直流控制保護系統(tǒng)配置研究

祁玉棟，黃勝祝

直流控制保護系統(tǒng)配置研究

祁玉棟1，黃勝祝2

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

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，我國的直流輸電技術(shù)也得到了快速發(fā)展，直流輸電項目建設(shè)的越來越多，人們對接地選址以及輸電走廊有關(guān)問題更加重視。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，對直流控制系統(tǒng)、直流保護系統(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。

直流控制保護系統(tǒng)；控制網(wǎng)絡(luò)；同塔雙回

1　工程簡介

某一直流輸電工程直流線路長度大約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，可以選擇的運行方式也比較多，控制保護系統(tǒng)需要經(jīng)雙回直流協(xié)調(diào)統(tǒng)一控制，是一個輸、接兩端換流站雙回直流場同址建設(shè)、直流線路同塔建設(shè)以及接地極共用的直流輸電工程。直流控制保護系統(tǒng)相當(dāng)于整個工程的“大腦”，其配置和功能對于常規(guī)單回直流輸電系統(tǒng)以及交流控制保護系統(tǒng)進(jìn)一步強大和完善。

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

該項工程的直流保護系統(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；極控制保護層設(shè)備主要有極控制柜；系統(tǒng)層設(shè)備主要有交流測控屏、站用電控制主機柜以及交流濾波測控屏。

圖1　雙回直流控制保護系統(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)的功能主要是對直流場內(nèi)所有的直流開關(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，同時對后備雙功率、后備無功、后備功率進(jìn)行協(xié)調(diào)控制以及系統(tǒng)接口與運行人員交互等。②極控制層的功能主要是對直流功率輸送的整個過程進(jìn)行控制，對直流、交流的功率進(jìn)行轉(zhuǎn)換，對直流場設(shè)備進(jìn)行操作控制，它是整個直流輸電系統(tǒng)的核心。另外也可以起到對輸電系統(tǒng)的運行停止控制，對直流輸送的功率大小進(jìn)行控制，對直流輸電的方向進(jìn)行控制，對系統(tǒng)設(shè)備、交流站設(shè)備、線路、換流器等各個參數(shù)等進(jìn)行監(jiān)測等。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，可以對直流電流、電壓的運行進(jìn)行控制，對換流閥解鎖、閉鎖進(jìn)行控制，對熄弧角進(jìn)行控制等。

2.3本次工程的系統(tǒng)配置及功能

依據(jù)該項工程的要求以及獨立運行能力，結(jié)合同步運行的特點和雙回直流同址合建，對控制保護系統(tǒng)提出了新的要求。本項工程采用的是±500kV直流系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)，在這個基礎(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，主要對無功進(jìn)行控制，對雙回功率進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，對安穩(wěn)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制以及接口與運行人員交互等。

3　控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)配置及功能探析

3.1換流站現(xiàn)場總線

控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)配置主要是通過交換機以及網(wǎng)線連接來實現(xiàn)控制保護設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸和交換。本項工程中，依據(jù)現(xiàn)場總線來實現(xiàn)就地測控層和控制保護層之間的數(shù)據(jù)傳輸，也就是說，就地測控層設(shè)備通過現(xiàn)場總線將收集的電壓、電流、隔離開關(guān)位置以及斷路器位置等信息傳輸給控制保護層，控制保護層再將這些控制信息傳輸給就地測控層。在本項工程中，配置了現(xiàn)場控制總線、站CAN、現(xiàn)場CAN總線以及IEC70045-7總線，其中現(xiàn)場CAN總線主要對分布式I/O與主機之間進(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)場采集之間的數(shù)據(jù)傳輸。而站CAN主要是對主線之間的總線進(jìn)行通信，它可以將各個主機，比如回直流站控柜、雙回協(xié)調(diào)控制柜、各個極控制柜等有關(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)是整個控制保護系統(tǒng)以及整個運行人員控制系統(tǒng)的連接樞紐。在該項工程中，局域網(wǎng)系統(tǒng)主要由就地控制LAN、遠(yuǎn)動LAN、SCAFALAN、培訓(xùn)LAN以及保護故障濾波LAN等。在實際的操作中，運行人員將控制層設(shè)備連接到控制LAN，然后將控制層與SCAFALAN進(jìn)行連接，將控制保護系統(tǒng)通過網(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。

通過對控制網(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)就有較強的實時性。

4　直流控制系統(tǒng)探析

直流控制系統(tǒng)不僅可以實現(xiàn)基本模式控制，而且還可以對各種限制器以及控制器等實現(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，通過電流控制器來調(diào)節(jié)觸發(fā)角對直流電流進(jìn)行控制；逆變站采用的是定電壓控制，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)角來對整流側(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)運行人員界面以及系統(tǒng)特性，對各種運行方式的控制模式都能實現(xiàn)，比如，雙極功率控制、雙回直流系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制，直流降壓運行控制、同步極電流控制等。

4.2本項工程直流控制系統(tǒng)

本項工程依據(jù)實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，對系統(tǒng)功能的配置，可以充分發(fā)揮雙回直流控制保護系統(tǒng)的可靠性。

5　直流保護系統(tǒng)探析

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

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

在高壓直流系統(tǒng)中，其控制系統(tǒng)和保護系統(tǒng)不共用一個主機，相互之間是獨立的，各個設(shè)備以及保護區(qū)的保護都是采用雙重化配置。但是每重的保護都應(yīng)該盡可能的依據(jù)不同的原理，通道、測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電路都應(yīng)該分開，使保護動作在檢修的過程中不會對其他保護正確動作造成影響，不會失去自身的靈敏度。系統(tǒng)設(shè)備在運行的過程中，為不會對設(shè)備元件造成保護誤動，一般會采取保護啟動加動作的方式進(jìn)行。本項工程的直流保護系統(tǒng)按照極進(jìn)行獨立設(shè)置，每極的直流保護相互之間是完全獨立的。比如，本項工程中采用500kV母線、500kV線路等設(shè)備的保護都是按照雙重化進(jìn)行配置，設(shè)置相互獨立的保護出口、CT和PT、斷路器跳閘線圈以及獨立的電源等等，如果任何一種保護動作發(fā)生時就可以快速起動與其對應(yīng)的保護出口。

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

6　總結(jié)

通過以上各個方面的介紹，我們了解直流控制保護系統(tǒng)配置比較復(fù)雜，與常規(guī)單回直流輸電系統(tǒng)以及交流控制保護系統(tǒng)有很大的不同。本項直流輸電工程的控制保護系統(tǒng)最突出的區(qū)別就是在回層中設(shè)置一個雙回協(xié)調(diào)控制層，使整個系統(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系統(tǒng)配置也更加可靠，通過采用多種形式的局域網(wǎng)以及總線結(jié)構(gòu)，使整個換流站工程系統(tǒng)運行的更加可靠和穩(wěn)定。

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TM774

A

2095-2066（2016）31-0071-02

2016-10-12