特高壓直流輸電線路故障重啟策略優(yōu)化研究

周曉風(fēng)　吳彥維　李　乾　張艷浩　許朋見

（許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000）

特高壓直流輸電線路故障重啟策略優(yōu)化研究

周曉風(fēng)吳彥維李乾張艷浩許朋見

（許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000）

為了解決以往特高壓直流輸電工程中直流線路故障重啟策略不完善導(dǎo)致直流功率波動(dòng)甚至雙極閉鎖的不足，提出了把直流輸電運(yùn)行工況和運(yùn)行功率點(diǎn)加入到直流線路故障重啟策略中。利用RTDS對(duì)特高壓直流輸電線路接地故障進(jìn)行仿真，建立直流輸電線路接地故障等效模型。針對(duì)在故障極重啟動(dòng)過程中非故障極實(shí)際直流功率波動(dòng)大的問題，提出采用閉鎖非故障極低壓電流（VDCL）功能的方法來減少非故障極實(shí)際直流功率的波動(dòng)。以溪洛渡左岸-浙江金華±800kV特高壓直流輸電工程為試驗(yàn)背景，仿真試驗(yàn)證明：所提出的特高壓直流輸電線路故障重啟優(yōu)化策略能有效的提高系統(tǒng)線路故障時(shí)的穩(wěn)定性，具有很好的工程實(shí)用性。

特高壓直流輸電；RTDS仿真；線路故障重啟；線路互感

高壓直流輸電由于其技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在我國(guó)遠(yuǎn)距離大容量輸電和大區(qū)聯(lián)網(wǎng)中得到了廣泛應(yīng)用。在特高壓直流輸電工程中，由于直流輸電線路往往長(zhǎng)達(dá)數(shù)千公里，線路遭遇雷擊、山火、云霧等影響的可能性大大增加。類似于交流系統(tǒng)的重合閘，直流線路閃絡(luò)、接地故障等多是瞬時(shí)性故障，采用移相重啟可以快速恢復(fù)直流線路周圍的介質(zhì)絕緣性能，并使直流系統(tǒng)恢復(fù)正常送電水平。

截止目前，我國(guó)華東電網(wǎng)已有三條特高壓直流（向上工程6400MW、錦蘇工程7200MW、溪浙工程8000MW）、三條常規(guī)直流在運(yùn)行，特別是迎峰度夏期間三條特高壓直流均滿負(fù)荷運(yùn)行，任意一條特高壓直流因直流線路故障重啟動(dòng)引起功率波動(dòng)甚至閉鎖都會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成影響。因此，有必要對(duì)特高壓直流輸電線路故障重啟策略進(jìn)行優(yōu)化。

常規(guī)直流工程采用單個(gè)十二脈動(dòng)換流器主接線結(jié)構(gòu)，當(dāng)直流線路發(fā)生故障時(shí)，采用兩次全壓和一次降壓的直流線路故障重啟策略，即在通信正常，雙極運(yùn)行方式下，發(fā)生一極直流線路接地故障后，原壓重啟兩次，降壓70%重啟一次，三次重啟不成功后閉鎖故障極。然而對(duì)于特高壓直流輸電工程，由于采用雙十二脈動(dòng)換流器串聯(lián)的主接線結(jié)構(gòu)，除了雙換流器運(yùn)行方式外，還存在單換流器運(yùn)行方式，因此為了提高直流線路故障重啟動(dòng)的成功率并盡可能的減少對(duì)系統(tǒng)的影響，可考慮在原有直流線路故障重啟策略的基礎(chǔ)上，增加新的線路故障重啟方式。

本文基于RTDS建立了特高壓直流輸電系統(tǒng)直流線路接地故障的等效模型，在常規(guī)直流工程直流線路故障重啟策略的基礎(chǔ)上把特高壓直流運(yùn)行方式和運(yùn)行功率點(diǎn)兩個(gè)因素加入到重啟策略中，并提出了故障極重啟過程中閉鎖非故障極VDCL功能的策略，以減少直流輸送功率的波動(dòng)，最后以溪洛渡-浙江金華±800kV特高壓直流輸電工程（賓金直流）為例對(duì)所提出的直流線路故障重啟優(yōu)化策略進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

1　直流線路故障重啟概述

1.1直流線路故障暫態(tài)過程分析

目前，特高壓直流輸電工程均采用正極直流輸電線路和負(fù)極直流輸電線路的形式，不同于直流輸電的穩(wěn)態(tài)工況，直流線路的瞬時(shí)性接地故障是一個(gè)很復(fù)雜的電磁暫態(tài)過程［1-2］。

以極1為例，圖1所示為直流輸電線路中點(diǎn)發(fā)生接地故障時(shí)的等效電路模型。

圖1　直流輸電等效電路

對(duì)于整流側(cè)：

對(duì)于逆變側(cè)：

式中，ZR=ZI=（R+L） /2，Ud0為線路接地點(diǎn)對(duì)地電位。

由式（1）、式（2）可知，換流閥的單向?qū)ㄌ匦詻Q定了極1直流電流只能是從整流側(cè)流向逆變側(cè)，線路接地點(diǎn)鉗制接地點(diǎn)電位近似為0，所以整流側(cè)會(huì)出現(xiàn)很大的短路電流，而逆變測(cè)的直流電流則接近于0。

對(duì)于特高壓直流輸電工程，額定直流電流已經(jīng)達(dá)到5000A，一極線路故障重啟勢(shì)必會(huì)對(duì)另一極產(chǎn)生影響，考慮到直流輸電極線間的電磁干擾，建立了如圖2所示的線路重啟恢復(fù)過程中的簡(jiǎn)化等效模型（只考慮分布參數(shù)的線路部分）［3-4］。

架空輸電線路主要考慮4個(gè)參數(shù)（電阻、電感、導(dǎo)納、電容（，，，r L g c））［3-4］，通常情況下線路絕緣良好，泄漏電流很小，可認(rèn)為0g=；為了簡(jiǎn)化分析，忽略線路對(duì)地電容，即0c=［5-8］。

根據(jù)耦合電路的基本理論可得線路壓降：

圖2　線路互感模型

由于兩條極線中直流電流方向相反，呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的去磁作用，故12M前面為負(fù)號(hào)。因此，分析非故障極的暫態(tài)特性時(shí)，不僅要考慮線路本身自感，還要考慮另一極線路互感的作用。

文獻(xiàn)［9］中以特高壓直流為例給出了定量分析，當(dāng)故障極重啟過程中電流劇烈變化時(shí)，在非故障極上會(huì)產(chǎn)生很大的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，可能會(huì)導(dǎo)致極線中電流由低電壓流向高電壓方向。此時(shí)，非故障極整流側(cè)電流控制器由于觸發(fā)角限制而失去調(diào)節(jié)能力。

1.2直流保護(hù)

直流保護(hù)主要分為閥保護(hù)、極保護(hù)和雙極保護(hù)、直流濾波器保護(hù)等。特高壓直流輸電線路故障重啟過程中涉及的直流保護(hù)有：①行波保護(hù)；②線路突變量保護(hù)；③線路低電壓保護(hù)；④線路縱差保護(hù)；⑤雙極中性線差動(dòng)保護(hù)；⑥金屬回線接地保護(hù)；⑦金屬回線縱差保護(hù)。其中，保護(hù)①～④達(dá)到定值后展寬20ms向極控系統(tǒng)發(fā)送“移相重啟”信號(hào)，保護(hù)⑤～⑦滿足定值條件后展寬6s向極控系統(tǒng)發(fā)送“移相重啟一次”信號(hào)。

1.3控制系統(tǒng)響應(yīng)

直流保護(hù)系統(tǒng)檢測(cè)到直流線路接地故障后向極控系統(tǒng)發(fā)送線路重啟信號(hào)（移相重啟或移相重啟一次信號(hào)），線路故障重啟順序邏輯需要整流側(cè)與逆變側(cè)極控系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合完成。

直流輸電系統(tǒng)一般采用整流側(cè)定直流電流，逆變側(cè)定熄弧角且逆變側(cè)換流變分接頭控制整流側(cè)直流電壓為額定的控制策略。對(duì)于特高壓直流輸電極控系統(tǒng)，整流側(cè)和逆變側(cè)都配置了線路故障重啟功能，但在一次線路故障重啟動(dòng)過程中，移相操作只有整流側(cè)才會(huì)執(zhí)行，因此整流側(cè)決定線路故障重啟次數(shù)（重啟1次、2次、3次），逆變側(cè)決定每一次重啟電壓參考值。

特高壓直流極控系統(tǒng)線路故障重啟過程中整流側(cè)典型波形如圖3所示。從圖3可知，極控系統(tǒng)完成了三次重啟，三次重啟不成功最后移相閉鎖。對(duì)于每一次重啟，極控系統(tǒng)主要分為移相和再啟動(dòng)兩個(gè)步驟。三次重啟移相時(shí)間分別對(duì)應(yīng)三次線路去游離時(shí)間，在移相期間極控PI控制器不使能，每一次移相過程包含兩個(gè)步驟：

（1）當(dāng)Id_Act≥0.05p.u.時(shí)，移相角度保持為120°。

（2）當(dāng)Id_Act＜0.05p.u.時(shí)，移相角度保持為160°。

圖3　整流側(cè)動(dòng)作

整流側(cè)線路故障移相重啟與整流側(cè)移相閉鎖相似，但是不同之處在于移相重啟過程中觸發(fā)脈沖一直使能。另外，對(duì)于是否需要下一次再啟動(dòng)，是由整流側(cè)邏輯判斷的，具體邏輯為：在上次移相重啟結(jié)束后的50ms內(nèi)，若實(shí)際直流電壓Ud_Act＜0.1p.u.，則觸發(fā)下一次的再啟動(dòng)。

直流線路故障重啟過程中，逆變側(cè)按照正常的控制特性進(jìn)行響應(yīng)，等待整流側(cè)重新建立起直流電流。圖4所示為極控系統(tǒng)原壓重啟2次后，第3次降壓70%重啟成功。

在圖3、圖4中，UDLA1、IDNCA1、UDLB1、IDNCB1分別為整流和逆變側(cè)極1電壓、電流，ALPVCS1A11、ALPVCS1A12、ALPVCS1B11、ALPVCS1B12分別為整流和逆變側(cè)極1高低閥組觸發(fā)角，LINrec為線路故障重啟信號(hào)，UCtrlB1a為逆變側(cè)電壓控制模式，ICtrlB1a為逆變側(cè)電流控制模式，GamCtrlB1a為逆變側(cè)熄弧角控制模式。

圖4　逆變側(cè)動(dòng)作

實(shí)際工程中穩(wěn)態(tài)工況下逆變側(cè)采用預(yù)測(cè)型熄弧角控制策略，預(yù)測(cè)型熄弧角控制器主要是根據(jù)換相理論，對(duì)熄弧角進(jìn)行預(yù)測(cè)，并且按照一定的算法實(shí)現(xiàn)，具體公式如下：

式中，maxA為計(jì)算的逆變側(cè)觸發(fā)角，refγ為逆變側(cè)設(shè)定的熄弧角參考值，drefI為直流電流指令值，dI為實(shí)際直流電流值，dNI為額定直流電流值，di0NU為額定理想空載直流電壓值，di0U為實(shí)際理想空載直流電壓值，1K為正斜率修正系數(shù)。

在直流線路接地故障的瞬間，由于接地點(diǎn)的鉗電位作用逆變側(cè)實(shí)際直流電壓會(huì)跌落，如圖4中電壓波形所示，逆變側(cè)PI控制器采用取最大誤差值的邏輯，因此接地故障瞬間逆變側(cè)會(huì)出現(xiàn)定熄弧角控制方式向定直流電流控制方式的切換。

2　線路故障重啟策略優(yōu)化研究

2.1特高壓直流輸電線路故障重啟策略優(yōu)化

不同于常規(guī)直流工程采用單十二脈動(dòng)換流器主接線結(jié)構(gòu)，特高壓直流通常采用雙十二脈動(dòng)主接線結(jié)構(gòu)且電壓、功率水平較高，因此其線路故障重啟策略要考慮更多的約束條件。當(dāng)直流線路發(fā)生接地故障時(shí)，常規(guī)直流采用兩次全壓和一次降壓的線路故障重啟策略，即在通信正常，雙極運(yùn)行方式下，發(fā)生一極直流線路接地故障后，原壓重啟2次，降壓70%重啟1次，3次重啟不成功后閉鎖故障極。

特高壓直流輸電工程在雙極運(yùn)行和單極大地回線運(yùn)行方式下，線路重啟次數(shù)主要受交流系統(tǒng)條件約束；單極金屬回線運(yùn)行方式下，線路重啟次數(shù)主要受金屬回線EM避雷器能量約束。因此，對(duì)于特高壓直流而言需要考慮故障極當(dāng)前運(yùn)行功率點(diǎn)、運(yùn)行方式（單閥組或雙閥組、大地回線或金屬回線、并聯(lián)融冰接線）、站間通信是否正常、雙極同時(shí)故障和相繼故障（短時(shí)或長(zhǎng)時(shí)）等約束條件。

這里以±800kV/8000MW特高壓直流輸電工程為例，把特高壓直流故障前運(yùn)行功率點(diǎn)及運(yùn)行工況加入到線路故障重啟策略中，表1給出了具體的重啟策略。

表1　直流線路故障重啟策略

在表1中，線路重啟條件均針對(duì)故障極而言，并且重啟電壓參考值原壓主要指800kV、400kV、640kV（降壓80%）和560kV（降壓70%），其中，降壓只包含560kV。特殊保護(hù)觸發(fā)是指由雙極中性線差動(dòng)保護(hù)、金屬回線接地保護(hù)和金屬回線縱差保護(hù)所發(fā)的移相重啟一次信號(hào)。

對(duì)于雙極線路故障的工況，規(guī)定：

（1）故障極實(shí)際功率SP_Act＞1000MW ，在5s內(nèi)另一極發(fā)生線路故障直接閉鎖本極；若雙極同時(shí)發(fā)生線路故障，則直接閉鎖雙極。

（2）故障極實(shí)際功率SP_Act≤1000MW ，雙極之間互不約束，可按照正常條件進(jìn)行重啟。

線路重啟實(shí)際次數(shù)統(tǒng)計(jì)的有效時(shí)間窗口為30s，即：30s后實(shí)際重啟次數(shù)計(jì)數(shù)器會(huì)清零，30s內(nèi)故障極能允許表2中重啟條件所決定的最大重啟次數(shù)，30s后若再次發(fā)生線路故障則意味著新的線路重啟邏輯的啟動(dòng)。由雙極中性線差動(dòng)保護(hù)、金屬回線接地保護(hù)和金屬回線縱差保護(hù)導(dǎo)致的直流再啟動(dòng)納入再啟動(dòng)實(shí)際次數(shù)統(tǒng)計(jì)，按照再啟動(dòng)策略執(zhí)行。

每一次重啟的線路去游離時(shí)間見表2。

表2　直流線路故障重啟去游離時(shí)間

2.2VDCL功能優(yōu)化

特高壓直流輸電系統(tǒng)一極發(fā)生線路故障后，一方面兩極線路間有電磁感應(yīng)效應(yīng)，另一方面直流功率變化影響相連交流系統(tǒng)，從而間接影響另一極的運(yùn)行狀態(tài)。上述兩方面影響因素以及直流極控裝置的自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，使得一極線路故障期間，會(huì)造成另一健全極的直流電壓、電流波動(dòng)，繼而再影響到故障極的平穩(wěn)恢復(fù)。隨著特高壓直流輸電工程額定輸送功率的增加，這種極間干擾的影響會(huì)越來越大，在故障極線路重啟動(dòng)期間，健全極電壓可能會(huì)降的很低，導(dǎo)致VDCL環(huán)節(jié)動(dòng)作，造成非故障極輸送功率的進(jìn)一步波動(dòng)。

VDCL功能是在直流電壓降低時(shí)對(duì)直流電流指令進(jìn)行限制，其主要用于在交流或直流故障后，提高交流系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性，避免直流過電壓，幫助直流系統(tǒng)可控恢復(fù)。在一極發(fā)生線路故障時(shí)，故障極VDCL功能應(yīng)起作用；然而對(duì)于非故障極，VDCL功能將不利于其維持功率穩(wěn)定或進(jìn)行極間功率轉(zhuǎn)移。

VDCL功能的靜態(tài)特性如圖5所示，實(shí)際直流電壓介于Ud_H和Ud_L之間時(shí)，VDCL功能激活。實(shí)際工程中VDCL環(huán)節(jié)的輸入是直流電壓實(shí)際值與參考值的比值，其經(jīng)過一個(gè)非線性濾波環(huán)節(jié)，再經(jīng)過折線化輸出直流電流參考值Idref_VDCL；這個(gè)非線性濾波環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)在直流電壓升高和下降時(shí)是不同的，為了保證在交直流故障時(shí)直流電流快速的降低，直流電壓下降時(shí)的時(shí)間常數(shù)通常要小。Idref_VDCL與原來的drefI取小后參與直流電流閉環(huán)控制。

以溪洛渡-浙江金華±800kV特高壓直流輸電工程為例［10］，當(dāng)一極發(fā)生線路故障時(shí)，把線路故障信號(hào)送到另一極，同時(shí)，屏蔽非故障極VDCL功能Δt =400ms 。

圖5　VDCL靜態(tài)特性

針對(duì)同一運(yùn)行工況：極1雙閥組800kV 5kA，極2單閥組400kV 5kA，RTDS中模擬極1直流線路中點(diǎn)接地故障0.5s，對(duì)比圖6、圖7可以得出：

在極2 VDCL功能使能的條件下，極1直流線路故障恢復(fù)過程中，極2電壓電流波動(dòng)較大。然而，在極2 VDCL功能屏蔽400ms的條件下，極1直流線路故障恢復(fù)期間，極2電壓電流波動(dòng)明顯減小。

其中，圖6、圖7中PDPRA為雙極功率實(shí)際值，IVDCLrefA2為極2經(jīng)過VDCL后電流參考值，UDLA2為極2實(shí)際直流電壓。

圖6　有VDCL動(dòng)作結(jié)果

3　結(jié)論

1）本文在傳統(tǒng)直流輸電線路故障重啟策略的基礎(chǔ)上，提出了把直流系統(tǒng)運(yùn)行工況和運(yùn)行功率點(diǎn)加入到特高壓直流輸電線路故障恢復(fù)策略中。該策略已得到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施，在一定程度上減少了特高壓直流輸電系統(tǒng)閉鎖的可能性。

圖7　無VDCL動(dòng)作結(jié)果

2）針對(duì)特高壓直流輸電工程一極線路故障恢復(fù)，另一極電壓電流波動(dòng)大的問題，本文提出了故障及重啟過程中屏蔽非故障極VDCL功能時(shí)間的策略，仿真試驗(yàn)證明該策略有效。

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［10］ 溪洛渡-浙江金華±800kV特高壓直流輸電工程主回路參數(shù)研究報(bào)告［S］.

Research on the Optimization of UHVDC Line Fault Recovery Strategy

Zhou Xiaofeng Wu Yanwei Li Qian Zhang Yanhao Xu Pengjian
（XJ Electric Co.， Ltd， Xuchang， He'nan 461000）

To solve the problem that UHVDC DC line fault recovery logic is not perfect resulting DC power fluctuating even bipole blocking， a new strategy considering the HVDC working conditions and running power point against DC line faults is put forward. RTDS is used to simulate the DC line fault and build the equivalent line-to-ground fault model. A strategy inhibiting VDCL function of the non-fault pole for some time is illustrated to decrease the non-fault pole power fluctuation. Based on Xiluodu-Zhejiang Jinhua ±800kV UHVDC， it is concluded that the sugguested DC line fault recovery strategy can effectively keep the whole HVDC system stable against DC line faults.

UHVDC； RTDS simulation； DC line fault； line mutual-inductance

周曉風(fēng)（1988-），男，碩士，工程師，主要從事直流輸電控制保護(hù)研究工作。