三峽穩(wěn)控裝置及高壓直流輸電系統(tǒng)雙極故障后穩(wěn)控切機情況實例分析

邱晶晶

（湖北省電力檢修公司直流運檢中心，湖北 宜昌 443000）

三峽穩(wěn)控裝置及高壓直流輸電系統(tǒng)雙極故障后穩(wěn)控切機情況實例分析

邱晶晶

（湖北省電力檢修公司直流運檢中心，湖北 宜昌 443000）

本文以電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制為引，介紹了三峽安全穩(wěn)定控制裝置的功能作用。通過2013年8月6號江城直流雙極故障實例，依據(jù)穩(wěn)控裝置軟件邏輯對此次事故后未正確切機情況進行了較詳細的分析，并對三峽安全穩(wěn)定控制裝置邏輯實現(xiàn)上存在的隱患進行了闡述，最后指出了相應的隱患整改措施，并試驗合格。

電力系統(tǒng)；三峽；穩(wěn)控；切機；隱患

1 電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制

電力系統(tǒng)在運行中，經(jīng)常可能受到各種自然地和人為的擾動。這些擾動有的幅值不大或很快衰減，對系統(tǒng)運行性能影響不大；但也有些擾動可能引起嚴重后果，如短路、電氣或機電參數(shù)諧振、穩(wěn)定性破壞等，如處理不當，可能嚴重損壞設備或導致大面積停電。圖1表示電力系統(tǒng)事故擴大的典型過程。

提高電力系統(tǒng)安全性的控制有兩類：一類是系統(tǒng)穩(wěn)定運行時安全裕度不夠，為防止出現(xiàn)緊急狀態(tài)采取的預防性控制；另一類時系統(tǒng)已出現(xiàn)緊急狀態(tài)，為防止事故擴大而采取的緊急控制，后者也稱為預防性控制。

圖1 電力系統(tǒng)事故擴大過程示意圖

當電力系統(tǒng)發(fā)送短路等事故時，繼電保護首先動作，由它來切除和隔離故障。它也是電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定三道防線中保證第一道防線有效的重要措施。一般情況下事故切除系統(tǒng)可繼續(xù)運行。如果事故很嚴重或者事故處理不當，則可能造成事故擴大而導致嚴重后果。為此，電力系統(tǒng)中還應配備必要的緊急控制措施。從圖2可以看出，繼電保護是在緊急控制之前動作的，只有在事故嚴重或者事故處理不當時，緊急控制裝置才動作。

圖2 電力系統(tǒng)緊急控制與繼電保護的關系

2 三峽安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)

三峽電力系統(tǒng)投產(chǎn)后，華中電網(wǎng)、川渝電網(wǎng)、南方電網(wǎng)、華東電網(wǎng)、湖南電網(wǎng)及河南電網(wǎng)實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，在系統(tǒng)正常和檢修方式下，發(fā)生線路或變壓器故障以及線路過負荷或高周波時，需要采取切除三峽電力系統(tǒng)機組、壓出力、向直流極控系統(tǒng)發(fā)出調節(jié)直流功率的命令或切除部分負荷以及解列相應電網(wǎng)等控制措施，才能確保電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。三峽電廠送出安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)采用南瑞 FWK-300型分布式穩(wěn)定控制裝置，整個系統(tǒng)包括龍泉換流站、江陵換流站、宜都換流站、葛洲壩換流站、團林換流站、三峽電廠左一電站、左二電站、右一電站、右二電站、右三電站，斗笠變電站、安福變電站。各站均配置兩套安控裝置，監(jiān)測500kV元件的運行情況，當500kV元件發(fā)生故障時根據(jù)故障前的有關斷面功率查詢策略表采取相應的措施。三峽電廠周邊廠站及三峽穩(wěn)控裝置實物圖如圖3所示。

三峽安全穩(wěn)定控制裝置通過分別檢測站內(nèi)雙極換流變的三相電壓、三相電流、輸送功率及頻率，當直流雙極出現(xiàn)故障時，裝置將根據(jù)直流雙極故障前輸送功率查策略表采取相應的切機措施；雙極運行方式下，單極發(fā)生閉鎖，極間功率會發(fā)生轉帶。當直流單極故障時，將根據(jù)直流功率的轉帶情況及“直流降壓運行壓板”投退狀態(tài)算出相應的斷面功率，然后再根據(jù)策略表采取相應的控制措施。另外穩(wěn)控裝置還具有接收左二電站、右一電站、德陽換流站發(fā)來的調制直流輸送功率命令，根據(jù)發(fā)來的信息編碼進行直流調制，調制功能包括快升、慢升或快降、慢降。

圖3 三峽電廠周邊廠站及穩(wěn)控實物圖

對于直流故障來說，三峽安控裝置有兩種起動方式即電流突變量起動和功率突變量起動。起動判據(jù)如下式所示。

當當前時刻功率與0.2s前瞬時值差的絕對值大于整定值，裝置起動。直流系統(tǒng)典型故障單極閉鎖時故障前后直流功率變化量計算流程，如圖4所示。

圖4 直流單極故障功率變化量計算流程

若雙極在 20ms時間內(nèi)相繼故障，斷面功率直接取⊿P=故障前雙極的和功率。

3 直流系統(tǒng)雙極故障后穩(wěn)控動作情況實例分析

2013年08月06日，由于江城直流湖南線路段，發(fā)生山火情況，江陵站雙極直流系統(tǒng)欠壓保護動作，經(jīng)再起動邏輯不成功，先后閉鎖，由于雙極直流系統(tǒng)并非同時閉鎖，期間相差了5s，三峽穩(wěn)控裝置切除了三峽左岸電廠一臺機組，但由于雙極直流系統(tǒng)故障前為功率3000MW輸電，依據(jù)穩(wěn)控裝置策略表理應需要切除左岸兩臺、右岸兩臺機組共四臺機組。以下結合裝置內(nèi)部軟件邏輯對該次事故的切機情況進行分析。

江陵換流站三峽安控裝置的動作策略表如表1所示。

表1 江陵站三峽穩(wěn)控裝置策略表

依據(jù)江陵換流站站內(nèi)事件記錄，8月6日14：31：24：380江陵換流站極Ⅰ直流線路欠壓保護動作，經(jīng)再起動邏輯不成功閉鎖。14：31：29：806江陵換流站極Ⅱ直流系統(tǒng)也由欠壓保護動作，經(jīng)再起動邏輯不成功閉鎖時刻閉鎖的，雙極相繼閉鎖時間超過5s（相隔5400ms）。故障前極Ⅰ、極Ⅱ直流功率均為滿負荷1500MW運行。

以極Ⅰ直流系統(tǒng)閉鎖時間為零點，起動前判定系統(tǒng)處于雙極運行模式，2.5s后裝置判斷出極Ⅰ直流系統(tǒng)故障，同一時刻監(jiān)測到極Ⅱ功率增加超過70MW，判定直流系統(tǒng)功率轉帶成功，計算出直流功率變化量=事故前雙極功率和（3000MW）-極Ⅱ故障后功率 1650MW（轉帶 150MW）＞800MW。依據(jù)直流單極故障切除左二一臺機組。

在2.5s判出極Ⅰ故障后，裝置將決策單元存儲器中極Ⅰ故障字記錄為 1。在2.5到7.5s這個時間段為一個5s的整組周期。在這個周期內(nèi)極Ⅰ故障字始終保持為 1，始終認定極Ⅰ發(fā)生了故障。同時裝置判別的運行方式不會轉變，始終為雙極運行方式。若在2.5s到7.5s這個時間內(nèi)極Ⅱ又判定發(fā)生閉鎖，即判定為雙極運行方式下的雙極同時故障。

在7.5s后極Ⅰ故障字清零，認定目前極Ⅰ未發(fā)生任何故障，同時開始判斷新的運行方式，由于新的運行方式的確認需要一個持續(xù)延時的認定，因此在8.0s時裝置才將運行方式識別為單極運行方式。因此7.5～8.0s是一個臨界的時段。在這個時段內(nèi)，極的運行方式仍為雙極運行方式。但恰巧在這個臨界的時段內(nèi)（即在 7.8s）極Ⅱ又判出了故障，由于運行方式持續(xù)運行時間未達到，穩(wěn)控系統(tǒng)仍認為當前直流系統(tǒng)處在雙極運行方式下，極Ⅱ單極發(fā)生故障，同一時刻裝置監(jiān)測到極Ⅰ功率為 0，未增加，裝置判定直流功率轉帶不成功，計算出直流功率變化量=事故前級Ⅱ的功率。依據(jù)直流單極故障策略表，仍切除左二1臺機組。依據(jù)三峽穩(wěn)控裝置內(nèi)部的切機原則，同一起動周期內(nèi)本站相繼發(fā)生多次故障，三峽右岸電站切機措施將采取補切原則，即若前者切機臺數(shù)大于后者切機臺數(shù)，則后者的切機命令不再執(zhí)行；若后者大于前者則采取補切的原則。由于2.5s時已經(jīng)切除1臺機，所以不再追切。事故發(fā)生時的時間節(jié)點圖如圖5所示。

圖5 江城直流雙極閉鎖時間節(jié)點圖

通過前面的事故分析，安控裝置邏輯上存在隱患，即裝置極的運行方式轉變與極故障信息清除不同步（相差0.5s），正是這個隱患導致在這種極端事故情況下，三峽穩(wěn)控系統(tǒng)未能有效地判斷出系統(tǒng)的雙極故障。整改措施為：待極的運行方式確認完畢后再將極的故障信息清除，從而保證極的運行方式與極的故障信息的同步。江陵換流站已進行了相應整改，對三峽安控裝置的軟件進行了相應升級，完成后的對應事故的時間節(jié)點圖如圖6所示。

安控裝置依據(jù)上述進行軟件修改后，進行了相應的試驗，首先在安控裝置外接的試驗儀器上加量模擬雙極平衡3000MW運行方式，試驗步驟及結果如下。

三峽安穩(wěn)裝置軟件修改后試驗步驟如下：

1）雙極 3000MW 運行，極Ⅰ閉鎖，極Ⅱ功率轉代成功

在江陵站安控裝置后面端子排上短接極Ⅰ極控發(fā)給安控1的閉鎖端子，故障后ΔP＞800MW，安控此時判單極故障，切左二一臺機，驗證結果正常。

2）雙極 3000MW 運行，極Ⅰ閉鎖，極Ⅱ功率轉代不成功

模擬極Ⅰ閉鎖，故障后ΔP＞800MW，安控判單極故障，切左二一臺機，同時（離極Ⅰ閉鎖時間差在5s之內(nèi)）模擬極Ⅱ閉鎖，極Ⅱ轉代不成功，極Ⅱ閉鎖，故障后總的ΔP＞2750MW，安控判雙極同時故障，切左二兩臺、右一兩臺機，由于極Ⅰ閉鎖時安控已發(fā)出切左二一臺機，安控發(fā)出命令后，立即動作切左二一臺機，極Ⅱ閉鎖后，安控再次動作，發(fā)出切左二兩臺、右二兩臺，但實際只切左二一臺（極Ⅰ閉鎖時已切一臺），右二兩臺，一共切左二兩臺、右一兩臺，驗證結果正常。

3）雙極 3000MW 運行，極Ⅰ閉鎖，極Ⅰ閉鎖后5～5.5s內(nèi)極Ⅱ閉鎖

模擬極Ⅰ閉鎖，故障后ΔP＞800MW，安控判單極故障，切左二一臺機，極Ⅰ閉鎖后5.2s模擬極Ⅱ閉鎖，故障后總的ΔP＞2750MW，安控判雙極同時故障，切左二兩臺、右一兩臺機，由于極Ⅰ閉鎖時安控已發(fā)出切左二一臺機，安控發(fā)出命令后，立即動作切左二一臺機，極Ⅱ閉鎖后，安控再次動作，發(fā)出切左二兩臺、右二兩臺，但實際只切左二一臺（極Ⅰ閉鎖時已切一臺），右二兩臺，一共切左二兩臺、右一兩臺，驗證結果正常。

由于安控裝置的一個整組周期為5s，單極閉鎖故障后，故障狀態(tài)保持5s，經(jīng)過5s后裝置開始判斷新的運行方式，再經(jīng)過0.5s運行方式判斷結束。軟件未修改之前，若雙極3000MW運行，一極故障，ΔP＞800MW，安控發(fā)出切左二一臺機，在故障后5～5.5s內(nèi)另一極若故障，安控此時未判斷出新的運行方式，還是雙極運行時單極故障的運行方式，安控內(nèi)判的功率值仍是ΔP＞800MW，此時雖安控動作發(fā)切左二一臺機，實際上未執(zhí)行。本次就是針對此方式進行軟件修改，修改后就是上述的驗證結果。

4）雙極 3000MW 運行，極Ⅰ閉鎖，5.5s后極Ⅱ閉鎖

模擬極Ⅰ閉鎖，故障后ΔP＞800MW，安控判單極故障故障，切左二一臺機，極Ⅰ閉鎖6s后模擬極Ⅱ閉鎖，故障后總的ΔP＞800MW，安控判單極故障，切左二一臺機驗證結果正常。

在對江城直流系統(tǒng)安穩(wěn)裝置軟件修改完成后，我們將陸續(xù)的對存在相同隱患的葛南直流、龍政直流、宜華直流也進行相應的軟件修改工作。

4 結論

為解決一個區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)的穩(wěn)定問題而安裝在多個廠站的穩(wěn)定控制裝置，經(jīng)通道和通信接口設備聯(lián)系在一起，組成穩(wěn)定控制系統(tǒng)，站間相互交換運行信息，傳送控制命令，可在較大范圍內(nèi)實施穩(wěn)定控制。區(qū)域穩(wěn)定控制系統(tǒng)一般設有一個主站、多個子站和執(zhí)行站，主站一般設在樞紐變電所或出于樞紐位置的發(fā)電廠。主站負責匯總各站的運行工況信息，識別區(qū)域電網(wǎng)的運行方式，并將有關運行方式信息送到各個子站。這種分散式?jīng)Q策方式各站都存放有自己的控制策略表，當本站出線及站內(nèi)設備發(fā)生故障時，根據(jù)故障類型、事故前的運行方式，做出決策，在本站執(zhí)行就地控制，也可將控制命令上送給主站，在主站或其他子站執(zhí)行。三峽穩(wěn)定控制系統(tǒng)即為分散式?jīng)Q策方式。

而與此相對應的集中決策方式是控制策略表只存放在主站裝置內(nèi)，各子站的故障信息要上送到主站，由主站集中決策，控制命令在主站及有關子站執(zhí)行，集中決策方式下的控制系統(tǒng)只有一個“大腦”進行判斷決策，因此對通信的速度和可靠性比分散決策方式要求更高，技術的難度相對也較大，集中決策方式應用也較少。

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The Three Gorges’s Stability Control Device and the True cutting Machine Situation Analyse of the HVDC Transmit System Bipolar Fault

Qiu Jingjing
(HBEPC maintenance branch, Yichang, Hubei 443000)

This paper lead with Power Systems stability control,describe the Three Gorges of safety and stability control device function. Through the JiangLing-Echeng HVDC transmit system bipolar fault happened at August 62013, according to the stability control device’s software logic, this paper have a detailed analysis of the wrong cutting machine situation after the accident,described the existence of hidden logic implementations,and at last pass the test.

power systems; three gorges; stability control; cutting machine; hidden danger

邱晶晶（1981-），男，工程師，主要研究方向：高壓直流輸電控制保護系統(tǒng)。