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柔性直流輸電是基于VSC(電壓源換流器)和PWM(脈寬調(diào)制)的直流輸電技術(shù),具有無功功率、有功功率可獨(dú)立控制,無需無源濾波及無功補(bǔ)償設(shè)備,可向無源負(fù)荷供電,潮流翻轉(zhuǎn)時(shí)電壓極性不改變等優(yōu)勢,適合新能源并網(wǎng)和構(gòu)建多端直流輸電及直流電網(wǎng)[1-9]。然而柔性直流輸電系統(tǒng)中,由于電壓源型換流器的拓?fù)涮厥庑?,直流?cè)故障時(shí)故障電流上升速度快、峰值大,如果不能及時(shí)切除故障,會造成柔性直流系統(tǒng)的停運(yùn),影響柔性直流輸電的運(yùn)行靈活性和供電可靠性,因此,直流側(cè)故障隔離技術(shù)一直受到廣泛關(guān)注。直流斷路器既可在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)改變運(yùn)行方式,又可在直流系統(tǒng)不停電情況下快速切除故障元件,是構(gòu)建多端直流輸電和直流電網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)備[10-11]。
目前高壓直流斷路器主要分為機(jī)械式高壓直流斷路器、全固態(tài)高壓直流斷路器以及混合式高壓直流斷路器[12]。機(jī)械式直流斷路器的分?jǐn)鄷r(shí)間長[13-15],固態(tài)式直流斷路器通態(tài)損耗極高[16-18],而混合式高壓直流斷路器綜合兩者優(yōu)點(diǎn),通態(tài)損耗低且開斷速度快,成為目前研究的熱點(diǎn)[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(shù)與快速機(jī)械開關(guān)的320 kV/9 kA 樣機(jī)模型,其開斷時(shí)間5 ms,最大開斷電流5 kA[19]。2016 年,全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院研制的基于H橋級聯(lián)的200 kV 高壓直流斷路器成功應(yīng)用于舟山五端柔性直流輸電工程,開斷時(shí)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(lián)網(wǎng)研究院、許繼集團(tuán)、北電集團(tuán)、思源集團(tuán)通過不同的技術(shù)路線分別研制了500 kV 的高壓直流斷路器,并于2020 年成功應(yīng)用于張北柔性直流電網(wǎng)試驗(yàn)示范工程,開斷時(shí)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(hù)系統(tǒng)是一個(gè)有機(jī)的整體,控制保護(hù)系統(tǒng)是直流斷路器的“大腦”,關(guān)系到直流斷路器的正常分、合閘,異常處理,狀態(tài)監(jiān)視與預(yù)警。然而目前與直流斷路器相關(guān)的文獻(xiàn)主要集中在直流斷路器拓?fù)鋬?yōu)化、試驗(yàn)系統(tǒng)、供能系統(tǒng)、協(xié)同清除故障策略等方面,涉及直流斷路器控制保護(hù)系統(tǒng)的內(nèi)容較為少見。
本文介紹了高壓直流斷路器對其控制保護(hù)系統(tǒng)需求以及控制保護(hù)系統(tǒng)的架構(gòu),并對控制保護(hù)功能進(jìn)行詳細(xì)介紹,最后分別通過廠內(nèi)大電流開斷試驗(yàn)和張北工程現(xiàn)場的人工接地短路試驗(yàn)驗(yàn)證了控制保護(hù)系統(tǒng)的功能和性能。
混合式直流斷路器有很多細(xì)分的技術(shù)路線,各技術(shù)路線的電路構(gòu)成大體相似[19-27],分、合閘過程也大體相似,圖1 是基于負(fù)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(zhuǎn)移支路、耗能支路以及負(fù)壓耦合回路等四大主部件[27]。本文以基于負(fù)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(hù)系統(tǒng)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(shí)間小于3 ms,控制保護(hù)系統(tǒng)的延時(shí)是影響直流斷路器整體開斷時(shí)間的重要因素之一,因此要求控制保護(hù)系統(tǒng)具有快速性。
直流斷路器與直流保護(hù)配合實(shí)現(xiàn)直流電網(wǎng)的故障隔離與恢復(fù)功能,直流斷路器的可靠性關(guān)系到直流電網(wǎng)的可靠性,而直流斷路器的運(yùn)行高度依賴于控制保護(hù)系統(tǒng),因此要求控制保護(hù)系統(tǒng)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(shù)量巨大且類型各異的組部件通過串、并聯(lián)方式構(gòu)成,控制保護(hù)系統(tǒng)需要對這些組部件進(jìn)行控制、保護(hù)和監(jiān)視;另一方面,由于直流控制保護(hù)系統(tǒng)中需要操作直流斷路器的控制和保護(hù)子系統(tǒng)較多,因此要求直流斷路器控制保護(hù)系統(tǒng)的接口類型豐富,接口數(shù)量眾多。
直流斷路器控制保護(hù)系統(tǒng)是復(fù)雜的多輸入、多輸出、多控制保護(hù)對象的系統(tǒng),為了滿足快速性、高可靠性、接口類型豐富、接口數(shù)量眾多的要求,限制任一環(huán)節(jié)故障對直流斷路器控制保護(hù)功能造成的影響,借鑒直流控制保護(hù)系統(tǒng)[28-31]和閥控系統(tǒng)[32-34]的成熟應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),按照分層分布式設(shè)計(jì)原則將直流斷路器控制保護(hù)系統(tǒng)劃分為3層,即運(yùn)行人員控制層、控制保護(hù)層、高電位就地層,如圖2 所示。
2.1.1 運(yùn)行人員控制層
運(yùn)行人員控制層對應(yīng)的子系統(tǒng)稱為監(jiān)控子系統(tǒng),通過站控層網(wǎng)絡(luò)與控制保護(hù)層的所有裝置通信,其主要功能是接受運(yùn)行人員的操作指令并下發(fā)給具體的控制保護(hù)裝置來執(zhí)行,完成直流斷路器事件記錄、報(bào)警和狀態(tài)展示,運(yùn)行人員控制層的主要設(shè)備布置在換流站的監(jiān)控室。
2.1.2 控制保護(hù)層
控制保護(hù)層是直流斷路器控制保護(hù)系統(tǒng)的核心層,包括控制子系統(tǒng)和保護(hù)子系統(tǒng),布置在控制保護(hù)室或者閥控室。
控制子系統(tǒng)包含雙重化配置的控制主機(jī)及其FEU(光纖接口擴(kuò)展單元),控制主機(jī)與對應(yīng)的FEU通過IEC 60044—8 協(xié)議“點(diǎn)對點(diǎn)”通信,雙套控制主機(jī)之間通過雙重化的光纖以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)雙套控制主機(jī)之間的狀態(tài)交互,從而實(shí)現(xiàn)值班備用切換邏輯和直流斷路器運(yùn)行狀態(tài)跟隨邏輯,正常情況下雙套控制主機(jī)中一套值班另一套備用,光纖接口擴(kuò)展單元的值班備用狀態(tài)跟隨對應(yīng)控制主機(jī)。光纖接口擴(kuò)展單元主要是為了滿足控制保護(hù)系統(tǒng)接口數(shù)量眾多的需求而對控制主機(jī)的接口實(shí)現(xiàn)了擴(kuò)展,為了提高控制子系統(tǒng)的響應(yīng)速度,光纖接口擴(kuò)展單元接受到控制主機(jī)的命令后直接轉(zhuǎn)發(fā)給高電位就地層的控制模塊,如此兼顧了快速性和接口數(shù)量眾多的需求,采用直接轉(zhuǎn)發(fā)策略后控制子系統(tǒng)的延時(shí)減少了50~100 μs。
保護(hù)子系統(tǒng)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(hù)裝置和雙重化配置的三取二單元,經(jīng)過三取二判斷邏輯之后的保護(hù)動作出口信號發(fā)送給控制主機(jī),由控制主機(jī)根據(jù)直流斷路器的運(yùn)行狀態(tài)綜合判斷,采取相應(yīng)的動作行為。為了提高保護(hù)的響應(yīng)速度,本體保護(hù)裝置直接接受電流互感器的電流信號,實(shí)現(xiàn)了本體保護(hù)和合并單元的雙重功能,減少了保護(hù)子系統(tǒng)的延時(shí)。
2.1.3 高電位就地層
高電位就地層包含接口類型和數(shù)量眾多的高電位控制模塊,包括若干SCU(機(jī)械開關(guān)控制單元)、NCU(負(fù)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(shí)現(xiàn)交叉互聯(lián),提高了直流斷路器控制保護(hù)系統(tǒng)的可靠性。高電位控制模塊采用嚴(yán)格的同步守時(shí)機(jī)制,從而實(shí)現(xiàn)所有控制模塊的同步觸發(fā),有利于串聯(lián)組部件之間的均壓和并聯(lián)組部件之間的均流。
直流斷路器控制保護(hù)系統(tǒng)是一個(gè)分層分布式系統(tǒng),其控制保護(hù)功能分布在不同子系統(tǒng)的不同裝置或模塊中。功能分配遵循以下原則:
(1)面向?qū)ο笤O(shè)計(jì),減少不同裝置的通信接口數(shù)量和信號數(shù)量,降低不同裝置之間的耦合度。
(2)均衡不同裝置的負(fù)載,實(shí)現(xiàn)性能的優(yōu)化和可靠性的提高。
(3)減少控制保護(hù)全鏈路環(huán)節(jié)數(shù)量,提高串聯(lián)系統(tǒng)的可靠性,降低控制保護(hù)全鏈路的延時(shí),提高實(shí)時(shí)性。
(4)盡可能將控制保護(hù)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(hù)功能在不同裝置或模塊中進(jìn)行分配,分配結(jié)果如圖3所示。
圖2 控制保護(hù)系統(tǒng)架構(gòu)
從圖2、圖3 可以發(fā)現(xiàn),直流斷路器控制主機(jī)在整個(gè)直流斷路器控制保護(hù)系統(tǒng)中處于中樞地位,需要與高層級的直流控制保護(hù)系統(tǒng)、同層級的直流斷路器保護(hù)子系統(tǒng)、低層級的不同類型的光纖接口擴(kuò)展單元接口。而其他裝置或模塊的接口類型相對單一,本節(jié)重點(diǎn)介紹直流斷路器控制主機(jī)的接口設(shè)計(jì)。
2.3.1 與直流控制保護(hù)系統(tǒng)接口
為了降低雙重化的直流斷路器控制主機(jī)與雙重化的直流控制保護(hù)系統(tǒng)的耦合程度,雙方按照“交叉互聯(lián)”原則共配置4 組光纖通道,每組內(nèi)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(hù)系統(tǒng)發(fā)送給直流斷路器控制主機(jī),通信協(xié)議為IEC 60044—8,通信信號包括直流控制保護(hù)系統(tǒng)邏輯設(shè)備名、值班狀態(tài)、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(jī)發(fā)送給直流控制保護(hù)系統(tǒng),通信協(xié)議為IEC 60044—8,通信信號包括直流斷路器控制主機(jī)邏輯設(shè)備名、值班狀態(tài)、分位、合位、允許慢分、允許快分、允許合閘、自分?jǐn)?、失靈等;fiber3 是選配光纖,由直流控制保護(hù)系統(tǒng)發(fā)送給直流斷路器控制主機(jī),通信協(xié)議為FSK(頻移鍵控協(xié)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(wǎng)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(hù)發(fā)出的快分信號傳輸延時(shí)也相應(yīng)地要求極短,這種情況下可以選配fiber3。傳統(tǒng)的FSK 信號包括1 MHz 或10 kHz 高頻信號,張北工程為了進(jìn)一步縮短延時(shí),將FSK 信號優(yōu)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(hù)三取二單元接口
雙重化的直流斷路器控制主機(jī)與雙重化的本體保護(hù)三取二單元按照“交叉互聯(lián)”原則共配置4組光纖通道,每組內(nèi)部配置1 根光纖,通信協(xié)議為IEC 60044—8,通信信號包括經(jīng)過三取二裁決之后的保護(hù)動作信號以及經(jīng)過合并轉(zhuǎn)發(fā)的電流信號。
圖3 控制保護(hù)功能配置
圖4 直流斷路器控制主機(jī)與直流控制保護(hù)系統(tǒng)接口
2.3.3 與光纖接口擴(kuò)展單元接口
雙重化的直流斷路器控制主機(jī)與雙重化的光纖接口擴(kuò)展單元按照“點(diǎn)對點(diǎn)”原則共配置兩組光纖通道,每組內(nèi)部配置fiber1 和fiber2 兩根光纖,其中fiber1 由直流斷路器控制主機(jī)發(fā)送給對應(yīng)光纖擴(kuò)展單元,通信協(xié)議為IEC 60044—8,通信信號包括直流斷路器控制主機(jī)值班狀態(tài)、光纖擴(kuò)展單元對應(yīng)的主部件的控制指令等;fiber2 由對應(yīng)光纖擴(kuò)展單元發(fā)送給直流斷路器控制主機(jī),通信協(xié)議為IEC 60044—8,通信信號包括光纖擴(kuò)展單元的故障狀態(tài)、光纖擴(kuò)展單元對應(yīng)的主部件的運(yùn)行狀態(tài)等。
張北工程中,按照圖2—4 配置的直流斷路器控制保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行良好,其可行性得到了實(shí)際工程的驗(yàn)證。
直流斷路器設(shè)定兩種控制位置,即就地控制位置和遠(yuǎn)方控制位置。就地控制位置指的是控制主機(jī)所在的屏柜,遠(yuǎn)方控制位置指的是運(yùn)行人員工作站或直流控制保護(hù)系統(tǒng),二者通過控制主機(jī)所在的屏柜上的“遠(yuǎn)方/就地”把手進(jìn)行切換。
控制主機(jī)所在的屏柜上配置了“手分”“手合”把手,當(dāng)處于就地控制位置時(shí),可以通過“手分”“手合”把手來整體操作直流斷路器。
運(yùn)行人員工作站配置了“遙分”“遙合”按鈕,當(dāng)處于遠(yuǎn)方控制位置時(shí),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(hù)系統(tǒng)手動或自動進(jìn)行整體操作。
直流斷路器有3 種模式,即運(yùn)行模式、試驗(yàn)?zāi)J胶蜋z修模式,如圖5 所示。運(yùn)行模式下可以通過直流斷路器控制保護(hù)系統(tǒng)按照既定的時(shí)序操作直流斷路器主部件;試驗(yàn)?zāi)J较驴梢酝ㄟ^直流斷路器控制保護(hù)系統(tǒng)對直流斷路器主部件進(jìn)行傳動試驗(yàn),驗(yàn)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(tài)切換示意
3 種模式可以相互切換:運(yùn)行模式下投入試驗(yàn)命令會進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)J?;試?yàn)?zāi)J较聦⒅绷鲾嗦菲鲀蓚?cè)隔刀分開,將兩側(cè)地刀合上,會進(jìn)入檢修模式;檢修模式下將直流斷路器兩側(cè)地刀打開,將兩側(cè)隔刀打開,會進(jìn)入試驗(yàn)?zāi)J?;試?yàn)?zāi)J较峦顺鲈囼?yàn)命令會進(jìn)入運(yùn)行模式。
3.2.1 運(yùn)行模式
(1)正常操作時(shí)序控制
正常分閘時(shí)序?yàn)椋簷C(jī)械開關(guān)分閘,轉(zhuǎn)移支路導(dǎo)通;一段時(shí)間后負(fù)壓耦合回路觸發(fā);一段時(shí)間后主支路電流無流,轉(zhuǎn)移支路關(guān)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(shí)序?yàn)椋恨D(zhuǎn)移支路導(dǎo)通;轉(zhuǎn)移支路電流小于一定值并持續(xù)一段時(shí)間后機(jī)械開關(guān)合閘;機(jī)械開關(guān)合位確認(rèn)后轉(zhuǎn)移支路關(guān)斷,合閘成功。
(2)自分?jǐn)鄷r(shí)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(shí)序?qū)χ绷鲾嗦菲鞯闹鞑考M(jìn)行操作,需要將直流斷路器退回到分?jǐn)酄顟B(tài),確保直流斷路器本體的安全,這個(gè)過程稱為自分?jǐn)噙^程。以下為兩個(gè)典型的自分?jǐn)噙^程:
自分?jǐn)噙^程一,當(dāng)合閘轉(zhuǎn)移支路導(dǎo)通時(shí),如果合于故障,那么轉(zhuǎn)移支路電流將迅速增加,此時(shí)將不合機(jī)械開關(guān)而是立即將關(guān)斷轉(zhuǎn)移支路。
自分?jǐn)噙^程二,當(dāng)合閘執(zhí)行到第二步機(jī)械開關(guān)合閘時(shí),如果機(jī)械開關(guān)串沒有全部合上,直接閉鎖轉(zhuǎn)移支路會導(dǎo)致沒有合上的機(jī)械開關(guān)將被擊穿或者承受較高的電壓,因此有必要分開所有機(jī)械開關(guān)。
(3)失靈時(shí)序控制
直流斷路器在進(jìn)行快速分閘時(shí),一旦快分失敗,應(yīng)產(chǎn)生失靈信號并發(fā)送至直流控制保護(hù)系統(tǒng),以便直流控制保護(hù)系統(tǒng)跳上一級直流斷路器或者閉鎖換流閥,并跳開交流側(cè)斷路器。以下為兩個(gè)典型的失靈過程:
失靈過程一,機(jī)械開關(guān)不允許分閘的情況下收到快分指令,直流斷路器將不響應(yīng)快分指令,并產(chǎn)生失靈信號發(fā)送至直流控制保護(hù)系統(tǒng)。
失靈過程二,快分過程中,機(jī)械開關(guān)超過一定時(shí)間還沒有建立足夠的絕緣距離,即直流斷路器分閘超時(shí),將產(chǎn)生失靈信號并發(fā)送至直流控制保護(hù)系統(tǒng)。
3.2.2 試驗(yàn)?zāi)J?/p>
直流斷路器本體可以操作的主部件包括機(jī)械開關(guān)、轉(zhuǎn)移支路、負(fù)壓耦合回路。在初次安裝、檢修完成或者更換完成后,需要驗(yàn)證這些主部件的動作特性,這些操作不同于運(yùn)行狀態(tài)下的整體協(xié)同操作,其只需要對單個(gè)部件或者部分部件進(jìn)行操作,因此需要設(shè)置單獨(dú)的試驗(yàn)?zāi)J讲⒃O(shè)計(jì)相應(yīng)的傳動功能。
單部件傳動功能包括機(jī)械開關(guān)分閘傳動、機(jī)械開關(guān)合閘傳動、轉(zhuǎn)移支路短時(shí)導(dǎo)通傳動、負(fù)壓耦合回路觸發(fā)傳動。
負(fù)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(yù)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?jǐn)嗄芰头謹(jǐn)鄷r(shí)間密切相關(guān),而單部件傳動并不能驗(yàn)證到電容器組和耦合電抗器,因此需要設(shè)計(jì)專門的聯(lián)合部件傳動功能來驗(yàn)證整個(gè)負(fù)壓耦合回路的動作特性。
聯(lián)合部件傳動試驗(yàn)要求機(jī)械開關(guān)處于合位,然后按照以下順序依次操作:
(1)合轉(zhuǎn)移支路,轉(zhuǎn)移支路過流保護(hù)動作則跳轉(zhuǎn)至(4)。
(2)一段時(shí)間后觸發(fā)負(fù)壓耦合回路,轉(zhuǎn)移支路過流保護(hù)動作則跳轉(zhuǎn)至(4)。
(3)一段時(shí)間后分轉(zhuǎn)移支路。
(4)保護(hù)動作分轉(zhuǎn)移支路。
張北工程要求直流斷路器的最大開斷能力為25 kA,在廠內(nèi)組建完整的直流斷路器及其試驗(yàn)系統(tǒng)并開展大電流開斷試驗(yàn),試驗(yàn)波形如圖6 所示。試驗(yàn)系統(tǒng)產(chǎn)生25 kA 故障電流,過流保護(hù)模擬裝置檢測到故障電流大于一定值后產(chǎn)生快分指令,并發(fā)送至直流斷路器控制保護(hù)系統(tǒng),直流斷路器控制保護(hù)系統(tǒng)控制直流斷路器按照既定時(shí)序分閘,清除故障電流。
圖6 廠內(nèi)大電流開斷試驗(yàn)波形
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(yàn),故障發(fā)生后直流控制保護(hù)系統(tǒng)發(fā)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(shí)間后直流控制保護(hù)系統(tǒng)下發(fā)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(yīng)線路投入運(yùn)行,試驗(yàn)期間直流斷路器控制保護(hù)系統(tǒng)的波形如圖7 所示,其中LPR2F3A 指的是直流線路保護(hù)三取二單元的A 系統(tǒng)。
直流斷路器是構(gòu)建多端直流輸電和直流電網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)備,本文結(jié)合基于負(fù)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(hù)系統(tǒng)的需求和構(gòu)建原則,設(shè)計(jì)了控制保護(hù)架構(gòu)和功能分配方案,據(jù)此開發(fā)了實(shí)際的控制保護(hù)系統(tǒng),并成功應(yīng)用在張北工程中。
圖7 工程現(xiàn)場人工接地短路試驗(yàn)波形
由于高壓直流斷路器還處于應(yīng)用的初期階段,應(yīng)用樣本還比較少,其控制保護(hù)系統(tǒng)還需經(jīng)受長期運(yùn)行的檢驗(yàn),并隨著應(yīng)用的發(fā)展而進(jìn)一步完善。在中壓或者低壓直流斷路器應(yīng)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(hù)系統(tǒng)需要做一定程度的簡化和歸并。