同塔双回直流输电系统接地极电流控制策略

朱益华， 郭 琦， 黄立滨， 李书勇， 关红兵

(1. 直流输电技术国家重点实验室， 中国南方电网科学研究院有限责任公司， 广东省广州市 510663； 2. 电网仿真重点实验室， 中国南方电网科学研究院有限责任公司， 广东省广州市 510663)

0 引言

随着经济的高速发展以及电力需求的不断增长，远距离、大容量高压直流输电系统蓬勃发展[1-5]。直流工程在系统调试、检修或发生故障的情况下，可能采用单极大地回线的运行方式，若直流接地极与地下金属管网、铠装电缆以及具有接地系统的电气设施等距离较近，此时直流入地电流引起的地表电位差将导致直流电流窜入上述设施，严重时可能引发变压器过热、金属管网爆炸等故障，从而威胁交直流互联系统的安全稳定运行[6-9]。

文献[10]明确指出，接地极入地电流对埋地金属管道的影响，是电磁干扰的传播过程，通常有三个基本要素：骚扰源、敏感设备与耦合途径，三者缺一不可。近年来，大量学者在后两个方面开展了探索研究。文献[11]提出了借助潮流计算数据整理直流网络信息的方法，通过建立交流电网直流分布模型，介绍了其在预测和抑制广东电网直流分布中的应用。文献[12]研究分析了直流输电的地中直流电流对交流电网设备影响，包括直流偏磁对变压器和电流互感器、电网谐波对继电保护装置及地中电流对变电所接地网腐蚀的影响。文献[13]论证了在变压器中性点串接电阻器限制地中直流流入的可行性，并从抑制中性点直流与过电压效果和继电保护角度分析及校核了中性点电阻器对系统造成的影响。文献[14]提出了采用分布式直流接地极方式减小入地电流的方案，对分布式接地极的工作原理、设计原则、仿真模型和对抑制变压器直流偏磁危害的效果进行了研究。

然而，以往的研究主要集中在直流电流在大地的分布特性仿真研究、直流电流对交流系统的影响特性分析，以及敏感设备抑制直流电流的措施研究等。鲜有文献考虑从骚扰源出发，研究在直流系统侧实施接地极电流控制的主动策略。为此，本文结合南方电网±500 kV溪洛渡同塔双回直流工程与油气管网的相互影响，从直流接地极电流产生的源头出发，首先分析了接地极电流的控制措施，提出了两种可行的方案；在此基础上，针对所提方案通过修改直流控制保护系统功能的设计，实现尽可能地减小接地极电流的大小和持续时间。最后，在实时数字仿真(RTDS)平台上开展仿真测试，验证了控制策略的有效性，并通过现场调试进一步验证。根据本文所提方法改进后的接地极电流限制功能(GECLF)为后续新建直流工程提供了技术借鉴。

1 接地极电流控制措施分析

就直流输电系统侧的措施而言，目前对其进行优化的主动策略主要有以下三种。

1)无接地极运行方式

在负荷特别密集、接地极选址十分困难的地区，如果接地极电流影响巨大，消除成本过高，可以采用无接地极运行方式。在直流输电线路中除正负极线路外，还需另加1条金属导线回路。在此基础上，还可以论证它作为几条直流输电线路共同的金属回路的技术方案。如果存在多回直流线路共用该金属回线的可能性，则建造金属回路导线的成本存在低于接地电极成本的可能性。

这种方式可以完全避免直流电流分量流入交流系统中，同时可避免关于接地电极对周边环境影响的疑虑。如文献[6]提出了一种以站内接地极网代替接地极运行的双极平衡运行方法，但是该方法对站内接地网设计、接触电压、跨步电压、接地网腐蚀等要求很高，适合作为接地极无法使用时的临时方案。

2)接地极电流限制功能

溪洛渡直流投产前，直流工程均未配置接地极电流限制功能。而溪洛渡直流由于其同塔双回并架的特殊性，且共用同一个接地极，必须配置该功能对接地极进行保护。直流工程的过负荷能力与接地极的过负荷能力是匹配的。以溪洛渡直流为例，其具备的1.44倍3 s过负荷能力为4 610 A，1.22倍长期过负荷能力为3 903 A，接地极的最大耐受水平为4 610 A，持续时间不超过3 s。

对溪洛渡直流而言，存在一种特殊的运行工况，即两回直流同名极大地回线运行，此时流过接地极的电流是单极电流的两倍，远远超过接地极的热稳极限，势必造成破坏。因此，溪洛渡直流在双回控制(直流站控)系统中配置了接地极电流限制功能，对接地极总电流进行限制。当总电流越限时控制系统发出报警并执行功率回降，使接地极电流降至安全水平[15]。

接地极电流限制功能包含自动和手动两种方式。自动方式(参数默认设置)依据接地极设计参数配置，当接地极电流超过设计安全值时自动限流以保证接地极的安全运行。根据接地极设计参数要求，接地极电流限制功能的参数为：接地极3 s限值为4 610 A(Ⅰ段)，长期(30 d)限值3 903 A(Ⅱ段)。手动方式(参数人为设置)可在整流站后台界面进行功能的投退及接地极长期限值的设定。当手动方式未投入时，以自动限值进行限制；当手动方式投入时，长期限值以自动限值及手动限值的最小值作为限制依据。当接地极电流值大于Ⅰ段动作值时，延时300 ms后接地极限流Ⅰ段动作；当接地极电流值大于Ⅱ段动作值时，延时3.3 s后接地极限流Ⅱ段动作。接地极电流限制功能已无法适应油气管网等提出的新的外部要求，必须进行改造才能达到电流控制的目标。

3)同回联跳功能

考虑到直流的某一极发生故障闭锁时，接地极流过的电流等于该回另一健全极的运行电流，此时如果有控制功能使该健全极迅速闭锁，则入地电流的持续时间将会非常短暂。基于该思想，在直流极控中设计同回联跳功能，即一极非正常性闭锁时立即联跳同回另一极。对于该回而言，单极闭锁最终会导致双极闭锁，可能会增加配套稳控系统的动作概率以及切机切负荷量，同时在直流系统恢复时电网的调控难度也可能有所增加。

该方案的优点是单回联跳可靠性高，功能逻辑实现简单。但是措施严厉，存在下述缺点：①双回异名极大地回线运行时，一极非正常闭锁，另一极不会动作，而此时接地极电流为另一极电流，可能无法满足电流控制要求；②双回四极大地回线运行时，发生双回异名极同时单极闭锁会导致四极闭锁，而实际上异名极闭锁后接地极电流为零，并不需要采取措施；③人为或保护动作造成的不平衡工况引起接地极过流(如运行方式安排不平衡运行，人为设置功率/电流限制或其他不平衡工况)，本方案不能降低接地极电流。

因此，实施该方案对运行也提出了要求，即禁止双回异名极大地回线运行方式，禁止单回内双极不平衡运行方式。同时，考虑到缺点③，以及极间通信故障时同回联跳功能将失效，需要通过优化接地极过流保护作为后备保护。

方案2和方案3均是通过修改直流控制保护功能加以实现，不涉及一次系统的改造等工作，可行性高，下文将针对上述两种方案进行论述。

2 接地极电流限制功能优化

2.1 接地极电流限制功能开放起效逻辑优化

最初设计接地极电流限制功能是考虑当两回直流存在同名极大地回线运行时才允许该功能起效，即当回Ⅰ极1和回Ⅱ极1大地回线运行或回Ⅰ极2和回Ⅱ极2大地回线运行(其他极可以运行或不运行)时允许起效。由于油气管网对接地极电流不超过1 200 A的安全控制要求，意味着任何工况下接地极电流超过1 200 A即需要激活该功能来实现功率回降。

因此，需将“两回直流存在同名极大地回线运行时才允许接地极电流限制功能开放”修改为“任一极大地回线运行即允许接地极电流限制功能开放”，如附录A图A1所示。逻辑优化后，针对双回直流大地回线运行单极闭锁、同名极闭锁、三极闭锁、不同回异名极相继闭锁，以及单回双极大地回线运行单极闭锁等工况均能起效，有效避免了因开放逻辑不满足而导致拒动的风险。

2.2 接地极电流限制功能与双回功率控制功能配合

在双回功率控制模式下，如果一回处于双极大地回线运行，一回处于金属回线运行，由于金属回线运行回不“贡献”接地极电流，因此对该回不需要做任何的功率限制处理(即不会向金属回线运行回发限制命令)。这就导致双极大地回线运行回单极闭锁后，若接地极电流限制功能动作，则金属回线运行回由于不会收到限制命令，仍按照原来的功率运行。但是在双回功率控制模式下会进行健全极的功率再分配，一旦接地极电流限制命令返回，将导致健全的单极大地回线运行极功率上升，超过接地极电流限制功能定值后再次动作，后续将重复上述过程，最终引发功率振荡，如图1所示。

图1 双回功率控制功能引发的功率振荡Fig.1 Power oscillation caused by double-circuit power control function

为了解决该功率振荡问题，在两回直流处于双回功率控制模式时需要增加对金属回线运行回的限制处理，将接地极电流限制指令也发送给金属回线运行回执行回降功率。

修改后的接地极电流限制指令发出逻辑如下：①当本回的两极中存在大地回线运行极时，接地极电流限制功能动作后将向该回发出限制指令(原逻辑)；②当(本回为金属回线运行)∩(本回处于双回功率控制∪对回的两极中存在处于双回功率控制的大地回线运行极)时，也向该回发出限制指令(∩表示与,∪表示或)，逻辑示意图如附录A图A2所示。

2.3 接地极电流限制功能与调制功能配合

调制功能主要包括功率提升、功率回降、功率限制、频率限制控制(FLC)、功率摇摆稳定(PSS)/功率摇摆阻尼(PSD)、次同步振荡阻尼控制、外部调制控制以及交流低电压限功率控制等。由于接地极电流限制功能执行的是功率回降，与调制功能中有正向调制输出的功能可能会造成冲突。功率提升采用硬接点形式，是非连续调制命令，如果接地极电流限制功能动作后收到该命令导致电流再次越限，则再次动作执行功率回降，不会造成反复的功率振荡。但是对于FLC等连续调制命令而言，可能存在功率振荡的风险。

以FLC为例，直流送端孤岛运行方式下，如果发生直流闭锁导致接地极电流越限，接地极电流限制功能将动作并限制直流功率。同时，由于直流功率的大量损失，孤岛系统频率上升，将导致FLC动作输出正向调制量叠加至功率参考值上，但在接地极电流限制期间由于限幅环节的作用无法真正起效，直至限制动作信号返回时刻将瞬间提升直流功率，导致电流再次越限，接地极电流限制功能再次动作，从而出现直流功率的反复振荡，如图2所示。

图2 接地极电流限制功能与FLC冲突导致功率振荡Fig.2 Power oscillation caused by conflict between GECLF and FLC

为了协调接地极电流限制功能以及FLC功能，需增加接地极电流限制功能动作情况下FLC调制功率的分配原则，逻辑示意图如附录A图A3所示。

1)若该回的接地极电流限制功能动作信号未出现，则其FLC功能的输出不受影响。

2)在该回的接地极电流限制功能动作信号出现过程中及动作信号返回后，对处于单极大地回线运行的回，该回的FLC调制分配量上限将被限制为0，以使其在接地极电流限制功能动作时不会因为FLC动作而升高功率并引起接地极电流再次越限，该过程中FLC负向输出不受影响。

3)在该回的接地极电流限制功能动作信号出现过程中，如处于双极大地回线运行的回两极电流接近平衡(该回两极的电流指令差小于本回接地极电流控制指令值-150 A)或处于单极金属回线运行的回，该回的FLC调制分配量上限将被限制为0；在该回的接地极电流限制功能动作信号返回后，其FLC正向输出可以正常输出并调整该回的直流功率，该过程中FLC负向输出不受影响。

4)在该回的接地极电流限制功能动作信号出现过程中，如处于双极大地回线运行的回两极电流不平衡过大(该回两极的电流指令差大于本回接地极电流控制指令值)，该回的FLC调制分配量上限将被限制为0，以避免该回因为FLC动作而升高功率并引起接地极电流再次越限；该过程中FLC负向输出不受影响。

类似的PSS/PSD等功能亦可按同样的方案进行变更，可有效解决功率振荡问题。

2.4 接地极电流限制功能动作特性优化

溪洛渡直流由于运行极数多，故障形式组合繁多，存在直流相继故障导致接地极电流多次越限而多次动作的情况，如果控制时序不当，可能造成不合理的功率突变，危害电网运行稳定性。

以双极相继闭锁故障为例，如0 s回Ⅰ极1闭锁，3.8 s回Ⅱ极2闭锁，可能出现如图3所示的功率突变。

图3 控制时序不合理导致直流功率突变Fig.3 Power saltation caused by unreasonable control timing sequence

上述过程具体的动作时序如附录A图A4所示。3.3 s时接地极电流限制Ⅱ段第1次动作，限制命令信号持续1 s，接地极电流被限制到了1 200 A以下；3.8 s时回Ⅱ极2闭锁导致接地极电流再次超过1 200 A，4.4 s时接地极限流Ⅱ段第2次动作，限制命令信号持续约50 ms，回Ⅱ极1功率未能限制到位，之后回Ⅱ极1功率突变至限制前的水平，并在4.6 s时再次大于1 200 A，再经过3.3 s后(7.9 s时)接地极电流限制Ⅱ段第3次动作，限制命令信号持续1 s，此时接地极电流才被限制到了1 200 A以下。

通过分析该现象可知，接地极电流限制命令信号展宽时间为1 s时，单次闭锁情况下可以可靠保证接地极电流被限制到位，但对于相继闭锁的情况，第2次动作时限制命令信号的持续时间不能可靠保证接地极电流被限制到位(可靠限制到位需达到100 ms)，因此需要对接地极电流限制功能的动作特性进行优化，以使其能够应对相继闭锁故障的复杂时序。

因此，考虑一定的裕度，将接地极电流限制命令信号展宽时间修改为200 ms，功能动作间隔时间修改为1 s。修改后，接地极电流越限1次后，接地极电流限制功能将动作1次，后续接地极电流如再次越限则接地极电流限制功能将按照预定的延时再重新动作1次，动作过程更清晰。修改后的动作时序如附录A图A5所示。

2.5 接地极电流限制功能与线路重启动功能配合

由于接地极电流限制Ⅰ段的时间定值为300 ms，如果线路故障重启动去游离时间大于300 ms，可能导致线路重启动过程中接地极电流限制功能动作，电流参考值被限至目标值，造成该极按照限制值重启，恢复后功率小于原功率值。如直流功率6 400 MW，Ⅰ段定值设为3 200 A，回Ⅰ极1、回Ⅱ极1同时线路金属性接地故障重启动成功。正确结果应为两回直流恢复6 400 MW运行，而实际由于在重启动过程中接地极电流限制Ⅰ段动作，按照3 200 A的电流限制值发送给双回，经分配计算后每个极的电流参考值为1 600 A，最终重启成功后直流功率仅为3 200 MW，如附录A图A6所示。

因此，为了避免与线路故障重启动功能的冲突，将接地极电流限制功能的动作定值和时间定值开放，可整定。考虑只设置一次重启动，以及线路高阻接地故障直流线路纵差保护(87DCLL)动作延时1 s，再加上500 ms最大去游离时间，接地极电流限制Ⅰ段时间定值必须躲过1 500 ms，考虑一定裕度，整定为1 800 ms。

3 回内联跳方案实现

3.1 同回双极联跳功能

直流极闭锁形式可分为正常闭锁和非正常闭锁，正常闭锁指运行人员通过监控系统后台正常发出的停极命令，非正常闭锁则主要包括三种命令形式：闭锁脉冲、紧急停运和闭锁换流器。本文所提方法主要针对非正常闭锁情况，即正常闭锁不会启动联跳功能。在直流极控系统中增加同回双极联跳功能，两回直流的联跳功能相互独立，并可在监控系统后台通过控制字灵活投退。

由于联跳功能最终将导致双极同时闭锁，因此需综合考虑多方因素，以保证其可靠性和安全性。由于不存在过电压问题，因此出口形式采用闭锁换流器方式。同时，处于如下任一工况时该功能均会失效。

1)本回任一极处于空载加压模式(OLT)。

2)本回中两极极间通信双通道均故障。

3)本回两站(整流站和逆变站)两极中任一极处于检修状态。

只有在该功能有效时，一旦本回对极发生非正常闭锁，本极才能收到对极通过极间通信发来的联跳命令，此时只有本极在解锁状态且非OLT模式时，才能真正下发闭锁换流器命令，达到联跳的效果。功能逻辑如附录A图A7所示。

该功能不影响直流线路故障重启动功能，当线路故障重启失败跳闸后出现非正常闭锁信号，联跳功能正常启动。

3.2 接地极过流保护优化

一旦极间通信中断，回内联跳功能将失效。为了确保该功能失效后仍能可靠限制接地极电流，可通过优化接地极过流保护(76EL)实现，作为联跳功能失效时的后备保护。

接地极过流保护的设计目的是防止接地极线过载，需要与设备的过载能力配合。该保护的原理为式(1)或式(2)。

|IdEE1|>Iset

(1)

|IdEE2|>Iset

(2)

式中：IdEE1为接地极线1电流;IdEE2为接地极线2电流;Iset为动作定值。

该保护出口共分为4段，依次是报警段、极平衡段、功率回降段和动作段。根据运行方式不同动作方式不同：当双极运行时，动作后首先进行极平衡,仍然动作后立即闭锁换流器，跳换流变开关；单极运行时，动作后首先进行功率回降，仍然动作后立即闭锁换流器，跳换流变开关。

考虑到接地极电流不得超过1 200 A的安全限制，与回内联跳功能的配合，以及作为回内联跳功能失效情况下的后备保护，必须对76EL保护进行优化，具体如下。

1)调整76EL的报警定值和时间，报警定值整定为400 A(一回直流的接地极电流)，延时整定为0.5 s。

2)调整76EL的动作跳闸定值和时间，动作跳闸定值整定为500 A，主要考虑两回存在同名极运行时一回直流的接地极电流不能超过600 A且保留一定裕度；延时整定为1.2 s，主要考虑与直流线路高阻接地故障下1次故障重启动成功时间、交流系统故障近后备保护动作时间、直流双极线路主保护动作相继重启动成功相配合。

3)退出76EL极平衡段和功率回降段。

4 RTDS仿真验证

为验证本文所提控制策略的正确性和有效性，在RTDS平台上开展了仿真测试。

4.1 接地极电流限制功能测试

测试1：溪洛渡直流双回功率控制模式，回Ⅰ双极大地回线运行，回Ⅱ金属回线运行，功率4 400 MW。0 s回Ⅰ极1闭锁，接地极电流增至4 400 A左右，3.3 s接地极电流限制Ⅱ段动作，接地极电流被限制到1 200 A以下，控制行为和时序均正确，后续未发生由于接地极电流限制功能与双回功率控制功能配合不当导致的功率振荡，如附录A图A8所示。

测试2：溪洛渡直流双回四极大地回线运行，功率5 860 MW，0 s回Ⅰ极1闭锁，2.3 s切溪洛渡电厂2台机。回Ⅰ极1闭锁后，3.3 s接地极电流限制Ⅱ段动作，接地极电流被限制到1 200 A以下；此时孤岛系统频率一直越上限50.1 Hz，但由于回Ⅰ的FLC调制分配量上限被限制为0，未因FLC动作而升高功率并引起接地极电流再次越限，如图4所示。

测试3：溪洛渡直流双回四极大地回线运行，功率5 860 MW，0 s回Ⅰ极1闭锁，3.8 s回Ⅱ极2闭锁。回Ⅰ极1闭锁后，3.3 s接地极电流限制Ⅱ段第1次动作，接地极电流被限制到1 200 A以下；3.8 s时回Ⅱ极2闭锁导致接地极电流再次超过1 200 A，再过3.3 s接地极限流Ⅱ段第2次动作，将接地极电流限制到1 200 A以下，控制系统响应正确，如图5所示。

测试4：直流功率6 400 MW，Ⅰ段定值设为3 200 A，动作时间优化为1.8 s，回Ⅰ极1、回Ⅱ极1同时线路金属性接地故障重启动成功。重启过程中接地极电流限制功能正确不动作，重启成功后直流功率可恢复至故障前水平，如附录A图A9所示。

图4 接地极电流限制功能与FLC配合优化Fig.4 Optimization of coordination between GECLF and FLC

图5 接地极电流限制功能控制特性优化Fig.5 Optimization of control characteristic for GECLF

4.2 回内联跳功能测试

溪洛渡直流回Ⅱ双极大地回线运行，功率3 200 MW。故障设置：逆变侧回Ⅱ极2换流器接地故障。

仿真结果显示：逆变侧回Ⅱ极2的87DCM-Ⅰ段保护动作闭锁，回Ⅱ极1收到同回对极非正常闭锁联跳命令，联跳时间差约45 ms，闭锁过程中最大入地电流约4 900 A，大于1200 A持续约110 ms；整流侧回Ⅱ极2收到对站ESOF后闭锁，随后回Ⅱ极1收到对站紧急停运(ESOF)和同回对极非正常闭锁联跳。动作行为和时序均正确，如附录A图A10所示。

5 现场调试验证

为进一步验证本文所提方法的有效性，针对接地极电流限制功能开展了现场调试试验。溪洛渡直流双回均采用双极功率控制模式，每回直流功率为2 200 MW，每极直流电流为2 200 A，在从西站手动触发回Ⅰ极2 ESOF按钮。回Ⅰ极2闭锁后，接地极电流达到约4 600 A，约3.4 s后接地极电流限制功能动作，将回Ⅰ极1功率限至约600 MW，接地极电流降至约1 190 A，回Ⅱ功率保持2 200 MW不变，电流限制速率约为22.5 kA/s，相关波形如附录A图A11所示。

整个过程中直流控制系统逻辑响应正确，一、二次设备无异常。现场调试中直流电流和直流功率的变化特性与RTDS仿真试验变化特性一致。可见，接地极电流限制功能能够迅速可靠地将接地极电流限至目标值以下，有效确保油气管网设备安全。

6 结语

为有效控制接地极电流对油气管网的影响，满足油气管网的安全控制要求，本文从接地极电流的骚扰源出发，研究了控制接地极电流的主动策略。从直流控制保护功能的角度提出了2种可行的方案，并对上述方案进行了分析，研究了接地极电流限制功能的优化方法和回内联跳方案的实现方法。最后，利用RTDS仿真平台验证了控制策略的有效性，并通过现场调试进一步验证。本文所提改进后的接地极电流限制功能在溪洛渡同塔双回直流工程得到实施，效果良好。值得注意的是，本文所提策略会对直流系统送受端交流电网的正常运行和直流系统运行的灵活性造成一定程度的影响，在接地极电流对油气管网没有明显影响的情况下可不采用实施。

鉴于接地极电流限制功能在溪洛渡直流的成功应用，该功能已作为标准功能在南方电网的后续直流工程中得以实施，为确保油气管网的安全发挥了重要的作用，后续将进一步研究制定相关的标准。

附录见本刊网络版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。