韓亮,白小會(huì),陳波,張利,尹璐
(北京電力經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,北京市100055)
張北±500 kV柔性直流電網(wǎng)換流站控制保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
韓亮,白小會(huì),陳波,張利,尹璐
(北京電力經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,北京市100055)
張北±500 kV柔性直流示范工程首次構(gòu)建柔性直流電網(wǎng),柔性直流電網(wǎng)內(nèi)換流站的控制保護(hù)系統(tǒng)需要滿(mǎn)足多換流站協(xié)調(diào)控制、直流線路故障保護(hù)及直流線路故障快速恢復(fù)等新要求,該文在傳統(tǒng)直流換流站控制保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,提出柔性直流電網(wǎng)換流站控制保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。相比于傳統(tǒng)直流換流站設(shè)計(jì)方案,該設(shè)計(jì)方案在源端換流站和受端換流站各配置一套站間協(xié)調(diào)控制設(shè)備,實(shí)現(xiàn)多換流站間協(xié)調(diào)控制;站內(nèi)保護(hù)系統(tǒng)采用三取二方案,增配雙重化的直流線路保護(hù),實(shí)現(xiàn)直流線路故障快速隔離及恢復(fù)。提出的柔性直流電網(wǎng)換流站控制保護(hù)系統(tǒng)的整體技術(shù)方案,對(duì)同類(lèi)工程的設(shè)計(jì)提供了完整的設(shè)計(jì)方法和思路。
柔性直流輸電;柔性直流換流站;控制保護(hù)系統(tǒng);直流電網(wǎng)
國(guó)家電網(wǎng)公司提出全球能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展理念[1],全球能源互聯(lián)網(wǎng)是“堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)發(fā)展的高級(jí)階段,其核心就是清潔能源為主導(dǎo),以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架,各國(guó)各州電網(wǎng)廣泛互聯(lián),能源資源全球配置,各級(jí)電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展,各類(lèi)電源和用戶(hù)靈活接入的堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)[2]”。
柔性直流輸電以全控型電力電子器件,即絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)為基礎(chǔ),電壓源換流閥為核心,采用新型調(diào)制技術(shù)的直流輸電技術(shù)[3-4]。柔性直流輸電控制和運(yùn)行方式簡(jiǎn)單、輸出電壓波形好、功率因數(shù)高[5-6]、能夠快速獨(dú)立控制有功與無(wú)功功率、快速實(shí)現(xiàn)潮流反轉(zhuǎn),其運(yùn)行方式更加靈活。這些特點(diǎn)使得柔性直流輸電技術(shù)在可再生能源發(fā)電并網(wǎng)、孤島和城市供電、風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)等方面得到了廣泛應(yīng)用[7],相比于傳統(tǒng)輸電技術(shù),柔性直流輸電系統(tǒng)的綜合優(yōu)勢(shì)非常明顯。因此,柔性直流輸電將是構(gòu)建全球能源互連網(wǎng)的重要技術(shù)手段[8-9],對(duì)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的建設(shè)和電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)、安全、可靠運(yùn)行具有顯著的促進(jìn)作用。
目前,國(guó)內(nèi)建設(shè)并投運(yùn)多個(gè)柔性直流輸電工程,包括廣東南澳3端柔性直流輸電工程[10-11]、浙江舟山海島多端柔性直流輸電工程[12-14]、上海南匯柔性直流輸電示范工程[15]、大連跨海柔性直流輸電科技示范工程[16]等。這些工程以多端柔性直流工程為主,并沒(méi)有形成直流電網(wǎng)。
張北柔性直流示范工程在多端直流工程的基礎(chǔ)上,首次構(gòu)建柔性直流電網(wǎng)。相對(duì)于多端直流工程,直流電網(wǎng)中的每個(gè)換流站間都有多條傳輸線路[17],在提高整個(gè)系統(tǒng)可靠性的同時(shí),對(duì)直流電網(wǎng)內(nèi)換流站的保護(hù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了新的要求??刂票Wo(hù)系統(tǒng)作為整個(gè)直流電網(wǎng)的核心,負(fù)責(zé)整個(gè)柔性直流電網(wǎng)的潮流控制、運(yùn)行方式、故障保護(hù)等,柔性直流電網(wǎng)控制保護(hù)系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)多換流站的協(xié)調(diào)控制、毫秒級(jí)時(shí)間內(nèi)隔離直流線路故障并快速恢復(fù)運(yùn)行。
本文針對(duì)張北柔性直流示范工程中的北京換流站保護(hù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹,主要包括北京換流站概況、柔性直流電網(wǎng)控制保護(hù)系統(tǒng)技術(shù)要求、控制保護(hù)系統(tǒng)整體方案、換流站控制系統(tǒng)、換流站保護(hù)系統(tǒng)。本文主要分析柔性直流換流站的控制保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì),為柔性直流輸電技術(shù)在全球能源互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用提供建設(shè)性意見(jiàn)。
張北柔性直流輸電工程選擇在河北的康保、張北、豐寧建設(shè)3個(gè)±500 kV送端柔性直流換流站,在北京建設(shè)1個(gè)±500 kV受端柔性直流換流站,配置直流斷路器、直流線路快速保護(hù)裝置等關(guān)鍵設(shè)備,構(gòu)建輸送大規(guī)模風(fēng)電、光伏、抽蓄等多種能源的四端環(huán)形柔性直流電網(wǎng),如圖1所示。
張北柔性直流示范工程的建設(shè),能夠解決大規(guī)模可再生能源的多點(diǎn)匯集和送出,提升清潔能源的高效利用和靈活消納,實(shí)現(xiàn)可再生能源發(fā)電的源網(wǎng)協(xié)調(diào)友好互動(dòng)。
張北柔性直流輸電工程建設(shè)康保、張北、豐寧、北京4端,換流站容量分別為1 500 MW、3 000 MW、1 500 MW、3 000 MW;張北、康保換流站通過(guò)500 kV一級(jí)電壓分別接入張北特高壓站500 kV側(cè)、康保500 kV變電站,兩站分別裝設(shè)2×1 200 MV·A的500 kV/220 kV聯(lián)絡(luò)變壓器,本期一次建成;豐寧換流站π接豐寧抽蓄—金山嶺雙回500 kV線路。
圖1 張北柔性直流電網(wǎng)示范工程示意圖Fig.1 SchematicdiagramofZhangbei VSC-HVDCgriddemonstrationproject
北京柔性直流換流站為負(fù)荷站,由2個(gè)半橋式模塊化多電平換流閥基本單元串聯(lián)而成,基本單元分為三相,每相上、下 2個(gè)橋臂,每個(gè)橋臂串聯(lián) 1組100 m H交流電抗器。每個(gè)基本單元通過(guò)3臺(tái)單相換流變接于交流電網(wǎng)。每個(gè)橋臂中串聯(lián)多個(gè)子模塊,并有一定的冗余度,每個(gè)子模塊可以獨(dú)立控制,每相上、下2個(gè)橋臂的電壓和等于直流母線電壓。交流電壓由每相中2個(gè)橋臂的子模塊旁路比例來(lái)控制。
閥體正、負(fù)極出線分別接正、負(fù)極母線,中性極通過(guò)中性母線斷路器與中性母線連接,中性母線通過(guò)直流高速開(kāi)關(guān)經(jīng)金屬回流線與其他換流站中性母線連接。北京柔性直流換流站直流場(chǎng)主接線圖如圖2所示。
圖2 北京柔性直流換流站直流場(chǎng)主接線圖Fig.2 MainwiringdiagramofVSC-HVDC converterstationinBeijing
北京換流站基本運(yùn)行方式主要有以下3種:
(1)對(duì)稱(chēng)雙極運(yùn)行方式;
(2)正500 kV加接地極或地線運(yùn)行方式;
(3)負(fù)500 kV加接地極或地線運(yùn)行方式。
張北柔性直流電網(wǎng)工程接入含新能源的孤島系統(tǒng)或弱系統(tǒng),直流線路采用架空線路并采用環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu),因此在潮流控制、運(yùn)行方式、故障保護(hù)等方面對(duì)控制保護(hù)提出了更高的要求。在控制方面,需要考慮多換流站協(xié)調(diào)控制、交流系統(tǒng)接入?yún)f(xié)調(diào)控制等;在保護(hù)方面,需考慮直流線路故障超高速保護(hù)、線路故障快速恢復(fù)、保護(hù)分區(qū)等。柔性直流電網(wǎng)換流站控制保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架及相關(guān)技術(shù)需求如圖3所示。
圖3 柔性直流電網(wǎng)換流站控制保護(hù)系統(tǒng)Fig.3 Protectionandcontrolsystemofconverter stationinVSC-HVDCpowergrid
柔性直流電網(wǎng)控制保護(hù)系統(tǒng)是整個(gè)直流電網(wǎng)的核心,負(fù)責(zé)整個(gè)電網(wǎng)的潮流控制、運(yùn)行方式、故障保護(hù)等方面,相比于傳統(tǒng)直流輸電工程,其特殊技術(shù)需求如下詳述。
(1)多換流站協(xié)調(diào)控制。柔性直流電網(wǎng)中的換流站通過(guò)直流線路網(wǎng)絡(luò)狀連接,在提高供電可靠性的同時(shí),使柔性直流電網(wǎng)的運(yùn)行方式復(fù)雜多變。柔性直流電網(wǎng)的控制保護(hù)系統(tǒng)為了維持柔性直流電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行,需要對(duì)柔性直流電網(wǎng)中的換流器的運(yùn)行特性、控制模式等進(jìn)行協(xié)調(diào),由于直流電網(wǎng)中慣性環(huán)節(jié)較少,要求控制系統(tǒng)的反應(yīng)速度遠(yuǎn)高于交流電網(wǎng),同時(shí)隨著終端的增加,柔性直流電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制會(huì)更加復(fù)雜。這些新情況對(duì)柔性直流電網(wǎng)中多換流站協(xié)調(diào)控制提出更高要求。
(2)接入新能源孤島、弱交流系統(tǒng)的電壓、頻率控制。電壓和頻率是交流系統(tǒng)穩(wěn)定的重要特征,當(dāng)新能源孤島系統(tǒng)接入柔性直流電網(wǎng)時(shí),換流站應(yīng)向孤島系統(tǒng)提供穩(wěn)定的交流電壓;當(dāng)弱交流系統(tǒng)接入柔性直流電網(wǎng)時(shí),換流站應(yīng)具備有功和無(wú)功功率的緊急支撐能力。若換流站采用雙極接線方案,除了需考慮換流站與交流系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)控制外,還需要考慮2個(gè)極間換流器的協(xié)調(diào)控制。
(3)直流線路故障識(shí)別和超高速線路保護(hù)。在直流線路故障發(fā)生后,直流線路保護(hù)需要能夠在故障電流上升至功率半導(dǎo)體器件關(guān)斷能力限制值前切斷電流,并且只隔離故障區(qū)域而不影響正常區(qū)域的運(yùn)行。直流電網(wǎng)線路故障傳播非常迅速,需要迅速隔離故障后才能盡快恢復(fù)。具有網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)的直流電網(wǎng)的故障線路判別的難度較大,但作為成功隔離故障的必要條件,首先需要選擇可靠、靈敏的直流線路保護(hù)原理和算法,實(shí)現(xiàn)架空線路故障準(zhǔn)確識(shí)別和故障選線。
(4)直流線路故障快速恢復(fù)控制。柔性直流電網(wǎng)采用的架空線發(fā)生雷擊等瞬時(shí)性故障的概率較高,在直流電網(wǎng)線路保護(hù)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)故障隔離后架空線瞬時(shí)性故障可恢復(fù),需要在短時(shí)間實(shí)現(xiàn)線路瞬時(shí)、永久故障2種故障的快速區(qū)分,重新恢復(fù)發(fā)生瞬時(shí)性故障線路的運(yùn)行。直流線路故障快速恢復(fù)控制過(guò)程涉及換流器和直流斷路器的控制過(guò)程。由于高壓大容量柔性直流系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)化接線方式,系統(tǒng)在重啟動(dòng)恢復(fù)過(guò)程中,各個(gè)換流器之間、柔性直流電網(wǎng)控制保護(hù)系統(tǒng)與直流斷路器控制系統(tǒng)應(yīng)協(xié)調(diào)配合,以實(shí)現(xiàn)直流線路在不同故障下的高效隔離,盡可能降低恢復(fù)過(guò)程中電壓或功率波動(dòng)引起的換流器或直流斷路器的過(guò)應(yīng)力。
(5)保護(hù)分區(qū)。直流線路保護(hù)并不是孤立存在的,直流線路保護(hù)需要與柔性直流電網(wǎng)中的其他保護(hù)相互配合才能實(shí)現(xiàn)柔性直流電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行。這就需要對(duì)柔性直流電網(wǎng)進(jìn)行保護(hù)區(qū)域和保護(hù)層次的合理劃分,并確定直流線路保護(hù)在直流電網(wǎng)保護(hù)中的保護(hù)區(qū)域和保護(hù)層次。
柔性直流換流站監(jiān)控系統(tǒng)具有監(jiān)視、測(cè)量、控制、數(shù)據(jù)通信、運(yùn)行管理等功能,是換流站運(yùn)行人員對(duì)全站重要電氣設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視、控制的主要技術(shù)手段。本站按有人值班設(shè)計(jì),既可作主控站運(yùn)行,也可接收來(lái)自調(diào)度端的控制指令,作受控站運(yùn)行。
系統(tǒng)采用模塊化、分層分布式、開(kāi)放式結(jié)構(gòu),由系統(tǒng)監(jiān)視與控制層、控制保護(hù)層、現(xiàn)場(chǎng)IO層組成,并通過(guò)冗余的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)將不同控制層的控制保護(hù)設(shè)備統(tǒng)一連接起來(lái)。系統(tǒng)按雙重化和互為備用的原則配置,分層控制,硬件積木化、軟件模塊化,并具有良好的開(kāi)放性和兼容性,滿(mǎn)足換流站對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性、實(shí)用性、安全性和可擴(kuò)充性的要求,同時(shí)具有與站內(nèi)其他智能化設(shè)備接口及處理的能力。
3.1系統(tǒng)監(jiān)視與控制層
系統(tǒng)監(jiān)視與控制層是運(yùn)行人員進(jìn)行操作和系統(tǒng)監(jiān)視的 (superrisory control and data acquisition,SCADA)系統(tǒng),屬于運(yùn)行人員控制系統(tǒng),按照操作地點(diǎn)的層次劃分為以下幾個(gè)方面。
(1)遠(yuǎn)方調(diào)度中心通信層。將換流站交、直流系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)和換流站控制保護(hù)系統(tǒng)的相關(guān)信息通過(guò)通信通道上送遠(yuǎn)方調(diào)度中心,同時(shí)將監(jiān)控中心的控制保護(hù)參數(shù)和操作指令傳送到換流站控制保護(hù)系統(tǒng)。
(2)站內(nèi)運(yùn)行人員控制層。包括系統(tǒng)服務(wù)器、運(yùn)行人員工作站、工程師工作站、站局域網(wǎng)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)等。其功能是為換流站運(yùn)行人員提供運(yùn)行監(jiān)視和控制操作界面。通過(guò)運(yùn)行人員控制層設(shè)備,運(yùn)行人員完成包括運(yùn)行監(jiān)視、控制操作、故障或異常工況處理、控制保護(hù)參數(shù)調(diào)整等在內(nèi)的全部運(yùn)行人員控制任務(wù)。站內(nèi)運(yùn)行人員控制層設(shè)備主要包括數(shù)據(jù)服務(wù)器2臺(tái)、站長(zhǎng)工作站1臺(tái)、運(yùn)行人員工作站5臺(tái)、工程師工作站1臺(tái)、仿真培訓(xùn)工作站1臺(tái)、計(jì)劃?rùn)z修工作站1臺(tái)、保護(hù)及錄波信息管理子站1臺(tái)、諧波在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)1套、遠(yuǎn)動(dòng)通信設(shè)備(I區(qū)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)機(jī)2臺(tái),II區(qū)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)機(jī)2臺(tái),III/IV區(qū)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)機(jī)1臺(tái))、綜合應(yīng)用服務(wù)器2臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)系統(tǒng)1套及相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。
(3)就地控制層。通過(guò)就地控制屏,完成對(duì)應(yīng)設(shè)備的操作控制。
3.2控制保護(hù)層
控制保護(hù)層設(shè)備實(shí)現(xiàn)直流系統(tǒng)的控制功能。直流控制采用整體設(shè)計(jì),包含了站間協(xié)調(diào)控制層、雙極控制層和極控制層,如圖4所示??刂票Wo(hù)層設(shè)備還包括交、直流站控系統(tǒng)(包括站用電控制和輔助系統(tǒng)接口)及換流變壓器保護(hù)設(shè)備等。
圖4 直流電網(wǎng)雙極控制系統(tǒng)架構(gòu)Fig.4 HVDCpowergridbipolarcontrol systemarchitecture
站間協(xié)調(diào)控制層可以對(duì)4個(gè)換流站進(jìn)行總的協(xié)調(diào),減少系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中投退換流器的擾動(dòng),降低站間通訊的負(fù)載率,當(dāng)站間通訊失去時(shí),通過(guò)設(shè)置在極控制層的不依賴(lài)于通訊的協(xié)調(diào)控制策略實(shí)現(xiàn)換流站的運(yùn)行。為適應(yīng)柔性直流電網(wǎng)運(yùn)行方式復(fù)雜多變的需求,在換流站內(nèi)配置一套站間協(xié)調(diào)控制設(shè)備,采用主備方式實(shí)現(xiàn)多換流站間協(xié)調(diào)控制。北京換流站站間協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)與其余三站相互通訊,站間通訊需滿(mǎn)足2 M帶寬要求,延時(shí)不大于5 ms。
3.3現(xiàn)場(chǎng)I/O層
主要由分布式I/O單元以及有關(guān)測(cè)控裝置構(gòu)成。作為控制保護(hù)層設(shè)備與交直流一次系統(tǒng)、換流站輔助系統(tǒng)、站用電設(shè)備、閥冷控制保護(hù)的接口,現(xiàn)場(chǎng)I/O層負(fù)責(zé)和一次閥單元設(shè)備通訊,以及通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)I/O層設(shè)備完成對(duì)一次開(kāi)關(guān)刀閘設(shè)備狀態(tài)和系統(tǒng)運(yùn)行信息的采集處理、順序事件記錄、信息上傳、控制命令的輸出以及就地連鎖控制等功能。
本站柔性直流控制系統(tǒng)按每極完全冗余的原則進(jìn)行配置,且極1、極2控制完全獨(dú)立。即每極有2套完全相同的控制柜構(gòu)成冗余配置。冗余的范圍包括信號(hào)輸入/輸出回路、電源回路、通信回路及直流控制系統(tǒng)裝置。直流控制系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)將確保直流系統(tǒng)不會(huì)因?yàn)槿魏慰刂葡到y(tǒng)的單重故障而發(fā)生停運(yùn),也不會(huì)因?yàn)槟硺O的故障或檢修而影響另一極的運(yùn)行。
4.1換流站保護(hù)配置原則
(1)直流保護(hù)系統(tǒng)按保護(hù)區(qū)域分區(qū)配置,每一個(gè)保護(hù)區(qū)應(yīng)與相鄰保護(hù)區(qū)重疊,不存在保護(hù)死區(qū)。保證在任何運(yùn)行工況下其所保護(hù)的每一設(shè)備或區(qū)域都能得到正確保護(hù)。
(2)直流系統(tǒng)保護(hù)按極設(shè)置,每極的直流保護(hù)應(yīng)是完全獨(dú)立的。直流保護(hù)的設(shè)計(jì)必須將直流系統(tǒng)停運(yùn)率減至最小。
(3)直流保護(hù)和換流變壓器保護(hù)采用三重化的冗余配置,冗余配置的保護(hù)裝置應(yīng)盡量采用不同原理,測(cè)量器件、通道及輔助電源等應(yīng)獨(dú)立配置。三重化配置的每重保護(hù)裝置的出口應(yīng)采用獨(dú)立的“三取二”邏輯出口方式。
(4)直流線路保護(hù)采用完全雙重化配置。
(5)在所有運(yùn)行條件和運(yùn)行方式下,保證直流控制、直流保護(hù)及交流保護(hù)之間正確配合。并盡可能地借助直流控制系統(tǒng)的能力去抑制故障的發(fā)展,改善直流系統(tǒng)的暫態(tài)性能,減少直流系統(tǒng)的停運(yùn)。
(6)針對(duì)不同的故障狀態(tài),各種保護(hù)應(yīng)合理采取報(bào)警、跳閘、重合閘、閉鎖等不同的故障清除措施。
4.2換流站保護(hù)分區(qū)
換流站保護(hù)系統(tǒng)的目的是保護(hù)換流站免受來(lái)自外部故障、外部過(guò)電壓的危害,在故障情況下,盡可能通過(guò)改變控制策略或者移除最少的故障元件,使得故障對(duì)系統(tǒng)和設(shè)備的影響最小。
北京換流站保護(hù)系統(tǒng)按保護(hù)區(qū)域分區(qū)配置,對(duì)保護(hù)區(qū)域的所有相關(guān)的直流設(shè)備進(jìn)行保護(hù),相鄰保護(hù)區(qū)域之間重疊,不存在保護(hù)死區(qū)。按直流系統(tǒng)保護(hù)的配置原則,將本換流站直流保護(hù)系統(tǒng)分成以下幾個(gè)保護(hù)區(qū):(1)換流變保護(hù)區(qū);(2)閥側(cè)連接線保護(hù)區(qū);(3)換流器保護(hù)區(qū);(4)極保護(hù)區(qū);(5)雙極母線保護(hù)區(qū);(6)母線保護(hù)區(qū);(7)直流線路保護(hù)區(qū),具體如圖5所示。
圖5 直流保護(hù)范圍及分區(qū)Fig.5 HVDCprotectionrangeandpartition
換流變保護(hù)區(qū)主要對(duì)換流變壓器進(jìn)行保護(hù)。閥側(cè)連接線保護(hù)區(qū)主要對(duì)換流變壓器與換流器之間的連接線進(jìn)行保護(hù)。換流器保護(hù)區(qū)主要對(duì)換流器、換流器與交流母線的部分連接線路以及橋臂電抗器進(jìn)行保護(hù)。直流極保護(hù)區(qū)包括極高壓母線區(qū)和中性母線區(qū),主要是對(duì)極母線上的設(shè)備進(jìn)行保護(hù)。雙極保護(hù)區(qū)主要是對(duì)雙極共用區(qū)域進(jìn)行保護(hù)。母線保護(hù)區(qū)主要對(duì)直流母線進(jìn)行保護(hù)。直流線路保護(hù)區(qū)主要對(duì)直流輸電線路進(jìn)行保護(hù),每套直流線路保護(hù)采用光纖專(zhuān)用通道,直流線路保護(hù)單向信號(hào)傳輸延時(shí)需小于1.5 ms。
4.3保護(hù)措施
直流系統(tǒng)保護(hù)動(dòng)作后用來(lái)清除和隔離故障的主要?jiǎng)幼鞔胧┌?報(bào)警、換流器閉鎖、交流斷路器跳閘并啟動(dòng)失靈、交流斷路器鎖定、控制系統(tǒng)切換、極隔離、極平衡、直流斷路器跳閘、直流斷路器重合閘、直流斷路器啟動(dòng)失靈、直流斷路器鎖定等。
(1)直流線路重合閘及遠(yuǎn)跳功能。直流斷路器重合閘功能和發(fā)遠(yuǎn)跳功能在線路保護(hù)裝置中實(shí)現(xiàn)。直流線路保護(hù)檢測(cè)到線路故障后,發(fā)出跳直流斷路器命令,同時(shí)啟動(dòng)線路重啟邏輯。針對(duì)瞬時(shí)性故障,兩側(cè)直流斷路器跳開(kāi)后,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間去游離(約200 ms),重合直流斷路器,線路重啟成功;針對(duì)永久性故障,兩側(cè)直流斷路器跳開(kāi)后,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間去游離(約200 ms),重合直流斷路器,直流斷路器合閘過(guò)程中檢測(cè)到欠壓過(guò)流,跳兩側(cè)直流斷路器。本側(cè)線路保護(hù)動(dòng)作的同時(shí),發(fā)遠(yuǎn)跳信號(hào)給線路對(duì)側(cè)保護(hù)裝置。
(2)直流斷路器失靈功能。當(dāng)線路保護(hù)發(fā)出跳開(kāi)直流斷路器命令的同時(shí),發(fā)送直流斷路器啟失靈信號(hào)至給母差保護(hù)裝置,在母差保護(hù)裝置中實(shí)現(xiàn)直流斷路器失靈保護(hù)功能。經(jīng)過(guò)一定的延時(shí)后,直流斷路器失靈保護(hù)檢測(cè)到線路電流滿(mǎn)足動(dòng)作條件,直流斷路器失靈保護(hù)動(dòng)作,跳開(kāi)本站交流進(jìn)線及連接在該母線的所有直流線路。換流站保護(hù)系統(tǒng)針對(duì)不同的故障狀態(tài),會(huì)采取警告、報(bào)警、設(shè)備切除、再起動(dòng)和停運(yùn)等不同的故障清除措施。在所有運(yùn)行條件和運(yùn)行方式下,保證直流控制、直流保護(hù)及交流保護(hù)之間正確配合。并盡可能地借助直流控制系統(tǒng)的能力去抑制故障的發(fā)展,改善直流系統(tǒng)的暫態(tài)性能,減少直流系統(tǒng)的停運(yùn)。
本文對(duì)張北±500 kV柔性直流輸電工程北京換流站的概況、控制保護(hù)系統(tǒng)整體架構(gòu)、換流站控制系統(tǒng)、換流站保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行了分析總結(jié)。
由于±500 kV柔性直流電網(wǎng)運(yùn)行方式復(fù)雜多變,本設(shè)計(jì)方案在源端換流站和受端換流站各配置一套站間協(xié)調(diào)控制設(shè)備,采用主備方式實(shí)現(xiàn)多換流站間協(xié)調(diào)控制?!?00 kV柔性直流換流站控制保護(hù)系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu),控制系統(tǒng)采用雙重化冗余設(shè)計(jì)、三層結(jié)構(gòu)(站間協(xié)調(diào)控制層、雙極控制層和極控制層);保護(hù)系統(tǒng)采用三取二方案,三套保護(hù)中均配置換流站保護(hù)、直流線路保護(hù),在三取二裝置中增配雙重化的直流線路保護(hù)。
作為目前世界上首個(gè)柔性直流環(huán)網(wǎng)輸電工程,北京換流站保護(hù)控制系統(tǒng)技術(shù)方案的研究及相關(guān)結(jié)論為同類(lèi)工程設(shè)計(jì)提供了借鑒和參考。
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(編輯 張小飛)
Control and Protection System Design of Zhangbei±500 kV Converter Station in VSC-HVDC Power Grid
HAN Liang,BAI Xiaohui,CHEN Bo,ZHANG Li,YIN Lu
(Beijing Electric Power Economic Research Institute,Beijing 100055,China)
Zhangbei±500 kV VSC-HVDC demonstration power transmission project is the first one to build VSCHVDC transmission power grid.The control and protection system for VSC-HVDC converter station has to meet the new needs of multi-station coordinated control,DC line fault protection and fast recovery of DC line fault.Based on the control and protection system design for traditional DC power converter station,this paper presents a design scheme of control and protection system for the converter station in VSC-HVDC power grid.Compared to the traditional one,the control system realizes multi-station coordinated control by configuring a set of coordinated control equipment in both of source side and receiving side converter station;the protection system follows the two-out-of-three principle,and realizes DC line fault fast isolation and restoration by configuring double DC line protection.Finally,this paper proposes the overall technical scheme of control and protection system of converter station in VSC-HVDC power grid,which can provide completed design method and ideas for the system design of similar projects.
VSC-HVDC;VSC-HVDC converter station;control and protection system;DC power grid
TM 77
A
1000-7229(2017)03-0042-06
10.3969/j.issn.1000-7229.2017.03.006
2016-11-25
韓亮(1987),男,博士,工程師,主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)及其自動(dòng)化;
白小會(huì)(1979),女,大學(xué)本科,高級(jí)工程師,主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)及其自動(dòng)化;
陳波(1985),男,博士,工程師,主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)及其自動(dòng)化;
張利(1970),女,大學(xué)本科,高級(jí)工程師,主要研究方向?yàn)樽冸娬驹O(shè)計(jì)及其自動(dòng)化;
尹璐(1985),男,博士,工程師,主要研究方向?yàn)榻恢绷骰旌吓潆娋W(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)。
國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(863計(jì)劃)(2015AA050102)
Project supported by the National High Technology Research and Development of China(863 Program)(2015AA050102)