直流輸電控制保護系統的電壓控制與自動化運維模型

邱志遠，馮文昕，劉 浩，鄢天畢

（1.超高壓輸電公司貴陽局，貴陽 550081；2.貴陽銳泰電力科技有限公司，貴陽 550002）

0 引言

直流輸電控制保護系統的設計目的是避免電力在換流站、直流線路、電力濾波器以及變壓器等多個輸電環節中可能出現的異常和故障現象，準確的分析直流輸電的動態行為和特性，進而針對各個影響因素制定具體的控制保護方案。從直流輸電控制保護系統現階段的應用情況來看，存在明顯的電壓波動不穩定、系統運行與維護效果差的問題，為此構建了系統的電壓控制與自動化運維模型。現階段應用頻度較高的電壓控制與自動化運維模型包括基于分布式協同的配電網電壓控制和基于電源負載調節的電壓控制等模型。其中基于分布式協同的配電網電壓控制主要利用的是電網中的分布式結構，通過各個電網節點之間的協同配合，實現整個電網系統的電壓控制。而基于取能電源負載調節的電壓控制方法則是通過對發電廠端電能的負載情況進行分析，結合負載量的變化規律進行調節，以實現對直流輸電及其控制保護系統電壓的控制。然而在實際的應用過程中發現，上述現有的電壓控制模型的控制精度不足，無法將電壓控制在規定范圍內，且在自動化運維管理方面的無明顯效果，無法為直流輸電控制保護系統的穩定、安全運行提供保障。為了解決上述問題，在現有模型的基礎上進行優化設計，以期能夠在提高系統電壓控制力度的同時，提升系統的自動化運維能力。

1 輸電控制保護系統的電壓控制與自動化運維模型設計

從直流輸電控制保護系統的電壓控制和自動化運維兩個方面，實現對模型的優化設計。其中電壓控制主要結合了直流輸電以及控制保護系統的工作規律，分別從電壓偏差、電壓穩定以及電壓裕度等多個方面實現電壓的有效控制，保證在不同的直流輸電狀態下電壓的穩定運行與轉換。而自動化運維主要指的是運行與維護，也就是在直流輸電控制保護系統的運行過程中，自動配置保護參數、驅動控制程序運行，并對系統中的硬件設備、通信網路以及軟件運行程序進行實時監測，確保系統的運行安全。

1.1 直流輸電控制保護系統組成與工作特性

直流輸電控制保護系統的設計基于一種分層、分散、分布式的開放式系統。為了提高系統的安全性和保護的可靠性，兩端換流站的控制保護系統采用完全雙重化設計[1]。直流輸電控制系統的組成結構如圖1所示。

圖1 直流輸電控制保護系統結構圖

圖1中CV11和CV12表示的是高壓和低壓的換流器組，CCP11和CCP12為兩個換流器控制層，BCP為雙極控制層，實現極1 PCP和2 PCP的控制。根據直流輸電控制系統的組成結構，它可以分為數據采集層、控制保護層和輸入輸出層三個層次，而控制保護層主要由直流系統控制層、極控制保護層、閥組控制層等單元組成[2]。在該系統中，直流系統控制層主要用于接收調度中心的調度指令，并將生成的控制參考值發送給控制層。極性控制保護層包括極性控制單元和保護單元兩部分，控制單元可實現將測量信號接入到上一級參考指令，在系統控制器的作用下跟蹤控制參考指令，輸出期望的正弦參考基波電壓并向閥組控制層發送電壓，實現直流電壓限幅以及變化速率等運行性能。保護單元可以在故障情況下，保護單元采用完全雙重化的冗余配置，縮小故障范圍，減少對設備和非故障區域的影響。閥組控制層是連接上層極控制層和底層開關裝置的中間樞紐。能接收極控制層輸出的控制信號，產生相應的觸發脈沖，實現換流器模塊的觸發控制。通過系統中各個控制層之間的信號傳遞以及協同工作，完成對直流輸電多個環節的控制。

1.2 構建直流輸電控制保護系統等效電路

直流輸電控制保護系統主控功能的等效電路如圖2所示。

圖2 直流輸電控制保護系統等效電路圖

圖中usk、isk、Udc和idc分別表示交流側和直流側的相電壓和電流值，ikp和ikn表示的是通過每項上、下橋臂的電流，角標p和n為上、下橋臂，另外L0和R0為橋臂電感和等效電阻。由此可以得出k相上、下橋臂的電流表達式為：

式中變量ikdiff為同時流過k相上、下橋臂的環流。由此可以得出直流輸電控制保護系統等效電路表達式為：

其中ek表示的是k相內電勢，取值為。從式(2)中可以看出，可以通過對內電勢ek的控制失效對交流側電壓的控制，同時也可以通過控制橋臂換流實現對系統直流電壓的控制。

1.3 設計并安裝電壓控制器

針對不同的電壓控制任務設計多階直流電壓混合控制器。其中電壓偏差控制器設計結構如圖3所示。

圖3 直流電壓偏差控制器

圖3中UDCRL和UDCRH分別為直流電壓低階和高階PI控制器，APR為有功功率PI調節器。圖3中的變量Udc_refLn和Udc_refHn分別為偏差的直流電壓控制設置的高限值和低限值，Udcn和Pn為輸入的直流輸電控制保護系統的實時運行電壓和功率值，Prefn、Pmaxx和Pminx分別為有功功率指令以及有功功率運行的上下限值[3]。通過控制器的運行，最終輸出的結果Ud_refn即為直流電壓的控制結果。同理可以得到其他類型的電壓控制器，并按照控制運行進程連接四階控制器，最終將控制器輸出的信號作用在直流輸電控制保護系統等效電路的橋臂上，完成控制器的安裝。

1.4 控制輸電控制保護系統運行電壓

以設計并安裝的電壓控制器為運行環境，將直流輸電控制保護系統的實時電壓數據作為輸入項輸入到控制器中，通過對電壓控制量的計算，分別從偏差、均衡穩定、電壓切換等多個方面，實現對系統運行電壓的控制。

1.4.1 直流電壓偏差控制

直流電壓偏移控制的目的是消除控制模式下對多端系統通信的依賴。直流電壓偏差控制器的運行邏輯為：

通過偏差控制器的運行判斷當前的直流電壓是否超過其設定的高低限值，若直流電壓高于上限值，偏差控制器自動轉入直流電壓控制模式運行，并控制在UdcrefH處穩定。若低于下限值，則向下偏移，控制直流電壓穩定在UdcrefH處，以確保多端系統的直流電壓穩定。

1.4.2 電壓均衡控制

直流輸電控制保護系統的電壓均衡控制是保證直流輸電環境中換流器穩定運行的關鍵，電壓均衡控制可以分為電壓測量和電壓排序兩個步驟。以a相單元直流輸電控制保護系統為例，每個子模塊用電設備安裝一個電壓傳感器，通過電壓傳感器實時采集各模塊的系統電壓信息，并通過一定的調理電路送至處理器，對系統電壓進行排序[4]。直流輸電系統處于充電狀態時，需要根據系統電壓的升序排列，選取電壓最低的模塊投入運行。當橋臂電流對直流輸電系統進行放電時，系統電壓會被降序排列。以上系統電壓的排序采用式(4)表示。

式(4)中變量Udc和nt分別表示系統電壓和投入個數，而T-sort(·)為排序函數。采用此排序方法，調整子模塊的充電和放電模式，逐漸與其他子模塊的電壓值追平，并且不停地重復此步驟，實現電壓均衡控制。

1.4.3 直流電壓無縫切換控制

直流輸電保護控制系統的執行程序隨著直流輸電狀態的變化而變化，需要對直流電壓進行不同的控制狀態進行調節。此外，系統中各用電設備的額定電壓不同，因此需要在電流流通過程中結合不同的用電設備實現電壓的切換和調節。對系統運行狀態及各用電設備的功率電壓運行數據進行了提取，分析了直流電壓和功率運行特性。DC電壓無縫切換的控制原理是將不同狀態下運行特性的合理組合，當系統運行到特性運行點時，得到新的運行指令值，實現電壓的跳躍和切換。

1.5 實現直流輸電控制保護系統自動運維

直流輸電控制保護系統的運維分為運行和維護兩個部分，其中運行就是配置系統的運行參數和驅動程序，保證系統可以在目標環境中正常運行。而維護主要指的是監測系統運行是否安全、自動修改故障程序等。在此次模型研究中，以直流輸電系統的運行狀態作為模型的輸入項，也就是直流輸電控制保護系統自動運維程序的啟動項，通過時序同步、維護參數配置等多個步驟，實現模型中的系統自動運維功能。

1.5.1 直流輸電控制保護參數配置

控制系統的保護內容分為：閥組保護、直流線路保護、旁路開關保護等。以閥組保護為例，給出了直流輸電控制保護系統輸出閥組過電流保護動作方程如下：

上式中的兩個方程分別對應的是高壓閥組和低壓閥組的保護動作，得出的結果IDH和IDL表示的是高、低壓閥組短路電流，IVY、IVD和IDCN代表三種不同類型的輸電換流器側閥塔閥側電流，角標H和L分別表示高壓閥塔和低壓閥塔[5]。另外Iseth和Isetl為控制保護系統中設置的高、低壓閥組動作定值。同理可以在控制保護系統中設置其他運行部件的動作保護定值，根據直流輸電系統的運行狀態自動調整保護參數，實現直流輸電控制保護參數的動態配置。

1.5.2 系統故障維護

系統故障維護可以具體分為故障檢測、故障處理、故障定位以及報警響應四個模塊。故障檢測的內容包括直流輸電控制保護系統中硬件設備、通信網絡以及軟件功能程序的運行故障。當檢測到系統中存在異常故障時，立即啟動事件跟蹤程序，判斷系統的故障類型，若故障類型為網絡通信、軟件程序或參數設置故障，系統可以根據歷史數據自動調整當前運行數據，實現故障的自動修復，且在完成故障處理后，終止事件跟蹤程序。如果檢測到的故障類型為硬件設備故障，無法通過系統程序的調整實現故障的維修，此時需要同時啟動故障定位和報警響應程序，并在硬件設備修復完成后，停止事件跟蹤程序。

2 模型測試實驗分析

在模型設計完成后，需要進行大量的測試工作，保證設計模型在實際工作環境中的應用效果。此次模型測試實驗分別從電壓控制效果和自動化運維效果兩個方面進行分析。在開始實驗之前，首先選擇直流輸電工程并在輸電環境中實現直流輸電控制保護系統的配置，其中關鍵設備如換流器、直流線路等，通過等值阻抗的作用保證參數與運行實際一致。

選擇系統中的換流器設備作為模型電壓控制效果的研究對象，在設計模型未啟動狀態下，利用傳感器設備現場采集電壓數據，如圖4所示。

圖4 直流輸電控制保護系統電壓現場采集錄波

根據實驗目的，分別從電力控制和自動化運維兩個方面設置模型測試指標。其中設置的電力控制效果量化指標為電壓控制誤差，具體的數值結果為：

式中Ui和U'i分別表示應用設計模型后實際采集的電壓值和設置的控制目標值，n為采集的電壓值數量。式(7)得出的計算結果越大，證明模型的控制精度越低。除此之外，設置t和χt作為系統自動化運維效果的量化指標，其中t表示的是直流輸電控制保護系統控制保護命令的響應時間，可以通過記錄控制命令生成和完成的時間，并計算兩者的差值得出具體的測試結果。t的值越大證明系統的響應時間越慢，即模型的自動化運維功能效果越差。而指標χt的數值結果可以表示為：

式中Tfault和Ttotal分別表示的是系統一次故障的持續時間和運行總時間，m為系統運行過程中發生故障的次數。通過式(7)的計算得出χt的值越大證明系統在運行過程中的故障占比越大，即模型的自動化運維功能效果越差。

通過設計模型的應用，得出直流輸電控制保護系統電壓偏差、電壓均衡、無縫切換的控制結果，如圖5所示。

圖5 直流輸電控制保護系統的電壓控制結果

從圖5(a)中可以看出，經過設計模型的應用，系統的實際電壓與設定電壓曲線基本吻合，圖5(b)表示的是電壓均衡控制結果，從圖中可以看出在0.10s時刻開始執行均衡控制程序，并在0.20s前將系統電壓控制在穩定狀態，且在后期未發現明顯的電壓波動。在電壓的無縫切換控制中，共執行了2次電壓切換，且均能在0.2s內完成電壓的穩定切換。將圖5中的數據代入到式(6)中，得出三種電壓控制程序的控制誤差ηaccuracy均低于1.0V，由此證明設計模型的電壓控制效果滿足應用要求。

為了保證實驗結果的可信度，自動化運維測試實驗共執行5次，每次實驗規定直流輸電控制保護系統的運行時間為72小時，分別統計系統控制保護命令的響應時間、故障次數以及故障時間和，得出模型自動化運維效果的測試結果，如表1所示。

表1 模型自動化運維測試結果

從表1中可以看出直流輸電控制保護系統控制保護命令的平均響應時間為0.17s，低于0.2s，即應用設計模型能夠滿足直流輸電控制保護系統的命令響應速度要求。將表1中的故障次數與故障總時長數據代入到式(7)中，得出指標χt的具體取值，經過多組數據的計算得出χt的平均值為0.38%，低于5%。綜上所述，設計的電壓控制與自動化運維模型在直流輸電控制保護系統中具有較好的應用效果。

3 結語

直流輸電控制保護系統是直流輸電工程的輔助工具，其運行性能直接影響直流輸電工程的建設質量。通過系統的電壓控制與自動化運維模型的設計與應用，有效的解決了系統運行不穩定的問題，間接的提升了直流輸電工程質量，因此具有較高的現實意義。