永富直流工程零功率试验仿真研究

周玉勇吴宝生宋延涛杨 健张自朋

（1.许继电气股份有限公司，河南 许昌 461000；2.国家电网公司运行分公司上海管理处，上海 201413）

永富直流工程零功率试验仿真研究

周玉勇1吴宝生2宋延涛1杨 健1张自朋1

（1.许继电气股份有限公司，河南 许昌 461000；2.国家电网公司运行分公司上海管理处，上海 201413）

基于永富直流输电工程对零功率试验进行仿真，研究了试验原理、试验步骤、试验对控制保护系统的功能配置要求、试验过程中直流系统电气参数的变化。通过仿真试验确定并验证了直流控制保护系统在零功率试验时的参数设置，仿真试验过程中直流控制保护系统无异常动作，系统解锁和闭锁过程平稳，电气量及触发角度正常，达到了仿真试验的目的，证明直流控制保护系统的参数设置满足要求。仿真研究的结果对工程现场的系统试验有指导和借鉴意义。

直流输电；零功率试验；极控；直流保护；解锁；闭锁；仿真

目前国内直流输电工程主要由国家电网公司和南方电网公司负责建设、运行和维护。通过对两家电网公司的工程现场试验项目进行比较，南方电网公司的工程项目在换流变正式带电后需进行零功率试验，其目的主要是验证直流控制系统与阀控系统及换流阀设备的触发脉冲回路，检验换流阀的通流能力。国网公司工程项目则是在换流变带电前，进行低压加压试验，更偏重于触发回路和触发角度的检查验证。

永仁-富宁直流输电工程（永富工程）是我国第一条省内端对端直流输电工程，永富工程额定输送功率为3000MW，额定电流为3000A，额定直流电压为±500kV，线路送电距离约为577km。基于永富工程直流控制保护设备厂内系统调试阶段，通过RTDS建模进行零功率的仿真试验，在仿真试验过程中开展了相关分析研究，即研究零功率的试验步骤、零功率试验对控制保护系统的参数配置要求以及零功率试验过程中直流系统主要电气参数的变化等。

1 零功率试验原理

零功率试验在工程建设调试阶段有着重要的意义，其中包括：①能够系统的检查直流输电控制系统特性；②电流控制器调节特性；③换流阀控制系统功能；④触发脉冲回路；⑤直流测量设备系统功能；⑥直流场模拟量通流及极性校验；⑦换流阀通流能力等。这是对一次设备和直流控制保护系统的综合验证[1]。

零功率试验是换流变充电成功后的第一项重要试验，零功率试验的结果直接决定着现场后续的系统试验能否正常开展。

1.1 一次回路和接线

零功率试验通常针对一个换流站内的某个极进行开展的，在试验前直流场需要增加临时导线，其电气连接示意图如图1所示。临时导线将试验极的极母线与接地极的一条出线进行连接，为零功率试验过程中直流电流提供导通路径，试验时直流电流仅在本极范围内流通，运行人员可对电流的大小进行控制，电流导通方向如图1中箭头方向所示。

图1 零功率试验接线示意图

1.2 零功率试验系统工况

1）非试验范围内的设备状态要求

由于零功率试验主要是分别验证各个阀组相关控制保护设备和阀控设备的触发脉冲回路和换流阀的通流能力，因此对于本站非试验极和对站所对应极均要求为极隔离状态，避免其与零功率试验回路有电气连接。

2）直流控制保护系统运行状态

零功率试验对直流控制保护系统的要求，等同于正常的直流解锁和运行，因此，零功率试验时直流站控系统、交流站控系统以及所在极的极控系统和直流保护系统均在运行状态。

3）零功率试验时直流系统电气参数

根据图1所示，整流站极1在直流场完成临时导线连接后，极1以电流控制模式解锁，电流参考值及电流升降速率由运行人员通过后台下发。零功率试验解锁后直流系统的主要电气参数如下。

（1）直流电压。由于零功率回路电阻较小，所以直流电压几乎为0kV。

（2）直流电流。直流极控系统PI控制器为定电流控制，故直流电流等于运行人员设定的电流参考值。

（3）直流功率。由于直流电压为零，所以试验过程中极1输出的直流功率为0。

2 零功率试验对二次系统的参数配置要求

永富直流工程在正常运行时直流电压为额定值（±500kV），直流输送功率与调度指令一致，点火角在15°±2.5°范围内。在零功率试验时，由于直流场主回路临时导线改变了正常运行时的电流流向和分配，直流电压接近于 0，控制系统输出的点火角也不在正常范围内，因此针对零功率试验，首先需要对直流控制保护系统相关控制和保护功能的参数配置进行调整，然后才可进一步开展零功率试验[2]。

2.1 零功率试验对直流控制系统的影响分析

零功率试验时主要有如下特征，这些特征决定了控制系统的参数调整策略。

1）带电范围

零功率试验的带电范围仅包括一个站的一个极，相比较正常的解锁，在站间通信正常时需要同时判断两站的直流场状态，只有在两站的直流场状态均满足条件后（如双极大地回线、单极大地回线、单极金属回线等），才允许运行人员发出解锁命令；由于零功率试验仅有试验所在的极，为极连接状态，不具备正常的解锁条件[3-4]。

基于以上因素，为了满足零功率试验解锁允许条件，可通过极控软件置数，或直接断开站间通信来满足。

2）直流电压

在进行零功率试验时，直流电压在0左右，此种工况下极控系统的直流低电压监视、异常运行监视、低压限流功能受到影响。

（1）直流低电压监视

直流低电压监视在整流站、逆变站均起作用，其逻辑原理如图2所示。

图2 直流低电压监视逻辑图

为了避免零功率试验时极控系统直流低电压监视功能闭锁，需要对此监视功能进行屏蔽。

（2）异常运行监视

异常运行监视功能，主要是通过对直流电压、直流电流进行判断，当其超出设定范围后并持续一定的延时，极控发出告警并请求系统切换。如故障持续存在则闭锁。极控系统异常运行监视逻辑原理如图3所示。

图3 异常运行监视逻辑图

在零功率试验时，异常运行监视逻辑的直流电压监视原理满足条件，故需对此进行屏蔽。

（3）低压限流功能

低压限流（VDCL）的主要功能是当直流电压降低时，根据电压实际值降低电流指令，在交流系统出现干扰或干扰消失后使系统保持稳定，在交直流故障切除后，为快速、可控的再启动创造条件，在连续换相失败时避免晶闸管过电压。

VDCL的逻辑原理如图4所示。

图4 低压限流功能逻辑图

在图4中，UD_LOW为0.45p.u.（225kV），UD_HIGH为1.0p.u.（500kV），I_ORD_MAX为2.0p.u.（6000A），I_ORD_LIM为0.2p.u.（600A）；在进行零功率试验时，UD等于0，受VDCL功能的限制，直流电流将被限制在 0.2p.u.水平上，无法进一步增大；为了避免试验时电流直流被VDCL限制，则需对I_ORD_LIM进行修改，保证直流电流指令在要求的范围内[5]。

3）触发角度

在进行零功率试验过程中，触发角应为90°左右，极控系统大角度监视受到影响。

极控系统大角度监视原理如图5所示。

图5 大角度监视逻辑图

正常情况下，如果系统解锁后触发角大于60°小于 120°，经过延时后就将闭锁直流。针对零功率试验项目，结合零功率试验的持续时间，可以对延时时间进行调整，避免在零功率试验过程中发生闭锁，影响试验的进行[6]。

4）角度控制

角度控制是直流工程控制系统的核心所在，通过PI控制器完成对点火角的闭环控制，角度控制原理如图6所示。

图6 角度控制原理

角度控制主要由电流控制器、电压控制器和熄弧角控制器实现的，根据图6所示的原理，可对电流裕度和电压裕度进行设置，正常情况下整流站电流控制器起作用，即“定电流控制”；逆变站电压控制器起作用，即“定电压控制”；熄弧角控制器仅在逆变站有效，其作用是防止点火角过大导致换相失败的发生。

整流站定电流控制时，通过调节触发角度，控制直流电流，保证直流输送功率与调度指令一致。当直流电流低于电流指令时，减小触发角，直流电压升高，直流电流增大，向直流电流指令靠拢。

逆变站定电压控制时，通过调节触发角度，控制整流侧直流电压在额定值，保证整流侧的电压恒定。当整流侧电压高于额定值（500kV）时，逆变侧减小触发角，减小本侧直流电压，直流电流增大，整流侧电流控制调节触发角控制电流，最终将整流侧电压保持额定。

在零功率试验时，需保证直流电流与运行人员下发的设定值一致，因此逆变站在进行该项试验时，应设置为整流模式，从而避免电压控制器起作用，在整流模式下，逆变站极控系统电流控制器有效，实现直流电流的闭环控制[7-9]。

5）分接头位置

在零功率试验过程中，分接头始终在最低档位（换流变阀侧电压最低），因此对换流器解锁前的分接头自动控制有影响；系统解锁前，换流变分接头控制模式为Udi0控制，正常情况下会根据阀侧电压实际值调节换流变档位，将阀侧电压调整到参考值范围内；在零功率试验工况下，解锁前应将分接头强制调整到最低档位，使换流变阀侧电压最小，在试验过程中换流变档位保持稳定状态，无需调节。

2.2 零功率试验对直流保护系统的影响分析

零功率试验解锁后除了直流电压为0外，直流电流的流通方向也因主回路临时导线的影响发生了较大改变，根据图1所示，解锁后直流电流通过直流CT的方向顺序为Idch→Idl→Idee1→Idmrtb→Ide→Idcn。

在上述工况下，结合直流保护原理及判据，为了保证零功率试验的正常进行，需要退出的以下保护功能[10-12]。

1）直流低电压保护（27DC）

保护功能：在站间通信故障，逆变站投旁通对的时候闭锁整流站。

保护判据：UdL＜SET。

动作结果：闭锁。

退出原因：零功率试验时，UdL=0。

2）直流线路低电压保护（27DCL）

保护功能：直流线路高阻接地故障。

保护判据：UdL＜SET。

动作结果：线路故障重启。

退出原因：零功率试验时，UdL=0。

3）接地极电流不平衡保护（60EL）

保护功能：接地极线路故障。

保护判据：ABS（Idee1−Idee2）＞SET。

动作结果：单极运行时，移相重启、重启不成功闭锁。

退出原因：零功率试验时，Idee2=0。

4）直流线路纵联差动保护（87DCLL）

保护功能：直流线路高阻接地故障。

保护判据：ABS（IdL−IdL_os）＞SET。

动作结果：闭锁。

退出原因：零功率试验时，IdL_os=0。

3 零功率试验仿真验证

3.1 仿真试验步骤

在仿真试验中，最关键步骤是在试验前完成对直流控制保护参数的修改；其中极控系统修改内容见表1。

在表1中，异常运行监视时间、低电压监视时间、大角度监视时间均被改为130s，其作用是在零功率试验成功解锁后130s自动闭锁，结束试验；130s可以根据零功率试验计划持续时间进行调整，异常运行监视、低电压监视、大角度监视互为备用。

表1 极控系统零功率试验参数设置

在零功率试验前，直流保护系统可通过控制字退出以下保护功能：

直流低电压保护（27DC）。

直流线路低电压保护（27DCL）。

接地极电流不平衡保护（60EL）。

直流线路纵联差动保护（87DCLL）。

3.2 仿真试验过程

以永富直流工程整流站极1零功率试验作为验证对象，在RTDS仿真系统进行建模，极1直流场中的临时导线与图1保持一致；直流控制系统由实际供货的控制保护屏柜组成，除了控制系统点火脉冲信号外，所有控制保护系统跳闸均接入RTDS仿真系统。

通过后台设定电流参考值为 1500A，解锁极 1进行零功率试验，试验过程如图7所示。

根据图7进行分析，零功率试验过程中直流系统电气特性主要表现如下。

图7 零功率仿真试验（1500A）波形图

直流电压UDL由0升至0.04kV；直流电流 IDL由0升至0.15kA，升降速率及参考值与设定命令保持一致；直流电流方向为 Idch→Idl→Idee1→Idmrtb→Ide→Idcn；基于直流场临时导线位置，导致接地极电流不平衡，即 Idee1等于 0.15kA，Idee2等于 0；直流功率约为0.006MW，相对于额定直流功率1500MW，即可视为零功率。

3.3 仿真结果分析

在仿真试验过程中，直流控制保护系统无异常动作，系统解锁和闭锁过程平稳，电气量及触发角度正常，130s设置时间达到后，极控系统低电压监视功能正确动作，自动闭锁直流系统。

4 结论

通过对永富直流工程零功率试验的仿真研究，确定了零功率实验对工程现场一次设备运行工况及系统接线的要求，确定了零功率实验时控制系统的参数设置和直流保护保护功能配置，并对极控参数设置原理和屏蔽部分直流保护功能的原因进行了分析。通过仿真实验，研究分析了零功率实验过程中直流输电系统的电气特性；仿真数据证明极控和直流保护的定值参数是正确的，能够满足零功率实验的要求。仿真研究的结果对工程现场的实际试验有指导和借鉴意义。

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Research on the Zero Power Test Simulation of Yongfu HVDC Project

Zhou Yuyong1Wu Baosheng2Song Yantao1Yang Jian1Zhang Zipeng1
(1.XJ Electric Corp.,Ltd,Xuchang,He’nan 461000；2.Shanghai Extra High Voltage Direct Current Administrative Department of State Grid Operation Limited Company,Shanghai 201413)

The zero power test simulation based on Yongfu HVDC project,the items of researching include:the principle of zero power test procedure,the test procedure,the function setting of DC control and protection systems only used for zero power test,and the characteristic of DC electrical parameters in zero power testing.Through simulation experiments,determine and verify the setting of DC control and protection systems,DC control and protection havn’t actioned abnormally in the process of simulation experiment,the process of system deblock and block is smooth and steady,DC electrical parameters and fire pulse angle are normal.The purpose of the simulation experiment is achieved,the results of the study have the guidance and reference for the Yongfu project.

HVDC transmission；zero power test；pole control；DC protection；deblock；block；simulation

周玉勇（1983-），男，本科，工程师，长期从事高压直流输电控制保护系统设计工作。