浅析直流输电控制保护系统

浅析直流输电控制保护系统

李显伟

（国网新疆电力公司吐鲁番供电公司新疆吐鲁番838000）

摘要：直流输电控制保护系统在直流输电工程中的作用尤为重要，它关系着整个电网的安全。因此，直流输电控制保护系统配置的可靠性是直流保护系统的根本，在设计中要从直流输电控制保护系统的特点，以及直流保护配置的设计原则入手，来提高控制保护系统的可靠性。根据直流控制保护系统的特点，以及直流保护配置的设计原则：直流保护按保护区域设置，每一个保护区应与相邻保护的保护区重叠，不存在保护死区。每一个保护区域的保护应至少为双重化冗余配置，在特高压或高压直流输电工程中一般采用冗余配置的原则。

关键词：电力系统；直流输电；控制保护

引言

由于直流输电系统的控制与保护功能装置基本采用完全相同的硬件、软件平台，两者联系十分紧密，故通常在直流输电工程中将直流输电系统的控制与保护功能统称为直流控制保护系统。目前在高压直流输电工程中有多种直流控制保护系统配置方式，从直流保护配置的设计原则来分，主要分为完全双重化和三取二的配置。

1直流输电控制保护系统的概述

直流输电的控制保护系统是指控制交直流功率转换，直流输送的全过程，是直流输电的中枢神经，它可以保护换流站所有电气设备以及直流输电线路受电气故障的损害。交流输电技术不同的是其输电的全过程完全依赖于控制保护系统；其不同于交流系统二次部分只在运行状态改变或故障时起作用，它是建立在阀导通和截止控制上的一种电能传输方式，它的控制系统始终运行从不间断。

2直流控制保护系统的配置方式

2.1直流输电工程———以某A直流输电工程为例

该直流输电工程主系统包含MC1，MC2两台主计算机，其中控制子系统全部集成在MC1主机中，保护子系统分为两套不完全相同的保护分别集成于MC1，MC2主机中，任意一台MC1，MC2主机发生故障，所在主系统将退出运行。

2.1.1该直流输电工程的组成

该直流输电工程正常运行过程中，A，B系统两套控制子系统互为备用，而直流保护系统采用“四取二”方式输出，即值班主系统两套保护中任意一套保护动作，切换至备用主系统，若备用主系统仍有保护动作，则保护动作信号输出。

2.1.2该直流输电工程的特点

该直流输电工程每个极的控制保护系统由完全冗余的A、B两个主系统构成，每个主系统均能独立实现本极及两极共同区域控制与保护功能，并具备协调双极控制功能。在双极运行时，选定其中一极作为控制极，其主系统负责协调双极控制，并负责两极共同区域控制。两极共同区域保护由两极共同承担。

2.2直流输电工程———以某B直流背靠背工程为例

该直流背靠背输电工程指的是位于辽宁高岭换流站，无直流输电线路，整流站和逆变站的设备均装设在一个站内完成。

2.2.1该直流背靠背输电工程的组成

该直流背靠背输电工程现由两个独立直流单元组成，其输送容量1500MW（2×750MW），直流电压1125kV，直流电流3000A；在建其余两个相同输送容量、电压等级的直流单元，建成后输送容量将达到3000MW。

2.2.2该直流背靠背输电工程的特点

该直流背靠背输电工程的直流控制保护系统采用HCM200系统。直流背靠背输电工程每个直流单元的直流控制子系统与保护子系统采用完全独立、完全冗余方式配置，并分别集成在不同的机柜中，控制子系统分为A，B系统，保护子系统由三套保护构成。正常运行过程中，两套控制系统互为备用，而三套保护同时运行，按“三取二”方式输出。

3直流输电控制保护层

直流输电系统的控制根据层级的不同可以分为三个层面，即现场控制层、过程控制层、运行人员控制层。

3.1现场控制层

现场控制层使得交直流主设备能够在就地进行控制，通过硬线将交直流主设备与较近距离的设备接口进行连接，通过现场总线将交直流主设备与较远距离的设备接口进行连接。通过分布式的I/O控制单元实现现场控制，包括高压装置的联锁、输出控制命令、控制命令的监控、SER事件的产生、自诊断、二进制模拟量的预处理等功能。通过现场控制层面能够实现控制系统的分层式、分布式，来自调度中心的控制命令经由高速LAN和现场总线进行传达，监控系统的实时数据在逐层反馈，保证主系统、从系统的循环数据传输过程。

3.2过程控制层

过程控制层包括交流/直流站控制系统和极控系统，是直流输电控制系统的核心组成。交流/直流站控制系统的任务是顺序控制交流场和换流站直流系统，为了避免系统故障和系统维护导致的直流输电系统不可用，所以直流/交流站控制多采用冗余结构，因其具有双重化配置，能够包含各个层面的系统。极控系统在运行人员下达命令后，发出稳定、有效、正确的功率定值，执行与双极、换流器相关的所有功能，为阀和换流器提供全部控制功能。而极控系统包括三方面，即换流器控制（也称阀控系统）、极控制、双极控制，其中双极控制能够实现与双极运行相关的所有控制功能，在接收到运行人员的命令以后，通过给极控制层传送相应的电流、极功率参考值，实现两极之间的功能协调，包括电流平衡控制、功率传输方向控制、稳定控制、极间电流转移、运行人员功率参考值设定等功能。

3.3运行人员控制层

运行人员控制层实现运行人员的控制，包括常见的基本功能：用户管理、曲线显示、保护信息处理、谐波监控、报表处理、图形页面显示、自动功率控制、事件顺序记录、控制操作等。对于UHVDC系统来说，其启停、状态、运行、故障以及辅助操作也可通过运行人员层面实现。阀控工作站、运行人员工作站、远动工作站均采用冗余配置实现双工作站，两个工作站相互配合，一个负责进行控制，另外一个负责刷新实时数据，在主设备出现故障后可自动将备用的切换为主状态，同时完成调度的接口切换。

4直流输电系统的常见故障及保护

4.1常见故障

引起直流输电故障的因素比较多，包括系统装置的误操作、换相的失败、雷电和污染物引起的绝缘失效等诸多因素；常见的故障有电流中断、换相失败、触发脉冲丢失、短路等。

4.2直流输电保护

4.2.1换流器保护

换流器的保护方式比较多，如换流器的三角侧短路保护、星型侧短路保护，其动作结果为：将相应极紧急闭锁，将相应换流变压器的进线开关断开，高速中性母线开关断开，闭锁触发脉冲。交流过程保护，用于长时间超负荷故障的控制，逆变器的短路备用保护，整流器的短路备用保护，在发生短路、交流系统故障、通信问题时候不会跳闸的情况，通过交流过程保护能够紧急闭锁相应的极并断开换流变压器的进线开关。另常见的也有直流差动保护、星型侧桥差保护、三角侧桥差保护等。

4.2.2直流母线保护

直流母线保护常见的有高压直流母线差动保护、中性直流母线差动保护、直流过流保护等，通过这些保护能够实现相应极的紧急闭锁、换流变压器进线开关的关闭、中性母线开关的关闭等，其中直流过流保护应用较为常见，其保护范围能够涵盖整个极，能够作为其他保护方式的备用保护手段。

4.2.3接地极线路保护

接地极线路保护包括接地极电流不平衡保护、中性母线差动保护、接地极过流保护、过电压保护、金属接地故障保护等，其动作后果有将相应极闭锁、发出报警信号、将运行极闭锁等。

结语

通过以上各个方面的介绍，我们了解直流输电控制保护系统配置比较复杂，与常规单回直流输电系统以及交流控制保护系统有很大的不同。本项直流输电工程的控制保护系统最突出的区别就是在回层中设置一个双回协调控制层，使整个系统功能表现的更加全面和完善。系统中的双回控制系统中的分层更加清晰，功能也更加明确，采用的完全双重化保护系统配置也更加可靠，通过采用多种形式的局域网以及总线结构，使整个换流站工程系统运行的更加可靠和稳定。

参考文献

[1]刘亚梅.特高压电网的运行理论与研究[J].中国经济出版社，2012（17）.

[2]李芬芳.电力系统电磁暂态计算理论[J].北京电力出版社，2012（04）.

[3]王建国.浅析直流输电系统的运行和控制[J].科学出版社，2014（15）.