特高压直流工程的融冰控制保护策略及试验分析

特高压直流工程的融冰控制保护策略及试验分析

冯健棠

中国南方电网有限责任公司超高压输电公司广州局  广东广州510000

摘要：极端天气和电力传输能力的制约，使直流电不能满足融冰的需要，从而在输电线路上形成覆盖冰层，从而对电网的安全运行造成极大的影响。文章简要介绍了在特高压直流输电系统中，采用循环阻冰方式和并联融冰方式下的主接线的拓扑特性，给出了循环阻冰法下的双极联跳和并联融冰方式下的直流控制和保护的改进。对特高压直流输电工程中的融冰运行模式的直流控制与保护系统的设计具有一定的借鉴意义。

关键词：特高压直流；循环阻冰；并联融冰；控制保护

直流输电工程虽然能够实现远距离、大容量的输电，但其存在着覆盖面积过大等弊端[1]。为避免线路故障而发生故障，直流输电工程采用了线路融冰技术[2]。在一定的范围内，可以防止输电线路上的冰损。为进一步提高特高压直流输电系统的融冰能力，特高压直流输电系统采用融冰方式。采用直接流融冰技术可以有效地解决线路上的结冰问题[3]。

一．特高压直流融冰方式和特点

在特高压直流工程中，融冰的方法有[4]：

(1)在常规操作模式下，使用直流输电的方式融冰。

(2)利用逆向双极化电流进行融化。

(3)采用并联的双极型两个变流器进行融冰。

上述融冰方法都是通过对输电线路上的电流进行热作用，使直流线路上的结冰融化。循环阻冰方式主要是为了防止线路冻结。并联融冰方式主要是将输电线路上现有的冰层融化，

一般情况下，直流输电的融冰方式有有双极性电流和单侧金属回线两种方式。其中单侧金属回线采用度高，主要是它不需要改变系统的设计，但如果只提供少量的电力，就会导致线路电流无法融冰。

循环阻冰法采用一极正向供电，一极反向供电，在零功率传输条件下，可使传输电流保持在额定电流范围内。循环冰封方式的主要线路见图1（图1中的黑色填料初级装置代表其关闭或工作；它的特点是不改变系统的主接线，适合在低功率的情况下进行熔化，而在双极型功率异向性大电流下，当一个极点短路时，当某个极点短路时，由于输出功率的巨大，会对两端的 AC系统造成很大的影响，因此，直流控制和保护系统的软件必须设计一个切实可

行的双极联动跳闸逻辑。

图1特高压直流循环阻冰模式主接线图

并联融冰模式是将两个由刀闸和导线组成的高端换流器改造为并联的并联装置，在同等功率的情况下，他的融冰速度更快，但其弊端在于，由于主线的变化，设备的数目将会有所增长，同时也需要注意对其进行保护。图2中示出了并联融冰方式整流侧的主接线（图2中的黑色充填初级装置代表它是关闭的或工作的），在逆变器的主配线上，不加填料的主配线与整流端的配线结构相似。

图2 特高压直流并联融冰模式整流侧主接线图

二．融冰方式控制与保护策略

和传统的直流控制保护系统相比，特高压直流控制保护系统主要采用分层冗余原理，将控制系统按照功能划分为三个层级，即：双极控制层、控制层和换流层。

极1和极2的结构一模一样，但是彼此又是完全独立的个体，双测控制较单层控制不同的是它把所有的功能都配置到了极点控制主机PCP。PCP主程序主要完成了电力、电流指令的计算与分配、直流控制等。通过换流器控制主机CCP，完成直流、熄弧角的闭合和解锁等闭环控制。PCP与 CCP间主要传递电流信号。

与DC级控制层次相对应，DC保护系统包括极保主PPR和换流器防护主CPR，通过三重设计，使每一套保护单元在发生故障时不会发生误动作，从而保障了安全。处于保护目的，PPR主机采用了双极性保护。

2.1 循环阻冰模式

在循环的结冰方式中，两个电极的能量方向是不同的，当极子1的能量被正馈时，第二个极点的能量被反向供给，而反之亦然。

在直流系统循环结冰模式下，如果发生故障导致一极停电，则直流系统将转为单极回路，系统将会产生高功率的运行状态，从而对两个交流系统产生影响。为了避免这个问题，极控制主机PCP中的一极闭锁和一极连接的保护功能被配置在这样的融冰方式上，即当对极失效时，它就会立刻跳出本极闭锁。

如果在两个极点均在循环结冰状态下工作，一极发生故障，另一极判断出本极与对极之间的能量值相差200 MW （最小操作功率），则本极的锁止跳闸逻辑由有效系统（ACTIVE值班）来完成。

2.2 并联融冰模式

并联融冰模式，是将两个高档换流器并联，在两个换流站之间增设一根导线，再加上一根绝缘开关。在直流输电线路上，4台换流器均处于相同的 DC电压下，而换流器之间的有功调整与分布则主要依靠对换流器的 DC电流进行控制。

直流控制系统需要调节下列控制功能，以适应并联融冰方式。

（1）DC电源及电流控制：在正常情况下，对侧进行整流，对侧进行电压控制。由于两个站点的换流器在并联融冰模式下的控制方式发生变化，需要采CMR作为遮蔽电流余量补偿功能；当融冰电流增加时，DC线电压下降，对低压限流函数 VDCL的最高电压UD_Hish进行调节；采用单极电流控制的直流系统的控制模式。

（2）直流电压控制：在正常情况下，一般采用大地回线或金属回线对其进行直流控制，在并联融冰模式中，由于主接线结构的变化，需要对其进行修改；将换流器并联，对二极极电压或者极性进行校正。

（3）变节控制：采用附加融冰模式的分节控制。由于直流系统运行方式的变化，需要对逆变侧分接头的进行调整。

（4）过载控制：在正态模式下，应保证逆变端电压不能低于80%的降压电平。当温度超过40℃时，计算出的最大融冰电流为7300 A，也就是最大融冰电流为额定值的1.46倍。

针对并联融冰模式运行，直流保护系统必须做出相应的保护措施。

（1）极母线保护：按照换流器的工作状况，在正常工作时，根据换流器的工作情况，选择。由于主接线结构发生变化，计算所需要的（换流器在中线端的直流电流）。

（2）中性母线保护：在正常工作时，根据其工作状况，在不同状态下选择不同的，

（3）金属回线防护：在常规的回线模式下，仅有一个电极工作，另一个电极是绝缘的，在工位2中，回线的接地保护作用是在工作电极上起作用的。并联融冰模式下，两极均为金属回线，金属回线的接地保护功能在基站2的两端均起作用，用于对DC场区和线区进行接地故障的探测；金属回路的纵向差动保护。

在并联融冰模式下，两个站点的控制模式与常规工况有很大的不同，因此，在并联融冰模式下，采用双极联跳逻辑，即在并联融冰模式下，一极发生保护，而在另一极进行并联融冰模式下的解冻跳闸；由于1号高端换流器采用“稳压控制”的控制模式，而另外3台采用“稳流”的控制模式，如果第一个锁极1的高端换流器被关闭，那么第二个极点的直流系统就会失去对电压的控制，从而使得第二个极点的直流系统的工作不稳定。1正常断开，2号电极也会进行锁止断开。

三．结语

极端天气和电力传输能力的制约，使直流电不能满足融冰的需要，从而在输电线路上形成覆盖冰层，从而对电网的安全运行造成极大的影响。特高压直流输电系统虽然可以利用传输电流产热这一特性降低线路上的冰雪，达到保护线路的目的但是，在易发的雪灾期间，电网在大电流条件下很难配置充足的电力，很容易出现覆冰现象。根据特高压直流输电系统的特性，对其融冰方式及相应的控制与保护措施进行了深入的探讨。

本文详细介绍了循环阻冰模式下的双极联接和并联融冰下的直流控制保护功能的改进，并用验证了该方法的正确性，对特高压直流输电工程中的融冰运行模式的直流控制与保护系统的设计具有一定的借鉴意义。

参考文献：

[1] 李庆峰，范峥，吴穹，等，全国输电线路覆冰情况调研及事故分析[J].电网技术, 2008, 32(9):33-36.

[2] 马玉龙，徐玲玲，石岩，等.三广直流工程融冰运行方式仿真实验[J].电网技术, 2008, 32(19):22-25.

[3] 吴元华，输电线路覆冰的潜在危害及对策研究[J].江苏电机工程, 2008, 27(6):18-21.

[4] 李立浧，特高压直流输电的技术特点与工程应用[J].电力设备, 2006, 7(3):1-4.