云贵互联通道工程控制与保护的配合优化

张强，韩建伟，毛文俊，王云龙，孙豪，杨大生，潘明昊

（中国南方电网超高压输电公司昆明局，昆明 650217）

0 前言

云贵互联通道工程（也可称为±500 kV禄高肇三端直流输电工程），是国内首个将常规的两端高压直流改为三端直流的±500 kV直流输电工程[1-4]。云贵互联通道工程，新建一座±500 kV、3000 MW禄劝换流站，并对原有的高肇直流（高坡、肇庆换流站）进行改造，构成三端常规直流输电工程[5-9]。

直流系统的控制、保护系统[10-16]是±500 kV云贵互联通道工程的重要组成部分。控制与保护，两者的相互配合、相互作用，以确保直流输电工程的安全稳定运行。±500 kV禄劝换流站是云贵互联通道工程的首端换流站，其控制、保护系统在±500 kV禄高肇三端直流输电工程控制保护FPT过程中存在异常，本文针对异常进行深入的分析与研究，提出了优化的措施，对三端直流输电工程的安全运维有着重要意义。

1 直流控制方式

1.1 整流站控电流

正常运行时，直流系统的控制方式[17]是：整流站控电流，逆变站控电压。整流站的PI控制器逻辑如下图1所示。

整流站定电流运行，因此直流电流控制器为整流站的主要控制器，整流站直流电流的误差计算方法如下公式：

其中，ΔIdCont是直流电流的误差，Iref是直流电流的参考值，Idmeas是直流电流的实际值。

图1所示，直流电压的误差、直流电流的误差，两者作比较，将最小误差，送至PI控制器，产生相应的控制信号，然后经过线性化环节，将触发角数值送至触发单元，产生触发脉冲。

图1 整流模式单个PI控制器

当整流站的PI控制器由直流电流闭环控制器作用时，当直流电流实际值偏小，那么PI控制器将调整触发角由大变小，逐渐往5°移动，电流增大；当直流电流实际值偏大，PI控制器则调整触发角由小变大，逐渐往160°方向移动，电流降低。

1.2 逆变站控电压

直流电压控制中使用的直流电压实际值为换流器两端电压，具体计算公式为：

图2 逆变模式单个PI控制器

其中，Udmeas是直流电压的实际值，Udhmeas是直流电压高压侧电压实际值，Udnmeas是直流电压中性线电压实际值，ΔUdCont是直流电压的误差，Uref是直流电压的参考值，UMarg是直流电压的裕度。

直流电压控制的作用是控制整流站的直流电压为额定值500 kV，逆变站通过计算，可以得出用作控制变量的整流侧直流电压参考值。整个直流系统选择0.8 pu、0.7 pu降压运行，或由于直流线路故障重启引起0.8 pu、0.7 pu降压时，逆变站的参考值会降低，控制整流站的直流电压降低到0.8 pu或0.7 pu的电压水平。当整流站处于最小触发角5°控制时，逆变站的PI控制器由直流电压控制切换至直流电流控制，电流裕度补偿功能（CMC）会起作用，改变逆变站的电流参考值，使之与整流站的电流参考值相等。另外极控系统提供了电流误差控制（CEC）功能，可以使整个过程能够平滑的转变。通过CMC、CEC的功能，可以使逆变站的电压曲线、电流曲线之间有一段平滑的过渡，即便逆变站发生控制方式切换时，也可以使整个直流系统的运行稳定。

当逆变站发生故障、交流电压降低时，为使熄弧角不小于最小参考值17°，逆变站切换控制器方式，熄弧角控制器将起作用，可能会出现瞬时的换相失败，熄弧角控制器将触发角调节到参考值时，换相失败会消失。当交流电压增加时，逆变站的电压控制器，为维持整流站电压为参考值，将通过减少触发角，以及换流变的分接开关控制会调整熄弧角值[18]，维持原有的控制器，不发生控制器方式的切换。

2 直流系统极保护

2.1 极保护分区

直流系统的极保护系统主要完成换流器保护功能、直流极母线保护功能、中性母线保护功能、双极中性线以及接地极引线保护功能，保护区域共有4个区域，分别为：

1）换流器保护区域，保护范围是换流变阀侧套管至阀厅极线侧的直流穿墙套管之间的所有设备；

2）直流极母线保护区域，保护范围是阀厅高压直流穿墙套管至极性转换区域阀侧直流电流互感器之间的所有极设备和母线设备；

3）直流中性母线保护区域，保护范围是阀厅低压直流穿墙套管至双极中性线连接点之间的所有设备和母线设备；

4）双极中性线及接地极引线保护区域，保护范围是双极中性线连接点的电流互感器到接地极连接点。

2.2 59DC直流过压保护

59DC直流过压开路保护属于极保护的换流器保护区域，保护目的是检测不正常的直流过电压及开路故障，初步设计的保护定值如下表1所示，各个保护分段的动作后果都是ESOF和跳交流断路器。

表1 保护的定值

其中Ⅰ段是针对开路，时间定值跟Ⅲ段一致，但是定值电压比Ⅲ段小，Ⅲ段针对故障时候的突然过高的电压，避免设备损坏。Ⅱ段针对长期过压，定值时间比Ⅰ段和Ⅲ段长。

3 测量异常分析

3.1 直流电压测量异常现象说明

在禄高肇三端直流控制保护FPT试验中，初始状态为禄劝站送高坡站、肇庆站，双极大地回线方式，三站功率分别为3000 MW-300 MW-2700 MW，肇庆站极1极控主系统为A套。

设置肇庆站极1极控系统的直流电压UdL测量异常[19-21]为0.9倍，随后导致了禄劝站直流过压开路保护59DC-Ⅱ段跳闸，禄劝站极1极控系统的故障录波情况如图3所示。

图3 禄劝站极1极控系统的故障录波

3.2 异常原因分析

肇庆站的极1极控系统的UdL异常为0.9倍后，为维持禄劝站的电压维持在500 kV，则肇庆站的电压参考值变大，而系统中的电流、电阻可认为未变化，则禄劝站的电压增大。根据图1所示，禄劝站的UDL实际电压一旦超过515 kV后，由原本的控电流变为控电压，电压裕度切换为0.04，则禄劝站控制电压在520 kV，但由于59DC-Ⅱ段的保护定值为520 kV，延时为1000ms，达到了直流过压开路保护59DC-Ⅱ段的定值，保护正确启动ESOF，极1跳闸。

可以得出，禄劝站的电压裕度与保护定值的配合不恰当，则引起了异常动作。因此，可以考虑优化的措施是修改电压裕度数值，与保护定值相互配合且不影响。

4 优化措施

4.1 优化电压裕度数值

优化控制程序为：禄劝站UDL实际电压一旦超过515 kV后，电压裕度切换为0.03。

重新再进行肇庆站的极1极控系统的UdL异常为0.9倍的试验，禄劝站极1极控系统的故障录波情况如图4所示。图中可见，禄劝站UDL实际电压一旦超过515 kV后，由原本的控电流变为控电压，电压裕度切换为0.03，则将禄劝站UDL的电压控在515 kV，但是此时实际电压不断在515 kV附近变动。禄劝站的UDL超过515 kV时，控制方式为控电压，低于515 kV时，控制方式为控电流，因此导致控制方式不断在控电流、控电压之间来回切换。

图4 禄劝站极1极控系统的故障录波

直流系统的控制方式不断在控电流与控电压之间来回切换，不利于三端直流系统长期运行，单单依靠修改电压裕度为0.03，仍不能满足稳定运行。因此，仍需对电压越限数值进行优化。

4.2 优化电压越限数值

优化控制程序为：优化电压越限数值为510 kV，即禄劝站的UDL实际电压一旦超过510 kV后，电压裕度切换为0.03。

再次进行肇庆站的极1极控系统的UdL异常为0.9倍的试验，禄劝站极1极控系统的故障录波情况如图5所示。

图5 禄劝站极1极控系统的故障录波

禄劝站的UDL实际电压一旦超过510 kV后，由原本的控电流变为控电压，电压裕度切换为0.03，将禄劝站的UDL电压控制在515 kV，不会导致控制方式不断在控电流与控电压之间来回切换，稳定在控电压的方式，利于长期运行，也利于肇庆站有充足的时间来排查极1极控系统的UdL异常。

5 结束语

云贵互联通道工程的直流控制、保护系统在±500 kV禄高肇三端直流输电工程控制保护FPT试验中存在异常，本文针对异常情况进行了分析与研究，并且提出了优化的措施，优化了电压裕度数值与电压越限数值，不仅对±500 kV禄劝换流站、云贵互联通道工程的安全运行有着重要作用，同时也是其他多端直流输电工程、高压直流输电工程的控制与保护的相互配合有着启发与借鉴的作用。