文 博，等 高压直流输电系统双极中性母线差动保护改进方案研究 - 99 - 范围为双极中性线区域，保护动作会对双极运行造成影响，甚至会引起直流强迫停运。国内曾发生过多起因该保护性能缺陷而最终导致的直流强迫停运事件。为了提高直流输电系统运行的可靠性，本文结合多起直流单、双极强迫停运事件，从工程的角度分析双极中性母线差动保护性能，提出改进措施，并对措施效果进行评估。 IDNE_IDIFFIDNE1IDNE2 (3) 差动电流的计算方法有两种：一种是直接采用式(2)计算，另一种在计算过程中还要判断相应直流开关的隔离刀闸状态，当隔离刀闸处于分闸状态时，相应支路电流不再参与差动电流计算。 告警段判据见式(4)。 IBNB_IDIFFIop2 (4) Iop2为告警段电流门槛，通常取75 A。 保护逻辑见图2。 告警段判据动作1 s130 ms动作段判据动作150 ms600 ms发信切换系统移相闭锁直流1 双极中性母线差动保护原理 1.1 保护概述 双极中性母线差动保护主要针对直流输电系统接地极引线和极中性母线之间的接地故障[9]，保护范围见图1中的虚线框。 图2 单极运行工况下的保护逻辑 Fig. 2 Protection logic on monopole operation condition 图1 换流站直流场一次接线示意图 Fig. 1 Schematic diagram of converter station DC field 图2中，告警段经1 s动作于发信；动作段采用1段3延时逻辑，分别经130 ms、150 ms、600 ms动作于切换系统、移相以及闭锁直流。 1.2.2 双极运行工况下的保护判据及逻辑 双极运行工况下的保护判据与单极运行工况相同，保护逻辑见图3。 告警段判据动作1 s130 ms200 ms动作段判据动作1 200 ms2 000 ms该极为控制极&&闭合NBGS闭锁直流&&&发信切换系统极平衡由图1所示，保护测量的电气量包括： (1) 极Ⅰ、极Ⅱ中性母线开关(NBS)电流IDNE1、IDNE2； (2) 双极中性母线接地开关(NBGS)电流IDGND； (3) 大地回线转换开关(GRTS)电流IDME； (4) 金属回线转换开关(MRTB)电流IDEL1、IDEL2； (5) 避雷器泄漏电流IANE。 通过判断流入和流出保护区域的电流数值是否一致，确定保护区内是否发生了接地故障[10]。 1.2 保护判据及动作逻辑 针对单、双极运行工况，保护原理有所不同。 1.2.1单极运行工况下的保护判据及逻辑 单极运行工况下保护采用定时限判据，包括动作段和报警段。动作段判据见式(1)。 IBNB_IDIFFkIDNE_IDIFFIop1 (1) 式中： IBNB_IDIFF、IDNE_IDIFF分别为保护差动、制动电流，计算公式见式(2)、式(3)；k为动作系数，取0.1；Iop1为动作段电流门槛，取100 A。 IBNB_IDIFF=|IDNE1IDNE2 IDNL1IDNL2 (2) IDMEIDGNDIANE| 图3 双极运行工况下的保护逻辑 Fig. 3 Protection logic on bipolar operation condition 与图2相比，图3中增加了经控制极判据开放保护的逻辑；利用控制极完成两极之间的协调控制，以避免双极运行时各极发出相悖的控制指令对直流输电系统运行造成影响。此外，双极工况下动作段的后三段分别经200 ms、1 200 ms和2 000 ms动作于极平衡、闭合NBGS以及闭锁直流。 2 双极中性母线差动保护性能分析 以下将结合几起直流输电系统强迫停运案例，对双极中性母线差动保护性能进行分析。
- 100 - 电力系统保护与控制 2.1 保护非电量的引入 2.1.1双极中性母线差动保护误动案例1 国内多个500 kV换流站中，双极中性母线差动保护在计算差动电流时引入了相应隔离刀闸的状态信号。如果隔离刀闸状态信号的引入方法存在缺陷，会导致保护的误判。 2011年1月31日，某500 kV换流站(简称为换流站甲)双极中性母线差动保护动作，导致极Ⅱ闭锁。经查，保护动作的原因为：极Ⅰ00102隔离刀闸(NBS刀闸)位置信号电源(直流110 V)的空气开关跳开，上送给保护的隔离刀闸状态信号错误，使保护误判为极Ⅰ已停运，造成保护差动电流计算错误，最终导致保护动作，闭锁极Ⅱ。 本起事件是由于单一元件故障最终导致单极强迫停运，即事件的根本原因为保护设计存在缺陷。包括两个问题：1) 保护差动电流计算是否应引入隔离刀闸状态信号；2) 隔离刀闸状态信号的引入方法是否存在缺陷。 2.1.2 隔离刀闸状态信号引入的必要性分析 双极中性母线差动保护仅采用模拟量(式(2))计算差动电流，从理论上是可行的，但是会对保护的运行带来隐患。例如：当极Ⅰ停运时，极Ⅰ中性母线电流(IDNE1)应为0，如果因电流采集环节故障或其他原因，导致该电流数值与实际不符，则有可能导致保护误动作。另外，还会影响直流输电系统的维护；例如：极Ⅰ停运后为测试该极电流测量设备性能，通常会开展注流试验，由于此时保护仍然采集IDNE1参与差动电流计算，对该电流测量设备的注流可能导致保护动作；必须要申请双极停运才能对单极中性线区域的电流测量设备进行检修，从而造成直流输电系统不必要的停运，并降低了维护工作效率。因此，保护差动电流计算有必要引入隔离刀闸状态信号。 2.1.3 隔离刀闸状态信号引入方法分析 在引入隔离刀闸状态信号后，如果该信号传输出现异常，可能会导致保护误动，其原因如下： (1) 隔离刀闸状态信号的传输仅采用了一路通道。换流站甲中，保护仅采用了来自于隔离开关单个辅助触点的分闸状态信号，未采用合闸、分闸辅助触点联合判别或多个辅助触点冗余判别的措施。一旦该辅助触点位置不正确，或者信号在传输中出现错误，则会造成保护误判。 (2) 隔离刀闸状态信号的传输未根据各套保护间相互独立的原则来配置。换流站甲中各套保护共用一个隔离刀闸状态信号，且隔离刀闸状态信号的传输回路仅采用一路电源。当该信号回路失电或其他原因，导致信号变位错误时，势必会造成多套保护出现误判甚至误动作。根据多重化保护配置的原则，各套保护从电气量的采样、直流供电、非电量开入、动作出口应完全独立，各套保护之间不应有电气联系[11-12]。因此，各套保护应采用隔离刀闸的不同辅助触点，以及相互独立的信号传输回路和直流供电电源。 以上隔离刀闸状态信号的传输问题在多个500 kV、660 kV换流站中均存在。 2.2 保护逻辑与动作策略 2.2.1双极中性母线差动保护误动案例2 2013年3月5日，某500 kV换流站(简称为换流站乙)发生双极相继闭锁，事件过程如下： (1) 11:40，极ⅠPCP(极控制保护系统)A主机出现事件记录时间错误，现场人员对故障进行处理，并在14:03将控制极由极Ⅰ切换至极Ⅱ。 (2) 此时极ⅡPCP B系统处于运行状态，双极中性母线差动保护动作，闭锁极Ⅱ并合上NBGS； (3) NBGS闭合后，极Ⅰ通过接地极线路和NBGS与大地相连，极Ⅰ双极中性母线差动保护动作，闭锁极Ⅰ。 导致极Ⅱ闭锁的原因为：该极PCP B系统因测量板卡故障，使双极中性母线保护差动电流增大，造成保护动作。导致极Ⅰ闭锁的原因为：极Ⅱ闭锁后，极Ⅰ直流电流同时流过NBGS和接地极线路；其中，NBGS流过的电流IDGND较大(超过650 A)，不仅使相应电流互感器饱和，还超过了NBGS电流测量元件的测量上限(300 A)，使IDGND测量数值与实际值出现偏差，产生了较大差动电流，最终导致双极强迫停运。 2.2.2保护逻辑及动作策略分析 以下从保护逻辑及动作策略两方面，对本起双极相继闭锁事件中存在的问题进行分析。 (1) 保护逻辑 经查，在极Ⅱ切换为控制极之前，其PCP B系统测量板卡已存在故障，但是直流控保系统未发告警信号。此外，按照保护逻辑应先动作于切换系统，若故障未消除，再根据保护延时依次执行其他动作策略，即保护不应直接动作于闭锁极Ⅱ。 由图3可知，双极工况下保护经控制极判据开放。极Ⅱ被切换至控制极之前，虽然差动电流已大于保护电流定值，但是保护动作出口被闭锁。极Ⅱ切换为控制极后，此时保护各段动作条件均已满足，各段同时动作，不再遵循原有动作次序，从而导致了极Ⅱ的闭锁，并同时闭合NBGS。即保护经控制极判据开放的逻辑是导致极Ⅱ闭锁的根本原
文 博，等 高压直流输电系统双极中性母线差动保护改进方案研究 - 101 - 因。此外，经控制极判据开放动作出口的逻辑使得非控制极发生故障后，无法发出告警信号，造成现场运行人员无法及时发现及处理故障，会导致故障的扩大或加重。 (2) 保护动作策略 NBGS电流传变失真是导致极Ⅰ闭锁的直接原因。NBGS一般在三种工况下投入运行：1) 接地极线路断开时，以避免不平衡电流造成中性母线出现过电压；2) 当NBS无法进行电流转换时，以减小NBS的转换电流；3) 当双极中性母线区域发生接地故障时，以避免闪络故障造成设备损坏。对于前两种工况，投入NBGS可以提高相关设备的安全性，并避免直流输电系统出现不必要的停运。对于第三种工况，虽然投入NBGS可以在一定程度对设备起到保护作用，但是也会对直流输电系统的运行带来负面影响。 (1) NBGS属于双极共用设备，其运行方式的改变势必会对双极运行产生影响。直流输电系统为降低双极强迫停运风险，将双极中性母线保护分散布置在单极直流控保设备中[11]；即某一极保护动作应避免对另外一极的正常运行造成不利影响。保护动作于闭合NBGS的策略无法满足以上要求，会增大双极强迫停运的发生几率。 (2) 部分换流站在设计NBGS电流测量设备时，根据流过其稳态电流(前两种工况)确定设备的量程。由于流过NBGS的稳态电流数值不大，其电流测量范围有限。保护如果动作于闭合NBGS，有可能导致NBGS流过较大的暂态电流，从而超出其电流测量设备正确传变的极限，甚至会导致保护的误动作。 (3) 根据运行经验，双极中性母线区域对地电压较低，电流通常较小，该区域发生接地故障的几率很小。而相比之下，单套直流控保系统误动作的概率较大。因此，保护动作于闭合NBGS不利于直流输电系统的可靠运行。 因此保护动作于闭合NBGS的策略值得商榷。 触点的信号相对应时，例如分闸信号为1且合闸信号为0时，才确认隔离刀闸已断开。 以上两种方法均可避免因单一接点接触不良或信号回路电源故障导致的保护误判。在已投运的直流输电系统中，隔离刀闸辅助触点的数量有限，无法增加接入直流控保系统的辅助触点数量。而隔离刀闸的分、合闸辅助触点信号均已引到控保系统中，具备同时采用两类触点进行判别的条件；因此建议采用方法2。此外，各套保护采用来自于不同辅助触点的信号。 3.2 保护逻辑及动作策略 3.2.1 经控制极判据开放逻辑 针对保护逻辑，提出以下两种方案。 (1) 方案1：部分动作出口不经控制极判断 方案1的保护逻辑见图4。 告警段判据动作1 s130 ms200 ms动作段判据动作1 200 ms2 000 ms该极为控制极&&&发信切换系统极平衡闭合NBGS闭锁直流 图4 方案1的保护逻辑图 Fig. 4 Protection logic of scheme 1 与原保护逻辑(图3)相比，方案1的报警段及动作段1时限不再经控制极判别。这使得非控制极发生故障后可以发出报警信号，以便于现场运行人员及时发现并处理故障；以及直流控保系统故障后的快速切换，以减小其误动作的几率。 (2) 方案2：调整控制极判据的判别条件 方案2的保护逻辑见图5。 告警段判据动作&&动作段判据动作&&该极为控制极&1 s130 ms200 ms1 200 ms2 000 ms发信切换系统极平衡闭合NBGS闭锁直流3 双极中性母线差动保护改进措施 3.1 保护非电量信号的引入 针对非电量信号的引入，提出两种改进方法。 (1) 方法1：采用双触点冗余配置方式。保护同时采用来自于隔离刀闸的两个分闸或合闸辅助触点信号，两个触点信号一致时，才判断隔离刀闸位置信号有效。 (2) 方法2：采用分、合闸触点配置方式。保护同时采用隔离刀闸的分闸及合闸辅助触点，当两类 图5 方案2的保护逻辑图 Fig. 5 Protection logic of scheme 2 方案2中保护的告警段和动作段先经控制极判据判断后，再进行延时判别。该方案可在控制极切换后，使保护仍然按原定次序动作，从而避免类似于换流站乙双极强迫停运事件的发生。
- 102 - 电力系统保护与控制 两种方案均可以减小双极中性母线差动保护误动作的几率，对原有保护逻辑的改动较小，易于实施。但是，方案2在非控制极发生故障时无法及时发出告警信号并切换系统；并且该方案在故障后保护动作所需的时间更长，不利于故障的处理以及非控制极的可靠运行。因此采用方案1。 3.2.2 保护动作策略 针对保护动作策略，提出两种改进措施。 (1) 措施1：保护动作于闭合NBGS的策略不变，更换NBGS电流测量设备，增大有效测量范围，以避免电流不正确传变导致的保护误判。 (2) 措施2：取消闭合NBGS的保护动作策略。 措施1虽然可以降低保护误动的几率，但是未解决单极保护动作对另外一极正常运行造成不利影响的问题；且该措施需要投入的资金较多，实施过程中直流输电系统停运时间较长，降低了相应设备的可用率。相比于措施1，措施2可更有效地提高直流输电系统运行可靠性，且更易于实施。基于以上考虑，选择措施2。 3.3 最终改进方案 基于以上分析，确定保护的最终改进方案： (1) 保护采用隔离开关分闸、合闸触点冗余配置方式，各套保护采用来自于不同辅助触点的信号，从而避免保护因非电量信号传输问题出现误判，并确保直流输电系统运行维护工作效率。 (2) 取消双极运行工况下保护报警段、动作段1时限经控制极判据开放的判别逻辑； (3) 取消双极运行工况下保护动作于闭合NBGS的动作策略。 改进后的保护逻辑见图6。 告警段判据动作1 s130 ms动作段判据动作200 ms2 000 ms该极为控制极&&发信切换系统极平衡闭锁直流差动电流计算的隔离刀闸状态信号引入方法易造成保护的误判；2) 在双极工况下，保护经控制极判据开放的逻辑以及动作于闭合NBGS的策略会造成极误闭锁。以上缺陷可能导致由于单一元件故障引起的直流单、双极强迫停运，降低了直流输电系统的运行可靠性。 (2) 针对以上缺陷提出改进措施：1) 保护采用分、合闸辅助触点冗余配置方式，且各套保护采用来自于不同辅助触点的信号；2) 取消双极运行工况下保护告警段、动作段1时限(动作于切换系统)经控制极判据开放的判别逻辑；3) 取消双极工况下保护动作于闭合NBGS的策略。 目前，保护改进方案已在多个500 kV直流输电系统中实施，采用该方案后，双极中性母线差动保护运行情况良好。 参考文献 [1] 穆子龙, 王渝红, 彭灿, 等. 四川电网由高压直流输电引起的次同步振荡特性研究[J]. 电力系统保护与控制, 2013, 41(3): 21-25. MU Zilong, WANG Yuhong, PENG Can, et al. Study on SSO characteristic of Sichuan power grid caused by HVDC[J]. Power System Protection and Control, 2013, 41(3): 21-25. [2] 张海凤, 朱韬析. 整流侧交流系统故障对高压直流输电系统的影响[J]. 继电器, 2007, 35(15): 24-27. ZHANG Haifeng, ZHU Taoxi. Influence of rectifier AC fault on HVDC transmission system[J]. Relay, 2007, 35(15): 24-27. [3] 康建爽, 曹森, 张民, 等. 高压直流输电系统双极功率调制异常分析[J]. 电力系统保护与控制, 2014, 42(9): 147-153. KANG Jianshuang, CAO Sen, ZHANG Min, et al. Analysis of the bipolar power abnormal modulation for HVDC transmission system[J]. Power System Protection and Control, 2014, 42(9): 147-153. [4] 王俊生, 沈国民, 李海英, 等. ±800 kV特高压直流输电双极区保护的若干问题探讨[J]. 电力系统自动化, 2006, 30(23): 85-88. WANG Junsheng, SHEN Guomin, LI Haiying, et al. Discussion on some problems in bi-pole area of ±800 kV ultra HVDC system protection[J]. Automation of Electric Power Systems, 2006, 30(23): 85-88. [5] 杨汾艳, 徐政. 直流输电系统典型暂态响应特性分析[J]. 电工技术学报, 2005, 20(3): 45-52. YANG Fenyan, XU Zheng. Typical transient responses in 图6 保护改进方案逻辑 Fig. 6 Protection logic of improvment scheme 4 总结 本文结合两起高压直流输电系统强迫停运案例，从工程的角度对直流双极中性母线差动保护性能进行了分析，得出如下结论： (1) 国内部分高压直流输电系统的双极中性母线差动保护性能存在缺陷，主要包括：1) 参与保护
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