±800 kV特高压直流输电控制保护系统研究

［摘 要］±800 kV 特高压直流输电工程是世界上电压等级最高、输送容量最大的直流输电工程，其控制保护系统与常规直流输电工程相比，具有功能复杂、通讯量大、站控设备多等特点，使其在控制保护系统的设计和实现上面临更多挑战。文章介绍了±800 kV 特高压直流输电控制保护系统构成，提出了特高压直流保护配置原则及系统的控制保护功能，以保证特高压直流输电工程的安全、稳定运行。

［关键词］±800 kV 特高压；直流输电；控制；保护

［中图分类号］TM721.1 ［文献标志码］A ［文章编号］2095–6487（2024）05–0056–03

特高压直流输电工程作为一种新型的远距离、大容量输电方式，不仅具有输电距离长、输送容量大、输送功率高等特点，而且还具有抗故障能力强、运行效率高等优点。而在特高压直流输电工程中，换流阀是核心设备，控制保护系统的功能对整个特高压直流输电工程的安全、稳定运行至关重要。随着国家电网公司“走出去”战略的实施，在特高压直流输电工程建设方面，国家电网公司与更多的国外先进公司进行合作，在国际上建立特高压直流输电工程。为了保证国内特高压直流输电工程的安全、稳定运行，需要建立一套完善、可靠、先进的控制保护系统，以确保其功能的可靠性，使其满足国际交流的要求。

1 ±800 kV特高压直流输电控制保护系统构成

控制保护系统是特高压直流输电系统中的重要组成部分，主要包括直流控制保护系统和换流阀控制保护系统。其中直流控制保护系统主要由运行操作控制台、监控程序、逻辑控制单元等组成，主要负责对直流设备进行控制、调节。换流阀控制保护系统主要由运行操作控制台、阀驱动装置、阀模块及阀控中心等组成，主要负责对换流阀进行控制。同时，换流阀控制保护系统还包括辅助逻辑控制单元，该单元负责对阀控中心的各类指令进行逻辑判断，并对直流设备状态进行监控。

2 特高压直流保护配置原则

2.1 设计原则

根据±800 kV 特高压直流输电系统设计、运行特点，特高压直流保护配置应考虑以下几个方面的要求：①考虑交流侧故障对直流系统的影响，且直流保护与交流保护之间应相互配合，保证直流系统安全稳定运行；②为满足输电线路故障后系统恢复的需要，应考虑采用换相失败检测闭锁换流阀、提高换流阀的直流电流限值等措施；③根据特高压直流输电系统故障时交流系统运行方式和故障特性，以及换相失败检测闭锁换流阀的方法，合理配置保护；④为保证换流阀控制策略正确执行，应根据换流阀故障类型及其对交流系统运行的影响，合理配置相应的保护；⑤为满足交流侧故障时对换流阀控制策略执行的要求，应考虑交流侧故障时换流器非全相运行情况下换流阀阀侧电流幅值、频率及相位等参数的变化规律，合理配置相应的保护；⑥为满足交、直流换流站自身安全稳定运行需要，应考虑直流系统内部故障。

2.2 三重保护原则

为保证特高压直流输电系统的安全稳定运行，在特高压直流系统中应用三重保护原则，即故障检测、故障处理及故障闭锁，其中故障处理和故障闭锁均为实时动作。在特高压直流系统中，常规换流阀换流器、阀塔及阀组都配置有电流闭锁保护，能够及时检测到线路发生的永久性单相接地故障，并切断直流系统的闭锁回路，保证系统安全稳定运行。但当直流系统发生永久性单相接地故障时，这些保护无法及时动作。另外，在交流系统中，交流侧发生永久性单相接地故障时，交流侧保护和交流断路器可以迅速动作断开直流系统的线路两端。而在特高压直流系统中，由于交流线路对直流系统的影响较小，交流断路器无法及时动作断开直流线路两端。三重保护原则具体是指，在第一重保护中，故障检测装置实时检测出故障并通过通信网络上报给后台监控设备；在第二重保护中，故障处理装置实时检测到故障并判断出故障类型；在第三重保护中，故障闭锁装置实时检测到故障类型并在第一、二重保护动作后迅速切除异常设备。三重保护原则的应用能够保证直流系统安全稳定运行，同时也能提高特高压直流输电系统的可靠性。

3 ±800 kV特高压直流输电控制保护系统的功能

3.1 换流器保护

换流器保护是直流输电控制系统中最重要的保护之一，主要包括换流器过流保护、换相失败保护、极控保护及其他辅助保护。换相失败保护是直流输电控制系统中最重要的保护之一，其动作的可靠性直接影响到整个直流输电系统的稳定运行。换流器过流保护主要包括直流电流过零检测和触发角过零检测两种方式。在直流电流过零检测方面，以门限为基准进行比较。在触发角过零检方面，采用相角和周波差判断。换流器的极控保护主要包括极控快速闭锁、极控重复闭锁及极控延时闭锁。在极控重复闭锁方面，采用单极闭锁和双极闭锁两种方式。极控延时闭锁是指在发生故障时，将系统运行状态由正常方式切换到故障方式。直流线路故障和阀厅故障的继电保护是直流输电控制系统中最重要的保护之一，其决定了直流输电控制系统能否快速切除故障和恢复运行。当发生直流线路故障时，直流系统会向换流站发出控制命令，通过阀厅切换将直流系统切换到正常方式运行。当发生阀厅故障时，则需要通过断路器动作切除换流器，或者通过快速换相阀组功能来切除故障。

3.2 直流母线保护

直流输电系统一般分为交流和直流两部分，交流部分的电压等级一般为220 kV、500 kV、1 000 kV，直流部分的电压等级一般为±800 kV。直流系统正常运行时，在逆变侧运行，主要有2个换流装置控制直流电压，调节系统功率输出。直流系统故障时，在换流阀控制系统的控制下，该换流装置将调节系统功率输出降低到0，以避免直流断路器跳闸。为了避免直流线路出现过负荷及系统振荡，通常在直流输电线路两端配置相应的保护装置。直流母线保护是指在±800 kV 特高压直流输电系统发生故障时，其能动作于断路器跳闸，并控制保护装置投入相应的断路器跳闸元件来切除故障。直流母线保护主要是采用距离保护、差动保护、电流速断保护及相电流差动保护等。对于±800 kV 特高压直流输电工程来说，一般采用差动保护来实现对线路故障的切除。当线路发生故障时，其能够快速切除故障，避免设备的损坏。电流速断保护是以线路两端的电流为依据来动作的一种保护方式。相电流差动保护能够快速切除线路中存在的故障，并且不会受到干扰信号的影响。此外，相电流差动保护会将故障所产生的序分量和零分量一起动作于断路器跳闸，以达到快速切除故障的目的。

3.3 接地极线路保护

接地极线路保护由一系列保护构成，主要有距离保护、差动保护、接地电阻测量保护等。接地极线路的距离保护和差动保护是对接地极线路故障进行定位和切除的主要依据。对于直流输电系统而言，其控制保护系统一般以全站就地控制为基础，因此接地极线路保护一般采用距离保护。但是对于±800 kV 特高压直流输电工程而言，其控制保护系统是基于分层分布式控制的设计方案，因此接地极线路的距离保护和差动保护一般采用分层分布式控制的设计方案，同时直流输电系统在故障状态下的暂态过程是非线性过程，因此接地极线路距离保护和差动保护需要能够适应这一非线性过程，并具有较强的抗过渡电阻能力。但是由于特高压直流输电工程中接地极线路一般都在地下敷设，其沿线长达几千米甚至更长，因此距离保护和差动保护只能在地面布置，并需要在地面布置相应的距离测量装置。这些测量装置一般由测量电缆、信号电缆及光纤组成，对地电阻可由实测电阻求得，同时为了避免与其他高压电力设备的干扰，通常采用光纤作为通讯介质，这种设计方案既能够满足线路距离和差动保护的要求，同时也能够保证接地极线路具有较强的抗过渡电阻能力。

3.4 阀连接母线保护

阀连接母线保护主要由主保护、后备保护、断路器失灵保护、电流速断保护组成。主保护采用的是传统的三段式差动保护。阀连接母线的故障包括直流系统接地故障、直流系统交流故障、交流系统单相接地故障、直流系统单相断线故障。断路器失灵保护是在直流输电系统出现断路器失灵时，由直流输电系统控制中心发出动作命令，通过控制系统实现对断路器的控制功能，进而实现对阀连接母线的故障进行切除。电流速断保护是当直流输电系统出现单相断线故障时，电流速断保护会动作切除断线故障。当阀连接母线出现断线故障时，如果能够及时切除断线故障，就可以避免对阀连接母线的严重冲击。然而由于直流输电系统的工作原理决定了直流输电系统不会发生单相接地故障，因此阀连接母线的断路器失灵保护会在直流输电系统发生单相断线故障时动作。

3.5 接地极引线双端不平衡保护

接地极引线双端不平衡保护是直流输电系统的一种重要保护，其动作逻辑是在直流接地极故障时，接地极引线上发生接地故障时，直流系统向接地极引线两侧的电容放电，电容器两端的电压在瞬间增大到一定值。若接地极引线上某一相发生故障，则接地极引线上的电容电流发生突变，该故障相的故障点就是接地极引线上的故障点。当该故障点被接地极引线隔离后，电容电流恢复正常值。当接地极引线上存在2个故障时，则可能会发生2个故障相电容电流不平衡的情况，此时接地极引线上的电容电流将会突变为0。此时，将接地极引线两侧的电压降至某一给定值，使接地极引线上发生的2个故障相电容电流均为0。

4 结束语

综上所述，控制保护系统是直流输电系统的核心，在整个直流输电系统中具有重要的作用。控制保护系统应具有直流故障快速保护功能，能在极短时间内切除故障，以提高直流输电系统运行的可靠性。此外，控制JG1+DGi6J5P7/lVEhu+jNQ6GmbFoWXNByVUgW84vhv8=保护系统应具有直流电流、直流电压、逆变侧无功功率及换流器功率等各类保护功能，控制保护系统应具备直流接地极故障隔离及接地极引线双端不平衡保护等各类保护功能，以保证直流输电运行的可靠性。

参考文献

[1] 张青伟，吴金波，艾红杰，等. 特高压直流输电中性母线直流电流异常后逻辑判断优化的研究[J]. 电气技术，2021，22（3）：94-97.

[2] 王伟. 特高压直流输电控制保护系统实时仿真技术的研究及应用[J]. 电力系统保护与控制，2019，47（15）：142-147.

[3] 王鹏，刘晨.±800 kV 特高压直流输电控制保护系统分析[J]. 通讯世界，2019，26（3）：154-155.

[4] 谭阳琛，刘畅，李程昊，等. 基于ADPSS 的特高压直流输电控制保护系统开放式建模[J]. 电力系统保护与控制，2018，46（17）：99-108.

[5] 张阳.±800 kV 特高压直流输电控制保护系统分析[J]. 通讯世界，2017（21）：243-244.

[6] 贺春，吴东，孙广涛. 特高压直流控制保护系统设计与开发[J]. 电子设计工程，2017，25（17）：50-53，57.