美麗山二期直流線路突變量保護優(yōu)化研究

龔 飛 李 林 趙森林 鄒 強 汪大全

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

0 引言

特高壓直流輸電是解決遠距離、大容量輸電問題的重要方案，不僅在中國得到了廣泛運用，在世界范圍內(nèi)也得到了越來越多的重視。巴西美麗山二期直流工程是國家電網(wǎng)獨立中標的第一個海外特高壓直流工程，是國家實施“一帶一路”戰(zhàn)略的走出去工程，該工程線路電壓等級為±800kV，額定電流為2 500A，輸送容量4 000MW，輸送起點為巴西北部欣谷（Xingu）河畔的美麗山水電站，終點至巴西南部的巴西第二大城市里約熱內(nèi)盧（Rio），線路全長2 540多km，是巴西迄今為止輸送距離最長、輸送容量最大的特高壓直流線路，對保障巴西南部的可靠供電具有重要意義。該工程屬于典型的超長距離特高壓輸電工程，線路耦合較強，兩極間相互影響較大，因而需要對常規(guī)的控制保護策略做出相應(yīng)的改進以適應(yīng)長距離輸電的需要?，F(xiàn)有的針對線路強耦合的改進策略較少，且主要集中在控制方面，針對保護的很少。文獻[1-3]分析了一極線路重啟中，另一極由于線路強耦合導(dǎo)致功率大幅波動的問題，解決策略是在擾動過程中短時閉鎖低壓限流（voltage dependent current limited, VDCL）環(huán)節(jié)，或者是調(diào)整PI參數(shù)，讓調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)速度減慢。文獻[4]分析了長線路中存在一極線路接地，另一健全極出現(xiàn)換相失敗的問題，解決思路是對換相失敗預(yù)測控制做出改進，當(dāng)健全極檢測到對極電壓突變減小后，健全極立刻增大關(guān)斷角來防止換相失敗。

在美麗山直流的實時數(shù)字仿真（real time digital simulation, RTDS）中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)一極線路接地故障后，非故障極存在線路突變量保護誤動的現(xiàn)象。本文針對突變量保護誤動，詳細研究兩極間互感的影響機理，指出兩回線間互感是導(dǎo)致突變量保護誤動的原因，并針對此種誤動給出一種突變量保護優(yōu)化策略，并在RTDS系統(tǒng)中進行驗證，對其他特高壓直流工程有較大的參考意義。

1 直流線路突變量保護原理

直流線路接地故障是直流運行過程中最常見的故障，直流線路接地時產(chǎn)生的大電流會對設(shè)備產(chǎn)生很大的危害，并會大大影響輸送功率，所以一般要求直流線路保護能夠快速動作[5-10]。直流線路突變量保護是直流線路中配置的快速保護之一，與行波保護相比，不依賴波阻抗，原理簡單可靠，所以得到了廣泛應(yīng)用。幾乎所有的直流輸電工程都配置了直流線路突變量保護，其能否準確動作，對直流輸電的可靠性有重大影響。直流線路突變量保護原理如圖1所示。

圖1 直流線路突變量保護原理

圖1中，d為微分運算，第一項表示直流線路電壓（UDL）突變減小，第二項表示直流線路電流（IDL）增大（整流站為增大，逆變站為電流減?。谌棻硎局绷骶€路低電壓。突變量啟動后配置展寬環(huán)節(jié)的原因是電壓突變的時間很短，但是為了加強保護出口的可靠性，需要配置一定的延時，如果不加展寬，就可能在延時過后檢測不到突變量。所以為了使突變量保護準確、可靠、快速動作，一旦檢測到電壓突變，突變量啟動將會展寬T1時間（一般取為5～10ms左右）。若這段時間內(nèi)，直流低電壓維持了T2的時間（T2一般延時1～2ms左右），則保護就會出口。直流線路保護的動作結(jié)果是首先會嘗試2～3次的移相再啟動，如果重啟次數(shù)達到保護定值，就會閉鎖換流閥。

在美麗山二期直流RTDS系統(tǒng)中模擬極2靠Rio站線路接地故障，發(fā)現(xiàn)此時Xingu站極1會有直流線路突變量保護誤動作，極2和極1的波形分別如圖2和圖3所示，UDL、IDL、DUDT_TRIP分別表示Xingu站直流線路電壓、線路電流、突變量保護動作信號。分析圖2和圖3波形可以發(fā)現(xiàn)，在極2接地故障時，極2線路電壓會快速下降，電流會突增；但同時也可以發(fā)現(xiàn)，此時非故障極1的線路電壓也是突變減小的，電流增大，初始階段的特征與故障極完全一致，如果此時突變量保護不做改動，那么此時非故障極的突變量保護就會誤動。另外，如果兩條線路同時檢測到故障，由于巴西電網(wǎng)比較脆弱，承受不住雙極同時故障移相對電網(wǎng)的沖擊，按巴西國調(diào)（ONS）要求，此時進行雙極閉鎖，會損失大量的功率，造成極大的經(jīng)濟損失及社會影響。

圖2 極2線路故障極波形

圖3 極1非故障極波形

2 直流線路互感影響分析

故障開始后的初始階段，非故障極的電壓變化趨勢與故障極基本一致，這是由于電磁耦合產(chǎn)生的結(jié)果。由于直流輸電一般采用同塔共設(shè)，兩條直流線路間存在較強的電磁耦合，線路越長，影響就越大。巴西直流工程的線路長達2 500多km，超過了大部分的特高壓直流輸電工程。巴西工程的線路參數(shù)見表1。

表1 直流線路參數(shù)

根據(jù)表1參數(shù)，可以算出直流線路的自感及互感，自感為[11]

式中：L0為單位長度自感；μ0為磁導(dǎo)率，具體數(shù)值為 4π ×1 0-7H/m；l為線路長度；Ds為分裂導(dǎo)線的等效半徑，對于六分裂導(dǎo)線，有

式中：r′=0.779r，r為分裂導(dǎo)線半徑；d為分裂導(dǎo)線間距。代入?yún)?shù)值，可以算出單位長度自感為3.225mH/km，整條線路的自感L1為8.27H。

直流線路互感為

式中：M0為單位長度互感；Dm為導(dǎo)線間距。代入?yún)?shù)值，可以算出單位長度互感為2.479mH/km，整條線路的互感M1為6.3H?？梢钥闯?，互感相比自感來說，數(shù)值并不小，因而不能忽略其影響。

巴西美麗山二期極1直流輸電系統(tǒng)等效電路如圖4所示，直流場主要由換流閥、平波電抗器、直流濾波器（direct current filter, DCF）、直流線路、接地極、直流斷路器及隔離開關(guān)等構(gòu)成。系統(tǒng)的正常運行方式是由Xingu送電Rio，稱為功率正送模式，通常采用雙極正送方式；如在枯水季節(jié)，會運行在功率反送模式，功率由Rio送往Xingu。

圖4 極1直流輸電系統(tǒng)等效電路

假設(shè)極2靠Rio站末端發(fā)生故障，那么此時極2的線路電流IDL2將會突然增大，由于互感影響[12-15]，相當(dāng)于此時在極1線路上疊加一個電源，此時極1線路由于互感而感應(yīng)出的電壓如式（4）所示。根據(jù)楞次定律，其電壓極性有利于極1電流的增大。

分析圖2可知，故障極極2的電流變化率為1.817/0.000 2kA/s，根據(jù)式（4），在極1等效的電壓為57 235kV，持續(xù)時間為0.2ms。其后故障極極2電流的變化很不規(guī)則，有增大也有減小，這是由于兩極互相耦合引起的。但分析初始階段0.2ms對于分析互感影響已經(jīng)足夠，能看出極1電壓突變減小的過程，這段時間對于極1的突變量啟動也是足夠的，因而此分析過程也不失一般性。由于電壓突變量動作時間很短，在這段時間內(nèi)，換流器來不及調(diào)節(jié)，并且為了簡化電路分析，忽略一些次要參數(shù)，接地極的等效電感可以忽略，把直流濾波器等效為一個電容，此時極1的電流回路可以等效為如圖5所示的等效電路，L1為線路自感，RL為線路電阻，典型值為17Ω，Cdcf為直流濾波器的等效電容，美麗山工程為2.4μF。

圖5 極1電流回路的等效電路

根據(jù)上述電路，Xingu站和Rio站的直流線路電壓的關(guān)系為

對式（5）進行積分，并考慮初始條件，可以得出兩站線路電壓的關(guān)系。根據(jù)圖5的等效電路，有

式中：ULxin(0-)為故障起始時的Xingu站初始電壓，正送時一般為800kV；ULrio(0-)為故障起始時的Rio站初始電壓，由于穩(wěn)態(tài)運行存在線路壓降，正送時一般為758kV左右；ε(t)為階躍信號。對上述微分方程進行拉普拉斯變換后，可得

經(jīng)過運算后，可得出Xingu線路電壓為

其中，δ、ω、φ的定義為

代入線路參數(shù)及初始電壓，可得Xingu站線路電壓為

根據(jù)式（10），可以得出極1非故障極計算波形如圖6所示?？梢钥闯龀跏茧A段0.2ms內(nèi)的電壓、電流變化趨勢與實際的RTDS波形基本一致，說明極1電壓突變確實是由互感引起的。

圖6 極1非故障極計算波形

3 直流線路突變量保護及優(yōu)化

對于由互感影響引起的非故障極直流電壓突變，控制系統(tǒng)來不及反應(yīng)，所以優(yōu)化的方向應(yīng)是防止保護誤動[16-20]。對于故障極來說，由于接地故障一直存在，此時線路電壓會一直很低；而對于非故障極來說，在互感影響消失后，此時電壓會恢復(fù)到一個較高的水平，但根據(jù)實際的RTDS波形，恢復(fù)過程不是完全平滑上升的，上升過程還伴隨著電壓的抖動，所以若通過延時來躲過互感影響這一過程，需要很長的延時，不能滿足突變量保護快速性的要求。因而為了兼顧快速性與可靠性，利用故障極和非故障極的差異，對突變量保護做如下優(yōu)化：適當(dāng)加長保護延時，以躲過互感影響，一旦在保護延時時間內(nèi)檢測到電壓升高，就馬上閉鎖突變量保護一段時間，防止其誤動。改進后的突變量保護優(yōu)化策略如圖7所示，圖7中的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的功能表示一旦輸入從0到1，輸出馬上變1并保持設(shè)定的時間T，之后輸出變?yōu)榱?，直到輸入再一次?變?yōu)?。

圖7 突變量保護優(yōu)化策略

在保護延時時間段T2（2～5ms左右）內(nèi)，如果在檢測到線路電壓低后的T3（1～5ms左右）時間段內(nèi)，又檢測到電壓升高，那么此時封鎖突變量保護T4（10～50ms左右）的時間。相比于常規(guī)只加長延時來躲過電壓跌落過程的方法，本改進方式動作時間更短，保護定值也不需要做大量改動，兼顧了保護的快速性及可靠性，因而更有優(yōu)越性。

為了驗證上述策略的有效性，在RTDS系統(tǒng)中進行試驗驗證，試驗條件為雙極正送滿功率4 000MW，靠逆變站Rio站故障，這是因為靠線路末端故障時，互感影響的是整條線路，因而更具代表性。

試驗波形如圖8和圖9所示，其中UDL表示直流電壓，IDL表示直流電流，DUDT_TRIP表示突變量保護動作信號，DUDT_BLK表示閉鎖突變量保護信號，使其不動作。可以看出，在加入線路突變量保護的改進策略后，線路突變量保護準確識別了互感影響，非故障極極1可靠不動作，而故障極極2仍可以準確動作，證明了所提的改進策略確實是有效的。

圖8 Xingu站極1非故障極波形

圖9 Xingu站極2故障極波形

由于美麗山特高壓直流工程是單閥組的特高壓，為了驗證對于雙閥組特高壓也有類似的優(yōu)化作用，在RTDS平臺上對國內(nèi)某雙閥組特高壓也做了 類似仿真試驗。試驗波形如圖10所示，線路故障前極1電壓400kV，極2電壓800kV，電流都為5 000A，故障點位于極2靠逆變側(cè)。圖10中UDL_OP表示對極（極2）電壓，可以看出，在加入線路突變量保護的改進策略后，線路突變量保護準確識別了互感影響，非故障極極1可靠不動作，證明了所提的改進策略對于雙閥組特高壓直流也是有效的。

圖10 整流站極1非故障極波形

4 結(jié)論

本文針對美麗山直流RTDS中發(fā)現(xiàn)的突變量保護誤動問題，首先介紹了線路突變量保護的一般性原理，然后詳細研究了互感引起突變量保護誤動的機理，給出了一種突變量保護的優(yōu)化策略，并通過RTDS證明了所提策略的有效性。本文所提的改進策略，對其他已建的和在建的特高壓直流都有一定的參考意義。