高压直流输电控制保护技术发展的探讨_陶瑜

高压直流输电控制保护技术发展的探讨_陶瑜
第１期??高压直流输电控制保护技术发展的探讨
陶
瑜，龙
英，韩
伟
（网联直流输电工程咨询公司，北京市，１００００５）
［摘要］文章从直流输电的基本控制策略、为满足交直流系统动态性能要求的控制策略、为满足交直流系
统暂态性能要求的保护策略、直流控制保护系统软、硬件结构等方面，综述了我国高压直流输电控制保护技术的基本内容和发展现状。

并提出必须从提高可靠性、进一步克服换相失败的弊病、进一步发展远方控制和无人值守的通信技术、加强直流附加控制的研究和应用、采用新的换流元件和新的设计理念等方面努力，不断提高我国直流输电技术水平。

［关键词］
直流输电；控制；保护
中图分类号：ＴＭ７２１．１
文献标志码：Ｃ
文章编号：１０００－７２２９（２００８）０１－００１７－０５
收稿日期：２００７－０９－１０作者简介：陶
瑜（１９４２—），女，教授级高级工程师，大学本科，主要从事直流输电工程控制保护技术的研究工作。

０引言
随着电子器件和计算机技术的发展和电网需求
的不断提高，以及人们期望更好地克服直流输电技术所固有的一些弱点，直流输电的控制保护技术也随之发展，主要表现为：换流元件的变化和进步，控制保护策略和性能的改进和完善，以及实现控制保护功能的手段，包括设备或装置的硬件、软件、信号传输性能的提
高。

１基本控制策略
截止目前，直流输电的基本原理是通过分别接
于三相电压的换流元件按顺序导通／关断而完成交流电流变为直流电流，称为整流端；反之亦然，称为逆变端。

换流元件的导通时刻是以该换流元件所连接的交流电压的过零点为起点计测的，称其为点火角。

当交流系统参数不变时，不同的点火角形成不同直流电压值，并进而导致整流／逆变直流回路中的直流电流值的不同，再由逆变将直流电流分送到逆变端的交流系统中去，完成了电力的输送。

由此可知，换流元件的点火角是直流输电控制中最基本的，也是最终的控制变量。

在直流控制中必不可少的Ｖｄ／Ｉｄ特性曲线，是针对直流输电基本控制策略的最重要的描述之一。

它不仅描述了整流／逆变两端点火角对直流电压Ｖｄ和直流电流Ｉｄ的影响，确定了直流输电系统的稳态运行参数，并且确定了直流系统在稳态、小扰动和动态过程中，整流、逆变两端控制器的基本配合原则。

至今，直流输电的基本控制策略的关键是：
１．１
如何确定点火角
点火角的确定，至今仍然保持了经典的原则，即
控制对象或取直流电流，或取直流电压，或是取逆变侧换流器的电流安全关断时刻，３种不同的控制策略分别形成了控制系统中典型的电流调节器、电压调节器和逆变侧熄弧角调节器。

１．２
点火脉冲如何发生
点火脉冲的发生，首先要考虑如何与交流换相
电压取得同步，其次是按相触发还是等间距触发。

要精确地确定点火角以确保控制精度，必须精确地确定点火角每个轮回的计时（计数）的起始点。

在早期，是采用硬件的锁相倍频发生器完成此项任务。

目前已发展为在数字信号处理器中采用软件方式完成，提高了点火角
的精度。

早期，点火角是采用按相触发控制，其后果是如果交流电压瞬时产生畸变，三相电压不对称造成各换流器的触发脉冲之间不等距，这将导致系统的谐波不稳定甚至发生谐振。

从２０世纪６０年代起，点火角均采用等间距控制，此后的触发脉冲均依次等距发出。

实际工程中点火角的不平衡度可存在±０．０１°～±０．２５°的偏差，直流电流的控制精度偏差为±０．２％
～±１％，直流功率的控制精度偏差为±
０．４％～±２％。

２为满足交直流系统动态性能要求的控制策略有多种为满足交直流系统动态性能要求的控制
电力建设
ＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ
第２９卷第１期２００８年１月Ｖｏｌ．２９Ｎｏ．１
Ｊａｎ，２００８
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电力建设第２９卷
策略，以及保护性的监控和帮助系统自愈的功能，它充分体现了直流输电的高速和灵活有效控制策略的优越。

这部分的控制策略，必须充分依据直流主设备的规范和换流站设备的成套而制定，其主要功能总体可分为如下几类：
２．１
降低和避免直流系统对交流系统的不良影响换流技术机理本身造成的不可避免的两大问题
是谐波和无功。

常规是根据系统性能安装适当容量和组数的交、直流滤波器／电容器组，以及采用多脉动换流器来解决。

无功控制，包括交流谐波控制，主要体现在对交流滤波器／电容器组的实时投切控制，是直流输电控制中一项必不可少的重要功能。

三常直流工程的无功控制为分级控制方案，即：第１优先级要确保在
任一直流输送功率时，产生的谐波不使设计投入的绝对最小滤波器组容量越限，绝对最小滤波器组是运行的必需条件；第２为监测交流电压超过设计限值时，要切除交流滤波器；第３为监测送入交流系统的无功超过交流系统允许最大限值时要切除交流滤波器以避免产生交流系统过电压；第４为满足谐波滤波指标要求时的最小滤波器组数；第５为满足与交流系统交换无功大小，或以交流电压为控制对象的设计要求。

按照上述５层控制原则，如果由于某种原因，滤波器／电容器组数或种类不能达到要求时，控制将下降直流功率直至允许值。

这种设计思想将设备的容量安全和性能、交流系统无功输出和接收能力，以及交流电压动态变化等诸多因素均引入控制考虑范围内，其概念和层次是很清楚全面的，功能也是完善的。

无功控制还有一些辅助控制策略。

例如，有些工程利用增大点火角致使换流器所需无功增加的原理帮助减少送入交流系统的无功，它一定程度增加了无功控制的灵活性，但同时增大了换流器的应力，在换流器有足够设计裕度时，可酌情使用。

三常直流工程中具备这种功能，称之为Ｑｐｃ功能。

另一种策略是力图减少交流滤波器（含电容器组）投／切引起交流电压的瞬间阶跃扰动，即当滤波器投入时，控制逆变侧的熄弧角瞬时提前增大几度然后按一定速率恢复；当滤波器需要切除时，控制逆变侧的熄弧角提前按一定速率增大几度，在滤波器切除瞬间立即恢复熄弧角至原值。

三常工程中具备这种功能，称之为ｒ－ｋｉｃｋ功能。

这种策略的关键是熄弧角变化速率、滤波器的投／切时间，以及交流系统电压变化的时间常数之间的协调和匹配，否则可能反而增加系统不必要的扰动。

综上所述，直流控制在完成输送功率任务的同时，还必须克服自身的缺陷和弱点，避免和减少对交流系统的不良影响。

２．２
降低和避免交流系统对直流系统的扰动
交流系统电压的波动不仅直接影响点火角的控
制，甚至使直流系统失去换相电压而无法运行，还可能威胁到换
流变压器，以至换流器的绝缘安全。

直流控制中的换流变压器分接头控制是解决上述问题的重要功能之一，它要根据系统设计确定换流变压器充电前／后以及直流加压／升流后分接头的位置。

当交流系统电压波动致使整流侧点火角偏离其额定值±２．５°时，或使逆变侧熄弧角偏离其额定值±２．５°时，分接头控制将发出降低／升高阀侧电压的控制指令以期直流电流稳定，或直流电压稳定。

这种分接头控制策略，可以保证直流设备的安全，增强交流系统动态下直流系统的稳定性，但是否可采用，必须依据换流站设备成套设计决定。

交流系统对直流系统的另一重大影响是，如果交流系统故障导致其电压过低，在逆变侧将引起换流器换相失败，造成直流短路继而直流系统停运。

避免换相失败是目前常规换流技术中最受重视的课题之一。

通常，在直流控制中将通过电流调节器能在
１０ｍｓ左右将换相失败故障电流减至额定值或以
下，以期维持渡过交流系统的扰动期。

在三常直流工程中，加设了一个换相失败预测控制功能，即根据交流电压零序分量以及表明其矢量变化程度的α／β分量来预测单相／三相交流电压可能将发生故障，并因此来增大逆变侧的熄弧角以避免换相失败的发生。

如果整流侧交流电压降低致使其点火角已达下限而无法调节维持直流电流不变，继而将电流调节功能转至逆变侧时，直流控制的电流裕度补偿功能将同时增大整流／逆变两侧电流调节器指令值，以保证直流电流不受交流电压扰动的影响，避免扰动期间直流输送功率的下降。

当交流系统电压扰动导致直流电压不稳定时，电流调节器将调整直流电流满足定功率运行的要求，此时应避免低压大电流的运行工况以减小直流电流的调节量，增强直流系统稳定性。

直流控制中通常设有低压限流控制来完成此功能。

２．３
通信故障时，提高系统动态性能的控制策略
对于长距离直流输电工程，正常的运行需要两
端换流站之间具有快速可靠的通信通道，以传输电流整定值、保护、顺控的设备状态等信号。

三常直流工程在站间通信通道失去的情况下，仍允许整流侧按照直流功率或直流电流指令、逆变侧按照实际测
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第１期??
高压直流输电控制保护技术发展的探讨
表１直流输电系统发生的典型故障及其基本特点
故障类型基本特点描述
整流侧桥臂短路交流电流很快升高，直流电流下降。

逆变侧换相失败直流电压下降，直流电流增大。

阀导通不正常一般直流电压下降，逆变侧直流电流增大，与换相失败相似。

直流线路故障直流电压陡降，直流电流陡然升高。

直流线路操作过电压直流过电压。

整流侧交流系统故障交流电压下降，直流电压、电流可能相应下降，不对称故障时非特征性谐波增大。

逆变侧交流系统故障交流电压下降，可能引起换相失败，不对称故障时非特征性谐波增大。

量的电流为参考指令进行功率或电流的自动控制，只是变化的速率为预先设定值，以保证两端安全配合。

当无站间通信而逆变侧系统需要紧急停运时，直流的顺序控制使逆变侧带旁通对闭锁、整流侧直流欠压保护闭锁，保证了系统的安全。

２．４直流附加控制
通常，直流工程都要求控制保护系统中增加附加控制。

三常直流工程在控制软件中设置了４类１１种不同传递函数形式的典型调制控制功能。

（１）根据交流系统电压的跌落和频率高于或低于标称值，调制直流功率以帮助互连交流系统的故障恢复；（２）根据远方控制中心，或直流控制系统对外部信号的响
应，以适当／快速的速率提升或降低直流输送功率、停运，甚至
实现潮流反转；（３）根据远方控制中心，或直流控制系统对外部信号的响应，以适当的速率提升或降低直流电流运行值；（４）也可对直流电压施加一个调制量。

通常直流控制系统还预留软／硬件接口，以接收从外部要求的模拟量、开关量或数字信号等形式的附加调制控制信号。

３为满足交直流系统暂态性能要求的保护策略
３．１直流系统故障分析
直流保护所保护的设备包括换流阀、直流场设备（包括平波电抗器、极母线、中性母线）、直流线路、接地极引线以及换流变压器。

直流保护设计和功能配置至少应考虑如下工况的暂态性能要求：（１）晶闸管阀故障；（２）换流桥故障；（３）阀交流侧故障；（４）阀厅内接地故障；（５）换流变保护区接地、相间短路、匝间短路故障；（６）极母线或设备闪络或接地故障；（７）极母线直流过电压、过电流以及持续的直流欠压；（８）中性母线开路或接地故障；（９）站内接地网过流；（１０）直流线路金属性短路，高阻接地故障或开路故障，交直流碰线故障；（１１）金属回线导体开路或接地故障；（１２）接地极引线开路或对地故障、过负荷；（１３）直流滤波器过流、过负荷、失谐，高压电容器不平衡以及有源部分的故障；（１４）与直流系统相连的交流系统故障；（１５）直流甩负荷、直流控制系统误动、直流系统或设备在动态过程中发生故障等对直流系统产生的扰动；（１６）换流变过励磁、直流偏磁等。

此外，应根据系统或设备情况对换流阀点火系统、晶闸管结温、大点火角运行等提供监测。

直流输电系统发生的典型故障及其基本特点如表１所示。

３．２保护功能配置及动作
三常直流工程中，直流保护配置的功能包括换流阀保护、极保护、双极保护以及换流变保护。

直流保护的编程在软件中分为４个部分，每个部分的第１套保护配置在控制保护主机１，第２套保护配置在主机２中。

第１部分：换流阀保护
第１套：阀短路保护、换相失败预测、换相失败保护、电压应力
保护、点火不正常保护、晶闸管阀监视、直流过流保护、大角度监视。

第２套：阀短路保护、换相失败保护、直流过电压保护、后备的直流过流保护、阀直流差动保护。

第２部分：极保护
第１套：直流极母线差动保护、直流极差动保护、接地极引线开路保护、直流滤波器电容器不平衡保护、直流滤波器差动保护、直流线路保护、中性母线开关保护、直流线路纵差保护、开路线路试验监视、直流滤波器失谐监视。

第２套：直流谐波保护、直流中性母线差动保护、接地极引线开路保护、直流滤波器过负荷保护、直流欠压保护、潮流反转保护、后备中性母线开关保护。

第３部分：双极保护
第１套：双极中性母线差动保护、转换开关保护（ＮＢＧＳ，ＧＲＴＳ，ＭＲＴＢ）、金属回线纵差保护、接地极引线过负荷保护。

第２套：站接地过流保护、后备转换开关保护（ＮＢＧＳ，ＧＲＴＳ，ＭＲＴＢ）、金属回线横差保护、金属回线接地故障保护、接地极引线不平衡监视。

第４部分：换流引线和换流变压器保护
包括：换流引线差动保护、换流引线和换流变过流保护、换流引线和换流变差动保护、换流变差动保护、换流变过流保护、换流变热过负荷保护、换流变绕组差动保护、换流引线过压保护、换流变中性点偏
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电力建设第２９卷
移保护、换流变零序电流保护、换流变过励磁保护、换流变直流偏磁保护、换流变零差保护。

上述配置的基本原则是每极的保护采用双重冗余系统。

对于同类故障尽量采用不同原理的２种保护分置于不同主机；对于重要的故障且不能采用不同原理２种保护时，在不同主机中使用同原理的２套保
护。

直流保护的操作与直流控制有着密切的关联，在很多情况下会首先启动控制功能，达到保护设备的目的。

三常工程中用于清除直流故障和直流断路器／开关故障可能的保护操作包括：（１）冗余的控制保护系统切换；（２）移相和换流器闭锁；（３）移相和换流器不闭锁（ＯＲＤＥＲＤＯＷＮ）；（４）交流断路器跳闸；（５）启动断路器失灵保护；（６）交流断路器锁定继电器；（７）功率回降；（８）极线隔离；（９）极电流平衡；（１０）转换开关重合闸；（１１）中性母线接地开关合闸。

归结起来，三常直流工程直流保护设置了Ｘ、
Ｙ、Ｚ型３种闭锁：Ｘ闭锁顺序为整流侧不带旁通对
闭锁换流阀；Ｙ闭锁为立即移相，逆变侧带旁通对闭锁；Ｚ闭锁为换流器立即移相，并带旁通对闭锁。

３．３
保护原理及配合
以三常直流工程为例，分析直流线路保护配置、
工作原理及保护之间的配合关系。

３．３．１
保护配置及原理
经典的直流线路保护是以电压导数法为主保
护，线路纵差保护、直流欠压保护作为后备保护。

三常直流工程直流线路保护按照２套主保护（行波法和电压导数法）进行配置。

行波法利用反行波计算公式
ｂ（ｔ）＝Ｚｉ（ｔ）－ｕ（ｔ）分别得到利用极母线电流计算得到的行
波值和利用接地极引线电流计算得到的行波值。

检测波前之前和规定数量的采样点之后的差值，如果大于阈值，保护动作。

行波保护受到直流系统性能和参数的影响大，其算法和判据比较复杂，需要根据不同的系统工况和系统条件进行详细的校核和修正。

电压导数和电压水平法的原理，是直流故障下直流电压在很短的
时间内下降到很低的水平。

此保护可以在２～３ｍｓ内检测到故障，检测部分由电压导数部分、低电压水平部分和电流差值部分共同决定电压导数保护出口。

如果直流线路通过阻抗短路，电压变化率很低，导数部分可能不动作，可以通过电压水平部分检出。

直流线路纵差保护测量、比较两端换流站的线路电流，并且补偿对站电流采样时延。

保护基于差动原理，延时４００ｍｓ。

直流远动通讯故障时闭锁该保护，防止保护误动。

直流欠压保护作为直流线路保护的后备保护。

通过测量直流电压、直流电流
和点火角，检测直流线路欠电压。

保护动作阈值２５０ｋＶ，延时４ｓ。

３．３．２直流线路保护策略和保护配合
（１）直流线路保护只在整流侧有效。

（２）为了区分站内故障和直流线路故障，增加测量直流电流的时间变化率。

正值表明故障点在测量互感器线路侧；负值表明故障点在直流场内。

（３）应防止保护在下述情况下误动：整流、逆变侧发生交流故障；极启／停；逆变侧换相失败。

（４）通讯异常时，电压水平部分将延时８２０ｍｓ动作，与交流系统后备保护时间配合。

３．３．３直流线路保护动作顺序
直流线路保护出口信号会启动再启动逻辑。

再
启动逻辑启动后，向控制系统发出ＯＲＤＥＲ＿ＤＯＷＮ命令，系统将移相到１６４°，并保持一段时间（２００～５００ｍｓ），这段时间是系统的去游离时间，使闪络故障经
过充分去游离，线路绝缘性能恢复到能够承受正常电压。

ＯＲＤＥＲ＿ＤＯＷＮ命令之后立即形成ＲＥＳＴＡＲＴ命令，将角度拉到６０°左右，进行线路再启动，这种状态维持一个较短的时间（４ｍｓ），防止线路开路引起峰值整流过电压。

如果再启动成功，恢复正常送电。

如果不成功，可以进行多次再启动，甚至降压再启动，试图将直流电压降低水平运行，这是直流输电的优势之一。

如果线路上发
生了永久故障，保护跳闸。

３．４
直流控制保护系统功能性能研究
直流控制保护系统功能性能的研究和测试手
段，包括直流系统电磁暂态仿真程序ＥＭＴＤＣ和实时系统电磁暂态仿真设备ＲＴＤＳ，它们均基于数学模型对实际系统进行模拟。

ＥＭＴＤＣ是离线的系统电磁暂态仿真分析工
具。

利用ＥＭＴＤＣ可以方便快捷地研究直流故障特
性以及保护在各种工况下的特性，在确定保护定值工作方面（特别是规模复杂，工况繁多的系统）效率很高。

ＲＴＤＳ是电力系统实时数字仿真系统，它利用多个高速数字处理器并行计算从而达到实时仿真的目的，能为电力系统提供实时的、
安全的环境仿真现实中可能的故障，而不损坏设备，是测试控制保护方案的理想工具。

利用ＲＴＤＳ对外部控制保护设备功能性能进行测试，可以进一步确定保护整定值，并对实际控制保护系统的测量、数据处理环节进行测试。

４直流控制保护系统软、硬件结构的现状分析
换流站控制保护系统包括站内所有用于监视、
控制、保护的设备，主要有：运行人员控制系统、站控
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高压直流输电控制保护技术发展的探讨
系统、直流控制系统、调度自动化系统、直流远动系统、直流保护系统、直流线路故障定位系统、阀冷却控制保护系统、电能量计量系统、交流保护系统、辅助电源控制系统、火灾探测联动系统、换流站安全监视系统（ＣＣＴＶ）。

不同供货商的产品在软件功能和硬件结构上有很多不同。

例如：三常工程控制保护系统采用
Ｈｉｄｒａｗ可视化编程软件，硬件采用ＭＡＣＨ２系列产品，
总体包括极控屏、直流控制保护屏、交流控制保
护屏、交流滤波器控制保护屏等；天广工程控制保护系统采用ＳＴＲＵＣＧ自动图形文件编制软件，硬件采用ＳＩＭＡＤＹＮＤ系列产品，总体包括阀控屏、站控屏、顺序事件记录装置等。

直流控制保护软硬件结构的主要特点：
４．１
分层结构
直流控制保护系统一般采用分层分布式结构。

其二次系统通常分层为远方控制系统、换流站运行人员控制系统、站内二次主机系统、就地总线及Ｉ／Ｏ系统，以及设备就地。

对于不同的设计概念，各不同厂家又有不同的分布共享结构。

例如，三常工程中，是将站控、极控和直流保护联合一体设计。

４．２
冗余
目前国际上一般的换流站控制系统都是双重化
配置的，包括：运行人员控制系统（含站ＬＡＮ）；站控系统；直流控制系统；直流保护系统；调度自动化系统；直流远动系统。

从整体设计的思路上讲，完全双重化包括与上述系统的Ｉ／Ｏ接口信号应双重化配置，这要与一次设备的设计紧密配合。

对于换流站的直流保护系统，各工程的冗余结构不同。

从设计理念上看，有主备双重完全冗余和３取２之分。

对于后者，国内大多数人持不同见解，认为其不符合国内要求。

４．３
网络结构
直流控制保护系统的网络包括站ＬＡＮ网和现场总线。

站ＬＡＮ网是人机界面系统，即运行人员控
制系统与站控、直流控制、调度自动化、就地主机系
统等系统之间传送信息的通信通道。

在三常工程中，所使用的ＬＡＮ满足ＩＥＥＥ８０２．３所规定的７层模型的最低２层，其传输协议为ＴＣＰ／ＩＰ。

同时，采用了双重网络智能开关Ｓｗｉｔｃｈ
ｅｓ的星型拓扑结构，所有与之相连的设备，均使用双重端口，即使有一个端口故障，也不会影响其信号的传输。

控制系统的主机系统与Ｉ／Ｏ之间的通信通过现
场总线完成。

现场总线的性能主要取决于传输速率、信号及其传输形式。

三常工程中采用ＩＳＯ标准总线
ＩＳＯ１１８９８，即ＣＡＮ总线，用于二进制形式通讯板之
间通讯，最大传输速率为１Ｍｂｉｔ／ｓ。

三常工程采用的
ＴＤＭ总线是单方向传输的，用于模拟量信号的高速
传输，传输速率为１０ＭＨｚ（时钟频率）。

它和ＣＡＮ总线一样，均为冗余配置和连接。

ＴＤＭ总线的特点是可以传输大数据容量和非常低的延时，这对ＨＶＤＣ系统里高带宽测量信号是关键的，每一ＴＤＭ总线能够每秒传输３０００００个采样值。

４．４
集成
随着器件集成度的不断提高，直流控制保护系
统的屏柜数量大大减少。

三常工程供货的直流控制保护系统每极的屏柜数，８０年代约２６只，９０年代约
１１只，而现在只需３只。

随着电子技术的飞速发展，直流输电的控制保护设备已由８０年代的大规模集成电路和可编程逻辑电路发展到现今的全面微机化，并正向更加智能化、小型化，更加安全、可靠、灵活的方向发展。

４．５
直流控制保护系统与外部设备的通信
与直流控制保护进行通信的外部设备包括阀冷
却控制保护系统、电能量计量系统、交流保护系统、辅助电源控制系统、火灾探测联动系统、换流站安全监视系统（ＣＣＴＶ）等。

直流控制保护与外部设备的通信或采用现场总线，或采用硬接线。

对于直流控制保护与交流保护系统之间的通信，设计都要求所有的交流保护通过
ＬＡＮ网与交流保护工程师工作站进行通信，且交流保护工程师。