直流控制保護系統配置探析

李玉璽

(云南送變電工程公司,昆明 650216)

直流控制保護系統配置探析

李玉璽

(云南送變電工程公司,昆明 650216)

對換流站工程直流控制保護系統進行探討和分析,清晰的展示了雙回直流控制保護系統的配置及功能。

同塔雙回;直流控制保護系統;控制網絡

1 前言

隨著我國遠距離大容量輸電技術的發展,規劃建設的直流輸電項目越來越多,送電走廊和接地極選址問題日益突出,采用同塔雙回直流送電方案,對于實現資源優化配置,提高輸電走廊的利用率具有重要的意義。

溪洛渡雙回直流輸電工程起點云南昭通鹽津,落點廣東從化,采用雙回±500 kV直流同塔雙回架設輸電方式,額定輸電容量6400 MW,額定直流電流3200 A,直流線路長度約1254km。該工程規模巨大,設備種類繁多,運行組合方式多,是我國第一個送、受兩端換流站雙回直流場同址建設,直流線路同塔建設,接地極共用的直流輸電工程,控制保護系統還需要雙回協調統一控制。作為本工程的 “大腦”,直流控制保護系統的配置及功能相對于交流控制保護系統及常規單回直流輸電工程更為完善和強大。

2 分層結構系統配置及功能

工程全站直流控制保護系統統一按雙重化配置,采用分層結構,由雙回控制層、每回直流的站控制層 (雙極控制層)、極控制保護層、閥組控制層組成,分層結構如圖1所示。

圖1 雙回直流控制保護系統分層結構圖

其中,系統層設備包含交流測控屏,交流濾波測控屏,站用電控制主機柜;雙回層設備包括雙回協調控制屏。回層設備包括站控屏,極控制保護層設備包含極控制柜。

各層功能分析：回層執行單回直流系統與雙極控制相關的控制功能,如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,后備雙功率協調控制,后備功率調制控制,后備無功控制,與其他系統接口及與運行人員交互等。極控制層是直流輸電系統的核心,它控制著交直流功率轉換、直流功率輸送的全部過程。具體包括了直流輸電系統的啟停控制,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進行監視,對直流場設備進行操作等。閥組控制層完成對12脈動換流閥組的高速閉環控制功能,主要包括直流電流控制,直流電壓控制,熄弧角控制、閥觸發控制,換流閥解閉鎖控制,閥廳開關及閥廳聯鎖控制等。

由于本工程雙回直流同址合建,根據其要求既能夠獨立運行,又能夠同步運行的特點,對控制保護系統提出了新的要求,在常規±500 kV直流系統分層結構的基礎上增加了雙回直流協調控制功能,該協調控制功能在雙回層中得以實現。主要包含的協調控制功能有雙回功率協調控制,安穩調制控制,無功控制以及與其他系統接口和運行人員交互等。這是與常規單回直流控制保護系統的最大區別之處。

3 控制網絡系統配置及功能探析

控制網絡系統就好比直流輸電系統的神經系統,以交換機和連接網線為介質,實現控制保護設備之間的數據交換。

昭通換流站現場總線：控制保護層和就地測控層通過現場總線連接。依靠現場總線,就地測控層設備將采集到的電流、電壓、斷路器及隔離開關位置等信號向控制保護層傳送,控制保護層設備將控制信息傳遞給就地測控層。在工程中,配置了CAN總線,現場控制總線以及IEC60044-8總線。其中CAN總線包括站CAN及現場CAN總線,現場CAN總線主要完成主機與分布式I/O之間的總線通信,實現控制核心與現場采集及執行裝置之間的通信。站CAN則負責完成主機之間的總線通信,通過它,將各主機 (指雙回協調控制柜、各回直流站控柜、各極控制柜)的相關CPU連接起來,以傳遞控制命令及狀態信息。兩層CAN網相互獨立且均采用冗余配置。現場控制總線即為實時控制LAN網,工程通過光纖實時LAN網將控制保護系統主機連接起來,實現控制層設備的實時通信。以上總線傳遞的信息為控制命令及狀態信息,不包含模擬量信息。模擬量信息則通過單向的IEC60044-8總線由就地測控層傳遞到控制保護設備中。

昭通換流站站內局域網系統：局域網系統是全站運行人員控制系統與全站控制保護系統的連接樞紐。在本工程中,局域網包括了站SCADA LAN,就地控制LAN,保護及故障錄波LAN,以及培訓LAN、遠動LAN等。運行人員控制層工作站接入到SCADA LAN網,控制層設備接入控制LAN網,在主控樓設備間和各個繼電小室配置分布式就地控制系統,本室內的控制保護系統通過獨立的網絡接口接入就地控制LAN網,與控制層設備進行通信。

通過以上分析,可以看出,在直流控制系統中,通過信息網絡,控制保護設備由低層向高層傳遞數據信息,由高層向低層傳遞控制信息。層次越低,所配備的總線網絡實時性越強。

4 直流控制系統探析

直流控制系統除了實現各種運行方式的基本控制模式外,還包括各種基本的控制器和限制器等。直流控制系統能將直流功率、直流電流、直流電壓及換流器點火角等被控信號保持在直流一次回路設備穩態極限之內,還能將暫態過電流及過電壓都限制在設備極限范圍內,并保證交流或直流系統故障后,在規定的響應時間內平穩地恢復送電。

控制策略探析：對每個獨立雙極而言,工程每一回的直流控制策略與常規直流是一致的,即基本控制策略仍是電流裕度控制。工程整流站采用定電流控制,逆變站采用定電壓控制。整流側定電流控制通過電流控制器調節觸發角來控制每極的直流電流;逆變側定電壓控制通過電壓控制器調節觸發角來控制整流側電壓為額定電壓,逆變側分接頭控制使熄弧角在設定的范圍之內或保證Udio在設定值;逆變側定熄弧角控制通過熄弧角控制器控制逆變側的熄弧角在最小熄弧角值,逆變側的分接頭控制使整流側的直流電壓為額定值。

直流控制系統能適應工程的各種基本運行接線方式,包括直流孤島運行方式。直流控制系統應提供必要的系統特性以及相關的運行人員界面,實現適應各種運行方式的控制模式,包含雙回直流系統協調控制、雙極功率控制、獨立極功率控制、同步極電流控制、應急極電流控制、直流降壓運行控制、極線路開路試驗控制。

工程在常規單回控制系統的基礎上增加了雙回協調控制系統,其實現的三個功能其實在站控系統中均作為后備功能存在。即使雙回協調控制系統全部失去,兩回直流仍能夠正常工作。雙回協調控制層失去后,主導直流站控系統中的后備雙回協調控制功能起作用,承擔雙回控制功能。因此,由于功能的冗余配置,使得雙回直流控制保護系統更加的可靠。

5 直流保護系統探析

直流保護系統的配置保證高壓直流系統所有設備在各種工況下均受到全面的保護而免受過應力,并對系統及其它設備造成的擾動最小。針對閥短路、相間短路、接地短路、直流短路、直流開路、換相失敗等故障和過壓、過載,以及電容器損壞、轉換開關無法斷弧等器件損壞進行配置。

直流保護系統按保護區域分區配置,各個保護區與相鄰保護電路的保護區重迭,不存在保護死區。具體到每一回包含換流器保護區、直流極母線保護區、極中性母線保護區、直流線路保護區、雙極保護區、直流接地極線路保護區、直流濾波器保護區、換流變壓器保護區、交流濾波器保護區等不同的保護區,如圖2。

圖2 直流保護系統按保護區域分區配置圖

高壓直流保護系統與控制系統相互獨立,不共用主機。每一個設備或保護區的保護采用雙重化冗余配置,每重保護盡量采用不同原理、測量器件、通道及電源的配置原則,其保護電路在物理上和電氣上都應分開,使得一套保護在檢修時,不影響其他各套保護正確動作且不失去靈敏度。為了防止單一元件損壞造成保護誤動,保護采用“保護啟動+動作”的出口方式。本工程直流保護系統按極獨立設置,每極的直流保護應是完全獨立的。

換流變壓器、500 kV交流濾波器、500 kV線路、500 kV母線、500 kV站用變等設備的保護均按雙重化配置。任意一套保護動作時,立即起動相應的保護出口。所有雙重化保護均采用相互獨立的電源、CT及PT、保護出口、以及斷路器跳閘線圈等。

本工程采用改進的完全雙重化配置的保護系統。其特點為測量故障時僅閉鎖相關保護原理,當一套保護由于某種原因退出時,另一套保護變為 “或”門出口。兩個單元只要任意一個單元檢測到故障,就可動作,可靠性非常高。完全雙重化切換的具體實現：任意單元檢測到測量故障,閉鎖相關保護原理,其余保護原理仍能正常的起作用。當雙極運行時,如果發生雙極區測量故障時,僅閉鎖保護原理,不閉鎖整套保護,因此能可靠避免雙極閉鎖。

6 結束語

從以上幾個方面的分析中可以看出,溪洛渡送廣東同塔雙回直流輸電工程控制保護系統與常規單回直流輸電工程的顯著區別是在回層之上增加了一個雙回協調控制層,使得控制系統功能更加完善。基于南瑞繼保PCS9550系統的雙回控制系統控制分層清晰,功能明確,保護系統采用完全雙重化配置,采用多種形式的總線及局域網構建的強大控制網絡滿足了整個換流站工程的運行。

[1] 南京南瑞繼保,南網科研院.溪洛渡右岸電站送電廣東± 500kV同塔雙回直流輸電工程直流控制保護系統總體方案[Z].

[2] 張愛玲.溪洛渡送電廣東同塔雙回直流輸電工程控制保護系統策略研究 [J].電力系統保護與控制,2011,39 (9).

[3] 王瑤.特高壓直流輸電控制與保護技術的研究 [J].電力系統保護與控制,2009,37(15)

Discussion on DC Control Protection System Configuration and Function

LI Yuxi
(Yunnan Electric Power Transmission&Transformation Corporation,Kunming 650216)

HVDC control protection system is the“brain”of the DC transmission system,It controls the AC and DC power conversion and whole process of DC power transmission,and protects all of the equipments in converter station and the DC transmission line to avoid damage by the electrical fault.In this paper,The author discussed and analyzed the control protection system of Xiluodu Right station-guandong double line DC transmission project Zhaotong Station,clearly showed the double line DC control protection system configuration and function.

double line;DC control protection system;control network

TM72

B

1006-7345(2014)03-0064-03

2014-03-07

李玉璽 (1982),男,工程師,云南省送變電工程公司,從事變電站及換流站工程技術和管理工作 (e-mail)88127584@qq.com。