多端直流輸電工程大地-金屬回線轉換策略

趙 倩 張 群

多端直流輸電工程大地-金屬回線轉換策略

趙 倩 張 群

（許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000）

針對國內首個常規多端直流輸電系統在不同功率水平進行大地回線至金屬回線轉換的過程中，金屬回線轉換開關（MRTB）保護動作，導致開關拒動及大地金屬回線轉換失敗的問題，本文通過對大地金屬回線轉換過程中的電流回路進行分析，推導大地回線與金屬回線共存時各個換流站電流的數學表達式，在此基礎上分析MRTB拒動原因，并提出改進策略和運行建議，為工程設計和運行維護提供參考。最后，通過仿真證明了本文分析結論的正確性，表明所提改進策略具備工程應用推廣價值。

多端直流；大地回線；金屬回線；轉換開關保護；回路分析

0 引言

多端直流輸電技術具有多受端、多送端、運行方式靈活等特點，是解決中國能源消納問題的有效技術手段之一，也是未來電網發展的主要趨勢[1-2]。為緩解云南水電集中投產帶來的大規模棄水問題、解決貴州因電煤供應帶來的黔電外送通道利用不充分的問題、提高南方電網西電東送安全穩定裕度，中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司建設國內首個常規直流多端工程——云貴互聯通道工程[3-4]。

由于多端直流輸電系統運行方式復雜多變，除常規雙極運行方式外，在單極運行時也可采用單極大地或單極金屬回線運行[5]。由于單極大地回線運行時，存在較大的入地電流，故通常情況下在不中斷功率傳輸時，進行單極大地回線轉換為單極金屬回線的操作[6]。然而，由于多端直流輸電系統增加了系統節點，導致大地-金屬回線轉換過程中的電流回路復雜性大大提高[7]，存在大地-金屬回線轉換過程中金屬回線轉換開關（metallic return transfer breaker, MRTB）保護動作，引起開關拒動并最終導致大地-金屬回線轉換失敗的問題。

文獻[8-9]針對葛南工程，文獻[10]針對寧東工程，均分析了兩端工程大地-金屬回線轉換過程中的問題，并給出改進建議，但不適用于多端直流輸電系統；文獻[11]針對烏東德工程大地-金屬回線轉換過程進行分析，但未推導各個節點的電流表達式，僅利用PSCAD仿真給出各個節點的電流。本文以云貴互聯通道工程為例，對大地-金屬回線轉換過程中的電流回路進行詳細分析，并推導計算不同回路時各個節點電流的數學表達式，得出MRTB保護動作的條件，提出大地-金屬回線轉換改進策略。基于實時數字仿真（real time digital simulation, RTDS）平臺及實際供貨控制保護系統搭建云貴互聯通道工程數?；旌显囼炂脚_，對各個節點電流的數學表達式及所提改進策略進行仿真驗證，以期為后續工程提供參考及設計依據。

1 大地-金屬回線轉換過程分析

云貴互聯工程三端單極大地回線及金屬回線運行方式如圖1所示。大地回線運行方式下，各個換流站通過接地極接地，形成單極大地電流回路；金屬回線運行方式下通過閉合逆變站站內高速接地開關作為系統的電位參考點。祿勸換流站和高坡換流站配置金屬回線開關（metallic return switch, MRS）和MRTB用于大地-金屬回線轉換過程中的電流回路切換。高坡換流站配置極性轉換區開關及匯流母線區開關，可根據系統需要運行在整流或逆變狀態，即三端系統功率傳輸模式可運行在祿勸送高坡、肇慶模式（一送二），也可運行在祿勸、高坡送肇慶模式（二送一）。由于一送二或二送一模式下均存在大地-金屬回線轉換過程，限于篇幅本文僅針對二送一模式下的大地-金屬回線轉換過程中各個節點電流進行分析與計算。

1.1 大地回線與金屬回線共存時各個節點電流的計算

在大地回線和金屬回線并聯時，直流系統等效示意圖如2所示。圖2中，sa為流經祿勸站換流器的電流，ea為流經祿勸站大地回線的電流，ma為流經祿勸站金屬回線的電流，EA為祿勸站接地極等效電阻，LAB為祿勸站至高坡站金屬回線等效電阻，sb為流經高坡站換流器的電流，eb為流經高坡站大地回線的電流，mb為流經高坡站金屬回線的電流，EB為高坡站接地極等效電阻，LBC為高坡站至肇慶站金屬回線等效電阻，ec為流經肇慶站大地回線的電流，EC為肇慶站接地極等效電阻。

圖2 直流系統等效示意圖

根據圖2所示電路，在大地回線和金屬回線并聯時，由于sa與sb在系統正常運行時為整定值，故只需計算出ea與eb即可得出系統各個節點的電流。根據電路理論，可得

式中：eq3為祿勸站大地回線等效電阻電壓；eq2為高坡站大地回線等效電阻電壓；eq1為肇慶站大地回線等效電阻電壓。

由式（1）和式（3）計算得出eq1、eq2、eq3之間的關系為

由式（2）、式（4）及式（5）得

最終得到ea為

同理可得eb為

1.2 大地-金屬回線轉換失敗問題分析及改進策略

對于云貴互聯通道工程，大地回線轉金屬回線過程中最有可能導致轉換失敗的保護為MRTB保護Ⅰ段，其保護定值見表1，其中d_MRS為流經金屬回線開關的電流。

同時，對于云貴互聯通道工程，各個換流站接地極及線路阻抗參數見表2。

根據MRTB保護Ⅰ段定值，同時結合1.1節所得各個節點電流的表達式，當滿足式（9）時，祿勸換流站MRTB保護動作，當滿足式（10）時，高坡換流站MRTB保護動作。

表1 MRTB保護定值

表2 各換流站接地極及線路阻抗參數

結合1.1節計算，sa=ea時流經祿勸站MRS的穩態電流約為0，會導致MRTB保護動作，經計算對應祿勸站送出的功率是高坡站送出功率的0.697 6倍，此時流經高坡站MRS的穩態電流約為240A，可先分高坡站MRTB，高坡站MRTB分開后，流經祿勸站MRS的穩態電流約為-500A，祿勸站MRTB滿足分閘條件；當祿勸站送出的功率是高坡站送出功率的3.341 5倍時，流經高坡站MRS的穩態電流約為0，流經祿勸站MRS的穩態電流約為265A，可先分祿勸站MRTB，祿勸站MRTB分開后，流經高坡站MRS的穩態電流約為-1 270A，高坡站MRTB滿足分閘條件。由于功率水平差異較大，不會同時出現流經祿勸站MRS的電流和流經高坡站MRS的電流小于19.2A的工況。因此，若按照固定順序拉開祿勸站或高坡站的MRTB時，就會出現大地-金屬回線轉換失敗的問題。

綜上分析可知，導致大地回線轉金屬回線失敗的根本原因是大地回線和金屬回線形成并聯回路時，在特殊功率點附近流經祿勸站或高坡站MRS的電流小于MRTB保護定值，進而引起MRTB拒動，最終導致轉換失敗。可通過優化MRTB操作順序解決此問題，具體實現方案如下：

1）高坡換流站MRS閉合后產生MRTB分閘允許位，并發送給祿勸換流站。

2）祿勸換流站MRS閉合后產生MRTB分閘允許位，并發送給高坡換流站。

3）祿勸和高坡換流站MRTB分閘允許位都產生后再下發兩站MRTB分閘命令（持續一定時間的脈沖）。

4）祿勸站和高坡站MRTB分閘，大地回線轉換為金屬回線的操作完成。

2 仿真驗證

以云貴互聯通道工程供貨控制保護系統及RTDS系統搭建仿真平臺，實時仿真系統結構如圖3所示。祿勸站和高坡站采用功率/電流控制，肇慶站采用直流電壓控制，三站額定電壓均為±500kV，雙極額定功率為3 000MW。

云貴互聯通道工程控制保護系統采用分層分布式結構，包括運行人員控制層、控制保護層和現場層三個層次[12-13]。各分層之間、同一分層的不同設備之間通過網絡、總線及其他接口相互連接，構成完整的換流站直流控制保護系統。換流站的控制保護系統之間，通過站間通信通道互聯。每站單獨配置開入和開出板卡完成RTDS與控制保護系統的觸發脈沖、回檢信號等開關量數據交互。

圖3 實時仿真系統結構

為了驗證對大地-金屬回線轉換失敗原因分析的正確性及所提改進策略的有效性，以祿勸站送出功率是高坡站送出功率的0.697 6倍為例，對三端二送一模式祿勸站極1大地回線轉至金屬回線進行仿真。具體試驗工況為：祿勸換流站極1定電流控制，電流定值為697.6A，高坡換流站極1定電流控制，電流定值為1 000A。大地回線轉至金屬回線的過程中合MRS錄波如圖4所示，大地回線轉至金屬回線的過程中分MRTB錄波如圖5所示。

圖4 大地-金屬回線轉換過程中合MRS錄波

圖4和圖5中，開關量1和0分別代表MRTB和MRS的合/分狀態。從圖中可以看出，在兩站MRS合上建立金屬回路后，祿勸站接地極電流變化不大，流經MRS的電流基本為0；采用所提策略后，兩站MRTB順利拉開，且未出現轉換失敗的現象，證明所提策略可有效解決特殊功率點附近大地-金屬回線轉換失敗的問題。同時，金屬回線通路建立后，電流轉換過程較為平滑，對系統沖擊較小。

圖5 大地-金屬回線轉換過程中分MRTB錄波

3 結論

本文針對云貴互聯工程大地回線與金屬回線并聯時在特殊功率范圍內流經MRS開關的電流較小，引起MRTB保護動作，最終導致轉換失敗的問題，提出了相應的改進策略，并搭建實際控制保護系統與RTDS實時仿真平臺進行了驗證。驗證結果表明，所提策略能夠有效解決轉換失敗的問題，且轉換過程較為平滑，對系統沖擊小。此策略已應用于實際工程，可為后續類似工程相關問題的處理提供參考。

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Strategy of conversion between ground return and metallic return in multi-terminal high voltage direct current transmission system

ZHAO Qian ZHANG Qun

(XJ Electric Co., Ltd, Xuchang, He’nan 461000)

In view of the problem that the metallic return transfer break (MRTB) protection acts in the process of ground-metallic return conversion at different power levels in the first conventional multi-terminal high voltage DC transmission system in China, which leads to switch rejection and ground-metallic return conversion failure, this paper analyzes the current loop in the process of ground-metallic return conversion. The mathematical expressions of each converter station current are deduced when earth and metal loop coexist. On the basis of these expressions, the reason of MRTB operation failure is obtained and the improvement strategies and operation suggestions are proposed to provide a reference for engineering design and operation maintenance. Finally, the correctness of the analysis conclusion is verified by the simulation, which shows that the proposed strategies has the engineering application promotion value.

multi-terminal high voltage DC system; ground return; metallic return; transfer breaker protect; circuit analysis

2023-10-28

2023-12-04

趙 倩（1988—），女，山東省臨沂市人，碩士，工程師，主要從事高壓直流輸電工作。