限公司，河南 許昌 461000)

雙極區(qū)直流保護(hù)系統(tǒng)誤動將導(dǎo)致雙極強(qiáng)迫停運(yùn)的嚴(yán)重后果，提高雙極直流保護(hù)系統(tǒng)的可靠性是重要的研究內(nèi)容。分析了特高壓直流雙極區(qū)直流保護(hù)系統(tǒng)的兩種配置策略，建立了各配置策略的可靠性分析模型，推導(dǎo)出其可靠性公式和可靠性曲線圖，結(jié)果表明集成到極保護(hù)系統(tǒng)的三重化配置策略具有更高的可靠性。闡述了雙極區(qū)直流保護(hù)功能和動作策略，分析了雙極中性母線差動保護(hù)、NBSF順控邏輯和金屬回線使能信號等關(guān)鍵技術(shù)問題并提出了優(yōu)化方案。目前，部分優(yōu)化方案已在多個(gè)特高壓直流輸電系統(tǒng)中實(shí)施，效果良好。最新的優(yōu)化方案將在新建工程中實(shí)施。

特高壓直流；雙極區(qū)；直流保護(hù)；三重化；可靠性；策略

0 引言

特高壓直流雙極區(qū)是單極大地回線運(yùn)行方式、單極金屬回線運(yùn)行方式和雙極大地回線運(yùn)行方式均需要運(yùn)行的公共區(qū)域，即為各種運(yùn)行方式必用的區(qū)域。雙極區(qū)發(fā)生嚴(yán)重故障或保護(hù)系統(tǒng)發(fā)生誤動，將導(dǎo)致雙極強(qiáng)迫停運(yùn)的嚴(yán)重后果?，F(xiàn)有我國在運(yùn)特高壓直流輸電工程已達(dá)6個(gè)，在建1個(gè)，按照國家電網(wǎng)規(guī)劃未來還將建設(shè)20多個(gè)。目前在運(yùn)特高壓直流輸電工程傳輸功率最高達(dá)8 400 MW，如發(fā)生雙極強(qiáng)迫閉鎖造成大功率損失時(shí)，對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行將產(chǎn)生重大隱患。

本文首先分析了特高壓直流雙極區(qū)直流保護(hù)系統(tǒng)的配置策略[1-7]，即工程中常用的三重化獨(dú)立雙極保護(hù)屏和集成到極保護(hù)屏中的配置方案，對該兩種方案進(jìn)行了可靠性模型的推導(dǎo)及分析，其可靠性公式結(jié)果表明第二種方案具有更高的可靠性。

闡述了特高壓雙極區(qū)直流保護(hù)功能配置和動作策略，對工程中出現(xiàn)的多個(gè)關(guān)鍵問題提出了優(yōu)化方案，主要包含：雙極中性母線差動保護(hù)、NBSF順控邏輯、運(yùn)行方式及金屬回線使能信號等關(guān)鍵問題。部分優(yōu)化方案已對在運(yùn)工程進(jìn)行整改，部分方案將在后續(xù)新建工程中實(shí)施。

1 特高壓直流雙極區(qū)直流保護(hù)系統(tǒng)配置策略及可靠性分析

1.1雙極區(qū)直流保護(hù)系統(tǒng)配置策略

特高壓直流保護(hù)分區(qū)如圖1所示，特高壓直流保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)區(qū)域包含高、低端換流器保護(hù)區(qū)，極母線保護(hù)區(qū)，中性母線保護(hù)區(qū)，換流器間連接線保護(hù)區(qū)，直流濾波器保護(hù)區(qū)，線路保護(hù)區(qū)，雙極保護(hù)區(qū)和高、低端換流變保護(hù)區(qū)。

特高壓直流保護(hù)系統(tǒng)配置了獨(dú)立的閥組保護(hù)屏和極保護(hù)屏。高、低端閥組保護(hù)屏分別實(shí)現(xiàn)對高、低端換流器區(qū)內(nèi)故障的保護(hù)功能；極保護(hù)屏實(shí)現(xiàn)對極母線保護(hù)區(qū)、中性母線保護(hù)區(qū)、換流器間連接保護(hù)區(qū)、直流濾波器保護(hù)區(qū)、直流線路保護(hù)區(qū)內(nèi)故障的保護(hù)功能。

雙極保護(hù)區(qū)內(nèi)故障目前一般有兩種配置方案，三重化的獨(dú)立雙極保護(hù)屏配置方案和集成到各極保護(hù)屏中的配置方案，各方案詳見內(nèi)容如下。

圖1特高壓直流保護(hù)區(qū)域示意圖

1.1.1三重化的雙極保護(hù)屏配置方案

三重化的雙極保護(hù)屏配置方案如圖2所示，雙極區(qū)保護(hù)功能配置到獨(dú)立的三重化雙極保護(hù)屏。各保護(hù)功能首先經(jīng)過CPU板卡進(jìn)行邏輯判斷，得到保護(hù)功能信號，再將保護(hù)功能信號傳至三取二邏輯裝置，三取二邏輯判斷后最終輸出有效的保護(hù)動作信號，閉鎖系統(tǒng)。

圖2三重化的雙極保護(hù)屏配置方案

1.1.2集成到各極保護(hù)屏中的配置方案

集成到各極保護(hù)屏中配置方案如圖3所示，雙極區(qū)保護(hù)功能分別集成到三重化各極保護(hù)屏。各保護(hù)功能首先經(jīng)過CPU板卡進(jìn)行邏輯判斷，得到保護(hù)功能信號，再將保護(hù)功能信號傳至三取二邏輯裝置，三取二邏輯判斷后最終輸出有效的保護(hù)動作信號，閉鎖系統(tǒng)。

圖3集成到各極保護(hù)屏中配置方案

1.2 可靠性模型推導(dǎo)及分析

為了深入分析雙極區(qū)直流保護(hù)系統(tǒng)各配置方案的可靠性，首先建立各配置方案的邏輯示意圖，并根據(jù)邏輯示意圖建立其可靠性分析模型，推導(dǎo)出各配置方案的可靠性公式及其計(jì)算結(jié)果。詳細(xì)內(nèi)容如下。

三重化的雙極保護(hù)屏配置方案和集成到各極保護(hù)屏中的配置方案的邏輯示意圖如圖4和圖5所示。

圖4三重化的雙極保護(hù)屏配置方案邏輯圖

圖5集成到各極保護(hù)屏中配置方案邏輯圖

如圖4、和圖5所示，BPA、BPB、BPC分別為三重化雙極保護(hù)屏，假設(shè)其可靠性分別為：BR1、BR2、BR3；PPA、PPB、PPC分別為三重化的極保護(hù)屏，假設(shè)其可靠性分別為：PR1、PR2、PR3；三取二裝置1、2可靠性分別為Rm1、Rm2，根據(jù)可靠性原理可得各配置策略下可靠性分析模型，如圖6、和圖7所示。

根據(jù)圖6可靠性分析模型及串、并聯(lián)系統(tǒng)可靠性計(jì)算公式，三重化的雙極保護(hù)屏配置方案的可靠性T如式(1)。

圖6三重化的雙極保護(hù)屏配置可靠性分析模型

圖7集成到各極保護(hù)屏配置可靠性分析模型

假設(shè)1=2=3=1=2=，則式(1)可簡化為

根據(jù)圖7可靠性分析模型及串、并聯(lián)系統(tǒng)可靠性計(jì)算公式，集成到各極保護(hù)屏中配置方案系統(tǒng)的可靠性BP，經(jīng)過類似簡化后為

通過圖8，可明顯看出，將雙極區(qū)直流保護(hù)集成到各極保護(hù)屏中配置方案的可靠性遠(yuǎn)高于其他兩種方案。

經(jīng)過以上深入分析可知，將特高壓直流雙極區(qū)直流保護(hù)集成到各極保護(hù)屏中的方案具有更高的可靠性，現(xiàn)該方案已寫入《高壓直流系統(tǒng)保護(hù)裝置標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)規(guī)范》。

2 雙極區(qū)直流保護(hù)功能優(yōu)化

2.1 雙極區(qū)直流保護(hù)功能配置及動作策略

特高壓直流雙極區(qū)配置的直流保護(hù)功能分別為：雙極中性母線差動保護(hù)、站接地過流保護(hù)、站接地過流后備保護(hù)、接地極引線過負(fù)荷保護(hù)、接地極引線不平衡監(jiān)視、中性母線接地開關(guān)保護(hù)、大地回線轉(zhuǎn)換開關(guān)保護(hù)、金屬回線轉(zhuǎn)換開關(guān)保護(hù)、金屬回線接地保護(hù)、金屬回線橫差保護(hù)、金屬回線縱差保護(hù)。

雙極區(qū)直流保護(hù)功能動作策略主要有：移相重啟、極平衡運(yùn)行、閉鎖系統(tǒng)、功率回降、重合相關(guān)開關(guān)等。

其中極平衡運(yùn)行動作策略為雙極區(qū)直流保護(hù)功能在雙極運(yùn)行方式下特有的動作策略；功率回降為接地極引線過負(fù)荷保護(hù)獨(dú)有的動作策略。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)問題及優(yōu)化方案

雙極區(qū)直流保護(hù)功能經(jīng)過工程的多年運(yùn)行檢驗(yàn)，不斷優(yōu)化和完善，對雙極區(qū)直流保護(hù)關(guān)鍵功能和近期工程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行了分析，提出了相關(guān)問題的解決方案，部分優(yōu)化方案已在工程中得到成功應(yīng)用。

2.2.1雙極中性母線差動保護(hù)優(yōu)化

雙極中性母線差動保護(hù)[8-12]主要保護(hù)雙極中性母線區(qū)域設(shè)備，差動電流計(jì)算公司如式(4)。

該保護(hù)最新的動作定值、延時(shí)和動作策略如下。

單極運(yùn)行：DIF>D，延時(shí)150 ms，移相重啟；延時(shí)600 ms，閉鎖系統(tǒng)。

雙極運(yùn)行：DIF>D，延時(shí)200 ms，平衡雙極運(yùn)行；延時(shí)2 s，閉鎖系統(tǒng)。

雙極中性母線差動保護(hù)作為雙極區(qū)的主保護(hù)功能，在現(xiàn)場運(yùn)行過程中出現(xiàn)過多次問題，對該保護(hù)的進(jìn)行了多方面的優(yōu)化，詳細(xì)措施如下。

(a)“三取二邏輯”出口策略優(yōu)化

特高壓直流保護(hù)裝置采用三重化配置，通過三取二邏輯裝置出口，三取二邏輯裝置采用雙重化配置；三取二邏輯按保護(hù)功能進(jìn)行運(yùn)算；三重化保護(hù)配置中的一套保護(hù)退出時(shí)采用二取一邏輯出口，兩套保護(hù)退出時(shí)采用一取一出口。

以上策略使直流保護(hù)系統(tǒng)具有良好的可靠性，為了進(jìn)一步提高雙極中性母線差動保護(hù)的出口可靠性，對該保護(hù)進(jìn)行了特殊處理，當(dāng)三重化配置的直流保護(hù)裝置，一套系統(tǒng)退出后，雙極中性線差動保護(hù)按“二取二”出口。該優(yōu)化策略進(jìn)一步提高了雙極中性母線差動保護(hù)的可靠性。

該優(yōu)化方案已在所有在運(yùn)特高壓直流輸電工程中整改，并在將建工程中實(shí)施。

(b) 取消合NBGS動作策略

雙極中性線差動保護(hù)的目的是檢測從極中性母線到接地極線引線之間的接地故障。雙極運(yùn)行時(shí)檢測到接地故障后，雙極中性線差動保護(hù)延時(shí)130 ms先請求控制系統(tǒng)切換(只在龍政和江陵工程中有)，延時(shí)200 ms再發(fā)極平衡指令。如果在1 s之內(nèi)極平衡成功，即使該區(qū)域有接地點(diǎn)，也不會有故障電流通過。在這種情況下，程序不會再執(zhí)行合NBGS的指令。

如果極平衡不成功或極平衡速度較慢，雙極中性線差動保護(hù)出口的條件仍一直滿足，1.2 s之后保護(hù)發(fā)出合NBGS指令。合NBGS的主要作用是與接地極線并聯(lián)運(yùn)行起到分流的作用，以減小流入接地點(diǎn)的故障電流，如果此時(shí)的差流(也即流入接地點(diǎn)的故障電流)低于雙極中性母線差動保護(hù)動作定值，可以避免雙極停運(yùn)。但正常情況下，站內(nèi)接地網(wǎng)不允許流過較大的電流，雙極運(yùn)行時(shí)站接地過流定值為100 A，延時(shí)3 s跳雙極，所以合上NBGS分流的作用是有限的。經(jīng)過計(jì)算，不平衡運(yùn)行工況下，是否合NBGS的結(jié)果如表1所示，結(jié)果表明：在兩極不平衡電流DIF小于250 A，且極平衡不成功的情況下，NBGS的分流作用有助于避免雙極閉鎖。

表1各種不平衡運(yùn)行工況下故障結(jié)果

Table 1 Fault results of unbalance operation modes

如果一極雙極中性線差動保護(hù)誤動而導(dǎo)致NBGS閉合且該極閉鎖后，將導(dǎo)致健全極雙極中性線差動保護(hù)或站接地過流保護(hù)動作，閉鎖健全極，擴(kuò)大了故障范圍。從這個(gè)角度講雙極中性線差動保護(hù)動作后取消合NBGS有助于避免雙極閉鎖的嚴(yán)重事故。

該優(yōu)化方案已在所有在運(yùn)特高壓直流輸電工程中整改，并將在新建工程中實(shí)施。

(c) 判斷邏輯問題及優(yōu)化建議

差動電流計(jì)算時(shí)共涉及到7個(gè)CT，若某一CT測量故障，較易造成雙極中性母線差動保護(hù)誤動作。

在正常運(yùn)行時(shí)避雷器電流IANE很小，如果中性母線有過電壓時(shí)，引起避雷器放電，會有直流電流流過該交流CT，引起交流CT直流偏磁，可能引起造成保護(hù)動作。所以建議IANE可以不作為雙極中性母線差動保護(hù)的判斷量。

另一方面，為了解決這個(gè)問題，可從一次主接線設(shè)計(jì)上進(jìn)行優(yōu)化?？蓪㈦p極中性線區(qū)域的避雷器配置于接地極線路 CT 外側(cè)，在兩條接地極線路各配置一個(gè)避雷器。采用這種方式后避雷器支路的CT電流將不再計(jì)入雙極差動保護(hù)中，減少了避雷器故障和CT測量故障引起的保護(hù)誤動的可能性，提高了保護(hù)功能的可靠性。

2.2.2 NBSF順控邏輯

NBSF順控邏輯在一極運(yùn)行，另一極停運(yùn)過程中且發(fā)生中性母線開關(guān)(NBS)失靈或圖1中F1點(diǎn)發(fā)生接地故障時(shí)起作用：首先通過合上NBGS開關(guān)分流；再利用拉開停運(yùn)極中性母線刀閘切除短路電流且隔離故障點(diǎn)，確保另一極的正常運(yùn)行不受影響；最后再拉開NBGS開關(guān)。

在部分特高壓直流工程中，NBGS開關(guān)不具備大電流轉(zhuǎn)移能力，因此，若采用現(xiàn)有NBSF順控邏輯，NBGS將無法打開，最終引起站接地過流保護(hù)動作，引起直流運(yùn)行極的停運(yùn)。

為避免上述雙極閉鎖現(xiàn)象的發(fā)生，對NBSF順控邏輯進(jìn)行如下改進(jìn)。

當(dāng)NBS失靈后，啟動NBSF順控邏輯：重合NBS開關(guān)，合上NBGS開關(guān)，拉開大地回線連接隔離刀閘和金屬回線連接隔離刀閘，運(yùn)行極移相，打開NBGS開關(guān)，運(yùn)行極系統(tǒng)恢復(fù)正常大地回線運(yùn)行。

NBSF順控執(zhí)行過程中，為滿足大地回線連接隔離刀閘和金屬回線連接隔離刀閘拉開時(shí)間長的要求，當(dāng)NBSF啟動后，直流保護(hù)將站內(nèi)接地過流保護(hù)時(shí)間定值自動調(diào)整為12 s，以避免隔離刀閘拉開期間該保護(hù)動作閉鎖雙極。

通過采用運(yùn)行極移相的方法降低直流電流，從而克服了NBGS電流轉(zhuǎn)移能力低的問題，最終實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)的安全隔離，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

2.2.3運(yùn)行方式及金屬回線使能信號邏輯優(yōu)化

雙極區(qū)直流保護(hù)功能的判斷邏輯、投退和動作策略等與系統(tǒng)的運(yùn)行方式有直接關(guān)聯(lián)，特高壓直流輸電線系統(tǒng)一般有單極大地回線運(yùn)行方式、單極金屬回線運(yùn)行方式和雙極大地回線運(yùn)行方式，當(dāng)運(yùn)行方式轉(zhuǎn)換時(shí)，需要重點(diǎn)考慮保護(hù)功能的防誤動，提高其可靠性，主要措施如下。

(a) 狀態(tài)量增加RS觸發(fā)器及自檢邏輯

特高壓直流輸電工程一般采用隔刀、開關(guān)的分、合狀態(tài)實(shí)現(xiàn)運(yùn)行方式的判別，部分工程采用單一狀態(tài)進(jìn)行判斷，存在單一元件故障造成運(yùn)行方式誤判的可能，經(jīng)過分析提出了分、合狀態(tài)均采集，并經(jīng)過圖9邏輯判斷后最終輸出。

圖9 RS觸發(fā)器邏輯圖

增加以上邏輯并且三重化的直流保護(hù)系統(tǒng)采集的狀態(tài)量為獨(dú)立的輔助觸點(diǎn)信號后，極大提高了系統(tǒng)的可靠性。通過提出增加的狀態(tài)異常自檢信號，方便運(yùn)檢人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題。

(b) 金屬回線使能信號優(yōu)化

金屬回線保護(hù)功能僅在金屬回線運(yùn)行方式下有效，且根據(jù)金屬回線的一次接線方式特點(diǎn)，金屬回線接地保護(hù)和金屬回線橫差保護(hù)僅在站B有效，通過金屬回線保護(hù)功能的使能信號實(shí)現(xiàn)以上兩個(gè)保護(hù)的自動投入，其信號邏輯如圖10所示。

圖10金屬回線使能信號邏輯圖

圖中“對站MRTB閉合命令”包含了站控順控命令和運(yùn)行人員控制界面手動閉合命令，通過該命令實(shí)現(xiàn)在金屬轉(zhuǎn)大地轉(zhuǎn)回線方式時(shí)，提前60 ms退出金屬回線保護(hù)功能使能信號，防止保護(hù)誤動。圖中圈出的延時(shí)90 s使能金屬回線保護(hù)功能邏輯，實(shí)現(xiàn)了防止大地轉(zhuǎn)金屬回線運(yùn)行方式時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)換失敗導(dǎo)致金屬回線保護(hù)誤動的可能。根據(jù)現(xiàn)場運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，存在打開MRTB后，MRTB開關(guān)保護(hù)動作重合的情況，通過延時(shí)開放金屬回線使能信號能夠有效避免這種特殊情況。

通過分析可知，延時(shí)90 s邏輯雖然能夠有效地避免轉(zhuǎn)換失敗特殊情況下金屬回線保護(hù)誤動的情況，但在絕大多數(shù)情況下，運(yùn)行方式轉(zhuǎn)換均能成功轉(zhuǎn)換，如每次正確轉(zhuǎn)換時(shí)，金屬回線接地保護(hù)和金屬回線橫差保護(hù)均退出90 s，增加了保護(hù)拒動的風(fēng)險(xiǎn)。

提出了將“對站MRTB閉合命令”中增加MRTB開關(guān)保護(hù)發(fā)出的閉合命令信號，刪除原90 s延時(shí)邏輯。既可實(shí)現(xiàn)正常轉(zhuǎn)換時(shí)的金屬回線保護(hù)功能的快速投入，也能避免轉(zhuǎn)換失敗MRTB開關(guān)保護(hù)重合MRTB特殊情況下，金屬回線保護(hù)誤動的情況。

3 總結(jié)

本文詳細(xì)分析了特高壓直流輸電工程中雙極區(qū)直流保護(hù)系統(tǒng)的配置策略和可靠性分析，主要分析了獨(dú)立的三重化雙極保護(hù)屏配置和集成到極保護(hù)屏配置策略，建立了可靠性模型及其公式推導(dǎo)，結(jié)果表明集成到極保護(hù)屏中配置策略其可靠性更高，后續(xù)新建工程建議采用該策略。對雙極區(qū)直流保護(hù)功能配置及動作策略進(jìn)行了分析，對關(guān)鍵問題提出了優(yōu)化方案，主要包含雙極中性母線差動保護(hù)、NBSF順控邏輯、運(yùn)行方式及金屬回線使能信號邏輯。與現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用緊密有關(guān)的關(guān)鍵問題優(yōu)化策略，對后續(xù)特高壓直流輸電工程相關(guān)設(shè)計(jì)提供了有益參考，及提高了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行又能方便運(yùn)檢人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)處理問題。

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(編輯 姜新麗)

Reliability research for UHVDC bipolar area DC protection system

LI Junxia, YAN Bing, ZHANG Ailing, WU Qingfan, HAO Junfang

(XJ Group Corporation, Xuchang 461000, China)

Bipolar area DC protection system malfunction will lead to serious consequences bipolar forced block, so it is important to improve bipolar DC protection system reliability. This paper analyzes two configuration strategies of UHVDC bipolar area DC protection system, establishes a reliability model of the configuration strategy, and derives its reliability formula and reliability graphs. The results show that the protection system integrated into a triple of configuring cubicles has greater reliability. It describes the bipolar protection functions and action strategies, analyzes bipolar neutral bus differential protection, NBSF sequence logic and metal loops enable signal and other key technical problems and then proposes the optimization strategy. At present, part of the optimization program is implemented in multiple UHVDC power transmission system, and then system operates well after adopting the measure. The latest optimization program will be implemented in the new project.

UHVDC; bipolar area; DC protection; triplicate; reliability; strategy

10.7667/PSPC151246

2015-07-20

李俊霞(1973-)，女，本科，工程師，從事繼電保護(hù)、高壓直流輸電設(shè)備開發(fā)設(shè)計(jì)、應(yīng)用及科技管理；E-mail: junxial1988@126.com

嚴(yán) 兵(1972-)，男，工程碩士，高級工程師，長期從事高壓直流輸電控制保護(hù)設(shè)計(jì)及理論研究；E-mail: 18637497186@163.com

張愛玲(1968-)，女，工程碩士，教授級高工，長期從事高壓直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)備開發(fā)和工程管理工作。E-mail: alz6006@163.com