高壓直流斷路器控制保護系統設計與開發

（南京合智電力科技有限公司，南京 210028）

0 引言

柔性直流輸電是基于VSC（電壓源換流器）和PWM（脈寬調制）的直流輸電技術，具有無功功率、有功功率可獨立控制，無需無源濾波及無功補償設備，可向無源負荷供電，潮流翻轉時電壓極性不改變等優勢，適合新能源并網和構建多端直流輸電及直流電網[1-9]。然而柔性直流輸電系統中，由于電壓源型換流器的拓撲特殊性，直流側故障時故障電流上升速度快、峰值大，如果不能及時切除故障，會造成柔性直流系統的停運，影響柔性直流輸電的運行靈活性和供電可靠性，因此，直流側故障隔離技術一直受到廣泛關注。直流斷路器既可在系統正常運行時改變運行方式，又可在直流系統不停電情況下快速切除故障元件，是構建多端直流輸電和直流電網的關鍵設備[10-11]。

目前高壓直流斷路器主要分為機械式高壓直流斷路器、全固態高壓直流斷路器以及混合式高壓直流斷路器[12]。機械式直流斷路器的分斷時間長[13-15]，固態式直流斷路器通態損耗極高[16-18]，而混合式高壓直流斷路器綜合兩者優點，通態損耗低且開斷速度快，成為目前研究的熱點[19-27]。2012年，ABB 公司研制了基于IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）直串技術與快速機械開關的320 kV/9 kA 樣機模型，其開斷時間5 ms，最大開斷電流5 kA[19]。2016 年，全球能源互聯網研究院研制的基于H橋級聯的200 kV 高壓直流斷路器成功應用于舟山五端柔性直流輸電工程，開斷時間為3 ms，最大開斷電流15 kA[24]。其后，南瑞繼保電氣有限公司、全球能源互聯網研究院、許繼集團、北電集團、思源集團通過不同的技術路線分別研制了500 kV 的高壓直流斷路器，并于2020 年成功應用于張北柔性直流電網試驗示范工程，開斷時間小于3 ms，最大開斷電流25 kA[26-27]。

直流斷路器及其控制保護系統是一個有機的整體，控制保護系統是直流斷路器的“大腦”，關系到直流斷路器的正常分、合閘，異常處理，狀態監視與預警。然而目前與直流斷路器相關的文獻主要集中在直流斷路器拓撲優化、試驗系統、供能系統、協同清除故障策略等方面，涉及直流斷路器控制保護系統的內容較為少見。

本文介紹了高壓直流斷路器對其控制保護系統需求以及控制保護系統的架構，并對控制保護功能進行詳細介紹，最后分別通過廠內大電流開斷試驗和張北工程現場的人工接地短路試驗驗證了控制保護系統的功能和性能。

1 控制保護系統需求

混合式直流斷路器有很多細分的技術路線，各技術路線的電路構成大體相似[19-27]，分、合閘過程也大體相似，圖1 是基于負壓耦合換流原理的混合式直流斷路器的主電路示意圖，該直流斷路器主電路包含了主支路、轉移支路、耗能支路以及負壓耦合回路等四大主部件[27]。本文以基于負壓耦合換流原理的混合式直流斷路器為對象介紹其對控制保護系統的需求。

圖1 直流斷路器主電路

由于柔性直流輸電的弱阻尼特性以及電壓源換流器的弱過電流能力，柔性直流輸電對直流斷路器的開斷速度要求極高，張北工程要求直流斷路器的整體開斷時間小于3 ms，控制保護系統的延時是影響直流斷路器整體開斷時間的重要因素之一，因此要求控制保護系統具有快速性。

直流斷路器與直流保護配合實現直流電網的故障隔離與恢復功能，直流斷路器的可靠性關系到直流電網的可靠性，而直流斷路器的運行高度依賴于控制保護系統，因此要求控制保護系統具有高可靠性。

由于元器件電壓電流等級的限制，高壓直流斷路器本體由數量巨大且類型各異的組部件通過串、并聯方式構成，控制保護系統需要對這些組部件進行控制、保護和監視；另一方面，由于直流控制保護系統中需要操作直流斷路器的控制和保護子系統較多，因此要求直流斷路器控制保護系統的接口類型豐富，接口數量眾多。

2 系統設計

2.1 系統架構

直流斷路器控制保護系統是復雜的多輸入、多輸出、多控制保護對象的系統，為了滿足快速性、高可靠性、接口類型豐富、接口數量眾多的要求，限制任一環節故障對直流斷路器控制保護功能造成的影響，借鑒直流控制保護系統[28-31]和閥控系統[32-34]的成熟應用經驗，按照分層分布式設計原則將直流斷路器控制保護系統劃分為3層，即運行人員控制層、控制保護層、高電位就地層，如圖2 所示。

2.1.1 運行人員控制層

運行人員控制層對應的子系統稱為監控子系統，通過站控層網絡與控制保護層的所有裝置通信，其主要功能是接受運行人員的操作指令并下發給具體的控制保護裝置來執行，完成直流斷路器事件記錄、報警和狀態展示，運行人員控制層的主要設備布置在換流站的監控室。

2.1.2 控制保護層

控制保護層是直流斷路器控制保護系統的核心層，包括控制子系統和保護子系統，布置在控制保護室或者閥控室。

控制子系統包含雙重化配置的控制主機及其FEU（光纖接口擴展單元），控制主機與對應的FEU通過IEC 60044—8 協議“點對點”通信，雙套控制主機之間通過雙重化的光纖以太網實現雙套控制主機之間的狀態交互，從而實現值班備用切換邏輯和直流斷路器運行狀態跟隨邏輯，正常情況下雙套控制主機中一套值班另一套備用，光纖接口擴展單元的值班備用狀態跟隨對應控制主機。光纖接口擴展單元主要是為了滿足控制保護系統接口數量眾多的需求而對控制主機的接口實現了擴展，為了提高控制子系統的響應速度，光纖接口擴展單元接受到控制主機的命令后直接轉發給高電位就地層的控制模塊，如此兼顧了快速性和接口數量眾多的需求，采用直接轉發策略后控制子系統的延時減少了50～100 μs。

保護子系統采用三取二冗余配置方案，包含三重化冗余配置的本體保護裝置和雙重化配置的三取二單元，經過三取二判斷邏輯之后的保護動作出口信號發送給控制主機，由控制主機根據直流斷路器的運行狀態綜合判斷，采取相應的動作行為。為了提高保護的響應速度，本體保護裝置直接接受電流互感器的電流信號，實現了本體保護和合并單元的雙重功能，減少了保護子系統的延時。

2.1.3 高電位就地層

高電位就地層包含接口類型和數量眾多的高電位控制模塊，包括若干SCU（機械開關控制單元）、NCU（負壓耦合回路控制單元）、ICU（IEGT控制單元）等。所有高電位控制模塊雙重化配置與雙重化配置的FEU 通過光纖通信實現交叉互聯，提高了直流斷路器控制保護系統的可靠性。高電位控制模塊采用嚴格的同步守時機制，從而實現所有控制模塊的同步觸發，有利于串聯組部件之間的均壓和并聯組部件之間的均流。

2.2 功能分配

直流斷路器控制保護系統是一個分層分布式系統，其控制保護功能分布在不同子系統的不同裝置或模塊中。功能分配遵循以下原則：

（1）面向對象設計，減少不同裝置的通信接口數量和信號數量，降低不同裝置之間的耦合度。

（2）均衡不同裝置的負載，實現性能的優化和可靠性的提高。

（3）減少控制保護全鏈路環節數量，提高串聯系統的可靠性，降低控制保護全鏈路的延時，提高實時性。

（4）盡可能將控制保護功能下放至底層控制器，減少上層控制器故障對直流斷路器的影響。

按照上述原則將直流斷路器的控制保護功能在不同裝置或模塊中進行分配，分配結果如圖3所示。

2.3 接口設計

圖2 控制保護系統架構

從圖2、圖3 可以發現，直流斷路器控制主機在整個直流斷路器控制保護系統中處于中樞地位，需要與高層級的直流控制保護系統、同層級的直流斷路器保護子系統、低層級的不同類型的光纖接口擴展單元接口。而其他裝置或模塊的接口類型相對單一，本節重點介紹直流斷路器控制主機的接口設計。

2.3.1 與直流控制保護系統接口

為了降低雙重化的直流斷路器控制主機與雙重化的直流控制保護系統的耦合程度，雙方按照“交叉互聯”原則共配置4 組光纖通道，每組內部配置2～3 根光纖，如圖4 所示，其中：fiber1 是必配光纖，由直流控制保護系統發送給直流斷路器控制主機，通信協議為IEC 60044—8，通信信號包括直流控制保護系統邏輯設備名、值班狀態、慢分指令、快分指令、合閘指令、重合閘指令等；fiber2 是必配光纖，由直流斷路器控制主機發送給直流控制保護系統，通信協議為IEC 60044—8，通信信號包括直流斷路器控制主機邏輯設備名、值班狀態、分位、合位、允許慢分、允許快分、允許合閘、自分斷、失靈等；fiber3 是選配光纖，由直流控制保護系統發送給直流斷路器控制主機，通信協議為FSK（頻移鍵控協議），通信信號為快分指令。

需要特別指出的是，在柔性直流電網中，有些故障對斷路器分閘速度要求極高，針對這些故障配置的直流保護發出的快分信號傳輸延時也相應地要求極短，這種情況下可以選配fiber3。傳統的FSK 信號包括1 MHz 或10 kHz 高頻信號，張北工程為了進一步縮短延時，將FSK 信號優化為5 MHz 或50 kHz 高頻信號，其中5 MHz 代表快分指令，50 kHz 代表非快分指令，非5 MHz 非50 kHz 代表通信故障。

2.3.2 與本體保護三取二單元接口

雙重化的直流斷路器控制主機與雙重化的本體保護三取二單元按照“交叉互聯”原則共配置4組光纖通道，每組內部配置1 根光纖，通信協議為IEC 60044—8，通信信號包括經過三取二裁決之后的保護動作信號以及經過合并轉發的電流信號。

圖3 控制保護功能配置

圖4 直流斷路器控制主機與直流控制保護系統接口

2.3.3 與光纖接口擴展單元接口

雙重化的直流斷路器控制主機與雙重化的光纖接口擴展單元按照“點對點”原則共配置兩組光纖通道，每組內部配置fiber1 和fiber2 兩根光纖，其中fiber1 由直流斷路器控制主機發送給對應光纖擴展單元，通信協議為IEC 60044—8，通信信號包括直流斷路器控制主機值班狀態、光纖擴展單元對應的主部件的控制指令等；fiber2 由對應光纖擴展單元發送給直流斷路器控制主機，通信協議為IEC 60044—8，通信信號包括光纖擴展單元的故障狀態、光纖擴展單元對應的主部件的運行狀態等。

張北工程中，按照圖2—4 配置的直流斷路器控制保護系統運行良好，其可行性得到了實際工程的驗證。

3 功能實現

3.1 控制位置定義與切換

直流斷路器設定兩種控制位置，即就地控制位置和遠方控制位置。就地控制位置指的是控制主機所在的屏柜，遠方控制位置指的是運行人員工作站或直流控制保護系統，二者通過控制主機所在的屏柜上的“遠方/就地”把手進行切換。

控制主機所在的屏柜上配置了“手分”“手合”把手，當處于就地控制位置時，可以通過“手分”“手合”把手來整體操作直流斷路器。

運行人員工作站配置了“遙分”“遙合”按鈕，當處于遠方控制位置時，可以通過“遙分”“遙合”按鈕來整體操作直流斷路器，也可以通過直流控制保護系統手動或自動進行整體操作。

3.2 模式定義與切換

直流斷路器有3 種模式，即運行模式、試驗模式和檢修模式，如圖5 所示。運行模式下可以通過直流斷路器控制保護系統按照既定的時序操作直流斷路器主部件；試驗模式下可以通過直流斷路器控制保護系統對直流斷路器主部件進行傳動試驗，驗證主部件的動作特性；檢修模式下檢修人員可以不帶電檢修直流斷路器本體。

圖5 直流斷路器狀態切換示意

3 種模式可以相互切換：運行模式下投入試驗命令會進行試驗模式；試驗模式下將直流斷路器兩側隔刀分開，將兩側地刀合上，會進入檢修模式；檢修模式下將直流斷路器兩側地刀打開，將兩側隔刀打開，會進入試驗模式；試驗模式下退出試驗命令會進入運行模式。

3.2.1 運行模式

（1）正常操作時序控制

正常分閘時序為：機械開關分閘，轉移支路導通；一段時間后負壓耦合回路觸發；一段時間后主支路電流無流，轉移支路關斷，總支路電流開始衰減；總支路電流衰減至零，分閘成功。

正常的合閘或重合閘時序為：轉移支路導通；轉移支路電流小于一定值并持續一段時間后機械開關合閘；機械開關合位確認后轉移支路關斷，合閘成功。

（2）自分斷時序控制

直流斷路器在合閘或重合閘過程中，如果不能按照既定的時序對直流斷路器的主部件進行操作，需要將直流斷路器退回到分斷狀態，確保直流斷路器本體的安全，這個過程稱為自分斷過程。以下為兩個典型的自分斷過程：

自分斷過程一，當合閘轉移支路導通時，如果合于故障，那么轉移支路電流將迅速增加，此時將不合機械開關而是立即將關斷轉移支路。

自分斷過程二，當合閘執行到第二步機械開關合閘時，如果機械開關串沒有全部合上，直接閉鎖轉移支路會導致沒有合上的機械開關將被擊穿或者承受較高的電壓，因此有必要分開所有機械開關。

（3）失靈時序控制

直流斷路器在進行快速分閘時，一旦快分失敗，應產生失靈信號并發送至直流控制保護系統，以便直流控制保護系統跳上一級直流斷路器或者閉鎖換流閥，并跳開交流側斷路器。以下為兩個典型的失靈過程：

失靈過程一，機械開關不允許分閘的情況下收到快分指令，直流斷路器將不響應快分指令，并產生失靈信號發送至直流控制保護系統。

失靈過程二，快分過程中，機械開關超過一定時間還沒有建立足夠的絕緣距離，即直流斷路器分閘超時，將產生失靈信號并發送至直流控制保護系統。

3.2.2 試驗模式

直流斷路器本體可以操作的主部件包括機械開關、轉移支路、負壓耦合回路。在初次安裝、檢修完成或者更換完成后，需要驗證這些主部件的動作特性，這些操作不同于運行狀態下的整體協同操作，其只需要對單個部件或者部分部件進行操作，因此需要設置單獨的試驗模式并設計相應的傳動功能。

單部件傳動功能包括機械開關分閘傳動、機械開關合閘傳動、轉移支路短時導通傳動、負壓耦合回路觸發傳動。

負壓耦合回路中不僅包含可以單部件傳動的晶閘管閥組，還包含預充電的電容器組和耦合電抗器，電容器組和耦合電抗器與直流斷路器的分斷能力和分斷時間密切相關，而單部件傳動并不能驗證到電容器組和耦合電抗器，因此需要設計專門的聯合部件傳動功能來驗證整個負壓耦合回路的動作特性。

聯合部件傳動試驗要求機械開關處于合位，然后按照以下順序依次操作：

（1）合轉移支路，轉移支路過流保護動作則跳轉至（4）。

（2）一段時間后觸發負壓耦合回路，轉移支路過流保護動作則跳轉至（4）。

（3）一段時間后分轉移支路。

（4）保護動作分轉移支路。

4 試驗驗證

4.1 廠內大電流開斷試驗

張北工程要求直流斷路器的最大開斷能力為25 kA，在廠內組建完整的直流斷路器及其試驗系統并開展大電流開斷試驗，試驗波形如圖6 所示。試驗系統產生25 kA 故障電流，過流保護模擬裝置檢測到故障電流大于一定值后產生快分指令，并發送至直流斷路器控制保護系統，直流斷路器控制保護系統控制直流斷路器按照既定時序分閘，清除故障電流。

圖6 廠內大電流開斷試驗波形

4.2 工程現場人工接地短路試驗

張北工程于2020 年6 月9 日開展了一系列的直流線路人工接地短路試驗，故障發生后直流控制保護系統發出直流斷路器快分指令，直流斷路器分閘成功后將故障線路切除，一段時間后直流控制保護系統下發直流斷路器重合閘指令，直流斷路器重合閘成功，重新將對應線路投入運行，試驗期間直流斷路器控制保護系統的波形如圖7 所示，其中LPR2F3A 指的是直流線路保護三取二單元的A 系統。

5 結語

直流斷路器是構建多端直流輸電和直流電網的關鍵設備，本文結合基于負壓耦合換流原理的混合式直流斷路器，分析了直流斷路器控制保護系統的需求和構建原則，設計了控制保護架構和功能分配方案，據此開發了實際的控制保護系統，并成功應用在張北工程中。

圖7 工程現場人工接地短路試驗波形

由于高壓直流斷路器還處于應用的初期階段，應用樣本還比較少，其控制保護系統還需經受長期運行的檢驗，并隨著應用的發展而進一步完善。在中壓或者低壓直流斷路器應用場景下，由于成本和體積等因素的制約，直流斷路器控制保護系統需要做一定程度的簡化和歸并。