张北±500 kV柔性直流电网换流站控制保护系统设计

韩亮，白小会，陈波，张利，尹璐

(北京电力经济技术研究院，北京市100055)

张北±500 kV柔性直流电网换流站控制保护系统设计

韩亮，白小会，陈波，张利，尹璐

(北京电力经济技术研究院，北京市100055)

张北±500 kV柔性直流示范工程首次构建柔性直流电网，柔性直流电网内换流站的控制保护系统需要满足多换流站协调控制、直流线路故障保护及直流线路故障快速恢复等新要求，该文在传统直流换流站控制保护系统设计的基础上，提出柔性直流电网换流站控制保护系统设计方案。相比于传统直流换流站设计方案，该设计方案在源端换流站和受端换流站各配置一套站间协调控制设备，实现多换流站间协调控制;站内保护系统采用三取二方案，增配双重化的直流线路保护，实现直流线路故障快速隔离及恢复。提出的柔性直流电网换流站控制保护系统的整体技术方案，对同类工程的设计提供了完整的设计方法和思路。

柔性直流输电;柔性直流换流站;控制保护系统;直流电网

0 引言

国家电网公司提出全球能源互联网的发展理念［1］，全球能源互联网是“坚强智能电网发展的高级阶段，其核心就是清洁能源为主导，以特高压电网为骨干网架，各国各州电网广泛互联，能源资源全球配置，各级电网协调发展，各类电源和用户灵活接入的坚强智能电网［2］”。

柔性直流输电以全控型电力电子器件，即绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)为基础，电压源换流阀为核心，采用新型调制技术的直流输电技术［3-4］。柔性直流输电控制和运行方式简单、输出电压波形好、功率因数高［5-6］、能够快速独立控制有功与无功功率、快速实现潮流反转，其运行方式更加灵活。这些特点使得柔性直流输电技术在可再生能源发电并网、孤岛和城市供电、风力发电并网等方面得到了广泛应用［7］，相比于传统输电技术，柔性直流输电系统的综合优势非常明显。因此，柔性直流输电将是构建全球能源互连网的重要技术手段［8-9］，对坚强智能电网的建设和电网的经济、安全、可靠运行具有显著的促进作用。

目前，国内建设并投运多个柔性直流输电工程，包括广东南澳3端柔性直流输电工程［10-11］、浙江舟山海岛多端柔性直流输电工程［12-14］、上海南汇柔性直流输电示范工程［15］、大连跨海柔性直流输电科技示范工程［16］等。这些工程以多端柔性直流工程为主，并没有形成直流电网。

张北柔性直流示范工程在多端直流工程的基础上，首次构建柔性直流电网。相对于多端直流工程，直流电网中的每个换流站间都有多条传输线路［17］，在提高整个系统可靠性的同时，对直流电网内换流站的保护控制系统设计提出了新的要求。控制保护系统作为整个直流电网的核心，负责整个柔性直流电网的潮流控制、运行方式、故障保护等，柔性直流电网控制保护系统需要实现多换流站的协调控制、毫秒级时间内隔离直流线路故障并快速恢复运行。

本文针对张北柔性直流示范工程中的北京换流站保护控制系统设计进行介绍，主要包括北京换流站概况、柔性直流电网控制保护系统技术要求、控制保护系统整体方案、换流站控制系统、换流站保护系统。本文主要分析柔性直流换流站的控制保护系统设计，为柔性直流输电技术在全球能源互联网的应用提供建设性意见。

1 北京换流站工程概况

张北柔性直流输电工程选择在河北的康保、张北、丰宁建设3个±500 kV送端柔性直流换流站，在北京建设1个±500 kV受端柔性直流换流站，配置直流断路器、直流线路快速保护装置等关键设备，构建输送大规模风电、光伏、抽蓄等多种能源的四端环形柔性直流电网，如图1所示。

张北柔性直流示范工程的建设，能够解决大规模可再生能源的多点汇集和送出，提升清洁能源的高效利用和灵活消纳，实现可再生能源发电的源网协调友好互动。

张北柔性直流输电工程建设康保、张北、丰宁、北京4端，换流站容量分别为1 500 MW、3 000 MW、1 500 MW、3 000 MW;张北、康保换流站通过500 kV一级电压分别接入张北特高压站500 kV侧、康保500 kV变电站，两站分别装设2×1 200 MV·A的500 kV/220 kV联络变压器，本期一次建成;丰宁换流站π接丰宁抽蓄—金山岭双回500 kV线路。

图1 张北柔性直流电网示范工程示意图Fig.1 SchematicdiagramofZhangbei VSC-HVDCgriddemonstrationproject

北京柔性直流换流站为负荷站，由2个半桥式模块化多电平换流阀基本单元串联而成，基本单元分为三相，每相上、下 2个桥臂，每个桥臂串联 1组100 m H交流电抗器。每个基本单元通过3台单相换流变接于交流电网。每个桥臂中串联多个子模块，并有一定的冗余度，每个子模块可以独立控制，每相上、下2个桥臂的电压和等于直流母线电压。交流电压由每相中2个桥臂的子模块旁路比例来控制。

阀体正、负极出线分别接正、负极母线，中性极通过中性母线断路器与中性母线连接，中性母线通过直流高速开关经金属回流线与其他换流站中性母线连接。北京柔性直流换流站直流场主接线图如图2所示。

图2 北京柔性直流换流站直流场主接线图Fig.2 MainwiringdiagramofVSC-HVDC converterstationinBeijing

北京换流站基本运行方式主要有以下3种:

(1)对称双极运行方式;

(2)正500 kV加接地极或地线运行方式;

(3)负500 kV加接地极或地线运行方式。

2 柔性直流电网换流站控制保护系统技术要求

张北柔性直流电网工程接入含新能源的孤岛系统或弱系统，直流线路采用架空线路并采用环网结构，因此在潮流控制、运行方式、故障保护等方面对控制保护提出了更高的要求。在控制方面，需要考虑多换流站协调控制、交流系统接入协调控制等;在保护方面，需考虑直流线路故障超高速保护、线路故障快速恢复、保护分区等。柔性直流电网换流站控制保护系统设计框架及相关技术需求如图3所示。

图3 柔性直流电网换流站控制保护系统Fig.3 Protectionandcontrolsystemofconverter stationinVSC-HVDCpowergrid

柔性直流电网控制保护系统是整个直流电网的核心，负责整个电网的潮流控制、运行方式、故障保护等方面，相比于传统直流输电工程，其特殊技术需求如下详述。

(1)多换流站协调控制。柔性直流电网中的换流站通过直流线路网络状连接，在提高供电可靠性的同时，使柔性直流电网的运行方式复杂多变。柔性直流电网的控制保护系统为了维持柔性直流电网的稳定运行，需要对柔性直流电网中的换流器的运行特性、控制模式等进行协调，由于直流电网中惯性环节较少，要求控制系统的反应速度远高于交流电网，同时随着终端的增加，柔性直流电网的协调控制会更加复杂。这些新情况对柔性直流电网中多换流站协调控制提出更高要求。

(2)接入新能源孤岛、弱交流系统的电压、频率控制。电压和频率是交流系统稳定的重要特征，当新能源孤岛系统接入柔性直流电网时，换流站应向孤岛系统提供稳定的交流电压;当弱交流系统接入柔性直流电网时，换流站应具备有功和无功功率的紧急支撑能力。若换流站采用双极接线方案，除了需考虑换流站与交流系统间的协调控制外，还需要考虑2个极间换流器的协调控制。

(3)直流线路故障识别和超高速线路保护。在直流线路故障发生后，直流线路保护需要能够在故障电流上升至功率半导体器件关断能力限制值前切断电流，并且只隔离故障区域而不影响正常区域的运行。直流电网线路故障传播非常迅速，需要迅速隔离故障后才能尽快恢复。具有网络状结构的直流电网的故障线路判别的难度较大，但作为成功隔离故障的必要条件，首先需要选择可靠、灵敏的直流线路保护原理和算法，实现架空线路故障准确识别和故障选线。

(4)直流线路故障快速恢复控制。柔性直流电网采用的架空线发生雷击等瞬时性故障的概率较高，在直流电网线路保护动作实现故障隔离后架空线瞬时性故障可恢复，需要在短时间实现线路瞬时、永久故障2种故障的快速区分，重新恢复发生瞬时性故障线路的运行。直流线路故障快速恢复控制过程涉及换流器和直流断路器的控制过程。由于高压大容量柔性直流系统采用网络化接线方式，系统在重启动恢复过程中，各个换流器之间、柔性直流电网控制保护系统与直流断路器控制系统应协调配合，以实现直流线路在不同故障下的高效隔离，尽可能降低恢复过程中电压或功率波动引起的换流器或直流断路器的过应力。

(5)保护分区。直流线路保护并不是孤立存在的，直流线路保护需要与柔性直流电网中的其他保护相互配合才能实现柔性直流电网的安全可靠运行。这就需要对柔性直流电网进行保护区域和保护层次的合理划分，并确定直流线路保护在直流电网保护中的保护区域和保护层次。

3 换流站直流控制系统总体架构

柔性直流换流站监控系统具有监视、测量、控制、数据通信、运行管理等功能，是换流站运行人员对全站重要电气设备进行监视、控制的主要技术手段。本站按有人值班设计，既可作主控站运行，也可接收来自调度端的控制指令，作受控站运行。

系统采用模块化、分层分布式、开放式结构，由系统监视与控制层、控制保护层、现场IO层组成，并通过冗余的计算机网络将不同控制层的控制保护设备统一连接起来。系统按双重化和互为备用的原则配置，分层控制，硬件积木化、软件模块化，并具有良好的开放性和兼容性，满足换流站对监控系统的可靠性、实用性、安全性和可扩充性的要求，同时具有与站内其他智能化设备接口及处理的能力。

3.1系统监视与控制层

系统监视与控制层是运行人员进行操作和系统监视的 (superrisory control and data acquisition，SCADA)系统，属于运行人员控制系统，按照操作地点的层次划分为以下几个方面。

(1)远方调度中心通信层。将换流站交、直流系统的运行参数和换流站控制保护系统的相关信息通过通信通道上送远方调度中心，同时将监控中心的控制保护参数和操作指令传送到换流站控制保护系统。

(2)站内运行人员控制层。包括系统服务器、运行人员工作站、工程师工作站、站局域网设备、网络打印机等。其功能是为换流站运行人员提供运行监视和控制操作界面。通过运行人员控制层设备，运行人员完成包括运行监视、控制操作、故障或异常工况处理、控制保护参数调整等在内的全部运行人员控制任务。站内运行人员控制层设备主要包括数据服务器2台、站长工作站1台、运行人员工作站5台、工程师工作站1台、仿真培训工作站1台、计划检修工作站1台、保护及录波信息管理子站1台、谐波在线监测系统1套、远动通信设备(I区数据通信网关机2台，II区数据通信网关机2台，III/IV区数据通信网关机1台)、综合应用服务器2台、网络打印机系统1套及相应的网络设备。

(3)就地控制层。通过就地控制屏，完成对应设备的操作控制。

3.2控制保护层

控制保护层设备实现直流系统的控制功能。直流控制采用整体设计，包含了站间协调控制层、双极控制层和极控制层，如图4所示。控制保护层设备还包括交、直流站控系统(包括站用电控制和辅助系统接口)及换流变压器保护设备等。

图4 直流电网双极控制系统架构Fig.4 HVDCpowergridbipolarcontrol systemarchitecture

站间协调控制层可以对4个换流站进行总的协调，减少系统运行过程中投退换流器的扰动，降低站间通讯的负载率，当站间通讯失去时，通过设置在极控制层的不依赖于通讯的协调控制策略实现换流站的运行。为适应柔性直流电网运行方式复杂多变的需求，在换流站内配置一套站间协调控制设备，采用主备方式实现多换流站间协调控制。北京换流站站间协调控制系统与其余三站相互通讯，站间通讯需满足2 M带宽要求，延时不大于5 ms。

3.3现场I/O层

主要由分布式I/O单元以及有关测控装置构成。作为控制保护层设备与交直流一次系统、换流站辅助系统、站用电设备、阀冷控制保护的接口，现场I/O层负责和一次阀单元设备通讯，以及通过现场I/O层设备完成对一次开关刀闸设备状态和系统运行信息的采集处理、顺序事件记录、信息上传、控制命令的输出以及就地连锁控制等功能。

本站柔性直流控制系统按每极完全冗余的原则进行配置，且极1、极2控制完全独立。即每极有2套完全相同的控制柜构成冗余配置。冗余的范围包括信号输入/输出回路、电源回路、通信回路及直流控制系统装置。直流控制系统的冗余设计将确保直流系统不会因为任何控制系统的单重故障而发生停运，也不会因为某极的故障或检修而影响另一极的运行。

4 北京换流站保护系统

4.1换流站保护配置原则

(1)直流保护系统按保护区域分区配置，每一个保护区应与相邻保护区重叠，不存在保护死区。保证在任何运行工况下其所保护的每一设备或区域都能得到正确保护。

(2)直流系统保护按极设置，每极的直流保护应是完全独立的。直流保护的设计必须将直流系统停运率减至最小。

(3)直流保护和换流变压器保护采用三重化的冗余配置，冗余配置的保护装置应尽量采用不同原理，测量器件、通道及辅助电源等应独立配置。三重化配置的每重保护装置的出口应采用独立的“三取二”逻辑出口方式。

(4)直流线路保护采用完全双重化配置。

(5)在所有运行条件和运行方式下，保证直流控制、直流保护及交流保护之间正确配合。并尽可能地借助直流控制系统的能力去抑制故障的发展，改善直流系统的暂态性能，减少直流系统的停运。

(6)针对不同的故障状态，各种保护应合理采取报警、跳闸、重合闸、闭锁等不同的故障清除措施。

4.2换流站保护分区

换流站保护系统的目的是保护换流站免受来自外部故障、外部过电压的危害，在故障情况下，尽可能通过改变控制策略或者移除最少的故障元件，使得故障对系统和设备的影响最小。

北京换流站保护系统按保护区域分区配置，对保护区域的所有相关的直流设备进行保护，相邻保护区域之间重叠，不存在保护死区。按直流系统保护的配置原则，将本换流站直流保护系统分成以下几个保护区:(1)换流变保护区;(2)阀侧连接线保护区;(3)换流器保护区;(4)极保护区;(5)双极母线保护区;(6)母线保护区;(7)直流线路保护区，具体如图5所示。

图5 直流保护范围及分区Fig.5 HVDCprotectionrangeandpartition

换流变保护区主要对换流变压器进行保护。阀侧连接线保护区主要对换流变压器与换流器之间的连接线进行保护。换流器保护区主要对换流器、换流器与交流母线的部分连接线路以及桥臂电抗器进行保护。直流极保护区包括极高压母线区和中性母线区，主要是对极母线上的设备进行保护。双极保护区主要是对双极共用区域进行保护。母线保护区主要对直流母线进行保护。直流线路保护区主要对直流输电线路进行保护，每套直流线路保护采用光纤专用通道，直流线路保护单向信号传输延时需小于1.5 ms。

4.3保护措施

直流系统保护动作后用来清除和隔离故障的主要动作措施包括:报警、换流器闭锁、交流断路器跳闸并启动失灵、交流断路器锁定、控制系统切换、极隔离、极平衡、直流断路器跳闸、直流断路器重合闸、直流断路器启动失灵、直流断路器锁定等。

(1)直流线路重合闸及远跳功能。直流断路器重合闸功能和发远跳功能在线路保护装置中实现。直流线路保护检测到线路故障后，发出跳直流断路器命令，同时启动线路重启逻辑。针对瞬时性故障，两侧直流断路器跳开后，经过一段时间去游离(约200 ms)，重合直流断路器，线路重启成功;针对永久性故障，两侧直流断路器跳开后，经过一段时间去游离(约200 ms)，重合直流断路器，直流断路器合闸过程中检测到欠压过流，跳两侧直流断路器。本侧线路保护动作的同时，发远跳信号给线路对侧保护装置。

(2)直流断路器失灵功能。当线路保护发出跳开直流断路器命令的同时，发送直流断路器启失灵信号至给母差保护装置，在母差保护装置中实现直流断路器失灵保护功能。经过一定的延时后，直流断路器失灵保护检测到线路电流满足动作条件，直流断路器失灵保护动作，跳开本站交流进线及连接在该母线的所有直流线路。换流站保护系统针对不同的故障状态，会采取警告、报警、设备切除、再起动和停运等不同的故障清除措施。在所有运行条件和运行方式下，保证直流控制、直流保护及交流保护之间正确配合。并尽可能地借助直流控制系统的能力去抑制故障的发展，改善直流系统的暂态性能，减少直流系统的停运。

5 结论

本文对张北±500 kV柔性直流输电工程北京换流站的概况、控制保护系统整体架构、换流站控制系统、换流站保护系统进行了分析总结。

由于±500 kV柔性直流电网运行方式复杂多变，本设计方案在源端换流站和受端换流站各配置一套站间协调控制设备，采用主备方式实现多换流站间协调控制。±500 kV柔性直流换流站控制保护系统采用分层分布式结构，控制系统采用双重化冗余设计、三层结构(站间协调控制层、双极控制层和极控制层);保护系统采用三取二方案，三套保护中均配置换流站保护、直流线路保护，在三取二装置中增配双重化的直流线路保护。

作为目前世界上首个柔性直流环网输电工程，北京换流站保护控制系统技术方案的研究及相关结论为同类工程设计提供了借鉴和参考。

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(编辑 张小飞)

Control and Protection System Design of Zhangbei±500 kV Converter Station in VSC-HVDC Power Grid

HAN Liang，BAI Xiaohui，CHEN Bo，ZHANG Li，YIN Lu

(Beijing Electric Power Economic Research Institute，Beijing 100055，China)

Zhangbei±500 kV VSC-HVDC demonstration power transmission project is the first one to build VSCHVDC transmission power grid．The control and protection system for VSC-HVDC converter station has to meet the new needs of multi-station coordinated control，DC line fault protection and fast recovery of DC line fault．Based on the control and protection system design for traditional DC power converter station，this paper presents a design scheme of control and protection system for the converter station in VSC-HVDC power grid．Compared to the traditional one，the control system realizes multi-station coordinated control by configuring a set of coordinated control equipment in both of source side and receiving side converter station;the protection system follows the two-out-of-three principle，and realizes DC line fault fast isolation and restoration by configuring double DC line protection．Finally，this paper proposes the overall technical scheme of control and protection system of converter station in VSC-HVDC power grid，which can provide completed design method and ideas for the system design of similar projects．

VSC-HVDC;VSC-HVDC converter station;control and protection system;DC power grid

TM 77

A

1000－7229(2017)03－0042－06

10.3969/j．issn.1000－7229.2017.03.006

2016-11-25

韩亮(1987)，男，博士，工程师，主要研究方向为电力系统继电保护及其自动化;

白小会(1979)，女，大学本科，高级工程师，主要研究方向为电力系统继电保护及其自动化;

陈波(1985)，男，博士，工程师，主要研究方向为电力系统继电保护及其自动化;

张利(1970)，女，大学本科，高级工程师，主要研究方向为变电站设计及其自动化;

尹璐(1985)，男，博士，工程师，主要研究方向为交直流混合配电网关键技术。

国家高技术研究发展计划项目(863计划)(2015AA050102)

Project supported by the National High Technology Research and Development of China(863 Program)(2015AA050102)