龙政直流工程交流滤波器过负荷保护的标准化改造_杨建明.pdf

第 42 卷 第 1 期2023 年1 月Zhejiang Electric PowerVol.42，No.01Jan.25.2023龙政直流工程交流滤波器过负荷保护的标准化改造杨建明1，马云龙2，卢 宇1，王永平1，黄志岭1，俞翔1（1.南京南瑞继保电气有限公司，南京 211102；2.国家电网有限公司特高压建设分公司，北京 100052）摘要：龙政直流工程的交流滤波器保护装置是ABB在2003年供货的非标准化产品，需要在改造后实现龙政直流工程交流滤波器过负荷保护的标准化。通过分析龙政直流工程改造前交流滤波器过负荷保护和标准化交流滤波器过负荷保护的保护架构、保护原理、保护定值，指出了两者在保护架构、趋肤效应系数的实现方法、保护原理的实现方法、保护定值的表现形式上存在的差异，提出了交流滤波器过负荷保护标准化的改造方法。最后，试验验证了标准化改造后的交流滤波器过负荷保护能够满足工程的要求。关键词：交流滤波器过负荷保护；保护架构；保护原理；保护定值；趋肤效应系数DOI:10.19585/j.zjdl.202301003 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：Standardized retrofit of AC filter overload protection in Longquan-Zhengping HVDC transmission projectYANG Jianming1，MA Yunlong2，LU Yu1，WANG Yongping1，HUANG Zhiling1，YU Xiang1（1.NR Electric Co.，Ltd.，Nanjing 211102，China；2.State Grid UHV Engineering Construction Company，Beijing 100052，China）Abstract:The AC filter protection devices used in the Longquan-Zhengping HVDC transmission project are non-standardized products supplied by ABB in 2003.The AC filter overload protection for the project must be standardized through renovation.Through analysis of the protection architectures，protection principles，and protection settings of the unrenovated AC filter overload protection and the standardized AC filter overload protection，the differences between them in the protection architectures，implementation methods of skin effect coefficients，implementation methods of protection principle，and the expression form of protection settings are expounded.Moreover，the renovation method for standardizing AC filter overload protection is proposed.Finally，it is verified that the standardized AC filter overload protection can meet the demands of the project.Keywords:AC filter overload protection；protection architecture；protection principle；protection settings；skin effect coefficient0引言龙政直流工程的交流滤波器控制保护系统由ABB公司供货，于2003年6月双极投运以来，交流滤波器控制保护系统已经运行18年。因为硬件的老化，控制保护系统的故障率逐年升高，并且不符合国家电网有限公司（下文简称国家电网）企标Q/GDW 113552020 高压直流系统保护装置技术规范（以下简称“企标”）的相关要求，所以国家电网于2021年启动了龙政直流工程交流滤波器控制保护系统的改造。早期技术引进的龙政直流工程交流滤波器保护在保护架构、保护原理、保护定值等方面标准化程度不高，而国家电网要求改造高压直流输电工程时需要以国标、行标、企标为准则并实现标准化。在实现标准化的过程中，与一次设备参数密切相关的交流滤波器过负荷保护需要技术资料的支撑，然而ABB在2003年提供的技术资料有限，只有半封装的可视化控制保护程序和定值单供参考。因此在龙政直流工程交流滤波器控制保护系统进行标准化改造时面临资料短缺的难题，如何以改造前的交流滤波器控制保护程序和定值单为基础探索出标准化的实现方法直接影响龙政直流工程改造后的标准化程度。基金项目：国家电网有限公司总部科技项目（SGSXDK00SPJS2100509）第 42 卷至今，对国外厂商供货的交流滤波器控制保护系统进行过改造的国内直流工程只有国家电网的葛南直流工程1-3和南方电网的天广直流工程4-6。葛南直流工程改造前的交流滤波器控制保护系统是BBC公司的可编程控制系统7，天广直流工程改造前的交流滤波器控制保护系统是西门子公司的SIMADYN D系统8。这两个工程的交流滤波器控制保护与龙政直流工程的改造前交流滤波器控制保护在硬件结构、保护配置、保护原理等方面存在很大差异，没有可借鉴性。国内外学者针对交流滤波器保护的研究也都集中在保护新原理、保护配置、故障分析等方面9-11，很少涉及将一种交流滤波器保护的算法转换成另一种算法。本文以龙政直流工程改造前的交流滤波器电抗器过负荷保护、电阻过负荷保护为研究对象，经过理论分析和仿真验证，提出了一种可行的标准化改造方法，为后续高压直流输电工程的交流滤波器过负荷保护标准化改造提供参考。1改造前交流滤波器过负荷保护1.1保护架构与配置龙政直流工程改造前的交流滤波器控制功能和保护功能共用装置，有A、B两套装置，任意一套控制保护装置满足定值就跳闸。图1为一台控制保护装置的架构示意图，装置里的保护功能没有“起动元件”，只要“保护元件”里的保护功能满足定值条件后装置就立即出口。图2给出了交流滤波器控制保护装置中配置的保护功能。其中，本文所研究的交流滤波器过负荷保护包括电阻过负荷保护、电抗器L1过负荷保护、电抗器L2过负荷保护。1.2过负荷保护原理图 3 所示为改造前电抗器过负荷保护原理图12，假设某i次谐波经过趋肤效应系数环节后其等效工频电流为：isi=qi(2 Isi)cos(it)（1）式中：qi为趋肤效应系数环节在第i次谐波的增益；isi为实时测量的第i次谐波等效工频热效应电流瞬时值；Isi为实时测量的第i次谐波电流有效值。对式（1）进行平方：i2si=q2i(2 Isi)2cos2(it)=q2i(2 Isi)21+cos(2it)2（2）图3所示的时间常数固定为0.2 s的惯性环节是低通滤波器，经过此惯性环节后，式（2）只剩直流分量，其值如式（3）所示：I2Qi=q2iIsi2（3）式中：IQi为第i次谐波等效工频热效应电流有效值。假设电抗器电流包含了工频分量至n次谐波分量：in=i=1nqi(2 Ini)cos(it)（4）式中：in为实时测量的包含工频至n次谐波所有分量的等效工频热效应电流瞬时值；Ini为实时测量的包含工频至n次谐波所有分量的电流有效值。对式（4）进行平方：图1 改造前交流滤波器保护架构Fig.1 AC filter protection architecture before retrofitting图2 改造前交流滤波器保护配置Fig.2 AC filter protection configuration before retrofitting24 第 1 期杨建明，等：龙政直流工程交流滤波器过负荷保护的标准化改造i2n=i=1nqi(2 Ini)cos(it)2=i=1n qi(2 Ini)cos(it)2+2j=1ni=j+1n qi(2 Ini)cos(it)qj(2 Inj)cos(jt)（5）因为式（5）加号后的部分i和j至少相差1，所以加号后的部分进行积化和差运算后其分量的最低频率是工频。在经过时间常数固定为0.2 s的惯性环节后式（5）输出为：I2Q=i=1nqi2I2ni（6）式中：IQ为实时测量的各次谐波等效工频热效应电流综合有效值。假设实时测量的等效工频热效应电流综合有效值IQ是1个阶跃响应信号IQ1（t），则经过时间常数为的惯性环节后输出信号的传递函数为：Qes=I2Q1s1s+1（7）式中：Qes为拉氏域的等效热量。经过拉普拉斯反变换有：Qe=I2Q(1-e-t)（8）式中：Qe为时域的等效热量。综上，改造前的电抗器过负荷保护原理是：先通过3个二阶滤波器给各次谐波分量增加不同的趋肤效应系数，然后取平方并经低通滤波器得到等效热效应电流的有效值的平方值，接着通过时间常数为的一阶系统将等效的热效应电流综合有效值的平方值转为等效热量，当等效热量大于等效热量定值Qs时，电抗器过负荷保护动作。改造前电阻过负荷保护的原理如图4所示，与图3比较可知在逻辑上电阻过负荷保护比电抗器过负荷保护只少趋肤效应系数处理环节，后续计算等效热量的算法与电抗器过负荷保护完全一样，不再详细介绍。2标准化交流滤波器过负荷保护2.1保护架构与配置根据企标的规定，交流滤波器控制功能和保护功能应相互独立，保护双重化配置，每套保护装置配置“起动元件”和“保护元件”，“起动元件”满足定值条件后接通出口继电器的正电源，“保护元件”满足定值条件后出口继电器接通外部跳闸回路，具体如图5所示。在保护功能配置上，企标规定的交流滤波器保护与改造前的交流滤波器保护并无差异，具体如图2所示。图4 改造前电阻过负荷保护原理Fig.4 Principle of resistance overload protection before retrofitting图3 改造前电抗器过负荷保护原理Fig.3 Principle of overload protection of reactor before retrofittin25第 42 卷2.2过负荷保护原理与定值企标规定交流滤波器的电阻过负荷保护和电抗器过负荷保护的等效热量计算应采用符合IEC 602558 标准的反时限特性曲线13，如式（9）所示：T=lnI2QI2Q-(kIB)2（9）式中：T为动作时间；为过负荷时间常数；IB为过负荷基准电流；k为过负荷动作定值。式（10）给出了IQ的计算方法：IQ=i=140miI2fi（10）式中：mi为第i次谐波的趋肤效应系数，对于电阻器，mi固定为1；Ifi为离散傅里叶变换计算出的第i次谐波的电流有效值。将式（9）变换成式（11）：eT=I2QI2Q-(kIB)2（11）进一步变换得到：I2Q(1-e-T)=(kIB)2（12）可由式（12）得到，在保护动作时刻T，过负荷保护积累的等效热量为：QeT=I2Q(1-e-T)（13）保护动作的等效热量定值为：Qs=(kIB)2（14）综上，标准化的电阻、电抗器过负荷保护在用等效工频热效应电流综合有效值IQ计算等效热量时采用的模型也是一阶系统的零状态响应。另外，企标规定交流滤波器电阻过负荷保护的定值包括过负荷时间常数、过负荷基准电流IB、过负荷动作定值k。电抗器过负荷保护除上述定值外还有谐波的趋肤效应系数mi。3交流滤波器过负荷保护标准化改造根据第1章的分析，在保护原