浅析直流输电控制保护系统

刘谞

摘 要：直流输电的稳定性对于电力方面至关重要，文章从直流输电的组成结构及其换流技术出发，结合直流输电的控制保护层级进行分析，根据常见的故障提出直流输电的保护措施。

关键词：电力系统；直流输出；保护层面；控制保护

1 直流输电概况

1.1 直流输电系统概念

直流输电系统由直流线路、逆变站、整流站、交流侧电力滤波器、直流侧电力滤波器、换流变压器、无功补偿装置、直流电抗器以及保护、控制装置等构成，通常是两端直流输电系统，其中整流站和逆变站属于换流站，通过整流站和逆变站能够实现交流电力和直流电力的转换，换流站是直流输电系统比较重要的组成部分。首先由交流系统的送电端将交流功率通过换流变压器送到整流器，完成交流功率到直流功率的转化，然后将直流功率通过线路传输到逆变器，逆变器又会将直流功率转化为交流功率，最终传输到交流电力系统的受电端[1]。

1.2 换流站的换流技术

整流站和逆变站都属于换流站，他们的核心元件都是换流器，通常由一个或者是多个基本换流单元组成的，多采取串联模式，其中电路一般应用三相换流桥，较为常用的材料为可控硅阀，即常说的晶闸阀。当换流器进行工作的时候，控制桥阀能够触发控制调节装置，改变了触发相位，从而达到直流输送功率、流经电阻的直流电流、直流电压的瞬时值等的调整。与此同时，同样的触发脉冲能够控制所有桥阀的每一个可控硅元件，在三相电源的波为对称正弦波的时候，线电压从负到正，经过零点时脉冲会触发桥阀，使得阀两端的电压均变为正电压，完成阀开通的动作。六个脉冲发生器能够各自独立的完成对位于单桥换流器中六个桥阀的触发，使得交流正弦波刚好能够经过第一个周期，在线电压行进到下一个零点的时候，交流弦电源开始触发第二个周期，但是在工程上所应用的多为十二脉的双桥换流器，因为十二脉双桥换流器能够产生更小脉波的直流输电电压。

2 直流输电控制保护层

直流输电系统的控制根据层级的不同可以分为三个层面，即现场控制层、过程控制层、运行人员控制层。

2.1 现场控制层

现场控制层使得交直流主设备能够在就地进行控制，通过硬线将交直流主设备与较近距离的设备接口进行连接，通过现场总线将交直流主设备与较远距离的设备接口进行连接。通过分布式的I/O控制单元实现现场控制，包括高压装置的联锁、输出控制命令、控制命令的监控、SER事件的产生、自诊断、二进制模拟量的预处理等功能。通过现场控制层面能够实现控制系统的分层式、分布式，来自调度中心的控制命令经由高速LAN和现场总线进行传达，监控系统的实时数据在逐层反馈，保证主系统、从系统的循环数据传输过程[2]。

2.2 过程控制层

过程控制层包括交流/直流站控制系统和极控系统，是直流输电控制系统的核心组成。交流/直流站控制系统的任务是顺序控制交流场和换流站直流系统，为了避免系统故障和系统维护导致的直流输电系统不可用，所以直流/交流站控制多采用冗余结构，因其具有双重化配置，能够包含各个层面的系统。极控系统在运行人员下达命令后，发出稳定、有效、正确的功率定值，执行与双极、换流器相关的所有功能，为阀和换流器提供全部控制功能。而极控系统包括三方面，即换流器控制（也称阀控系统）、极控制、双极控制，其中双极控制能够实现与双极运行相关的所有控制功能，在接收到运行人员的命令以后，通过给极控制层传送相应的电流、极功率参考值，实现两极之间的功能协调，包括电流平衡控制、功率传输方向控制、稳定控制、极间电流转移、运行人员功率参考值设定等功能[3]。

极控制能够实现与极相关的功能空中，接收的命令来自于双极控制层，然后产生换流器闭环控制的直流电压、电流、熄弧角控制参考值，最后完成极电流协调、换流器协调、分接头控制、极解锁闭锁、空载加压、故障恢复等功能。阀控系统由漏水检测、避雷检测、光接收发射、电源及接口、反向恢复保护控制单元等硬件组成，包括触发准备、负电压检测、反向恢复保护、关状态四个阶段。

2.3 运行人员控制层

运行人员控制层实现运行人员的控制，包括常见的基本功能：用户管理、曲线显示、保护信息处理、谐波监控、报表处理、图形页面显示、自动功率控制、事件顺序记录、控制操作等。对于UHVDC系统来说，其启停、状态、运行、故障以及辅助操作也可通过运行人员层面实现。阀控工作站、运行人员工作站、远动工作站均采用冗余配置实现双工作站，两个工作站相互配合，一个负责进行控制，另外一个负责刷新实时数据，在主设备出现故障后可自动将备用的切换为主状态，同时完成调度的接口切换[4]。

3 直流输电系统的常见故障及保护

3.1 常见故障

引起直流输电故障的因素比较多，包括系统装置的误操作、换相的失败、雷电和污染物引起的绝缘失效等诸多因素；常见的故障有电流中断、换相失败、触发脉冲丢失、短路等。

3.2 直流输电保护

3.2.1 换流器保护。换流器的保护方式比较多，如换流器的三角侧短路保护、星型侧短路保护，其动作结果为：将相应极紧急闭锁，将相应换流变压器的进线开关断开，高速中性母线开关断开，闭锁触发脉冲。交流过程保护，用于长时间超负荷故障的控制，逆变器的短路备用保护，整流器的短路备用保护，在发生短路、交流系统故障、通信问题时候不会跳闸的情况，通过交流过程保护能够紧急闭锁相应的极并断开换流变压器的进线开关。另常见的也有直流差动保护、星型侧桥差保护、三角侧桥差保护等[5]。

3.2.2 直流母线保护。直流母线保护常见的有高压直流母线差动保护、中性直流母线差动保护、直流过流保护等，通过这些保护能够实现相应极的紧急闭锁、换流变压器进线开关的关闭、中性母线开关的关闭等，其中直流过流保护应用较为常见，其保护范围能够涵盖整个极，能够作为其他保护方式的备用保护手段。

3.2.3 接地极线路保护。接地极线路保护包括接地极电流不平衡保护、中性母线差动保护、接地极过流保护、过电压保护、金属接地故障保护等，其动作后果有将相应极闭锁、发出报警信号、将运行极闭锁等[6]。

3.2.4 直流线路保护。直流线路保护包括对开关的保护和对设备的保护两种，其中设备保护方式有行波保护、低电压保护、直流线路差动保护、交直流碰线保护、远方站故障检测等；开关的保护有高速中性母线开关保护、高速接地开关保护、金属回线开关保护等。

4 结束语

通过文章对于直流输电的组成结构及其换流技术的分析总结了几个层面的直流输电保护方式，包括常见的换流器保护、直流母线保护、接地极线路保护、直流线路保护等，旨在为相关从业人员提供参考意见。

参考文献

[1]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[J].高電压技术，2012（12）：3277-3283.

[2]李延龙，杨亚璞，李楠.高压直流输电控制保护系统的冗余可靠性研究[J].电力系统保护与控制，2009（16）：59-62.

[3]王徭.特高压直流输电控制与保护技术的研究[J].电力系统保护与控制，2009（15）：53-58+64.

[4]张望，黄利军，郝俊芳，等.高压直流输电控制保护系统的冗余设计[J].电力系统保护与控制，2009（13）：88-91.

[5]石岩，韩伟，张民，等.特高压直流输电工程控制保护系统的初步方案[J].电网技术，2007（02）：11-15+21.

[6]梁旭明，吴巾克，冀肖彤.国家电网公司直流输电工程控制保护系统运行情况分析[J].电网技术，2005（23）：7-10+17.