浅析直流输电控制保护系统

浅析直流输电控制保护系统

徐成斯 ,陈洋宇

国网上海市电力公司超高压分公司 上海  200063  

摘 要：直流传输的稳定性对电力非常重要。从直流传输的组成结构和换向技术入手，分析了DC传输的控制和保护水平，并根据常见故障提出了直流传输的保护措施。

关键词：电力系统；直流产量；防护等级；控制保护

1变速器概述

1.1传输系统的概念

直流输电系统由直流线、逆变站、整流站、交流侧电力滤波器、直流侧电力滤波器、换流变压器、无功补偿装置、直流电抗器、保护和控制装置等组成。通常是双端直流输电系统，其中整流站和逆变站都属于换流站，交流电源和直流电源之间的转换可以通过整流站和逆变站实现，换流站是直流输电系统的重要组成部分。交流电首先由交流系统的送电端通过换流变压器送至整流器，完成交流电向直流电能的转换，然后直流电能通过线路输送至逆变器，逆变器将DC电能转换为交流电，最后输送至交流电力系统的受电端。

1.2换流站的换流技术

整流站和逆变站都属于换流站，其核心部件是换流器，通常由一个或多个基本换流单元组成，大多采用串联方式。电路中一般采用三相换流桥，常用的材料是晶闸管阀，也就是常说的晶体闸阀。变换器工作时，控制桥阀可以触发控制调节装置，改变触发相位，从而实现对DC传输功率、流经电阻的直流电流、直流电压瞬时值等的调节。同时，同一个触发脉冲可以控制所有桥阀的每个晶闸管。当三相电源的波形为对称正弦波时，线电压由负变正，经过零点时，脉冲会触发桥阀，使阀两端电压变为正，从而完成开阀动作。六个脉冲发生器可以独立地触发位于单桥变换器中的六个桥阀，使得交流正弦波可以刚好通过第一个周期。当线路电压达到下一个零点时，交流串电源开始触发第二个周期。但是工程上使用的大多是12脉波双桥变换器，因为12脉波双桥变换器可以产生脉冲较小的DC传输电压。

2 DC传输控制保护层

高压直流输电系统的控制根据层次的不同可以分为三个层次，即现场控制层、过程控制层和操作员控制层。

2.1现场控制层

现场控制层使交流/DC主设备能够进行本地控制，并通过硬线将交流/DC主设备与近设备接口相连，通过现场总线将交流/DC主设备与远设备接口相连。通过分布式I/O控制单元实现现场控制，包括高压设备联锁、控制命令输出、控制命令监视、SER事件生成、自诊断、二进制模拟信号预处理等功能。分层分布式控制系统可以通过现场控制级来实现。来自调度中心的控制命令通过高速局域网和现场总线传输，监控系统的实时数据逐层反馈，保证了主从系统的循环数据传输过程。

2.2过程控制层

过程控制层包括交流/DC站控制系统和极控系统，是DC传输控制系统的核心。交流/DC站控制系统的任务是顺序控制换流站的交流场和DC系统。为了避免DC输电系统因系统故障和系统维护而不可用，DC/交流站控大多采用冗余结构，由于其双重化配置，可以包含各级系统。polar控制系统在操作员下达命令后，发出稳定、有效、正确的功率设定值，执行所有与polar和转换器相关的功能，并为阀门和转换器提供所有控制功能。极点控制系统包括三个方面，即换流器控制(也称阀门控制系统)、极点控制和双极控制。其中双极控制可以实现与双极运行相关的所有控制功能。它在收到操作员的命令后，通过向极控制层传递相应的电流和极功率参考值，实现极间的功能协调，包括电流平衡控制、输电方向控制、稳定控制、极间电流传递和操作员功率参考值设定极点控制可以实现与极点相关的功能空间。接收到的命令来自双极控制层，然后生成用于变流器闭环控制的DC电压、电流和灭弧角的参考值。最终完成极电流协调、变流器协调、分接头控制、极解锁和锁定、空载加压和故障恢复等功能。阀门控制系统由漏水检测、防雷检测、光接收和发射、电源和接口、反向恢复保护控制单元等硬件组成，包括触发准备、负电压检测、反向恢复保护和关断状态四个阶段。

2.3运行人员控制层

操作员控制层实现操作员控制，包括常见的基本功能：用户管理、曲线显示、保护信息处理、谐波监测、报表处理、图形页面显示、自动功率控制、事件顺序记录、控制操作等。对于特高压直流系统，其启停、状态、运行、故障和辅助操作也可以通过操作员级实现。阀控工作站、操作员工作站和远动工作站均采用冗余配置实现双工作站，两个工作站相互配合，一个负责控制，一个负责刷新实时数据，可以在主设备故障后自动将备用切换到主状态，同时完成调度的界面切换。

3 直流输电系统的常见故障及保护

3.1 常见故障

造成DC输电故障的因素很多，包括系统设备的误操作、换相失败、雷电和污染物引起的绝缘失效等诸多因素。常见故障有电流中断、换相失败、触发脉冲丢失、短路等。

3.2 DC传输保护

3.2.1转换器保护。保护变频器的方式有很多，比如三角侧短路保护，星形侧短路保护。动作结果如下：锁定对应的极端紧急情况，关断对应换流变压器进线开关，关断高速中性母线开关，锁定触发脉冲。交流过程保护用于控制长期过载故障、逆变器短路后备保护和整流器短路后备保护。在短路、交流系统故障和通信问题的情况下，可以锁定相应的极，并且可以紧急断开换流变压器的进线开关。其他常见的有DC差动保护、星形差动保护和三角形差动保护。

3.2.2DC母线保护。常见的DC母线保护有高压DC母线差动保护、中性点DC母线差动保护、DC过流保护等。通过这些保护，相应极的紧急锁定、换流变压器进线开关的闭合、中性母线开关的闭合等。其中DC过流保护较为常见，其保护范围可覆盖整杆，可作为其他保护方式的后备保护手段。

3.2.3接地线保护。接地极线路保护包括接地极电流不平衡保护、中性母线差动保护、接地极过流保护、过电压保护、金属接地故障保护等。其动作后果包括锁定相应电极，发出报警信号，锁定操作电极等。

3.2.4 DC线路保护。DC线路保护包括开关保护和设备保护，其中设备保护方式包括行波保护、欠压保护、DC线路差动保护、交流/DC线路接触保护、远方站故障检测等。开关保护包括高速中性母线开关保护、高速接地开关保护、金属环开关保护等。

结语

通过对DC输电的组成结构和换流技术的分析，总结了DC输电保护的几个层次，包括普通换流器保护、DC母线保护、接地线路保护、DC线路保护等。以期为相关从业者提供参考。

参考文献

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