特高壓直流控制保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

賀 春，吳 東，孫廣濤

（1.國(guó)網(wǎng)天津檢修公司 天津 300232；2.國(guó)網(wǎng)濰坊供電公司 山東 濰坊 261021）

特高壓直流控制保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

賀 春1，吳 東1，孫廣濤2

（1.國(guó)網(wǎng)天津檢修公司 天津 300232；2.國(guó)網(wǎng)濰坊供電公司 山東 濰坊 261021）

隨著特高壓技術(shù)的發(fā)展，直流輸電憑借其優(yōu)越性而被廣泛應(yīng)用。針對(duì)當(dāng)前直流輸電出現(xiàn)的控制保護(hù)難點(diǎn)，文中通過(guò)對(duì)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(hù)的技術(shù)要求。較詳細(xì)地分析了該類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、控制方法、控制手段的設(shè)計(jì)和保護(hù)整定。此外，具有針對(duì)性的對(duì)特高壓直流控制保護(hù)系統(tǒng)做出了一個(gè)較為科學(xué)的設(shè)計(jì)。

特高壓；直流輸電；控制保護(hù)；設(shè)計(jì)

特高壓輸電相比于常規(guī)輸電，有著遠(yuǎn)距離、容量大、損耗小的優(yōu)勢(shì)，有利于我國(guó)的能源戰(zhàn)略新發(fā)展，可以有力的促進(jìn)我國(guó)電力能源的地區(qū)配置，加快社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。建設(shè)特高壓電網(wǎng)不僅可提高我國(guó)的電力建設(shè)水平，還能為電工制造業(yè)帶來(lái)產(chǎn)業(yè)型的大發(fā)展。而800 kV直流輸電技術(shù)領(lǐng)域仍處于研究階段，對(duì)于特高壓直流電力傳輸而言，迫切需要一種安全系數(shù)更高的控制保護(hù)系統(tǒng)。一般情況下，特高壓直流輸電使用的接線是通過(guò)兩個(gè)12脈動(dòng)換流器相串聯(lián)而組成的一個(gè)單極。在采用此類接線模式下，要求提高直流系統(tǒng)安全有效性，需要運(yùn)用更為先進(jìn)的控制保護(hù)手段。包括系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，控制策略的邏輯設(shè)定，控制方式的設(shè)置及保護(hù)配的優(yōu)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(gè)12脈動(dòng)換流器之間是獨(dú)立開來(lái)的。若有單個(gè)12脈動(dòng)換流器發(fā)生異?，F(xiàn)象，系統(tǒng)控制程序便會(huì)斷開兩側(cè)的直流旁路開關(guān)，保證故障不影響系統(tǒng)的整體運(yùn)行。并在故障處理完成后，控制程序必須在另一個(gè)12脈動(dòng)換流器正常工作時(shí)，將去除故障的12脈動(dòng)換流器并回主回路中[3]。整個(gè)工程中，控制系統(tǒng)必須嚴(yán)格按照設(shè)定程序進(jìn)行，最大程度的減小對(duì)交直流系統(tǒng)的干擾。這就是特高壓直流工程控制的主要難點(diǎn)。

穩(wěn)態(tài)情況運(yùn)行的時(shí)候，控制系統(tǒng)需要保持兩個(gè)串聯(lián)的換流器能夠穩(wěn)定對(duì)稱運(yùn)行。在技術(shù)限制的情況下，難免會(huì)有測(cè)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(lái)避免同極的一個(gè)換流器以最小觸發(fā)角運(yùn)行，而另外一個(gè)換流器卻處于額定電流控制下的穩(wěn)態(tài)的不正常情況。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)仿真研究表明，這種狀況下兩個(gè)換流器端電壓差很高，可能達(dá)到50 kV以上，這是很危險(xiǎn)的狀況。所以，必須極力防止出現(xiàn)由于系統(tǒng)的設(shè)備故障引起的直流線路單極脫離運(yùn)行的狀況[4-5]。

圖1 特高壓主回路接線

1.2 系統(tǒng)控制策略

直流系統(tǒng)的電流是由整流環(huán)節(jié)中的閉環(huán)控制系統(tǒng)來(lái)確定的，換流變抽頭控制則是保證換流器運(yùn)行觸發(fā)角的角度正確性。逆變側(cè)則相反，閉環(huán)控制確定熄弧角的值，而換流變抽頭是為了控制調(diào)整直流電壓。但受硬件條件限制，抽頭控制的連續(xù)性差，逆變側(cè)時(shí)直流電壓的控制誤差不僅包括測(cè)量誤差，還加上抽頭的步長(zhǎng)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(lái)保證不同電壓端的換流[6]。

2 結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)配置原則

1）系統(tǒng)的保護(hù)與控制要分開配置。包括兩者的系統(tǒng)主機(jī)、換流變和交直流濾波器。

2）系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)是以單個(gè)的12脈動(dòng)換流單元為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行保護(hù)和控制，每個(gè)換流單元的控制與保護(hù)是獨(dú)立開來(lái)的，這樣才能保證設(shè)備的正常運(yùn)行不受干擾。

3）要求保證控制保護(hù)系統(tǒng)中的元件出現(xiàn)損壞時(shí)，直流系統(tǒng)中的各個(gè)12脈動(dòng)單元能繼續(xù)正常使用。

4）當(dāng)主系統(tǒng)的控制元件出現(xiàn)異常時(shí)，12脈動(dòng)控制單元能在特定規(guī)則下保持當(dāng)前工作狀態(tài)。

5）控制系統(tǒng)設(shè)置雙重化。對(duì)于各個(gè)測(cè)量回路，包括信號(hào)輸入輸出回路，主機(jī)系統(tǒng)，設(shè)備中的直流控制裝置以及閥冷卻系統(tǒng)均必須使用嚴(yán)格的雙重配置。

直流控制系統(tǒng)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(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。從圖中可以看出，12脈動(dòng)閥組控制層必須每個(gè)閥組獨(dú)立開來(lái)，并使用獨(dú)立的主機(jī)。而雙極控制層與極控層則要求較低，若不單獨(dú)配置，也可以共用一個(gè)控制主機(jī)[7]。

2.2 特高壓直流控制的功能分層

1）雙極控制層。可調(diào)整系統(tǒng)的無(wú)功功率，對(duì)極功率/電流進(jìn)行運(yùn)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(jìn)行電流的補(bǔ)償；對(duì)極電流的大小進(jìn)行控制；協(xié)調(diào)好極的電流電壓量[8]。

3）換流器控制層?？刂剖欠癜l(fā)出脈沖觸發(fā)點(diǎn)火觸發(fā)角及換流器的觸發(fā)角調(diào)整與反饋。

2.3 換流器投退控制

對(duì)于主流的換流器投退策略有兩種。第一種是根據(jù)換流器的端電壓來(lái)進(jìn)行控制；第二種是使用固定觸發(fā)角進(jìn)行控制。前者換流器介入時(shí)觸發(fā)角接近90°，這樣會(huì)在系統(tǒng)中產(chǎn)生較大的無(wú)功功率。后者觸發(fā)角為70°，這種方式對(duì)系統(tǒng)影響較小，但旁路開關(guān)的通斷時(shí)電流較大[9]。

圖2 特高壓直流控制保護(hù)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

3 關(guān)鍵的特高壓直流保護(hù)的分析

特高壓直流輸電主回路使用雙12脈動(dòng)的閥組進(jìn)行串聯(lián)，為了更好的提高系統(tǒng)運(yùn)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(tǒng)要求配置可靠的直流保護(hù)系統(tǒng)。直流保護(hù)系統(tǒng)結(jié)

圖3 直流保護(hù)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

構(gòu)如圖3所示，主要進(jìn)行：換流器保護(hù)、直流母線保 護(hù)、地極引線保護(hù)、直流線路保護(hù)和開關(guān)保護(hù)等[10]。

3.1 換流器保護(hù)（5區(qū)）

1）換流器三角側(cè)短路保護(hù)

IACΔ-min （IdH-IdN）＞Δset，IACΔ 作為系統(tǒng)中換流變二次繞組三角側(cè)的電流，IdN則是中性母線側(cè)的電流；Δset是整定值，IdH是換流器高壓母線側(cè)電流。保護(hù)動(dòng)作時(shí)，系統(tǒng)閉鎖相應(yīng)極、跳開相應(yīng)換流變的開關(guān)，同時(shí)斷開高速中性母線開關(guān)。

2）換流器星型側(cè)短路保護(hù)

IACY-min （IACΔ-IACY）＞Δset，IACY 是換流器的變壓器中二次繞組星型側(cè)的電流。保護(hù)動(dòng)作時(shí)同上一個(gè)保護(hù)。

3）交流過(guò)流保護(hù)

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(guò)流是長(zhǎng)時(shí)間過(guò)負(fù)荷時(shí)的整定。第3段是逆變器短路的一個(gè)后備保護(hù)整定。第4段是在整流器和直流短路后系統(tǒng)整定的后備保護(hù)。保護(hù)時(shí)，系統(tǒng)閉鎖對(duì)應(yīng)的極，同時(shí)斷開該路換流變的開關(guān)[11]。

3.2 直流母線保護(hù)（6區(qū)）

1）高壓直流母線差動(dòng)保護(hù)

|IdL-IdH|＞Δset，IdL 是高壓直流回路中的電流，Δset保護(hù)整定值。保護(hù)時(shí)，系統(tǒng)閉鎖對(duì)應(yīng)極，同時(shí)斷開該路換流變的開關(guān)，斷開該極的中性母線開關(guān)。另外，在逆變側(cè)保護(hù)時(shí)還要投入旁通對(duì)。

2）中性直流母線差動(dòng)保護(hù)

|IdN-IdE|＞Δset（1，2），IdE 是中性線路側(cè)電流，Δset（1，2）是兩段整定值。保護(hù)時(shí)，閉鎖對(duì)應(yīng)極，斷開該換流變和該極的中性母線開關(guān)。

3）直流過(guò)流保護(hù)

IdH＞Δset（1，2，3，4），setΔ （1，2，3，4） 分 別 為 4段整定值。該保護(hù)包括了整個(gè)極和該極其他保護(hù)后備保護(hù)。1段、2段是直流短路保護(hù)，3段、4段是作為在長(zhǎng)期過(guò)負(fù)荷啟用的后備保護(hù)。這一保護(hù)在發(fā)生通信異常和線路故障時(shí)均保持正常。在保護(hù)時(shí)，閉鎖對(duì)應(yīng)極，斷開該換流變的開關(guān)[12-13]。

3.3 接地極線路保護(hù)（8區(qū)）

1）中性母線差動(dòng)保護(hù)

|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(jì)算方法因運(yùn)行方式而異，如雙極、單極大地返回或單極并聯(lián)線路模式時(shí)：

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(hù)時(shí)，若是雙極模式，只會(huì)報(bào)警，而在其他模式下便會(huì)閉鎖極。

2）接地極電流不平衡保護(hù)

|Idee1-Idee2|＞Δset，Δset是整定值。 保護(hù)時(shí)，雙極模式下會(huì)報(bào)警，若是其他模式則會(huì)閉鎖對(duì)應(yīng)極。

3）接地極過(guò)流保護(hù)

|Idee1|＞ΔsetOR|Idee2|＞Δset，Δset是整定值，保護(hù)時(shí)閉鎖運(yùn)行極。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中通過(guò)對(duì)特高壓直流輸電的主線路分析，設(shè)計(jì)了控制保護(hù)系統(tǒng)的框架，其中系統(tǒng)控制方式和保護(hù)的使用等，提出了一個(gè)合理的控制保護(hù)系統(tǒng)方案，并對(duì)其各個(gè)層次細(xì)分結(jié)構(gòu)進(jìn)行了較為詳細(xì)的介紹。較好的解決了特高壓直流輸電控制保護(hù)的核心問(wèn)題，即對(duì)12脈動(dòng)換流器的投退和故障工況進(jìn)行控制，以及運(yùn)行穩(wěn)態(tài)時(shí)如何控制串聯(lián)的兩個(gè)12脈動(dòng)換流器的對(duì)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(hào)：201607064

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