DPS—5000直流輸電控制保護系統(tǒng)設(shè)計方案

范子強 許朋見 吳慶范 曹 森 郝俊芳

（許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000）

0 引言

我國能源資源與電力負荷需求呈“逆向分布”，能源資源主要分布在西部、北部，而電阻負荷主要分布在中部、東部[1]。在這一背景下，國家提出“西電東送”的發(fā)展計劃，目的在于合理配置資源、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)。直流輸電作為國家實施“西電東送”戰(zhàn)略的關(guān)鍵技術(shù)，有望在我國的電網(wǎng)建設(shè)中和電力資源優(yōu)化配置方面發(fā)揮重要作用[2-5]。

和交流輸電相比，直流輸電具有輸送容量更大[6-7]、輸送距離更遠、走廊占地更少、單位容量造價更低的優(yōu)勢。現(xiàn)階段我國已建成三十余項直流輸電工程，是世界上直流輸電工程數(shù)量最多、電壓等級最高、輸送容量最大的國家。根據(jù)《電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃（2016—2020）》[8]，“十三五”期間扎魯特—青州特高壓分層接入直流、錫盟—泰州特高壓分層接入直流、張北到北京柔性直流、渝鄂背靠背柔性直流等直流輸電工程已投入運行，此外，仍有多條特高壓直流輸電工程已經(jīng)獲得核準批復(fù)。

直流輸電控制保護系統(tǒng)是直流輸電工程的核心技術(shù)。目前國外直流輸電控制保護系統(tǒng)主要以ABB和SIEMENS的產(chǎn)品為主[9-10]，在向上工程中，采用ABB公司的DCC—800控制保護系統(tǒng)；在云廣特高壓工程中，采用西門子公司的WIN-TDC控制保護系統(tǒng)。國內(nèi)直流輸電控制保護系統(tǒng)主要以南瑞繼保和許繼電氣的產(chǎn)品為主，南瑞繼保的PCS9550直流輸電控制保護平臺在哈密—鄭州、酒泉—湖南、上海廟—山東等直流輸電工程中得到應(yīng)用，許繼的DPS—3000直流輸電控制保護平臺在宜賓—金華、晉北—南京、錫盟—泰州等直流輸電工程中得到應(yīng)用[11]。

我國的直流輸電控制保護技術(shù)經(jīng)歷了從技術(shù)引進、消化吸收、自主研發(fā)等階段的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)步入技術(shù)升級、更新?lián)Q代的階段。DPS—5000作為新一代的直流輸電控制保護平臺，采用緊湊化設(shè)計，具有體積更小、性能更優(yōu)、抗干擾能力更強、運行更穩(wěn)定的特點。

1 直流輸電控制保護設(shè)計原則

1.1 直流輸電工程拓撲結(jié)構(gòu)

我國的直流輸電工程以長距離直流輸電為主，長距離直流輸電按電壓等級可分為高壓直流輸電和特高壓直流輸電，高壓直流輸電工程和特高壓直流輸電工程拓撲結(jié)構(gòu)類似，特高壓直流輸電工程每個極多串聯(lián)一個12脈動換流器。特高壓直流輸電工程典型拓撲如圖1所示。

圖1 特高壓直流輸電工程典型拓撲

1.2 直流輸電控制保護系統(tǒng)設(shè)計原則

根據(jù)長期工程設(shè)計經(jīng)驗[12]，總結(jié)出直流輸電工程控制保護系統(tǒng)設(shè)計原則為：

1）直流控制保護系統(tǒng)應(yīng)采用標準的通信規(guī)約和開放的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，換流站其他輔助系統(tǒng)能方便接入直流控制保護系統(tǒng)。

2）直流控制保護系統(tǒng)應(yīng)獨立配置，控制和保護系統(tǒng)的采集回路應(yīng)相互獨立?？刂票Ｗo系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，應(yīng)當(dāng)將任一元件故障造成的影響范圍降至最小。

3）直流控制、交/直流站控系統(tǒng)按雙重化冗余結(jié)構(gòu)配置，即從數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)傳輸再到控制系統(tǒng)出口均要按完全雙重化原則配置。運行人員控制系統(tǒng)中的服務(wù)器、站局域網(wǎng)（local area network, LAN）等按雙重化冗余結(jié)構(gòu)配置，其余設(shè)備要考慮足夠的串行冗余度，并確保任何單一設(shè)備故障不影響直流系統(tǒng)的正常運行。

4）換流站設(shè)置有運行人員控制室。兩端系統(tǒng)一般采用“一個站合并運維、一個站調(diào)度運行”模式，全站監(jiān)控系統(tǒng)信息處理能力和容量應(yīng)滿足合并運行的要求。

5）換流站遠動信息應(yīng)直送國調(diào)（總調(diào)）中心、備調(diào)、網(wǎng)調(diào)、省調(diào)。遠動信息傳輸采用雙平面數(shù)據(jù)網(wǎng)接入方式。

6）直流保護系統(tǒng)按三重化原則冗余配置，采用“三取二”跳閘邏輯，以保證直流系統(tǒng)保護的可靠性，確保不拒動不誤動。交流濾波器保護一般采用雙重化冗余配置，采用“啟動+動作”的跳閘邏輯。

7）直流系統(tǒng)的保護應(yīng)確保每一裝置或保護區(qū)域在任何運行方式下都能被正確地保護，任何單一元件的故障不應(yīng)導(dǎo)致保護的誤動。任何冗余的直流保護都應(yīng)采取相應(yīng)的防誤動措施，但防誤動措施不能依賴雙重化保護的切換實現(xiàn)。保護每一重的測量回路、電源回路、出口跳閘回路及通信接口回路均按完全獨立的原則設(shè)計。

8）換流站通過網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)測裝置采集換流站監(jiān)控層的服務(wù)器、工作站、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和安防設(shè)備自身感知的安全數(shù)據(jù)及網(wǎng)絡(luò)安全事件，實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)安全事件的本地監(jiān)視和管理[13]。

2 DPS—5000控制保護主機

基于直流輸電控制保護設(shè)計原則，結(jié)合十余年直流輸電控制保護系統(tǒng)開發(fā)經(jīng)驗，研制了DPS—5000緊湊型控制保護主機，相較于上一代的DPS—3000直流輸電控制保護主機，對處理器性能、總線及背板性能、標準接口設(shè)計和遠程維護等進行了升級。

2.1 緊湊型控制保護主機

基于直流輸電控制保護系統(tǒng)的需求，研制了標準4U的主機，以緊湊型極保護主機為例，機箱配置如圖2所示。

圖2 緊湊型極保護主機

相較于DPS—3000控制保護主機，DPS—5000控制保護主機在主機尺寸、背板總線性能、主處理器板卡、信號處理器板卡、高速控制總線等方面的性能有了顯著提升，具體對比見表1。

表1 DPS—5000主機與DPS—3000主機主要性能對比表

除了以上方面的提升，DPS—5000系統(tǒng)在標準接口設(shè)計、遠程維護管理、系統(tǒng)構(gòu)架、鏈路延時等方面也進行了升級，更能滿足未來直流輸電控制保護系統(tǒng)尤其是柔性直流輸電控制保護系統(tǒng)的要求。

2.2 處理器和總線性能提升

DPS—5000控制保護主機主處理器板卡服務(wù)處理單元（service processing unit, SPU）采用多核設(shè)計，處理器性能的提升減少了機箱中處理器的數(shù)量，進一步降低了功耗，控制保護主機采用無風(fēng)扇設(shè)計，提高系統(tǒng)可靠性的同時也節(jié)約了屏柜空間。

千兆級多節(jié)點串聯(lián)高速時分復(fù)用技術(shù)（timedivision multiplexing, TDM）總線設(shè)計[12]，支持多節(jié)點間超高速同步數(shù)據(jù)傳送，千兆級點對點超高速控制總線設(shè)計，實現(xiàn)裝置間超高速通信。

研制超過1Gbit/s的高速背板總線，block數(shù)據(jù)傳輸及阻塞特性均有大幅度提升。

2.3 全面的標準接口設(shè)計

DPS—5000控制保護主機同時具備以太網(wǎng)、PROFIBUS、控制器域網(wǎng)（controller area network,CAN）、TDM、高速控制總線集成閃存控制器（integrated flash controller, IFC）、IEC—60044標準接口及高速串行高級技術(shù)附件（serial advanced technology attachment, SATA）硬盤接口等。通過這些接口，控制保護系統(tǒng)配置更加靈活，總體結(jié)構(gòu)和信息通道更加優(yōu)化，也能滿足與換流站其他設(shè)備通信的接口需求。

2.4 遠程維護管理升級

DPS—5000控制保護主機在工程師工作站上實現(xiàn)對控制保護軟件邏輯、保護定值、內(nèi)部參數(shù)的查看、核對等工作，也可以通過專用的保護定值整定工具遠程對保護定值、內(nèi)部參數(shù)等進行整定、導(dǎo)出工作，提高了控制保護主機的維護性，降低了運維成本。

在運行人員工作站上可以實現(xiàn)對交流開關(guān)場、直流開關(guān)場、換流站控制樓和閥廳、就地繼電器室、通信系統(tǒng)、直流線路、換流站站用電源系統(tǒng)和其他輔助系統(tǒng)等處的監(jiān)控，以及同時具備與遠方調(diào)度中心和其他監(jiān)視點的通信接口。

3 DPS—5000控制保護系統(tǒng)設(shè)計方案

3.1 DPS—5000控制保護系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

DPS—5000控制保護系統(tǒng)采用分層式結(jié)構(gòu)設(shè)計，根據(jù)控制級別和功能分為運行人員控制層、控制保護層、現(xiàn)場層三個層次，如圖3所示。

圖3 緊湊型控制保護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

運行人員控制層由運行人員控制系統(tǒng)、站長工作站和全球定位系統(tǒng)（global positioning system,GPS）對時等設(shè)備組成。其中運行人員控制系統(tǒng)是運行人員控制層的核心設(shè)備，由運行人員工作站、工程師工作站、輔助系統(tǒng)工作站等構(gòu)成。

控制保護層由極控及測量、閥控及測量（特高壓直流）、交直流站控、站用電控制、極保護及測量、閥組保護及測量（特高壓直流）等設(shè)備組成。DPS—5000的控制保護層不單獨設(shè)置測量接口屏柜，測量接口裝置和控制保護主機合并組屏。

現(xiàn)場層設(shè)備主要由分布式的I/O單元構(gòu)成，包括閥廳/換流變接口屏、直流場接口屏、交流濾波器場接口屏等，實現(xiàn)控制保護裝置與交直流系統(tǒng)一次設(shè)備和換流站輔助系統(tǒng)的接口，一次設(shè)備狀態(tài)和系統(tǒng)運行信息的采集處理和上傳等功能。

3.2 DPS—5000運行人員控制系統(tǒng)配置方案

運行人員控制系統(tǒng)采用Linux服務(wù)器和Windows工作站的跨平臺設(shè)計，性能穩(wěn)定、安全可靠、組態(tài)靈活、接口友好、操作維護方便。主要由運行人員工作站、工程師工作站、輔助系統(tǒng)工作站、遠動工作站等裝置構(gòu)成。

1）運行人員工作站。對交直流系統(tǒng)一、二次設(shè)備的運行數(shù)據(jù)進行采集和存儲，并為運行人員提供監(jiān)視和控制操作的界面。

2）工程師工作站。實現(xiàn)對全站的控制保護主機軟件程序版本管理、軟件邏輯的查看、核對，也可以通過專用的保護定值整定工具遠程對保護定值、內(nèi)部參數(shù)等進行整定、導(dǎo)出工作。

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3）輔助系統(tǒng)工作站。通過輔助系統(tǒng)工作站，站內(nèi)不同廠家的多種輔助系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)統(tǒng)一接入運行人員控制系統(tǒng)，包括火災(zāi)報警系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、電能計量系統(tǒng)和站用電源系統(tǒng)等，統(tǒng)一在運行人員工作站對其運行狀態(tài)進行監(jiān)視。

4）遠動工作站。遠動系統(tǒng)包括兩個部分，一部分通過遠動工作站連接到多個調(diào)度中心，使用104規(guī)約按照約定的點表向各個調(diào)度中心傳送數(shù)據(jù)，一部分通過告警圖形網(wǎng)關(guān)把站內(nèi)的告警信息和圖形頁面直接傳送到國調(diào)中心。遠動工作站采用直采直送原則，直接和控制保護主機連接并獲取數(shù)據(jù)，然后上送到各個調(diào)度中心，告警圖形網(wǎng)關(guān)連接到站服務(wù)器，向國調(diào)中心傳輸站內(nèi)經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)信息。它們與調(diào)度中心都通過雙平面數(shù)據(jù)網(wǎng)連接。

3.3 DPS—5000控制保護設(shè)備配置方案

直流輸電控制系統(tǒng)主要有極控制系統(tǒng)、換流器控制系統(tǒng)（特高壓直流）、交/直流站控系統(tǒng)、站用電控制系統(tǒng)，控制設(shè)備均采用雙重化冗余配置，通過高速冗余切換裝置實現(xiàn)兩套控制系統(tǒng)的主、從切換。

直流輸電直流保護系統(tǒng)主要有極保護系統(tǒng)、換流器保護系統(tǒng)（特高壓直流），均采用三重化冗余配置，通過三取二邏輯判斷后輸出動作信號，三取二裝置采用冗余配置，分別配置在保護A/B系統(tǒng)中。

DPS—5000控制保護主機采用緊湊化設(shè)計，測量接口裝置和控制保護主機合并組屏，例如極保護主機和極保護測量接口裝置都放置在極保護屏柜中，一個特高壓直流輸電工程，可以節(jié)省36面測量接口屏柜，同時測量接口裝置的IO板卡集成有繼電器，可大幅減少屏柜內(nèi)繼電器數(shù)量，使屏柜設(shè)計更加簡潔。

緊湊型控制保護系統(tǒng)采用全光纖設(shè)計，控制主機、保護主機和三取二裝置通過光纖通信。以閥控和換流器保護系統(tǒng)為例，全光纖式緊湊型控制保護設(shè)計方案如圖4所示。

圖4 全光纖式緊湊型控制保護設(shè)計方案

3.4 DPS—5000控制保護功能配置

以特高壓直流工程為例，對直流控制系統(tǒng)的功能配置進行介紹。

1）極控系統(tǒng)主要功能。完成通信處理、電流定值計算和配合、閥組平衡控制、極功率、電流限制、極功率轉(zhuǎn)移、低電壓限流、電流裕額補償、穩(wěn)定控制等功能。

2）閥組控制系統(tǒng)主要功能。完成通信處理、閥組起停、解閉鎖時序、分接頭控制、電壓電流閉環(huán)控制（武漢站）、旁路開關(guān)、旁路隔離開關(guān)的控制、聯(lián)鎖等。

3）交流站控系統(tǒng)主要功能。完成通信處理、交流場開關(guān)控制與監(jiān)視及中開關(guān)聯(lián)鎖邏輯等。

4）直流站控系統(tǒng)主要功能。完成通信處理、無功功率控制、直流場控制與監(jiān)視、雙極層控制、穩(wěn)定控制等功能。

5）站用電控制系統(tǒng)主要功能。完成通信處理、站用電開關(guān)控制與監(jiān)視及備自投邏輯等功能。

以特高壓直流工程為例，直流保護系統(tǒng)包含的保護分區(qū)有換流變保護區(qū)、換流器保護區(qū)、極保護區(qū)和雙極保護區(qū)。直流保護分區(qū)如圖5所示。

換流變壓器區(qū)保護：繞組差動保護、引線差動保護、大差保護、小差保護、開關(guān)過電流保護、零序過電流保護、零序差動保護、過勵磁保護、飽和保護、網(wǎng)側(cè)過負荷保護、網(wǎng)側(cè)過電流保護、過電壓保護。

換流器區(qū)保護：換流器過電流保護、閥短路保護、換相失敗保護、換流器差動保護、換流變中性點偏移保護、換流器旁通對過負荷保護、換流器旁通開關(guān)保護、換流器直流過電壓保護、換流器諧波保護。

圖5 直流保護分區(qū)

極區(qū)保護：直流諧波保護、極母線差動保護、中性母線差動保護、極差保護、接地極線開路保護、交直流碰線監(jiān)視、線路行波保護、線路突變量保護、線路低電壓保護、直流線路縱差保護、直流過電壓保護、直流低電壓保護、中性母線開關(guān)（neutral bus switch, NBS）保護、直流濾波器差動保護、直流濾波器電容器不平衡保護、直流濾波器電阻/電抗過負荷保護、直流濾波器失諧監(jiān)視、直流濾波器高壓電容器接地保護、高低端閥組連線差動保護、中性母線沖擊電容器過電流保護。

雙極區(qū)保護：雙極中性母線差動保護、金屬回線接地保護、金屬回線縱差保護、金屬回線橫差保護、站接地過電流保護、后備站接地過電流保護、中性母線接地開關(guān)（neural bus grounding switch,NBGS）/大地回線轉(zhuǎn)換開關(guān)（ground return transfer switch, GRTS）/金屬回線轉(zhuǎn)換開關(guān)（metallic return transfer breaker, MRTB）開關(guān)保護、接地極線差動保護、接地極線過負荷保護、接地極線不平衡保護。

4 實時數(shù)字仿真試驗

4.1 仿真試驗系統(tǒng)

實時數(shù)字仿真（real-time digital simulator, RTDS）試驗系統(tǒng)與實際工程總體結(jié)構(gòu)保持一致，同樣采用分層分布式結(jié)構(gòu)，根據(jù)功能劃分和控制級別分為運行人員控制層、控制保護層、現(xiàn)場層等三個層次，現(xiàn)場層通過光接口板、閥基電子設(shè)備（valve base electronics, VBE）接口盒等接入RTDS模型，控制保護主機采用緊湊化設(shè)計，控制保護主機與測量裝置共用機箱，緊湊型控制保護仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。

圖6 緊湊型控制保護仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

RTDS模型將電流、電壓等模擬量信號及開關(guān)位置等開關(guān)量信號通過光接口板輸出到HSMD裝置，HSMD裝置將這些信號進行分類處理并轉(zhuǎn)換成IEC 60044—8協(xié)議輸出到各控制保護主機對應(yīng)的測量接口裝置，測量接口裝置通過TDM協(xié)議將信號送到控制保護主機。DCSIM裝置用于模擬交直流場的開關(guān)狀態(tài)及換流變分接頭檔位，DCSIM通過現(xiàn)場總線（PROFIBUS）與控制系統(tǒng)交互開關(guān)狀態(tài)等信息，控制保護主機通過硬接線將開關(guān)動作等信號送到DCSIM，DCSIM通過光纖將開關(guān)狀態(tài)等信息送到RTDS模型，閥控通過電纜直接將觸發(fā)脈沖送到RTDS模型，控制保護系統(tǒng)與RTDS模型構(gòu)成一個閉環(huán)系統(tǒng)，共同構(gòu)成了緊湊化的直流輸電控制保護仿真系統(tǒng)。

參照某特高壓直流輸電工程典型參數(shù)搭建RTDS模型，通過RTDS搭建的仿真試驗?zāi)Ｐ桶ń涣飨到y(tǒng)等值系統(tǒng)、換流變壓器、交流濾波器、直流濾波器、雙12脈動換流閥、平波電抗器、直流線路、接地電抗、電阻等元件。仿真模型搭建的主回路拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)主要參數(shù)見表2。

表2 特高壓直流輸電系統(tǒng)主要參數(shù)

4.2 試驗驗證

在搭建的仿真系統(tǒng)上共進行了300余項控制保護功能試驗，試驗結(jié)果表明基于DPS—5000平臺的緊湊化直流輸電控制保護系統(tǒng)的各項功能完全滿足工程應(yīng)用，部分主要性能指標見表3。

表3 控制保護系統(tǒng)主要性能參數(shù)

圖7為系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行的仿真試驗波形，受篇幅限制，其余仿真實驗結(jié)果不再列舉。

圖7 特高壓直流輸電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行波形

如圖7所示，圖中橫坐標為仿真時間，縱坐標為各物理量的一次值。其中，Uac_A、Uac_B、Uac_C為網(wǎng)側(cè)三相電壓，Iac_A、Iac_B、Iac_C為網(wǎng)側(cè)三相電流，P為直流功率，α為觸發(fā)角，UdL為直流電壓，IdCH為直流電流。

5 結(jié)論

本文介紹了我國直流輸電控制保護系統(tǒng)的發(fā)展歷程、國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀?；陂L期直流輸電控制保護系統(tǒng)工程設(shè)計經(jīng)驗，提出了直流輸電控制保護系統(tǒng)的設(shè)計原則，結(jié)合設(shè)計原則，研制了適用于直流輸電系統(tǒng)的DPS—5000緊湊型控制保護主機，主機具有體積更小、性能更優(yōu)、運行更穩(wěn)定的特點，基于DPS—5000平臺的軟硬件特點，提出了直流輸電緊湊型控制保護系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，最后搭建了緊湊型控制保護系統(tǒng)仿真試驗平臺，完成了300余項控制保護功能試驗，驗證了緊湊型控制保護設(shè)計方案的正確性，為緊湊型直流輸電控制保護系統(tǒng)工程應(yīng)用提供了重要參考。