通信系统故障对直流保护功能的影响

朱韬析，王 超

（1.中国南方电网超高压输电公司广州局，广州市，510405；2.浙江电力调度通信中心，杭州市，310007）

0 引言

通信系统是直流输电系统的重要组成部分，通信设备运行是否稳定、通信通道组织是否合理可靠等，直接关系到直流系统的安全稳定运行[1]。直流保护系统需要依靠通信系统传输对侧的数据和信息，以保证快速、准确地检测到故障，同时应将通信系统故障的影响降至最低，一方面必须避免通信系统故障引起保护误动，另一方面应合理设置后备保护，确保在故障情况下能够可靠隔离故障点，同时避免保护误动。

1 通信系统运行状况对直流保护的影响

1.1 线路纵差保护

直流纵差保护是切除线路高阻故障的重要手段[2-4]，其工作原理为

式中：Id为直流线路电流；I'd为对侧站直流线路电流；Δ1为设定定值。显然，出现通信故障时，I'd将无法送至本侧，因此，闭锁线路差动保护将闭锁。

1.2 金属回线纵差保护

直流输电系统在单极金属回线运行方式下，可通过金属回线纵差保护快速检测金属回线上发生的接地故障[5]，从而通过线路重启动功能[6]，提高直流输电系统的可靠性，其原理与线路纵差保护类似[7-13]。显然，通信系统故障时，金属回线纵差保护也将闭锁。

1.3 远程站故障保护

在通信系统不可用的情况下，若逆变侧出现了故障（如逆变器旁通对投入失败、直流电流不为0），整流侧远程站故障保护能够可靠闭锁整流器。显然，通信系统正常投入时，远程站故障保护将被闭锁。

1.4 线路低电压保护

线路低电压保护功能通过监测直流线路电压实现。通信系统正常时，可根据对侧站是否有交流系统故障和换相失败的信号来闭锁该保护。当通讯中断时，如果是双极运行方式，则根据另一极直流电压判断对侧站是否发生交流系统故障，以确保只有在直流线路故障时，该保护才动作；如果是单极运行方式，则加长保护动作延时，与对侧站交流故障切除时间相配合。

2 通信系统故障导致直流保护误动

2.1 故障实例

在某些直流输电工程中，部分直流保护的开放/闭锁条件采用了对侧设备的位置信号，一旦通信系统故障，这必然将影响到这些保护的功能，甚至可能造成保护的误动。图1所示直流输电系统中，在通信中断状态下将直流系统接线方式由单极金属回线方式下转为单极大地回线方式，依次闭合逆变侧接地极线路刀闸、断开逆变侧站内接地开关，在闭合整流侧金属回线开关后，逆变侧金属回线接地保护、线路横差保护动作，故障录波如图2所示。

2.2 直流保护原理及其闭锁判据

金属回线接地保护和线路横差保护均为直流输电系统在单极金属回线运行方式下、线路接地故障时的后备保护。单极金属回线运行方式下，发生运行极线路和金属回线线路接地故障时的电流回路分别如图3、4所示（假设故障点分别为图中的A、B点），显然，此时不仅逆变侧双极直流线路电流出现较大差值，同时金属回线的接地点也将流过较大电流。

2.2.1 保护原理

金属回线接地保护的判据为

式中：Id4、Id1、Id2分别为站接地电流和2条接地极线路的电流；Δ2为设定定值。由于逆变侧既可采用站内高速接地开关，也可采用接地极作为金属回线的接地点，因此，该保护对站接地电流与接地极电流之和进行监视。

线路横差保护的判据为

式中：Id和IdOP分别为本极和另一极的直流线路电流；Δ3为设定定值。

2.2.2 直流保护闭锁/开放逻辑

图1所示直流系统中，整流侧和逆变侧均根据整流站金属转换开关的位置，投入/退出金属回线接地保护和线路横差保护：整流站金属转换开关合上后，两侧均退出金属回线接地保护和线路横差保护；整流站金属转换开关断开后，经延时两侧均退出金属回线接地保护和线路横差保护。

2.3 事故过程分析

在图1、2所述的事故中，随着逆变侧接地极线路刀闸闭合、站内接地开关断开和整流侧金属回线开关的闭合，极I已转为单极大地回线方式，极II直流线路虽然处于连接状态，但相当于被两侧的接地极以及大地构成的回路所短路，直流电流通过两侧的接地极形成回路。图2所示曲线表明，在保护动作、投入旁通对前的电流波形也证明了此时的运行状况无异常。

正常情况下，随着单极大地回线形成，单极金属方式下特有的金属回线接地保护和线路横差保护不应动作；但由于该试验模拟通信系统故障，整流侧金属回线开关闭合的信号无法送至逆变侧直流站控，逆变侧直流站控未能判断出单极大地回线已形成，所以无法送信号至直流保护系统闭锁金属回线接地保护和线路横差保护，造成了这些保护的误动。

2.4 改进措施

金属回线接地保护和线路横差保护误动的根本原因是逆变侧这两个保护的闭锁/开放条件采用了整流侧金属回线开关的位置信号，而在通信系统故障情况下，逆变侧将无法可靠闭锁这两个保护。

因此，逆变侧金属回线接地保护和线路横差保护的闭锁逻辑为：在通信系统异常时，逆变侧根据本站接地极线路刀闸闭合的信号闭锁金属回线接地保护和线路横差保护，判别本站本侧接地极线路刀闸分位且本站站内高速接地开关合位置，经延时后投入线路横差保护和金属回线接地保护。

3 通信系统故障对系统停运的影响

3.1 逆变侧后备保护动作并投入旁通对的影响

通信系统故障、直流输电工程启动停运时，设置另一侧依靠直流低电压保护的动作来停运。最初，直流低电压保护动作后果设置为闭锁换流阀，逆变侧需投入旁通对。调试中发现，直流低电压保护动作后果设置不当，启动逆变侧闭锁且投入旁通对，将引起换流变阀侧过压。在通讯中断时的手动停运试验中，直流输电工程的录波图如5所示。整流侧手动停运极I后，逆变侧经延时后直流低电压保护动作并投入了旁通对。随着旁通对的投入，换流变压器阀侧相当于不接地系统出现了一点接地，另外两相电压随即升高，最后依靠其他保护动作断开换流变交流侧断路器后，才恢复了正常。

考虑到直流低电压保护仅在通信故障的情况下起作用，保护动作时直流电流实际已降低，是否投入旁通对对闭锁换流器并无影响，决定逆变侧直流低电压保护动作中取消投入旁通对的功能。

3.2 整流侧保护未检测到故障、逆变侧保护动作并投入旁通对的影响

假如在通信系统故障、逆变侧保护动作启动停运、同时整流侧保护未检测到故障的情况下，整流侧只能依靠后备保护动作来停运。由于后备保护的延时往往比较长，所以，如果此时逆变侧保护动作投入旁通对，将造成逆变侧直流短路并维持较长时间，甚至造成其他保护动作。

[2]所述的调试过程中，在单极金属回线方式下和通信故障的情况下，逆变侧线路故障后备保护动作后，投入了旁通对，接着又造成了逆变侧阀组差动保护动作，故障录波如图8所示。

由图8可得，逆变侧金属回线的相关保护动作后，由于投入了旁通对，不仅造成瞬间的过流，而且高压直流母线和中性母线通过旁通对始终导通；同时由于通信系统故障，逆变侧发出的闭锁命令无法送至整流侧，直流输电系统仍维持一定的电流，最终引起了逆变侧阀组差动保护动作。

4 结语

虽然直接受通信系统故障影响的直流保护功能并不多，但某些保护可能采用了对侧站的断路器、刀闸位置信号作为开放/闭锁判据，可能会造成这些保护无法可靠开放/闭锁，甚至导致保护的误动。对此，建议在设计直流保护功能逻辑时，应尽可能避免采用对侧设备信息作为开放/闭锁判据，以降低通信系统故障的不良影响。

通信系统故障将对直流输电系统的停运顺序造成一定的不良影响，此时往往需要后备保护动作来停运直流系统，这种情况下，应确保后备保护及其动作策略的及时、准确，防止直流系统长时间运行在不正常的状态下。

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