潘業(yè)源（廣西送變電建設(shè)有限責任公司，廣西南寧市530000）

試論直流控制保護系統(tǒng)配置

潘業(yè)源（廣西送變電建設(shè)有限責任公司，廣西南寧市530000）

直流控制保護系統(tǒng)在直流輸電工程中的作用尤為重要，它關(guān)系著整個電網(wǎng)的安全。因此，直流控制保護系統(tǒng)配置的可靠性是直流保護系統(tǒng)的根本，在設(shè)計中要從直流控制保護系統(tǒng)的特點，以及直流保護配置的設(shè)計原則入手，來提高控制保護系統(tǒng)的可靠性。根據(jù)直流控制保護系統(tǒng)的特點，以及直流保護配置的設(shè)計原則：直流保護按保護區(qū)域設(shè)置，每一個保護區(qū)應(yīng)與相鄰保護的保護區(qū)重疊，不存在保護死區(qū)。每一個保護區(qū)域的保護應(yīng)至少為雙重化冗余配置，在特高壓或高壓直流輸電工程中一般采用冗余配置的原則。本文針對目前主要采用的完全雙重化和三取二冗余配置進行分析，為今后直流控制保護系統(tǒng)配置方案選擇提供參考。

直流輸電；直流控制保護系統(tǒng)；系統(tǒng)配置

前言

由于直流輸電系統(tǒng)的控制與保護功能裝置基本采用完全相同的硬件、軟件平臺，兩者聯(lián)系十分緊密，故通常在直流輸電工程中將直流輸電系統(tǒng)的控制與保護功能統(tǒng)稱為直流控制保護系統(tǒng)。目前在高壓直流輸電工程中有多種直流控制保護系統(tǒng)配置方式，從直流保護配置的設(shè)計原則來分，主要分為完全雙重化和三取二的配置。

1 直流控制保護系統(tǒng)的概述

直流輸電的控制保護系統(tǒng)是指控制交直流功率轉(zhuǎn)換，直流輸送的全過程，是直流輸電的中樞神經(jīng)，它可以保護換流站所有電氣設(shè)備以及直流輸電線路受電氣故障的損害。交流輸電技術(shù)不同的是其輸電的全過程完全依賴于控制保護系統(tǒng)；其不同于交流系統(tǒng)二次部分只在運行狀態(tài)改變或故障時起作用，它是建立在閥導通和截止控制上的一種電能傳輸方式，它的控制系統(tǒng)始終運行從不間斷。而控制系統(tǒng)在直流輸電中，相當于啟停裝置，可以控制直流輸電系統(tǒng)的起停、可以控制直流輸送功率的大小和方向、可以抑制換流器不正常運行及對所連交流系統(tǒng)的干擾、可以保護換流站設(shè)備在發(fā)生故障時的損壞、可以實時監(jiān)控系統(tǒng)本身的信息及被換流站和直流線路的各種運行參數(shù)。

2 直流控制保護系統(tǒng)的配置方式

2.1 直流輸電工程——以某A直流輸電工程為例

該直流輸電工程主系統(tǒng)包含MC1，MC2兩臺主計算機，其中控制子系統(tǒng)全部集成在MC1主機中，保護子系統(tǒng)分為兩套不完全相同的保護分別集成于MC1，MC2主機中，任意一臺MC1，MC2主機發(fā)生故障，所在主系統(tǒng)將退出運行，如圖1所示。

圖1 某A直流輸電工程直流控制保護系統(tǒng)配置示意圖

2.1.1 該直流輸電工程的組成

該直流輸電工程正常運行過程中，A，B系統(tǒng)兩套控制子系統(tǒng)互為備用，而直流保護系統(tǒng)采用“四取二”方式輸出，即值班主系統(tǒng)兩套保護中任意一套保護動作，切換至備用主系統(tǒng)，若備用主系統(tǒng)仍有保護動作，則保護動作信號輸出。

2.1.2 該直流輸電工程的特點

該直流輸電工程每個極的控制保護系統(tǒng)由完全冗余的A、B兩個主系統(tǒng)構(gòu)成，每個主系統(tǒng)均能獨立實現(xiàn)本極及兩極共同區(qū)域控制與保護功能，并具備協(xié)調(diào)雙極控制功能。在雙極運行時，選定其中一極作為控制極，其主系統(tǒng)負責協(xié)調(diào)雙極控制，并負責兩極共同區(qū)域控制。兩極共同區(qū)域保護由兩極共同承擔。

2.2 直流輸電工程——以某B直流背靠背工程為例

該直流背靠背輸電工程指的是位于遼寧高嶺換流站，無直流輸電線路，整流站和逆變站的設(shè)備均裝設(shè)在一個站內(nèi)完成。

2.2.1 該直流背靠背輸電工程的組成

該直流背靠背輸電工程現(xiàn)由兩個獨立直流單元組成，其輸送容量1500MW（2×750MW），直流電壓1125kV，直流電流3000A；在建其余兩個相同輸送容量、電壓等級的直流單元，建成后輸送容量將達到3000MW。

2.2.2 該直流背靠背輸電工程的特點

該直流背靠背輸電工程的直流控制保護系統(tǒng)采用HCM200系統(tǒng)。直流背靠背輸電工程每個直流單元的直流控制子系統(tǒng)與保護子系統(tǒng)采用完全獨立、完全冗余方式配置，并分別集成在不同的機柜中，控制子系統(tǒng)分為A，B系統(tǒng)，保護子系統(tǒng)由三套保護構(gòu)成。正常運行過程中，兩套控制系統(tǒng)互為備用，而三套保護同時運行，按“三取二”方式輸出。

2.3 直流輸電工程——以某C直流背靠背工程為例

該直流背靠背輸電工程指的是位于云南500kV魯西背靠背換流站，云南交流送出北通道則通過魯西背靠背直流換流站來實現(xiàn)云南電網(wǎng)與南網(wǎng)主網(wǎng)的異步互聯(lián)。

2.3.1 該直流背靠背輸電工程的組成

該直流背靠背輸電工程，采用雙配置系統(tǒng)，如圖2所示，常規(guī)直流換流單元采用對稱單極接線。直流電壓±160kV，直流電流3125A，柔性直流換流單元采用對稱單極接線，直流電壓±350kV，直流電流1429A，建成后輸送容量將達到2000MW（常規(guī)直流1000MW+柔性直流1000MW）。

圖2 某C直流背靠背輸電工程控制系統(tǒng)圖

2.3.2 該直流背靠背輸電工程的特點

該直流背靠背輸電工程的直流控制保護系統(tǒng)，采用雙配置系統(tǒng)，每套保護均為二取二形式，如圖3所示，建設(shè)1個背靠背柔直換流單元和1個背靠背常規(guī)換流單元，每個單元額定輸送功率均為1000MW。

3 分層結(jié)構(gòu)系統(tǒng)配置及功能分析

3.1 分層結(jié)構(gòu)系統(tǒng)配置

如圖4所示，工程全站直流控制保護系統(tǒng)由極控制保護層、閥組控制層、雙回控制層、每回直流控制層組成，是按雙重化配采用分層結(jié)構(gòu)進行統(tǒng)一分層。

系統(tǒng)層設(shè)備有：交流濾波測控屏、交流測控屏、站用電控制主機柜；

雙回層設(shè)備有：雙回協(xié)調(diào)控制屏、極控制保護層設(shè)備及極控制柜、回層設(shè)備及站控屏。

圖3 某C直流背靠背輸電工程直流控制保護系統(tǒng)圖雙配置，每套保護均為二取二形式

圖4 雙回直流控制保護系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)圖

3.2 分層結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的各層功能分析

分層結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的各層有對直流場內(nèi)所有直流開關(guān)、直流刀閘和地刀的操作、順序控制及連鎖，控制模式選擇，后備雙功率協(xié)調(diào)控制，后備功率調(diào)制控制，后備無功控制，與其他系統(tǒng)接口及與運行人員交互等回層執(zhí)行單回直流系統(tǒng)與雙極控制相關(guān)的控制功能。

3.2.1 極控制層的功能

極控制層是直流輸電系統(tǒng)的核心，它對直流輸電系統(tǒng)的啟停控制，直流輸送功率大小和方向的控制，保護故障時的換流站設(shè)備，對換流器及線路等各項參數(shù)進行監(jiān)視，對直流場設(shè)備進行操作等交直流功率轉(zhuǎn)換、直流功率輸送全部過程的控制。

3.2.2 閥組控制層的功能

閥組控制層完成對直流電流控制，直流電壓控制，熄弧角控制、閥觸發(fā)控制，換流閥解閉鎖控制，閥廳開關(guān)及閥廳聯(lián)鎖控制等12脈動換流閥組的高速閉環(huán)控制功能。

分層結(jié)構(gòu)系統(tǒng)與常規(guī)單回直流控制保護系統(tǒng)的特點最大的區(qū)別在于，對控制保護系統(tǒng)提出了新的要求，在常規(guī)直流系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了雙回直流協(xié)調(diào)控制功能，雙回直流同址合建，并根據(jù)其要求既能夠獨立運行，同時還能夠滿足同步運行的特點，它可以將協(xié)調(diào)控制功能有雙回功率協(xié)調(diào)控制、安穩(wěn)調(diào)制控制、無功控制以及與其他系統(tǒng)接口和運行人員交互等功能，在雙回層中得以實現(xiàn)。

4 直流保護系統(tǒng)案例分析

4.1 案例1

（1）以某直流工程直保護動作出口為例

該直流工程為背靠背直流輸電工程，直流保護系統(tǒng)正常運行時為A套、B套系統(tǒng)運行，每套保護CPU1、CPU2采用二取二動作原則。故障時由于直流極線合并單元輸出至直流保護B套CPU2的負極電流一直偏低，直流保護B套CPU2板的橋臂差動保護一直處于動作狀態(tài)?，F(xiàn)場對合并單元進行檢修，在將合并單元柜1n裝置斷電后，直流保護未能閉出口，造成直流系統(tǒng)停運。

（2）直流保護B套誤動，導致直流系統(tǒng)停運原因分析

通過對動作時刻監(jiān)控后臺SER報文以及橋臂差動保護動作分析其故障原因。由于合并單元送給直流保護B套CPU2的負極直流極線電流偏低，導致CPU2的橋臂差動保護動作。在合并單元斷電前，保護裝置兩個CPU處于“二取二”與門出口邏輯狀態(tài)下，保護沒有發(fā)閉鎖令。當合并單元斷電后，CPU2和合并單元的通訊中斷，直流保護裝置判出測量回路異常后，僅閉鎖了受影響的保護功能，沒有將CPU2板的出口指令清除。在切換為“二取二”或門出口邏輯后，直流保護的閉鎖指令發(fā)給了極控，極控收到閉鎖直流后閉鎖直流系統(tǒng)并跳閘。

（3）針對此直保護系統(tǒng)改進方案

改進方案一：在CPU檢測到合并單元上送數(shù)據(jù)的品質(zhì)異?；蚺c合并單元通訊中斷后，退出本CPU板的所有保護功能，同時將CPU2板的出口指令清除，然后再將本CPU功能閉鎖的信息通知另一個CPU，此時另一個CPU保護元件可以獨立出口，如圖5所示。

圖5 直保護系統(tǒng)改進方案一

改進方案二：每套保護采用“啟動+動作”邏輯，“啟動”和“動作”采用完全相同的邏輯和定值。兩套保護裝置運行時，只有兩個處理單元中相同的保護功能動作后才允許出口。當僅剩余一套直流保護在運行時，為杜絕拒動，出口方式也可采用“或”邏輯出口。當合并單元上送模擬量出現(xiàn)品質(zhì)異常時，僅閉鎖本處理單元中相關(guān)的保護功能，本裝置仍然采用“與”邏輯出口。

改進方案三：每套保護中兩個處理單元按保護功能進行“與/或”邏輯出口判別。當兩套保護裝置都在運行時，如果某個處理單元的模擬量出現(xiàn)品質(zhì)異常，閉鎖本單元受影響的保護功能，另一個處理單元中相應(yīng)的保護功能可以獨立出口；其余不受模擬量品質(zhì)影響的保護功能仍然采用“與”邏輯出口。當只有一套保護裝置處于運行狀態(tài)時，另一套裝置的所有保護功能采用“或”邏輯出口。

4.2 案例2

（1）以某背靠背直流工程直保護動作出口為例

該直流工程為背靠背直流輸電工程，直流保護系統(tǒng)正常運行時為A套、B套系統(tǒng)運行，每套保護CPU1、CPU2采用二取二動作原則。

該換流站某天將常規(guī)直流單元由閉鎖至解鎖，直流保護A套直流差動2段動作，發(fā)請求閉鎖直流系統(tǒng)、跳開交流進線開關(guān)，常規(guī)直流單元由運行狀態(tài)轉(zhuǎn)備用狀態(tài)。

（2）直流保護A套跳閘出口，直流系統(tǒng)停運原因分析

故障后對換流單元換流變保護、直流保護測量相關(guān)二次設(shè)備進行檢查，發(fā)現(xiàn)換流單元直流保護屏A跳閘燈亮，顯示“CPU1直流差動2段動作、直流差動2段動作CPU2）”；換流單元直流保護屏B跳閘燈亮，顯示“CPU1直流差動2段動作”。

從波形分析出，換流單元二直流保護A報CPU1、CPU2直流差動2段動作：A屏在故障時間內(nèi)，故障持續(xù)存在，CPU1、CPU2差動電流達到0.4961kA，大于1區(qū)直流差動2段定值（0.05p.u），換流單元直流保護A報1區(qū)直流差動2段動作，出口跳閘。而換流單元直流保護B的波形上得知，保護B套的只有CPU1直流差動電流大于差動定值，CPU2未到達動作值，基于出口原則，不滿足“二取二”與門邏輯，故換流單元直流保護B報跳閘，但不出口跳閘。

進一步核查，發(fā)現(xiàn)故障原因為光學式CT遠端采集模塊的負輸入端與CT及遠端模塊的外殼為等電位連接，信號線接反導致1號遠端模塊輸入端被短路，同時模塊外殼并接入分流器導致其他遠端模塊采樣異常，導致直流保護A、B套的采樣異常、差流不一致。

（3）針對此直問題的措施方案

對換流單元負極CT遠端模塊二次接線進行更正，確保接線正確；換流單元正極CT本體每次檢修后，必須進行一次通流試驗，確認合并單元、錄波、控制及直流保護裝置采樣正確。

5 結(jié)語

本文對直流控制保護系統(tǒng)特點、直流控制保護系統(tǒng)的配置方式、分層結(jié)構(gòu)系統(tǒng)配置及功能等進行深人分析，對目前直流工程中較常見的直流控制保護系統(tǒng)從保護范圍及設(shè)計原則兩個方面進行介紹，對配置方式、分層功能及特點進行了探討，并對廣西側(cè)直流極線合并單元輸出至廣西柔直保護系統(tǒng)案例進行分析，得出每極兩套控制子系統(tǒng)互為備用，各控制、保護子系統(tǒng)之間相對獨立，可單獨檢修，這種既具有可靠性還具有經(jīng)濟性的常規(guī)直流工程直流控制保護系統(tǒng)配置方式。

[1]蔡曉越，山水鴻.特高壓直流控制保護系統(tǒng)綜述[J].上海電力，2011（2）.

TM76

A

2095-2066（2016）35-0105-03

2016-11-15

潘業(yè)源（1985－），男，工程師，大學本科，主要從事電網(wǎng)工程建設(shè)工作。