试论直流控制保护系统配置

潘业源（广西送变电建设有限责任公司，广西南宁市530000）

试论直流控制保护系统配置

潘业源（广西送变电建设有限责任公司，广西南宁市530000）

直流控制保护系统在直流输电工程中的作用尤为重要，它关系着整个电网的安全。因此，直流控制保护系统配置的可靠性是直流保护系统的根本，在设计中要从直流控制保护系统的特点，以及直流保护配置的设计原则入手，来提高控制保护系统的可靠性。根据直流控制保护系统的特点，以及直流保护配置的设计原则：直流保护按保护区域设置，每一个保护区应与相邻保护的保护区重叠，不存在保护死区。每一个保护区域的保护应至少为双重化冗余配置，在特高压或高压直流输电工程中一般采用冗余配置的原则。本文针对目前主要采用的完全双重化和三取二冗余配置进行分析，为今后直流控制保护系统配置方案选择提供参考。

直流输电；直流控制保护系统；系统配置

前言

由于直流输电系统的控制与保护功能装置基本采用完全相同的硬件、软件平台，两者联系十分紧密，故通常在直流输电工程中将直流输电系统的控制与保护功能统称为直流控制保护系统。目前在高压直流输电工程中有多种直流控制保护系统配置方式，从直流保护配置的设计原则来分，主要分为完全双重化和三取二的配置。

1 直流控制保护系统的概述

直流输电的控制保护系统是指控制交直流功率转换，直流输送的全过程，是直流输电的中枢神经，它可以保护换流站所有电气设备以及直流输电线路受电气故障的损害。交流输电技术不同的是其输电的全过程完全依赖于控制保护系统；其不同于交流系统二次部分只在运行状态改变或故障时起作用，它是建立在阀导通和截止控制上的一种电能传输方式，它的控制系统始终运行从不间断。而控制系统在直流输电中，相当于启停装置，可以控制直流输电系统的起停、可以控制直流输送功率的大小和方向、可以抑制换流器不正常运行及对所连交流系统的干扰、可以保护换流站设备在发生故障时的损坏、可以实时监控系统本身的信息及被换流站和直流线路的各种运行参数。

2 直流控制保护系统的配置方式

2.1 直流输电工程——以某A直流输电工程为例

该直流输电工程主系统包含MC1，MC2两台主计算机，其中控制子系统全部集成在MC1主机中，保护子系统分为两套不完全相同的保护分别集成于MC1，MC2主机中，任意一台MC1，MC2主机发生故障，所在主系统将退出运行，如图1所示。

图1 某A直流输电工程直流控制保护系统配置示意图

2.1.1 该直流输电工程的组成

该直流输电工程正常运行过程中，A，B系统两套控制子系统互为备用，而直流保护系统采用“四取二”方式输出，即值班主系统两套保护中任意一套保护动作，切换至备用主系统，若备用主系统仍有保护动作，则保护动作信号输出。

2.1.2 该直流输电工程的特点

该直流输电工程每个极的控制保护系统由完全冗余的A、B两个主系统构成，每个主系统均能独立实现本极及两极共同区域控制与保护功能，并具备协调双极控制功能。在双极运行时，选定其中一极作为控制极，其主系统负责协调双极控制，并负责两极共同区域控制。两极共同区域保护由两极共同承担。

2.2 直流输电工程——以某B直流背靠背工程为例

该直流背靠背输电工程指的是位于辽宁高岭换流站，无直流输电线路，整流站和逆变站的设备均装设在一个站内完成。

2.2.1 该直流背靠背输电工程的组成

该直流背靠背输电工程现由两个独立直流单元组成，其输送容量1500MW（2×750MW），直流电压1125kV，直流电流3000A；在建其余两个相同输送容量、电压等级的直流单元，建成后输送容量将达到3000MW。

2.2.2 该直流背靠背输电工程的特点

该直流背靠背输电工程的直流控制保护系统采用HCM200系统。直流背靠背输电工程每个直流单元的直流控制子系统与保护子系统采用完全独立、完全冗余方式配置，并分别集成在不同的机柜中，控制子系统分为A，B系统，保护子系统由三套保护构成。正常运行过程中，两套控制系统互为备用，而三套保护同时运行，按“三取二”方式输出。

2.3 直流输电工程——以某C直流背靠背工程为例

该直流背靠背输电工程指的是位于云南500kV鲁西背靠背换流站，云南交流送出北通道则通过鲁西背靠背直流换流站来实现云南电网与南网主网的异步互联。

2.3.1 该直流背靠背输电工程的组成

该直流背靠背输电工程，采用双配置系统，如图2所示，常规直流换流单元采用对称单极接线。直流电压±160kV，直流电流3125A，柔性直流换流单元采用对称单极接线，直流电压±350kV，直流电流1429A，建成后输送容量将达到2000MW（常规直流1000MW+柔性直流1000MW）。

图2 某C直流背靠背输电工程控制系统图

2.3.2 该直流背靠背输电工程的特点

该直流背靠背输电工程的直流控制保护系统，采用双配置系统，每套保护均为二取二形式，如图3所示，建设1个背靠背柔直换流单元和1个背靠背常规换流单元，每个单元额定输送功率均为1000MW。

3 分层结构系统配置及功能分析

3.1 分层结构系统配置

如图4所示，工程全站直流控制保护系统由极控制保护层、阀组控制层、双回控制层、每回直流控制层组成，是按双重化配采用分层结构进行统一分层。

系统层设备有：交流滤波测控屏、交流测控屏、站用电控制主机柜；

双回层设备有：双回协调控制屏、极控制保护层设备及极控制柜、回层设备及站控屏。

图3 某C直流背靠背输电工程直流控制保护系统图双配置，每套保护均为二取二形式

图4 双回直流控制保护系统分层结构图

3.2 分层结构系统的各层功能分析

分层结构系统的各层有对直流场内所有直流开关、直流刀闸和地刀的操作、顺序控制及连锁，控制模式选择，后备双功率协调控制，后备功率调制控制，后备无功控制，与其他系统接口及与运行人员交互等回层执行单回直流系统与双极控制相关的控制功能。

3.2.1 极控制层的功能

极控制层是直流输电系统的核心，它对直流输电系统的启停控制，直流输送功率大小和方向的控制，保护故障时的换流站设备，对换流器及线路等各项参数进行监视，对直流场设备进行操作等交直流功率转换、直流功率输送全部过程的控制。

3.2.2 阀组控制层的功能

阀组控制层完成对直流电流控制，直流电压控制，熄弧角控制、阀触发控制，换流阀解闭锁控制，阀厅开关及阀厅联锁控制等12脉动换流阀组的高速闭环控制功能。

分层结构系统与常规单回直流控制保护系统的特点最大的区别在于，对控制保护系统提出了新的要求，在常规直流系统分层结构的基础上增加了双回直流协调控制功能，双回直流同址合建，并根据其要求既能够独立运行，同时还能够满足同步运行的特点，它可以将协调控制功能有双回功率协调控制、安稳调制控制、无功控制以及与其他系统接口和运行人员交互等功能，在双回层中得以实现。

4 直流保护系统案例分析

4.1 案例1

（1）以某直流工程直保护动作出口为例

该直流工程为背靠背直流输电工程，直流保护系统正常运行时为A套、B套系统运行，每套保护CPU1、CPU2采用二取二动作原则。故障时由于直流极线合并单元输出至直流保护B套CPU2的负极电流一直偏低，直流保护B套CPU2板的桥臂差动保护一直处于动作状态。现场对合并单元进行检修，在将合并单元柜1n装置断电后，直流保护未能闭出口，造成直流系统停运。

（2）直流保护B套误动，导致直流系统停运原因分析

通过对动作时刻监控后台SER报文以及桥臂差动保护动作分析其故障原因。由于合并单元送给直流保护B套CPU2的负极直流极线电流偏低，导致CPU2的桥臂差动保护动作。在合并单元断电前，保护装置两个CPU处于“二取二”与门出口逻辑状态下，保护没有发闭锁令。当合并单元断电后，CPU2和合并单元的通讯中断，直流保护装置判出测量回路异常后，仅闭锁了受影响的保护功能，没有将CPU2板的出口指令清除。在切换为“二取二”或门出口逻辑后，直流保护的闭锁指令发给了极控，极控收到闭锁直流后闭锁直流系统并跳闸。

（3）针对此直保护系统改进方案

改进方案一：在CPU检测到合并单元上送数据的品质异常或与合并单元通讯中断后，退出本CPU板的所有保护功能，同时将CPU2板的出口指令清除，然后再将本CPU功能闭锁的信息通知另一个CPU，此时另一个CPU保护元件可以独立出口，如图5所示。

图5 直保护系统改进方案一

改进方案二：每套保护采用“启动+动作”逻辑，“启动”和“动作”采用完全相同的逻辑和定值。两套保护装置运行时，只有两个处理单元中相同的保护功能动作后才允许出口。当仅剩余一套直流保护在运行时，为杜绝拒动，出口方式也可采用“或”逻辑出口。当合并单元上送模拟量出现品质异常时，仅闭锁本处理单元中相关的保护功能，本装置仍然采用“与”逻辑出口。

改进方案三：每套保护中两个处理单元按保护功能进行“与/或”逻辑出口判别。当两套保护装置都在运行时，如果某个处理单元的模拟量出现品质异常，闭锁本单元受影响的保护功能，另一个处理单元中相应的保护功能可以独立出口；其余不受模拟量品质影响的保护功能仍然采用“与”逻辑出口。当只有一套保护装置处于运行状态时，另一套装置的所有保护功能采用“或”逻辑出口。

4.2 案例2

（1）以某背靠背直流工程直保护动作出口为例

该直流工程为背靠背直流输电工程，直流保护系统正常运行时为A套、B套系统运行，每套保护CPU1、CPU2采用二取二动作原则。

该换流站某天将常规直流单元由闭锁至解锁，直流保护A套直流差动2段动作，发请求闭锁直流系统、跳开交流进线开关，常规直流单元由运行状态转备用状态。

（2）直流保护A套跳闸出口，直流系统停运原因分析

故障后对换流单元换流变保护、直流保护测量相关二次设备进行检查，发现换流单元直流保护屏A跳闸灯亮，显示“CPU1直流差动2段动作、直流差动2段动作CPU2）”；换流单元直流保护屏B跳闸灯亮，显示“CPU1直流差动2段动作”。

从波形分析出，换流单元二直流保护A报CPU1、CPU2直流差动2段动作：A屏在故障时间内，故障持续存在，CPU1、CPU2差动电流达到0.4961kA，大于1区直流差动2段定值（0.05p.u），换流单元直流保护A报1区直流差动2段动作，出口跳闸。而换流单元直流保护B的波形上得知，保护B套的只有CPU1直流差动电流大于差动定值，CPU2未到达动作值，基于出口原则，不满足“二取二”与门逻辑，故换流单元直流保护B报跳闸，但不出口跳闸。

进一步核查，发现故障原因为光学式CT远端采集模块的负输入端与CT及远端模块的外壳为等电位连接，信号线接反导致1号远端模块输入端被短路，同时模块外壳并接入分流器导致其他远端模块采样异常，导致直流保护A、B套的采样异常、差流不一致。

（3）针对此直问题的措施方案

对换流单元负极CT远端模块二次接线进行更正，确保接线正确；换流单元正极CT本体每次检修后，必须进行一次通流试验，确认合并单元、录波、控制及直流保护装置采样正确。

5 结语

本文对直流控制保护系统特点、直流控制保护系统的配置方式、分层结构系统配置及功能等进行深人分析，对目前直流工程中较常见的直流控制保护系统从保护范围及设计原则两个方面进行介绍，对配置方式、分层功能及特点进行了探讨，并对广西侧直流极线合并单元输出至广西柔直保护系统案例进行分析，得出每极两套控制子系统互为备用，各控制、保护子系统之间相对独立，可单独检修，这种既具有可靠性还具有经济性的常规直流工程直流控制保护系统配置方式。

[1]蔡晓越，山水鸿.特高压直流控制保护系统综述[J].上海电力，2011（2）.

TM76

A

2095-2066（2016）35-0105-03

2016-11-15

潘业源（1985－），男，工程师，大学本科，主要从事电网工程建设工作。