用于稳定控制的HVDC换相失败识别判据研究

刘东洋， 徐捷， 孙宁， 汪大洋， 熊峰

(1. 南瑞集团(国网电力科学研究院)有限公司，江苏 南京 211106；2. 国网江苏省电力有限公司信息通信分公司，江苏 南京 210024)

0 引言

高压直流(high voltage direct current，HVDC)换相失败会引起直流功率跌落，连续的换相失败存在引起直流闭锁的风险，对交流系统产生巨大的功率冲击[1—5]。根据Q/GDW 1404—2015《国家电网安全稳定计算技术规范》，特高压直流相继发生多次因换相失败引起功率波动，若即将导致系统安全稳定破坏，可以采取针对性的稳定控制措施。因此，必须对直流输电系统的换相失败状态作出及时准确的识别，并采取相应的控制措施。

稳定控制关心的是HVDC换相失败后带来的功率冲击，因此，稳定控制中把换相失败后带来的一次功率冲击算作一次换相失败，这与直流控保系统中的换相失败保护有所区别。目前，已有实际工程应用的直流配套稳控系统根据直流控保装置发送的HVDC换相失败信号，结合换流变电气量变化状态判断本站HVDC换相失败[6—8]。然而，当直流控保系统死机或者与稳控装置通信中断时，直流配套稳控系统将无法采取针对性的稳控措施。近年来，国内外直流稳控系统多次出现由于直流控保系统的缺陷而导致稳控系统拒动的情况。同时，根据Q/GDW 1404—2015《电网安全稳定自动装置技术规范》中的要求，为保证可信赖性，稳控装置应采用独立性强的设计方案，尽量减少安全稳定自动装置与保护装置间的依赖。因此，研究基于不依赖直流控保信号的HVDC换相失败稳控判据仍有工程现实意义，也是提高稳控系统可靠性的重要途径。文献[9—15]详细研究了换向失败的微观机理和判断标准；文献[16—18]介绍了特高压直流配套安全稳定控制系统的典型设计方案、故障判据以及与直流控保装置的通信方式；文献[19—21]介绍了应对多直流同时换相失败的安全稳定控制措施和紧急控制措施，但是未对HVDC换相失败故障的稳控识别判据进行具体研究。

文中介绍了基于直流控保信号的传统稳控装置所用换相失败识别判据及其存在的问题，研究了HVDC换相失败工况下的故障电流特征，利用稳控工程上可以直接采集到的换流变网侧电压电流、阀侧电流以及阀组的直流电流，从稳定控制的需求角度出发，在换相失败保护基本原理的基础上提出了适用于稳定控制的换相失败、连续换相失败、多直流同时换相失败实用判据，并通过了基于实际控保系统的宾金直流实时数字仿真系统(real time digital system，RTDS)硬件在环试验验证。

1 HVDC换相失败后的故障特征及换相失败识别原理

1.1 HVDC换相失败后的故障电流特征

换相失败是直流输电系统发生概率较高的异常运行状态之一。正常换相时，各晶闸管顺序导通，依次相隔60°，每个晶闸管导通120°，每个时刻上下桥臂各有一个晶闸管同时导通。阀组出口处的直流电流为阀侧交流电流的包络线。在换相失败时，该关断的阀组继续导通，本该导通的阀组未能顺利导通，按照原有的触发顺序会造成同一桥臂的2个阀同时导通，造成短时的直流侧短路和交流侧开路的形态，此时直流电流增大，阀侧交流电流减小。图1和图2分别为交流系统单相故障、换流阀触发脉冲丢失引发HVDC换相失败时的电流特征仿真波形。可以看出，HVDC换相失败时较为明显的故障特征是直流电流大于阀侧交流电流绝对值的最大值。

图1 交流系统单相故障引发换相失败时仿真波形Fig.1 Simulation waveform of commutation failures caused by AC system fault

图2 触发脉冲丢失引发换相失败时电流波形Fig.2 Simulation waveform of commutation failures caused by lossing pulse

1.2 直流控保系统的换相识别判据分析

目前直流控保系统所用换相失败判据采用的2种技术方案都是依据上述故障特征而设立，需要采集的电气量包括换流变阀侧Y、D绕组三相电流和换流阀高/低端出口电流，其中极Ⅰ测量点如图3所示。

图3 极I HVDC换相失败判据测点示意Fig.3 Schematic diagram of the measurement point of the pole I DC commutation failure criterion

方案一的换相失败保护对换流变压器Y绕组和D绕组分别进行判断，利用直流电流大于阀侧三相交流电流绝对值的最大值构成判据。其Y桥和D桥的换相失败判据如式(1)和式(2)所示[22—23]。

(1)

(2)

其中：

IDmax=max(IDCP,IDCN)

(3)

式中：IDCP，IDCN分别为极Ⅰ高端阀组高压侧与低压侧出口直流电流；IVD，IVY分别为Y、D桥三相交流电流幅值的最大值；I0为比率差动的最小动作电流，一般取0.133 p.u.；k1，k2为比例系数，一般k1取0.1，k2取0.65。

方案二通过Y桥差动、D桥差动和阀组差动共同实现逆变器换相失败的判别。其Y桥、D桥和阀组的动作判据如式(4)—式(6)所示。

max(IVY，IVD)-IVY>ISET

(4)

max(IVY，IVD)-IVD>ISET

(5)

max(IDCP，IDNP)-max(IVY，IVD)>ISET

(6)

式中：ISET为动作门槛值，一般取0.1 p.u.。

无论是方案一还是方案二，一旦满足其换相失败判据条件中某一桥判断条件时，说明该桥发生了换相失败。而当一个阀组的单桥发生换相失败时(另一桥未发生换相失败)，一般是由直流内部故障引起的，需要尽快闭锁换流器；当2个或多个六脉动桥相继发生换相失败时，一般是由交流系统故障引起的，保护逻辑和延时主要考虑交流系统最长故障清除时间以及直流自身设备的耐受能力。

实际工程运行经验表明，当直流控保系统死机或者与稳控装置通道异常时，稳控装置将无法动作。虽然以上判据能够准确判断换相失败的发生，但是其动作逻辑并未考虑交流系统对连续换相失败的承受能力，也不能给出电网安全稳定控制领域所关心的连续换相失败持续时间、时间间隔以及功率跌落次数等重要信息。而稳定控制所用故障识别判据还需要结合交流系统的承受能力以及换相失败次数等信息进一步完善，以保证电网的安全稳定运行。

2 不依赖控保信号的HVDC换相失败识别判据

为了避免直流配套稳控装置判别换相失败故障时对直流控保系统的依赖，稳定控制所用的换相失败判据必须基于电气量，在上述换相失败保护原理的基础上，结合交流系统的承受能力实现对HVDC换相失败以及连续换相失败的正确识别。稳控装置需要对极Ⅰ和极Ⅱ的高低端共4个阀组分别进行换相失败判断，可直接采集的信息包括每个阀组所用电气量和换流变网侧三相电压电流。

2.1 换相失败启动判据

稳控装置正常运行时需要自动判断换流器的运行状态，以确定系统的运行方式，可通过判断换流变网侧是否有电流和功率来自动识别换流器的投停状态。同时为了防止检修期间误判，可设置相应检修压板来闭锁，具体识别方法如下。

如果某极换流变检修压板投入，则确定换流变元件停运；如果某极换流变检修压板退出，则满足以下任一条件时确定换流变元件投运，否则确定换流变元件停运：

(1) 至少有两相电流有效值大于等于投运电流定值，且持续100 ms；

(2) 有功功率大于等于投运功率定值，且持续100 ms。

确定换流变为运行状态，就可以进行换相失败判断。启动判据设计应满足：在HVDC输电系统各种故障情况下能可靠地启动录波并进入故障判断状态，而在正常运行时又不会频繁启动。对于稳定控制而言，若HVDC换相失败后功率损失较小则无需采取控制措施，此时稳控装置不需要识别本次换相失败；若换相失败给交流系统带来的功率损失较大，则在换流变网侧会出现电流和功率突变。因此，换相失败的启动判据可设计为：

(1) 换流变网侧任意一相电流满足|it-it-T20|≥ΔISET，且持续5 ms，则满足电流突变量启动条件。其中，it为当前电流瞬时值；it-T20为一个工频周期前电流瞬时值；ΔISET为电流突变量门槛值。

(2) 换流变当前功率满足|Pt-Pt-T20|≥ΔPSET，且持续5 ms，则满足功率突变量启动。其中，Pt为当前有功功率；Pt-T20为一个工频周期前的有功功率；ΔPSET为功率突变量门槛值。

以上启动判据为“或”逻辑关系，满足其中任一判据都可使装置进入启动状态，启动周期为5 s。

2.2 换相失败识别判据

当装置采集的电气量满足投运和启动条件后，进入换相失败故障判断逻辑，首先对阀组的换相失败进行判断，如图4所示。当Y桥和D桥的动作方程至少有一个满足，且阀组事故前200 ms功率大于定值时，则判定该阀组发生换相失败，然后进入连续换相失败判断逻辑。

图4 阀组换相失败、连续换相失败判据框图Fig.4 Block diagram of commutation failures and continuous commutation failures criteria for valve terminal

稳定控制关心的是HVDC换相失败后带来的功率冲击，若换相失败之后交流电网的扰动源消失，则直流又能快速恢复正常换相，直流功率能在200 ms左右恢复90%；而如果交流电网发生的是单相永久短路故障，由于重合闸，逆变站交流母线将在较短的时间内发生2次电压跌落，导致直流系统出现稳定控制所述的“连续换相失败”。根据工程现场数据统计结果，换相失败结束后直流恢复到事前90%的功率需要120～300 ms[24]，因此，可设定时间周期T(不超过300 ms)，在T时间内只记作一次换相失败，相应连续换相失败计次原理为：假设0 时刻检测到换流阀换相失败，计数器计1；计数器记1 后T—2T期间，若检测到换相失败，计数器计2；计数器记2 后2T—3T期间，若检测到换相失败，计数器计3；以此类推。如果计数器的次数大于设定的允许换相失败次数门槛值，则稳控装置判断该阀组连续换相失败次数已达临界值。

计及一条直流的多个阀组之间的互相转带功能，在判断出某阀组换相失败后，稳控装置需判断该直流双极高低端共4个阀组中处于运行状态的是否均发生了换相失败，只有所有运行的阀组同时发生换相失败才是稳定控制所需要考虑的HVDC换相失败。同时，稳控装置还需要判断该直流事故前功率满足稳定控制的动作条件，满足动作条件则判定为该HVDC换相失败，并动作出口(查策略表采取相应的稳控措施)。

对于交流电网的稳定性而言，显然多个直流同时换相失败对其影响更大，而多直流落点的受端电网发生交流短路故障时往往会造成数条直流同时换相失败，此时执行策略要按照多直流同时换相失败来考虑，因此需要对多直流同时换相失败作出正确的判断。受直流控制系统参数、通信延时等影响，虽然各条直流的换相失败并不是严格的“同步”，但考虑到HVDC换相失败后的功率恢复需要120～300 ms，因此，若多个直流相继换相失败，但间隔较短时，也应当视作同时换相失败。多直流同时换相失败判据如图5所示，其中Thold为展宽时间，在判出第一条HVDC换相失败后，在之后Thold内判出其他HVDC换相失败，则认为多直流同时换相失败。

图5 多直流同时换相失败判断逻辑Fig.5 The judgment logic of multi-HVDC communication failure at the same time

3 判据的RTDS试验验证

为了验证换相失败识别判据的可靠性与准确性，将文中所提的HVDC换相失败判据在稳控装置中进行相应的软件设计，并针对性地在四川电科院开展了基于实际控保系统的宾金直流RTDS硬件在环试验验证(报告编号SEPR105-09-03-DM0001-2019)。

3.1 试验方案

在RTDS平台搭建的仿真试验模型包括交流等值系统、换流变压器、双12脉动阀组、交流滤波器、直流滤波器、平波电抗器、阻波器、中性母线电容器、直流线路、接地极等元件。试验中使用与实际工程一致的特高压直流控制保护系统设备，被测稳控装置接入逆变侧的换流变网侧电压电流、阀侧电流以及阀组的直流电流。RTDS仿真系统通过GTAO 接口卡经功率放大器向被测稳控装置提供上述电气量信号，稳控装置进行采样计算和逻辑判断之后通过GTDI板卡向RTDS反馈开关量信号，从而构成闭环测试系统。试验平台架构如图6所示。

图6 RTDS试验平台架构Fig.6 Architecture of RTDS test platform

3.2 试验项目及结果

试验模拟的宾金特高压直流输电系统电压等级±800 kV，额定传输容量8 000 MW。在特高压直流定功率、定电流运行方式下，模拟各种故障类型，包含逆变侧近区交流侧故障、逆变侧远端交流故障、逆变侧直流内部故障、直流线路故障、触发脉冲错误、整流侧直流内部故障、整流侧近区交流故障、整流侧远端交流故障及励磁空充。上述9项试验共计65次，在直流控保系统换相失败保护动作的同时，被测稳控判据不仅能正确识别直流系统的换相失败发生，还能根据定值判断连续换相失败的次数和持续时间。RTDS试验项目及试验结果如表1所示。

表1 RTDS试验项目及试验结果Table 1 RTDS test items and test results

在所提判据能够正确判别HVDC换相失败的基础上，进一步针对逆变侧交流相继故障和连续脉冲丢失故障进行连续换相失败计次逻辑的验证。RTDS试验结果证明，所提的判据在直流发生换相时能够准确动作，并且能够根据安全稳定控制的需求判断连续换相失败发生的次数和时间间隔。

图7为模拟交流系统连续3次单相接地故障的录波图，每次故障时间持续100 ms，间隔300 ms，引发直流连续发生3次换相失败。装置设定的允许换相失败次数定值n设置为3，展宽计数时间T设置为200 ms。图中，UA，UB，UC为换流变网侧母线三相电压；I_VY为极Ⅰ高端阀组Y桥三相交流电流绝对值的最大值；I_VD为极Ⅰ高端阀组D桥三相交流电流绝对值的最大值；I_Dmax为极Ⅰ高端阀组高压侧和低压侧直流电流中的最大值；CF为稳控装置给出的极Ⅰ高端阀组换相失败信号；CCF为稳控装置判出的高端阀组连续3(定值整定)次换相失败出口信号。可见，无论Y桥还是D桥，阀侧三相交流电流绝对值的最大值都小于直流电流。

图7 交流系统单相故障引发HVDC换相失败试验波形Fig.7 Test waveforms of commutation failurescaused by AC system fault

图8模拟极Ⅰ低端阀组Y桥第一个晶闸管的触发脉冲连续丢失300 ms，引发直流极Ⅰ低端阀组连续换相失败。装置设定的允许换相失败次数定值n为2，展宽计数时间T设置为200 ms。

图8 触发脉冲丢失故障引发HVDC换相失败试验波形Fig.8 Test waveforms of commutation failurescaused by impulses losing

图8中，I_VY为极Ⅰ低端阀组Y桥三相交流电流绝对值的最大值；I_VD为极Ⅰ低端阀组D桥三相交流电流绝对值的最大值；I_Dmax为极Ⅰ高端阀组高压侧和低压侧直流电流中的最大值；CF为稳控装置给出的低端阀组换相失败出口信号；CCF为稳控装置判出的低端阀组连续2次换相失败出口信号。

4 结语

换相失败作为HVDC最常见的故障之一，有必要利用稳控装置对其进行准确识别，而稳控装置的动作成败不能仅仅依赖于直流控保系统。文中在直流控保系统原有换相失败保护判据的基础上，提出适用于稳定控制的HVDC换相失败、连续换相失败及多直流同时换相失败实用判据。RTDS试验表明：所提的判据在直流发生换相时能够准确动作，并且能够根据安全稳定控制的需求判断连续换相失败发生的次数和时间间隔。

原有的换相失败保护动作逻辑没有考虑交流系统对连续换相失败的承受能力，也不能直接作为稳定控制的HVDC换相失败识别判据。当HVDC发生换相失败时，稳控装置需要结合换相失败持续时间、时间间隔以及功率跌落次数等信息，针对性地采取稳定控制措施。