特高压直流控制保护系统设计与开发

贺 春，吴 东，孙广涛

（1.国网天津检修公司 天津 300232；2.国网潍坊供电公司 山东 潍坊 261021）

特高压直流控制保护系统设计与开发

贺 春1，吴 东1，孙广涛2

（1.国网天津检修公司 天津 300232；2.国网潍坊供电公司 山东 潍坊 261021）

随着特高压技术的发展，直流输电凭借其优越性而被广泛应用。针对当前直流输电出现的控制保护难点，文中通过对特高压直流输电一般使用的主回路接线方法的研究，分析了特高压直流控制保护的技术要求。较详细地分析了该类系统结构特点、控制方法、控制手段的设计和保护整定。此外，具有针对性的对特高压直流控制保护系统做出了一个较为科学的设计。

特高压；直流输电；控制保护；设计

特高压输电相比于常规输电，有着远距离、容量大、损耗小的优势，有利于我国的能源战略新发展，可以有力的促进我国电力能源的地区配置，加快社会经济的发展。建设特高压电网不仅可提高我国的电力建设水平，还能为电工制造业带来产业型的大发展。而800 kV直流输电技术领域仍处于研究阶段，对于特高压直流电力传输而言，迫切需要一种安全系数更高的控制保护系统。一般情况下，特高压直流输电使用的接线是通过两个12脉动换流器相串联而组成的一个单极。在采用此类接线模式下，要求提高直流系统安全有效性，需要运用更为先进的控制保护手段。包括系统的整体结构设计，控制策略的逻辑设定，控制方式的设置及保护配的优化和改良[1-2]。

1 直流输电基本原理

1.1 基本要求

通常800 kV直流输电主回路，如图1所示。每个12脉动换流器之间是独立开来的。若有单个12脉动换流器发生异常现象，系统控制程序便会断开两侧的直流旁路开关，保证故障不影响系统的整体运行。并在故障处理完成后，控制程序必须在另一个12脉动换流器正常工作时，将去除故障的12脉动换流器并回主回路中[3]。整个工程中，控制系统必须严格按照设定程序进行，最大程度的减小对交直流系统的干扰。这就是特高压直流工程控制的主要难点。

稳态情况运行的时候，控制系统需要保持两个串联的换流器能够稳定对称运行。在技术限制的情况下，难免会有测量精度不高以及控制误差，所以需要更高要求的控制逻辑来避免同极的一个换流器以最小触发角运行，而另外一个换流器却处于额定电流控制下的稳态的不正常情况。经过试验仿真研究表明，这种状况下两个换流器端电压差很高，可能达到50 kV以上，这是很危险的状况。所以，必须极力防止出现由于系统的设备故障引起的直流线路单极脱离运行的状况[4-5]。

图1 特高压主回路接线

1.2 系统控制策略

直流系统的电流是由整流环节中的闭环控制系统来确定的，换流变抽头控制则是保证换流器运行触发角的角度正确性。逆变侧则相反，闭环控制确定熄弧角的值，而换流变抽头是为了控制调整直流电压。但受硬件条件限制，抽头控制的连续性差，逆变侧时直流电压的控制误差不仅包括测量误差，还加上抽头的步长造成的偏差。所以，为了减小抽头误差可使用非同步抽头控制来保证不同电压端的换流[6]。

2 结构系统设计

2.1 控制系统的结构配置原则

1）系统的保护与控制要分开配置。包括两者的系统主机、换流变和交直流滤波器。

2）系统的分层结构是以单个的12脉动换流单元为标准进行保护和控制，每个换流单元的控制与保护是独立开来的，这样才能保证设备的正常运行不受干扰。

3）要求保证控制保护系统中的元件出现损坏时，直流系统中的各个12脉动单元能继续正常使用。

4）当主系统的控制元件出现异常时，12脉动控制单元能在特定规则下保持当前工作状态。

5）控制系统设置双重化。对于各个测量回路，包括信号输入输出回路，主机系统，设备中的直流控制装置以及阀冷却系统均必须使用严格的双重配置。

直流控制系统的控制功能上分为3层，分别是双极控制层、换流器控制层和极控制层。

具体设计结构如图2所示。从图中可以看出，12脉动阀组控制层必须每个阀组独立开来，并使用独立的主机。而双极控制层与极控层则要求较低，若不单独配置，也可以共用一个控制主机[7]。

2.2 特高压直流控制的功能分层

1）双极控制层。可调整系统的无功功率，对极功率/电流进行运算，极间功率的改变。

2）极控制层。具有低压限流控制能力，可进行电流的补偿；对极电流的大小进行控制；协调好极的电流电压量[8]。

3）换流器控制层。控制是否发出脉冲触发点火触发角及换流器的触发角调整与反馈。

2.3 换流器投退控制

对于主流的换流器投退策略有两种。第一种是根据换流器的端电压来进行控制；第二种是使用固定触发角进行控制。前者换流器介入时触发角接近90°，这样会在系统中产生较大的无功功率。后者触发角为70°，这种方式对系统影响较小，但旁路开关的通断时电流较大[9]。

图2 特高压直流控制保护系统的整体结构

3 关键的特高压直流保护的分析

特高压直流输电主回路使用双12脉动的阀组进行串联，为了更好的提高系统运行的灵活性和可用率，需要灵活使用多种接线方式。因此，特高压系统要求配置可靠的直流保护系统。直流保护系统结

图3 直流保护系统简图

构如图3所示，主要进行：换流器保护、直流母线保 护、地极引线保护、直流线路保护和开关保护等[10]。

3.1 换流器保护（5区）

1）换流器三角侧短路保护

IACΔ-min （IdH-IdN）＞Δset，IACΔ 作为系统中换流变二次绕组三角侧的电流，IdN则是中性母线侧的电流；Δset是整定值，IdH是换流器高压母线侧电流。保护动作时，系统闭锁相应极、跳开相应换流变的开关，同时断开高速中性母线开关。

2）换流器星型侧短路保护

IACY-min （IACΔ-IACY）＞Δset，IACY 是换流器的变压器中二次绕组星型侧的电流。保护动作时同上一个保护。

3）交流过流保护

max（IACΔ，IACY）＞Δset（1，2，3，4）其中，Δset（1，2，3，4）分别为4段整定值。前两段过流是长时间过负荷时的整定。第3段是逆变器短路的一个后备保护整定。第4段是在整流器和直流短路后系统整定的后备保护。保护时，系统闭锁对应的极，同时断开该路换流变的开关[11]。

3.2 直流母线保护（6区）

1）高压直流母线差动保护

|IdL-IdH|＞Δset，IdL 是高压直流回路中的电流，Δset保护整定值。保护时，系统闭锁对应极，同时断开该路换流变的开关，断开该极的中性母线开关。另外，在逆变侧保护时还要投入旁通对。

2）中性直流母线差动保护

|IdN-IdE|＞Δset（1，2），IdE 是中性线路侧电流，Δset（1，2）是两段整定值。保护时，闭锁对应极，断开该换流变和该极的中性母线开关。

3）直流过流保护

IdH＞Δset（1，2，3，4），setΔ （1，2，3，4） 分 别 为 4段整定值。该保护包括了整个极和该极其他保护后备保护。1段、2段是直流短路保护，3段、4段是作为在长期过负荷启用的后备保护。这一保护在发生通信异常和线路故障时均保持正常。在保护时，闭锁对应极，断开该换流变的开关[12-13]。

3.3 接地极线路保护（8区）

1）中性母线差动保护

|IdE-Idee|＞Δset，IdE 是中性线路的电流，Idee 是接地极线路的电流，Δset是整定值。IIdE和Iee的计算方法因运行方式而异，如双极、单极大地返回或单极并联线路模式时：

IdE 为|IAE1-IAE2|；Idee 为|Idee1+Idee2|；Idee1、Idee2 是接地极的分支线路的电流[14]。若是金属返回模式则是 IdE 为|IdE1-IdE2|；Idee 为|Idee1+Idee2+Idee4+IdLotbetpote|。 保护时，若是双极模式，只会报警，而在其他模式下便会闭锁极。

2）接地极电流不平衡保护

|Idee1-Idee2|＞Δset，Δset是整定值。 保护时，双极模式下会报警，若是其他模式则会闭锁对应极。

3）接地极过流保护

|Idee1|＞ΔsetOR|Idee2|＞Δset，Δset是整定值，保护时闭锁运行极。

4 结束语

文中通过对特高压直流输电的主线路分析，设计了控制保护系统的框架，其中系统控制方式和保护的使用等，提出了一个合理的控制保护系统方案，并对其各个层次细分结构进行了较为详细的介绍。较好的解决了特高压直流输电控制保护的核心问题，即对12脉动换流器的投退和故障工况进行控制，以及运行稳态时如何控制串联的两个12脉动换流器的对称性[15-16]。

[1]张尧，房宣合，胡烈良，等．特高压直流输电系统阀组投退策略[J]．高电压技术，2010，36（8）:1858-1864．

[2]房宣合．特高压直流输电系统阀组投退策略研究[D]．广州:华南理工大学，2010．

[3]陈小军，何露芽，孙杨，等．±800kV特高压直流与±500kV常规直流控制保护系统比较分析[J]．华东电力，2012，40（3）:462-466．

[4]胡铭，田杰，曹冬明，等．特高压直流输电控制系统结构配置分析 [J]．电力系统自动化，2008，32（24）:88-92．

[5]邱丽霓．特高压直流输电无功配置与电压稳定研究[D]．北京:华北电力大学，2010．

[6]马为民，聂定珍，曹燕明，等．特高压直流换流站系统优化设计[J]．高电压技术，2010，36（1）:26-30．

[7]周静，马为民，蒋维勇，等．特高压直流工程的可靠性[J]．高电压技术，2010，36（1）:173-179．

[8]朱韬析．提高南方电网直流保护动作可靠性的建议[J]．电力系统保护与控制，2010，38（5）:64-67．[9]刘耀，刘翀，曾南超，等.向—上特高压直流输电工程换流变压器压器充电失败分析[J].电力系统自动化，2011，35（17）:103-106.

[10]李前，李鹤，周一飞，等.±800kV直流输电系统换流站直流电流互感器现场校准技术[J].高电压技术，2011，37（12）:3053-3058.

[11]束洪春，田鑫萃，董俊，等.±800kV云广直流输电线路保护的仿真及分析[J].中国电机工程学报，2011，31（31）:179-188.

[12]严兵，李俊霞，张又琣.特高压直流保护专有功能概述[J].电力系统保护与控制，2009，37（12）:73-75.

[13]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）:99-101.

[14]杨万开，印永华，曾南超，等.向家坝—上海±800kV特高压直流输电工程系统调试技术分析[J].电网技术，2011，35（7）:19-23.

[15]田杰，曹冬明，李海英，等.提高特高压直流输电控制保护系统可靠性研究[C]//郑州:中国电机工程学会年会，2006.

[16]张骥，汤元会.基于PI调节的高稳定度交流信号源设计 [J]．纺织高校基础科学学报，2014，27（2）：267-270.

HVDC control and protection system design and development

HE Chun1，WU Dong1，SUN Guang-tao2
（1.State Grid Maintenance Company in Tianjin，Tianjin 300232，China；2.State Grid Power Supply Company Weifang，Weifang 261021，China）

With the development of ultra high voltage technology，DC power transmission is widely used because of its superiority.In view of the current of HVDC control and protection，this paper UHV DC transmission project.The main circuit wiring characteristics，analyzes the HVDC control protection system and conventional DC difference and special requirements，and of the control and protection system overall structure，control strategy，stratification and redundancy，control function allocation and protection configuration conducted a comprehensive analysis and research，and puts forward the HVDC control protection system design scheme.

Extra High Voltage； DC transmission； control protection； design

TN99

A

1674－6236（2017）17-0050-04

2016-07-07稿件编号：201607064

贺 春（1976—），男，山西大同人，硕士，工程师。研究方向：电力系统运维管理。