DPS—5000直流输电控制保护系统设计方案

范子强 许朋见 吴庆范 曹 森 郝俊芳

（许继电气股份有限公司，河南 许昌 461000）

0 引言

我国能源资源与电力负荷需求呈“逆向分布”，能源资源主要分布在西部、北部，而电阻负荷主要分布在中部、东部[1]。在这一背景下，国家提出“西电东送”的发展计划，目的在于合理配置资源、优化能源结构。直流输电作为国家实施“西电东送”战略的关键技术，有望在我国的电网建设中和电力资源优化配置方面发挥重要作用[2-5]。

和交流输电相比，直流输电具有输送容量更大[6-7]、输送距离更远、走廊占地更少、单位容量造价更低的优势。现阶段我国已建成三十余项直流输电工程，是世界上直流输电工程数量最多、电压等级最高、输送容量最大的国家。根据《电力发展“十三五”规划（2016—2020）》[8]，“十三五”期间扎鲁特—青州特高压分层接入直流、锡盟—泰州特高压分层接入直流、张北到北京柔性直流、渝鄂背靠背柔性直流等直流输电工程已投入运行，此外，仍有多条特高压直流输电工程已经获得核准批复。

直流输电控制保护系统是直流输电工程的核心技术。目前国外直流输电控制保护系统主要以ABB和SIEMENS的产品为主[9-10]，在向上工程中，采用ABB公司的DCC—800控制保护系统；在云广特高压工程中，采用西门子公司的WIN-TDC控制保护系统。国内直流输电控制保护系统主要以南瑞继保和许继电气的产品为主，南瑞继保的PCS9550直流输电控制保护平台在哈密—郑州、酒泉—湖南、上海庙—山东等直流输电工程中得到应用，许继的DPS—3000直流输电控制保护平台在宜宾—金华、晋北—南京、锡盟—泰州等直流输电工程中得到应用[11]。

我国的直流输电控制保护技术经历了从技术引进、消化吸收、自主研发等阶段的发展，现在已经步入技术升级、更新换代的阶段。DPS—5000作为新一代的直流输电控制保护平台，采用紧凑化设计，具有体积更小、性能更优、抗干扰能力更强、运行更稳定的特点。

1 直流输电控制保护设计原则

1.1 直流输电工程拓扑结构

我国的直流输电工程以长距离直流输电为主，长距离直流输电按电压等级可分为高压直流输电和特高压直流输电，高压直流输电工程和特高压直流输电工程拓扑结构类似，特高压直流输电工程每个极多串联一个12脉动换流器。特高压直流输电工程典型拓扑如图1所示。

图1 特高压直流输电工程典型拓扑

1.2 直流输电控制保护系统设计原则

根据长期工程设计经验[12]，总结出直流输电工程控制保护系统设计原则为：

1）直流控制保护系统应采用标准的通信规约和开放的网络结构，换流站其他辅助系统能方便接入直流控制保护系统。

2）直流控制保护系统应独立配置，控制和保护系统的采集回路应相互独立。控制保护系统采用模块化设计，应当将任一元件故障造成的影响范围降至最小。

3）直流控制、交/直流站控系统按双重化冗余结构配置，即从数据采集到数据传输再到控制系统出口均要按完全双重化原则配置。运行人员控制系统中的服务器、站局域网（local area network, LAN）等按双重化冗余结构配置，其余设备要考虑足够的串行冗余度，并确保任何单一设备故障不影响直流系统的正常运行。

4）换流站设置有运行人员控制室。两端系统一般采用“一个站合并运维、一个站调度运行”模式，全站监控系统信息处理能力和容量应满足合并运行的要求。

5）换流站远动信息应直送国调（总调）中心、备调、网调、省调。远动信息传输采用双平面数据网接入方式。

6）直流保护系统按三重化原则冗余配置，采用“三取二”跳闸逻辑，以保证直流系统保护的可靠性，确保不拒动不误动。交流滤波器保护一般采用双重化冗余配置，采用“启动+动作”的跳闸逻辑。

7）直流系统的保护应确保每一装置或保护区域在任何运行方式下都能被正确地保护，任何单一元件的故障不应导致保护的误动。任何冗余的直流保护都应采取相应的防误动措施，但防误动措施不能依赖双重化保护的切换实现。保护每一重的测量回路、电源回路、出口跳闸回路及通信接口回路均按完全独立的原则设计。

8）换流站通过网络安全监测装置采集换流站监控层的服务器、工作站、网络设备和安防设备自身感知的安全数据及网络安全事件，实现对网络安全事件的本地监视和管理[13]。

2 DPS—5000控制保护主机

基于直流输电控制保护设计原则，结合十余年直流输电控制保护系统开发经验，研制了DPS—5000紧凑型控制保护主机，相较于上一代的DPS—3000直流输电控制保护主机，对处理器性能、总线及背板性能、标准接口设计和远程维护等进行了升级。

2.1 紧凑型控制保护主机

基于直流输电控制保护系统的需求，研制了标准4U的主机，以紧凑型极保护主机为例，机箱配置如图2所示。

图2 紧凑型极保护主机

相较于DPS—3000控制保护主机，DPS—5000控制保护主机在主机尺寸、背板总线性能、主处理器板卡、信号处理器板卡、高速控制总线等方面的性能有了显著提升，具体对比见表1。

表1 DPS—5000主机与DPS—3000主机主要性能对比表

除了以上方面的提升，DPS—5000系统在标准接口设计、远程维护管理、系统构架、链路延时等方面也进行了升级，更能满足未来直流输电控制保护系统尤其是柔性直流输电控制保护系统的要求。

2.2 处理器和总线性能提升

DPS—5000控制保护主机主处理器板卡服务处理单元（service processing unit, SPU）采用多核设计，处理器性能的提升减少了机箱中处理器的数量，进一步降低了功耗，控制保护主机采用无风扇设计，提高系统可靠性的同时也节约了屏柜空间。

千兆级多节点串联高速时分复用技术（timedivision multiplexing, TDM）总线设计[12]，支持多节点间超高速同步数据传送，千兆级点对点超高速控制总线设计，实现装置间超高速通信。

研制超过1Gbit/s的高速背板总线，block数据传输及阻塞特性均有大幅度提升。

2.3 全面的标准接口设计

DPS—5000控制保护主机同时具备以太网、PROFIBUS、控制器域网（controller area network,CAN）、TDM、高速控制总线集成闪存控制器（integrated flash controller, IFC）、IEC—60044标准接口及高速串行高级技术附件（serial advanced technology attachment, SATA）硬盘接口等。通过这些接口，控制保护系统配置更加灵活，总体结构和信息通道更加优化，也能满足与换流站其他设备通信的接口需求。

2.4 远程维护管理升级

DPS—5000控制保护主机在工程师工作站上实现对控制保护软件逻辑、保护定值、内部参数的查看、核对等工作，也可以通过专用的保护定值整定工具远程对保护定值、内部参数等进行整定、导出工作，提高了控制保护主机的维护性，降低了运维成本。

在运行人员工作站上可以实现对交流开关场、直流开关场、换流站控制楼和阀厅、就地继电器室、通信系统、直流线路、换流站站用电源系统和其他辅助系统等处的监控，以及同时具备与远方调度中心和其他监视点的通信接口。

3 DPS—5000控制保护系统设计方案

3.1 DPS—5000控制保护系统整体结构

DPS—5000控制保护系统采用分层式结构设计，根据控制级别和功能分为运行人员控制层、控制保护层、现场层三个层次，如图3所示。

图3 紧凑型控制保护系统结构

运行人员控制层由运行人员控制系统、站长工作站和全球定位系统（global positioning system,GPS）对时等设备组成。其中运行人员控制系统是运行人员控制层的核心设备，由运行人员工作站、工程师工作站、辅助系统工作站等构成。

控制保护层由极控及测量、阀控及测量（特高压直流）、交直流站控、站用电控制、极保护及测量、阀组保护及测量（特高压直流）等设备组成。DPS—5000的控制保护层不单独设置测量接口屏柜，测量接口装置和控制保护主机合并组屏。

现场层设备主要由分布式的I/O单元构成，包括阀厅/换流变接口屏、直流场接口屏、交流滤波器场接口屏等，实现控制保护装置与交直流系统一次设备和换流站辅助系统的接口，一次设备状态和系统运行信息的采集处理和上传等功能。

3.2 DPS—5000运行人员控制系统配置方案

运行人员控制系统采用Linux服务器和Windows工作站的跨平台设计，性能稳定、安全可靠、组态灵活、接口友好、操作维护方便。主要由运行人员工作站、工程师工作站、辅助系统工作站、远动工作站等装置构成。

1）运行人员工作站。对交直流系统一、二次设备的运行数据进行采集和存储，并为运行人员提供监视和控制操作的界面。

2）工程师工作站。实现对全站的控制保护主机软件程序版本管理、软件逻辑的查看、核对，也可以通过专用的保护定值整定工具远程对保护定值、内部参数等进行整定、导出工作。

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3）辅助系统工作站。通过辅助系统工作站，站内不同厂家的多种辅助系统的运行数据统一接入运行人员控制系统，包括火灾报警系统、空调系统、电能计量系统和站用电源系统等，统一在运行人员工作站对其运行状态进行监视。

4）远动工作站。远动系统包括两个部分，一部分通过远动工作站连接到多个调度中心，使用104规约按照约定的点表向各个调度中心传送数据，一部分通过告警图形网关把站内的告警信息和图形页面直接传送到国调中心。远动工作站采用直采直送原则，直接和控制保护主机连接并获取数据，然后上送到各个调度中心，告警图形网关连接到站服务器，向国调中心传输站内经过处理的数据信息。它们与调度中心都通过双平面数据网连接。

3.3 DPS—5000控制保护设备配置方案

直流输电控制系统主要有极控制系统、换流器控制系统（特高压直流）、交/直流站控系统、站用电控制系统，控制设备均采用双重化冗余配置，通过高速冗余切换装置实现两套控制系统的主、从切换。

直流输电直流保护系统主要有极保护系统、换流器保护系统（特高压直流），均采用三重化冗余配置，通过三取二逻辑判断后输出动作信号，三取二装置采用冗余配置，分别配置在保护A/B系统中。

DPS—5000控制保护主机采用紧凑化设计，测量接口装置和控制保护主机合并组屏，例如极保护主机和极保护测量接口装置都放置在极保护屏柜中，一个特高压直流输电工程，可以节省36面测量接口屏柜，同时测量接口装置的IO板卡集成有继电器，可大幅减少屏柜内继电器数量，使屏柜设计更加简洁。

紧凑型控制保护系统采用全光纤设计，控制主机、保护主机和三取二装置通过光纤通信。以阀控和换流器保护系统为例，全光纤式紧凑型控制保护设计方案如图4所示。

图4 全光纤式紧凑型控制保护设计方案

3.4 DPS—5000控制保护功能配置

以特高压直流工程为例，对直流控制系统的功能配置进行介绍。

1）极控系统主要功能。完成通信处理、电流定值计算和配合、阀组平衡控制、极功率、电流限制、极功率转移、低电压限流、电流裕额补偿、稳定控制等功能。

2）阀组控制系统主要功能。完成通信处理、阀组起停、解闭锁时序、分接头控制、电压电流闭环控制（武汉站）、旁路开关、旁路隔离开关的控制、联锁等。

3）交流站控系统主要功能。完成通信处理、交流场开关控制与监视及中开关联锁逻辑等。

4）直流站控系统主要功能。完成通信处理、无功功率控制、直流场控制与监视、双极层控制、稳定控制等功能。

5）站用电控制系统主要功能。完成通信处理、站用电开关控制与监视及备自投逻辑等功能。

以特高压直流工程为例，直流保护系统包含的保护分区有换流变保护区、换流器保护区、极保护区和双极保护区。直流保护分区如图5所示。

换流变压器区保护：绕组差动保护、引线差动保护、大差保护、小差保护、开关过电流保护、零序过电流保护、零序差动保护、过励磁保护、饱和保护、网侧过负荷保护、网侧过电流保护、过电压保护。

换流器区保护：换流器过电流保护、阀短路保护、换相失败保护、换流器差动保护、换流变中性点偏移保护、换流器旁通对过负荷保护、换流器旁通开关保护、换流器直流过电压保护、换流器谐波保护。

图5 直流保护分区

极区保护：直流谐波保护、极母线差动保护、中性母线差动保护、极差保护、接地极线开路保护、交直流碰线监视、线路行波保护、线路突变量保护、线路低电压保护、直流线路纵差保护、直流过电压保护、直流低电压保护、中性母线开关（neutral bus switch, NBS）保护、直流滤波器差动保护、直流滤波器电容器不平衡保护、直流滤波器电阻/电抗过负荷保护、直流滤波器失谐监视、直流滤波器高压电容器接地保护、高低端阀组连线差动保护、中性母线冲击电容器过电流保护。

双极区保护：双极中性母线差动保护、金属回线接地保护、金属回线纵差保护、金属回线横差保护、站接地过电流保护、后备站接地过电流保护、中性母线接地开关（neural bus grounding switch,NBGS）/大地回线转换开关（ground return transfer switch, GRTS）/金属回线转换开关（metallic return transfer breaker, MRTB）开关保护、接地极线差动保护、接地极线过负荷保护、接地极线不平衡保护。

4 实时数字仿真试验

4.1 仿真试验系统

实时数字仿真（real-time digital simulator, RTDS）试验系统与实际工程总体结构保持一致，同样采用分层分布式结构，根据功能划分和控制级别分为运行人员控制层、控制保护层、现场层等三个层次，现场层通过光接口板、阀基电子设备（valve base electronics, VBE）接口盒等接入RTDS模型，控制保护主机采用紧凑化设计，控制保护主机与测量装置共用机箱，紧凑型控制保护仿真系统结构示意图如图6所示。

图6 紧凑型控制保护仿真系统结构示意图

RTDS模型将电流、电压等模拟量信号及开关位置等开关量信号通过光接口板输出到HSMD装置，HSMD装置将这些信号进行分类处理并转换成IEC 60044—8协议输出到各控制保护主机对应的测量接口装置，测量接口装置通过TDM协议将信号送到控制保护主机。DCSIM装置用于模拟交直流场的开关状态及换流变分接头档位，DCSIM通过现场总线（PROFIBUS）与控制系统交互开关状态等信息，控制保护主机通过硬接线将开关动作等信号送到DCSIM，DCSIM通过光纤将开关状态等信息送到RTDS模型，阀控通过电缆直接将触发脉冲送到RTDS模型，控制保护系统与RTDS模型构成一个闭环系统，共同构成了紧凑化的直流输电控制保护仿真系统。

参照某特高压直流输电工程典型参数搭建RTDS模型，通过RTDS搭建的仿真试验模型包括交流系统等值系统、换流变压器、交流滤波器、直流滤波器、双12脉动换流阀、平波电抗器、直流线路、接地电抗、电阻等元件。仿真模型搭建的主回路拓扑结构如图1所示，系统主要参数见表2。

表2 特高压直流输电系统主要参数

4.2 试验验证

在搭建的仿真系统上共进行了300余项控制保护功能试验，试验结果表明基于DPS—5000平台的紧凑化直流输电控制保护系统的各项功能完全满足工程应用，部分主要性能指标见表3。

表3 控制保护系统主要性能参数

图7为系统稳态运行的仿真试验波形，受篇幅限制，其余仿真实验结果不再列举。

图7 特高压直流输电系统稳态运行波形

如图7所示，图中横坐标为仿真时间，纵坐标为各物理量的一次值。其中，Uac_A、Uac_B、Uac_C为网侧三相电压，Iac_A、Iac_B、Iac_C为网侧三相电流，P为直流功率，α为触发角，UdL为直流电压，IdCH为直流电流。

5 结论

本文介绍了我国直流输电控制保护系统的发展历程、国内外的研究现状。基于长期直流输电控制保护系统工程设计经验，提出了直流输电控制保护系统的设计原则，结合设计原则，研制了适用于直流输电系统的DPS—5000紧凑型控制保护主机，主机具有体积更小、性能更优、运行更稳定的特点，基于DPS—5000平台的软硬件特点，提出了直流输电紧凑型控制保护系统的总体设计方案，最后搭建了紧凑型控制保护系统仿真试验平台，完成了300余项控制保护功能试验，验证了紧凑型控制保护设计方案的正确性，为紧凑型直流输电控制保护系统工程应用提供了重要参考。