高壓直流輸電控制保護系統(tǒng)接口和典型回路綜述

王春成

(廣東省電力設(shè)計研究院，廣東 廣州 510663)

1 概述

直流的控制系統(tǒng)和保護系統(tǒng)是緊密相關(guān)的，大部分保護功能最終要通過控制系統(tǒng)來實現(xiàn)，而且對直流控制產(chǎn)生巨大的影響。在直流工程中，任何一部分發(fā)生故障都會影響整個直流輸電系統(tǒng)運行的安全可靠性。由此可見，直流控制保護系統(tǒng)性能的好壞直接決定著直流工程運行和設(shè)備的安全。

因此，有必要進行直流控制保護系統(tǒng)的接口及典型回路的研究，優(yōu)化二次回路設(shè)計，使直流控制保護系統(tǒng)的性能得到最有效的發(fā)揮。對不同技術(shù)路線的直流控制保護系統(tǒng)與換流設(shè)備間接口及回路的研究可為技術(shù)方案的制定與設(shè)備選型提供技術(shù)支持。

2 主流直流控制保護產(chǎn)品簡介

PCS-9550系列高壓直流控制保護系統(tǒng)，具有較高可靠性和抗干擾能力的硬件平臺，板卡故障率低；軟件平臺具有防止控制系統(tǒng)死機措施。另外，其具有自主產(chǎn)權(quán)的技術(shù)包括：基于全面國產(chǎn)化的成熟軟硬件平臺的保護裝置和運動工作站；同時具備與不同技術(shù)路線閥、換流變、平抗、水冷接口的工程應(yīng)用和經(jīng)驗。

TDC系列高壓直流控制保護系統(tǒng)，技術(shù)上采用最新推出的嵌入式處理器和多主處理器

并行處理技術(shù)，具有高速控制系統(tǒng)硬件平臺的成套控制保護設(shè)備，包括運行人員控制、直流極控制系統(tǒng)、直流極保護系統(tǒng)、換流變壓器保護、調(diào)相機控制和保護、交流濾波器控制和保護等。網(wǎng)絡(luò)通信，控制保護系統(tǒng)具備標(biāo)準(zhǔn)分層分布式結(jié)構(gòu)。

MACH2高壓直流控制保護系統(tǒng) [6,7]是一種完全基于計算機的控制和保護系統(tǒng)，采用了分層、分散、分布的開放式設(shè)計體系結(jié)構(gòu)以及完全雙重化的配置。整個控制保護系統(tǒng)由主機、分布式I/O、標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場總線及標(biāo)準(zhǔn)LAN 接口組成，軟件采用Hidraw圖形化編程工具實現(xiàn)。該系統(tǒng)的特點是，系統(tǒng)功能高度集成并具有開放式的系統(tǒng)接口，開放式的系統(tǒng)策略反映在工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的串行和并行總線以及標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)存儲格式的應(yīng)用。其進一步升級產(chǎn)品有MACH2.1和DCC800系列直流控制保護系統(tǒng)。

從設(shè)備存在的不足上看，PCS-9550系統(tǒng)相對運行經(jīng)驗較少；TDC系統(tǒng)功能設(shè)計不靈活，為實現(xiàn)某些功能，不得不修改外部配線或增加外接繼電器，甚至要調(diào)整一次主接線。MACH2系統(tǒng)電路板故障率高，I/O板卡故障、總線故障、軟件故障等也都曾在實際工程出現(xiàn)。從產(chǎn)品業(yè)績上看，上述3種系列的控制保護系統(tǒng)均已應(yīng)用于已建和在建的特高壓/高壓直流輸電工程。從造價上比較，考慮綜合成本，PCS-9550系統(tǒng)國產(chǎn)化程度較高，具有很好的價格優(yōu)勢。

3 主要接口及典型回路

3.1 直流控制保護與換流閥的接口及回路

根據(jù)閥觸發(fā)信號的不同，閥主要分為光觸發(fā)閥與電觸發(fā)閥兩種。

⑴ 直流控制保護與換流閥接口

西門子技術(shù)路線的換流閥有光觸發(fā)與電觸發(fā)兩種。對于兩種觸發(fā)方式，其閥基電子設(shè)備(VBE)使用的均是電信號，通訊總線采用Profibus總線。閥基電子設(shè)備配置為一組12脈動閥配置一面閥基電子設(shè)備屏，屏內(nèi)含有兩套完全獨立的冗余配置的閥控制與接口設(shè)備。接口回路如圖1所示。ABB技術(shù)路線的閥為電觸發(fā)閥，其閥基電子設(shè)備屏(VCU)與直流控制保護系統(tǒng)的接口為光信號。接口回路如圖2所示。不同技術(shù)路線的控制保護與閥的接口形式和總線通信規(guī)約之間存在差異，配合時需要增加閥控接口單元。

圖1 西門子控制保護與西門子閥的接口

圖2 ABB控制保護與ABB閥的接口

⑵ 直流控制保護與閥基電子設(shè)備屏的連接

下面分別以西門子和ABB技術(shù)路線的控制保護與閥為例，描述控制保護屏與閥基電子設(shè)備屏的接口典型回路，見圖3、圖4。

圖3 西門子路線控制保護系統(tǒng)與VBE屏接口

西門子路線的一個12脈動閥組配置一面VBE屏，屏內(nèi)含有完全獨立的兩套閥基電子設(shè)備。閥控系統(tǒng)與VBE之間的控制信號和反饋信號采用一對一連接形式。雙重化配置的閥保護、極保護系統(tǒng)至VBE屏的閉鎖閥組信號采用交叉連接形式。VBE屏開出到雙重化的保護接口屏的閥組故障跳閘信號，VBE屏到雙重化的直流測量屏的閥電流過零信號也都采用交叉連接形式。閥控系統(tǒng)到閥基電子設(shè)備屏之間采用Profibus總線連接。

圖4為±800 kV換流站控制保護與VCU屏接口典型回路圖，若為±500 kV換流站，則閥組控制與極控制合二為一。ABB路線的VCU屏按相配置，每相按雙重化配置兩面VCU屏?？刂婆c保護安裝在同一面屏，主機分開。閥組控制A、B裝置與各相VCU屏之間的連接均為光纖。

圖4 ABB路線控制保護系統(tǒng)與VCU屏接口

3.2 直流控制保護緊急停機順序回路

緊急停機順序(Emergency Switch-Off Sequence, ESOF)是直流控制保護系統(tǒng)緊急將閥停運，并跳開交流側(cè)斷路器的動作順序。EOSF的啟動有運行人員啟動和保護啟動兩種。

⑴ 在其他閥組正常運行情況下，當(dāng)運行人員或保護動作啟動一個閥組ESOF時，閥控首先將觸發(fā)角限制值調(diào)整到90度左右，將觸發(fā)角調(diào)到90度附近，觸發(fā)旁通對，然后合上旁通斷路器，最后閉鎖閥脈沖。

⑵ 當(dāng)運行人員啟動一極ESOF，另一極處于運行狀態(tài)時，極控系統(tǒng)首先將該極傳輸容量對應(yīng)的電流值調(diào)到最小，將該極功率轉(zhuǎn)移到另外一極。當(dāng)該極電流小于額定電流的12%時，向?qū)φ景l(fā)送極閉鎖請求。然后將定電流控制的電流參考值調(diào)到最小。整流站觸發(fā)角移相到120～160度，使整流站轉(zhuǎn)為逆變站運行，將線路功率釋放。當(dāng)直流電流小于額定電流的3%時，閉鎖觸發(fā)脈沖。逆變站當(dāng)直流電流小于額定電流的3%時，將定電壓控制的直流電壓參考值調(diào)到最低，經(jīng)一定延時調(diào)壓后，閉鎖觸發(fā)脈沖。

若是保護啟動一極的ESOF時，則整流站將觸發(fā)角移相到120～160度，將線路功率釋放；逆變站觸發(fā)旁通對，當(dāng)直流電流小于額定電流的3%時，閉鎖兩端換流站的觸發(fā)脈沖。

⑶ 當(dāng)運行人員啟動雙極ESOF、最后一極ESOF或最后一個閥組ESOF時，則極控先將功率傳輸定值調(diào)到最小，其余操作步驟與⑵相同。

3.3 直流控制保護與電流電壓測量設(shè)備接口

⑴ 測點的配置

電流電壓測點的配置應(yīng)滿足直流控制保護系統(tǒng)的需要，并結(jié)合主接線的布置。以±800kV直流系統(tǒng)為例，西門子技術(shù)路線測點配置見圖5。

圖5 ±800kV換流站測點配置

采用ABB技術(shù)路線的測點配置主要區(qū)別有：

①直流測量裝置R12、R13的測量位置是在旁通刀閘外側(cè)還是旁通斷路器內(nèi)側(cè)。

②是否裝設(shè)閥連接母線區(qū)的直流電流測量裝置。

③旁通斷路器的電流是直接測量還是間接測量。

④閥組連接母線是否裝設(shè)直流PT。

⑵ 測量回路與直流控制保護的配合

目前直流保護系統(tǒng)常用的冗余配置方案有雙重化、三取二、和完全雙重化三種，為實現(xiàn)真正意義上的冗余，從測量回路遠端模塊開始就應(yīng)冗余配置。

3.4 直流控制保護與直流場主設(shè)備的接口

對于直流開關(guān)場內(nèi)的一次設(shè)備與控制保護系統(tǒng)的接口，主要有兩種技術(shù)路線。

西門子技術(shù)路線，保護系統(tǒng)的開出控制量直接由電纜接入一次機構(gòu)，中間經(jīng)由保護接口屏進行相關(guān)轉(zhuǎn)接；控制系統(tǒng)下發(fā)的控制量通過Profibus現(xiàn)場總線傳送至就地控制接口，再通過電纜接入一次機構(gòu)。

ABB技術(shù)路線，保護系統(tǒng)和一次設(shè)備之間無直接聯(lián)系，均通過控制系統(tǒng)下發(fā)控制命令以及接收相關(guān)的一次機構(gòu)狀態(tài)量；控制系統(tǒng)與一次設(shè)備I/O之間通過eTDM總線點對點連接，實現(xiàn)高速、實時的通訊，一次機構(gòu)與二次控制保護系統(tǒng)之間的控制量以及信息量、狀態(tài)量均通過該總線交互。

3.5 直流控制保護的接口

西門子路線，在控制層的控制與保護主機之間通過高速的控制總線(MFI總線)進行控制信息的交互。同時，直流站控、極控及閥組控系統(tǒng)與及極保護系統(tǒng)、下層就地控制單元、I/O設(shè)備、VBE設(shè)備之間通過Profibus現(xiàn)場總線進行通信，以傳輸控制數(shù)據(jù)。其中控制系統(tǒng)為通信的主導(dǎo)端，極保護系統(tǒng)以及下層的控制單元、I/O、VBE設(shè)備僅接收控制數(shù)據(jù)，作為通信的接收端?？刂啤⒈Ｗo主機之間通過MFI總線點對點連接，其采用光纖作為通訊介質(zhì)。

ABB技術(shù)路線，各控制與保護主機之間通過eTDM總線組成點對點的高速網(wǎng)絡(luò)以及冗余的控制LAN網(wǎng)進行控制數(shù)據(jù)的交互。eTDM總線采用光纖作為傳輸介質(zhì)。

3.6 直流保護系統(tǒng)的冗余配置

目前直流輸電工程中常用直流保護系統(tǒng)冗余配置方案有二取一、三取二、完全雙重化(四取二)等。

文獻[9]中詳細分析比較了三取二和完全雙重化的誤動和拒動概率。在小概率情況下，完全雙重化的防誤動性能要遠優(yōu)于三取二，防拒動性能與三取二裝置的拒動概率密切相關(guān)，即使考慮三取二裝置比保護環(huán)節(jié)可靠十倍的情況下，三取二的防拒動性能與完全雙重化相比也相差不多。

由此可知，可靠性和安全性方面的比較上從最優(yōu)排序依次是完全雙重化、三取二、二取一。

3.7 最后線路和最后斷路器

在高壓直流輸電系統(tǒng)運行過程中，如果逆變站的換流變交流進線突然斷開，逆變站交流側(cè)及其它部分的電壓會異常升高，危及設(shè)備安全。針對這種情況，通常在逆變站設(shè)置最后斷路器/線路保護。

最后斷路器/線路包括下列幾種情況：換流器的最后一個斷路器、大組交流濾波器的最后一個斷路器、最后一條線路、最后線路的最后一個斷路器。

換流器的最后一個斷路器——若某個斷路器斷開后換流器交流側(cè)失電，則這個斷路器就是換流器的最后一個斷路器。

最后一條線路——若交流場只有一條交流線路運行，則這條交流線路就是交流場的最后一條線路。

大組交流濾波器的最后一個斷路器——若大組交流濾波器進串的其中一個斷路器斷開后，大組交流濾波器與交流場失去連接，則這個斷路器就是大組交流濾波器的最后一個斷路器。

最后線路的最后一個斷路器——若最后一條線路的串內(nèi)某個斷路器斷開后，這條線路與交流場失去連接，則這個斷路器就是最后線路的最后一個斷路器。

最后斷路器/線路保護實現(xiàn)方式目前有兩種：

方式一：采集整個交流場斷路器位置信號，通過邏輯判斷出是否為最后一條線路或換流器的最后一個斷路器，通過就地控制接口屏出口，串聯(lián)斷路器保護動作接點后啟動緊急停運順序(ESOF)。該方式判斷準(zhǔn)確，硬接線可靠。

方式二，由交流場的站控通過站級的CAN網(wǎng)，將信息送至極控系統(tǒng)主機，由極控系統(tǒng)判斷出最后一個斷路器或最后一條線路，并在最后一個斷路器或最后一條線路跳閘的同時由極控直接啟動緊急停極。該方式網(wǎng)絡(luò)信息量大，可靠性差。

方式三：在換流變壓器交流引線避雷器下加裝了交流電流互感器，根據(jù)避雷器泄漏電流及其保護水平計算避雷器的能量來作為最后斷路器保護的設(shè)計依據(jù), 如果吸收的能量超過避雷器設(shè)計限值時，保護動作。其原理為，當(dāng)最后斷路器跳閘時，換流變壓器交流引線處會出現(xiàn)過電壓，從而導(dǎo)致避雷器泄漏電流增大。這種最后斷路器保護判據(jù)實現(xiàn)起來比較簡單，但可能會出現(xiàn)誤動作，而且檢測避雷器泄漏電流要求采集頻率很高。

前兩個方式還需要與安穩(wěn)系統(tǒng)配合才能判斷出500kV對側(cè)的最后一個斷路器或最后一條線路。

4 主要結(jié)論

⑴ 當(dāng)控制保護系統(tǒng)與換流閥為同一個路線產(chǎn)品時，控制保護屏與閥基電子設(shè)備屏可直接接口。當(dāng)控制保護系統(tǒng)與換流閥為不同路線產(chǎn)品時，兩者之間通過接口轉(zhuǎn)換單元可實現(xiàn)接口。接口轉(zhuǎn)換單元的轉(zhuǎn)換過程時延很短，不會影響閥控過程。但回路中增加了轉(zhuǎn)換設(shè)備，增大了故障幾率。

⑵ 不同技術(shù)路線的測點配置方案均滿足保護完全交叉無死區(qū)的要求。在換流區(qū)、直流出線區(qū)、極中性母線區(qū)與直流濾波器區(qū)，這兩種測點配置方案在設(shè)備數(shù)量、二次回路復(fù)雜程度、調(diào)試試驗、運行維護等方面各有優(yōu)缺點。

⑶ 直流控制系統(tǒng)與保護系統(tǒng)之間的高速點對點總線連接、較慢速的現(xiàn)場總線和LAN網(wǎng)連接完全可以滿足信息交互的要求。

⑷ 采集整個交流場斷路器位置信號，通過邏輯判斷出是否為最后一條線路或換流器的最后一個斷路器的方案判斷準(zhǔn)確硬接線可靠，但需要與與安穩(wěn)系統(tǒng)配合才能判斷出500kV對側(cè)的最后一個斷路器或最后一條線路。

[1]浙江大學(xué).直流輸電[M].北京：水利電力出版社,1985.

[2]李興源.高壓直流輸電系統(tǒng)的運行和控制[M].北京：科學(xué)出版社，1998.

[3]趙畹君.高壓直流輸電工程技術(shù)[M].北京:中國電力出版社,2004.

[4]P.Kunder.Power System Stability and Control [M].New York: McGraw-Hill，1994.

[5]余貽鑫，陳禮義.電力系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性[M].北京：科學(xué)出版社，1988.

[6]向長征.蔡家沖換流站二次系統(tǒng)的設(shè)計改進措施和國產(chǎn)化[J].電力建設(shè)，2007，28(3).

[7]張立平，馬進霞，吳小辰等.高壓直流極控系統(tǒng)與安全穩(wěn)定控制裝置接口方案[J].電力系統(tǒng)自動化， 2007，31(2).

[8]王俊生，李海英，曹冬明.±800kV特高壓直流保護閥組區(qū)測量點配置的探討[J].電力系統(tǒng)自動化，2006，30(22)：81-83.

[9]王春成.高壓直流輸電保護系統(tǒng)冗余配置方案選擇[J].電力勘測設(shè)計，2009，10(5).