祁玉棟，黃勝祝

直流控制保護(hù)系統(tǒng)配置研究

祁玉棟1，黃勝祝2

（1.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司檢修公司；2.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司仁壽縣供電公司）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)的直流輸電技術(shù)也得到了快速發(fā)展，直流輸電項(xiàng)目建設(shè)的越來(lái)越多，人們對(duì)接地選址以及輸電走廊有關(guān)問(wèn)題更加重視。尤其是大容量、遠(yuǎn)距離的輸電工程，更應(yīng)該以充分體現(xiàn)資源的優(yōu)化配置以及提高輸電走廊的利用率為目標(biāo)。本文以某一直流輸電工程為例，對(duì)直流控制系統(tǒng)、直流保護(hù)系統(tǒng)以及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)配置等方面進(jìn)行詳細(xì)的研究，為大家提供參考。

直流控制保護(hù)系統(tǒng)；控制網(wǎng)絡(luò)；同塔雙回

1　工程簡(jiǎn)介

某一直流輸電工程直流線路長(zhǎng)度大約1255km，額定直流電流為3300A，額定輸電容量為6500MW，采用雙回±500kV同塔雙回直流輸電方案。整個(gè)工程規(guī)模比較大，涉及到的設(shè)備類型比較多，可以選擇的運(yùn)行方式也比較多，控制保護(hù)系統(tǒng)需要經(jīng)雙回直流協(xié)調(diào)統(tǒng)一控制，是一個(gè)輸、接兩端換流站雙回直流場(chǎng)同址建設(shè)、直流線路同塔建設(shè)以及接地極共用的直流輸電工程。直流控制保護(hù)系統(tǒng)相當(dāng)于整個(gè)工程的“大腦”，其配置和功能對(duì)于常規(guī)單回直流輸電系統(tǒng)以及交流控制保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)一步強(qiáng)大和完善。

2　分層結(jié)構(gòu)系統(tǒng)配置以及功能

2.1系統(tǒng)設(shè)備配置

該項(xiàng)工程的直流保護(hù)系統(tǒng)按照雙重化配置以及分層結(jié)構(gòu)進(jìn)行，由極控制保護(hù)層、雙極控制層、雙回控制層以及閥組控制層共同組成，如圖1所示。

從這個(gè)圖中我們可以看到，回層設(shè)備主要有站控屏；雙回層設(shè)備主要有雙回協(xié)調(diào)控制屏；極控制保護(hù)層設(shè)備主要有極控制柜；系統(tǒng)層設(shè)備主要有交流測(cè)控屏、站用電控制主機(jī)柜以及交流濾波測(cè)控屏。

圖1　雙回直流控制保護(hù)系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)圖

2.2功能分析

①雙極控制層以及單回直流系統(tǒng)的功能主要是對(duì)直流場(chǎng)內(nèi)所有的直流開(kāi)關(guān)、刀閘操作、模式選擇以及順序控制等進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，同時(shí)對(duì)后備雙功率、后備無(wú)功、后備功率進(jìn)行協(xié)調(diào)控制以及系統(tǒng)接口與運(yùn)行人員交互等。②極控制層的功能主要是對(duì)直流功率輸送的整個(gè)過(guò)程進(jìn)行控制，對(duì)直流、交流的功率進(jìn)行轉(zhuǎn)換，對(duì)直流場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行操作控制，它是整個(gè)直流輸電系統(tǒng)的核心。另外也可以起到對(duì)輸電系統(tǒng)的運(yùn)行停止控制，對(duì)直流輸送的功率大小進(jìn)行控制，對(duì)直流輸電的方向進(jìn)行控制，對(duì)系統(tǒng)設(shè)備、交流站設(shè)備、線路、換流器等各個(gè)參數(shù)等進(jìn)行監(jiān)測(cè)等。③閥組控制層主要體現(xiàn)換流閥組的高速閉環(huán)控制功能，可以對(duì)直流電流、電壓的運(yùn)行進(jìn)行控制，對(duì)換流閥解鎖、閉鎖進(jìn)行控制，對(duì)熄弧角進(jìn)行控制等。

2.3本次工程的系統(tǒng)配置及功能

依據(jù)該項(xiàng)工程的要求以及獨(dú)立運(yùn)行能力，結(jié)合同步運(yùn)行的特點(diǎn)和雙回直流同址合建，對(duì)控制保護(hù)系統(tǒng)提出了新的要求。本項(xiàng)工程采用的是±500kV直流系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)，在這個(gè)基礎(chǔ)上在雙回層中增加了雙回直流協(xié)調(diào)控制功能，以充分體現(xiàn)協(xié)調(diào)控制能力，主要對(duì)無(wú)功進(jìn)行控制，對(duì)雙回功率進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，對(duì)安穩(wěn)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制以及接口與運(yùn)行人員交互等。

3　控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)配置及功能探析

3.1換流站現(xiàn)場(chǎng)總線

控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)配置主要是通過(guò)交換機(jī)以及網(wǎng)線連接來(lái)實(shí)現(xiàn)控制保護(hù)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸和交換。本項(xiàng)工程中，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)總線來(lái)實(shí)現(xiàn)就地測(cè)控層和控制保護(hù)層之間的數(shù)據(jù)傳輸，也就是說(shuō)，就地測(cè)控層設(shè)備通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線將收集的電壓、電流、隔離開(kāi)關(guān)位置以及斷路器位置等信息傳輸給控制保護(hù)層，控制保護(hù)層再將這些控制信息傳輸給就地測(cè)控層。在本項(xiàng)工程中，配置了現(xiàn)場(chǎng)控制總線、站CAN、現(xiàn)場(chǎng)CAN總線以及IEC70045-7總線，其中現(xiàn)場(chǎng)CAN總線主要對(duì)分布式I/O與主機(jī)之間進(jìn)行通信聯(lián)系，充分體現(xiàn)執(zhí)行裝置、控制核心以及現(xiàn)場(chǎng)采集之間的數(shù)據(jù)傳輸。而站CAN主要是對(duì)主線之間的總線進(jìn)行通信，它可以將各個(gè)主機(jī)，比如回直流站控柜、雙回協(xié)調(diào)控制柜、各個(gè)極控制柜等有關(guān)的CPU進(jìn)行連接，然后將控制命令以及信息狀態(tài)進(jìn)行傳輸。

3.2換流站站內(nèi)局域網(wǎng)系統(tǒng)

局域網(wǎng)系統(tǒng)是整個(gè)控制保護(hù)系統(tǒng)以及整個(gè)運(yùn)行人員控制系統(tǒng)的連接樞紐。在該項(xiàng)工程中，局域網(wǎng)系統(tǒng)主要由就地控制LAN、遠(yuǎn)動(dòng)LAN、SCAFALAN、培訓(xùn)LAN以及保護(hù)故障濾波LAN等。在實(shí)際的操作中，運(yùn)行人員將控制層設(shè)備連接到控制LAN，然后將控制層與SCAFALAN進(jìn)行連接，將控制保護(hù)系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口與就地控制LAN網(wǎng)進(jìn)行連接，最后與控制層設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)信息傳輸。

通過(guò)對(duì)控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)配置及功能進(jìn)行探析，我們可以看到直流控制系統(tǒng)中，在信息網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，控制保護(hù)設(shè)備的數(shù)據(jù)信息是由低層向高層進(jìn)行傳輸，控制保護(hù)設(shè)備的控制信息是由高層向低層傳輸，層次如果比較低，也就意味著所配置的總線網(wǎng)絡(luò)就有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性。

4　直流控制系統(tǒng)探析

直流控制系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)基本模式控制，而且還可以對(duì)各種限制器以及控制器等實(shí)現(xiàn)控制能力。比如，它可以將直流電流、功率、電壓以及換流器等被控信號(hào)控制在設(shè)備限制范圍內(nèi)，在直流系統(tǒng)出現(xiàn)故障以后可以在一段時(shí)間以后恢復(fù)電力。

4.1控制策略分析

工程系統(tǒng)中的每一回直流控制策略都是電流裕度控制，這與常規(guī)直流是一樣的。工程系統(tǒng)的整流站采用的是定電流控制，通過(guò)電流控制器來(lái)調(diào)節(jié)觸發(fā)角對(duì)直流電流進(jìn)行控制；逆變站采用的是定電壓控制，通過(guò)調(diào)節(jié)觸發(fā)角來(lái)對(duì)整流側(cè)電壓進(jìn)行控制，將熄弧角設(shè)置在一定范圍內(nèi)，確保Udio的設(shè)定值。

直流控制系統(tǒng)對(duì)工程中的基本接線方式都可以很好的適應(yīng)，它可以提供有關(guān)運(yùn)行人員界面以及系統(tǒng)特性，對(duì)各種運(yùn)行方式的控制模式都能實(shí)現(xiàn)，比如，雙極功率控制、雙回直流系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制，直流降壓運(yùn)行控制、同步極電流控制等。

4.2本項(xiàng)工程直流控制系統(tǒng)

本項(xiàng)工程依據(jù)實(shí)際情況和要求增加了雙回協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，其所體現(xiàn)的功能都作為后備功能而存在。比如，當(dāng)雙回協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)失去功能的情況下，兩回直流可以繼續(xù)正常工作；當(dāng)雙回協(xié)調(diào)控制層失去能力的情況下，系統(tǒng)中后備的雙回協(xié)調(diào)控制功能可以起到作用，發(fā)揮雙回控制功能。所以，對(duì)系統(tǒng)功能的配置，可以充分發(fā)揮雙回直流控制保護(hù)系統(tǒng)的可靠性。

5　直流保護(hù)系統(tǒng)探析

直流保護(hù)系統(tǒng)的配置主要是對(duì)高壓直流系統(tǒng)中的所有設(shè)備無(wú)論受到什么樣的情況下都可以受到全面的保護(hù)，使對(duì)其他設(shè)備以及系統(tǒng)的干擾減小到最小。直流保護(hù)系統(tǒng)的配置主要是對(duì)相間短路、直流開(kāi)路、閥短路、過(guò)壓過(guò)載、接地短路以及電容器等器件損壞進(jìn)行配置。

直流保護(hù)系統(tǒng)可以按照保護(hù)區(qū)域進(jìn)行分區(qū)配置，保護(hù)區(qū)域與相鄰保護(hù)區(qū)進(jìn)行部分重疊，不會(huì)存在保護(hù)死區(qū)。具體包括換流變壓器保護(hù)區(qū)、直流線路保護(hù)區(qū)、雙極保護(hù)區(qū)、直流和交流濾波器保護(hù)區(qū)以及直流極母線保護(hù)區(qū)等不同的保護(hù)區(qū)。

在高壓直流系統(tǒng)中，其控制系統(tǒng)和保護(hù)系統(tǒng)不共用一個(gè)主機(jī)，相互之間是獨(dú)立的，各個(gè)設(shè)備以及保護(hù)區(qū)的保護(hù)都是采用雙重化配置。但是每重的保護(hù)都應(yīng)該盡可能的依據(jù)不同的原理，通道、測(cè)量器件以及不同的電源配置原則，在物理上和電氣上其保護(hù)電路都應(yīng)該分開(kāi)，使保護(hù)動(dòng)作在檢修的過(guò)程中不會(huì)對(duì)其他保護(hù)正確動(dòng)作造成影響，不會(huì)失去自身的靈敏度。系統(tǒng)設(shè)備在運(yùn)行的過(guò)程中，為不會(huì)對(duì)設(shè)備元件造成保護(hù)誤動(dòng)，一般會(huì)采取保護(hù)啟動(dòng)加動(dòng)作的方式進(jìn)行。本項(xiàng)工程的直流保護(hù)系統(tǒng)按照極進(jìn)行獨(dú)立設(shè)置，每極的直流保護(hù)相互之間是完全獨(dú)立的。比如，本項(xiàng)工程中采用500kV母線、500kV線路等設(shè)備的保護(hù)都是按照雙重化進(jìn)行配置，設(shè)置相互獨(dú)立的保護(hù)出口、CT和PT、斷路器跳閘線圈以及獨(dú)立的電源等等，如果任何一種保護(hù)動(dòng)作發(fā)生時(shí)就可以快速起動(dòng)與其對(duì)應(yīng)的保護(hù)出口。

本項(xiàng)工程對(duì)采用的雙重化配置的保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)一步改進(jìn)，一套保護(hù)如果受到某種原因出現(xiàn)退出的情況下，另一套保護(hù)就會(huì)以“或”門的形式進(jìn)行保護(hù)出口。其中一個(gè)單元檢測(cè)到故障時(shí)就可動(dòng)作，使可靠性更加凸顯。本項(xiàng)工程采用的完全雙重切換的實(shí)現(xiàn)過(guò)程就是：當(dāng)其中任何一個(gè)單元檢測(cè)到測(cè)量故障時(shí)就會(huì)僅閉相應(yīng)保護(hù)原理，其他的保護(hù)原理在這種情況下還可以發(fā)揮正常作用。如果雙極區(qū)測(cè)量發(fā)生故障時(shí)，會(huì)僅閉鎖保護(hù)原理，但是不會(huì)閉鎖所有保護(hù)，所以可以可靠的避免雙極閉鎖。

6　總結(jié)

通過(guò)以上各個(gè)方面的介紹，我們了解直流控制保護(hù)系統(tǒng)配置比較復(fù)雜，與常規(guī)單回直流輸電系統(tǒng)以及交流控制保護(hù)系統(tǒng)有很大的不同。本項(xiàng)直流輸電工程的控制保護(hù)系統(tǒng)最突出的區(qū)別就是在回層中設(shè)置一個(gè)雙回協(xié)調(diào)控制層，使整個(gè)系統(tǒng)功能表現(xiàn)的更加全面和完善。系統(tǒng)中的雙回控制系統(tǒng)中的分層更加清晰，功能也更加明確，采用的完全雙重化保護(hù)系統(tǒng)配置也更加可靠，通過(guò)采用多種形式的局域網(wǎng)以及總線結(jié)構(gòu)，使整個(gè)換流站工程系統(tǒng)運(yùn)行的更加可靠和穩(wěn)定。

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A

2095-2066（2016）31-0071-02

2016-10-12