关于陕武工程交流电压故障判别逻辑优化方案的研究

常聚忠，张正茂，管 鑫

（国网湖北直流公司，湖北 宜昌 443002）

0 引言

随着能源危机的日益严重和人们环保意识的增强，可再生能源的开发利用越来越受到重视，为实现2025 年我国非化石能源消费占比达到20%，风电、光伏等新能源发电将在“十三五”快速发展的基础上，于“十四五”期间迎来新的高峰，新能源快速蓬勃发展是国家政策推动下的时代使命。目前，绝大多数新能源发电通过交流联网，其传输系统结构简单、成本低，但是由于交流电缆充电电流的影响，限制了传输容量和传输距离，当传输容量较大、传输距离较远时，利用高压直流输电传输更有优势［1-7］。

高压直流输电跨区域以及多区域联网对于电压稳定性的要求很高。本文提出一种陕武工程交流电压故障判别逻辑优化方案，可以精准判别交流电压波动较大时闭锁直流系统，避免造成对跨区电网造成更大的影响。

1 逆变侧换流变PT 断线

2021 年8 月8 日，陕武直流在系统调试期间，运行工况为双极低端双阀组双极功率模式，双极功率400 MW，进行逆变侧PT 断线试验；18：12：15：103 时刻，极2 低端阀控B 系统为主系统，同时拉开逆变侧极2 阀控B 系统A、B、C 三相交流进线开关，阀控B 系统失去交流进线电压。阀控B 系统经过1.52 s 后换流器过流保护动作Z 闭锁产生执行闭锁阀组，极2 功率转带至极1，双极功率维持400 MW 运行。

1.1 电流迅速提升原因分析

极2 低端交流PT 断线及保护动作波形见图1 所示，因交流电压丢失，触发角不变的情况下直流电流迅速升高，换流器过流保护动作。

图1 极2 低端交流PT 断线及保护动作波形Fig.1 Pole 2 low-end AC PT disconnection and protection action waveform

直流电流迅速升高的原因为：阀控系统采集交流系统电压作为同步电压用于锁相并控制触发脉冲，同步电压丢失后保持丢失前的固定相位控制触发脉冲，此时若实际交流系统电压因系统扰动产生频率变化会引起相位偏移，导致控制锁相的固定相位与实际交流系统电压相位不一致，固定相位的触发脉冲对于不同步相位的交流系统来说是不正确的触发脉冲，因触发异常进而引起换相失败，使得换流器交流电流及直流电流迅速升高。

阀控系统配置有同步电压检测故障，即同步电压幅值低于0.15 p.u. 且持续2 s 则闭锁直流，晚于换流器过流保护动作。同步电压检测故障延时设置2 s 的原因是为了躲过交流系统瞬时故障并与重合交流开关时间匹配，即要大于重合交流开关时间。

1.2 换流器过流保护动作原因分析

换流器过流保护是测量换流器阀侧Y 绕组和D 绕组的电流，接地极线出线的直流电流，取其中的最大值与参考水平进行比较。换流器过流保护判据为：Max[IVY，IVD，IDNE]＞Iref，其中IVY和IVD为换流器阀侧Y绕组和D 绕组三相电流的整流值，IDNE是接地极线出线的直流电流，Iref为保护动作参考值。保护定值见表1所示，武汉站保护动作波形见图2 所示。

表1 换流器过流保护定值Tab.1 Inverter overcurrent protection setting

图2 武汉站保护动作波形Fig.2 Wuhan station protection action waveform

根据保护定值和现场波形分析，本次保护满足保护IV 段，3.5 p.u. 和2 ms。

换流器过流保护A、B、C 三套满足保护定值3.5 p.u.=17 500 A，A 套保护未满足保护动作延时1.875 ms，A 套保护不动作；B、C 套保护满足保护动作延时（2 ms）后发出闭锁信号，保护正确动作。

2 优化修改方案

换流器过流保护动作的过程是因为交流电压消失，电压消失之后，控制系统锁相输出的触发脉冲保持不变，但由于与实际交流电压相位不一致，造成实际触发角不确定，引起直流过流，换流器过流保护动作。阀控系统配置有三相交流电压故障判别逻辑，即交流电压幅值低于0.15 p.u. 且持续2 s 则闭锁直流。针对空气开关断开导致的交流电压故障，提出了取消阀控测量屏柜交流电压空气开关，并增加CVT 空气开关位置用于交流电压故障判别的优化措施，具体方案如下。

2.1 硬件修改

2.1.1 陕北站硬件修改方案

陕北换流站原方案换流变进线电压经过一个空气开关（-F711）进入阀组测量装置，以极1 高端阀组为例，详情见图3 所示。

图3 阀组的换流变进线电压Fig.3 Incoming line voltage of the commutation transformer of the valve group

将换流变进线电压的空气开关（-F711）删除。

陕北站换流变进线PT 小空气开关接点位置共3 个信号分别为“第二绕组空气开关跳开”、“第三绕组空气开关跳开”和“第四绕组空气开关跳开”。其中第二绕组为极1 高端换流变网侧PT 测量A 系统绕组，第三绕组为极1 高端换流变网侧PT 测量B 系统绕组，第四绕组为极1 高端换流变网侧PT 测量C 系统绕组。阀控A/B 系统需分别选用“第二绕组空气开关跳开”和“第三绕组空气开关跳开”信号作为判据。

2.1.2 武汉站硬件修改方案

武汉站由于500 kV 母线分为两段，按照分层接入的原则，阀组测量屏分别接入了本阀组（对应-X711 端子排）和对阀组（对应-X713 端子排）的换流变进线电压，见图4 和图5 所示。

图4 本阀组的换流变进线电压Fig.4 Incoming line voltage of the converter transformer of this valve group

图5 对阀组的换流变进线电压Fig.5 Incoming line voltage of the commutation transformer of the valve group

将换流变进线电压的空气开关（-F711、-F713）删除。

武汉站换流变进线电压CVT 端子箱内，需要将每个阀组测量屏对应的空气开关的辅助接点独立出来，单独上送对应Y/Y 换流变接口屏。由于换流变进线电压CVT 端子箱到Y/Y 换流变接口屏再增加长电缆比较困难，设计院意见是调整换流变进线电压CVT 端子箱内空气开关辅助接点的接法，4 个阀组的修改方案相同。如极1 高端换流变进线电压CVT 端子箱，上送极1 高端Y/Y 换流变接口屏（=S2+TFYI 11A/B），具体接线见表2 所示。

表2 极1 高端换流变进线电压CVT 端子箱接线表Tab.2 Pole 1 high-end converter transformer incoming line voltage CVT terminal box wiring table

2.2 软件修改

为防止阀控采集的交流电压对应的CVT 空气开关断开后换流器产生过电流，增加CVT 空气开关断开信号关联同步电压故障判别逻辑，由阀控系统同步电压故障及时闭锁直流。图6为优化后的同步电压故障逻辑图。

图6 优化后的同步电压故障逻辑图Fig.6 Optimized logic diagram of synchronous voltage failure

①CVT 空气开关断开且同步电压正常时，延时5 s 报轻微故障切换极控系统（新增）；

②CVT 空气开关闭合且同步电压故障时，延时2 s 报紧急故障切换极控系统（在原逻辑基础上关联CVT 空气开关闭合信号）；

③CVT 空气开关断开且同步电压故障时，延时20 ms 报紧急故障切换极控系统（新增）。

3 试验分析

为了验证陕武工程交流电压故障判别逻辑优化方案是否具备现场实施的条件及故障判别的准确性。必须在不同故障场景下验证故障判别逻辑是否能准确正常的动作。试验所采用的仿真平台为国网湖北直流公司搭建的陕武工程实时仿真系统，所搭建的实时仿真系统与现场设备运行状态保持一致。

3.1 逆变侧空气开关断开大于5 s 且交流电压正常验证

陕武工程是±800 kV 特高压直流工程，双极由正负电压的两个、共用接地极的单极组成，分为极1、极2，电压等级半压是指额定电压的一半，即±400 kV，保护控制主机为一主一备，值班主机为主用主机。试验1 是为了验证CVT 空气开关断开大于5 s 且交流电压正常时逻辑正确性，本试验状态如表3。

表3 试验1 状态表Tab.3 Test 1 status table

试验1 步骤如下：

①将系统启动至试验状态工况，并设置A 系统为主系统；②置位主系统CVT 空气开关断开；③观察系统是否产生切换，录波是否正确动作。

通过上述试验步骤，在仿真平台上做试验1，其中仿真平台站B 高端阀组为冗余系统配置，试验1 结果站2 波形见图7 所示。通过波形可以看出，试验1 结果符合预期结果，主系统检测到空气开关断开大于5 s 时，报轻微故障，进行系统切换，切换前后系统正常运行。

图7 试验1 结果波形图Fig.7 Test 1 result waveform

3.2 逆变侧空气开关闭合且交流电压故障100 ms 验证

试验2 是为了验证CVT 空气开关闭合且交流电压故障100 ms 时逻辑正确性，本试验状态如表4。

表4 试验2 状态表Tab.4 Test 2 status table

试验2步骤如下：

①将系统启动至试验状态工况，并设置A 系统为主系统；②置位主系统CVT 空气开关闭合；③模拟逆变侧极1低端阀组主系统三相交流电压PT 断线产生100 ms；④观察录波是否100 ms后正确动作。

通过上述试验步骤，在仿真平台上做试验2，其中仿真平台站B 高端阀组为冗余系统配置，试验2 结果站2 波形见图8 所示。通过波形可以看出，试验2 结果符合预期结果，主系统A 未产生紧急故障，交流三相故障100 ms 后直流系统恢复正常运行。

图8 试验2 结果波形图Fig.8 Test 2 result waveform

3.3 逆变侧双系统空气开关闭合且双系统交流电压故障200 ms 验证（大功率）

试验3 是为了验证双系统CVT 空气开关闭合且双系统交流电压故障时逻辑正确性，本试验状态见表5。

表5 试验3 状态表Tab.5 Test 3 status table

试验3 步骤如下：

①将系统启动至试验状态工况，设置B 系统为主系统；②置位双系统CVT 空气开关闭合；③模拟逆变侧极1 高端阀组双系统三相交流电压PT 断线产生200 ms；④观察录波是否120 ms 后正确动作。

通过上述试验步骤，在仿真平台上做试验3，其中仿真平台站B 高端阀组为冗余系统配置，试验3 结果站2 波形见图9 所示。通过波形可以看出，试验3 结果符合预期结果，主从系统同时收到空气开关闭合且交流电压故障信号120 ms 后，同时产生紧急故障，直流系统闭锁。

图9 试验3 结果波形图Fig.9 Test 3 result waveform

3.4 逆变侧双系统空气开关断开且双系统交流电压故障100 ms 验证（大功率）

试验4 是为了验证CVT 空气开关断开且交流电压故障时逻辑正确性，本试验状态见表6。

表6 试验4 状态表Tab.6 Test 4 status table

试验4 步骤为：①将系统启动至试验状态工况，设置A 系统为主系统；②置位双系统CVT 空气开关断开；③模拟逆变侧极1 高端阀组双系统三相交流电压PT 断线产生100 ms；④观察录波是否20 ms 后正确动作。

通过上述试验步骤，在仿真平台上做试验4，其中仿真平台站B 高端阀组为冗余系统配置，试验4 结果站2 波形见图10 所示。通过波形可以看出，试验4 结果符合预期结果，主从系统同时收到空气开关断开且交流电压故障信号20 ms 后，同时产生紧急故障，直流系统闭锁。

图10 试验4 结果波形图Fig.10 Test 4 result waveform

通过上述四个试验结果可以得出结论，陕武工程交流电压故障判别逻辑优化所涉及的软件修改功能正确，具备在现场实施的条件。

4 总结与展望

本文针对空气开关断开导致的交流电压故障，提出一种在硬件和软件方面都进行改进的优化方案，在硬件方面，阀组测量屏柜取消交流电压进线开关，阀控系统增加CVT 空气开关位置信号采集；在软件方面，阀控系统三相交流电压故障判别逻辑关联CVT 空气开关位置及交流场开关位置信号。通过试验结果可以得出优化后方案具备在现场实施的条件，且故障判别准确。