±800 kV特高壓直流輸電控制保護系統(tǒng)研究

［摘 要］±800 kV 特高壓直流輸電工程是世界上電壓等級最高、輸送容量最大的直流輸電工程，其控制保護系統(tǒng)與常規(guī)直流輸電工程相比，具有功能復雜、通訊量大、站控設備多等特點，使其在控制保護系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)上面臨更多挑戰(zhàn)。文章介紹了±800 kV 特高壓直流輸電控制保護系統(tǒng)構成，提出了特高壓直流保護配置原則及系統(tǒng)的控制保護功能，以保證特高壓直流輸電工程的安全、穩(wěn)定運行。

［關鍵詞］±800 kV 特高壓；直流輸電；控制；保護

［中圖分類號］TM721.1 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）05–0056–03

特高壓直流輸電工程作為一種新型的遠距離、大容量輸電方式，不僅具有輸電距離長、輸送容量大、輸送功率高等特點，而且還具有抗故障能力強、運行效率高等優(yōu)點。而在特高壓直流輸電工程中，換流閥是核心設備，控制保護系統(tǒng)的功能對整個特高壓直流輸電工程的安全、穩(wěn)定運行至關重要。隨著國家電網(wǎng)公司“走出去”戰(zhàn)略的實施，在特高壓直流輸電工程建設方面，國家電網(wǎng)公司與更多的國外先進公司進行合作，在國際上建立特高壓直流輸電工程。為了保證國內特高壓直流輸電工程的安全、穩(wěn)定運行，需要建立一套完善、可靠、先進的控制保護系統(tǒng)，以確保其功能的可靠性，使其滿足國際交流的要求。

1 ±800 kV特高壓直流輸電控制保護系統(tǒng)構成

控制保護系統(tǒng)是特高壓直流輸電系統(tǒng)中的重要組成部分，主要包括直流控制保護系統(tǒng)和換流閥控制保護系統(tǒng)。其中直流控制保護系統(tǒng)主要由運行操作控制臺、監(jiān)控程序、邏輯控制單元等組成，主要負責對直流設備進行控制、調節(jié)。換流閥控制保護系統(tǒng)主要由運行操作控制臺、閥驅動裝置、閥模塊及閥控中心等組成，主要負責對換流閥進行控制。同時，換流閥控制保護系統(tǒng)還包括輔助邏輯控制單元，該單元負責對閥控中心的各類指令進行邏輯判斷，并對直流設備狀態(tài)進行監(jiān)控。

2 特高壓直流保護配置原則

2.1 設計原則

根據(jù)±800 kV 特高壓直流輸電系統(tǒng)設計、運行特點，特高壓直流保護配置應考慮以下幾個方面的要求：①考慮交流側故障對直流系統(tǒng)的影響，且直流保護與交流保護之間應相互配合，保證直流系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行；②為滿足輸電線路故障后系統(tǒng)恢復的需要，應考慮采用換相失敗檢測閉鎖換流閥、提高換流閥的直流電流限值等措施；③根據(jù)特高壓直流輸電系統(tǒng)故障時交流系統(tǒng)運行方式和故障特性，以及換相失敗檢測閉鎖換流閥的方法，合理配置保護；④為保證換流閥控制策略正確執(zhí)行，應根據(jù)換流閥故障類型及其對交流系統(tǒng)運行的影響，合理配置相應的保護；⑤為滿足交流側故障時對換流閥控制策略執(zhí)行的要求，應考慮交流側故障時換流器非全相運行情況下?lián)Q流閥閥側電流幅值、頻率及相位等參數(shù)的變化規(guī)律，合理配置相應的保護；⑥為滿足交、直流換流站自身安全穩(wěn)定運行需要，應考慮直流系統(tǒng)內部故障。

2.2 三重保護原則

為保證特高壓直流輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，在特高壓直流系統(tǒng)中應用三重保護原則，即故障檢測、故障處理及故障閉鎖，其中故障處理和故障閉鎖均為實時動作。在特高壓直流系統(tǒng)中，常規(guī)換流閥換流器、閥塔及閥組都配置有電流閉鎖保護，能夠及時檢測到線路發(fā)生的永久性單相接地故障，并切斷直流系統(tǒng)的閉鎖回路，保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。但當直流系統(tǒng)發(fā)生永久性單相接地故障時，這些保護無法及時動作。另外，在交流系統(tǒng)中，交流側發(fā)生永久性單相接地故障時，交流側保護和交流斷路器可以迅速動作斷開直流系統(tǒng)的線路兩端。而在特高壓直流系統(tǒng)中，由于交流線路對直流系統(tǒng)的影響較小，交流斷路器無法及時動作斷開直流線路兩端。三重保護原則具體是指，在第一重保護中，故障檢測裝置實時檢測出故障并通過通信網(wǎng)絡上報給后臺監(jiān)控設備；在第二重保護中，故障處理裝置實時檢測到故障并判斷出故障類型；在第三重保護中，故障閉鎖裝置實時檢測到故障類型并在第一、二重保護動作后迅速切除異常設備。三重保護原則的應用能夠保證直流系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，同時也能提高特高壓直流輸電系統(tǒng)的可靠性。

3 ±800 kV特高壓直流輸電控制保護系統(tǒng)的功能

3.1 換流器保護

換流器保護是直流輸電控制系統(tǒng)中最重要的保護之一，主要包括換流器過流保護、換相失敗保護、極控保護及其他輔助保護。換相失敗保護是直流輸電控制系統(tǒng)中最重要的保護之一，其動作的可靠性直接影響到整個直流輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。換流器過流保護主要包括直流電流過零檢測和觸發(fā)角過零檢測兩種方式。在直流電流過零檢測方面，以門限為基準進行比較。在觸發(fā)角過零檢方面，采用相角和周波差判斷。換流器的極控保護主要包括極控快速閉鎖、極控重復閉鎖及極控延時閉鎖。在極控重復閉鎖方面，采用單極閉鎖和雙極閉鎖兩種方式。極控延時閉鎖是指在發(fā)生故障時，將系統(tǒng)運行狀態(tài)由正常方式切換到故障方式。直流線路故障和閥廳故障的繼電保護是直流輸電控制系統(tǒng)中最重要的保護之一，其決定了直流輸電控制系統(tǒng)能否快速切除故障和恢復運行。當發(fā)生直流線路故障時，直流系統(tǒng)會向換流站發(fā)出控制命令，通過閥廳切換將直流系統(tǒng)切換到正常方式運行。當發(fā)生閥廳故障時，則需要通過斷路器動作切除換流器，或者通過快速換相閥組功能來切除故障。

3.2 直流母線保護

直流輸電系統(tǒng)一般分為交流和直流兩部分，交流部分的電壓等級一般為220 kV、500 kV、1 000 kV，直流部分的電壓等級一般為±800 kV。直流系統(tǒng)正常運行時，在逆變側運行，主要有2個換流裝置控制直流電壓，調節(jié)系統(tǒng)功率輸出。直流系統(tǒng)故障時，在換流閥控制系統(tǒng)的控制下，該換流裝置將調節(jié)系統(tǒng)功率輸出降低到0，以避免直流斷路器跳閘。為了避免直流線路出現(xiàn)過負荷及系統(tǒng)振蕩，通常在直流輸電線路兩端配置相應的保護裝置。直流母線保護是指在±800 kV 特高壓直流輸電系統(tǒng)發(fā)生故障時，其能動作于斷路器跳閘，并控制保護裝置投入相應的斷路器跳閘元件來切除故障。直流母線保護主要是采用距離保護、差動保護、電流速斷保護及相電流差動保護等。對于±800 kV 特高壓直流輸電工程來說，一般采用差動保護來實現(xiàn)對線路故障的切除。當線路發(fā)生故障時，其能夠快速切除故障，避免設備的損壞。電流速斷保護是以線路兩端的電流為依據(jù)來動作的一種保護方式。相電流差動保護能夠快速切除線路中存在的故障，并且不會受到干擾信號的影響。此外，相電流差動保護會將故障所產生的序分量和零分量一起動作于斷路器跳閘，以達到快速切除故障的目的。

3.3 接地極線路保護

接地極線路保護由一系列保護構成，主要有距離保護、差動保護、接地電阻測量保護等。接地極線路的距離保護和差動保護是對接地極線路故障進行定位和切除的主要依據(jù)。對于直流輸電系統(tǒng)而言，其控制保護系統(tǒng)一般以全站就地控制為基礎，因此接地極線路保護一般采用距離保護。但是對于±800 kV 特高壓直流輸電工程而言，其控制保護系統(tǒng)是基于分層分布式控制的設計方案，因此接地極線路的距離保護和差動保護一般采用分層分布式控制的設計方案，同時直流輸電系統(tǒng)在故障狀態(tài)下的暫態(tài)過程是非線性過程，因此接地極線路距離保護和差動保護需要能夠適應這一非線性過程，并具有較強的抗過渡電阻能力。但是由于特高壓直流輸電工程中接地極線路一般都在地下敷設，其沿線長達幾千米甚至更長，因此距離保護和差動保護只能在地面布置，并需要在地面布置相應的距離測量裝置。這些測量裝置一般由測量電纜、信號電纜及光纖組成，對地電阻可由實測電阻求得，同時為了避免與其他高壓電力設備的干擾，通常采用光纖作為通訊介質，這種設計方案既能夠滿足線路距離和差動保護的要求，同時也能夠保證接地極線路具有較強的抗過渡電阻能力。

3.4 閥連接母線保護

閥連接母線保護主要由主保護、后備保護、斷路器失靈保護、電流速斷保護組成。主保護采用的是傳統(tǒng)的三段式差動保護。閥連接母線的故障包括直流系統(tǒng)接地故障、直流系統(tǒng)交流故障、交流系統(tǒng)單相接地故障、直流系統(tǒng)單相斷線故障。斷路器失靈保護是在直流輸電系統(tǒng)出現(xiàn)斷路器失靈時，由直流輸電系統(tǒng)控制中心發(fā)出動作命令，通過控制系統(tǒng)實現(xiàn)對斷路器的控制功能，進而實現(xiàn)對閥連接母線的故障進行切除。電流速斷保護是當直流輸電系統(tǒng)出現(xiàn)單相斷線故障時，電流速斷保護會動作切除斷線故障。當閥連接母線出現(xiàn)斷線故障時，如果能夠及時切除斷線故障，就可以避免對閥連接母線的嚴重沖擊。然而由于直流輸電系統(tǒng)的工作原理決定了直流輸電系統(tǒng)不會發(fā)生單相接地故障，因此閥連接母線的斷路器失靈保護會在直流輸電系統(tǒng)發(fā)生單相斷線故障時動作。

3.5 接地極引線雙端不平衡保護

接地極引線雙端不平衡保護是直流輸電系統(tǒng)的一種重要保護，其動作邏輯是在直流接地極故障時，接地極引線上發(fā)生接地故障時，直流系統(tǒng)向接地極引線兩側的電容放電，電容器兩端的電壓在瞬間增大到一定值。若接地極引線上某一相發(fā)生故障，則接地極引線上的電容電流發(fā)生突變，該故障相的故障點就是接地極引線上的故障點。當該故障點被接地極引線隔離后，電容電流恢復正常值。當接地極引線上存在2個故障時，則可能會發(fā)生2個故障相電容電流不平衡的情況，此時接地極引線上的電容電流將會突變?yōu)?。此時，將接地極引線兩側的電壓降至某一給定值，使接地極引線上發(fā)生的2個故障相電容電流均為0。

4 結束語

綜上所述，控制保護系統(tǒng)是直流輸電系統(tǒng)的核心，在整個直流輸電系統(tǒng)中具有重要的作用。控制保護系統(tǒng)應具有直流故障快速保護功能，能在極短時間內切除故障，以提高直流輸電系統(tǒng)運行的可靠性。此外，控制JG1+DGi6J5P7/lVEhu+jNQ6GmbFoWXNByVUgW84vhv8=保護系統(tǒng)應具有直流電流、直流電壓、逆變側無功功率及換流器功率等各類保護功能，控制保護系統(tǒng)應具備直流接地極故障隔離及接地極引線雙端不平衡保護等各類保護功能，以保證直流輸電運行的可靠性。

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