直流输电控制保护系统解读

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1、高压直流输电控制保护系统,1,许玉香 西北电力设计院 2010年3月3日 西宁,一、前言 二、国内外直流控制保护技术的介绍 三、高压直流控制系统 四、高压直流保护系统 五、高压直流远动系统 六、换流站运行人员控制和监视（SCADA）系统,2,一、前言,换流站二次系统包括直流控制、直流保护、交流场控制保护、SCADA系统等， 其中直流控制保护技术是换流站二次系统的核心技术，交流场控制及SCADA系统与交流变电站的控制系统相似。,3,一、前言,高压直流输电与交流输电相比较的一个显著特点是可以通过对两端换流器的快速调节，控制直流线路输送功率的大小和方向，以满足整个交直流联合系统的运行要求，也就是说直

2、流输电系统的性能，极大地依赖于它的控制保护系统。,4,一、前言,多端直流输电系统由于控制器协调困难等原因极少使用，故关于多端直流输电系统的控制调节在此不加以叙述。下面我们针对两端直流输电系统的控制保护系统进行讲述 ：,5,一、前言 二、国内外直流控制保护技术的介绍 三、高压直流控制系统 四、高压直流保护系统 五、高压直流远动系统 六、换流站运行人员控制和监视（SCADA）系统,6,二、国内外直流控制保护技术的介绍,（一）国外直流控制保护系统 国外先进的直流控制保护系统典型的有ABB的MACH2 和SIEMENS的SIMADYN D这两种系统 。下面对这两种系统作简单介绍： 1）ABB公司的MA

3、CH2系统,7,1）ABB公司的MACH2系统,8,1）ABB公司的MACH2系统,MACH2硬件系统采用高可靠性的多处理器的工业PC作为主计算机，是ABB公司在MACH系统的基础上发展起来的。 MACH2系统具有很高的集成度，可将所有的控制功能，所有的保护（直流和交流），远方控制接口，暂态故障记录，事件顺序记录和人机接口计算机连接功能集成在整个系统内。 MACH2系统已广泛用于工业控制系统和直流输电工程,9,1）ABB公司的MACH2系统,ABB公司在控制保护系统设计中采用的主要接口板有： PS830系列计算机网络连接板；PS850系列数字量I/O接口板；PS850系列模拟量I/O接口板；P

4、S870系列通讯接口板；PS890系列电源单元；PS900系列阀控单元等。各种不同类型的接口板组合成不同的控制接口柜来实现各种控制及测量功能。 监控系统的通信采用了分层次的串行总线结构，使用国际标准总线。,10,1）ABB公司的MACH2系统,现场总线 监控设备之间的通信通过冗余的控制区域网（CAN现场总线）和分时多路总线（TDM现场总线）实现各监控设备间的数据交换。柜外的现场总线均采用光纤电缆联接。 CAN现场总线 CAN总线具有短信息结构和低延迟的双向高速通信功能，用于传送二进制信号，没有主从关系。对于比较长的通讯通道，采用CAN/HDLC桥电路对CAN母线进行延伸，从而实现整个换流站内设

5、备的通信。,11,1）ABB公司的MACH2系统,TDM现场总线 TDM总线是一种单向传送、大容量、低迟延的高速总线，用于模拟量信号的高速传送。 冗余的控制保护柜的TDM现场总线是完全独立分开的，各控制区域内控制设备和I/O子系统之间的通信是单发单收的，没有交叉。 总控制区域的控制设备通过冗余的SCADA LAN网络与SCADA系统通讯，实现网上各设备之间的数据共享。,12,1）ABB公司的MACH2系统,数据总线传输速率： SCADA系统LAN总线：100Mbps CAN现场总线：1Mbps TDM现场总线：1040Mbps,13,（一）国外直流控制保护系统,2) SIEMENS的SIMAD

6、YN D系统 西门子公司在控制系统设计中采用了SIMADYN D和SIMATIC S5两种控制硬件 （1）SIMADYN D SIMADYN D是一种快速多微处理器可编程控制系统，可适于高速（0.5ms10ms）控制，具有多于300种的标准功能块，可实现各种控制功能，,14,2) SIEMENS的SIMADYN D系统,15,2) SIEMENS的SIMADYN D系统,其图形编辑功能可使运行人员在完全没有编程知识的情况下很容易地掌握使用，灵活地修改控制框图,16,2) SIEMENS的SIMADYN D系统,（2）SIMATIC S5 SIMATIC S5 硬软件均属标准化设计，用于执行速度

7、较慢的控制功能和顺序控制（50m300ms），具有模块化结构，并有事故安全保证。 SIMATIC S5已广泛用于工业控制系统，直流输电方面也有较多应用。,17,2) SIEMENS的SIMADYN D系统,西门子公司在SCADA系统设计中采用的部件有I0单元SU200，就地联锁控制装置8TK，光纤接口单元0LM，光纤，传感器和对时接口等。 全站控制系统分为极1控制、极2控制、DC站控、交流站控四部分。 高压直流保护按极三重化配置，通过SU200作为极控系统的一个就地单元与主机交换信息，高压直流保护柜的动作出口采用三取二出口方式,18,这两种系统都具有先进的体系结构，图形化的软件开发环境，系统集

8、成化和标准化程度高的特点，在工程中都有成功运行经验。,19,（二）国内直流控制保护技术的研究情况,国内直流控制保护系统的研究开始比较早，但在2000年前我国自主研制的直流控制保护系统中目前几乎没有一项技术通过了国家级的鉴定，而其设计的工程对象也是小容量低电压等级的六脉动系统，虽为我国直流输电技术积累了经验，但与国内目前正在建设的超高电压等级的系统在复杂程度方面要小得多。,20,为了能在较短的时间内设计和制造出具有国际先进水平的直流控制保护系统，国家采取了积极的技术引进策略。 2001年南京南瑞继保电气公司从ABB公司引进MACH2直流控制和保护系统的制造技术, 1999年许继电气开始从SIEM

9、ENS公司引进SIMADYN D直流控制和保护系统的制造技术, 两公司利用自身的技术和人才优势，分别学习ABB、SIEMENS公司的直流控制和保护技术，截止2009年底，两公司已为我国多条直流输电工程提供了控制保护系统，并做了一些改进工作 。,21,（二）国内直流控制保护技术的研究情况,一、前言 二、国内外直流控制保护技术的介绍 三、高压直流控制系统 四、高压直流保护系统 五、高压直流远动系统 六、换流站运行人员控制和监视（SCADA）系统,22,（一）高压直流控制系统实现的基本功能,高压直流控制系统要完成以下基本控制功能： （1）直流输电系统的起停控制； （2） 直流输送功率的大小和方向的控

10、制 ； （3）抑制换流器不正常运行及所连交流系统的干扰； （4）发生故障时，保护换流站设备； （5）对换流站、直流线路的各种运行参数，如电压 及电流等以及控制系统本身的信息进行监视。,23,（二）控制系统的配置要求,（1）控制系统多重化设计 为了达到直流工程所要求的可用率及可靠性指标，直流输电系统全都采用多重化设计，通常采用双通道设计，其中一个通道工作时，另一通道处于热备用状态。 当工作中的通道发生故障时，切换逻辑将其退出工作，处于热备用状态的通道则自动切换至工作状态，这种自动切换不应对直流输送功率产生明显的扰动。,24,（1）控制系统多重化设计,直流控制系统双重化或多重化的范围从测量二次线圈

11、开始包括完整的测量回路，信号输入、输出回路，通信回路，主机，和所有相关的直流控制装置。 双极、极和换流单元层次及阀冷却系统都按双重化的原则配置控制装置。,25,（二）控制系统的配置要求,（2）控制系统分层结构的设计 所谓直流输电控制系统分层结构，是将直流输电换流站和直流输电线路的全部控制功能按等级分为若干层次而形成的控制系统结构。 以典型的双极直流输电系统为例，其控制系统一般分为四层：整体控制、主控制、极控制和换流桥控制。,26,（2）控制系统分层结构的设计,27,（2）控制系统分层结构的设计,整体控制：是指考虑直流输电系统在整个电力系统中的位置和影响，涉及到的一些控制策略，如根据电网的稳定性

12、要求而对直流输电系统输送的功率值的限制等。 主控制：根据功率指令等确定电流指令，并提供协调的电流指令给所有的极。通过提供极控制和整体系统控制之间的一个界面，把调度中心要求输送的直流功率根据当前的双极各自的运行模式转化为具体的电流指令，分发到各个极中。所以主控实际即为双极层的控制。,28,（2）控制系统分层结构的设计,极控制：协调一个极内换流桥的控制。从电流整定值到触发角整定值的转换，分接头控制，以及部分与触发角等密切相关的保护功能的实现，都是在极控制这一层完成。这一层是直流输电控制系统的核心部分。 换流桥控制：确定一个换流桥内各阀的触发时刻，即由极控制得到的触发角获得对应各阀的触发脉冲，分发到

13、各个阀上，同时也对触发脉冲的返回信号进行一定的处理。该层在控制系统中具有最快的响应。,29,（2）控制系统分层结构的设计,物理上，控制功能尽可能按不同等级配置到较低的控制层次。 与双极功能有关的装置尽可能的分设到极和换流单元控制层，使得与双极功能有关的装置减至最少； 对于那些不能分设到极或换流单元控制层的与双极功能有关的装置，放在双极功能组中，但进行双重化及耐故障设计。,30,（三）直流输电系统基本控制特性及其配置,直流系统基本控制特性示意图 （a）电流裕度控制特性 （b）直流系统实用控制特性,31,1 直流系统基本控制特性,1 直流系统基本控制特性,电流裕度控制： 为了避免两端电流调节器同时

14、工作引起调节的不稳定，逆变侧调节器的定值比整流侧一般小0.1pu（标幺值），这就是电流裕度。 根据电流裕度控制原则，此电流裕度无论在稳态运行还是暂态情况下都必须保持，一旦失去电流裕度，直流系统就会崩溃。,32,1 直流系统基本控制特性,若电流裕度取得太大，当发生控制方式转换时，传输功率就会减少太多； 若电流裕度取得太小，则可能因为运行中直流电流的微小波动导致两端电流调节器都参与控制，造成运行不稳定。 绝大多数高压直流工程所采用的电流裕度都是0.1pu,33,1 直流系统基本控制特性,正常运行时，通常以整流侧定直流电流，逆变侧定直流电压运行，其运行工作点为图（a）中的N。 当整流侧交流电压降低或

15、逆变侧交流电压升高很多时，使整流器进入最小触发角控制，此时逆变侧则自动转为控制直流电流，其整定值比整流侧的小0.1pu，其运行工作点为图（a）中的M。 这种整流器和逆变器控制特性的组合，就是电流裕度控制特性。,34,2 直流输电系统基本控制配置,直流输电的控制除了包括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。 正常情况下，整流侧控制直流电流，逆变侧控制直流电压 ：,35,2 直流输电系统基本控制配置,（1） 电流控制器 整流侧和逆变侧配置完全一致的闭环电流控制器，电流控制器为闭环控制。 正常工况下，整流侧控制直流电流，逆变侧控制直流电压，这是通过在逆变侧的电流指令中减

16、去一个电流裕度来实现 的 。,36,2 直流输电系统基本控制配置,（2） 电压控制器 电压控制器功能包括： （a) 空载加压试验控制； (b) 过电压限制器（仅整流侧）； (C) 直流电压控制器； 逆变侧的直流电压控制器将直流电压控制在允许范围内。直流电压参考值由VARC 功能进行计算。 整流侧和逆变侧都有电压控制器。,37,2 直流输电系统基本控制配置,（3） 最小电流限制 为防止换流阀在低电流导通期间熄火，将最小电流限制为0.1倍的额定电流值。,38,2 直流输电系统基本控制配置,（4） 低压限电流 如果交流电压降低，交流滤波器和并联电容器产生的无功也会下降。为避免交流电压崩溃，降低换流器的无功消耗是很重要的。低压限电流控制的一个主要目标就是快速降低直流电流以降低无功消耗。 低压限电流控制的另一个特点是在电压恢复过程中，利用电流指令增加进行恢复以降低换相失败的可能性。,39,2 直流输电系统基本控制配置,低压限电流控制特性,40,2 直流输电系统基本控制配置,（5）与交流电压变化有关的控制模式改变 整流器标称点火角为15，最小点火