刘旭辉 宋延涛 张爱玲 戴国安 孙巍峰



基于SIMATIC-TDC的特高压直流OLT优化策略

刘旭辉 宋延涛 张爱玲 戴国安 孙巍峰

（许继电气股份有限公司，河南许昌 461000）

通过分析了基于SIMATIC-TDC的特高压楚穗直流穗东换流站，极1双阀组不带线路直流开路试验（OLT）闭锁期间极1低端出现直流过压保护（59/37DC）Ⅰ段动作的原因，针对基于SIMATIC-TDC的特高压直流开路试验闭锁期间固有的直流过压保护动作问题给出了优化方案，并通过实时数字仿真平台进行相关的直流开路试验仿真试验。该方案有效解决了直流开路试验闭锁期间直流过压保护动作的问题，验证了优化方案的可行性，并在即将进行的基于SIMATIC-TDC的特高压楚穗直流和普侨直流的控制保护软件升级优化中得到实施。

特高压直流；SIMATIC-TDC；开路试验；直流过压保护；实时数字仿真

随着我国经济的快速发展，全社会日益增加的用电需求与电网输电能力的矛盾愈来愈突出。鉴于高压直流输电在大容量、长距离输电方面的独特优势，自1989年第一条商用高压直流输电工程葛南工程投运以来，特别是2010年以后，高压直流输电工程进入了投运高峰期。截止2016年上半年，我国已建成超高压、特高压直流输电线路20余条，并将在2017年有至少5条特高压直流输电工程投入商业运行[1-3]。

直流开路试验（open line test, OLT）又称空载加压试验，主要目的包括：检测换流阀的触发能力及耐压能力[4]；检测直流场设备和直流线路的绝缘水平[5]；检测控制系统顺序控制与保护系统动作的正确性[6]。因此，OLT是高压直流输电系统设备检修或长时间停运后正式投运前不可或缺的一项试验。

世界上第一条±800kV特高压直流输电工程楚穗直流以及随后的特高压直流输电工程普侨直流，均采用西门子（SIEMENS）公司提供的多处理器的高性能自动化系统SIMATIC-TDC来实现直流输电系统的控制保护搭建[7]。针对基于该平台在上述两个特高压直流输电工程中进行OLT闭锁时出现的保护跳闸问题，本文提供了优化方案，并通过实时数字仿真（real time digital simulator, RTDS）系统进行相关的OLT仿真试验，验证了优化方案的可行性，即将在基于SIMATIC-TDC的特高压直流输电工程的控制保护软件升级优化中实施。

1 OLT的基本原理

1.1 理想空载直流电压计算原理

根据高压直流输电的换相原理[8-9]，以一个6脉动换流器为例进行分析，如图1所示，a、b、c分别为换流器三相换相电压；r为换流器等值换相电感；V1—V6为换流器晶闸管换流桥臂（阀）；换流阀两端并联RC缓冲电路。其中，阀V2、V4、V6共阳极，称为共阳极阀组；阀V1、V3、V5共阴极，称为共阴极阀组。

图1 6脉动换流器原理接线图

本文假定换流变阀侧交流三相对称，相电压超前换相电压p/6，根据高压直流输电的换相原理，可以得到6脉动理想空载直流电压，即

式中，为换流阀的换相电压有效值，为换流阀V1以正常工作时换相电压ac过零点时刻为参考点的延迟触发角。6脉动直流输电系统理想空载直流电压完整表达式为

12脉动直流输电系统理想空载直流电压完整表达式为

由换流阀的无相控空载直流电压为

得到12脉动直流输电系统理想空载直流电压常用表达式，即

1.2 OLT的系统结构

根据试验检测对象的不同，可将OLT分为不带直流线路OLT和带直流线路OLT两种[10]，从长距离高压直流输电系统结构上看，这两种试验方法的区别在于不带直流线路OLT的开路点（悬浮点）设在高压直流线路的首端，如图2所示。

图2 带直流线路OLT系统结构示意图

如图3所示，带直流线路OLT的开路点设在高压直流线路的末端，检测直流线路的绝缘水平及耐压能力。

2 基于SIMATIC-TDC的特高压直流OLT

本文以特高压楚穗直流穗东换流站极1双阀组不带直流线路OLT为例，阐述其解闭锁过程[11]。

2.1 OLT解锁过程

2012年02月03日，穗东换流站直流场按OLT要求进行配置完成后，运行操作员在运行人员工作站（operator work station, OWS）下发由备用到闭锁顺序控制命令，双阀组换流变进线断路器闭合进行换流变充电，待双阀组换流变分接头调至基准档位后，OWS顺序控制到达闭锁状态，具备OLT解锁条件，OLT解锁过程原理图如图4所示。

图3 带直流线路OLT系统结构示意图

图4 OLT解锁原理图

由图4可知，运行操作员在OWS下发解锁OLT命令，该命令在极控系统产生15s脉冲并通过置位优先RS触发器对解锁命令进行保持，直到无脉冲释放信号才能复归保持的解锁命令。极控系统产生持续的解锁命令通过MFI控制总线发送给阀组控制系统，在无闭锁请求的条件下发出释放脉冲信号，阀基电子设备（valve base electronic, VBE）收到释放脉冲信号后将触发脉冲送给换流阀，导通换流阀。

2.2 OLT闭锁过程

OLT解锁成功后，阀组控制系统的直流电压控制器开始调节触发角由160°向5°方向移动，直流电压随之增加。运行操作员可以在OWS设定OLT要达到的直流电压期望值（参考值），以及直流电压升降速率（一般不大于200kV/min），在直流电压升降过程中，运行操作员还可以在OWS设定直流电压升降暂停或继续，直至达到运行操作员在OWS设定的直流电压参考值为止。

一般情况下，OLT直流电压参考值最大为直流电压额定运行值，即楚穗直流双阀组OLT直流电压参考值最大为±800kV，并在直流电压升至±800kV后保持一段时间，用于充分检测换流阀的触发能力及耐压能力，以及直流场设备绝缘水平，保证直流系统设备设计合理、安全可靠[12-13]。具备正式送电要求之后，运行操作员将在OWS下发手动闭锁OLT命令，OLT闭锁过程原理图如图5所示。

图5 OLT闭锁原理图

由图5可知，极控系统收到闭锁OLT命令后产生1s闭锁脉冲（确保闭锁命令能够得到执行），同时检测直流电流d_act＜0.12p.u.和脉冲释放信号的存在，随即产生闭锁脉冲指令，并通过MFI控制总线送给阀组控制系统，完成封脉冲逻辑。事实上，在OLT过程中，直流电流接近于0，组控系统脉冲释放信号始终存在，因此一旦运行操作员在OWS下发闭锁OLT命令，直流电压就会迅速跌落到0，触发角随即移至160°。

3 基于SIMATIC-TDC的特高压直流OLT闭锁过程中故障分析

3.1 直流过压保护配置[14]

楚穗直流阀组保护系统配置直流过压保护（59/37DC）具有Ⅲ段，具体动作判据如下。

1）Ⅰ段动作判据

高端阀组：（dH-dM）＞412kV &dCH=0，延时40ms出口。

低端阀组：（dM-dN）＞412kV &dCH=0，延时40ms出口。

2）Ⅱ段动作判据

高端阀组：（dH-dM）＞416kV，延时1s出口。

低端阀组：（dM-dN）＞416kV，延时1s出口。

3）Ⅲ段动作判据

高端阀组：（dH-dM）＞620kV，延时40ms出口。

低端阀组：（dM-dN）＞620kV，延时40ms出口。

其中，dH为直流场极线直流电压，dM为高/低端阀组中点直流电压，dN为直流场中性线直流电压，dCH为对应阀组阀厅极线直流电流。

3.2 OLT闭锁故障分析

2012年2月，特高压楚穗直流穗东换流站进行极Ⅰ双阀组不带线路OLT试验，极2处于备用状态，穗东换流站极1 OLT解锁后，直流电压按照运行操作员在OWS设定直流电压升降速率升至-800kV，并在-800kV保持数分钟，无异常状况。随后运行操作员在OWS执行手动OLT闭锁，在此过程中，极Ⅰ低端阀组保护系统出现直流过压保护（59/37DC）Ⅰ段动作，500kV交流场极1低端换流变进线开关跳开，极Ⅰ低端阀组控制系统退出至备用状态[15-16]。

对比极Ⅰ低端阀组保护系统故障时刻前后dH、dM、dN的暂态故障录波，如图6所示，发现dH和dN趋于稳定，而dM持续出现振荡，原因在于dH和dN测点的直流分压器与直流滤波器并联，从而滤除了流入直流线路和接地极引线中的谐波，而dM测点的直流分压器无相应的谐波滤除装置，谐波完全由其直流分压器自身电容承担，电压质量明显劣与dH和dN。

图6 UdH、UdM和UdN的暂态波形

在手动OLT闭锁瞬间，根据楚穗直流OLT闭锁原理可知，直流电压会瞬间跌落至0，导致dM直接突变至-450kV左右，使得dM-dN的差值直接突变至-450kV，满足极Ⅰ低端阀组保护系统直流过压保护（59/37DC）Ⅰ段保护动作判据，导致保护跳闸出口。

为了分析手动OLT闭锁瞬间极Ⅰ低端阀组保护系统采集的dM出现突变的问题，对比测量系统和极Ⅰ低端阀组保护系统dM的暂态故障录波，如图7所示。发现故障时刻前，测量系统的dM便有上下100kV的振荡，而保护系统使用的dM是经过低通滤波后的，直流电压基本稳定在-400kV，因此不会满足保护系统直流过压保护（59/37DC）Ⅰ段保护动作判据。在手动OLT闭锁瞬间，从dM测点通过直流分压器送给测量系统的电压值突变为-450kV，最后缓慢下降，由于电压突变为非周期波形，使得保护系统的低通滤波功能无法通过滤波消除谐波影响，从而最终满足直流过压保护（59/37DC）Ⅰ段保护判据，导致保护出口。

图7 测量系统和保护系统的UdM暂态波形

4 基于SIMATIC-TDC的OLT闭锁优化

4.1 OLT闭锁逻辑优化原理

通过上述对穗东换流站极Ⅰ双阀组不带线路OLT试验中，闭锁时刻极Ⅰ低端阀组保护系统直流过压保护（59/37DC）Ⅰ段保护动作问题的分析可知，造成过压保护动作的原因在于手动OLT闭锁时直流电压瞬间跌落，dM出现大的波动，满足了过压保护动作判据。针对楚穗直流穗东换流站手动OLT闭锁出现的问题，本文提出了手动OLT闭锁优化逻辑方案，如图8所示。

由优化后OLT闭锁原理图可知，运行操作员在OWS下发手动闭锁OLT命令给极控系统，极控收到该命令后，检测直流电流d_act小于0.12p.u.，则通过置位优先RS触发器保持该命令，直到封脉冲后才能复归该命令。RS触发器产生的OLT闭锁命令首先将直流电压参考值强制设定为0，经过斜坡后的直流电压参考值按照运行操作员在OWS设定电压升降速率开始自动下降，下降过程中可以手动暂停和继续OLT，直到斜坡后的直流电压参考值小于5‰，同时检测到有脉冲释放信号存在，产生闭锁脉冲指令，并通过MFI控制总线送给阀组控制系统，完成封脉冲逻辑。

图8 优化后OLT闭锁原理图

4.2 OLT闭锁逻辑优化仿真

按照上面优化后的手动OLT闭锁逻辑，利用楚穗直流RTDS仿真平台进行穗东换流站极Ⅰ双阀组不带线路OLT闭锁试验，极2处于备用状态。试验人员在OWS设定电压升降速率200kV/min，极Ⅰ直流电压dH按照200kV/min升至-800kV，并在-800kV保持数分钟，没有出现异常现象，然后试验人员在OWS下发手动闭锁OLT命令，试验波形如图9所示。

图9 OLT闭锁过程中UdH、UdM和UdN的暂态波形

由OLT闭锁过程中dH、dM和dN的暂态波形可知，在OLT闭锁过程中dH、dM和dN稳定，以及（dH-dM），（dM-dN）按照200kV/min的速率缓慢下降，期间没有发生阀组保护系统直流过压保护（59/37DC）保护动作的情况。

通过优化后OLT闭锁原理图及仿真结果可知，优化后OLT闭锁逻辑原理相比优化前，最大的优点在于，运行操作员在OWS下发手动闭锁OLT命令后，直流控制系统不会瞬间闭锁脉冲造成dM出现突变，而是按照运行操作员在OWS设定的电压升降速率缓慢的降至0，期间dM不会出现突变，使得阀组保护系统采集到的dM能够通过低通滤波环节滤除谐波的影响，保障阀组保护系统采集到的UdM电压质量较好且趋于稳定，随OWS设定的电压升降速率缓慢下降，不会出现直流过压保护（59/37DC）保护动作。

5 结论

本文介绍了特高压直流输电系统OLT计算原理和系统结构，以及基于SIMATIC-TDC的特高压直流OLT的解闭锁试验过程，详细分析了基于SIMATIC- TDC的特高压楚穗直流穗东换流站OLT闭锁期间极1低端阀组保护系统出现直流过压保护（59/37DC）Ⅰ段动作的原因。针对基于SIMATIC- TDC的特高压直流OLT在闭锁期间固有的直流过压保护（59/37DC）动作问题给出了优化方案，并通过特高压楚穗直流RTDS仿真平台进行相关的OLT仿真试验。该方案有效地解决了手动OLT闭锁期间直流过压保护动作的问题，验证了优化方案的可行性，并在即将进行的基于SIMATIC-TDC的特高压楚穗直流和普侨直流的控制保护软件升级优化中得到 实施。

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Optimization Strategy of UHVDC OLT based on SIMATIC-TDC

Liu Xuhui Song Yantao Zhang Ailing Dai Guoan Sun Weifeng

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

This paper gives a detailed analysis of pole 1 low valve group protection system broke DC overvoltage protection one-level action during the pole 1 double valve group open line test block process without DC line in UHVDC Chuxiong-Suidong HVDC project based on SIMATIC-TDC, the optimization scheme is presented for the inherent DC overvoltage protection action during the open line test block process of UHVDC based on SIMATIC-TDC, and through DC open line test simulation test was carried out by means of the real time digital simulation platform in UHVDC Chuxiong-Suidong HVDC project, this scheme effectively solves the DC voltage protection action during the open line test block process , the feasibility of the optimization scheme is verified, and in the upcoming DC control and protection software to be implemented in the optimization of UHVDC Chuxiong-Suidong HVDC project and Puer-Qiaoxiang HVDC project based on SIMATIC-TDC.

UHVDC; SIMATIC-TDC; OLT; DC overvoltage protection; RTDS

刘旭辉（1984-），男，河南省许昌市人，硕士研究生，工程师，主要从事高压直流输电控制技术研究、系统仿真、工程应用与运行维护工作。