特高壓直流控制保護系統設計與開發

賀 春，吳 東，孫廣濤

（1.國網天津檢修公司 天津 300232；2.國網濰坊供電公司 山東 濰坊 261021）

特高壓直流控制保護系統設計與開發

賀 春1，吳 東1，孫廣濤2

（1.國網天津檢修公司 天津 300232；2.國網濰坊供電公司 山東 濰坊 261021）

隨著特高壓技術的發展，直流輸電憑借其優越性而被廣泛應用。針對當前直流輸電出現的控制保護難點，文中通過對特高壓直流輸電一般使用的主回路接線方法的研究，分析了特高壓直流控制保護的技術要求。較詳細地分析了該類系統結構特點、控制方法、控制手段的設計和保護整定。此外，具有針對性的對特高壓直流控制保護系統做出了一個較為科學的設計。

特高壓；直流輸電；控制保護；設計

特高壓輸電相比于常規輸電，有著遠距離、容量大、損耗小的優勢，有利于我國的能源戰略新發展，可以有力的促進我國電力能源的地區配置，加快社會經濟的發展。建設特高壓電網不僅可提高我國的電力建設水平，還能為電工制造業帶來產業型的大發展。而800 kV直流輸電技術領域仍處于研究階段，對于特高壓直流電力傳輸而言，迫切需要一種安全系數更高的控制保護系統。一般情況下，特高壓直流輸電使用的接線是通過兩個12脈動換流器相串聯而組成的一個單極。在采用此類接線模式下，要求提高直流系統安全有效性，需要運用更為先進的控制保護手段。包括系統的整體結構設計，控制策略的邏輯設定，控制方式的設置及保護配的優化和改良[1-2]。

1 直流輸電基本原理

1.1 基本要求

通常800 kV直流輸電主回路，如圖1所示。每個12脈動換流器之間是獨立開來的。若有單個12脈動換流器發生異常現象，系統控制程序便會斷開兩側的直流旁路開關，保證故障不影響系統的整體運行。并在故障處理完成后，控制程序必須在另一個12脈動換流器正常工作時，將去除故障的12脈動換流器并回主回路中[3]。整個工程中，控制系統必須嚴格按照設定程序進行，最大程度的減小對交直流系統的干擾。這就是特高壓直流工程控制的主要難點。

穩態情況運行的時候，控制系統需要保持兩個串聯的換流器能夠穩定對稱運行。在技術限制的情況下，難免會有測量精度不高以及控制誤差，所以需要更高要求的控制邏輯來避免同極的一個換流器以最小觸發角運行，而另外一個換流器卻處于額定電流控制下的穩態的不正常情況。經過試驗仿真研究表明，這種狀況下兩個換流器端電壓差很高，可能達到50 kV以上，這是很危險的狀況。所以，必須極力防止出現由于系統的設備故障引起的直流線路單極脫離運行的狀況[4-5]。

圖1 特高壓主回路接線

1.2 系統控制策略

直流系統的電流是由整流環節中的閉環控制系統來確定的，換流變抽頭控制則是保證換流器運行觸發角的角度正確性。逆變側則相反，閉環控制確定熄弧角的值，而換流變抽頭是為了控制調整直流電壓。但受硬件條件限制，抽頭控制的連續性差，逆變側時直流電壓的控制誤差不僅包括測量誤差，還加上抽頭的步長造成的偏差。所以，為了減小抽頭誤差可使用非同步抽頭控制來保證不同電壓端的換流[6]。

2 結構系統設計

2.1 控制系統的結構配置原則

1）系統的保護與控制要分開配置。包括兩者的系統主機、換流變和交直流濾波器。

2）系統的分層結構是以單個的12脈動換流單元為標準進行保護和控制，每個換流單元的控制與保護是獨立開來的，這樣才能保證設備的正常運行不受干擾。

3）要求保證控制保護系統中的元件出現損壞時，直流系統中的各個12脈動單元能繼續正常使用。

4）當主系統的控制元件出現異常時，12脈動控制單元能在特定規則下保持當前工作狀態。

5）控制系統設置雙重化。對于各個測量回路，包括信號輸入輸出回路，主機系統，設備中的直流控制裝置以及閥冷卻系統均必須使用嚴格的雙重配置。

直流控制系統的控制功能上分為3層，分別是雙極控制層、換流器控制層和極控制層。

具體設計結構如圖2所示。從圖中可以看出，12脈動閥組控制層必須每個閥組獨立開來，并使用獨立的主機。而雙極控制層與極控層則要求較低，若不單獨配置，也可以共用一個控制主機[7]。

2.2 特高壓直流控制的功能分層

1）雙極控制層?？烧{整系統的無功功率，對極功率/電流進行運算，極間功率的改變。

2）極控制層。具有低壓限流控制能力，可進行電流的補償；對極電流的大小進行控制；協調好極的電流電壓量[8]。

3）換流器控制層?？刂剖欠癜l出脈沖觸發點火觸發角及換流器的觸發角調整與反饋。

2.3 換流器投退控制

對于主流的換流器投退策略有兩種。第一種是根據換流器的端電壓來進行控制；第二種是使用固定觸發角進行控制。前者換流器介入時觸發角接近90°，這樣會在系統中產生較大的無功功率。后者觸發角為70°，這種方式對系統影響較小，但旁路開關的通斷時電流較大[9]。

圖2 特高壓直流控制保護系統的整體結構

3 關鍵的特高壓直流保護的分析

特高壓直流輸電主回路使用雙12脈動的閥組進行串聯，為了更好的提高系統運行的靈活性和可用率，需要靈活使用多種接線方式。因此，特高壓系統要求配置可靠的直流保護系統。直流保護系統結

圖3 直流保護系統簡圖

構如圖3所示，主要進行：換流器保護、直流母線保 護、地極引線保護、直流線路保護和開關保護等[10]。

3.1 換流器保護（5區）

1）換流器三角側短路保護

IACΔ-min （IdH-IdN）＞Δset，IACΔ 作為系統中換流變二次繞組三角側的電流，IdN則是中性母線側的電流；Δset是整定值，IdH是換流器高壓母線側電流。保護動作時，系統閉鎖相應極、跳開相應換流變的開關，同時斷開高速中性母線開關。

2）換流器星型側短路保護

IACY-min （IACΔ-IACY）＞Δset，IACY 是換流器的變壓器中二次繞組星型側的電流。保護動作時同上一個保護。

3）交流過流保護

max（IACΔ，IACY）＞Δset（1，2，3，4）其中，Δset（1，2，3，4）分別為4段整定值。前兩段過流是長時間過負荷時的整定。第3段是逆變器短路的一個后備保護整定。第4段是在整流器和直流短路后系統整定的后備保護。保護時，系統閉鎖對應的極，同時斷開該路換流變的開關[11]。

3.2 直流母線保護（6區）

1）高壓直流母線差動保護

|IdL-IdH|＞Δset，IdL 是高壓直流回路中的電流，Δset保護整定值。保護時，系統閉鎖對應極，同時斷開該路換流變的開關，斷開該極的中性母線開關。另外，在逆變側保護時還要投入旁通對。

2）中性直流母線差動保護

|IdN-IdE|＞Δset（1，2），IdE 是中性線路側電流，Δset（1，2）是兩段整定值。保護時，閉鎖對應極，斷開該換流變和該極的中性母線開關。

3）直流過流保護

IdH＞Δset（1，2，3，4），setΔ （1，2，3，4） 分 別 為 4段整定值。該保護包括了整個極和該極其他保護后備保護。1段、2段是直流短路保護，3段、4段是作為在長期過負荷啟用的后備保護。這一保護在發生通信異常和線路故障時均保持正常。在保護時，閉鎖對應極，斷開該換流變的開關[12-13]。

3.3 接地極線路保護（8區）

1）中性母線差動保護

|IdE-Idee|＞Δset，IdE 是中性線路的電流，Idee 是接地極線路的電流，Δset是整定值。IIdE和Iee的計算方法因運行方式而異，如雙極、單極大地返回或單極并聯線路模式時：

IdE 為|IAE1-IAE2|；Idee 為|Idee1+Idee2|；Idee1、Idee2 是接地極的分支線路的電流[14]。若是金屬返回模式則是 IdE 為|IdE1-IdE2|；Idee 為|Idee1+Idee2+Idee4+IdLotbetpote|。 保護時，若是雙極模式，只會報警，而在其他模式下便會閉鎖極。

2）接地極電流不平衡保護

|Idee1-Idee2|＞Δset，Δset是整定值。 保護時，雙極模式下會報警，若是其他模式則會閉鎖對應極。

3）接地極過流保護

|Idee1|＞ΔsetOR|Idee2|＞Δset，Δset是整定值，保護時閉鎖運行極。

4 結束語

文中通過對特高壓直流輸電的主線路分析，設計了控制保護系統的框架，其中系統控制方式和保護的使用等，提出了一個合理的控制保護系統方案，并對其各個層次細分結構進行了較為詳細的介紹。較好的解決了特高壓直流輸電控制保護的核心問題，即對12脈動換流器的投退和故障工況進行控制，以及運行穩態時如何控制串聯的兩個12脈動換流器的對稱性[15-16]。

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HVDC control and protection system design and development

HE Chun1，WU Dong1，SUN Guang-tao2
（1.State Grid Maintenance Company in Tianjin，Tianjin 300232，China；2.State Grid Power Supply Company Weifang，Weifang 261021，China）

With the development of ultra high voltage technology，DC power transmission is widely used because of its superiority.In view of the current of HVDC control and protection，this paper UHV DC transmission project.The main circuit wiring characteristics，analyzes the HVDC control protection system and conventional DC difference and special requirements，and of the control and protection system overall structure，control strategy，stratification and redundancy，control function allocation and protection configuration conducted a comprehensive analysis and research，and puts forward the HVDC control protection system design scheme.

Extra High Voltage； DC transmission； control protection； design

TN99

A

1674－6236（2017）17-0050-04

2016-07-07稿件編號：201607064

賀 春（1976—），男，山西大同人，碩士，工程師。研究方向：電力系統運維管理。