浙江中特气动阀门成套有限公司
阀组差动保护异常导致直流特高压阀组闭锁事故分析

0 引言

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。

1.1 在线投入原理及时序

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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