锦屏—苏南±800kV特高压直流工程交流滤波器投入异常分析和应对措施

贾轩涛，严兵，张爱玲，姚进波，吴宝生

(1.许继电气股份有限公司，河南省许昌市 461000;2.国网运行有限公司上海超高压管理处，上海市 201413)

0 引言

2012年6月5日，锦屏—苏南±800kV特高压直流输电工程(简称锦苏工程)同里换流站在进行站系统启动试验时，在极1低端换流变压器(简称换流变)充电操作过程中，无功控制系统由交流系统低电压监视(Umin)功能发出交流滤波器/电容器投入命令，处于热备用状态的交流滤波器/电容器5612、5611、5634、5633、5643、5644、5613、5614、5631、5632、5641、5642依次投入(当时第2大组滤波器处于冷备用)。12组滤波器/电容器相继投入后，交流母线电压由505 kV升至550 kV以上，交流滤波器母线过压保护动作，跳开第4大组滤波器后无功控制(reactive power control，RPC)重新将其投入运行，最后根据现场总指挥命令，运行人员手动启动紧急停运(emergency stop off，ESOF)按钮，跳开换流变进线开关并手动拉开所有交流滤波器使交流电压恢复正常。

此次事件暴露的问题主要有:交流滤波器/电容器异常投入、交流滤波器母线过电压保护跳闸时序与程序不符、交流滤波器/电容器未完全放电的情况下再次被投入、控制功能缺少相应的联锁逻辑等。

1 换流站无功控制策略

直流输电工程无功功率控制的目的是保证交直流系统的无功交换满足系统要求，同时减轻换流站谐波对交直流系统及主设备的危害。实际工程中无功控制主要通过对交流滤波器小组等无功单元的投切实现，需要考虑的因素有交直流系统无功交换的平衡、交流系统稳态电压的限制、基本滤波条件的保证和滤波性能的优化、无功单元投切的均衡性、投切过程对系统的扰动等［1］。同里换流站共配置了4个大组、12个小组交流滤波器/电容器，具体参数及类型如图1所示。

图1 同里换流站交流滤波器配置Fig.1 Configuration of AC filters in Tongli Converter Station

直流输电无功功率控制主要有:绝对最小滤波器控制;Umax、Umin控制;Qmax控制;最小滤波器控制;Q控制、U控制。其中，绝对最小滤波器控制主要是指由设备额定应力来决定投入的滤波器;Umax、Umin是为了监视和稳定交流母线电压;Qmax是为了限制投入滤波器的数量;最小滤波器控制则是投入足够的滤波器用于满足滤除特征谐波的要求;Q控制、U控制是通过控制与交流系统的无功交换量或者控制交流母线电压在参考值的死区范围内［2-3］。

上述无功控制功能的优先级则是按照顺序由上至下依次递减。其中前2项控制不受无功控制自动或手动模式限制，同时绝对最小滤波器控制仅在换流器具备解锁条件(空载升压试验除外)或者功率输送状态下起作用，Umax、Umin在交流母线带电或者换流变带电条件下有效;后3项功能仅在直流系统解锁后，功率输送状态下起作用。

结合现场系统试验过程，在极1低端换流变压器充电时，阀组未解锁的状态下，无功控制中起作用的仅有Umax、Umin功能，该部分软件逻辑如图2所示。

在图2中，ENERGIZEN为交流母线带电或者换流变压器充电信号;UAC_BUS1、UAC_BUS2分别是500kV交流场I母、II母AB相的线电压;U_MAX_LIMIT为Umax参考值，本工程该值取550 kV;U_MIN_LIMIT为Umin参考值，本工程该值取475 kV。

当交流场带电或者换流变压器带电后，如果交流母线电压大于550 kV，无功控制系统Umax功能发出交流滤波器切除命令;如果交流母线电压低于475 kV，无功控制系统Umin功能发出交流滤波器投入命令。

图2 无功功率控制Umax/Umin逻辑图Fig.2 Logic of Umax/Uminfunction in reactive power control

2 交流滤波器投入异常的分析

2.1 交流滤波器投入异常的过程

事件发生前现场系统试验时的工况:交流场I母、II母已带电，线电压为505 kV左右;第1、3、4大组交流滤波器共12个小组处于热备用状态;极1低端换流变压器准备进行充电操作，其余换流变压器还未完成安装或本体调试;相关的控制保护系统已经投入运行。

当运行人员手动合上换流变进线开关进行充电操作后，无功控制系统将所有处于热备用的12组交流滤波器/电容器在30 s内全部投入。交流电压上升到550 kV以上，交流滤波器母线过电压保护动作，将第4大组滤波器全部切除。切除后的滤波器/电容器还未完全放电，无功控制系统又将其全部投入。最后运行人员根据现场指挥按下紧急停运按钮，跳开换流变进线开关后，手动拉开所有交流滤波器/电容器小组开关。

2.2 交流滤波器投入异常的原因

在特高压直流工程中，直流控制系统分为3层:双极层/站层(BCP)、极层(PCP)、阀组层(CCP)，其中双极层控制主要负责两极间的协调控制和全站的无功功率控制，极层控制主要完成本极2个阀组的协调控制，阀组层控制主要完成换流阀控制脉冲的发生等功能［4-7］。

由于无功控制位于BCP，用于检测交流场电压的UAC_BUS1、UAC_BUS2由其直接采集，而换流变带电信号(逻辑信号，1为已带电、0为未带电)由CCP完成判断并送至PCP，再由PCP送至BCP用于无功控制的逻辑判断。

当现场问题发生后，经过检查发现用于无功控制的交流母线电压测量值UAC_BUS1、UAC_BUS2输入回路的屏内测试端子连片被打开，造成UAC_BUS1与UAC_BUS2测量值为0。对图2进行分析:当极1低端换流变压器充电后ENERGIZEN条件被满足，由于UAC100取交流场I母、II母线电压的最大值为0，低于Umin参考值475 kV，因此Umin控制功能一直发出交流滤波器投入命令，将处于热备用条件下的12组滤波器/电容器依次投入。

其原因也可以解释为用于无功控制的交流母线电压测量回路开路，在换流变充电后双极控制系统将处于热备用的滤波器/电容器小组误投入。RCP交流电压输入回路如图3所示。

图3 RPC交流电压输入回路Fig.3 Input circuit of AC voltage for reactive power control

2.3 电压测量回路开路引起滤波器误投入的解决措施

由于交流滤波器/电容器小组的误投入，使站内交流系统过电压达到550 kV以上，严重影响江苏省电网的稳定运行。由于现场指挥及操作人员应急处理及时、得当，避免了事故进一步扩大。

根据现场施工情况，在不改变现有的外部电缆接线和控制保护程序分层结构下，以尽可能小的改动来解决问题，并做出如下更改。

在Umax、Umin软件逻辑中增加低电压闭锁功能，以防止交流电压测量回路开路引起的RPC误动作，如图4所示。在图4中UAC_N为正常交流电压，该值取505 kV，当交流母线电压测量值UAC_100小于正常电压的0.2倍时，将闭锁Umax和Umin功能。

图4 更改后的无功功率控制Umax/Umin逻辑图Fig.4 Logic of Umax/Uminfunction in updated reactive power control

由此可见，软件逻辑在更改后能够有效避免因为电压测量回路开路引起的交流滤波器误投入。

3 交流滤波器异常投入引发的其他相关问题

第1、3、4大组共12个小组交流滤波器/电容器依次投入后，交流母线电压最高上升至575 kV左右，第4大组交流滤波器母线过电压保护动作，同时跳开第4大组共4个小组交流滤波器/电容器，1 s后RPC Umin功能将4个小组依次投入。在此过程中，除了交流滤波器/电容器异常投入外还存在如下问题:交流滤波器大组过电压保护跳闸时序不对;交流滤波器在跳闸后还未完全放电的情况下又被重新投入。

3.1 交流滤波器母线过电压保护跳闸

直流工程换流站中交流滤波器的设置主要是为换流器提供无功补偿和滤除谐波用的，由于当时并无直流功率输送，12组交流滤波器/电容器产生的无功功率通过交流场交流出线进入江苏电网系统，造成交流电压随着滤波器/电容器的投入逐步升高，在此过程中由于电网系统会吸收少量无功功率，故在某一阶段电压会有小幅回落，但总体上保持快速上升趋势。

与国内常规交流滤波器保护不同，锦苏工程中交流滤波器保护是按大组进行配置的。每大组滤波器(包含各小组)配置了2套冗余的滤波器保护屏柜，每套保护装置负责本大组连线保护和各个小组的保护，其中母线过电压保护的定值如表1所示。

表1 同里站交流滤波器母线过电压保护定值表Tab.1 Setting for AC filter over-voltage protection in Tongli Converter Station

在表1中1段为告警，其余段为跳闸;其中2～5段逐级跳开各大组交流滤波器，6段是同时跳开所有交流滤波器/电容器。以2段为例，其电压定值为1.15 pu(1 pu为505 kV)，即相电压为453.5 kV;第1大组母线过电压保护如果检测到电压超过定值10 s后，跳开本大组所有小组开关;第2大组则需20 s延时;第3、4分别需要30、40 s延时;在延时过程中，如果电压低于定值，延时时间需要重新进行计时［8-11］。

12组交流滤波器/电容器投入后过电压水平低于1.15 pu，故仅有2段跳闸出口。理论上10 s后应先跳开第1大组滤波器，但实际上只有第4大组过电压保护动作，与母线过电压保护时序(第1、2、3、4大组按顺序依次跳闸)逻辑不符。

根据图5的故障录波来看，当第4大组母线过电压跳闸时，交流母线电压已经稳定在1.104 pu，与2段定值非常接近，由于测量系统存在测量误差，对保护测量误差要求为±0.5%，由此可以推断:某一时段第1、3大组(第2大组冷备用)电压测量值低于1.1 pu，延时时间未达到设定值并反复进行重新计数，所以过电压保护未跳闸。同时根据后台监控事件中跳闸时间推算，第4大组跳闸发生在5641投入40 s后，与程序跳闸延时一致。

图5 第4大组过电压保护跳闸故障录波图Fig.5 Fault record of over-voltage trip of the fourth filter bank

因此交流滤波器母线过电压保护跳闸时序异常的原因可以归结为:电压测量回路的误差。

3.2 交流滤波器未完全放电状况下再投入

正常情况下，交流滤波器/电容器切除后要将能量充分释放才能再次投入到系统中，其目的是为了保证交流系统的稳定和避免设备本体过应力受损。

在现场实际操作过程中，交流滤波器母线过电压保护不同于其他保护(如过流、差动、电抗器过负荷等)，过流、差动、电抗器/电阻器过负荷、电容器不平衡等保护反应的是设备元器件确实出现故障，因此保护跳闸后会锁定相应的断路器，禁止其再次合闸。当故障排除后，必须经运行人员手动回归后，该断路器才能再次投入运行。而交流母线过电压保护仅在反应系统运行状况出现异常时启动，而保护跳闸后并不会锁定断路器，这一设计理念在直流工程中已被大家认可。

在调试过程中发现交流滤波器母线过电压保护跳开小组开关后，RPC立即将可用的交流滤波器/电容器再次投入，由此可见，在软件逻辑设计方面存在不足之处，需要增加相应的联锁逻辑。RPC对滤波器/电容器进行投入操作的前提是该小组是可用的，“滤波器小组可用”信号由交流滤波器控制(AC filter control，AFC)进行判断并通过CAN总线上送给RPC功能所在的BCP控制主机。

在图6所示逻辑中，当交流滤波器母线过电压保护跳闸后，由于不会锁定断路器，所以当其余条件满足后“滤波器小组可用”信号即为1;结合以往工程运行经验，可在AFC上述的程序中增加相应的联锁条件，使设备能够更加可靠地运行。

如图7所示，当AFC检测到小组断路器分闸状态，经延时10 min后“滤波器小组可用”信号才能为“1”，并送至RPC。因此，无论是无功控制切除滤波器、保护跳闸、远方手动分闸还是就地操作等，小组开关跳开后滤波器/电容器有充足的时间进行能量释放。

4 结语

锦苏工程系统调试期间交流滤波器/电容器异常投入及反复投切的原因主要是，由于无功控制及交流滤波器控制系统软件的逻辑设计不完善所致，在软件中增加了低电压监视和相应的联锁逻辑后，经过现场的试验验证，改进后的软件能够有效地避免交流电压测量回路开路引起的Umin误投入交流滤波器/电容器小组，同时彻底解决了交流滤波器/电容器小组在切除后还未完全放电的情况下再次被投入的问题和隐患。

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