直流输电控制保护系统【】西北电力设计院

高压直流输电控制保护系统
许玉香 西北电力设计院 2010年3月3日 西宁
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� 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
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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，
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（二）．国内直流控制保护技术的研究情况
� 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SIEMENS公司引进SIMADYN D直流控制和保护系统的制造技术,
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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MACH2系统
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1）ABB公司的MACH2系统
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1）ABB公司的MACH2系统
� 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。
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（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。
� 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。
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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 ：
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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
� 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．
�
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� 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，系统集成化和标 准化程度高的特点，在工程中都有成功 运行经验。
� 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 。
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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
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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 ：
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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
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。
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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。
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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
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备
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的通信。
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
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（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。
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（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
� 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。
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（三）直流输电系统基本控制特性及其配置
1 直流系统基本控制特性
�
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
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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。
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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。
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。
� 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。
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（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；
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。
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（2）控制系统分层结构的设计
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（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 电网的稳定性要求而对直流输电系统输送的功率值 的限制等。
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（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
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2) SIEMENADYN 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．
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2) SIEMENS的SIMADYN D系 统
� （2）SIMATIC S5 � SIMATIC S5 硬软件均属标准化设计，
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（一）国外直流控制保护系统
� 2) SIEMENS的SIMADYN 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（0.5ms~10ms）控制，具 有多于300种的标准功能块，可实现各种控制功 能，
及电流等以及控制系统本身的信息进行监视。
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（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。
� 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。
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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
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 的电流指令中减去一个电流裕度来实现 的。
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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
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1）ABB公司的MACH2系统