趙 倩 張 群

多端直流輸電工程大地-金屬回線轉(zhuǎn)換策略

趙 倩 張 群

（許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000）

針對(duì)國(guó)內(nèi)首個(gè)常規(guī)多端直流輸電系統(tǒng)在不同功率水平進(jìn)行大地回線至金屬回線轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，金屬回線轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)（MRTB）保護(hù)動(dòng)作，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)拒動(dòng)及大地金屬回線轉(zhuǎn)換失敗的問(wèn)題，本文通過(guò)對(duì)大地金屬回線轉(zhuǎn)換過(guò)程中的電流回路進(jìn)行分析，推導(dǎo)大地回線與金屬回線共存時(shí)各個(gè)換流站電流的數(shù)學(xué)表達(dá)式，在此基礎(chǔ)上分析MRTB拒動(dòng)原因，并提出改進(jìn)策略和運(yùn)行建議，為工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行維護(hù)提供參考。最后，通過(guò)仿真證明了本文分析結(jié)論的正確性，表明所提改進(jìn)策略具備工程應(yīng)用推廣價(jià)值。

多端直流；大地回線；金屬回線；轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)保護(hù)；回路分析

0 引言

多端直流輸電技術(shù)具有多受端、多送端、運(yùn)行方式靈活等特點(diǎn)，是解決中國(guó)能源消納問(wèn)題的有效技術(shù)手段之一，也是未來(lái)電網(wǎng)發(fā)展的主要趨勢(shì)[1-2]。為緩解云南水電集中投產(chǎn)帶來(lái)的大規(guī)模棄水問(wèn)題、解決貴州因電煤供應(yīng)帶來(lái)的黔電外送通道利用不充分的問(wèn)題、提高南方電網(wǎng)西電東送安全穩(wěn)定裕度，中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司建設(shè)國(guó)內(nèi)首個(gè)常規(guī)直流多端工程——云貴互聯(lián)通道工程[3-4]。

由于多端直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行方式復(fù)雜多變，除常規(guī)雙極運(yùn)行方式外，在單極運(yùn)行時(shí)也可采用單極大地或單極金屬回線運(yùn)行[5]。由于單極大地回線運(yùn)行時(shí)，存在較大的入地電流，故通常情況下在不中斷功率傳輸時(shí)，進(jìn)行單極大地回線轉(zhuǎn)換為單極金屬回線的操作[6]。然而，由于多端直流輸電系統(tǒng)增加了系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)，導(dǎo)致大地-金屬回線轉(zhuǎn)換過(guò)程中的電流回路復(fù)雜性大大提高[7]，存在大地-金屬回線轉(zhuǎn)換過(guò)程中金屬回線轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)（metallic return transfer breaker, MRTB）保護(hù)動(dòng)作，引起開(kāi)關(guān)拒動(dòng)并最終導(dǎo)致大地-金屬回線轉(zhuǎn)換失敗的問(wèn)題。

文獻(xiàn)[8-9]針對(duì)葛南工程，文獻(xiàn)[10]針對(duì)寧東工程，均分析了兩端工程大地-金屬回線轉(zhuǎn)換過(guò)程中的問(wèn)題，并給出改進(jìn)建議，但不適用于多端直流輸電系統(tǒng)；文獻(xiàn)[11]針對(duì)烏東德工程大地-金屬回線轉(zhuǎn)換過(guò)程進(jìn)行分析，但未推導(dǎo)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電流表達(dá)式，僅利用PSCAD仿真給出各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電流。本文以云貴互聯(lián)通道工程為例，對(duì)大地-金屬回線轉(zhuǎn)換過(guò)程中的電流回路進(jìn)行詳細(xì)分析，并推導(dǎo)計(jì)算不同回路時(shí)各個(gè)節(jié)點(diǎn)電流的數(shù)學(xué)表達(dá)式，得出MRTB保護(hù)動(dòng)作的條件，提出大地-金屬回線轉(zhuǎn)換改進(jìn)策略?；趯?shí)時(shí)數(shù)字仿真（real time digital simulation, RTDS）平臺(tái)及實(shí)際供貨控制保護(hù)系統(tǒng)搭建云貴互聯(lián)通道工程數(shù)模混合試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)電流的數(shù)學(xué)表達(dá)式及所提改進(jìn)策略進(jìn)行仿真驗(yàn)證，以期為后續(xù)工程提供參考及設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 大地-金屬回線轉(zhuǎn)換過(guò)程分析

云貴互聯(lián)工程三端單極大地回線及金屬回線運(yùn)行方式如圖1所示。大地回線運(yùn)行方式下，各個(gè)換流站通過(guò)接地極接地，形成單極大地電流回路；金屬回線運(yùn)行方式下通過(guò)閉合逆變站站內(nèi)高速接地開(kāi)關(guān)作為系統(tǒng)的電位參考點(diǎn)。祿勸換流站和高坡?lián)Q流站配置金屬回線開(kāi)關(guān)（metallic return switch, MRS）和MRTB用于大地-金屬回線轉(zhuǎn)換過(guò)程中的電流回路切換。高坡?lián)Q流站配置極性轉(zhuǎn)換區(qū)開(kāi)關(guān)及匯流母線區(qū)開(kāi)關(guān)，可根據(jù)系統(tǒng)需要運(yùn)行在整流或逆變狀態(tài)，即三端系統(tǒng)功率傳輸模式可運(yùn)行在祿勸送高坡、肇慶模式（一送二），也可運(yùn)行在祿勸、高坡送肇慶模式（二送一）。由于一送二或二送一模式下均存在大地-金屬回線轉(zhuǎn)換過(guò)程，限于篇幅本文僅針對(duì)二送一模式下的大地-金屬回線轉(zhuǎn)換過(guò)程中各個(gè)節(jié)點(diǎn)電流進(jìn)行分析與計(jì)算。

1.1 大地回線與金屬回線共存時(shí)各個(gè)節(jié)點(diǎn)電流的計(jì)算

在大地回線和金屬回線并聯(lián)時(shí)，直流系統(tǒng)等效示意圖如2所示。圖2中，sa為流經(jīng)祿勸站換流器的電流，ea為流經(jīng)祿勸站大地回線的電流，ma為流經(jīng)祿勸站金屬回線的電流，EA為祿勸站接地極等效電阻，LAB為祿勸站至高坡站金屬回線等效電阻，sb為流經(jīng)高坡站換流器的電流，eb為流經(jīng)高坡站大地回線的電流，mb為流經(jīng)高坡站金屬回線的電流，EB為高坡站接地極等效電阻，LBC為高坡站至肇慶站金屬回線等效電阻，ec為流經(jīng)肇慶站大地回線的電流，EC為肇慶站接地極等效電阻。

圖2 直流系統(tǒng)等效示意圖

根據(jù)圖2所示電路，在大地回線和金屬回線并聯(lián)時(shí)，由于sa與sb在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)為整定值，故只需計(jì)算出ea與eb即可得出系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電流。根據(jù)電路理論，可得

式中：eq3為祿勸站大地回線等效電阻電壓；eq2為高坡站大地回線等效電阻電壓；eq1為肇慶站大地回線等效電阻電壓。

由式（1）和式（3）計(jì)算得出eq1、eq2、eq3之間的關(guān)系為

由式（2）、式（4）及式（5）得

最終得到ea為

同理可得eb為

1.2 大地-金屬回線轉(zhuǎn)換失敗問(wèn)題分析及改進(jìn)策略

對(duì)于云貴互聯(lián)通道工程，大地回線轉(zhuǎn)金屬回線過(guò)程中最有可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)換失敗的保護(hù)為MRTB保護(hù)Ⅰ段，其保護(hù)定值見(jiàn)表1，其中d_MRS為流經(jīng)金屬回線開(kāi)關(guān)的電流。

同時(shí)，對(duì)于云貴互聯(lián)通道工程，各個(gè)換流站接地極及線路阻抗參數(shù)見(jiàn)表2。

根據(jù)MRTB保護(hù)Ⅰ段定值，同時(shí)結(jié)合1.1節(jié)所得各個(gè)節(jié)點(diǎn)電流的表達(dá)式，當(dāng)滿足式（9）時(shí)，祿勸換流站MRTB保護(hù)動(dòng)作，當(dāng)滿足式（10）時(shí)，高坡?lián)Q流站MRTB保護(hù)動(dòng)作。

表1 MRTB保護(hù)定值

表2 各換流站接地極及線路阻抗參數(shù)

結(jié)合1.1節(jié)計(jì)算，sa=ea時(shí)流經(jīng)祿勸站MRS的穩(wěn)態(tài)電流約為0，會(huì)導(dǎo)致MRTB保護(hù)動(dòng)作，經(jīng)計(jì)算對(duì)應(yīng)祿勸站送出的功率是高坡站送出功率的0.697 6倍，此時(shí)流經(jīng)高坡站MRS的穩(wěn)態(tài)電流約為240A，可先分高坡站MRTB，高坡站MRTB分開(kāi)后，流經(jīng)祿勸站MRS的穩(wěn)態(tài)電流約為-500A，祿勸站MRTB滿足分閘條件；當(dāng)?shù)搫裾舅统龅墓β适歉咂抡舅统龉β实?.341 5倍時(shí)，流經(jīng)高坡站MRS的穩(wěn)態(tài)電流約為0，流經(jīng)祿勸站MRS的穩(wěn)態(tài)電流約為265A，可先分祿勸站MRTB，祿勸站MRTB分開(kāi)后，流經(jīng)高坡站MRS的穩(wěn)態(tài)電流約為-1 270A，高坡站MRTB滿足分閘條件。由于功率水平差異較大，不會(huì)同時(shí)出現(xiàn)流經(jīng)祿勸站MRS的電流和流經(jīng)高坡站MRS的電流小于19.2A的工況。因此，若按照固定順序拉開(kāi)祿勸站或高坡站的MRTB時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)大地-金屬回線轉(zhuǎn)換失敗的問(wèn)題。

綜上分析可知，導(dǎo)致大地回線轉(zhuǎn)金屬回線失敗的根本原因是大地回線和金屬回線形成并聯(lián)回路時(shí)，在特殊功率點(diǎn)附近流經(jīng)祿勸站或高坡站MRS的電流小于MRTB保護(hù)定值，進(jìn)而引起MRTB拒動(dòng)，最終導(dǎo)致轉(zhuǎn)換失敗?？赏ㄟ^(guò)優(yōu)化MRTB操作順序解決此問(wèn)題，具體實(shí)現(xiàn)方案如下：

1）高坡?lián)Q流站MRS閉合后產(chǎn)生MRTB分閘允許位，并發(fā)送給祿勸換流站。

2）祿勸換流站MRS閉合后產(chǎn)生MRTB分閘允許位，并發(fā)送給高坡?lián)Q流站。

3）祿勸和高坡?lián)Q流站MRTB分閘允許位都產(chǎn)生后再下發(fā)兩站MRTB分閘命令（持續(xù)一定時(shí)間的脈沖）。

4）祿勸站和高坡站MRTB分閘，大地回線轉(zhuǎn)換為金屬回線的操作完成。

2 仿真驗(yàn)證

以云貴互聯(lián)通道工程供貨控制保護(hù)系統(tǒng)及RTDS系統(tǒng)搭建仿真平臺(tái)，實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。祿勸站和高坡站采用功率/電流控制，肇慶站采用直流電壓控制，三站額定電壓均為±500kV，雙極額定功率為3 000MW。

云貴互聯(lián)通道工程控制保護(hù)系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，包括運(yùn)行人員控制層、控制保護(hù)層和現(xiàn)場(chǎng)層三個(gè)層次[12-13]。各分層之間、同一分層的不同設(shè)備之間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)、總線及其他接口相互連接，構(gòu)成完整的換流站直流控制保護(hù)系統(tǒng)。換流站的控制保護(hù)系統(tǒng)之間，通過(guò)站間通信通道互聯(lián)。每站單獨(dú)配置開(kāi)入和開(kāi)出板卡完成RTDS與控制保護(hù)系統(tǒng)的觸發(fā)脈沖、回檢信號(hào)等開(kāi)關(guān)量數(shù)據(jù)交互。

圖3 實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了驗(yàn)證對(duì)大地-金屬回線轉(zhuǎn)換失敗原因分析的正確性及所提改進(jìn)策略的有效性，以祿勸站送出功率是高坡站送出功率的0.697 6倍為例，對(duì)三端二送一模式祿勸站極1大地回線轉(zhuǎn)至金屬回線進(jìn)行仿真。具體試驗(yàn)工況為：祿勸換流站極1定電流控制，電流定值為697.6A，高坡?lián)Q流站極1定電流控制，電流定值為1 000A。大地回線轉(zhuǎn)至金屬回線的過(guò)程中合MRS錄波如圖4所示，大地回線轉(zhuǎn)至金屬回線的過(guò)程中分MRTB錄波如圖5所示。

圖4 大地-金屬回線轉(zhuǎn)換過(guò)程中合MRS錄波

圖4和圖5中，開(kāi)關(guān)量1和0分別代表MRTB和MRS的合/分狀態(tài)。從圖中可以看出，在兩站MRS合上建立金屬回路后，祿勸站接地極電流變化不大，流經(jīng)MRS的電流基本為0；采用所提策略后，兩站MRTB順利拉開(kāi)，且未出現(xiàn)轉(zhuǎn)換失敗的現(xiàn)象，證明所提策略可有效解決特殊功率點(diǎn)附近大地-金屬回線轉(zhuǎn)換失敗的問(wèn)題。同時(shí)，金屬回線通路建立后，電流轉(zhuǎn)換過(guò)程較為平滑，對(duì)系統(tǒng)沖擊較小。

圖5 大地-金屬回線轉(zhuǎn)換過(guò)程中分MRTB錄波

3 結(jié)論

本文針對(duì)云貴互聯(lián)工程大地回線與金屬回線并聯(lián)時(shí)在特殊功率范圍內(nèi)流經(jīng)MRS開(kāi)關(guān)的電流較小，引起MRTB保護(hù)動(dòng)作，最終導(dǎo)致轉(zhuǎn)換失敗的問(wèn)題，提出了相應(yīng)的改進(jìn)策略，并搭建實(shí)際控制保護(hù)系統(tǒng)與RTDS實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)進(jìn)行了驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明，所提策略能夠有效解決轉(zhuǎn)換失敗的問(wèn)題，且轉(zhuǎn)換過(guò)程較為平滑，對(duì)系統(tǒng)沖擊小。此策略已應(yīng)用于實(shí)際工程，可為后續(xù)類(lèi)似工程相關(guān)問(wèn)題的處理提供參考。

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Strategy of conversion between ground return and metallic return in multi-terminal high voltage direct current transmission system

ZHAO Qian ZHANG Qun

(XJ Electric Co., Ltd, Xuchang, He’nan 461000)

In view of the problem that the metallic return transfer break (MRTB) protection acts in the process of ground-metallic return conversion at different power levels in the first conventional multi-terminal high voltage DC transmission system in China, which leads to switch rejection and ground-metallic return conversion failure, this paper analyzes the current loop in the process of ground-metallic return conversion. The mathematical expressions of each converter station current are deduced when earth and metal loop coexist. On the basis of these expressions, the reason of MRTB operation failure is obtained and the improvement strategies and operation suggestions are proposed to provide a reference for engineering design and operation maintenance. Finally, the correctness of the analysis conclusion is verified by the simulation, which shows that the proposed strategies has the engineering application promotion value.

multi-terminal high voltage DC system; ground return; metallic return; transfer breaker protect; circuit analysis

2023-10-28

2023-12-04

趙 倩（1988—），女，山東省臨沂市人，碩士，工程師，主要從事高壓直流輸電工作。