特高壓多端直流工程龍門換流站直流控制保護系統分析

朱云峰，陳 越，黃 維

（中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司廣州局，廣東 廣州 510405）

0 引 言

柔性直流輸電技術相比于傳統直流輸電技術，主要優(yōu)勢在于沒有無功補償問題、沒有換相失敗問題、可以為無源系統供電、可同時獨立調節(jié)有功功率和無功功率、諧波水平低、適合構成多端直流系統以及占地面積小。

柔性直流輸電技術的主要應用領域包括遠距離大容量輸電、異步聯網、海上風電場接入電網、分布式電源接入電網、向海上或偏遠地區(qū)供電、構筑城市直流配電網以及提高電能質量向重要負荷供電[1]。

昆柳龍直流工程采用±800 kV特高壓三端混合直流系統，輸送容量8×106kW，送端為云南昆明昆北換流站，受端為柳州柳北換流站和廣東惠州龍門換流站，直流線路全長1 452 km，途經云南、貴州、廣西以及廣東4個地區(qū)。它將世界第七大水電站——烏東德水電站的水電送抵粵港澳大灣區(qū)電力負荷中心，輸送容量占烏東德水電站的80%。

昆柳龍直流工程采用LCC作為功率集中輸送端、多個MMC作為多落點受端構建混合多端直流輸電系統，輸電容量大，運行方式復雜，可靠性要求高。直流輸電的控制保護系統是直流輸電的“大腦”，是直流輸電系統安全、可靠、穩(wěn)定運行的保障。它負責控制交、直流功率轉換與直流功率輸送的全部過程，并保護換流站所有電氣設備以及直流輸電線路免受電氣故障的損害，是系統正常、穩(wěn)定運行的基礎。

1 龍門換流站直流控制保護系統的組成

龍門換流站直流控制保護系統從功能上可分為閥組控制層、極控制層、雙極控制層和多端協調控制層。直流控制保護系統均采用完全雙重化設計，包括I/O單元、控制主機及現場控制LAN網等?？刂票Ｗo系統的冗余設計可確保直流系統不會因為任一控制系統的單重故障（N-1）而發(fā)生停運，也不會因為單重故障而失去對換流站的監(jiān)視。另外，雙極控制功能可以集成在極層控制設備中，也可在直流站控設備中實現。龍門換流站控制保護系統采用南瑞繼保自主研發(fā)的新一代PCS-9550系列直流控制保護系統，總體上分為以下幾個子系統。

1.1 直流站控系統

龍門換流站直流站控系統的主要功能是完成數據采集與處理、模式選擇、直流場順控與聯鎖、第三站在線投退以及線路重啟協調控制等，其中多端協調控制功能由站控裝置實現，在3個站均配置，協調各端的有功/電流。

1.2 極控制系統

龍門換流站極控制系統主要控制交直流功率轉換與直流功率輸送的全過程，主要功能包含直流電壓、電流、頻率的測量及直流功率的計算，以及極順序控制、極功率/極電流控制、雙閥組分接開關同步、站間通信、在極控中實現的線路再啟動邏輯、直流零電流檢測、空載加壓試驗保護以及不平衡運行保護等保護性監(jiān)控功能。

1.3 閥組控制系統

龍門換流站閥組控制系統的主要功能包含完成換流器控制系統的內外環(huán)控制、順序控制、分接頭控制以及保護性監(jiān)視功能，完成與SCADA-LAN、站層控制LAN（STN-LAN）的接口，完成與運行人員工作站、遠動工作站的通信，完成冗余系統間及高、低端換流器間通信，完成與極控系統、換流器保護系統、主時鐘系統以及現場總線的接口。

1.4 直流系統保護

直流系統保護主要包括交流連接母線保護區(qū)、換流器保護區(qū)、直流極保護區(qū)和直流雙極保護區(qū)。對柔性直流保護而言，烏東德工程中一次主回路與以往工程存在較大差異：龍門站閥區(qū)出口配置HSS高速并聯開關，橋臂電抗器布置于直流側，橋臂電流測點位置布置于閥與橋臂電抗器之間，新增了柔直變壓器網測電壓測點和啟動電阻支路電流測點[2]。雙閥組結構的柔性直流VSC站保護分區(qū)示意圖如圖1所示，龍門站測點布置示意圖如圖2所示。

圖1 雙閥組結構的柔性直流VSC站保護分區(qū)示意圖

2 龍門換流站直流控制保護系統的硬件配置

2.1 保護主機裝置

保護主機裝置主要是完成保護系統的各項保護運算邏輯，將保護動作信息傳送到極控系統和三取二裝置，完成與運行人員工作站和遠動工作站的通信，完成與極控系統、后臺錄波、主時鐘和現場I/O的連接。

2.2 I/O采集單元

I/O采集單元主要是完成對現場直流開關和刀閘位置狀態(tài)的采集監(jiān)視，并通過CAN總線將狀態(tài)信息傳送到保護主機裝置。

2.3 三取二裝置

三取二裝置主要接收各套保護裝置和非電量跳閘的分類動作信息，進行三取二邏輯判斷，出口實現跳雙閥組換流變開關和部分保護分合直流開關動作的功能。三套保護與三取二邏輯構成一個整體，三套保護主機中有兩套相同類型保護動作被判定為正確的動作行為，才允許出口閉鎖或跳閘，以保證可靠性和安全性[3]。

3 龍門換流站與其他直流在控制保護系統上的對比

3.1 硬件平臺

天廣直流、高肇直流和興安直流工程采用西門子的SIMADYN D系統，楚穗直流和糯扎渡直流工程采用SIMATIC TDC系統，而龍門換流站控制保護硬件系統采用南瑞生產的PCS-9550系統，硬件處理能力更強，可為后期應用功能擴展留有較大裕度。

3.2 多端協調控制功能

烏東德直流輸電的控制除了實現各自運行方式的基本控制模式外，新增了多端協調控制功能。該功能由站控裝置實現，在3個站點均配置。在任意時刻只有一個作為主站，其余兩個為從站。多端功率/電流指令協調示意圖，如圖3所示。協調控制功能主要包括：當受端其中一端由于故障而退出時，調整剩余端的有功功率/電流指令，維持系統的有功平衡和直流電壓穩(wěn)定；穩(wěn)態(tài)下對各端的有功功率/電流進行分配，保證各端的功率都在設計容量內[4,5]。

圖3 多端功率/電流指令協調示意圖

3.3 分接頭控制模式

常規(guī)直流分接開關用來維持點火角或閥側電壓在合適范圍內，還用于對應閥側的交流空載電壓的恒定。龍門站分接開關用于補償逆變側交流系統的電壓變化，從而維持換流器調制比或閥側電壓在合適范圍內，還用于在換流器預充電時減小充電電流。

3.4 閥組控制層

換流器層的控制功能由閥組控制系統實現，是整個換流器層和連接極層的控制系統。柔性直流換流器的控制由外環(huán)控制和內環(huán)控制組成，與常規(guī)直流存在明顯差異。其中，外環(huán)控制產生參考電流指令，內環(huán)控制根據矢量控制原理經一系列處理后產生換流器的三相參考電壓，生成調制波發(fā)送閥控系統用于柔直閥工作。

4 結 論

本文以烏東德電站送電廣東廣西輸電工程為背景，描述了烏東德直流龍門換流站的直流控制保護系統的配置原則、主要功能和關鍵控制保護技術，并與其他南方電網超高壓所轄換流站進行對比，主要結論如下。

（1）基本控制策略。通過電壓、電流裕度控制器，能可靠實現啟動、停運、穩(wěn)態(tài)運行、第三端在線投退、閥組在線投退及多運行方式的轉化。

（2）測量系統。對于并聯型多端直流輸電系統測量點布置來說，在每站每極高低閥組之間增加了一個直流電流測量點，在匯流母線區(qū)的換流站直流線路增加了直流電壓和電流測量點。

（3）控制保護系統配置。特高壓多端直流輸電系統的控制保護系統，配置原則與以往特高壓直流輸電工程類似，主要區(qū)別在于需增加多端協調控制層。三端協調控制層可以獨立配置物理設備，也可在直流站控設備或者極控設備中實現相關功能。