多端高压直流输电系统保护动作策略

ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ

．ｉｓｓｎ．１０００－１０２６．２０１２．１０．０１８多端高压直流输电系统保护动作策略

王俊生，吴林平，郑玉平

（国网电力科学研究院／南京南瑞集团公司，江苏省南京市２１０００３

）摘要：多端高压直流输电（ＨＶＤＣ）

系统保护动作后故障处理策略的选择与多端系统结构密切相关。详细分析了串联型和并联型多端直流输电系统的闭锁和线路故障再启动逻辑２类保护动作后故障处理策略，并简要介绍了其他保护动作处理策略。快速移相及同时投旁通对是串联型常用的

闭锁策略；

并联型常采用闭锁脉冲策略，以及禁止投旁通对策略。对串联型而言，极隔离实际上是换流器隔离；由于存在多条多电压等级的直流线路，从而线路故障处理策略复杂度很高；功率回降和极平衡需各主控站协同处理；新增合大地回线开关的处理策略。对并联型而言，线路故障处理需各整流站协同处理；新增降电流后闭锁策略；新增分断直流线路开关策略，便于隔离故障直流线路。关键词：高压直流输电；多端直流输电系统；故障处理策略；串联型；并联型

收稿日期：２０１１－０６－２０；修回日期：２０１１－１０－

２０。０　引言

多端高压直流输电（ＨＶＤＣ）

系统（本文简称多端系统）在国外已经有工程应用［１－

２］，主要分两大类：一类是基于晶闸管单控器件的高压／特高压直流输

电，另一类是基于绝缘栅双极型晶体管（ＩＧＢＴ）／集成门极换流晶闸管（ＩＧＣＴ）等全控器件的ＨＶＤＣ。

本文研究前一类。

常规两端ＨＶＤＣ系统的保护动作后处理策略有２０余种。多端系统包括多个换流站，为保证非故障健全系统继续运行，除需对已有动作策略进行调整外，还需新增一些处理策略。多端系统结构框架分串联型、并联型和混合型。多端系统结构框架的不同，直接影响控制保护系统的策略和保护动作后处理策略的选取。

本文针对串联型和并联型多端系统，着重介绍闭锁和线路故障再启动逻辑２种重要的保护动作后处理策略，并简单介绍其他保护动作后处理策略。

１　总体原则

保护动作后处理策略的首要原则是切除和隔离故障，故障程度和故障范围不能因为选取的处理策略而扩大。多端系统由多个换流站及相关设备组成，输送功率大，保证非故障系统继续运行是处理策略选择的重要原则之一。由于非故障系统继续运行，因此故障换流站不能因为闭锁方式的选择而产生潮流反转，否则对故障换流站的交流系统冲击太

大：这是多端系统不同于两端系统而需要特别考虑

的原则。

２　串联型多端系统保护动作后处理策略

２．１　系统结构

虽然目前世界上运行的多端系统均采用并联型框架［

１－

３］，但由于特高压直流输电在中国的工程化应用，串联型结构又引起了国内专家学者的研究兴趣，

因此，有必要探讨串联型多端系统结构。图１为典型的串联型多端系统框架，简化起见图中只画了１个极

。

图１　串联型５端直流系统结构示意图

Ｆｉｇ．１　Ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｓｅｒｉｅｓ　ｔｙｐｅ　ｆｉｖｅ－ｔｅｒｍｉｎａｌ　ＨＶＤＣ　ｓｙ

ｓｔｅｍ将目前的±８００ｋＶ双阀组串联特高压直流输电系统的２个阀组分别建设在２个不同的换流站中，就可以形成一个串联型４端直流系统，如图２所示。

图２所示结构给控制保护系统带来的技术挑战是：原本在一个站（甚至一个控制保护系统）内的双阀组协同控制（包括正常解闭锁、故障闭锁处理策略等）分离在相隔数百千米的２个换流站间协同控制。

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１０

１—第３６卷　第１０期２０１２年５月２５日Ｖｏｌ．３６　Ｎｏ．１０

Ｍａｙ　

２５，２０１２

技术难点在于协同控制的快速性、可靠性和对设备

的无危害性

。

图２　由特高压直流输电系统演变而来的

串联型４端直流系统结构示意图

Ｆｉｇ．２　Ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｓｅｒｉｅｓ　ｔｙｐ

ｅ　ｆｏｕｒ－ｔｅｒｍｉｎａｌ　ＨＶＤＣｓｙ

ｓｔｅｍ　ｆｒｏｍ　ｕｌｔｒａ－ＨＶＤＣ　ｓｙｓｔｅｍ为便于分析，将串联型多端系统的各换流站和

各直流线路按其特点进行分类。换流站划分为

３类：

第１类换流站定义为连接最高电压（如±８００ｋＶ）直流线路以及次级电压（如±４００ｋＶ）直流线路；

第２类换流站定义为连接次级电压（如±４００ｋＶ）

直流线路以及接地极引线（或金属回线）线路；第３类换流站定义为连接２段次级高压直流

线路（如一段±６００ｋＶ、另一段±３００ｋＶ）

。对于图１所示结构，３类换流站均存在。对于图２所示结构，只有第１类、第２类换流站。直流线路按电压等

级划分为不同电压等级线路，

等级编号用ｎ表示，ｎ＝１，２，…，Ｎ，

其中ｎ越大，表示线路电压等级越高。第Ｎ电压等级线路为串联型多端系统最高电压等级的直流线路；第１电压等级线路不是接地极

引线，

接地极引线的名称不变。２．２　闭锁２．２．１　闭锁脉冲

常规两端系统中采用闭锁策略可避免整流侧阀

短路故障后损坏健康阀组。闭锁脉冲命令后，

阀被关断，电流无法通过。对串联型多端系统而言，正在

运行的串联各站（

阀组）任何一个被断流，将造成其他站（阀组）的过电压。通常，闭锁产生的过电压需

要避免；

或者说，产生过电压的闭锁方式在选择上存在问题。从串联型多端系统闭锁不间断电流考虑，期望采用投旁通对措施；从整流侧阀短路故障考虑，如果旁通对投到非故障阀组，则必然有大的短路电

流流过非故障旁通阀。目前，

选择相投旁通对的技术可靠性不高、选相速度也不一定能满足要求。因

此，

当整流侧出现阀短路故障时，动作策略不采用闭锁脉冲将产生过大的短路电流，从而损坏健康阀，采用闭锁脉冲将使非故障站产生过电压。两害取其

轻，

串联型多端系统仍采用闭锁脉冲动作策略。另外，动作策略采用闭锁脉冲的同时，发出合阀

旁通开关命令［４］

，提供电流通路，减轻非故障站过电压程度。阀旁通开关被合上时，如果其他换流站过电压保护还未动作，则有大电流通过被合上的阀旁通开关；如果其他换流站过电压保护已经动作，正在

执行快速移相，则此电流不大。为保护阀旁通开关，发出闭锁脉冲命令的同时宜发出其他整流站移相命令，不依赖于其他换流站过电压保护是否动作，但此方式又依赖于站间通信通道的好坏。

整流站采用闭锁脉冲完整的动作策略是：发出

闭锁脉冲、

合阀旁通开关、发出其他整流站移相命令。

当仅有一个整流站运行时，整流站故障可以选择闭锁脉冲命令。

２．２．２　快速移相及同时投旁通对

这是串联型多端系统最常用的闭锁动作处理策略。及时、快速投旁通对有利于保持串联型多端系

统直流电流的通路。丢失脉冲故障时，

投旁通对需避免选择丢失脉冲故障的阀组；否则，投旁通对不成功会造成其他换流站过电压。

逆变侧阀单相接地故障时，可以采纳逆变侧禁

止投旁通对的优化处理策略［５］

，

在采用优化处理策略过程中电流并不中断。

此处理策略宜同时发出合阀旁通开关命令；阀

旁通开关合上后，

撤除投旁通对命令；长时间运行时，合上阀旁通刀闸，分断阀旁通开关［

４］

。这也是能应对投旁通对不成功的有效策略。

２．２．３　快速移相及条件投旁通对

移相角度的选择需保持非故障系统的正常运行，整流侧不宜造成功率反送，直至旁通对的投入。合阀旁通开关等处理同第２．２．２节。２．２．４　其他站闭锁

串联型多端系统闭锁一个故障整流站或故障逆变站后，需相应闭锁一个健康逆变站或健康整流站，以达到电压平衡。因为换流变压器额定电压等级及

分接头挡位电压调节幅度有限，

且换流阀不宜长时间大角度运行。

２．３　线路故障后的再启动逻辑

除第２类换流站外，与各换流站相连的直流线路需划分高压端连接的直流线路和低压端连接的直流线路，其保护动作宜采取不同的策略。第１类再

启动逻辑：

所有运行于整流方式的换流站同时执行再启动逻辑。第２类再启动逻辑：直流线路电压等

级不高于第ｎ电压等级，

且运行于整流方式的各换流站同时执行再启动逻辑；第３类再启动逻辑：连接接地极线路，且运行于整流方式的换流站（即第２类

换流站）

执行再启动逻辑。以上３类再启动逻辑设定的定值在各换流站中

可以不相同，可根据各条线路的实际情况设定去游离时间等定值。

任何直流线路发生故障，均采用第１类再启动

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