阀组差动保护异常导致直流特高压阀组闭锁事故分析

在中国，±800kV特高压直流输电技术采用双极双12脉动换流器串联运行的主接线形式。考虑到单阀组运行、双阀组运行、三阀组运行等多种组合形式，特高压直流输电共计有45种正常运行方式。为了有效提高直流输电的可靠性，特高压直流配置了单12脉动换流器在线投退控制策略，用以对故障退出运行的单12脉动换流器进行隔离检修，以最大可能地避免极/双极强迫停运风险，利用极间功率补偿功能最大限度地减少功率损失。

     然而，现场工作经验却表明，特高压直流输电单阀组在线投退功能存在着部分缺陷，导致投退失败，甚至导致正常运行阀组误退出等情况，引发业界广泛关注。2016年2月28日，某特高压换流站极Ⅱ低端阀组隔离开关正常操作过程中，极Ⅱ阀组连接线差动保护Ⅱ段动作，极Ⅱ高端阀组闭锁。此次事件虽未造成直流功率损失，但对特高压直流安全稳定运行造成了极大的威胁。

     在此背景下，基于特高压直流在线投退策略，对“2·28”事故进行详细分析，查找出故障的根源，对其他换流站今后的运维工作具有极大的借鉴意义。

1、特高压直流在线投退原理

特高压直流工程阀组的投入与退出，应以不中断另一阀组的正常运行;同时对直流功率输送带来的扰动应尽量小为原则，以避免对整个电网带来过大的冲击。站间通讯正常时，阀组投入退出命令由主控站发出，两端换流站之间通过相互协调的控制时序实现阀组平稳投退。

有站间通讯时，换流器允许投入的前提是极单阀组运行，且两站本极另一阀组均处于热备用状态（readyforoperation，RFO）。投入顺序如下：

1）主控站发出换流器投入命令，投入的换流器立即解锁，解除移相，定电流调节器的电流定值为IDNC实测值。在定电流调节器作用下，触发角逐渐下降，通过换流器的电流逐渐增大;当通过换流器的电流与IDNC相等时，触发角约为90°左右，此时拉开换流器旁通开关，直流电流完全转移至换流器。

2）非主控站通过站间通讯收到主控站投入换流器命令信号后，与主控站同样操作，解锁阀组，调节换流器电流，拉开旁通开关。

3）逆变侧投入的换流器在电压调节器的作用下提升直流电压，整流侧维持直流电流为极控制电流指令值。

4）直流电压和直流电流都达到指令值，换流器投入完成。

其投入过程的逻辑框图，如图1所示。

图1 在线投入逻辑框图

无站间通讯时，两站运行人员通过电话沟通，整流侧先发换流器解锁命令，解除移相，升换流器直流电流达到IDNC后，拉开旁通开关;整流侧两换流器均进入定电流控制，等待逆变侧换流器投入;逆变站运行人员发出换流器解锁命令后，解除移相，升换流器直流电流达到IDNC后，拉开旁通开关;随后逆变侧提升直流电压，整流侧维持直流电流，换流器投入完成。整流、逆变两站解锁的时间间隔不能大于5s。

1.2在线退出原理及时序

有站间通讯时，换流器允许退出的前提是极双阀组运行。退出顺序如下：

1）主控站的换流器退出命令后立即执行触发角调整到90°（ALPHA90）操作，ALPHA90后执行投旁通对操作，合换流器的旁通开关，然后闭锁该换流器；

2）非主控站通过站间通讯收到主控站退出换流器命令信号后，与主控站同样操作，立即执行AL-PHA90操作，ALPHA90后执行投旁通对操作，合换流器的旁通开关，然后闭锁该换流器；

3）本极另一换流器继续运行，两站协调维持电流电压在指令值附近，换流器退出完成。

其退出过程的逻辑框图，如图2所示。

图2 在线退出逻辑框图

无站间通讯时，某站单换流器故障退出，对站通过换流器不平衡保护功能自动退出本极低压换流器。当本站双阀组运行，且直流电压在0.35～0.65p.u.之间，换流器不平衡保护判别对站换流器已退出时，将延时退出本站的低压换流器。

2、事件记录及故障录波分析 

2.1事故概述

故障前，某特高压直流双极四阀组大地回线方式运行，输送功率4000MW。故障后，极Ⅰ单极大地方式运行，输送功率保持4000MW。11：17：10：576运行人员操作，发出极Ⅱ低端换流器隔离指令，但在11：17：31：795阀组连接线差动保护2段动作“三取二”判断后发出Z闭锁命令，极Ⅱ高端阀组闭锁。由于直流半功率运行，极Ⅰ成功转带极Ⅱ功率，未导致直流功率损失。

事后检查，极Ⅱ高端阀组未发现故障点，此次事件应该是由于控制保护系统缺陷导致的误动事件。

2.2主要事件记录

事件具体记录如表1所示。

表1 事件记录梳理

2.3故障录波分析

阀组连接线差动保护的基本原理如下：

报警段：|IDC2P－IDC1N|＞ID_NOM×0.0375，延时2s报警。

跳闸Ⅰ段：

|IDC2P－IDC1N|＞|IDC2P+IDC1N|×0.5×0.1，延时150ms跳闸。

跳闸Ⅱ段：

|IDC2P－IDC1N|＞|IDC2P+IDC1N|×0.5×0.2，延时6ms跳闸。

事件发生期间，保护动作时刻的差动电流和制动电流波形如图3所示。

图3 故障发生时刻差动电流波形图

从故障录波图分析，故障发生时，特高压换流站极Ⅱ阀组连接线差动保护差动电流ICCBDP_DIFF由0瞬间变为3362A，大于差动Ⅱ段制动电流1750A，满足保护动作条件。

从图4看出，当双阀组运行时，差动电流取高端阀组低压侧TA和低端阀组高压侧TA之差;当任一阀组退出后，差动电流取0A，该保护退出运行。

图4 阀组连接线差动电流取样逻辑

 3、直流控保软件检查分析  

此特高压换流站使用南瑞集团提供的直流控制保护软件，这也是特高压直流工程首次使用南瑞集团的直流控保软件。

保护动作、极Ⅱ高端阀组闭锁后，检查发现该保护逻辑中CONV1_ON=0、CONV2_ON=1（如图5所示），与实际状态不符，正常状态应为CONV1_ON=0、CONV2_ON=O。

图5 阀组运行状态识别逻辑

由此推断，BPD2（P2.WP.Q15）合上后，阀组连接线差动保护仍判该刀闸为分位，误判低端阀组在运行状态（CONV2_ON=1），同时高端阀组处于运行状态（CONV1_ON=1），导致该保护选择IDC2P和IDC1N进行差动电流的计算，此时IDC2P电流为0，IDC1N为运行电流（3362A），造成阀组连接线差动保护动作。

图6 低端阀组旁路刀闸运行状态输入

进一步检查发现软件信号异常如图6所示。正常情况下，赋值模块（即图6中→1←）输出与输入应一致，但图中显示输入信号PWPQ15_OP_IND=0，输出信号BPD2_OPEN_IND=1，输出信号与输入信号不一致。现场检查发现3套极保护中均存在该情况。

经分析，发现导致BPD2分位信号错误的原因是BPD2_OPEN_IND输入信号的底层代码错误，误将BPD2分位信号（PWPQ15_OP_IND）定义为BPD2合位信号（PWPQ15_CL_IND），如图7所示。

图7 信号内部定义错误

根据上述现象分析，故障原因为软件底层代码错误，引起阀组连接线保护差动电流选择错误，导致保护动作。

  4、故障处理及建议    

1）经检查，此特高压直流阀组连接线差动保护均存在BPD2_OPEN_IND信号与实际状态不符的情况，如现场实际状态为分位，但软件中信号为合位。建议直流控制保护供货厂家开发编译软件自检功能，当信号实际输入与自定义输入出现差异时，软件能够自动报警，确保其余信号无类似问题。

2）经南瑞集团检查确认，现场软件中仅BPD2_OPEN_IND信号存在底层代码错误问题，其他极控、阀控、极保护、阀保护等软件中均无类似错误。建议厂家在编写软件和自行监测过程中切实提高检查力度，同时在出厂试验、现场调试中能够对软件进行全面的试验和检查。

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