海上風電柔性直流送出緊湊型控制保護系統設計方案

田培濤，范雪峰，曹 森，郝俊芳，鄂士平，彭 松，吳慶范

（1.許繼電氣股份有限公司，河南 許昌461000；2.國網湖北省電力有限公司，湖北 武漢430077；3.珠海許繼電氣有限公司，廣東 珠海519060）

0 引言

近年來能源需求的不斷增長和環保壓力的持續增加給新能源的發展帶來了前所未有的機遇，尤其是海上風電。相比于陸上風電，海上風電具有較大優勢，海上風電是取之不盡的綠色低碳可再生能源，具有儲量大、風速高、主導風向穩定、風功率密度高等優勢［1-3］，非常適合大容量機組運行。而且海上風電不占用土地，靠近沿海經濟發達地區負荷中心，傳輸經濟性好，市場接受度高［4-9］。

根據《風電發展“十三五”規劃》［10］，“十三五”期間將積極穩妥推進海上風電建設，重點推動江蘇、浙江、福建、廣東等省的海上風電建設，到2020 年四省海上風電開工建設規模均達到百萬千瓦以上；積極推動天津、河北、上海、海南等省（市）的海上風電建設；探索性推進遼寧、山東、廣西等省（區）的海上風電項目。到2020年，全國海上風電開工建設規模達到1 000萬kW，力爭累計并網容量達到500萬kW以上［11］，詳見表1。

表1 2020年全國海上風電開發布局Table 1 National offshore wind power development layout in 2020

海上風電目前多采用交流送出方式實現并網，但存在傳輸距離短、傳輸容量小和需要增加無功補償設備等問題，柔性直流輸電具備獨立調節有功功率和無功功率的能力［12-14］，無需無功補償設備，傳輸距離長、損耗低，更適合于大規模遠海岸海上風電送出［15-21］。

柔性直流送出作為海上風電開發利用的有效技術手段，在歐洲特別是德國已經得到了廣泛應用，我國柔性直流輸電技術起步較晚，但發展較快，目前已投運的最大輸電規模柔性直流工程為±420 kV/1 250 MW渝鄂背靠背聯網工程，在建的烏東德特高壓混合多端直流工程柔直輸電規模已經達到±800 kV/5 000 MW，處于世界領先水平。海上風電采用柔性直流輸電送出具備一定技術基礎。

目前國內對海上風電柔性直流送出的研究集中在交流故障穿越、直流故障穿越［22-23］、無功補償策略［24-25］等方面的研究，對海上風電的柔性直流送出控制保護系統工程應用設計方案研究不多［26］，基于海上平臺造價高、空間小，設備維護成本高等特點［27-28］，本文提出了海上風電柔性直流送出緊湊型控制保護設計原則，研制了適用于海上風電特點的緊湊型控制保護主機。提出了緊湊型控制保護系統的總體方案。構建了緊湊型控制保護系統RTDS 仿真平臺，試驗結果驗證了緊湊型控制保護設計方案的正確性，為海上風電柔性直流送出工程應用提供了重要參考。

1 海上風電緊湊型控制保護設計原則

1.1 海上風電柔性直流送出拓撲結構

海上風電柔性直流送出典型拓撲［29］如圖1所示。

圖1 海上風電柔性直流送出典型拓撲圖Fig.1 Topology diagram of flexible DC feed-out for offshore wind power

如圖1 所示，海上風電通過升壓變和聯結變接入海上換流站將交流電變為直流電，通過海纜接入陸上換流站，將直流電變換為交流電后接入交流電網。

海上換流站和陸上換流站的控制保護設計在換流站平臺空間需求、運行人員控制系統配置、控制保護系統緊湊化配置、換流站拓撲結構、控制保護功能、換流站維護等方面存在顯著差異，具體見表2。

通過對海上換流站和陸上換流站的控制保護系統設計差異分析，可知海上柔性直流送出系統需要考慮緊湊化的控制保護系統設計原則。

1.2 海上風電緊湊型控制保護設計原則

海上風電緊湊型控制保護設計原則為：

1）陸上換流站按有人值班設計，站交、直流系統設統一的控制值班室（運行人員控制室），海上換流站按無人值班設計。

2）在陸上換流站配置海上風電柔性直流送出一體化監控系統，除了實現海上換流站和陸上換流站直流系統的監控以外，還能實現對海上升壓站、風電場的集中監控功能，各系統服務器在陸上換流站配置，滿足換流站和風電場相關信息的接入要求。

3）采用控制保護系統緊湊化配置，如：直流站控功能集成在極控系統中、站用電功能集成在交流站控系統中、聯結變保護集成在極保護中；取消合并單元，減少測量環節等。

4）控制保護功能按照海上風電柔性直流系統特殊要求配置，如：海上換流站采用無源啟動方式，有功采用定頻率控制，無功采用交流電壓控制；配置雙聯接變保護功能等。

表2 海上換流站與陸上換流站控制保護設計差異Table 2 Design difference of control and protection between offshore and onshore converter stations

5）海上風電緊湊型控制系統采用完全雙重化設計：I/O單元、直流控制系統柜、站控柜、輔助系統、站用電、現場總線網、站LAN網、系統服務器和所有相關的直流控制裝置都為雙重化設計。控制系統的冗余設計應確保直流系統不會因為任一控制系統的單重故障而發生停運，也不會因為單重故障而失去對換流站的監視。

6）為了提高系統的安全性和保護的可靠性，直流保護采用三重化模式，并且可允許任意一套保護退出運行而不影響直流系統功率輸送。每重保護采用不同測量器件、通道、電源、出口的配置原則。

7）直流控制保護系統與換流閥閥控系統、換流閥閥冷控制保護系統、直流耗能控制系統、安穩裝置、聯接變冷卻器控制系統的接口按照通用標準接口規范執行。

8）當柔直系統需降功率時，相關信息應能從陸上站柔直監控系統送至風電場監控系統、升壓站監控系統。直流監控系統與風電場監控系統、升壓站監控系統間的通信協議應相互開放。若直流監控系統與風電場監控系統、升壓站監控系統無法直接通信，可通過規約轉換裝置實現互相通信。

9）控制系統采用商業化程度較高的硬件設備、軟件平臺和應用程序，所有應用軟件可視化程度高、界面友好，便于運行人員理解和維護。控制系統采用開放的網絡結構，通信規約采用標準的國際通用協議，能方便其它系統的連接和數據傳輸。

10）控制保護系統設計滿足換流站RAM指標對二次系統的要求，即高度的可靠性、可用率和可維護性，具有足夠的冗余度和100%的系統自檢能力，以保證整個直流系統的正常和安全運行［30］。

2 緊湊型控制保護主機

基于完全自主開發直流輸電控制保護主機，結合海上風電海上平臺造價高、空間小，設備維護成本高等特點，研制了緊湊型控制保護主機，對其處理能力、通信接口和遠程維護進行了顯著提升，更適合海上風電柔性直流送出的需求。

2.1 緊湊型控制保護主機

基于海上風電海上平臺造價高、空間小的特點，研制了標準4U的主機，如圖2所示。

圖2 緊湊型控制保護主機圖Fig.2 Diagram of compact control and protection host

緊湊型控制保護主機在控制保護屏柜設計時，能夠節省更多的空間，便于集成其他輔助設備和必須配置的消防器材，減少控制保護占地面積，降低海上平臺面積及其造價。

2.2 核心性能提升

高性能處理器可以同步并行處理更多的任務，進一步降低了功耗，實現主機無風扇設計，進一步節約了空間并提高了可靠性。

千兆級多節點串聯TDM總線設計，支持多節點間超高速同步數據傳送，千兆級點對點超高速控制總線設計，實現裝置間超高速通信。

以上性能的提升，滿足海上風電控制保護系統對高速采樣、高速傳輸、高速處理的需求。

2.3 全面的標準接口

同 時 具 備 以 太 網、IEC-600448、IEC-61850、ProfiBus DP、TDM、高速控制總線等標準接口。全面的接口能力可對控制保護系統進行靈活配置，滿足與換流站其他設備的接口需求。

2.4 遠程維護管理

緊湊型控制保護主機通過可視化圖形化工具軟件，在陸上換流站通過工程師工作站，實現海上換流站控制保護主機內部參數、保護定值查看核對等工作，或者進行參數、定值的遠程更新配置，而不需更新控制保護軟件，提高了控制保護主機的維護性，降低了運維成本。

3 緊湊型控制保護系統設計方案

根據研制的緊湊型控制保護主機，提出適應于工程的緊湊型控制保護系統設計方案。

3.1 緊湊型控制保護系統整體結構

采用分層分布式的總體結構設計，根據功能劃分和控制級別分為：運行人員控制層、控制保護層、現場層等3個層次，如圖3所示。

圖3 總體結構設計示意圖Fig.3 The diagram of general structure design

如圖3所示，3層結構的主要功能如下：

1）運行人員控制層

運行人員控制層由運行人員控制系統（一體化監控系統）、培訓系統、硬件防火墻和網絡打印機等設備組成。運行人員控制系統是運行人員控制層的核心設備，由數據庫服務器、運行人員工作站、工程師工作站等構成，其主要功能是對直流系統一、二次設備和交直流系統的運行數據進行采集和存儲，并為運行人員提供監視和控制操作的界面。除上述功能外，運行人員控制層設備還具備事件順序記錄和報警、網絡對時信號的接收和下發、文檔管理，以及運行人員培訓等功能。

2）控制保護層

控制保護層設備包括極控、交流站控、站用電控、直流保護設備。極控、站控和直流保護是整個直流輸電系統最為核心的控制保護設備，基于統一的高速控制保護系統平臺進行構建。

3）現場層

現場層設備提供與交直流系統一次設備和換流站輔助系統的接口，實現一次設備狀態和系統運行信息的采集處理和上傳，順序事件記錄，控制命令的輸出以及就地控制和連鎖等功能。現場層的核心設備是分布式I/O單元。

以下對運行人員控制系統和控制保護系統進行詳細介紹。

3.2 運行人員控制系統設計方案

運行人員控制系統既要實現海上換流站和陸上換流站直流系統的監控，還要實現對海上升壓站、風電場 的集中監控功能，整體設計如圖4所示。

圖4 運行人員控制系統設計方案示意圖Fig.4 The diagram of operator control system design

圖4 所示，運行人員控制系統主要包括陸上換流站監控系統、海上換流站監控系統和一體化監控系統，其中陸上換流站監控系統和海上換流站監控系統的設備和功能設計與以往直流輸電工程基本一致，不再贅述。

一體化監控系統主要設備及功能設計如下：

1）一體化監控服務器

一體化監控系統服務器作為一體化監控系統主服務器，用于數據存儲，數據建模，實時數據處理，中間變量計算等功能。一體化監控服務器采用LINUX系統，雙重化配置。

2）升壓站接入服務器

升壓站本身配置單獨的監控系統，該監控系統通過規約，將升壓站數據接入升壓站接入服務器。因升壓站數據比風電場數據少，換流站監控數據一并通過該服務器接入到一體化監控系統中。升壓站接入服務器采用LINUX系統，雙重化配置。

3）風電場接入服務器

風電場本身配置單獨的監控系統，該監控系統通過規約，將風電場數據接入風電場接入服務器。風電場接入服務器采用LINUX系統，雙重化配置。

4）一體化監控工作站

一體化監控系統配置相應數量的監控工作站，用戶風電場，升壓站，換流站的監視和控制。一體化監控工作站采用LINUX系統，最少雙重化配置。

5）正向隔離網關

一體化監控系統需要進行WEB發布，數據的發布需要從安全I區到公網。故需要加1套正向隔離網關，實現數據的單向傳輸。

6）轉發服務器

數據轉發服務器用于將一體化監控服務器中的數據進行打包，并單向傳輸到WEB服務器中。

7）WEB服務器

WEB 服務器用于將一體化監控系統數據進行網頁發布，便于WEB瀏覽和手機APP查看。

3.3 緊湊型控制保護設備配置方案

海上風電柔性直流控制設備配置包括：交流站控、站用電控制和極控制（集成直流站控功能），均采用雙重化冗余配置，默認其中一套系統為值班狀態，另一套為備用狀態，提出通過基于控制光纖通信的高速冗余切換裝置實現兩套控制系統的值班、備用狀態切換，實現值班系統高速平穩切換、避免單一元件故障導致換流站停運。

海上風電柔性直流保護設備配置包括：極保護和聯結變保護，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。

在極保護AB 系統中共配置2 套獨立的硬件三取二裝置同時，在控極制AB 系統中共配置2 套具體完整功能的軟件三取二邏輯，進一步提高系統的可靠性。緊湊型極控系統和極保護設備配置及全光纖式設計方案如圖5所示。

圖5所示，極控主機與極保護主機、極保護主機與三取二裝置、三取二裝置與極控主機、冗余切換裝置間均采用光纖通信，全光纖式的控制保護設計方案，降低了工程現場調試難度，增強了設備防腐能力，提高了系統的可靠性。

圖5 全光纖式緊湊型控制保護設計方案Fig.5 The diagram of all fiber compact control and protection design

3.4 緊湊型控制保護功能配置

換流站控制設備按照功能范圍的不同分別配置不同系統，主要包括：極控系統、交流站控系統和站用電。

極控系統性能將直接決定直流系統的各種響應特性以及直流電壓和傳輸功率穩定性，主要功能包括：換流站控制模式選擇、運行方式選擇、運行控制模式、直流系統充電、交流故障穿越、直流故障穿越、直流場刀閘聯鎖控制、交流連接區刀閘連鎖控制、聯接變分接頭控制、直流系統解閉鎖控制、過負荷限制、與安穩系統接口、與直流耗能裝置接口、與換流閥接口、換流閥橋臂電壓參考值計算、抑制振蕩控制、極控保護性監視功能等。

交流站控功能主要完成交流場開關聯鎖、開關分合閘及交流場設備狀態監視。通過控制交流場開關配合極控完成檢修、冷備、熱用、閉鎖等順序控制。

保護系統包含聯結變保護和直流保護，其中聯結變保護功能與以往工程基本一致，不再贅述。陸上換流站直流保護分區如圖6所示。

直流保護分區具體包括：直流耗能保護區、閥側交流連接線保護區、換流器保護區、極保護區和線路保護區。

直流耗能保護區保護功能配置為DC chopper差動保護、DC chopper過流保護、DC chopper電阻器過負荷。

閥側交流連接線保護功能配置為交流連接線差動保護、交流連接線過流保護、啟動電阻過負荷保護、啟動電阻過流保護、聯接變閥側零序過壓保護、閥側交流套管差動保護、接地電抗過負荷保護（僅陸上站）、接地電抗過流保護（僅陸上站）、接地電阻過負荷保護（僅陸上站）、接地電阻過流保護（僅陸上站）、中性點偏移保護（僅海上站）。

換流器保護功能配置為橋臂差動保護、橋臂過流保護、橋臂電抗器差動保護、高頻諧波保護。

極保護功能配置為換流器差動保護、直流低電壓保護、直流過電壓保護、直流電壓不平衡保護、高頻諧波保護。

線路保護功能配置為直流電抗器差動保護（僅陸上站）、低電壓保護、線路縱差保護、行波保護（選用）、電壓突變量保護（選用）。

5 RTDS仿真試驗

5.1 仿真試驗平臺

通過RTDS 搭建的仿真試驗模型包括交流系統等值系統、聯結變壓器、啟動回路、橋臂電抗器、MMC 模塊、平波電抗器、直流線路、接地電抗、電阻等元件。RTDS模型的輸出信號經D/A 轉換后，弱信號直接輸出至控制保護設備，部分信號通過光纖以IEC60044-8協議輸出模擬量至控制保護設備，控制系統通過光纖將調制波等信號傳輸給閥控系統，閥控系統將各子模塊的開、關等命令信號通過光纖以Aurora 協議傳輸給RTDS，控制保護系統輸出控制信號或保護動作信號至RTDS，構成一個閉環系統，能夠真實地反映海上風電柔性直流輸電系統的特性。

參照某工程典型參數搭建RTDS 仿真模型，仿真模型搭建的主回路拓撲結構如圖1 所示，該拓撲結構采用偽雙極拓撲結構，系統主要參數如表2所示。

5.2 試驗驗證

基于搭建的仿真試驗系統，對海上風電柔性直流輸電控制保護功能進行全面的驗證和研究，在搭建的平臺上共進行了220 余項控制保護功能試驗，全面驗證了控制保護系統的各項功能完全滿足工程應用，部分主要性能指標如表3所示。

表2 海上風電系統主要參數Table 2 Main parameters of offshore wind power

表3 控制保護系統主要性能參數Table 3 Main performance parameters of control protection system

限于篇幅限制，本文對各功能試驗結果不作詳細介紹，以系統穩態運行為例，仿真試驗波形如圖7所示。

圖7 海上風電柔性直流送出穩定運行波形圖Fig.7 Stable operation waveform of offshore wind power flexible DC transmission

圖7 中Uac1SofS1Uac2SofS1Uac3SofS1 為網側三相電壓，Iac1SofS1Iac2SofS1Iac3SofS1 為網側三相電流，UDC_S1 為直流電壓，IDL_S1 為直流電流，IbPAS1IbPBS1IbPCS1 為上橋臂三相電流，IbNAS1IbNBS1IbNCS1為下橋臂三相電流。

6 結語

由于海上風電的發展規劃和采用柔性直流送出方式具有更大的優勢，本文基于海上平臺造價高、空間小，設備維護成本高等特點，提出了海上風電柔性直流送出緊湊型控制保護設計原則。結合海上風電特點和控制保護設計原則，研制了適用于海上風電特點的緊湊型控制保護主機，主機尺寸小、任務處理能力高，具有標準接口和遠程維護管理功能，滿足了海上風電柔性直流控制保護系統緊湊型、高可靠、易維護等需求。提出了緊湊型控制保護系統的總體方案，包含一體化運行人員控制系統、緊湊型控制保護配置方案和控制保護功能配置方案。最后構建了緊湊型控制保護系統RTDS 仿真平臺，完成了220 余項控制保護功能試驗，試驗結果驗證了緊湊型控制保護設計方案的正確性，為海上風電柔性直流送出工程應用提供了重要參考。

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