±800kV特高压直流输电控制保护系统分析.pdf

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高电压技术第38卷第12期2012年12月31日HighVoltageEngineering，Vo138，No12，December3120123277800kV特高压直流输电控制保护系统分析杨光亮。

，邰能灵，郑晓冬，朱云华。

（1上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海200240；2河南省电力公司，郑州450002；3国家电网公司运行分公司上海管理处，上海201413）摘要：

为探讨特高压直流（UHVDC）控制保护与常规高压直流（HVDC）控制保护的异同点，深入分析了特高压直流控制保护系统的独有特点。

以向上特高压直流输电工程为例，介绍了特高压直流控制保护系统的框架、配置特点以及与常规高压直流控制保护系统的异同，分析了特高压直流在功率补偿、阀组控制、换流单元的在线投退策略、融冰运行模式等方面控制算法的变化，最后阐述了基于常规高压直流保护改进的换流变压器压器饱和保护和最后断路器保护原理以及特高压直流特有的保护功能。

分析结果表明，特高压直流采用双12脉动阀串联结构，并增加了旁路开关等阀连接母线区，其一次系统接线的独有特点及更高可靠性的要求是特高压直流控制保护系统与常规高压直流控制保护系统有所区别的主要原因。

DCCS00特高压直流控制保护系统拥有控制UHVDC串联阀组的能力，增加了阀组之间的协调控制和保护，使特高压运行方式更具灵活性和多样性；特高压直流采用“三取二”保护原理和冗余的增强型时分多路复用（eTDM）总线，并较好地解决了主机死机的问题，整体可靠性更高。

关键词：

特高压直流（UHVDC）；控制保护；常规高压直流（HVDC）；阀组控制；融冰运行模式；三重化保护DO1：

103969jissn10036520201212027文章编号：

10036520（2012）12-327707Discussionof4-800kVUHVDCTransmissionControlandProtectionSystemYANGGuangliang，TAINengling，ZHENGXiaodong，ZHUYunhua。

（1SchoolofElectronic，InformationandElectricaIEngineering，ShanghaiJiaoTongUniversity，Shanghai200240，China；2HenanElectricPowerCorporation，Zhengzhou450002，China；3ShanghaiAdministrationBureauofStateGridOperationCompany，Shanghai201413，China）Abstract：

Toexplorethesimilaritiesanddifferencesbetweenthecontrolandprotectionsofultrahighvoltagedirectcurrentsystems（UHVDC】andconventionalhighvoltagedirectcurrentsystems（HVDC】，thecharacteristicsofUHVDCcontrolandprotectionsystemisanalyzedindetailFirstlytakingtheXiangjiabaShanghaiUHVDCprojectasanexample，weintroduceditscontrolandprotectionframework，configurationfeatures，anditssimilaritiesanddifferencescomparedwiththatofHVDCThen，weanalyzedthecontrolalgorithmchangesinUHVDC，suchaschangesinthecontrolalgorithmsofpowercompensation，valvecontrol，onlineinputandwithdrawalstrategyofconverters，deicingoperationmodeandsoonFinally，wediscussedtheconvertertransformersaturationprotectionandthefinalbreakerprotectionprincipleswhichweredevelopedbasedonHVDCprotection。

anddescribedthespecificprotectionfunctionsofUHVDCAccordingtotheanalysis，thedual12一pujsevalveinseriesadoptedintheUHVDCprojects，andthebypassbreakersaddedinthebusareaofvalveconnectinginwhichUHVDCisdifferentfromHVDCinprimaryconnectionsaswellasthehigherprotectionstandardforUHVDC。

arethemainreasonsthatcausethedifferenceofUHVDCprotectionsystemsfromHVDCAprotectionsystemDCCS00iscapableofcontrollingvalvesinseries，enhancingthecoordinationofcontrolandprotectionamongvalves，whichwillresultinmoreflexibilityanddiversityofUHVDCoperationsInthepresentedUHVDCprotectionsystem。

a”Twooutofthree”protectionprincipleandredundanteTDMbusesareadoptedinUHVDC，andtheproblemofmaincomputerstallingissolvedwell，ensuringthatthesystemhasmoreoverallreliabilityKeywords：

ultrahighvoltagedirectcurrent（UHVDC】；controlandprotection；conventionalhighvoltagedirectcurrent（HVDC）；valvecontrol；deicingoperationmode；tripleredundantprotection0引言在电气一次系统接线方面，与500kV高压直基金资助项目：

国家自然科学基金（51177066）。

ProjectsupportedbyNationalNaturalScienceFoundationofChina（51177066）流（HVDC）相比，-4-_800kV特高压直流（UH、）的主要区别在于每极采用了双12脉动阀串联的结构，并增加了旁路开关等阀连接母线区。

由于每个极都可以采用完整极或12极的方式运行，所以大大增加了运行方式的灵活性和多样性。

直流控制保护系统需要充分考虑串联阀组中的1个阀组单独检修运万方数据高电压技术HighVoltageEngineering行维护、另1个阀组正常运行的要求，以及由此带来的阀组之间的协调控制和保护。

本文以向家坝一上海（简称向上）特高压直流输电工程为例，首先介绍DCC800特高压直流控制保护系统以及特高压直流控制保护的配置特点，然后从控制系统结构、局域网（1ocalareanetwork，LAN）安全性、主机稳定性等几方面讨论特高压直流控制保护与常规高压直流控制保护的区别以及特高压直流在功率补偿、阀组控制、换流单元的在线投退策略、融冰模式等方面控制算法的变化，最后阐述了基于常规高压直流保护的改进以及特高压直流特有的保护功能。

1DOC800特高压直流控制保护系统介绍DCC8O0是ABB公司为4-800kV特高压直流而开发的新一代控制保护系统，该系统拥有控制UH）C串联阀组的能力，较好地解决了主机死机的问题，有着较高的整体可靠性，不用扩展就拥有8个LAN接口，能处理多个实时LAN。

奉贤站DCC80（）控制保护系统的配置如表1所示。

11主机性能向上DCC800特高压直流控制保护系统采用了拥有较高性能并产生较低热量的IntelCoreTM2DuoCPU以及新的传导冷却计算机，此散热技术是专为提高UHVDC的可靠性而设计的。

IX3C800主机采用自然对流方式来散热，这样可大幅度减少主机上的积灰。

表1奉贤站KI00控制保护系统的配置Table1ConfigurationofDCCS00controlandprotectionsysteminfengxiansubstation保护区域I）CCS00控制保护系统名称双极直流场极1直流场极2直流场极1高端阀厅极1低端阀厅极2高端阀厅极2低端阀厅双极控制保护BCPAB、双极保护BPC极1控制保护PCPIAB、极1保护PP1C、极1测量接口屏PMI1ABC极2控制保护PCP2AB、极2保护PP2C、极2测量接口屏PMI2ABC极1高端换流器控制保护CCPllAB、极1高端换流器保护CPllC极1低端换流器控制保护CCP12AB、极1高端换流器保护CP12C极2高端换流器控制保护CCP21AB、极1高端换流器保护CP21C极2低端换流器控制保护CCP22AB、极l高端换流器保护CP22C12eTDM总线常规高压直流MACH2（modularadvancedcontrolsystemforHVDCandSVC2ndedition）系统中的时分多路复用（timedivisionmultiplex，TDM）母线是单向母线，并使用高速测量信号。

2个数字信号处理器以点对点方式串联。

TDM母线为双重化冗余布置。

向上DCC800特高压直流控制保护系统采用了冗余的增强型时分多路复用（enhancedtimedivisionmultiplex，eTDM）总线来传输二进制信号和模拟信号。

二进制信号包括断路器命令、报警、指令、缓慢变化的模拟信号（如温度等）；模拟信号包括电流、电压等测量量。

每根光纤都可处理控制器局域网（controllerareanetwork，CAN）总线信息、同步信号以及像H2TDM母线一样传输的采样数据。

eTI）M采用了8b10b编码，提高了安全性，没有直流偏移，更加适合于光纤和高速连接，易于在硬件上生成时钟，允许高速定时。

单根光纤在每个方向均有40100Mbits带宽，采样频率可达0410MHz，支持精确的采样同步信号，并具有非常低的系统开销。

2特高压直流控制保护配置特点特高压直流控制保护配置有以下几个特点：

站内所有设备的监视、测量、控制等功能均由计算机监控系统实现，计算机监控系统采用模块化、分层分布式、开放式结构。

直流控制系统采用分层分布式结构，从采样单元、传送数据总线、主设备到控制出口按完全双重化原则配置。

换流站内2个极以及同一个极的2个12脉动阀组控制系统之间尽可能彼此独立配置。

特高压直流控制与保护主机配置相互独立。

特高压直流保护按数字式三重化原则冗余配置，3套直流保护装置的测量回路、电源回路、出口跳闸回路及通信接口回路均按完全独立的原则设计。

换流站内2个极以及同一个极的2个12脉动阀组保护系统之间应该独立。

3特高压与常规高压直流控制系统的异同31控制系统结构4-800kV特高压直流由于每极采用了双l2脉动阀串联的结构，并增加了旁路开关，所以需要增加一些特殊的控制功能，例如：

在任何方式下都可以从极中增加或移除换流阀；当极正在运行时，可以执行对其中1个换流阀的维护工作；当极正常起万方数据杨光亮，邰能灵，郑晓冬，等+_800kV特高压直流输电控制保护系统分析停或换流阀紧急闭锁时，可以执行旁路开关及其隔离开关的特殊动作顺序控制；极层的电流控制设备可以使每个换流阀的启动控制相互独立；可以执行双极的协调控制。

向上特高压直流控制系统的结构如图1所示，常规高压直流控制系统的结构如图2所示l3。

通过对比可以看出，常规高压直流没有1个单独的双极控制主机，双极控制功能分布到2个极控制中；而特高压直流实现了换流器层、极层、双极层控制的分离，这样设备故障最多导致1个换流阀退出，并能实现该退出换流阀与运行部分的最大可能的隔离4。

特高压直流控制系统针对换流阀的串联结构，提供了串联顺序控制、极层电流控制、换流器层的启动控制功能以及双极控制等特殊功能。

32LAN网安全性常规高压直流输电工程采用的是一个连接到所有计算机的双重化的LAN网，而向上特高压直流工程中串联的换流阀采用全新的双重化实时LAN，网络分区实现，通过防火墙连接来增加安全性，以防止运行人员操作失误和病毒攻击。

分片的实时LAN降低了现场总线的复杂性，使得维护工作更安全可靠。

33主机稳定性MACH2板卡的故障率通常比较低，尽管如此，IX；C800仍去掉了许多故障率相对较高的板卡。

向上特高压直流控制系统采用了冗余主机，A和B系统之间只有光纤连接。

摒弃了传统的应用层软件实现冗余切换的方案，控制A系统与B系统间的快速切换逻辑由基于现场可编程门阵列（FPGA）编程的硬件实现，响应时间Isth；低压阀组阀过流保护的动作方程为DL=max（IvyI，1wI，IN）Il。

式中：

、分别为高、低压阀组短路电流；Iv为YY换流变压器侧高压阀塔阀侧电流；1w为YD换流变压器侧高压阀塔阀侧电流；Ice为高压阀塔低压侧电流；凡YL为YY换流变压器侧低压阀塔阀侧电流；IDL为YD换流变压器侧低压阀塔阀侧电流；为低压阀塔低压侧电流；f、j胡分别为高、低压阀组动作定值。

62直流线路保护800kV特高压直流线路保护与_-4-500kV高压直流线路保护在原理上没有本质的改变，只是对暂态过程的不同需要进行研究以验证保护的具体实现是否合理，并对具体实现进行相应的改进。

具体可以通过动模仿真系统和数字仿真系统对800kV特高压直流线路故障的暂态特征问题进行研究并加以解决。

63极母线差动保护、中性母线差动保护在向上特高压直流工程中，极母线差动保护、中性母线差动保护引入了直流滤波器支路电流，以提高保护的性能，如更快的动作速度、更高的灵敏度、更简单的配合关系等。

若不引入直流滤波器支路电流，则虽然可以完成保护功能，但要对保护的性能做出牺牲，如必须抬高定值、延长动作时间以避免区外故障时保护误动，与其他保护的配合关系也要比引人直流滤波器支路电流变得更复杂。

64交流滤波器保护在常规高压直流工程中，交流滤波器保护是按大组配置控制保护装置的，存在着保护动作后扩大切除范围的隐患。

在向上特高压直流工程中，交流滤波器保护考虑按照交流滤波器小组配置，故障时只需切除相应的交流滤波器小组即可，从而缩小了故障影响范围。

7特高压直流特有保护功能71不平衡运行保护运行时，若2站投入的换流器数量不一致，则可导致系统不平衡。

不平衡运行保护通过检测直流电压来反映出2站投入运行的阀组数目，若阀组数目不一致，则超过一段时间后保护动作，通过强制停运换流单元来恢复平衡运行。

在开路试验时该保护退出。

72旁通对过载保护旁通对过载保护的目的是防止投旁通对过程中可控硅过载。

保护原理是检测旁通对投入时构成旁通的晶闸管的温度，若超过晶闸管承受能力，则保护动作闭锁相应阀组，重合旁通断路器和旁通刀闸，转为极隔离状态。

73阀连接母线区保护以及12脉动阀组旁路开关保护-Z-_800kv特高压直流系统增加了阀连接母线万方数据3282高电压技术HighVoltageEngineering2012，38（12）区保护和12脉动阀组旁路开关保护。

阀连接母线区保护用来检测每极2个12脉动换流器直流连接区域内的接地故障，通过测量高压换流器低压侧直流电流以及低压换流器高压侧直流电流，比较2个12脉动换流器直流连线上的2个直流电流，若大于整定值，则延时跳闸_2引。

在向上特高压直流工程中，阀连接母线区保护的动作方程为lI吣NfDC2Plf。

式中：

为高压阀塔低压侧电流；k为低压阀塔高压侧电流；J为动作定值。

12脉动阀组旁路开关保护主要是在高、低压换流器投入运行需断开旁路开关而旁路开关无法断弧时，重合此开关以保护设备。

在向上特高压直流工程中，令p一f：

一f或1p一fj眦一cI，则旁路开关保护的动作条件为开关在“分闸”位置或收到“分闸”命令，同时满足旁路开关保护的动作方程。

式中：

J为旁路开关电流；JDc为高压阀塔低压侧电流；为低压阀塔低压侧电流；ID。

为极中性线电流；Ip为动作定值。

8结论1）本文以向上特高压直流输电工程为例，介绍了DCC800特高压直流控制保护系统以及特高压直流控制保护系统的配置特点，详细讨论了特高压直流控制保护与常规高压直流控制保护系统的异同，阐述了基于常规高压直流保护的改进以及特高压直流特有的保护功能。

2）特高压直流双