張北±500 kV柔性直流電網換流站控制保護系統設計

韓亮，白小會，陳波，張利，尹璐

(北京電力經濟技術研究院，北京市100055)

張北±500 kV柔性直流電網換流站控制保護系統設計

韓亮，白小會，陳波，張利，尹璐

(北京電力經濟技術研究院，北京市100055)

張北±500 kV柔性直流示范工程首次構建柔性直流電網，柔性直流電網內換流站的控制保護系統需要滿足多換流站協調控制、直流線路故障保護及直流線路故障快速恢復等新要求，該文在傳統直流換流站控制保護系統設計的基礎上，提出柔性直流電網換流站控制保護系統設計方案。相比于傳統直流換流站設計方案，該設計方案在源端換流站和受端換流站各配置一套站間協調控制設備，實現多換流站間協調控制;站內保護系統采用三取二方案，增配雙重化的直流線路保護，實現直流線路故障快速隔離及恢復。提出的柔性直流電網換流站控制保護系統的整體技術方案，對同類工程的設計提供了完整的設計方法和思路。

柔性直流輸電;柔性直流換流站;控制保護系統;直流電網

0 引言

國家電網公司提出全球能源互聯網的發展理念［1］，全球能源互聯網是“堅強智能電網發展的高級階段，其核心就是清潔能源為主導，以特高壓電網為骨干網架，各國各州電網廣泛互聯，能源資源全球配置，各級電網協調發展，各類電源和用戶靈活接入的堅強智能電網［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，電壓源換流閥為核心，采用新型調制技術的直流輸電技術［3-4］。柔性直流輸電控制和運行方式簡單、輸出電壓波形好、功率因數高［5-6］、能夠快速獨立控制有功與無功功率、快速實現潮流反轉，其運行方式更加靈活。這些特點使得柔性直流輸電技術在可再生能源發電并網、孤島和城市供電、風力發電并網等方面得到了廣泛應用［7］，相比于傳統輸電技術，柔性直流輸電系統的綜合優勢非常明顯。因此，柔性直流輸電將是構建全球能源互連網的重要技術手段［8-9］，對堅強智能電網的建設和電網的經濟、安全、可靠運行具有顯著的促進作用。

目前，國內建設并投運多個柔性直流輸電工程，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，并沒有形成直流電網。

張北柔性直流示范工程在多端直流工程的基礎上，首次構建柔性直流電網。相對于多端直流工程，直流電網中的每個換流站間都有多條傳輸線路［17］，在提高整個系統可靠性的同時，對直流電網內換流站的保護控制系統設計提出了新的要求。控制保護系統作為整個直流電網的核心，負責整個柔性直流電網的潮流控制、運行方式、故障保護等，柔性直流電網控制保護系統需要實現多換流站的協調控制、毫秒級時間內隔離直流線路故障并快速恢復運行。

本文針對張北柔性直流示范工程中的北京換流站保護控制系統設計進行介紹，主要包括北京換流站概況、柔性直流電網控制保護系統技術要求、控制保護系統整體方案、換流站控制系統、換流站保護系統。本文主要分析柔性直流換流站的控制保護系統設計，為柔性直流輸電技術在全球能源互聯網的應用提供建設性意見。

1 北京換流站工程概況

張北柔性直流輸電工程選擇在河北的康保、張北、豐寧建設3個±500 kV送端柔性直流換流站，在北京建設1個±500 kV受端柔性直流換流站，配置直流斷路器、直流線路快速保護裝置等關鍵設備，構建輸送大規模風電、光伏、抽蓄等多種能源的四端環形柔性直流電網，如圖1所示。

張北柔性直流示范工程的建設，能夠解決大規模可再生能源的多點匯集和送出，提升清潔能源的高效利用和靈活消納，實現可再生能源發電的源網協調友好互動。

張北柔性直流輸電工程建設康保、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500 kV一級電壓分別接入張北特高壓站500 kV側、康保500 kV變電站，兩站分別裝設2×1 200 MV·A的500 kV/220 kV聯絡變壓器，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 張北柔性直流電網示范工程示意圖Fig.1 SchematicdiagramofZhangbei VSC-HVDCgriddemonstrationproject

北京柔性直流換流站為負荷站，由2個半橋式模塊化多電平換流閥基本單元串聯而成，基本單元分為三相，每相上、下 2個橋臂，每個橋臂串聯 1組100 m H交流電抗器。每個基本單元通過3臺單相換流變接于交流電網。每個橋臂中串聯多個子模塊，并有一定的冗余度，每個子模塊可以獨立控制，每相上、下2個橋臂的電壓和等于直流母線電壓。交流電壓由每相中2個橋臂的子模塊旁路比例來控制。

閥體正、負極出線分別接正、負極母線，中性極通過中性母線斷路器與中性母線連接，中性母線通過直流高速開關經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主接線圖如圖2所示。

圖2 北京柔性直流換流站直流場主接線圖Fig.2 MainwiringdiagramofVSC-HVDC converterstationinBeijing

北京換流站基本運行方式主要有以下3種:

(1)對稱雙極運行方式;

(2)正500 kV加接地極或地線運行方式;

(3)負500 kV加接地極或地線運行方式。

2 柔性直流電網換流站控制保護系統技術要求

張北柔性直流電網工程接入含新能源的孤島系統或弱系統，直流線路采用架空線路并采用環網結構，因此在潮流控制、運行方式、故障保護等方面對控制保護提出了更高的要求。在控制方面，需要考慮多換流站協調控制、交流系統接入協調控制等;在保護方面，需考慮直流線路故障超高速保護、線路故障快速恢復、保護分區等。柔性直流電網換流站控制保護系統設計框架及相關技術需求如圖3所示。

圖3 柔性直流電網換流站控制保護系統Fig.3 Protectionandcontrolsystemofconverter stationinVSC-HVDCpowergrid

柔性直流電網控制保護系統是整個直流電網的核心，負責整個電網的潮流控制、運行方式、故障保護等方面，相比于傳統直流輸電工程，其特殊技術需求如下詳述。

(1)多換流站協調控制。柔性直流電網中的換流站通過直流線路網絡狀連接，在提高供電可靠性的同時，使柔性直流電網的運行方式復雜多變。柔性直流電網的控制保護系統為了維持柔性直流電網的穩定運行，需要對柔性直流電網中的換流器的運行特性、控制模式等進行協調，由于直流電網中慣性環節較少，要求控制系統的反應速度遠高于交流電網，同時隨著終端的增加，柔性直流電網的協調控制會更加復雜。這些新情況對柔性直流電網中多換流站協調控制提出更高要求。

(2)接入新能源孤島、弱交流系統的電壓、頻率控制。電壓和頻率是交流系統穩定的重要特征，當新能源孤島系統接入柔性直流電網時，換流站應向孤島系統提供穩定的交流電壓;當弱交流系統接入柔性直流電網時，換流站應具備有功和無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間的協調控制外，還需要考慮2個極間換流器的協調控制。

(3)直流線路故障識別和超高速線路保護。在直流線路故障發生后，直流線路保護需要能夠在故障電流上升至功率半導體器件關斷能力限制值前切斷電流，并且只隔離故障區域而不影響正常區域的運行。直流電網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。具有網絡狀結構的直流電網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原理和算法，實現架空線路故障準確識別和故障選線。

(4)直流線路故障快速恢復控制。柔性直流電網采用的架空線發生雷擊等瞬時性故障的概率較高，在直流電網線路保護動作實現故障隔離后架空線瞬時性故障可恢復，需要在短時間實現線路瞬時、永久故障2種故障的快速區分，重新恢復發生瞬時性故障線路的運行。直流線路故障快速恢復控制過程涉及換流器和直流斷路器的控制過程。由于高壓大容量柔性直流系統采用網絡化接線方式，系統在重啟動恢復過程中，各個換流器之間、柔性直流電網控制保護系統與直流斷路器控制系統應協調配合，以實現直流線路在不同故障下的高效隔離，盡可能降低恢復過程中電壓或功率波動引起的換流器或直流斷路器的過應力。

(5)保護分區。直流線路保護并不是孤立存在的，直流線路保護需要與柔性直流電網中的其他保護相互配合才能實現柔性直流電網的安全可靠運行。這就需要對柔性直流電網進行保護區域和保護層次的合理劃分，并確定直流線路保護在直流電網保護中的保護區域和保護層次。

3 換流站直流控制系統總體架構

柔性直流換流站監控系統具有監視、測量、控制、數據通信、運行管理等功能，是換流站運行人員對全站重要電氣設備進行監視、控制的主要技術手段。本站按有人值班設計，既可作主控站運行，也可接收來自調度端的控制指令，作受控站運行。

系統采用模塊化、分層分布式、開放式結構，由系統監視與控制層、控制保護層、現場IO層組成，并通過冗余的計算機網絡將不同控制層的控制保護設備統一連接起來。系統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，并具有良好的開放性和兼容性，滿足換流站對監控系統的可靠性、實用性、安全性和可擴充性的要求，同時具有與站內其他智能化設備接口及處理的能力。

3.1系統監視與控制層

系統監視與控制層是運行人員進行操作和系統監視的 (superrisory control and data acquisition，SCADA)系統，屬于運行人員控制系統，按照操作地點的層次劃分為以下幾個方面。

(1)遠方調度中心通信層。將換流站交、直流系統的運行參數和換流站控制保護系統的相關信息通過通信通道上送遠方調度中心，同時將監控中心的控制保護參數和操作指令傳送到換流站控制保護系統。

(2)站內運行人員控制層。包括系統服務器、運行人員工作站、工程師工作站、站局域網設備、網絡打印機等。其功能是為換流站運行人員提供運行監視和控制操作界面。通過運行人員控制層設備，運行人員完成包括運行監視、控制操作、故障或異常工況處理、控制保護參數調整等在內的全部運行人員控制任務。站內運行人員控制層設備主要包括數據服務器2臺、站長工作站1臺、運行人員工作站5臺、工程師工作站1臺、仿真培訓工作站1臺、計劃檢修工作站1臺、保護及錄波信息管理子站1臺、諧波在線監測系統1套、遠動通信設備(I區數據通信網關機2臺，II區數據通信網關機2臺，III/IV區數據通信網關機1臺)、綜合應用服務器2臺、網絡打印機系統1套及相應的網絡設備。

(3)就地控制層。通過就地控制屏，完成對應設備的操作控制。

3.2控制保護層

控制保護層設備實現直流系統的控制功能。直流控制采用整體設計，包含了站間協調控制層、雙極控制層和極控制層，如圖4所示。控制保護層設備還包括交、直流站控系統(包括站用電控制和輔助系統接口)及換流變壓器保護設備等。

圖4 直流電網雙極控制系統架構Fig.4 HVDCpowergridbipolarcontrol systemarchitecture

站間協調控制層可以對4個換流站進行總的協調，減少系統運行過程中投退換流器的擾動，降低站間通訊的負載率，當站間通訊失去時，通過設置在極控制層的不依賴于通訊的協調控制策略實現換流站的運行。為適應柔性直流電網運行方式復雜多變的需求，在換流站內配置一套站間協調控制設備，采用主備方式實現多換流站間協調控制。北京換流站站間協調控制系統與其余三站相互通訊，站間通訊需滿足2 M帶寬要求，延時不大于5 ms。

3.3現場I/O層

主要由分布式I/O單元以及有關測控裝置構成。作為控制保護層設備與交直流一次系統、換流站輔助系統、站用電設備、閥冷控制保護的接口，現場I/O層負責和一次閥單元設備通訊，以及通過現場I/O層設備完成對一次開關刀閘設備狀態和系統運行信息的采集處理、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按每極完全冗余的原則進行配置，且極1、極2控制完全獨立。即每極有2套完全相同的控制柜構成冗余配置。冗余的范圍包括信號輸入/輸出回路、電源回路、通信回路及直流控制系統裝置。直流控制系統的冗余設計將確保直流系統不會因為任何控制系統的單重故障而發生停運，也不會因為某極的故障或檢修而影響另一極的運行。

4 北京換流站保護系統

4.1換流站保護配置原則

(1)直流保護系統按保護區域分區配置，每一個保護區應與相鄰保護區重疊，不存在保護死區。保證在任何運行工況下其所保護的每一設備或區域都能得到正確保護。

(2)直流系統保護按極設置，每極的直流保護應是完全獨立的。直流保護的設計必須將直流系統停運率減至最小。

(3)直流保護和換流變壓器保護采用三重化的冗余配置，冗余配置的保護裝置應盡量采用不同原理，測量器件、通道及輔助電源等應獨立配置。三重化配置的每重保護裝置的出口應采用獨立的“三取二”邏輯出口方式。

(4)直流線路保護采用完全雙重化配置。

(5)在所有運行條件和運行方式下，保證直流控制、直流保護及交流保護之間正確配合。并盡可能地借助直流控制系統的能力去抑制故障的發展，改善直流系統的暫態性能，減少直流系統的停運。

(6)針對不同的故障狀態，各種保護應合理采取報警、跳閘、重合閘、閉鎖等不同的故障清除措施。

4.2換流站保護分區

換流站保護系統的目的是保護換流站免受來自外部故障、外部過電壓的危害，在故障情況下，盡可能通過改變控制策略或者移除最少的故障元件，使得故障對系統和設備的影響最小。

北京換流站保護系統按保護區域分區配置，對保護區域的所有相關的直流設備進行保護，相鄰保護區域之間重疊，不存在保護死區。按直流系統保護的配置原則，將本換流站直流保護系統分成以下幾個保護區:(1)換流變保護區;(2)閥側連接線保護區;(3)換流器保護區;(4)極保護區;(5)雙極母線保護區;(6)母線保護區;(7)直流線路保護區，具體如圖5所示。

圖5 直流保護范圍及分區Fig.5 HVDCprotectionrangeandpartition

換流變保護區主要對換流變壓器進行保護。閥側連接線保護區主要對換流變壓器與換流器之間的連接線進行保護。換流器保護區主要對換流器、換流器與交流母線的部分連接線路以及橋臂電抗器進行保護。直流極保護區包括極高壓母線區和中性母線區，主要是對極母線上的設備進行保護。雙極保護區主要是對雙極共用區域進行保護。母線保護區主要對直流母線進行保護。直流線路保護區主要對直流輸電線路進行保護，每套直流線路保護采用光纖專用通道，直流線路保護單向信號傳輸延時需小于1.5 ms。

4.3保護措施

直流系統保護動作后用來清除和隔離故障的主要動作措施包括:報警、換流器閉鎖、交流斷路器跳閘并啟動失靈、交流斷路器鎖定、控制系統切換、極隔離、極平衡、直流斷路器跳閘、直流斷路器重合閘、直流斷路器啟動失靈、直流斷路器鎖定等。

(1)直流線路重合閘及遠跳功能。直流斷路器重合閘功能和發遠跳功能在線路保護裝置中實現。直流線路保護檢測到線路故障后，發出跳直流斷路器命令，同時啟動線路重啟邏輯。針對瞬時性故障，兩側直流斷路器跳開后，經過一段時間去游離(約200 ms)，重合直流斷路器，線路重啟成功;針對永久性故障，兩側直流斷路器跳開后，經過一段時間去游離(約200 ms)，重合直流斷路器，直流斷路器合閘過程中檢測到欠壓過流，跳兩側直流斷路器。本側線路保護動作的同時，發遠跳信號給線路對側保護裝置。

(2)直流斷路器失靈功能。當線路保護發出跳開直流斷路器命令的同時，發送直流斷路器啟失靈信號至給母差保護裝置，在母差保護裝置中實現直流斷路器失靈保護功能。經過一定的延時后，直流斷路器失靈保護檢測到線路電流滿足動作條件，直流斷路器失靈保護動作，跳開本站交流進線及連接在該母線的所有直流線路。換流站保護系統針對不同的故障狀態，會采取警告、報警、設備切除、再起動和停運等不同的故障清除措施。在所有運行條件和運行方式下，保證直流控制、直流保護及交流保護之間正確配合。并盡可能地借助直流控制系統的能力去抑制故障的發展，改善直流系統的暫態性能，減少直流系統的停運。

5 結論

本文對張北±500 kV柔性直流輸電工程北京換流站的概況、控制保護系統整體架構、換流站控制系統、換流站保護系統進行了分析總結。

由于±500 kV柔性直流電網運行方式復雜多變，本設計方案在源端換流站和受端換流站各配置一套站間協調控制設備，采用主備方式實現多換流站間協調控制。±500 kV柔性直流換流站控制保護系統采用分層分布式結構，控制系統采用雙重化冗余設計、三層結構(站間協調控制層、雙極控制層和極控制層);保護系統采用三取二方案，三套保護中均配置換流站保護、直流線路保護，在三取二裝置中增配雙重化的直流線路保護。

作為目前世界上首個柔性直流環網輸電工程，北京換流站保護控制系統技術方案的研究及相關結論為同類工程設計提供了借鑒和參考。

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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，主要研究方向為電力系統繼電保護及其自動化;

白小會(1979)，女，大學本科，高級工程師，主要研究方向為電力系統繼電保護及其自動化;

陳波(1985)，男，博士，工程師，主要研究方向為電力系統繼電保護及其自動化;

張利(1970)，女，大學本科，高級工程師，主要研究方向為變電站設計及其自動化;

尹璐(1985)，男，博士，工程師，主要研究方向為交直流混合配電網關鍵技術。

國家高技術研究發展計劃項目(863計劃)(2015AA050102)

Project supported by the National High Technology Research and Development of China(863 Program)(2015AA050102)