特高压直流输电工程直流分压器动态特性及其引起的误闭锁机理研究
滕予非1，汤涌2，汪晓华1，陈刚1，刘耀2，张宏图3
(1.国网四川省电力公司电力科学研究院，四川省 成都市 610072;
2.中国电力科学研究院，北京市 海淀区 100192;
3.国网四川省电力公司，四川省 成都市 610072)
Mechanism Analysis of Error Block Caused by Dynamic Characteristics of
DC Voltage Divider in UHVDC
TENG Yufei1, TANG Yong2, WANG Xiaohua1, CHEN Gang1, LIU Yao2, ZHANG Hongtu3
(1. State Grid Sichuan Electric Power Research Institute, Chengdu 610072, Sichuan Province, China;
2. China Electric Power Research Institute, Haidian District, Beijing 100192, China;
3. State Grid Sichuan Electric Power Company, Chengdu 610072, Sichuan Province, China)
ABSTRACT: In order to conduct mechanism analysis of error block caused by dynamic characteristics of DC voltage divider (DCVD) in UHVDC, transient breakdown process in DCVD secondary side is theoretically derived by means of transfer function derivation in the paper firstly. Theoretical results show that even primary side DC voltage remains unchanged after breakdown in DCVD secondary side, voltage measurement results also experience a transient process of hundred milliseconds before it returns to normal levels. Secondly, an accident of HVDC block caused by DCVD is analyzed. Response characteristics of control and protection system are studied, and HVDC error block mechanism is proposed. Thirdly, correctness of theoretical analysis is verified with PSCAD/EMTDC simulation, and some countermeasures for avoiding the accidents are proposed. Finally, analysis shows that there is no risk of HVDC error block on condition of breakdown in secondary side of inverter DCVD.[1]
KEY WORDS: HVDC; DC voltage divider; control and protection system; VDCOL; under-voltage protection
摘要：为研究直流分压器暂态特性引发特高压直流误闭锁的机理，首先求取了直流分压器的传递函数。特别地，对其二次侧放电回路击穿后的暂态过程进行理论推导。分析表明，直流分压器二次侧放电回路击穿后即使一次侧直流电压维持不变，电压测量值也需经历一个百毫秒级的暂态过程，方能恢复正常水平。其次，针对某特高压直流因整流站直流分压器异常引发闭锁的实例进行分析，研究了特高压直流整流侧电压指令测量异常的工况下，控制保护系统各环节的响应特性，阐明了该工况下直流电压、电流异常降落的原因，揭示了直流误闭锁机理。第三，基于PSCAD/EMTDC的仿真验证了理论分析的正确性，进而有针对性地提出了反事故措施建议，并利用仿真结果验证了措施的有效性。最后，对逆变站直流分压器二次侧放电回路击穿后暂态特性的分析表明，逆变站直流分压器二次侧放电管击穿短路不会导致直流系统控制保护系统异常响应，甚至发生闭锁事故。
关键词：高压直流;直流分压器;控制保护系统;VDCOL;欠压保护
DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2016.09.010
0 引言
多年的技术开发和运行经验表明，我国在超特高压直流输电技术领域虽已达到国际领先水平[1-4]，
然而在直流输电系统设计、设备制造和控制保护系统性能等方面仍然存在部分缺陷，对直流输电系统安全运行造成威胁[5-7]，甚至成为两端交流电网安全运行的隐患[8-10]。
直流分压器是特高压直流输电系统电压量测量的重要设备[11]，其测量结果直接作用于直流系统控制闭环，与直流输电运行的可靠性密切相关[12]。2015年9月西南某±800 kV特高压直流工程的送端换流站在强雷暴天气下，双极直流母线分压器二次侧同时出现了瞬时过电压，并导致气体放电管击穿，最终引起直流双极闭锁，损失功率5400 MW，引起学术界和工业界的广泛关注。
运行实践表明，直流分压器测量异常影响直流正常运行的事件并不罕见。文献[13]针对复奉直流两侧换流站直流分压器在阴雨、雾霾天气下二次侧电压异常跳变的情况，分析了直流分压器工作原理以及其内部电阻发热、外部电场畸变等问题，提出直流分压器设备优化设计的方法。文献[14]针对高肇直流出现的电压异常波动问题进行了分析，确认事故原因是直流分压器光电转换模块工作不稳定，进而影响了直流系统的调制功能。类似事件在四川德阳—宝鸡超高压直流工程也曾发生[15]。文献[16]结合现场实测波形，通过PSCAD/EMTDC仿真分析定性确定了直流分压器内部不同故障点所引起的电压变化规律，并给出相关反事故措施建议。然而，以上文献大多关注直流分压器故障后特高压直流异常动作的结果，没有对直流分压器故障的暂态过程进行理论推导，也未对次暂态过程中特高压直流控制保护系统控制行为以及直流工程的响应行为进行细致的分析。
基于此，本文在对直流分压器传递函数进行理论推导的基础上，针对2015年9月某±800 kV特高压直流工程闭锁的实例，通过理论及仿真相对比的方法，详细分析了整流侧直流分压器二次侧回路击穿引发误闭锁的机理，并初步探讨了相应的反措建议。同时，考虑到整流侧与逆变侧控制保护逻辑的区别，还利用仿真模型分析了逆变侧直流分压器二次回路击穿后直流系统运行特性，得出了相应的结论。
1 直流分压器结构及动态响应特性
1.1 直流分压器结构与传递函数
特高压换流站所采用的直流电压分压器结构如图1所示。由图1可知，直流分压器利用阻容分压的原理实现双级变压，第1级将800 kV一次电压降低至70 V并引入平衡模块。平衡模块中装设了气体放电管，对二次系统进行保护。在后续分压模块中，70 V输入电压又将变化至5 V，并经过隔离放大器后输入控保系统。
图1 特高压直流输电工程直流分压器结构
Fig. 1 Structure of DC voltage divider in UHVDC
忽略第2级的分压模块，可以得到直流分压器的等效电路如图2所示。图中元件参数是来自某实际特高压直流工程。
图2 特高压直流输电工程直流分压器等效电路
Fig. 2 Equivalent circuit of DC voltage divider in UHVDC
利用基尔霍夫定律对图2所示的直流分压器等效电路进行分析，可以得到输出电压U2与直流电压U1间的微分方程关系如式(1)所示。
(1)
式中：R1、R2分别为直流分压器高压桥臂与低压桥臂的等值电阻;C1、C2分别为直流分压器高压桥臂与低压桥臂的等值电容;u1、u2分别为一次侧直流电压以及分压器二次侧电压。
对式(1)进行拉普拉斯变换，可得到直流分压器的传递函数为
(2)
式中
、
分别是
、
在0时刻的初始值。
1.2 直流分压器暂态响应特性分析
针对直流分压器正常运行，以及误闭锁过程出现的几种工况，可从以下3种工况分析直流分压器的暂态响应特性。需要说明的是，由于过电压后气体放电管绝缘恢复时间极短，以下分析中将近似认为放电管绝缘在击穿后瞬间得以恢复。
1.2.1 直流正常解锁期间直流分压器暂态特性
该工况下，
、
在0时刻的初始值满足
，设定在0时刻，
施加了幅值为VD的阶跃激励，由此可以得到在此过程中，
的暂态响应满足：
(3)
由上式可知，虽然
在0时刻的初始值为0，但是在阻容分压回路的作用下，一旦
施加了幅值为VD的阶跃激励，
的电压会突然升高，满足：
(4)
该初始电压通过一阶动态响应，逐渐变化至稳态值：
(5)
由式(4)(5)可知，当直流分压器设计合理时，阻容分压回路完全匹配，即满足
(6)
电压阶跃响应的初始值与稳态值几乎相等，可以认为直流分压器未经过暂态过程直接进入稳态，暂态响应过程极短。
1.2.2 低压臂瞬时击穿后直流分压器暂态特性
该工况下，由于低压臂短路，
在0时刻的初始值满足
，但一次系统电压0时刻的初始值却等于直流系统额定电压，即
。考虑整个过程中，
维持幅值为VD的直流电压，由此可以得到在此过程中，
的暂态响应满足：
(7)
由上式可知，在直流分压器低压臂短路恢复瞬间，由于低压臂电容的充电过程，
的电压依然保持为0，即
(8)
该初始电压通过一阶动态响应，逐渐变化至与式(4)相同的稳态值。
同时，由式(6)，根据图2所示参数，在此工况下分压器回路的时间常数τ满足：
(9)
由此可见，在直流分压器低压臂被瞬时击穿后，即使一次侧直流电压维持不变，电压测量值也需经历一个百毫秒级的暂态过程，方能恢复正常水平。表1给出了当一次侧直流电压保持1.0 pu不变时，分压器低压臂被击穿后，测量电压值恢复到
0.35 pu(欠压保护整定值)、0.7 pu(VDCOL环节整定值)以及结束过渡过程时间。
表1 暂态过程时间计算
Tab. 1 Transient time calculation
时刻经历时间/ms
恢复到0.35 pu(高于欠压保护整定值)68.5
恢复到0.7 pu(高于VDCOL上限整定值)191
结束暂态过程477
1.2.3 直流分压器低压臂瞬时击穿且一次侧直流电压瞬时跌落后分压器暂态特性
该工况下，
在0时刻的初始值满足
，但一次系统电压0时刻的初始值却等于直流系统额定电压，即
。为突出特点，忽略一次侧电压的跌落过程，考虑从0时刻起，
直流电压降低至为kVD(k<1)，由此可以得到在此过程中，
的暂态响应满足：
(10)
由上式可知，由于直流分压器二次侧瞬时击穿，且0+时刻一次侧直流电压也由VD降低为kVD，则低压臂电压
在0时刻的初始值将变为：
(11)
由于k<1，因此该时刻低压臂测量直流电压为负值。该初始电压通过一阶动态响应，逐渐变化至稳态值：
(12)
同样，可以算得该分压器回路的时间常数依然满足表达式(9)。
1.3 直流分压器暂态响应仿真
利用PSCAD构建图2所示的直流分压器电路，根据前文分析，设置以下3种不同的工况。
工况1：为模拟直流正常解锁期间直流分压器的暂态响应，设置t=0.3 s时，U1处施加800 kV阶跃电压。0.3 s前C1、C2均未充电。
工况2：为模拟直流分压器低压臂短路恢复后直流分压器的暂态响应，设置U1一直施加800 kV直流电压，t<0.3 s时低压侧阻容C2、R2被短路，t=0.3 s
时短路点断开。
工况3：为模拟直流分压器低压臂短路恢复同时直流一次侧系统电压降低后直流分压器的暂态响应，设置U1一直施加800 kV直流电压，t<0.3 s时低压侧阻容C2、R2被短路，t=0.3 s时短路点断开，同时t=0.31s时U1电压由800 kV降低至400 kV。
可以得到，以上3种工况下PSCAD仿真得到的电压U2如图3所示。
图3 3种工况仿真结果
Fig. 3 Simulation results for three operation conditions
由图3可知，在直流系统一次回路充电瞬间，直流分压器二次侧可以即时响应。然而，在直流分压器低压臂被瞬时击穿后，即使一次侧直流电压维持不变，电压测量值也需经历一个百毫秒级的暂态过程，方能恢复正常水平。此时，如果一次侧直流电压同时出现了快速跌落，直流电压测量值还可能出现负值。该仿真结果与之前分析一致，验证了理论分析的正确性。
2 整流站直流分压器二次侧放电回路击穿导致特高压直流误闭锁分析
2.1 特高压直流误闭锁事件描述
2015年9月19日，西南某特高压直流工程极I双阀组、极II高端阀组大地回线全压5400 MW运行。21:58:00，特高压直流监控系统报出“线路故障欠压保护动作”，极I、极II相继闭锁。事件的故障录波如图4所示。
由图4可知，当直流分压器二次侧击穿瞬间整流站直流测量值突变到零。随后，由逆变侧波形可知直流电压电流均出现了大幅下降，整流站直流测
图4 故障录波
Fig. 4 Fault record wave
量值出现了负值。击穿90 ms后换流器触发角强制移相，直流输电系统丧失功率传输能力。
同时，由图4还可看出在整流侧直流测量值突变为0的瞬间，虽然极I直流电压测量值发生了突变，但直流控制触发角以及直流电流均保持恒定，该事件发展过程与直流一次系统短路、断线等故障后的发展过程完全不同。因此可以判定此次过程中，直流一次系统未发生任何扰动，直流电压突变是由于测量系统故障导致的。
2.2 特高压直流误闭锁事件过程分析
根据事件发生的过程，可将事件发展过程描述为以下4个阶段，其中阶段1—3在图4中分别由区域(1)(2)(3)表示。
1)阶段1：控制系统未动作，直流系统正常运行阶段。
如图4中区域(1)所示，该阶段从直流分压器气体放电管击穿开始，至VDCOL环节发挥作用结束，持续时间约为5~6 ms。由于该阶段持续时间不到直流分压器二次侧时间常数的4%。因此直流电压测量恢复值低于0.1 pu。
然而，根据特高压直流输电工程控制保护系统，直流电压的测量值将通过一个15 ms的一阶惯性环节，方才输入VDCOL环节。因此即使一次电压出现了从800 kV到0 kV的阶跃响应，VDCOL的输入电压依然需要经历时间t后，方可输出低于VDCOL开始限流的整定值。其中：
(13)
因此，在此期间，所有控制环节均未动作。直流系统保持正常运行。
2)阶段2：VDCOL动作，直流系统电流电压同时跌落。
如图4中区域(2)所示，该阶段从直流控保系统VDCOL动作开始，至保护发出触发角移相结束，持续时间约为86 ms。
由式(7)和表1可知，该阶段由于整流侧电压测量值一直没有恢复，整流站VDCOL环节开始降低电流指令。由图4可知，整流站VDCOL环节在18 ms
内将直流电流指令由1.0 pu降低至0.345 pu。
然而，在整流侧电流指令下降期间，由于逆变侧直流电压依然保持1.0 pu，逆变侧电流指令值完全没有变化，仍然保持为0.9 pu的状态。因此在直流分压器二次侧回路击穿后7.8 ms，整流站电流指令降低至0.9 pu以下，从而出现了整流站电流指令低于逆变站电流指令的情况。
图5给出了该运行工况下直流输电的控制特性。由图可知由于导致整流侧电流指令小于逆变侧直流工程没有稳定运行点，逆变侧为提升直流电流不断降低逆变侧触发角α，而整流侧为降低直流电流也在不断升高整流侧触发角α，两侧控制系统对触发角的调节均导致一次系统直流电压出现快速下降。
图5 本次异常情况下直流输电控制特性示意图
Fig. 5 Control characteristics of HVDC in
such abnormal condition
由图4可示逆变站录波表明，在控制系统的作用下，极I直流系统电压在70 ms内降低至334 kV左右。在低压臂充电过程以及一次系统电压降低共同作用下，由式(8)可知，直流分压器低压臂上测得的电压出现了负值，由图4(a)录波可知，极I电压最低侧到了-383 kV，而极II则最低达到了-155 kV。
一次系统电压降低的另一个效果是延长了测量电压恢复至0.35 pu的时间，增加了欠压保护误动的可能性。
3)阶段3。直流保护动作，发出重启指令，触发角移相。
如图4中区域(3)所示，该阶段是从特高压直流整流侧欠压保护动作开始的。欠压保护的原理是当直流线路发生故障时，直流电压无法维持额定，会出现大幅度降低。通过对直流电压的检测，如果发现直流电压低于整定值，并持续一定的时间，同时没有发生交流系统故障、也没有发生换相失败，判断为直流线路故障。
其具体判据为
(14)
UDL_set全压时为0.35 pu，降压时为0.25 pu。由于直流线路欠压保护为后备保护，因此动作前需延时80~90 ms。根据直流控保逻辑，直流线路欠压保护的动作结果是启动线路重启逻辑。
在本次事件中，由于直流分压器二次侧放电回路击穿同时一次系统电压在控制系统异常响应情况下快速下降，因此整流侧直流测量电压跌落后一直没有恢复至0.35 pu，因此在整流侧直流分压器二次侧击穿后90 ms，欠压保护动作。
4)阶段4。重启指令消失，直流双极Y闭锁。
欠压保护动作触发的是直流重启动逻辑，因此，若整流站单极直流分压器二次回路击穿后，直流能正常重启动，根据式(2)，直流工程可恢复正常运行。
然而根据现有特高压直流重启动策略，当特高压直流双极运行时，若故障极功率在2000 MW以上，则原压再启动2次，同时闭锁另一极的再启动功能5 s。由图4可知，本次事件中由于双极直流分压器二次侧几乎同时被击穿(相隔时间小于1 ms)，导致双极线路的欠压保护同时动作，互相闭锁了对极的线路重启功能，因此造成了双极立即闭锁。
2.3 特高压直流误闭锁事件仿真分析
根据本次发生闭锁事件的特高压直流一次设备以及实际控制保护系统框架[16]，在PSCAD/
EMTDC中构建直流系统电磁暂态仿真模型。
设置
，整流站直流分压器二次侧瞬时短路,得到暂态过程中极I直流测量电压、极I直流实际电压、极I直流电流以及极I整流侧触发角仿真波形如图6所示。
图6 整流侧直流分压器二次侧击穿事件仿真结果
Fig. 6 Simulation results on condition of breakdown in secondary side of rectifier DCVD
对比图4和图6可知，仿真波形与实际录波基本一致，从而验证了分析模型的有效性。
同时结合仿真波形，可以总结得到直流工程在响应期间的暂态特性如下：
1)当特高压整流站直流分压器二次侧放电回路被瞬时击穿后，由于整流站直流电压测量异常将导致VDCOL环节误动，降低整流侧电流指令。然而，由于逆变站测量电压未发生变化，逆变侧电流指令依然保持0.9 pu。
2)由于整流侧VDCOL环节误响应，使得特高压直流出现了整流站电流指令低于逆变站电流指令的情况，在此工况下直流工程没有稳定运行点，两侧控制系统对触发角的调节均导致一次系统直流电压出现快速的下降。在低压臂充电过程以及一次系统电压降低共同作用下直流分压器低压臂上测得的电压出现了负值。
3)与行波保护以及微分欠压保护不同，特高压直流线路欠压保护动作判据中没有配置电流突变量判据，因此当特高压整流站直流分压器二次侧放电回路瞬时击穿后，由于直流电压测量值异常，易导致欠压保护误动。
上述3点结论与第2.2节的分析完全一致，印证了理论分析的正确性。
2.4 初步反措建议
根据直流分压器二次侧放电回路击穿导致特高压直流误闭锁机理，初步提出如下反措建议：
1)将放电管等短路型保护器件，更换为压敏电阻等稳压型保护器件，并合理选择保护元件残压，使其应满足不同运行条件的要求。
2)优化特高压直流输电重启策略，在双极同时故障期间，依然能够保障功率较高的一极能够重启成功，提高直流工程功率传输的可靠性。
3)优化特高压欠压保护闭锁条件，引入直流电流信息或对站电压信息作为闭锁量，防止类似情况下保护误动。
在采取上述措施后，依然在PSCAD/EMTDC直流系统电磁暂态仿真模型中，设置
时整流站极I极线上直流分压器二次侧瞬时击穿。由于，将分压器二次侧的放电管更换为残压约为50 V的压敏电阻，击穿后分压二次侧电压由70 V仅下降至50 V左右。在此工况下，可以得到仿真波形如图7所示。
由图7所知，换上残压在50 V左右的压敏电阻后，在分压器二次侧被击穿的瞬间，直流系统的测量电压依然会出现瞬间下降，并通过一个较长的
图7 反措效果校核
Fig. 7 Verification of the effect of the suggestion
暂态过程才能恢复正常。但是，由于直流电压下降幅度有限，没有达到VDCOL和各类保护的动作限制，直流系统正常运行，实际直流电压、电流没有出现明显扰动。由此可见，本文提出的反措建议是有效的。
3 逆变站直流分压器二次侧放电回路击穿后暂态特性分析
利用上文构建的特高压直流输电系统PSCAD仿真模型，可以对逆变站直流分压器二次侧放电回路击穿后特高压直流系统的暂态特性进行仿真，得到的仿真波形如图8所示。
图8 逆变侧直流分压器二次侧击穿事件仿真结果
Fig. 8 Simulation results on condition of breakdown in secondary side of inverter DCVD
由图8可知，逆变侧直流分压器二次侧放电管击穿短路后，分压器低压臂依然出现了较长时间的充电过程，逆变侧直流电压测量值在较长时间内测量不正确。在此过程中，逆变侧的电流指令也由于VDCOL环节的作用开始下降。
然而，逆变侧的电压控制环节仅在电压测量值高于指令值时发挥作用，而电流放大器则仅在电流测量值低于指令值时发挥作用[15]。因此，此次事件中，由于电压测量值一直低于指令值，而电流测量值则一直高于指令值，因此直流输电控制系统输出的触发角一直没有改变，直流系统稳定运行。
同时，由于特高压直流逆变侧应具备无压运行15 min的能力，因此逆变侧不会装设欠压保护，因此特高压直流没有保护误动导致闭锁的风险。
由此可见，特高压直流逆变站直流分压器二次侧放电管击穿短路后，在分压器二次侧电容充电期间，如无其他故障，特高压直流不存在由于控制保护异常响应导致误闭锁的风险，直流稳定运行。
4 结论
本文针对2015年9月某特高压直流在直流分压器二次回路击穿后导致误闭锁事故为实例，研究了特高压直流输电工程直流分压器动态特性及其在二次侧放电回路击穿后引起的特高压直流误闭锁机理，得到了如下结论：
1)理论分析与仿真结果表明：在直流系统一次回路充电瞬间，直流分压器二次侧可以即时响应。然而，在直流分压器低压臂被瞬时击穿后，即使一次侧直流电压维持不变，电压测量值也需经历一个数百毫秒级的暂态过程，方能恢复正常水平。在此过程中，如果一次侧直流电压还出现了快速跌落，直流电压测量值还可能出现负值。
2)当特高压整流站直流分压器二次侧放电回路被瞬时击穿后，由于整流站直流电压测量异常将导致VDCOL环节误动，降低整流侧电流指令。同时，由于整流侧VDCOL环节误响应，使得特高压直流出现了整流站电流指令低于逆变站电流指令的情况，在此工况下直流工程没有稳定运行点，两侧控制系统对触发角的调节均导致一次系统直流电压出现快速的下降，易导致欠压保护误动。
3)特高压直流逆变站直流分压器二次侧放电管击穿短路后，在分压器二次侧电容充电期间，如无其他故障，特高压直流不存在由于控制保护异常响应导致误闭锁的风险，直流稳定运行。
4)针对直流分压器动态特性导致直流误闭锁的机理提出了3点反事故措施建议，仿真结果表明以上措施可以有效避免分压器在二次侧击穿情况下特高压直流误闭锁风险的再次发生。
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