南方電網直流輸電系統站間通信應用研究

中國南方電網超高壓輸電公司 王旭峰

南方電網直流輸電系統站間通信應用研究

中國南方電網超高壓輸電公司 王旭峰

目前南方電網超高壓輸電公司有±800 kV云廣和±500 kV天廣、高肇、興安共4條直流輸電通道，西電東送能力達1 480萬kW。天廣直流輸電系統采用國電南瑞繼保PCS-9550直流輸電控制保護技術，云廣、高肇、興安直流輸電系統采用西門子直流輸電技術。直流控制保護系統分別采用PCS-9550、SIMADYND、SIMATIC TDC模塊化裝置，整流站與逆變站間存在大量的數據交換，可以滿足直流的快速調制、功率反轉和對應的極與極間的控制與保護等要求。為完成直流站間控制，保護數據傳輸，直流站控制保護系統需依托南方電網通信主干網。直流控制保護系統、通信主干網傳輸設備等各環節運行狀況直接影響直流輸電系統的安全穩定。

本文，筆者研究了直流站間通信通道構成，分析了與直流系統業務通信通道相關的南方電網光纖傳輸骨干網不同檢修運行工況下對直流輸電系統運行的影響，為南方電網主干通信網運行方式提供參考，對高壓直流輸電系統的安全穩定運行有積極的影響。

一、直流輸電系統的功能

直流輸電系統包括直流輸電控制系統和直流保護系統兩部分，各部分功能如下。

1. 直流輸電控制系統功能介紹。直流輸電控制系統采用模塊化的多功能處理器系統，主要分為直流站控（DCSC）、極控（PC）、交流站控（ACSC）等系統，楚穗直流還含有組控（GC）系統。直流站控系統按站配置，全站配有2套相互冗余的直流站控系統，主要實現雙極層的控制功能；極控系統按極配置，每極配有兩套相互冗余的極控系統，主要實現極層的控制功能；組控系統按閥組配置，每個閥組配有2套相互冗余的組控系統，主要實現換流器層的控制功能。

直流輸電控制系統除了實現各種運行方式的基本控制模式外，還包括各種基本的控制器和限制器等。控制系統具備把直流功率、直流電流、直流電壓及換流器觸發角、熄弧角等被控信號保持在直流一次回路設備的穩態極限之內所需的一切特性。控制系統把暫態過電流及過電壓兩者都限制在天廣直流的一次設備極限范圍內，在交流或直流系統故障后，可以在規定的時間內平穩地恢復送電。

2. 直流保護系統功能介紹。直流保護系統一般分為直流換流器保護、直流母線保護、接地極線路保護、直流線路保護、高速開關保護、直流濾波器保護、換流變壓器保護、平波電抗器保護等。

天廣、高肇、興安雙極直流系統分別配置三套保護系統裝置，均采用模塊化處理系統，跳閘出口經過“三取二”邏輯后，完成整個直流保護系統的動作出口。直流保護3套系統均具備與對站DUST通信功能，傳送直流線路電流IdL。直流保護系統出口采用“三取二”模式，當一套系統退出運行時，自動轉為“二取一”模式，當兩套系統同時退出運行時，自動轉為“一取一”模式。“三取二”直流保護邏輯見圖1。

二、直流輸電系統站間通信功能

高肇、興安直流站間通信通道主要分為極控及直流保護站間通信通道、直流LAN網站間通信通道。極控及直流保護站間通信通道、直流LAN網站間通信通道經西門子PCM 1、西門子PCM 2設備復用后分別接入南方電網傳輸網A、網B傳輸至對端換流站，完成直流系統控制保護、交直流站控及LAN網間數據交換。高肇直流站間通信通道見圖2。

天廣直流站間通信通道在設備的層次結構中屬于極層，采用雙重化冗余配置，分別經南方電網骨干通信網A、網B傳輸。每極站間通信設備都與另一極的站間通信設備在電氣及物理結構上分開，因此每極的運行都是獨立的。

天廣直流輸電工程站間通信通道由直流極控、直流保護、直流站控和 數據采集與監視控制系統（SCADA）系統站間通道組成，各通道均使用單獨2M通道傳輸。

云廣直流站間通信通道種類與高肇、興安直流類似，不同之處是云廣直流取消了PCM設備，而直接通過南方電網傳輸網A、網B傳輸至對端換流站，完成直流系統控制保護、交直流站控及LAN網間數據交換，減少了中間環節，運行可靠性大大提高。

三、站間通信通道中斷對直流輸電系統運行的影響

1. 站間通信通道對極控系統的影響。通過查閱資料及現場試驗分析，當某極控系統主備通道同時故障時，將影響本極的下列主要控制功能。

（1）控制系統無法實現電流指令的站間通信與協調。此時，系統將進入應急電流控制，由整流側設定直流電流參考值，逆變側以實測直流電流作為其參考值，跟蹤實測電流的變化。

（2）逆變側保護動作請求移相功能無法實現。

（3） 保護動作或其他停運信號無法通過控制通道傳遞到對站。

（4）直流穩定調制的功能將受影響，直流功率快速變化時，逆變側將不具備瞬時電流裕度。

（5）逆變側線路故障再啟動功能被閉鎖，只有整流側檢測到線路發生故障時才會啟動直流重合。

（6）逆變側的功率限制功能被閉鎖，但直流功率和電流追蹤功能仍能維持穩定運行，低負荷下的無功優化功能被閉鎖。

2. 站間通信通道對直流保護的影響。兩換流站直流保護系統之間，有大量的信息需要傳送，主要有以下數據：直流電流設定值Idref；直流線路電流測量值；緊急停運（ESOF）命令；閉鎖命令；直流線路保護動作命令。當某一系統主備通道同時故障時，影響下列保護功能：某一保護系統主備通道均故障時，對應系統逆變側的直流線路保護動作信號、換相失敗信號、交流低電壓信號、保護動作或其他停運信號無法傳送到對側。

（1）保護系統主備通道均故障時，對應系統的直流線路低電壓動作延時將采用站間通信故障情況下延時定值。

（2）對于高肇、興安、楚穗直流輸電系統，查閱西門子軟件設計報告可知，由于直流電流值經通信通道傳輸存在延時，直流線路差動保護在計算兩站直流電流差值之前，將本站直流線路電流延時一定時間后再與對站電流值進行差值比較。對于天廣直流輸電系統，則未做延時設置，按照《天廣直流輸電系統設計規范書》及工程經驗值，各通道傳輸時延小于35 ms，即滿足直流控制保護對通信通道的要求。各直流系統電流延時設定見表1。

表 1 各直流系統電流延時設定 ms

通信通道傳輸時延與直流線路縱聯差動保護配合存在一定關系，當差流設定值、出口動作時間滿足要求時，直流線路差動保護存在誤動或拒動的可能。但由于天廣、高肇、興安、楚穗直流出口動作時間為500 ms，通信通道傳輸時延小于出口動作時間500ms，便不會對直流線路差動保護有影響。

由于通道時延ΔT的存在，西門子直流系統直流線路差動保護差流計算時將本站電流進行延時設定，這將進一步影響差流ΔIdL值計算的準確性。

目前南方電網公司范圍內高肇直流、楚穗直流站間通信通道采用自愈環方式，天廣直流、興安直流未采用自愈環方式，設計原則不統一。通過站間通信通道中斷試驗，得知直流輸電系統站間通信通道可以應用自愈環，自愈環的應用可大大增強直流站間通信通道的可靠性，同時也將為后續直流工程通信通道配置提供參考。