特高压直流换流站中性母线开关失灵逻辑分析与优化

江金成 王 鸿

特高压直流换流站中性母线开关失灵逻辑分析与优化

江金成 王 鸿

（国网新疆超高压分公司，乌鲁木齐 830000）

中性母线开关失灵（NBSF）逻辑是特高压直流输电工程控制保护系统的典型设计，主要是考虑直流输电工程在双极运行过程中，若其中一个极故障，保护动作执行极隔离时，故障极中性母线开关拉不开且动作于重合，无法隔离故障点，通过借助站内接地开关（NBGS）转移电流，然后拉开故障极中性母线开关、中性线隔离开关，对故障点进行隔离。本文详细介绍NBSF的具体逻辑，结合仿真对该逻辑在逆变侧单极故障时可能引起双极闭锁的重大隐患进行深入分析，提出优化改进方案，并对优化后的方案进行仿真分析，以期对在运工程中该逻辑的改进及今后的工程设计提供参考。

中性母线开关失灵（NBSF）；特高压（UHV）；极隔离；重合；双极闭锁

0 引言

中性母线开关失灵（neutral bus switch failure, NBSF）逻辑是特高压直流输电工程中的典型设 计[1-2]，考虑的是特高压直流输电工程双极运行过程中，一极发生故障时，在隔离故障的同时发生中性母线开关失灵的工况[3-7]。该逻辑的执行与发生故障的区域及故障类型[8-14]、电流回路直阻、控制保护策略[11-14]、开关特性[6-7]、闭锁时序息息相关。在控制保护系统的工程应用中发现，当逆变站一极故障且NBSF动作后有可能导致闭锁健全极，从而导致双极闭锁的严重后果。本文结合仿真对上述问题进行深入分析，提出优化改进方案，并对优化后的方案进行验证，为在运工程中该逻辑的改进及今后工程设计提供参考。

1 NBSF逻辑简介

在特高压换流站控制保护逻辑中，NBSF逻辑是设计在控制主机里的保护逻辑。该逻辑考虑的是在极隔离过程中中性母线开关（neutral bus switch, NBS）拉不开，中性母线开关保护（neutral bus switch protection, NBSP）动作于重合，然后执行NBSF逻辑[3-7]。具体是：当有拉开NBS指令时，若NBSP动作于重合，NBSF立即合上站内中性母线接地开关（neutral bus grounding switch, NBGS），NBGS合闸到位后发出分中性线隔离开关Q11、Q13或Q12、Q14刀开关及延时分NBS指令，当Q11、Q13或Q12、Q14分闸到位后拉开NBGS。NBSF逻辑示意图及主接线示意图分别如图1和图2所示。

图1 NBSF逻辑示意图

图2 主接线示意图

2 NBSF逻辑作用

特高压换流站极区保护配置了极母线差动、极中性线差动、阀组连接线差动、极差动等用于检测极区接地故障的保护，上述保护动作后执行Z闭锁、极隔离、跳开并锁定换流器交流进线开关等动作策略。在特高压的闭锁时序里，Z闭锁时序如下：

1）若故障发生在整流侧，整流侧立即跳交流进线开关，投入旁通对，合旁通开关（bypass switch, BPS），BPS合上后闭锁换流阀；收到对站动作信号以后，逆变侧执行alpha90，投入旁通对，合BPS，BPS合上以后闭锁换流阀。

2）若故障发生在逆变侧，逆变侧立即跳交流进线开关，投入旁通对，合BPS，BPS合上后闭锁换流阀；整流侧收到对站的保护动作信号以后，整流侧立即移相，60ms后执行Y闭锁（Y-BLOCK），当满足低电流（I_LOW）条件时，20ms后闭锁；当不满足低电流条件时，20ms后投入旁通对，合BPS，BPS合上后闭锁换流阀。极隔离操作涉及NBS、极母线刀开关（P1.WP.Q17、P2.WP.Q17）、中性线刀开关（P1.WN.Q11、P1.WN.Q13、P2.WN.Q12、P2.WN.Q14），动作时序如下：①当极母线电流小于set时，极隔离时序为拉开极母线刀开关→拉开中性母线开关→拉开中性线刀开关；②当极母线电流大于set时，极隔离时序为拉开中性线开关→拉开极母线刀开关→拉开中性线刀开关。

结合上述保护动作策略分析NBSF逻辑的作用，主要在五类故障中起作用，即极中性母线金属性接地故障K1（NBS靠近阀侧）、换流器阀区金属性接地故障K2、阀组连接线金属性接地故障K3、极母线金属性接地故障K4、极中性母线金属性接地故障K5（NBS与DNE测点之间）。NBSF逻辑保护范围示意图如图3所示。

双极大功率运行情况下，当上述故障点发生金属性接地故障后，由于故障点接地电阻小，接地电阻为数百毫欧，而接地极电阻通常在1W左右，所以故障极NBS支路会有大电流流过，若流过NBS的电流大于NBS的开断能力，则在极隔离的过程中NBS保护动作于重合，触发NBSF，合上站内NBGS，由于NBGS接地电阻很小，通常为数十毫欧，正常极电流绝大部分经过NBGS流入大地，流过NBS支路的电流基本为零，此时拉开中性母线刀开关和中性母线开关，完成极隔离，故障点被隔离后拉开NBGS，正常极电流全部转移至接地极支路稳定运行。以整流侧极中性母线金属性接地故障（NBS靠近阀侧）为例说明NBSF动作前后电流流向、电流转移及电流大小变化情况。

图3 NBSF逻辑保护范围示意图

整流侧极中性母线金属性接地故障示意图如图4所示，以整流侧极1故障为例，极1中性母线金属性接地故障点在NBS靠近阀侧。假设运行方式为双极四阀组大地回线不平衡运行方式，输送功率水平高。当整流侧极1中性母线发生接地故障时，极1中性母线差动保护动作，整流侧极1执行Z闭锁，逆变侧极1执行Y闭锁，极1闭锁后，极2的电流有三条通路。整流侧极1中性母线金属性接地故障电流回路示意图如图5所示。

图4 整流侧极中性母线金属性接地故障示意图

图5 整流侧极1中性母线金属性接地故障电流回路示意图

支路1（图5中红色实线所示）：电流经整流侧极1中性母线接地点、逆变侧接地极、极2直流线路返回。

支路2（图5中紫色虚线所示）：电流经整流侧接地极、逆变侧接地极、极2直流线路返回。

支路3（图5中粉色点划线所示）：电流经整流侧极1高、低端换流器旁通开关、极1直流线路、极2直流线路返回。

三条支路的分流与回路电阻关系紧密，当极1中性线发生金属性接地故障时，极1闭锁后极2电流绝大部分流经支路1，若极2输送功率大，则流过极1 NBS的电流大，极1中性母线差动保护动作后要执行极隔离，若流过NBS的电流大于NBS的开断能力，则在极隔离的过程中NBS保护动作于重合，触发NBSF，合上站内NBGS，由于NBGS接地电阻很小，极2电流绝大部分经过NBGS流入大地，原支路1流过的电流基本为零，此时拉开中性母线刀开关和中性母线开关，完成极隔离，故障点被隔离后拉开NBGS，极2电流全部转移至支路2，极2变为单极大地回线稳定运行。

3 NBSF逻辑隐患仿真分析

以±800kV青豫直流工程控制保护软件为基础，以逆变侧极2极母线发生金属性接地故障为例，开展NBSF逻辑仿真分析。

3.1 试验条件及结果

将青豫直流启至功率正送双极半压大地回线3 380MW运行工况，在实时数字仿真（real time digital simulation, RTDS）系统中，模拟逆变侧极2极母线1s接地故障，接地电阻0.1W，观察实验现象并做事件记录见表1，故障波形分别如图6～图10所示。

表1 逆变侧极2极母线金属性接地故障事件记录

（续表1）

图6 逆变侧极2极母线接地故障时逆变侧P2PCP主机波形

图7 逆变侧极2极母线接地故障时逆变侧P1PCP主机波形1

图8 逆变侧极2极母线接地故障时逆变侧P1PCP主机波形2

图9 逆变侧极2极母线接地故障时整流侧P1PCP主机波形1

图10 逆变侧极2极母线接地故障时整流侧P1PCP主机波形2

3.2 波形分析

故障时电流回路示意图如图11所示。

当逆变侧极2极母线发生金属性接地故障时，逆变侧极2极母线电压DL跌落至零，故障电流经接地极和故障点形成两条支路，DL正向增大，DEL反向增大，DNC、DNE减小，如图6所示。逆变侧极2闭锁后，逆变侧极1电流经接地极和故障点也形成两条支路，如图7所示，流过逆变侧极母线的电流DL逐渐减小至零，逆变侧DNC、DNE电流逐渐增大。

故障发生后，逆变侧极母线差动保护出现差流，并很快超过极母线差动Ⅱ段制动值，延时6ms保护动作，逆变侧极2执行Z闭锁。

逆变侧极2闭锁后，由于两极都是双极功率控制，极2功率正常转带至极1，整流侧、逆变侧极1进入3s过负荷，如图7和图9所示，整流侧控制电流，电流限制器动作，将电流指令限制到3s过负荷电流值1.36p.u.（6 810A），之后两站进入2h过负荷，电流指令被限制到1.237p.u.（6 185A）。由图7可知，故障后逆变侧极1电流经接地极和故障点也形成两条支路，进入2h过负荷后，两条支路电流之和为2h过负荷电流，电流比约为18:1，经接地故障点、逆变侧极2中性母线支路流过的电流占绝大部分，约为5 862A。

流经逆变侧极2的大电流直接导致逆变侧极2在执行极母差保护动作策略极隔离时，拉不开NBS，NBSP动作于重合，同时触发NBSF，合上NBGS。当逆变侧NBGS合上后，由于逆变侧NBGS接地电阻很小，2h过负荷电流几乎全部转移至NBGS支路，如图8和图10所示。由于流过NBGS支路的电流超过NBGS允许开断值，在后续NBSF逻辑执行中不满足NBGS拉开允许条件，未发出NBGS拉开指令，导致电流和时间满足站接地过电流保护、后备接地极过电流保护动作条件，保护动作闭锁极1，造成单极故障引起双极闭锁。

图11 逆变侧极2极母线发生金属性接地故障示意图

3.3 NBSF逻辑隐患

由图8和图10可知，当逆变侧NBSF动作合上NBGS后，逆变侧极1PCP电流限制器动作，将电流限到额定值1.0p.u.（5 000A）。极控制主机电流限制器逻辑如图12所示。

图12 极控制主机电流限制器逻辑

由于整流侧收不到逆变侧站内接地极的状态及逆变侧PCP电流限制器的限制值，且在大地回线正常方式，所以整流侧极1PCP仍然将电流限制在2h过负荷电流1.237p.u.（6185A）。由于直流输电工程采用电流裕度控制法，逆变侧电流控制器电流指令比整流侧低0.1p.u.，根据两站电流控制器、电压控制器的限幅逻辑，实际运行中整流侧控制直流电流，逆变侧控制直流电压。两站运行方式不一致，电流限制器最终的值也不一致，而在功率正送时，只有整流侧的电流控制器有效，使电流最终被限制在2h过负荷电流值，导致NBSF逻辑未执行完，NBGS未拉开，最终导致保护动作闭锁极1，直流双极闭锁。

同时，通过上述分析还可知，上述情况只在逆变侧发生故障时才会出现，整流侧发生故障触发NBSF合上NBGS后，由于整流侧电流控制器有效，电流会被正常限制在1.0p.u.。

4 改进建议

通过上述分析可知，当逆变侧一个极发生故障触发NBSF逻辑后，导致健全极也闭锁的原因是逆变侧NBSF动作后，整流侧收不到逆变侧站内接地极的状态及逆变侧PCP电流限制器的限制值，因此可采用以下改进方法。

1）将逆变侧站内接地极状态送至整流侧

在电流限制逻辑中增加通过站间通信相互交互的站内接地极状态，电流限制器逻辑修改示意图如图13所示。

通过修改极控制主机PCP程序，实现在电流限制逻辑中增加通过站间通信相互交互的站内接地极状态，当逆变侧站内接地极连接后，通过站间通信送至整流侧，由于整流侧控制电流，电流限制逻辑会将电流限制到1.0p.u.，逆变侧电流降至额定值，NBSF逻辑可以正常拉开站内NBGS，不会导致站内接地极过电流保护及后备接地极过电流保护动作，从而保障正常极的正常运行。

2）逆变侧过负荷期间站内接地极连接后降功率

NBSF动作时降功率逻辑示意图如图14所示。通过修改极控制主机PCP程序，当逆变侧站内接地极在运行状态时，若一极检测到另一极NBSF动作，且电流大于额定值，则延时发降功率指令，将电流降至额定值。此时电流在NBGS开断允许范围内，在中性母线开关及刀开关拉开后，NBSF正常拉开NBGS，断开站内接地极，正常极转为单极大地运行方式正常运行。

图14 NBSF动作时降功率逻辑示意图

5 改进策略仿真结果

以第二种改进策略为例进行仿真分析。

5.1 试验条件及结果

将青豫直流启至功率正送双极全压大地回线8 000MW运行工况，在RTDS系统中，将站2极2的PPR主机中NBS的I段动作电流定值置为-75A，在站2通过置数模拟极2发生X闭锁并触发NBSF逻辑，事件记录见表2，波形分别如图15和图16所示。

表2 NBSF逻辑改策略后事件记录

（续表2）

图15 逆变侧极2接地极开路Ⅲ段动作时逆变侧P1PCP控制主机波形1

图16 逆变侧极2接地极开路Ⅲ段动作时逆变侧P1PCP控制主机波形2

5.2 仿真结果

试验前工况为双极四阀组大地回线8 000MW运行，在站2通过置数模拟极2接地极开路Ⅲ段动作于X闭锁，功率转带至极1，极1进入过负荷运行，如图15所示。极2执行极隔离，由于站2极2的PPR主机中NBS的Ⅰ段动作电流定值置为-75A，在拉开极2 NBS时触发NBSF逻辑，合上NBGS，此时极1根据逻辑判定对极NBSF触发功率回降逻辑，功率回降量233.275MW，电流降至额定值，如图16所示。此时电流在NBGS开断允许范围内，在中性母线开关及刀开关拉开后，NBSF发拉开NBGS指令，正常拉开NBGS，断开站内接地极，直流转为单极大地运行方式，控制保护逻辑策略执行正确。

6 结论

NBSF是集成直流控制中的保护逻辑，本文详细介绍了该逻辑的原理、作用，结合仿真结果分析了目前该逻辑存在的问题，提出了可行的改进方案，并对改进方案进行了仿真分析，仿真结果显示改进后的逻辑避免了特殊工况下闭锁双极的严重后果，更有利于特高压直流输电工程的安全稳定运行，可为后续特高压直流工程提供NBSF逻辑更完善的典型设计。

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Logic analysis and optimization of neutral bus switch failure in ultra-high voltage direct current grid project converter station

JIANG Jincheng WANG Hong

(EHV Branch Company of State Grid Xinjiang Electric Power Co., Ltd, Urumqi 830000)

Neutral bus switch failure (NBSF) logic is a typical design of the control and protection system of ultra-high voltage (UHV) DC transmission project. When the DC transmission project is in bipolar operation, if one pole fails, the neutral bus switch of the fault pole cannot be opened and acts on reclosing when the protection action performs pole isolation, so it is unable to isolate the fault point. By NBSF logic, the current can be transferred through the neutral bus grounding switch (NBGS) in the station, thus the neutral bus switch of fault pole and neutral line disconnector are opened to isolate the fault point. In this paper, the specific logic of NBSF is introduced in detail. Combined with simulation, the major hidden danger of bipolar locking caused by unipolar fault on the inverter side is deeply analyzed, the optimization and improvement scheme is put forward, and the optimized scheme is simulated and verified. It is expected to provide reference for the improvement of the logic in operation engineering and future engineering design.

neutral bus switch failure (NBSF); ultra-high voltage (UHV); pole isolation; reclosing; bipolar block

2022-05-16

2022-07-20

江金成（1989—），男，湖北巴东人，学士，主要从事特高压直流输电控制保护技术的研究工作。