淺析直流輸電控制保護系統

劉谞

摘 要：直流輸電的穩定性對于電力方面至關重要，文章從直流輸電的組成結構及其換流技術出發，結合直流輸電的控制保護層級進行分析，根據常見的故障提出直流輸電的保護措施。

關鍵詞：電力系統；直流輸出；保護層面；控制保護

1 直流輸電概況

1.1 直流輸電系統概念

直流輸電系統由直流線路、逆變站、整流站、交流側電力濾波器、直流側電力濾波器、換流變壓器、無功補償裝置、直流電抗器以及保護、控制裝置等構成，通常是兩端直流輸電系統，其中整流站和逆變站屬于換流站，通過整流站和逆變站能夠實現交流電力和直流電力的轉換，換流站是直流輸電系統比較重要的組成部分。首先由交流系統的送電端將交流功率通過換流變壓器送到整流器，完成交流功率到直流功率的轉化，然后將直流功率通過線路傳輸到逆變器，逆變器又會將直流功率轉化為交流功率，最終傳輸到交流電力系統的受電端[1]。

1.2 換流站的換流技術

整流站和逆變站都屬于換流站，他們的核心元件都是換流器，通常由一個或者是多個基本換流單元組成的，多采取串聯模式，其中電路一般應用三相換流橋，較為常用的材料為可控硅閥，即常說的晶閘閥。當換流器進行工作的時候，控制橋閥能夠觸發控制調節裝置，改變了觸發相位，從而達到直流輸送功率、流經電阻的直流電流、直流電壓的瞬時值等的調整。與此同時，同樣的觸發脈沖能夠控制所有橋閥的每一個可控硅元件，在三相電源的波為對稱正弦波的時候，線電壓從負到正，經過零點時脈沖會觸發橋閥，使得閥兩端的電壓均變為正電壓，完成閥開通的動作。六個脈沖發生器能夠各自獨立的完成對位于單橋換流器中六個橋閥的觸發，使得交流正弦波剛好能夠經過第一個周期，在線電壓行進到下一個零點的時候，交流弦電源開始觸發第二個周期，但是在工程上所應用的多為十二脈的雙橋換流器，因為十二脈雙橋換流器能夠產生更小脈波的直流輸電電壓。

2 直流輸電控制保護層

直流輸電系統的控制根據層級的不同可以分為三個層面，即現場控制層、過程控制層、運行人員控制層。

2.1 現場控制層

現場控制層使得交直流主設備能夠在就地進行控制，通過硬線將交直流主設備與較近距離的設備接口進行連接，通過現場總線將交直流主設備與較遠距離的設備接口進行連接。通過分布式的I/O控制單元實現現場控制，包括高壓裝置的聯鎖、輸出控制命令、控制命令的監控、SER事件的產生、自診斷、二進制模擬量的預處理等功能。通過現場控制層面能夠實現控制系統的分層式、分布式，來自調度中心的控制命令經由高速LAN和現場總線進行傳達，監控系統的實時數據在逐層反饋，保證主系統、從系統的循環數據傳輸過程[2]。

2.2 過程控制層

過程控制層包括交流/直流站控制系統和極控系統，是直流輸電控制系統的核心組成。交流/直流站控制系統的任務是順序控制交流場和換流站直流系統，為了避免系統故障和系統維護導致的直流輸電系統不可用，所以直流/交流站控制多采用冗余結構，因其具有雙重化配置，能夠包含各個層面的系統。極控系統在運行人員下達命令后，發出穩定、有效、正確的功率定值，執行與雙極、換流器相關的所有功能，為閥和換流器提供全部控制功能。而極控系統包括三方面，即換流器控制（也稱閥控系統）、極控制、雙極控制，其中雙極控制能夠實現與雙極運行相關的所有控制功能，在接收到運行人員的命令以后，通過給極控制層傳送相應的電流、極功率參考值，實現兩極之間的功能協調，包括電流平衡控制、功率傳輸方向控制、穩定控制、極間電流轉移、運行人員功率參考值設定等功能[3]。

極控制能夠實現與極相關的功能空中，接收的命令來自于雙極控制層，然后產生換流器閉環控制的直流電壓、電流、熄弧角控制參考值，最后完成極電流協調、換流器協調、分接頭控制、極解鎖閉鎖、空載加壓、故障恢復等功能。閥控系統由漏水檢測、避雷檢測、光接收發射、電源及接口、反向恢復保護控制單元等硬件組成，包括觸發準備、負電壓檢測、反向恢復保護、關狀態四個階段。

2.3 運行人員控制層

運行人員控制層實現運行人員的控制，包括常見的基本功能：用戶管理、曲線顯示、保護信息處理、諧波監控、報表處理、圖形頁面顯示、自動功率控制、事件順序記錄、控制操作等。對于UHVDC系統來說，其啟停、狀態、運行、故障以及輔助操作也可通過運行人員層面實現。閥控工作站、運行人員工作站、遠動工作站均采用冗余配置實現雙工作站，兩個工作站相互配合，一個負責進行控制，另外一個負責刷新實時數據，在主設備出現故障后可自動將備用的切換為主狀態，同時完成調度的接口切換[4]。

3 直流輸電系統的常見故障及保護

3.1 常見故障

引起直流輸電故障的因素比較多，包括系統裝置的誤操作、換相的失敗、雷電和污染物引起的絕緣失效等諸多因素；常見的故障有電流中斷、換相失敗、觸發脈沖丟失、短路等。

3.2 直流輸電保護

3.2.1 換流器保護。換流器的保護方式比較多，如換流器的三角側短路保護、星型側短路保護，其動作結果為：將相應極緊急閉鎖，將相應換流變壓器的進線開關斷開，高速中性母線開關斷開，閉鎖觸發脈沖。交流過程保護，用于長時間超負荷故障的控制，逆變器的短路備用保護，整流器的短路備用保護，在發生短路、交流系統故障、通信問題時候不會跳閘的情況，通過交流過程保護能夠緊急閉鎖相應的極并斷開換流變壓器的進線開關。另常見的也有直流差動保護、星型側橋差保護、三角側橋差保護等[5]。

3.2.2 直流母線保護。直流母線保護常見的有高壓直流母線差動保護、中性直流母線差動保護、直流過流保護等，通過這些保護能夠實現相應極的緊急閉鎖、換流變壓器進線開關的關閉、中性母線開關的關閉等，其中直流過流保護應用較為常見，其保護范圍能夠涵蓋整個極，能夠作為其他保護方式的備用保護手段。

3.2.3 接地極線路保護。接地極線路保護包括接地極電流不平衡保護、中性母線差動保護、接地極過流保護、過電壓保護、金屬接地故障保護等，其動作后果有將相應極閉鎖、發出報警信號、將運行極閉鎖等[6]。

3.2.4 直流線路保護。直流線路保護包括對開關的保護和對設備的保護兩種，其中設備保護方式有行波保護、低電壓保護、直流線路差動保護、交直流碰線保護、遠方站故障檢測等；開關的保護有高速中性母線開關保護、高速接地開關保護、金屬回線開關保護等。

4 結束語

通過文章對于直流輸電的組成結構及其換流技術的分析總結了幾個層面的直流輸電保護方式，包括常見的換流器保護、直流母線保護、接地極線路保護、直流線路保護等，旨在為相關從業人員提供參考意見。

參考文獻

[1]楊光亮，邰能靈，鄭曉冬，等.±800kV特高壓直流輸電控制保護系統分析[J].高電壓技術，2012（12）：3277-3283.

[2]李延龍，楊亞璞，李楠.高壓直流輸電控制保護系統的冗余可靠性研究[J].電力系統保護與控制，2009（16）：59-62.

[3]王徭.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（15）：53-58+64.

[4]張望，黃利軍，郝俊芳，等.高壓直流輸電控制保護系統的冗余設計[J].電力系統保護與控制，2009（13）：88-91.

[5]石巖，韓偉，張民，等.特高壓直流輸電工程控制保護系統的初步方案[J].電網技術，2007（02）：11-15+21.

[6]梁旭明，吳巾克，冀肖彤.國家電網公司直流輸電工程控制保護系統運行情況分析[J].電網技術，2005（23）：7-10+17.