特高壓直流系統(tǒng)解鎖異常故障分析

李 然，孫 毅，李 偉，呂 力，金 銘

（1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司檢修分公司，江蘇 南京 211100；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司檢修分公司，浙江 杭州 310018）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，截至2019 年底，江蘇省內(nèi)最大負(fù)荷已經(jīng)連續(xù)3 年突破1 億kW?；窗矒Q流站作為江蘇省內(nèi)的第二座特高壓換流站，其滿(mǎn)送功率可達(dá)8 000 MW，在江蘇省電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中非常重要，針對(duì)其開(kāi)展的故障分析對(duì)保證特高壓直流輸電系統(tǒng)以及區(qū)域電網(wǎng)的安全穩(wěn)定有著十分重要的意義［1-2］。

針對(duì)淮安換流站的一次解鎖異常進(jìn)行深入分析，得出了故障的根本原因，并據(jù)此提出了改進(jìn)措施。保證了雁淮直流的安全穩(wěn)定運(yùn)行，在一定程度上提升了直流能源可用率。

1 故障過(guò)程

圖1 故障前淮安換流站的運(yùn)行方式

以運(yùn)行人員工作站（Operator Work Station，OWS）操作下令的絕對(duì)時(shí)間00∶14∶32.000 為此次事件的相對(duì)起始時(shí)間t0=0，故障時(shí)間序列為：

1）t=0，運(yùn)行人員同時(shí)下發(fā)極1 單閥組解鎖命令、極2 單閥組解鎖命令；

2）t=1.386 s，極1 控制系統(tǒng)收到解鎖單閥組命令；

3）t=1.397 s，極1 高端執(zhí)行解鎖命令；

4）t=1.464 s，交流濾波器投入命令產(chǎn)生；

5）t=1.885 s，5642交流濾波器（HP12／24 型）投入；

6）t=2.350 s，極1 高端閥組解鎖完成；

改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)利用勞動(dòng)力成本較低的比較優(yōu)勢(shì)參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，取得了很大的成績(jī)。但是，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)經(jīng)過(guò)30多年的高速發(fā)展，資本快速積累，農(nóng)村勞動(dòng)力大量轉(zhuǎn)移到城鎮(zhèn)就業(yè)，我國(guó)生產(chǎn)要素的比較優(yōu)勢(shì)已經(jīng)開(kāi)始發(fā)生顯著變化。我國(guó)勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)的比較優(yōu)勢(shì)正在消失，而資本密集型產(chǎn)業(yè)的比較優(yōu)勢(shì)已經(jīng)開(kāi)始顯現(xiàn)。這是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個(gè)重要轉(zhuǎn)變，對(duì)此要在政策上予以及時(shí)調(diào)整，以恰當(dāng)應(yīng)對(duì)這種變化。

7）t=2.436 s，極2 控制系統(tǒng)收到解鎖單閥組命令；

8）后續(xù)時(shí)間內(nèi)極2 高端閥組未執(zhí)行解鎖命令。

后臺(tái)詳細(xì)的順序事件記錄 （Sequence of Event，SOE）如表1 所示。

表1 故障過(guò)程的SOE

2 故障原因分析

2.1 未執(zhí)行解鎖命令原因分析

現(xiàn)場(chǎng)檢查淮安換流站一、二次設(shè)備狀態(tài)，均無(wú)異常。隨即對(duì)SOE 進(jìn)行詳細(xì)檢查，發(fā)現(xiàn)在極2 控制系統(tǒng)收到解鎖命令前，極2 高端閥組的熱備用狀態(tài)已經(jīng)消失。

閥組熱備用狀態(tài)共有15 個(gè)條件須滿(mǎn)足：閥廳門(mén)已鎖、閥廳連鎖已完成、換流變壓器分接頭擋位就緒、閥廳接地開(kāi)關(guān)處于分開(kāi)狀態(tài)、換流變壓器冷卻系統(tǒng)已投入、交流濾波器可用、閥冷卻系統(tǒng)就緒、閥組已連接、閥控系統(tǒng)正常、直流場(chǎng)配置就緒、換流變壓器進(jìn)線(xiàn)開(kāi)關(guān)處于合上狀態(tài)、換流變壓器進(jìn)線(xiàn)開(kāi)關(guān)處于合上狀態(tài)、觸發(fā)脈沖處于閉鎖狀態(tài)、無(wú)保護(hù)跳閘信號(hào)、手動(dòng)模式或者順控自動(dòng)熱備用狀態(tài)。

綜合SOE 中的換流變壓器分接頭擋位調(diào)整可以得出，極2 高端閥組熱備用狀態(tài)消失的原因?yàn)椋簱Q流變壓器分接頭擋位就緒不滿(mǎn)足。

該條件在邏輯中由分接頭自動(dòng)控制和換流變壓器空載電壓Udi0就緒（208.21 kV＜Udi0＜212.41 kV）組成［4-6］，如圖2 所示。

圖2 換流變壓器分接頭擋位就緒判斷邏輯

Udi0的計(jì)算公式為

式中：Uab為換流變壓器網(wǎng)側(cè)電壓；DY為分接頭實(shí)際擋位，通常取的是Y 型變壓器A 相的分接頭擋位；DN為分接頭操作機(jī)構(gòu)0 擋對(duì)應(yīng)的分接頭額定擋位（雁門(mén)關(guān)換流站為26，淮安換流站為25），式（1）中均采用標(biāo)幺值。

現(xiàn)場(chǎng)檢查極1 高端閥組解鎖時(shí)的錄波發(fā)現(xiàn)，5642 交流濾波器投入前的t1時(shí)刻極2 高端換流變壓器網(wǎng)側(cè)電壓為517.03 kV，t2時(shí)刻5642 交流濾波器投入，5642 交流濾波器投入后的t3時(shí)刻極2 高端換流變壓器網(wǎng)側(cè)電壓為520.25 kV，提高了約3 kV，如圖3 所示。

將換流變壓器網(wǎng)側(cè)電壓與擋位變化情況代入式（1）可以得到極2 高端閥組的空載電壓變化情況，如表2 所示。

圖3 極2 高端換流變壓器網(wǎng)側(cè)電壓錄波

表2 極2 高端閥組的空載電壓變化情況

綜上所述，在解鎖前極2 高端閥組空載電壓滿(mǎn)足條件，極2 高端閥組處于熱備用狀態(tài)。但由于極1、極2 控制系統(tǒng)收到解鎖命令不同步（相差1.050 s），極1 高端閥組先解鎖后投入的交流濾波器抬升了交流側(cè)電壓使得此時(shí)空載電壓不滿(mǎn)足條件，極2 高端閥組退出熱備用狀態(tài)。當(dāng)極2 高端換流變壓器擋位自動(dòng)調(diào)整后，極2 高端閥組才重新進(jìn)入熱備用狀態(tài)，而此時(shí)距極2 控制系統(tǒng)收到單閥組解鎖命令已經(jīng)過(guò)去了15.755 s，導(dǎo)致解鎖失敗。

2.2 解鎖命令不同步原因分析

淮安換流站LAN 網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖4 所示，包括運(yùn)行人員控制層的監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集 （Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA）系統(tǒng)LAN 和控制保護(hù)設(shè)備層的控制系統(tǒng)LAN 兩部分，兩者之間通過(guò)高速級(jí)聯(lián)口連接在一起［7-8］。

運(yùn)行人員在OWS 上同時(shí)下發(fā)極1 單閥組解鎖命令、極2 單閥組解鎖命令后，基于客戶(hù)機(jī)/服務(wù)器的分布式結(jié)構(gòu)，該命令首先通過(guò)SCADA LAN 傳輸至服務(wù)器預(yù)處理，然后由服務(wù)器通過(guò)SCADA LAN、高速級(jí)聯(lián)口（兩級(jí)路由器）、控制系統(tǒng)LAN 傳輸至直流站控系統(tǒng)，直流站控系統(tǒng)再通過(guò)IFC 快速控制總線(xiàn)（光纖）將解鎖命令分別傳輸至極1、極2 的控制系統(tǒng)，命令傳輸過(guò)程如圖5 所示。淮安換流站LAN網(wǎng)采用的是千兆網(wǎng)絡(luò)，傳輸速率為1 Gbit/s，命令發(fā)送時(shí)延和傳輸時(shí)延理論上遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1 ms。但由于兩條命令從OWS 到直流站控系統(tǒng)之間一直采用獨(dú)立傳輸，經(jīng)過(guò)了服務(wù)器和高速級(jí)聯(lián)口（兩級(jí)路由器），一共3 個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)處理時(shí)延和排隊(duì)時(shí)延。并且前一個(gè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的時(shí)延在經(jīng)過(guò)后一個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)會(huì)被放大，產(chǎn)生更大的時(shí)延。因此造成了極1 單閥組解鎖命令、極2 單閥組解鎖命令出現(xiàn)了較大的不同步。

3 改進(jìn)措施

考慮到服務(wù)器處理命令的不同步以及LAN 網(wǎng)可能造成的網(wǎng)絡(luò)堵塞［9-10］，本次改進(jìn)通過(guò)改變解鎖命令傳輸結(jié)構(gòu)，讓各種解鎖方式用一條命令就可以直接傳輸?shù)街绷髡究叵到y(tǒng)，避免了服務(wù)器處理過(guò)程和LAN 網(wǎng)堵塞造成的不同步。直流站控系統(tǒng)處理后臺(tái)命令的執(zhí)行周期采用的是T3 周期（128 ms），理論上節(jié)點(diǎn)處理時(shí)延和排隊(duì)時(shí)延最大為128 ms，直流站控系統(tǒng)與極控系統(tǒng)采用的是IFC 快速控制總線(xiàn) （光纖），理論上傳輸時(shí)延遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1 ms，因此總的不同步時(shí)間不超過(guò)129 ms。

新增后的解鎖命令為：極1 解鎖單閥組命令（原有）；極1 解鎖雙閥組命令（原有）；極2 解鎖單閥組命令（原有）；極2 解鎖雙閥組命令（原有）；極1、極2解鎖單閥組命令（新增）；極1、極2 解鎖雙閥組命令（新增）；極1 解鎖單閥組、極2 解鎖雙發(fā)組命令（新增）；極1 解鎖雙閥組、極2 解鎖單閥組命令（新增）。改進(jìn)措施實(shí)施后的命令傳輸情況如圖6 所示。

圖6 改進(jìn)措施實(shí)施后的解鎖命令傳輸過(guò)程

解鎖命令進(jìn)行改進(jìn)后，對(duì)新增的4 條解鎖命令各進(jìn)行5 次解鎖試驗(yàn)，均成功解鎖，雙極解鎖情況如表3 所示。

表3 控制系統(tǒng)接收命令不同步時(shí)間 單位：ms

4 結(jié)語(yǔ)

國(guó)內(nèi)的特高壓直流工程已經(jīng)進(jìn)入了高速建設(shè)期，特高壓直流系統(tǒng)相關(guān)的故障分析及解決對(duì)特高壓直流輸電系統(tǒng)以及區(qū)域電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行都有著極其重大的影響。從一起特高壓直流輸電解鎖異常的故障著手分析，得出了該故障的根本原因是雙極解鎖命令的不同步。根據(jù)故障原因，提出了改變解鎖命令傳輸方式的改進(jìn)措施，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了該措施的有效性，保證了雁淮直流的可靠運(yùn)行，對(duì)后續(xù)的新建工程有一定的指導(dǎo)意義。