試論直流控制保護系統(tǒng)配置

潘業(yè)源（廣西送變電建設有限責任公司，廣西南寧市530000）

試論直流控制保護系統(tǒng)配置

潘業(yè)源（廣西送變電建設有限責任公司，廣西南寧市530000）

直流控制保護系統(tǒng)在直流輸電工程中的作用尤為重要，它關系著整個電網(wǎng)的安全。因此，直流控制保護系統(tǒng)配置的可靠性是直流保護系統(tǒng)的根本，在設計中要從直流控制保護系統(tǒng)的特點，以及直流保護配置的設計原則入手，來提高控制保護系統(tǒng)的可靠性。根據(jù)直流控制保護系統(tǒng)的特點，以及直流保護配置的設計原則：直流保護按保護區(qū)域設置，每一個保護區(qū)應與相鄰保護的保護區(qū)重疊，不存在保護死區(qū)。每一個保護區(qū)域的保護應至少為雙重化冗余配置，在特高壓或高壓直流輸電工程中一般采用冗余配置的原則。本文針對目前主要采用的完全雙重化和三取二冗余配置進行分析，為今后直流控制保護系統(tǒng)配置方案選擇提供參考。

直流輸電；直流控制保護系統(tǒng)；系統(tǒng)配置

前言

由于直流輸電系統(tǒng)的控制與保護功能裝置基本采用完全相同的硬件、軟件平臺，兩者聯(lián)系十分緊密，故通常在直流輸電工程中將直流輸電系統(tǒng)的控制與保護功能統(tǒng)稱為直流控制保護系統(tǒng)。目前在高壓直流輸電工程中有多種直流控制保護系統(tǒng)配置方式，從直流保護配置的設計原則來分，主要分為完全雙重化和三取二的配置。

1 直流控制保護系統(tǒng)的概述

直流輸電的控制保護系統(tǒng)是指控制交直流功率轉換，直流輸送的全過程，是直流輸電的中樞神經(jīng)，它可以保護換流站所有電氣設備以及直流輸電線路受電氣故障的損害。交流輸電技術不同的是其輸電的全過程完全依賴于控制保護系統(tǒng)；其不同于交流系統(tǒng)二次部分只在運行狀態(tài)改變或故障時起作用，它是建立在閥導通和截止控制上的一種電能傳輸方式，它的控制系統(tǒng)始終運行從不間斷。而控制系統(tǒng)在直流輸電中，相當于啟停裝置，可以控制直流輸電系統(tǒng)的起停、可以控制直流輸送功率的大小和方向、可以抑制換流器不正常運行及對所連交流系統(tǒng)的干擾、可以保護換流站設備在發(fā)生故障時的損壞、可以實時監(jiān)控系統(tǒng)本身的信息及被換流站和直流線路的各種運行參數(shù)。

2 直流控制保護系統(tǒng)的配置方式

2.1 直流輸電工程——以某A直流輸電工程為例

該直流輸電工程主系統(tǒng)包含MC1，MC2兩臺主計算機，其中控制子系統(tǒng)全部集成在MC1主機中，保護子系統(tǒng)分為兩套不完全相同的保護分別集成于MC1，MC2主機中，任意一臺MC1，MC2主機發(fā)生故障，所在主系統(tǒng)將退出運行，如圖1所示。

圖1 某A直流輸電工程直流控制保護系統(tǒng)配置示意圖

2.1.1 該直流輸電工程的組成

該直流輸電工程正常運行過程中，A，B系統(tǒng)兩套控制子系統(tǒng)互為備用，而直流保護系統(tǒng)采用“四取二”方式輸出，即值班主系統(tǒng)兩套保護中任意一套保護動作，切換至備用主系統(tǒng)，若備用主系統(tǒng)仍有保護動作，則保護動作信號輸出。

2.1.2 該直流輸電工程的特點

該直流輸電工程每個極的控制保護系統(tǒng)由完全冗余的A、B兩個主系統(tǒng)構成，每個主系統(tǒng)均能獨立實現(xiàn)本極及兩極共同區(qū)域控制與保護功能，并具備協(xié)調雙極控制功能。在雙極運行時，選定其中一極作為控制極，其主系統(tǒng)負責協(xié)調雙極控制，并負責兩極共同區(qū)域控制。兩極共同區(qū)域保護由兩極共同承擔。

2.2 直流輸電工程——以某B直流背靠背工程為例

該直流背靠背輸電工程指的是位于遼寧高嶺換流站，無直流輸電線路，整流站和逆變站的設備均裝設在一個站內完成。

2.2.1 該直流背靠背輸電工程的組成

該直流背靠背輸電工程現(xiàn)由兩個獨立直流單元組成，其輸送容量1500MW（2×750MW），直流電壓1125kV，直流電流3000A；在建其余兩個相同輸送容量、電壓等級的直流單元，建成后輸送容量將達到3000MW。

2.2.2 該直流背靠背輸電工程的特點

該直流背靠背輸電工程的直流控制保護系統(tǒng)采用HCM200系統(tǒng)。直流背靠背輸電工程每個直流單元的直流控制子系統(tǒng)與保護子系統(tǒng)采用完全獨立、完全冗余方式配置，并分別集成在不同的機柜中，控制子系統(tǒng)分為A，B系統(tǒng)，保護子系統(tǒng)由三套保護構成。正常運行過程中，兩套控制系統(tǒng)互為備用，而三套保護同時運行，按“三取二”方式輸出。

2.3 直流輸電工程——以某C直流背靠背工程為例

該直流背靠背輸電工程指的是位于云南500kV魯西背靠背換流站，云南交流送出北通道則通過魯西背靠背直流換流站來實現(xiàn)云南電網(wǎng)與南網(wǎng)主網(wǎng)的異步互聯(lián)。

2.3.1 該直流背靠背輸電工程的組成

該直流背靠背輸電工程，采用雙配置系統(tǒng)，如圖2所示，常規(guī)直流換流單元采用對稱單極接線。直流電壓±160kV，直流電流3125A，柔性直流換流單元采用對稱單極接線，直流電壓±350kV，直流電流1429A，建成后輸送容量將達到2000MW（常規(guī)直流1000MW+柔性直流1000MW）。

圖2 某C直流背靠背輸電工程控制系統(tǒng)圖

2.3.2 該直流背靠背輸電工程的特點

該直流背靠背輸電工程的直流控制保護系統(tǒng)，采用雙配置系統(tǒng)，每套保護均為二取二形式，如圖3所示，建設1個背靠背柔直換流單元和1個背靠背常規(guī)換流單元，每個單元額定輸送功率均為1000MW。

3 分層結構系統(tǒng)配置及功能分析

3.1 分層結構系統(tǒng)配置

如圖4所示，工程全站直流控制保護系統(tǒng)由極控制保護層、閥組控制層、雙回控制層、每回直流控制層組成，是按雙重化配采用分層結構進行統(tǒng)一分層。

系統(tǒng)層設備有：交流濾波測控屏、交流測控屏、站用電控制主機柜；

雙回層設備有：雙回協(xié)調控制屏、極控制保護層設備及極控制柜、回層設備及站控屏。

圖3 某C直流背靠背輸電工程直流控制保護系統(tǒng)圖雙配置，每套保護均為二取二形式

圖4 雙回直流控制保護系統(tǒng)分層結構圖

3.2 分層結構系統(tǒng)的各層功能分析

分層結構系統(tǒng)的各層有對直流場內所有直流開關、直流刀閘和地刀的操作、順序控制及連鎖，控制模式選擇，后備雙功率協(xié)調控制，后備功率調制控制，后備無功控制，與其他系統(tǒng)接口及與運行人員交互等回層執(zhí)行單回直流系統(tǒng)與雙極控制相關的控制功能。

3.2.1 極控制層的功能

極控制層是直流輸電系統(tǒng)的核心，它對直流輸電系統(tǒng)的啟停控制，直流輸送功率大小和方向的控制，保護故障時的換流站設備，對換流器及線路等各項參數(shù)進行監(jiān)視，對直流場設備進行操作等交直流功率轉換、直流功率輸送全部過程的控制。

3.2.2 閥組控制層的功能

閥組控制層完成對直流電流控制，直流電壓控制，熄弧角控制、閥觸發(fā)控制，換流閥解閉鎖控制，閥廳開關及閥廳聯(lián)鎖控制等12脈動換流閥組的高速閉環(huán)控制功能。

分層結構系統(tǒng)與常規(guī)單回直流控制保護系統(tǒng)的特點最大的區(qū)別在于，對控制保護系統(tǒng)提出了新的要求，在常規(guī)直流系統(tǒng)分層結構的基礎上增加了雙回直流協(xié)調控制功能，雙回直流同址合建，并根據(jù)其要求既能夠獨立運行，同時還能夠滿足同步運行的特點，它可以將協(xié)調控制功能有雙回功率協(xié)調控制、安穩(wěn)調制控制、無功控制以及與其他系統(tǒng)接口和運行人員交互等功能，在雙回層中得以實現(xiàn)。

4 直流保護系統(tǒng)案例分析

4.1 案例1

（1）以某直流工程直保護動作出口為例

該直流工程為背靠背直流輸電工程，直流保護系統(tǒng)正常運行時為A套、B套系統(tǒng)運行，每套保護CPU1、CPU2采用二取二動作原則。故障時由于直流極線合并單元輸出至直流保護B套CPU2的負極電流一直偏低，直流保護B套CPU2板的橋臂差動保護一直處于動作狀態(tài)?，F(xiàn)場對合并單元進行檢修，在將合并單元柜1n裝置斷電后，直流保護未能閉出口，造成直流系統(tǒng)停運。

（2）直流保護B套誤動，導致直流系統(tǒng)停運原因分析

通過對動作時刻監(jiān)控后臺SER報文以及橋臂差動保護動作分析其故障原因。由于合并單元送給直流保護B套CPU2的負極直流極線電流偏低，導致CPU2的橋臂差動保護動作。在合并單元斷電前，保護裝置兩個CPU處于“二取二”與門出口邏輯狀態(tài)下，保護沒有發(fā)閉鎖令。當合并單元斷電后，CPU2和合并單元的通訊中斷，直流保護裝置判出測量回路異常后，僅閉鎖了受影響的保護功能，沒有將CPU2板的出口指令清除。在切換為“二取二”或門出口邏輯后，直流保護的閉鎖指令發(fā)給了極控，極控收到閉鎖直流后閉鎖直流系統(tǒng)并跳閘。

（3）針對此直保護系統(tǒng)改進方案

改進方案一：在CPU檢測到合并單元上送數(shù)據(jù)的品質異?；蚺c合并單元通訊中斷后，退出本CPU板的所有保護功能，同時將CPU2板的出口指令清除，然后再將本CPU功能閉鎖的信息通知另一個CPU，此時另一個CPU保護元件可以獨立出口，如圖5所示。

圖5 直保護系統(tǒng)改進方案一

改進方案二：每套保護采用“啟動+動作”邏輯，“啟動”和“動作”采用完全相同的邏輯和定值。兩套保護裝置運行時，只有兩個處理單元中相同的保護功能動作后才允許出口。當僅剩余一套直流保護在運行時，為杜絕拒動，出口方式也可采用“或”邏輯出口。當合并單元上送模擬量出現(xiàn)品質異常時，僅閉鎖本處理單元中相關的保護功能，本裝置仍然采用“與”邏輯出口。

改進方案三：每套保護中兩個處理單元按保護功能進行“與/或”邏輯出口判別。當兩套保護裝置都在運行時，如果某個處理單元的模擬量出現(xiàn)品質異常，閉鎖本單元受影響的保護功能，另一個處理單元中相應的保護功能可以獨立出口；其余不受模擬量品質影響的保護功能仍然采用“與”邏輯出口。當只有一套保護裝置處于運行狀態(tài)時，另一套裝置的所有保護功能采用“或”邏輯出口。

4.2 案例2

（1）以某背靠背直流工程直保護動作出口為例

該直流工程為背靠背直流輸電工程，直流保護系統(tǒng)正常運行時為A套、B套系統(tǒng)運行，每套保護CPU1、CPU2采用二取二動作原則。

該換流站某天將常規(guī)直流單元由閉鎖至解鎖，直流保護A套直流差動2段動作，發(fā)請求閉鎖直流系統(tǒng)、跳開交流進線開關，常規(guī)直流單元由運行狀態(tài)轉備用狀態(tài)。

（2）直流保護A套跳閘出口，直流系統(tǒng)停運原因分析

故障后對換流單元換流變保護、直流保護測量相關二次設備進行檢查，發(fā)現(xiàn)換流單元直流保護屏A跳閘燈亮，顯示“CPU1直流差動2段動作、直流差動2段動作CPU2）”；換流單元直流保護屏B跳閘燈亮，顯示“CPU1直流差動2段動作”。

從波形分析出，換流單元二直流保護A報CPU1、CPU2直流差動2段動作：A屏在故障時間內，故障持續(xù)存在，CPU1、CPU2差動電流達到0.4961kA，大于1區(qū)直流差動2段定值（0.05p.u），換流單元直流保護A報1區(qū)直流差動2段動作，出口跳閘。而換流單元直流保護B的波形上得知，保護B套的只有CPU1直流差動電流大于差動定值，CPU2未到達動作值，基于出口原則，不滿足“二取二”與門邏輯，故換流單元直流保護B報跳閘，但不出口跳閘。

進一步核查，發(fā)現(xiàn)故障原因為光學式CT遠端采集模塊的負輸入端與CT及遠端模塊的外殼為等電位連接，信號線接反導致1號遠端模塊輸入端被短路，同時模塊外殼并接入分流器導致其他遠端模塊采樣異常，導致直流保護A、B套的采樣異常、差流不一致。

（3）針對此直問題的措施方案

對換流單元負極CT遠端模塊二次接線進行更正，確保接線正確；換流單元正極CT本體每次檢修后，必須進行一次通流試驗，確認合并單元、錄波、控制及直流保護裝置采樣正確。

5 結語

本文對直流控制保護系統(tǒng)特點、直流控制保護系統(tǒng)的配置方式、分層結構系統(tǒng)配置及功能等進行深人分析，對目前直流工程中較常見的直流控制保護系統(tǒng)從保護范圍及設計原則兩個方面進行介紹，對配置方式、分層功能及特點進行了探討，并對廣西側直流極線合并單元輸出至廣西柔直保護系統(tǒng)案例進行分析，得出每極兩套控制子系統(tǒng)互為備用，各控制、保護子系統(tǒng)之間相對獨立，可單獨檢修，這種既具有可靠性還具有經(jīng)濟性的常規(guī)直流工程直流控制保護系統(tǒng)配置方式。

[1]蔡曉越，山水鴻.特高壓直流控制保護系統(tǒng)綜述[J].上海電力，2011（2）.

TM76

A

2095-2066（2016）35-0105-03

2016-11-15

潘業(yè)源（1985－），男，工程師，大學本科，主要從事電網(wǎng)工程建設工作。