高压直流输电直流系统保护设备现场检验方法探索*

吴晋波，陈宏，熊尚峰，刘海峰，霍思敏

(1.国网湖南省电力公司电力科学研究院，长沙 410007； 2.湖南省湘电试验研究院有限公司，长沙 410004；3.国网湖南省电力公司，长沙 410007)

0 引 言

作为跨区域大范围资源配置的重要手段，(特)高压直流输电[1-3]已成为国家能源战略的重要组成部分。近10年来已有一大批(特)高压直流输电系统[4-8]相继建成投运，在保障能源供应、优化能源结构和转变能源发展方式方面发挥了重要作用。而随着特高压直流建设步伐的加速，其在国家经济、人民生活中影响将日益重大。直流系统控制保护[9-12]设备作为(特)高压直流输电系统的“大脑”，其性能直接决定(特)高压直流输电系统的性能。

现有的直流系统保护设备检验方法主要有以下几种方法：

(1)实验室检验[13-16]。在设备安装前，直流系统控制、保护设备与RTDS等电磁数模仿真系统连接，构成测试平台，利用仿真系统模拟一次设备及相关故障，开展设备性能检验工作。

(2)系统检验[17-20]。设备安装后直流系统调试阶段，直接在已送电的一次线路上设置短路，开展设备功能验证工作。

上述两类检验局限于直流系统正式投运前设备调试阶段。对于已投运的直流系统，上述两种检验方法均不适用：前者因设备不易拆卸运输无法实施，后者因危险系数较高且可能对电网造成不良影响无法定期开展。

由于缺乏简单便捷又有效可行的现场检验手段[21]，直流系统保护设备从投运至今通常未再检验，有的甚至已长达十年。保护设备长期得不到有效检验，设备板卡元件故障和程序缺陷得不到及时发现，将给直流控制保护系统、乃至整个(特)高压直流输电工程带来严重隐患[22-25]。

文章根据直流系统保护设备现场检验技术难题，提出了各采样通道外部加量方法和保护动作正确性判断方法，提出一套完整的直流系统保护设备现场检验方法，该方法不需拆卸保护设备，易于实施，也不会对电网造成不良影响，安全风险小，且检验仪器易获取，成本较低。应用所提方法在投运已超过十年的±500 kV江城直流鹅城换流站进行了试点应用，并获得成功，验证了所提方法可实现直流系统保护设备的现场定期检验。

1 现场检验原理

1.1 交流保护现场检验方法

目前国内针对已投运的交流系统保护设备的现场检验方法已较为成熟[26]。交流系统保护设备被检验的部分包括采样回路(不含测量元件本体)、保护动作判据逻辑和动作回路。保护动作判据逻辑可视为一组不等式，如式(1)所示。X1、X2、. . .Xn为被检保护设备一次采样值。

(1)

当全部或部分不等式f、g成立时，被检保护设备通过动作回路发出信号，动作于告警或跳闸。

由于受仪器、设备、安全等因素制约，交流保护现场检验通常不会选择直接在一次设备上施加激励量，而是在TV、TA二次侧施加激励量，如式(2)所示。x1、x2、. . .xn为激励量，k1、k2、. . .kn为各采样通道的变比值。

(2)

综合式(1)、式(2)可得式(3)：

(3)

交流保护现场检验方法是在一次设备停电检修期间，由现场外部施加激励量，模拟交流系统故障或异常，通过具体保护动作行为，检验保护设备采样回路、保护动作判据逻辑以及动作回路的正确性。采用这种方法，既无需拆卸运输保护设备，也不会对电网造成不良影响。

1.2 直流保护现场检验技术难题

除保护动作行为需通过控制设备实现外，直流系统保护设备工作原理与交流系统保护设备，特别是智能变电站交流保护几乎一致。因此，从原理上，在一次系统停电检修期间，直流系统保护设备若能采用类似交流保护现场检验方法，即可开展现场定期检验，而且也无需考虑一次设备投退、与控制设备的协调、隔离等问题。

但实现直流系统保护设备现场定期检验，需要解决一系列技术难题，可归纳为以下两个方面：

(1)外部施加激励量如何实现。与交流系统不同，直流系统保护设备所使用的电流状态量大多通过光电式电流互感器或零磁通电流互感器采集。上述测量设备提供给保护设备的采样值并非电流二次模拟量。特别是光电式电流互感器[27]，直接将电流采样值转换为光数字信号提供给保护设备，而且光数字协议多为私有协议，技术保密。部分私有协议的光数字信号甚至直接接入保护设备。缺乏外部施加二次模拟量作为激励量有效方法是阻碍直流系统保护设备现场检验的主要难题;

(2)保护动作正确性如何判断。与交流系统不同，直流系统保护设备与控制设备构成一套整体系统，而非一系列单体设备。对其中某一个保护开展检验时，无法有效隔离其他保护，检验过程中必将受到其他保护信号影响，若按交流保护现场检验方法，通过具体保护动作行为如告警、控制系统切换、换流阀移相/闭锁、极隔离、交流断路器跳闸，判断保护动作正确性是不可能的。此外，与交流保护不同，直流保护动作行为是通过直流控制设备实现的，在一次设备停电检修期间，基于安全考虑，直流控制系统将保持换流阀闭锁、极隔离等指令，此时即便收到被检直流保护的动作信号，也不会执行相关动作行为；而直流控制与保护设备通过光纤数字LAN网通信，直流保护动作信号不易观测。如何有效地判断直流保护保护动作正确性也是亟待解决的问题。

2 外部施加激励量实现方法

根据测量设备不同，保护设备外部采样通道可分为光电式电流互感器通道、零磁通电流互感器通道、直流分压器通道、以及交流电流/电压互感器通道。针对不同的采样通道，提出了不同的外部加量方法。

2.1 光电式电流互感器通道加量方法

(特)高压直流系统中光电式电流互感器一般用于测量直流线路电流、阀组高压进线电流、以及直流、交流滤波器高端电流和电容器组间不平衡电流等。目前常用的光电式电流互感器采样通道由本体和光数字转换器共同构成。本体位于被测量的高压一次设备上，由负责测量的罗氏线圈、直流分压器和负责光电转换的光电模块组成的。无论是罗戈夫斯基线圈或直流分流器，其特性均是输出电压与所测量的一次电流成正比，如式(4)所示:

IOCT=kOCTuOCT

(4)

式中IOCT为光电式电流互感器所测量的一次电流值，uOCT为罗戈夫斯基线圈或直流分流器输出的二次电压值，kOCT为一次电流测量值与二次电压采样值的比例，可视为光电式电流互感器的变比，与常规交流TA不同，kOCT单位为kA/mV。

光电模块将uOCT转换为光数字信号，传输给光数字转换器。

光数字转换器，位于控制保护室内，部分型号甚至直接布置在保护设备内部，用于接收、解析来自本体的光数字信号，一般视为保护设备的一部分。

光电模块与光数字转换器中，用于传输采样数据的光电转换协议一般为私有协议，技术保密，不对外开放，且不同厂家型号的光电式电流互感器的光电转换协议也不一致。这是光电式电流互感器通道现场加量主要的难题。

图1 所提光电式电流互感器通道加量方法接线示意图

所提现场检验方法包含一种不需解析光电转换协议的光电式电流互感器通道加量方法，如图1所示：由一个可调直流电压源和一个光电模块模拟光电式电流互感器本体，并与保护设备中光数字转换器联接；可调直流电压源用于模拟光电式电流互感器本体中测量部分；光电模块与其模拟的光电式电流互感器本体中光电模块同厂家同型号，利用其带光电转换协议，将可调直流电压源输出的模拟量转换为光数字信号，传输给保护设备中的光数字转换器；通过调节直流电压源的输出，实现外部施加激励量。

2.2 零磁通电流互感器通道加量方法

(特)高压直流系统中零磁通电流互感器一般用于测量中性母线电流、阀组低压出线电流、接地极线路电流以及临时接地极电流等。目前常用的零磁通电流互感器采样通道由本体、电子模块和模数转换模块共同构成。本体位于被测量的高压一次设备上，由5组二次绕组构成。位于控制保护室内的电子模块与二次绕组连接构成零磁通电流互感器测量回路，其功能是将一次测量值转换为二次采样值，如式(5)所示:

ICCT=kCCTuCCT

(5)

式中ICCT为零磁通电流互感器所测量的一次电流值，uCCT为电子模块输出的二次电压值，kCCT为一次电流测量值与二次电压采样值的比例，可视为零磁通电流互感器的变比，与常规交流TA不同，kOCT单位为kA/V。

模数转换模块布置在保护设备内部，用于接收、转换来自电子模块的电压模拟量信号，为保护设备的一部分。

图2 所提零磁通电流互感器通道加量方法接线示意图

所提现场检验方法包含一种零磁通电流互感器通道加量方法，如图2所示：由一个可调直流电压源模拟零磁通电流互感器测量回路，并与保护设备中模数转换模块联接；通过调节直流电压源的输出，实现外部施加激励量。

2.3 其他采样通道加量方法

其他采样通道包括直流分压器通道、交流电流互感器通道、交流电压互感器通道等。上述采样通道与交流系统保护设备采样通道构成原理基本相同。其外部加量方法可以直接采用交流系统保护设备加量方法，即由被测电气量对应的电压或电流源作为激励源，模拟测量设备输出。

上述所提出的光电式电流互感器通道、零磁通电流互感器通道、以及其他采样通道的加量方法均无需拆卸一次和保护设备，可在控制保护室内完成，无需施加大电流或高电压信号，安全风险小，无需解析光电协议和TDM协议，现场易实现。

3 保护动作正确性判断方法

3.1 控制、保护设备配置方法

不同于交流保护，直流保护动作行为是由直流控制设备实现的。与新投系统不同，对于已投运的直流系统，其控制设备及相关回路已经过长期运行，包括控制系统切换、换流阀移相/闭锁、极隔离、交流断路器跳闸的控制/保护动作回路正确性已被反复检验。因此，具体的直流保护动作行为既不需在直流保护现场检验中检验，且实际现场试验环境下，也无法开展检验。故，所提出的直流保护现场检验方法不需涉及直流保护跳闸矩阵出口以及相关控制系统配合、设置问题，仅检验被测保护设备采样精度和逻辑正确性，只需对与被测保护设备相关的开关、刀闸位置进行软件置数，通过工程师工作站即可实现。

3.2 保护动作正确性判断方法

按第2节所提加量方法，对被测保护设备涉及的各采样通道同时施加激励量，模拟直流系统测试运行工况。依次逐步改变各通道的采样量，模拟故障工况，观测保护动作信号。按所检验保护逻辑，根据保护动作时刻所模拟的工况，计算相应的保护动作实测值。通过比对保护动作实测值与保护动作定值，判断保护动作的正确性。

所提方法对各采样通道加量的同步性要求不高：在到达模拟测试运行工况过程中，由于各通道加量不同步导致的保护动作信号，在到达模拟测试运行工况后，均会自动复归或可手动复归；模拟故障工况时，每次只改变一个采样通道的加量值，其余通道加量值不变。

3.3 信号观测方法

所提出方法将直流系统保护设备所在换流站的监控系统作为现场检验的信号观测装置。检验过程中，通过监控系统实时查看相关直流保护动作信号情况，将监控系统信号作为判断保护动作正确性的依据。采用此方法无需拆装直流系统二次系统通信线路，也不需专用数字信号采集观测装置。更为重要的是换流站监控系统采集信号全面，分类清晰，可通过筛选，剔除其他保护动作信号的干扰，易于观测判断，且所显示保护动作信号自带时标，便于对动作时序及时间的计算检验。

4 现场检验方法

4.1 现场检验方法

结合所提出的外部加量和保护动作正确性判断方法，提出一种直流系统保护设备现场检验方法：

(1)根据采样通道类型，按所提外部加量方法，完成被测直流保护涉及的各采样通道现场检验接线，如图3所示；

(2)通过图3中各可调直流电压、交流源分别向被测保护设备各采样通道施加激励量；

(3)通过所在换流站监控系统查看被检保护设备响应情况，完成对被测保护设备的现场检验。

图3 所提现场检验方法接线示意图

4.2 检验项目及流程

现场检验开展的项目包括采样通道精度检验、保护动作值检验、保护动作时序与时间检验等。其中采样通道精度检验可参照交流系统保护设备现场检验流程开展，即通过改变外部施加的激励量，直接在换流站监控系统查看保护设备采样值，计算采样精度是否满足要求。

4.3 保护动作值检验流程

直流系统保护设备保护动作值(包括告警、跳闸动作值)检验，参照交流保护现场检验流程，采用以下流程开展：

(1)模拟一次系统指定工况对各个采样通道同时施加初始激励量，遍历选定一个采样通道作为当前检验通道；

(2)复归保护信号后，逐步改变当前检验通道的采样量直至被检直流保护动作，记录此时与各个通道的一次采样值，根据被检的保护判据计算当前检验通道的保护告警动作值；

(3)判断是否所有与被检的保护判据相关的采样通道已经遍历完毕，如果尚未遍历完毕则遍历选定下一个与被检的保护判据相关的采样通道作为当前检验通道，重复检验流程(2)；

(4)检验所有保护动作值是否与被检保护动作定值一致(偏差是否在允许范围内)；

(5)选择多个测试工况，重复检验流程(2)；

(6)根据检验结果判断保护动作值检验是否通过，动作定值偏差是否满足要求。

4.4 保护动作时序与时间检验流程

直流系统保护设备保护动作时间无法直接计算，采用以下流程开展保护动作时序与时间检验：

(1)通过外部加量的方法模拟直流系统测试运行工况；

(2)复归保护信号后，瞬间改变大幅度其中一个激励量，记录被测设备发出告警、切换系统、闭锁等保护动作信号的时间，检验切换系统、闭锁、告警信号三者时间差是否与设定时间值一致(偏差是否在允许范围内)；

(3)选择多个测试工况，重复检验流程(2)；

(4)根据检验结果推算保护动作时序是否正确，保护动作时间值是否满足要求。

5 专用检验装置

为进一步提高现场检验效率，研制了高压直流输电系统保护设备专用现场检验装置—— DCPTE -001直流保护测试仪，见图4，其具备光电式电流互感器、零磁通电流互感器加量能力，适用于开展所提方法中涉及的各项现场检验项目包括采样通道精度检验、保护动作值检验、保护动作时序与时间检验等。

图4 DCPTE-001直流保护测试仪

该设备具有两路独立的输出通道，可同时实现对高压直流输电系统保护设备现场两路不同的光电式互感器或零磁通互感器采样通道现场加量。该设备输出量程可调整，光电模块易更换，可适用于不同类型的光电式互感器或零磁通互感器。

6 现场应用

2016年4月±500 kV江城直流鹅城换流站开展年度停电检修。±500 kV江城直流系统自2004年投运以来距今已超过十年，其控制保护系统为ABB公司MACH2系统。按所提方法与装置对鹅城换流站极ⅡA套控制保护系统阀直流差动保护开展现场检验。

阀直流差动保护判据分为告警、闭锁两种，其中告警判据为：VDCDP_DIFF > 90 A，延时4 s告警(VDCDP _ALARM)；闭锁判据为VDCDP_DIFF -0.2×IDNC> 150 A，则延时40 ms切换系统(VDCDP_SS)，再延时50 ms闭锁直流(VDCDP_TRIP)。其中VDCDP_DIFF=IDP-IDNC，IDP为阀厅高压进线电流，采样值来自阀厅高压侧极母线进线光电式电流互感器P2. U. T1(ABB DOCT4000型)，IDNC为阀厅低压出线电流，采样值来自阀厅中性母线进线零磁通电流互感器P2. U. T11(ABB DCCT3000型)。

鹅城换流站额定直流电流为3 000 A，P1. U. T1光电式电流互感器变比为3 kA/20 mV。P1. U. T11零磁通电流互感器变比为3 kA/1. 66 V。

由两台输出精度达0.05%的高精度直流电压源和借用的站内光电模块(ABB DOCT 4000型)备品，按所提方法完成试验接线，构成检验回路，开展采样通道精度检验、保护动作值检验、保护动作时序与时间检验等项目的检验工作。

6.1 采样通道精度检验

分别从P2. U. T1、P2. U. T11两个采样通道施加不同的激励量，记录下鹅城换流站站监控系统显示值，计算误差，结果如表1、表2所示。

表1 P2. U. T1精度检验数据

表2 P2. U. T11精度检验数据

P2. U. T1采样精度要求：误差≤0. 5%。P2. U. T11采样精度要求：I≤120%，误差≤0. 2%；120%

6.2 保护动作值检验

选择两个测试工况分别为额定功率即3 000 A和0. 25倍额定功率即747 A。对P2. U. T1、P2. U. T11采样通道同时施加激励量，模拟测试工况。

达到测试工况、确定被测保护未动作后，逐步增大或减小P1. U. T11采样通道的激励量，直到极ⅡA套阀直流差动保护告警动作，记录下该点激励量，计算保护动作值偏差量；继续增大或减小P1. U. T11的激励量，直到极ⅡA套阀直流差动保护闭锁动作，记录下该点激励量，计算保护动作值偏差量。保护告警、闭锁动作定值检验结果如表3、表4所示。

表3 保护告警动作值检验数据

表4 保护闭锁动作值检验数据

保护动作值偏差要求：偏差量≤10%保护动作定值。根据判据设置，保护告警动作定值为90 A，保护闭锁动作定值为150 A。由表3、表4可知被测保护告警、闭锁动作定值偏差满足要求。

6.3 保护动作时序与时间检验

选择两个测试工况分别为额定功率即3 000 A和0. 25倍额定功率即747A。对P2. U. T1、P2. U. T11采样通道同时施加激励量，模拟测试工况。

表5 保护动作时间检验数据

达到测试工况、确定被测保护未动作后，瞬间改变P1. U. T11的激励量，确定被测保护告警、闭锁均动作，记录下被测保护告警、切换系统、闭锁等动作信号的时间，计算三者时间差。保护动作时序与时间检验结果如表5所示。

保护动作时序与时间要求：保护动作时序正确，保护动作时间偏差量≤20 ms。根据判据设置，告警动作时间为4 s，切换系统动作时间为30 ms，闭锁直流动作时间为90 ms。切换系统与闭锁信号的时间差定值为50 ms，切换系统与告警信号时间差定值为3 910 ms。由表5可知被测保护动作时序与时间满足要求。

通过上述现场检验项目，有效地验证了被测直流系统保护设备功能正常、性能满足要求。

7 结束语

文中针对直流系统保护设备投运后定期检验无法开展的问题，开展了直流系统保护设备现场检验方法的探索，结论如下：

(1)所提方法包含了光电式电流互感器通道、零磁通电流互感器通道、以及其他采样通道的加量方法，均无需拆卸一次和保护设备，可在控制保护室内完成，无需施加大电流或高电压信号，安全风险小，无需解析光电协议和TDM协议，现场易实现；

(2)所提方法仅检验被测保护设备采样精度和逻辑正确性，不需涉及直流保护跳闸矩阵出口以及相关控制系统配合、设置问题，只需对与被测保护设备相关的开关、刀闸位置进行软件置数；

(3)所提方法给出判断保护动作正确性的方法，对各采样通道加量的同步性要求不高；同时，将所在换流站的监控系统作为现场检验的信号观测装置，无需拆装直流系统二次系统通信线路，也不需专用数字信号采集观测装置；

(4)所提方法给出了直流系统保护设备现场检验方法、项目与流程，并研制了具备光电式电流互感器、零磁通电流互感器加量能力的专用现场检验装置——DCPTE-001直流保护测试仪；

(5)通过在投运已超过十年的±500 kV江城直流鹅城换流站的试点应用，证明了所提方法可行。