交直流系统的控制和保护优化

26.11.1.1　主要设计思想

1）换流站按有人值班设计，交、直流系统合建一个统一平台的计算机监控系统，实现全站所有系统和设备的数据采集和处理、监视和控制、记录等功能，为运行人员提供良好的操作界面和数据统计分析等应用功能；

2）计算机监控系统采用站控层、控制层和就地层三层结构，控制层和就地层设备完全双重化配置。

3）根据±800kV特高压直流换流站中每个极的每个换流单元能够实现自动投退的工程特点，直流控制保护系统在设备配置、控制策略、保护分区上应保持各个换流单元的控制保护设备和功能的相对独立性；

4）高压直流保护与控制系统分开独立，双重化或多重化配置，在功能和组屏上两个极的保护系统完全独立，每个极两个换流单元的保护系统也完全独立。

5）高压直流控制保护系统既能适用整流运行，也能适用逆变运行。

6）交流开关场控制层设备与就地层设备集成在一起按串组屏，集中布置于就地继电器室内；交流滤波器组的控制设备按大组配置、控制与保护设备相互独立、交流滤波器的保护装置按照滤波器大组双重化配置。站用电源系统控制层设备与就地层设备集成在一起组屏，布置于就地的继电器室。控制与保护设备相互独立。

7）直流控制保护系统能够满足本工程融冰和阻冰方案的技术要求。

26.11.1.2　计算机监控系统

换流站内交、直流系统合建一个统一平台的计算机监控系统，实现全站所有系统和设备的数据采集和处理、监视和控制、记录等功能，为运行人员提供良好的操作界面和数据统计分析等应用功能。

1）系统结构

采用模块化、分层分布式网络结构，整个系统由站控层、控制层以及就地层（分布式数据采集系统I/O接口设备）三层构成，站控层与控制层设备之间通过双光纤以太网连接，控制层和就地层设备之间通过光纤或大容量的高速现场总线连接。典型的换流站计算机监控系统的配置见图26-25。

2）系统功能

（1）控制方式

换流站的控制方式按分层控制的要求进行设计，且在任何情况下，系统只能有一个控制位置的操作控制方式起作用。可以包括以下控制方式：远方调度中心控制方式，换流站运行控制室的运行人员控制方式，监控系统控制层设备屏上的就地控制方式和就地层设备控制方式在设备本体或附近的二次系统控制盘上进行现场手动或电动操作。

（2）操作功能

正常运行中，运行人员通过操作员站实现对站内所有控制操作对象设备的实时操作功能，并具备全站设备的操作联锁功能。

（3）顺序控制、调节和联锁功能

监控系统根据高压直流系统运行方式的转换以及控制模式的切换要求实现自动顺序控制、调节和联锁功能。

（4）SCADA系统的监视功能

包括系统主接线以及UHVDC系统运行接线方式的单线图，高压直流系统的监测信号，交流系统的监测信号，设备状态信号，事件顺序、中央报警记录和趋势记录。

（5）数据采集和处理功能

监控系统对高压直流场、交流场以及站内所有辅助系统的一次和二次设备实现实时数据采集和处理功能，就地数据采集及控制系统采用分层、模块化结构，分为控制系统和控制接口两层，从I/O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。

（6）站间SCADA系统通信功能

通过SCADA系统冗余配置的网桥实现与对侧换流站SCADA系统之间的通信。

（7）其他功能

主要包括事件追忆功能、报表生成及打印输出、管理功能、运行人员模拟培训以及系统仿真功能等。

3）系统设备配置

（1）站控层

配置高性能的、实时的站控系统，为运行人员提供站级的控制、监视、测量和管理等功能，同时通过站控系统的网络接口设备接入电力数据通信网，实现电网调度自动化功能。

站控层设备布置在主控制楼的运行控制室和站控制保护设备室，站控系统配置所有必需的工作站以及打印机等设备，运行人员可在工程师站上对监控系统进行功能组态，通过操作员站的显示器和键盘，完成站内交、直流设备正常的控制、开关的分/合及投切操作，以及设备运行状态的监视、测量、记录并处理各种信息；以主控站工作时，也可控制对侧站相关设备的操作。

图26-34　典型的换流站计算机监控系统的配置

（2）控制层

控制层设备实现控制区域内设备的就地站控制、顺序/调节控制以及联锁、合闸同期等功能，双重化配置。

控制层设备经双光纤以太LAN网与站控层设备通信，通过高速现场总线或双光纤以太LAN网与就地层设备交换数据。

直流开关场的控制层设备与高压直流控制系统集成在一起，极、双极的控制系统均独立配置，每个极的控制层设备在功能和组屏上按极、换流单元分别配置，控制与保护主机分开。

阀冷却控制设备按阀组配置，与就地层设备集成在一起组屏，双重化配置，安装在相应的阀冷却室。

交流开关场控制层设备双重化按控制区域就近布置就地继电器室内，与就地层设备集成在一起组屏。

（3）就地层

就地层设备实现与一次设备的连接接口，其采样模块将采集到的现场信号进行滤波、隔离、A/D转换、标度变换等初步处理后，经高速现场总线或双光纤以太LAN网将数据传送至各相关控制区域的控制系统，同时，就地层设备接收各相关控制系统的控制命令，实现对控制对象的实时控制或调节功能。

就地层设备采用分层、模块化结构，从I/O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，采用分布式布置，就近安装在主回路设备附近的二次设备房间。

就地层设备在功能和组屏原则上按双极、极、换流单元（阀和换流变压器）分别配置，以适应每个极单极运行或1/2单极运行方式的要求，便于不同运行方式下的设备操作、管理和维护。

交流开关场就地层设备双重化按控制区域就近布置就地继电器室内，与控制层设备集成在一起组屏。

26.11.1.3　高压直流控制和保护系统

±800kV特高压直流换流站的控制保护系统的设计原则与±500kV常规直流换流站工程没有本质的区别，±800kV特高压直流换流站每个极由两个串联的换流单元组成、每个换流单元配置独立的旁通断路器和隔离开关实现该换流单元的自动投退功能，因此在控制策略、保护分区以及设备的配置上应尽可能保持各个换流单元的控制保护设备和功能的相对独立性，在满足各种运行方式下的技术性能和功能要求下尽可能方便运行维护人员对控制保护设备的调试、操作和维护。

高压换流站直流控制和保护设备应采用基于微处理器以及数字信号处理器的各标准功能模块。控制系统采用分层、分布式结构。直流控制保护系统的所有硬件和软件均为完全双重化或多重化配置，具有完善的自检功能和切换逻辑，保证系统运行的安全性和可靠性，使设备的维护工作量减到最小。

极、双极各自的控制和保护系统均相互独立，各极的高端换流单元和低端换流单元的控制和保护系统亦相互独立。某极或某一换流单元的故障或检修不影响另一极或另一换流单元的运行。

直流输电保护系统与控制系统关系密切，它们之间的紧密配合才能快速抑制故障发展、确保系统设备安全、避免扰动、迅速恢复系统，控制保护系统在最短的时间内，以最小的扰动将故障元件隔离出去，提高运行稳定性。在三—常、三—广直流输电工程中，直流控制和直流保护系统在硬件上是作为一体化设计的，统一组屏。

根据我国电网系统的管理模式和运行习惯，要求直流控制系统和保护系统分开独立，在三-沪直流输电工程中尝试了直流控制和保护主计算机分开独立，但仍然安装在一面柜中，通过统一的数据采集单元实现与一次设备的接口。±800kV换流站的控制保护系统控制和保护系统分开独立，按不同的设计原则配置、组屏。

1）高压直流控制系统

高压直流控制系统采用分层分布式配置原则，两个极和每一极的每个换流单元的控制设备配置完全独立，并从I/O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。(www.xing528.com)

直流输电系统的基本控制模式拟包括：双极功率控制模式、极功率独立控制模式、应急极电流控制模式、同步极电流控制模式、紧急功率回降/提升控制模式、极全压/降压运行控制模式、极功率倒送控制模式、极线路空载加压试验控制模式、无功功率控制模式、低负荷无功优化控制模式、融冰控制模式和阻冰控制模式等。

±800kV特高压换流站直流控制系统的控制层设备在功能上按双极、极、阀组（换流单元）配置。双极与各极的控制层设备、每个极的控制层设备和每极的高、低端阀组的控制设备物理上均完全独立。高压直流系统控制层根据特高压直流系统阀组串联的特点，分为双极控制层、极控制层、换流器控制层，并在双极和极控制层之间、极控制层和换流器控制层之间配置专用控制网络。

双极控制层实现双极的联闭锁、双极功率控制、双极功率转移控制、两极间电流平衡控制、双极的无功控制等功能。极控制层实现极的起/停、极的解/闭锁、协调极的功率/电流控制、极的电压/触发角控制、极的顺序控制与联锁、分接头控制、故障处理控制、极的站间通讯与极间通讯等功能。换流单元控制层实现换流单元阀组的触发控制、产生阀组触发脉冲、换流单元阀组的起/停、解/闭锁、换流单元阀组的投入/退出、换流单元层的顺序控制与联锁、阀组过负荷监视等功能。

2）特高压直流保护

（1）特高压直流保护配置原则

特高压直流保护按保护区域设置，每一个保护区与相邻保护的保护区重叠，无保护死区。

每个保护区域的保护应至少为双重化配置。

在设备配置上尽可能简化各功能区域保护设备之间的接口关系，易于维护，既保证可靠性，又保证安全性。

两个极的保护完全独立配置，故障极的保护在双极运行中不影响另一极的正常运行。

每个极的换流单元保护完全独立配置，任一个换流单元的元件故障不影响该极另一个换流单元的正常运行。

（2）特高压直流保护的分区

根据保护区域以及功能要求，特高压直流保护一般的分为：高端换流变交流引线保护区（极1、极2）、低端换流变交流引线保护区（极1、极2）、高端换流变压器保护区（极1、极2）、低端换流变压器保护区（极1、极2）、高端换流器保护区（极1、极2）、低端换流器保护区（极1、极2）、直流线路保护区（极1、极2）、极直流母线保护区（极1、极2）、直流滤波器保护区（极1、极2）、双极开关场保护区和直流接地极线路保护区等。

（3）特高压直流保护的配置方案

为了提高特高压直流保护系统的安全性和可靠性，每一个设备或保护区都至少配置2套以上的独立保护，每套独立的保护均为性能完善的保护，尽量使用不同的原理、测量器件、通道和电源。在不能使用不同原理的场合，保护电路就应按多重化配置，以保证在任一主保护拒动时能将设备安全停运，当主保护未能检出故障时，后备保护能检出故障。两个极和每极的两个换流单元的直流保护配置相互完全独立。

根据各保护区域故障影响范围配置保护功能，简化各功能区域保护设备之间的接口关系，便于维护人员对各区域设备（包括一次、二次设备）的检修、调试，尽可能减少区域故障的影响范围。

（4）直流线路故障定位系统

直流线路故障定位装置是一个独立的设备，安装在直流线路的两端。它探测直流线路瞬时和永久性故障，计算确定故障发生的位置。

故障定位装置接收公共的校时信号，不设专用的卫星时钟接收器。直流线路故障定位装置配置独立的站间通信通道，以实现直流线路的准确定位。

（5）直流暂态故障录波系统

直流暂态故障录波系统布置在站设备室。它包括若干个数据采集单元。用于录波高压直流系统所有电压互感器和电流互感器的二次测量，同时也包括换流变交流侧的电流，该系统通过布置在运行人员控制室的故障录波分析主站与站内计算机监控系统进行通信。该主站为高压直流故障录波和交流故障录波所共有。

26.11.1.4　交流元件保护

交流元件保护包括换流变压器保护、交流滤波器组保护、站用变压器保护、备用站用变保护等。其中换流变压器保护列入直流控制保护系统；交流滤波器保护用于保护交流滤波器组引线区域及各小组设备，包括交流引线保护以及滤波器小组保护；其他的元件保护与交流站类似。

26.11.1.5　阀冷控制保护系统

阀冷却控制保护系统是双重化配置，就近布置于阀冷却设备室内。主要实现水泵的控制（包括冷却水泵、补给水泵、二次循环泵、喷淋水泵等各种泵的控制）和温度控制（主要包括了冷却风扇、并联电动阀门、电气加热器等的控制）。

对阀冷却系统的各主要环节的温度、流速、水位、导电率、压力、设备状态等参数进行实时监测，所有的报警信号均传送至站控系统，以更新报警信号表。

在保护功能上主要包括温度保护、流速保护、泄漏保护、压力保护、水位保护、导电率保护等。

26.11.1.6　控制楼、就地继电器室

根据电气总平面布置，两个高端阀厅独立布置，两个低端阀厅背靠背布置，主控制楼布置在两个低压阀厅处。两个极的低端阀组的控制保护设备以及阀冷却、辅助电源等辅助设备布置在控制楼内，两个低端阀厅巡视通道直接与主控制楼相连，运行维护方便。两个极的高端阀组的控制保护设备以及阀冷却、辅助电源等辅助设备布置两个辅控楼内。设置就地继电器室，布置交流设备的控制保护设备，与交流站类似。

26.11.1.7　辅助系统

1）直流电源系统

可采用110V或220V直流工作电压。蓄电池组事故放电时间按两小时考虑。

在正常操作条件下，两套蓄电池和两个充电器均带一部分设备负荷，蓄电池和充电器容量按带供电范围内全部设备负荷的要求选择。

根据特高压直流换流站各阀组相对独立的特点，全站一般配置6～7套直流电源系统。其中，4组阀组各配置1套直流电源系统，双极的控制保护设备和站公用设备配置1套站用直流电源系统，交流场控制保护设备配置1～2套直流电源系统。

2）交流不停电电源系统

全站配置两套交流不停电电源系统（UPS），互为备用，为SCADA系统的工作站、打印机、远动设备以及站内故障录波器、电能计费关口表等重要的负荷提供高质量的可靠的交流电源。

交流不停电电源系统与站公用设备蓄电池系统相连，不设专用的蓄电池。

3）站内通信

站内电话通信系统用于站内的调度和生产管理通信，站内电话通信系统与系统调度通信系统合用交换机。

4）智能辅助控制系统

为了保证换流站安全运行，便于运行维护管理全站统一配置1套智能辅助控制系统，综合实现图像监控、火灾报警、技防、照明、环境监测等系统的智能联动控制。站内运行人员和远方调度通过智能辅助控制系统的统一管理平台和人机交互界面，对站内各子系统进行集中监测和管理，实现变电站对各子系统所要求的功能。

5）变压器油气绝缘在线监测系统

监测分析系统可对油中溶解气体，至少包括氢气H2、乙炔C2H2、乙烯C2H4、甲烷CH4、乙烷C2H6、一氧化碳CO、二氧化碳CO2等7种气体，以及微水H2O进行实时在线和连续监测。

监测分析系统包括在线检测绝缘油中气体含量和色谱分析诊断两部分，系统为运行维护提供决策信息，确定设备是否继续运行或需要检修维护等。

26.11.1.8　抗电磁干扰二次设计

换流站的交/直流开关场高电压的电磁环境将对二次回路产生严重的干扰，而二次回路均为数字式设备，大量采用了电子器元件，并且将就地控制及数据采样设备下放到就地开关场的继电器室内或一次设备附近，因此，二次设备抗电磁干扰就更为突出。在二次回路的设计需采取有效的抗干扰措施：

1）二次设备的软、硬件在制造、设计上应具备较强的抗干扰能力，采取如光电隔离、变压器耦合电磁隔离等措施，在雷击过电压、一次回路操作、开关场故障及其他强干扰作用下，在二次回路操作干扰下，装置包括测量元件、逻辑控制元件，均不误动作；涉及高压配电装置的电缆应采用辐射状敷设，尽量避免与高压导线并行敷设；二次回路电缆采用屏蔽电缆，屏蔽层良好接地；

2）就地继电器室和主、辅控楼及其各功能房间均采取屏蔽措施；

3）数据采样设备与一次设备之间的接口采用双层屏蔽控制电缆；

4）直流控制保护系统、计算机监控系统等设备之间的通信均采用光纤设备；

5）测控屏及保护屏内装设截面不小于100mm2的专用接地铜排，各接地铜排与继电器室的接地网紧密相连，继电器室接地网与主接地网通过1点、4根截面不小于50mm2的铜缆相连；

6）开关场至继电保护室的电缆沟内沿电缆敷设方向敷设截面至少100mm2铜排。