浅析直流输电控制保护系统

浅析直流输电控制保护系统

摘要：直流输电是电力系统近年来迅速发展的一项新技术，直流输电克服了电

感损耗，只有导线电阻损耗，主要应用于远距离大容量输电、电力系统联网、远

距离海底电缆、大城市地下电缆送电、配电网络轻型直流输电等方面。直流输电

与交流输电相互配合，构成现代电力传输系统。随着电力系统技术经济需求的不

断增长和提高，直流输电受到广泛的注意并得到不断的发展。

关键词：电力系统；直流输出；保护层面；控制保护

一、直流输电概况

（一）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。

（二）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。

二、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。

（一）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。

（二）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。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。

（三）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。

三、直流输电系统的常见故障及保护

（一）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。

（二）直流输电保护

（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。

（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）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。