南方电网直流输电系统站间通信应用研究

中国南方电网超高压输电公司 王旭峰

南方电网直流输电系统站间通信应用研究

中国南方电网超高压输电公司 王旭峰

目前南方电网超高压输电公司有±800 kV云广和±500 kV天广、高肇、兴安共4条直流输电通道，西电东送能力达1 480万kW。天广直流输电系统采用国电南瑞继保PCS-9550直流输电控制保护技术，云广、高肇、兴安直流输电系统采用西门子直流输电技术。直流控制保护系统分别采用PCS-9550、SIMADYND、SIMATIC TDC模块化装置，整流站与逆变站间存在大量的数据交换，可以满足直流的快速调制、功率反转和对应的极与极间的控制与保护等要求。为完成直流站间控制，保护数据传输，直流站控制保护系统需依托南方电网通信主干网。直流控制保护系统、通信主干网传输设备等各环节运行状况直接影响直流输电系统的安全稳定。

本文，笔者研究了直流站间通信通道构成，分析了与直流系统业务通信通道相关的南方电网光纤传输骨干网不同检修运行工况下对直流输电系统运行的影响，为南方电网主干通信网运行方式提供参考，对高压直流输电系统的安全稳定运行有积极的影响。

一、直流输电系统的功能

直流输电系统包括直流输电控制系统和直流保护系统两部分，各部分功能如下。

1. 直流输电控制系统功能介绍。直流输电控制系统采用模块化的多功能处理器系统，主要分为直流站控（DCSC）、极控（PC）、交流站控（ACSC）等系统，楚穗直流还含有组控（GC）系统。直流站控系统按站配置，全站配有2套相互冗余的直流站控系统，主要实现双极层的控制功能；极控系统按极配置，每极配有两套相互冗余的极控系统，主要实现极层的控制功能；组控系统按阀组配置，每个阀组配有2套相互冗余的组控系统，主要实现换流器层的控制功能。

直流输电控制系统除了实现各种运行方式的基本控制模式外，还包括各种基本的控制器和限制器等。控制系统具备把直流功率、直流电流、直流电压及换流器触发角、熄弧角等被控信号保持在直流一次回路设备的稳态极限之内所需的一切特性。控制系统把暂态过电流及过电压两者都限制在天广直流的一次设备极限范围内，在交流或直流系统故障后，可以在规定的时间内平稳地恢复送电。

2. 直流保护系统功能介绍。直流保护系统一般分为直流换流器保护、直流母线保护、接地极线路保护、直流线路保护、高速开关保护、直流滤波器保护、换流变压器保护、平波电抗器保护等。

天广、高肇、兴安双极直流系统分别配置三套保护系统装置，均采用模块化处理系统，跳闸出口经过“三取二”逻辑后，完成整个直流保护系统的动作出口。直流保护3套系统均具备与对站DUST通信功能，传送直流线路电流IdL。直流保护系统出口采用“三取二”模式，当一套系统退出运行时，自动转为“二取一”模式，当两套系统同时退出运行时，自动转为“一取一”模式。“三取二”直流保护逻辑见图1。

二、直流输电系统站间通信功能

高肇、兴安直流站间通信通道主要分为极控及直流保护站间通信通道、直流LAN网站间通信通道。极控及直流保护站间通信通道、直流LAN网站间通信通道经西门子PCM 1、西门子PCM 2设备复用后分别接入南方电网传输网A、网B传输至对端换流站，完成直流系统控制保护、交直流站控及LAN网间数据交换。高肇直流站间通信通道见图2。

天广直流站间通信通道在设备的层次结构中属于极层，采用双重化冗余配置，分别经南方电网骨干通信网A、网B传输。每极站间通信设备都与另一极的站间通信设备在电气及物理结构上分开，因此每极的运行都是独立的。

天广直流输电工程站间通信通道由直流极控、直流保护、直流站控和 数据采集与监视控制系统（SCADA）系统站间通道组成，各通道均使用单独2M通道传输。

云广直流站间通信通道种类与高肇、兴安直流类似，不同之处是云广直流取消了PCM设备，而直接通过南方电网传输网A、网B传输至对端换流站，完成直流系统控制保护、交直流站控及LAN网间数据交换，减少了中间环节，运行可靠性大大提高。

三、站间通信通道中断对直流输电系统运行的影响

1. 站间通信通道对极控系统的影响。通过查阅资料及现场试验分析，当某极控系统主备通道同时故障时，将影响本极的下列主要控制功能。

（1）控制系统无法实现电流指令的站间通信与协调。此时，系统将进入应急电流控制，由整流侧设定直流电流参考值，逆变侧以实测直流电流作为其参考值，跟踪实测电流的变化。

（2）逆变侧保护动作请求移相功能无法实现。

（3） 保护动作或其他停运信号无法通过控制通道传递到对站。

（4）直流稳定调制的功能将受影响，直流功率快速变化时，逆变侧将不具备瞬时电流裕度。

（5）逆变侧线路故障再启动功能被闭锁，只有整流侧检测到线路发生故障时才会启动直流重合。

（6）逆变侧的功率限制功能被闭锁，但直流功率和电流追踪功能仍能维持稳定运行，低负荷下的无功优化功能被闭锁。

2. 站间通信通道对直流保护的影响。两换流站直流保护系统之间，有大量的信息需要传送，主要有以下数据：直流电流设定值Idref；直流线路电流测量值；紧急停运（ESOF）命令；闭锁命令；直流线路保护动作命令。当某一系统主备通道同时故障时，影响下列保护功能：某一保护系统主备通道均故障时，对应系统逆变侧的直流线路保护动作信号、换相失败信号、交流低电压信号、保护动作或其他停运信号无法传送到对侧。

（1）保护系统主备通道均故障时，对应系统的直流线路低电压动作延时将采用站间通信故障情况下延时定值。

（2）对于高肇、兴安、楚穗直流输电系统，查阅西门子软件设计报告可知，由于直流电流值经通信通道传输存在延时，直流线路差动保护在计算两站直流电流差值之前，将本站直流线路电流延时一定时间后再与对站电流值进行差值比较。对于天广直流输电系统，则未做延时设置，按照《天广直流输电系统设计规范书》及工程经验值，各通道传输时延小于35 ms，即满足直流控制保护对通信通道的要求。各直流系统电流延时设定见表1。

表 1 各直流系统电流延时设定 ms

通信通道传输时延与直流线路纵联差动保护配合存在一定关系，当差流设定值、出口动作时间满足要求时，直流线路差动保护存在误动或拒动的可能。但由于天广、高肇、兴安、楚穗直流出口动作时间为500 ms，通信通道传输时延小于出口动作时间500ms，便不会对直流线路差动保护有影响。

由于通道时延ΔT的存在，西门子直流系统直流线路差动保护差流计算时将本站电流进行延时设定，这将进一步影响差流ΔIdL值计算的准确性。

目前南方电网公司范围内高肇直流、楚穗直流站间通信通道采用自愈环方式，天广直流、兴安直流未采用自愈环方式，设计原则不统一。通过站间通信通道中断试验，得知直流输电系统站间通信通道可以应用自愈环，自愈环的应用可大大增强直流站间通信通道的可靠性，同时也将为后续直流工程通信通道配置提供参考。