高压直流输电控制保护系统接口和典型回路综述

王春成

(广东省电力设计研究院，广东 广州 510663)

1 概述

直流的控制系统和保护系统是紧密相关的，大部分保护功能最终要通过控制系统来实现，而且对直流控制产生巨大的影响。在直流工程中，任何一部分发生故障都会影响整个直流输电系统运行的安全可靠性。由此可见，直流控制保护系统性能的好坏直接决定着直流工程运行和设备的安全。

因此，有必要进行直流控制保护系统的接口及典型回路的研究，优化二次回路设计，使直流控制保护系统的性能得到最有效的发挥。对不同技术路线的直流控制保护系统与换流设备间接口及回路的研究可为技术方案的制定与设备选型提供技术支持。

2 主流直流控制保护产品简介

PCS-9550系列高压直流控制保护系统，具有较高可靠性和抗干扰能力的硬件平台，板卡故障率低；软件平台具有防止控制系统死机措施。另外，其具有自主产权的技术包括：基于全面国产化的成熟软硬件平台的保护装置和运动工作站；同时具备与不同技术路线阀、换流变、平抗、水冷接口的工程应用和经验。

TDC系列高压直流控制保护系统，技术上采用最新推出的嵌入式处理器和多主处理器

并行处理技术，具有高速控制系统硬件平台的成套控制保护设备，包括运行人员控制、直流极控制系统、直流极保护系统、换流变压器保护、调相机控制和保护、交流滤波器控制和保护等。网络通信，控制保护系统具备标准分层分布式结构。

MACH2高压直流控制保护系统 [6,7]是一种完全基于计算机的控制和保护系统，采用了分层、分散、分布的开放式设计体系结构以及完全双重化的配置。整个控制保护系统由主机、分布式I/O、标准现场总线及标准LAN 接口组成，软件采用Hidraw图形化编程工具实现。该系统的特点是，系统功能高度集成并具有开放式的系统接口，开放式的系统策略反映在工业标准的串行和并行总线以及标准数据存储格式的应用。其进一步升级产品有MACH2.1和DCC800系列直流控制保护系统。

从设备存在的不足上看，PCS-9550系统相对运行经验较少；TDC系统功能设计不灵活，为实现某些功能，不得不修改外部配线或增加外接继电器，甚至要调整一次主接线。MACH2系统电路板故障率高，I/O板卡故障、总线故障、软件故障等也都曾在实际工程出现。从产品业绩上看，上述3种系列的控制保护系统均已应用于已建和在建的特高压/高压直流输电工程。从造价上比较，考虑综合成本，PCS-9550系统国产化程度较高，具有很好的价格优势。

3 主要接口及典型回路

3.1 直流控制保护与换流阀的接口及回路

根据阀触发信号的不同，阀主要分为光触发阀与电触发阀两种。

⑴ 直流控制保护与换流阀接口

西门子技术路线的换流阀有光触发与电触发两种。对于两种触发方式，其阀基电子设备(VBE)使用的均是电信号，通讯总线采用Profibus总线。阀基电子设备配置为一组12脉动阀配置一面阀基电子设备屏，屏内含有两套完全独立的冗余配置的阀控制与接口设备。接口回路如图1所示。ABB技术路线的阀为电触发阀，其阀基电子设备屏(VCU)与直流控制保护系统的接口为光信号。接口回路如图2所示。不同技术路线的控制保护与阀的接口形式和总线通信规约之间存在差异，配合时需要增加阀控接口单元。

图1 西门子控制保护与西门子阀的接口

图2 ABB控制保护与ABB阀的接口

⑵ 直流控制保护与阀基电子设备屏的连接

下面分别以西门子和ABB技术路线的控制保护与阀为例，描述控制保护屏与阀基电子设备屏的接口典型回路，见图3、图4。

图3 西门子路线控制保护系统与VBE屏接口

西门子路线的一个12脉动阀组配置一面VBE屏，屏内含有完全独立的两套阀基电子设备。阀控系统与VBE之间的控制信号和反馈信号采用一对一连接形式。双重化配置的阀保护、极保护系统至VBE屏的闭锁阀组信号采用交叉连接形式。VBE屏开出到双重化的保护接口屏的阀组故障跳闸信号，VBE屏到双重化的直流测量屏的阀电流过零信号也都采用交叉连接形式。阀控系统到阀基电子设备屏之间采用Profibus总线连接。

图4为±800 kV换流站控制保护与VCU屏接口典型回路图，若为±500 kV换流站，则阀组控制与极控制合二为一。ABB路线的VCU屏按相配置，每相按双重化配置两面VCU屏。控制与保护安装在同一面屏，主机分开。阀组控制A、B装置与各相VCU屏之间的连接均为光纤。

图4 ABB路线控制保护系统与VCU屏接口

3.2 直流控制保护紧急停机顺序回路

紧急停机顺序(Emergency Switch-Off Sequence, ESOF)是直流控制保护系统紧急将阀停运，并跳开交流侧断路器的动作顺序。EOSF的启动有运行人员启动和保护启动两种。

⑴ 在其他阀组正常运行情况下，当运行人员或保护动作启动一个阀组ESOF时，阀控首先将触发角限制值调整到90度左右，将触发角调到90度附近，触发旁通对，然后合上旁通断路器，最后闭锁阀脉冲。

⑵ 当运行人员启动一极ESOF，另一极处于运行状态时，极控系统首先将该极传输容量对应的电流值调到最小，将该极功率转移到另外一极。当该极电流小于额定电流的12%时，向对站发送极闭锁请求。然后将定电流控制的电流参考值调到最小。整流站触发角移相到120～160度，使整流站转为逆变站运行，将线路功率释放。当直流电流小于额定电流的3%时，闭锁触发脉冲。逆变站当直流电流小于额定电流的3%时，将定电压控制的直流电压参考值调到最低，经一定延时调压后，闭锁触发脉冲。

若是保护启动一极的ESOF时，则整流站将触发角移相到120～160度，将线路功率释放；逆变站触发旁通对，当直流电流小于额定电流的3%时，闭锁两端换流站的触发脉冲。

⑶ 当运行人员启动双极ESOF、最后一极ESOF或最后一个阀组ESOF时，则极控先将功率传输定值调到最小，其余操作步骤与⑵相同。

3.3 直流控制保护与电流电压测量设备接口

⑴ 测点的配置

电流电压测点的配置应满足直流控制保护系统的需要，并结合主接线的布置。以±800kV直流系统为例，西门子技术路线测点配置见图5。

图5 ±800kV换流站测点配置

采用ABB技术路线的测点配置主要区别有：

①直流测量装置R12、R13的测量位置是在旁通刀闸外侧还是旁通断路器内侧。

②是否装设阀连接母线区的直流电流测量装置。

③旁通断路器的电流是直接测量还是间接测量。

④阀组连接母线是否装设直流PT。

⑵ 测量回路与直流控制保护的配合

目前直流保护系统常用的冗余配置方案有双重化、三取二、和完全双重化三种，为实现真正意义上的冗余，从测量回路远端模块开始就应冗余配置。

3.4 直流控制保护与直流场主设备的接口

对于直流开关场内的一次设备与控制保护系统的接口，主要有两种技术路线。

西门子技术路线，保护系统的开出控制量直接由电缆接入一次机构，中间经由保护接口屏进行相关转接；控制系统下发的控制量通过Profibus现场总线传送至就地控制接口，再通过电缆接入一次机构。

ABB技术路线，保护系统和一次设备之间无直接联系，均通过控制系统下发控制命令以及接收相关的一次机构状态量；控制系统与一次设备I/O之间通过eTDM总线点对点连接，实现高速、实时的通讯，一次机构与二次控制保护系统之间的控制量以及信息量、状态量均通过该总线交互。

3.5 直流控制保护的接口

西门子路线，在控制层的控制与保护主机之间通过高速的控制总线(MFI总线)进行控制信息的交互。同时，直流站控、极控及阀组控系统与及极保护系统、下层就地控制单元、I/O设备、VBE设备之间通过Profibus现场总线进行通信，以传输控制数据。其中控制系统为通信的主导端，极保护系统以及下层的控制单元、I/O、VBE设备仅接收控制数据，作为通信的接收端。控制、保护主机之间通过MFI总线点对点连接，其采用光纤作为通讯介质。

ABB技术路线，各控制与保护主机之间通过eTDM总线组成点对点的高速网络以及冗余的控制LAN网进行控制数据的交互。eTDM总线采用光纤作为传输介质。

3.6 直流保护系统的冗余配置

目前直流输电工程中常用直流保护系统冗余配置方案有二取一、三取二、完全双重化(四取二)等。

文献[9]中详细分析比较了三取二和完全双重化的误动和拒动概率。在小概率情况下，完全双重化的防误动性能要远优于三取二，防拒动性能与三取二装置的拒动概率密切相关，即使考虑三取二装置比保护环节可靠十倍的情况下，三取二的防拒动性能与完全双重化相比也相差不多。

由此可知，可靠性和安全性方面的比较上从最优排序依次是完全双重化、三取二、二取一。

3.7 最后线路和最后断路器

在高压直流输电系统运行过程中，如果逆变站的换流变交流进线突然断开，逆变站交流侧及其它部分的电压会异常升高，危及设备安全。针对这种情况，通常在逆变站设置最后断路器/线路保护。

最后断路器/线路包括下列几种情况：换流器的最后一个断路器、大组交流滤波器的最后一个断路器、最后一条线路、最后线路的最后一个断路器。

换流器的最后一个断路器——若某个断路器断开后换流器交流侧失电，则这个断路器就是换流器的最后一个断路器。

最后一条线路——若交流场只有一条交流线路运行，则这条交流线路就是交流场的最后一条线路。

大组交流滤波器的最后一个断路器——若大组交流滤波器进串的其中一个断路器断开后，大组交流滤波器与交流场失去连接，则这个断路器就是大组交流滤波器的最后一个断路器。

最后线路的最后一个断路器——若最后一条线路的串内某个断路器断开后，这条线路与交流场失去连接，则这个断路器就是最后线路的最后一个断路器。

最后断路器/线路保护实现方式目前有两种：

方式一：采集整个交流场断路器位置信号，通过逻辑判断出是否为最后一条线路或换流器的最后一个断路器，通过就地控制接口屏出口，串联断路器保护动作接点后启动紧急停运顺序(ESOF)。该方式判断准确，硬接线可靠。

方式二，由交流场的站控通过站级的CAN网，将信息送至极控系统主机，由极控系统判断出最后一个断路器或最后一条线路，并在最后一个断路器或最后一条线路跳闸的同时由极控直接启动紧急停极。该方式网络信息量大，可靠性差。

方式三：在换流变压器交流引线避雷器下加装了交流电流互感器，根据避雷器泄漏电流及其保护水平计算避雷器的能量来作为最后断路器保护的设计依据, 如果吸收的能量超过避雷器设计限值时，保护动作。其原理为，当最后断路器跳闸时，换流变压器交流引线处会出现过电压，从而导致避雷器泄漏电流增大。这种最后断路器保护判据实现起来比较简单，但可能会出现误动作，而且检测避雷器泄漏电流要求采集频率很高。

前两个方式还需要与安稳系统配合才能判断出500kV对侧的最后一个断路器或最后一条线路。

4 主要结论

⑴ 当控制保护系统与换流阀为同一个路线产品时，控制保护屏与阀基电子设备屏可直接接口。当控制保护系统与换流阀为不同路线产品时，两者之间通过接口转换单元可实现接口。接口转换单元的转换过程时延很短，不会影响阀控过程。但回路中增加了转换设备，增大了故障几率。

⑵ 不同技术路线的测点配置方案均满足保护完全交叉无死区的要求。在换流区、直流出线区、极中性母线区与直流滤波器区，这两种测点配置方案在设备数量、二次回路复杂程度、调试试验、运行维护等方面各有优缺点。

⑶ 直流控制系统与保护系统之间的高速点对点总线连接、较慢速的现场总线和LAN网连接完全可以满足信息交互的要求。

⑷ 采集整个交流场断路器位置信号，通过逻辑判断出是否为最后一条线路或换流器的最后一个断路器的方案判断准确硬接线可靠，但需要与与安稳系统配合才能判断出500kV对侧的最后一个断路器或最后一条线路。

[1]浙江大学.直流输电[M].北京：水利电力出版社,1985.

[2]李兴源.高压直流输电系统的运行和控制[M].北京：科学出版社，1998.

[3]赵畹君.高压直流输电工程技术[M].北京:中国电力出版社,2004.

[4]P.Kunder.Power System Stability and Control [M].New York: McGraw-Hill，1994.

[5]余贻鑫，陈礼义.电力系统的安全性与稳定性[M].北京：科学出版社，1988.

[6]向长征.蔡家冲换流站二次系统的设计改进措施和国产化[J].电力建设，2007，28(3).

[7]张立平，马进霞，吴小辰等.高压直流极控系统与安全稳定控制装置接口方案[J].电力系统自动化， 2007，31(2).

[8]王俊生，李海英，曹冬明.±800kV特高压直流保护阀组区测量点配置的探讨[J].电力系统自动化，2006，30(22)：81-83.

[9]王春成.高压直流输电保护系统冗余配置方案选择[J].电力勘测设计，2009，10(5).