多端直流输电工程大地-金属回线转换策略

赵 倩 张 群

多端直流输电工程大地-金属回线转换策略

赵 倩 张 群

（许继电气股份有限公司，河南 许昌 461000）

针对国内首个常规多端直流输电系统在不同功率水平进行大地回线至金属回线转换的过程中，金属回线转换开关（MRTB）保护动作，导致开关拒动及大地金属回线转换失败的问题，本文通过对大地金属回线转换过程中的电流回路进行分析，推导大地回线与金属回线共存时各个换流站电流的数学表达式，在此基础上分析MRTB拒动原因，并提出改进策略和运行建议，为工程设计和运行维护提供参考。最后，通过仿真证明了本文分析结论的正确性，表明所提改进策略具备工程应用推广价值。

多端直流；大地回线；金属回线；转换开关保护；回路分析

0 引言

多端直流输电技术具有多受端、多送端、运行方式灵活等特点，是解决中国能源消纳问题的有效技术手段之一，也是未来电网发展的主要趋势[1-2]。为缓解云南水电集中投产带来的大规模弃水问题、解决贵州因电煤供应带来的黔电外送通道利用不充分的问题、提高南方电网西电东送安全稳定裕度，中国南方电网有限责任公司超高压输电公司建设国内首个常规直流多端工程——云贵互联通道工程[3-4]。

由于多端直流输电系统运行方式复杂多变，除常规双极运行方式外，在单极运行时也可采用单极大地或单极金属回线运行[5]。由于单极大地回线运行时，存在较大的入地电流，故通常情况下在不中断功率传输时，进行单极大地回线转换为单极金属回线的操作[6]。然而，由于多端直流输电系统增加了系统节点，导致大地-金属回线转换过程中的电流回路复杂性大大提高[7]，存在大地-金属回线转换过程中金属回线转换开关（metallic return transfer breaker, MRTB）保护动作，引起开关拒动并最终导致大地-金属回线转换失败的问题。

文献[8-9]针对葛南工程，文献[10]针对宁东工程，均分析了两端工程大地-金属回线转换过程中的问题，并给出改进建议，但不适用于多端直流输电系统；文献[11]针对乌东德工程大地-金属回线转换过程进行分析，但未推导各个节点的电流表达式，仅利用PSCAD仿真给出各个节点的电流。本文以云贵互联通道工程为例，对大地-金属回线转换过程中的电流回路进行详细分析，并推导计算不同回路时各个节点电流的数学表达式，得出MRTB保护动作的条件，提出大地-金属回线转换改进策略。基于实时数字仿真（real time digital simulation, RTDS）平台及实际供货控制保护系统搭建云贵互联通道工程数模混合试验平台，对各个节点电流的数学表达式及所提改进策略进行仿真验证，以期为后续工程提供参考及设计依据。

1 大地-金属回线转换过程分析

云贵互联工程三端单极大地回线及金属回线运行方式如图1所示。大地回线运行方式下，各个换流站通过接地极接地，形成单极大地电流回路；金属回线运行方式下通过闭合逆变站站内高速接地开关作为系统的电位参考点。禄劝换流站和高坡换流站配置金属回线开关（metallic return switch, MRS）和MRTB用于大地-金属回线转换过程中的电流回路切换。高坡换流站配置极性转换区开关及汇流母线区开关，可根据系统需要运行在整流或逆变状态，即三端系统功率传输模式可运行在禄劝送高坡、肇庆模式（一送二），也可运行在禄劝、高坡送肇庆模式（二送一）。由于一送二或二送一模式下均存在大地-金属回线转换过程，限于篇幅本文仅针对二送一模式下的大地-金属回线转换过程中各个节点电流进行分析与计算。

1.1 大地回线与金属回线共存时各个节点电流的计算

在大地回线和金属回线并联时，直流系统等效示意图如2所示。图2中，sa为流经禄劝站换流器的电流，ea为流经禄劝站大地回线的电流，ma为流经禄劝站金属回线的电流，EA为禄劝站接地极等效电阻，LAB为禄劝站至高坡站金属回线等效电阻，sb为流经高坡站换流器的电流，eb为流经高坡站大地回线的电流，mb为流经高坡站金属回线的电流，EB为高坡站接地极等效电阻，LBC为高坡站至肇庆站金属回线等效电阻，ec为流经肇庆站大地回线的电流，EC为肇庆站接地极等效电阻。

图2 直流系统等效示意图

根据图2所示电路，在大地回线和金属回线并联时，由于sa与sb在系统正常运行时为整定值，故只需计算出ea与eb即可得出系统各个节点的电流。根据电路理论，可得

式中：eq3为禄劝站大地回线等效电阻电压；eq2为高坡站大地回线等效电阻电压；eq1为肇庆站大地回线等效电阻电压。

由式（1）和式（3）计算得出eq1、eq2、eq3之间的关系为

由式（2）、式（4）及式（5）得

最终得到ea为

同理可得eb为

1.2 大地-金属回线转换失败问题分析及改进策略

对于云贵互联通道工程，大地回线转金属回线过程中最有可能导致转换失败的保护为MRTB保护Ⅰ段，其保护定值见表1，其中d_MRS为流经金属回线开关的电流。

同时，对于云贵互联通道工程，各个换流站接地极及线路阻抗参数见表2。

根据MRTB保护Ⅰ段定值，同时结合1.1节所得各个节点电流的表达式，当满足式（9）时，禄劝换流站MRTB保护动作，当满足式（10）时，高坡换流站MRTB保护动作。

表1 MRTB保护定值

表2 各换流站接地极及线路阻抗参数

结合1.1节计算，sa=ea时流经禄劝站MRS的稳态电流约为0，会导致MRTB保护动作，经计算对应禄劝站送出的功率是高坡站送出功率的0.697 6倍，此时流经高坡站MRS的稳态电流约为240A，可先分高坡站MRTB，高坡站MRTB分开后，流经禄劝站MRS的稳态电流约为-500A，禄劝站MRTB满足分闸条件；当禄劝站送出的功率是高坡站送出功率的3.341 5倍时，流经高坡站MRS的稳态电流约为0，流经禄劝站MRS的稳态电流约为265A，可先分禄劝站MRTB，禄劝站MRTB分开后，流经高坡站MRS的稳态电流约为-1 270A，高坡站MRTB满足分闸条件。由于功率水平差异较大，不会同时出现流经禄劝站MRS的电流和流经高坡站MRS的电流小于19.2A的工况。因此，若按照固定顺序拉开禄劝站或高坡站的MRTB时，就会出现大地-金属回线转换失败的问题。

综上分析可知，导致大地回线转金属回线失败的根本原因是大地回线和金属回线形成并联回路时，在特殊功率点附近流经禄劝站或高坡站MRS的电流小于MRTB保护定值，进而引起MRTB拒动，最终导致转换失败。可通过优化MRTB操作顺序解决此问题，具体实现方案如下：

1）高坡换流站MRS闭合后产生MRTB分闸允许位，并发送给禄劝换流站。

2）禄劝换流站MRS闭合后产生MRTB分闸允许位，并发送给高坡换流站。

3）禄劝和高坡换流站MRTB分闸允许位都产生后再下发两站MRTB分闸命令（持续一定时间的脉冲）。

4）禄劝站和高坡站MRTB分闸，大地回线转换为金属回线的操作完成。

2 仿真验证

以云贵互联通道工程供货控制保护系统及RTDS系统搭建仿真平台，实时仿真系统结构如图3所示。禄劝站和高坡站采用功率/电流控制，肇庆站采用直流电压控制，三站额定电压均为±500kV，双极额定功率为3 000MW。

云贵互联通道工程控制保护系统采用分层分布式结构，包括运行人员控制层、控制保护层和现场层三个层次[12-13]。各分层之间、同一分层的不同设备之间通过网络、总线及其他接口相互连接，构成完整的换流站直流控制保护系统。换流站的控制保护系统之间，通过站间通信通道互联。每站单独配置开入和开出板卡完成RTDS与控制保护系统的触发脉冲、回检信号等开关量数据交互。

图3 实时仿真系统结构

为了验证对大地-金属回线转换失败原因分析的正确性及所提改进策略的有效性，以禄劝站送出功率是高坡站送出功率的0.697 6倍为例，对三端二送一模式禄劝站极1大地回线转至金属回线进行仿真。具体试验工况为：禄劝换流站极1定电流控制，电流定值为697.6A，高坡换流站极1定电流控制，电流定值为1 000A。大地回线转至金属回线的过程中合MRS录波如图4所示，大地回线转至金属回线的过程中分MRTB录波如图5所示。

图4 大地-金属回线转换过程中合MRS录波

图4和图5中，开关量1和0分别代表MRTB和MRS的合/分状态。从图中可以看出，在两站MRS合上建立金属回路后，禄劝站接地极电流变化不大，流经MRS的电流基本为0；采用所提策略后，两站MRTB顺利拉开，且未出现转换失败的现象，证明所提策略可有效解决特殊功率点附近大地-金属回线转换失败的问题。同时，金属回线通路建立后，电流转换过程较为平滑，对系统冲击较小。

图5 大地-金属回线转换过程中分MRTB录波

3 结论

本文针对云贵互联工程大地回线与金属回线并联时在特殊功率范围内流经MRS开关的电流较小，引起MRTB保护动作，最终导致转换失败的问题，提出了相应的改进策略，并搭建实际控制保护系统与RTDS实时仿真平台进行了验证。验证结果表明，所提策略能够有效解决转换失败的问题，且转换过程较为平滑，对系统冲击小。此策略已应用于实际工程，可为后续类似工程相关问题的处理提供参考。

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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

赵 倩（1988—），女，山东省临沂市人，硕士，工程师，主要从事高压直流输电工作。