特高压直流输电控制系统与讲义控制保护装置
特高压直流输电控制与保护技术的探讨
特高压直流输电控制与保护技术的探讨摘要：随着特高压大电网、交直流并网等领域的不断发展，直流输电技术在实际工程中得到了越来越多的应用。
本文主要基于对直流输电技术和换流技术的深入研究，并结合±800 kV特高压直流输电工程，对其分层冗余结构、控制和保护技术进行了较为系统的阐述，以期更好地确保特高压大电网及交直流并网安全稳定运行提供良好技术支撑。
关键词：特高压；直流输电工程；换流技术；控制和保护技术引言在我国电网发展中，特高压直流输电起着举足轻重的作用。
其中，控制与保护是其中的关键，其能保证传输电源的正常运行，并能有效地保证传输电源的安全。
±800 kV特高压直流每极均采用串联、母线区连接方式，各电极工作方式灵活、完整，这对保证其工作性能将能够发挥良好的辅助作用。
1 直流输电简介1.1 直流输电系统当前直流输电系统通常采用两端直流传输的方式，包括整流站、直流线路和逆变站。
1.2 换流技术换流站的关键部件为换流器，它包括一个或几个换流器，其电路都是三相换流桥，主要材料为晶闸阀。
其基本工作原理是：通过对桥式阀门的触发时间进行控制，从而实现对直流电压瞬时值、电阻上直流电流、直流传输功率的调整。
同时，对各个桥式阀门的晶闸管单元进行同一触发脉冲控制。
2 特高压直流输电的特点特高压直流输电的特点具体包括：①增加传送能力，增加传送距离。
②节约了线路走廊和变电所的空间。
③有利于联网，简化网络结构，降低故障率。
3 直流输电控制系统分层冗余结构UHVDC是指超过600 kV的直流输电系统，它的控制和保护系统是分层、分布式、全冗余的。
本文以±800 kV特高压直流工程为例，将其按控制等级划分为三个层次：运行人员控制层、过程控制层和现场控制层。
4 为满足特高压交直流系统动态性能要求的控制技术4.1 降低和避免直流对交流系统的不良影响由于换流技术的机制存在着两个主要的问题：谐波和无功。
传统的方法是，安装合适的容量和数量的直流滤波器/电容，并采用多脉动式变流器。
直流输电控制保护-保护概述
直流开关场电流差动保护组 直流滤波器保护组
直流极母线差动保护 直流中性母线差动保护 直流极差保护
电抗器过负荷保护 电容器不极引线与接地极保护区
双极中性线保护组 转换开关保护组 金属回线保护组 接地极引线保护组
交流开关场保护区
换流变差动保护组 换流变过应力保护组 换流变不平衡保护组 换流变本体保护组 交流开关场和交流滤波器保护组
对于双调谐滤波器,还应装设谐波过电流保护。
交流滤波器及并联电容器保护
在交流滤波器分组中发生过负载、接地故障或电 容器故障引起的保护跳闸，只应跳开此分组的断 路器，而过压保护动作则应跳开整组以及各分组 的断路器。
由于在交流滤波器中及在并联电容器组中都有大 量的电容器单元，少量的电容器单元故障对滤波 器特性的影响不大，往往并不需要立即切除相关 的滤波器分组，而可以根据损坏的电容器单元数 的多少，采取不同的保护措施。
不正常运行状态：电气元件正常工作遭破坏，但没有发 生故障。
过负荷，最常见的不正常运行状态 频率降低 系统振荡
电力系统保护
故障发生，必须迅速消除故障——保护 电力系统保护是利用故障发生时电力系统的异
常电压与电流等信息，判断故障的存在与否， 然后再采用相应的保护动作策略，完成隔离故 障区域的重要使命。 保护装置的原理结构
流系统，严格来说是一种系统后备保护。 当交流系统的电压过低，以至无法恢复交流系统
时，本保护动作出口，启动ESOF顺序，跳交流 开关。
直流低电压保护
保护区域是换流器 在通信系统故障或者在相关主保护拒动时，若逆
投旁通对
同时触发6脉动换流器接在交流同一相上的一对换流 阀
形成直流侧短路，快速降低直流电压到零，隔离交直 流回路，以便交流侧断路器快速跳闸
特高压直流输电控制欲保护设备技术导则
特高压直流输电控制欲保护设备技术导则下载温馨提示：该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。
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电力系统继电保护原理 第十二章 高压直流输电系统的保护
• 随着电力电子技术、计算机技术和控制理论的迅速发展， 直流输电的建设费用和运行能耗也不断下降，可靠性逐 步提高，越来越显示出其优越性。
的故障(如果是有源滤波器)。
3、换流站交流侧故障
• 换流站交流设备包括换流变压器、交流开关场设备、交流 母线、交流出线、交流馈线等。主要故障包括换流变故障、 交流侧三相短路、交流侧单相短路、交流滤波器故障、站 用电系统故障等。
– （1）与直流系统相连的交流系统故障。包括换流站远端交流系统 短路故障、换流母线故障、交流系统功率振荡或次同步振荡、交 流系统持续的扰动、换流站内交流母线电压的欠压和过压等对直 流系统产生的扰动。
• 按照故障的设备区域分为
– 换流器故障 – 直流开关场与接地极故障 – 换流站交流设备故障 – 直流线路故障等。
• 直流保护策略的设计和配置应考虑故障情况下暂态性能要求，主要是 各种短路、接地故障以及过电流和过电压。
• 此外直流系统还配备了针对交流系统扰动的有关控制保护
– 次同步振荡 – 交流系统故障对直流系统的扰动 – 直流控制系统误动对直流系统的扰动等
（强迫分量）和由直流主回路参数所决定的暂态振荡分量（自由分 量）。 - 在此阶段，控制系统中定电流控制开始起到较显著的作用，整流侧和 逆变侧分别调节使滞后触发角增大，抑制线路两端流向故障点的电流。
• 3、稳态阶段
- 最终，故障电流进入稳态，整流侧和逆变侧提供的故障电流稳态值
被控制到等于各自定电流控制的整定值，两侧流入故障点的电流方向 相反，故障点电流为两者之差。
高压直流输电控制保护装置
高压直流输电控制保护装置冗余与可靠性王明新中国电力科学研究院系统所电力系统仿真中心及直流输电研究室通信地址：北京市海淀区清河镇小营东路15号邮编：100085摘要本文参照我国电力系统保护装置的设计原则，结合自直流输电技术投入商业运行后,出现的微机控制保护装置特点，对“葛南”直流输电系统、“天广”直流输电系统，以及“三常”直流输电系统三个高压直流输电系统的控制保护装置的冗余配置进行了评价。
本文认为，必须明确被控制和保护的设备与控制保护装置本身的不同冗余概念；“三取二”配置是微机保护设备的最佳冗余配置，因为它能有效地解决保护装置本身电子元件故障造成的误动与拒动。
本文对直流输电各种二次系统冗余方式优、缺点进行的论述，仅供直流输电系统，以及电力系统控制保护装置的设计和运行维护参考。
关键字：系统的可靠性、电子设备冗余、控制保护配置一．前言对于任何系统及设备，它们的高可靠性和可用率是人们所期望的。
为了提高一个系统或设备的可靠性，必须保证组成系统的各个设备及元件的高可用率，并且有相应的冗余，防止个别元件损坏，造成系统或设备不能运行。
电力系统的高可靠性，除了由一次设备的性能质量和系统结构的稳定性保证外，还要由二次控制保护系统保证；即：二次系统对一次系统设备进行控制和保护，自动切除故障部分，避免系统停运或设备损坏。
二次系统是由大量电子元件及微处理器构成，它们的可靠性是整个系统可靠性的重要组成部分。
因此，控制保护系统除了保证相关一次设备的可靠性外，必须确保本身的高可靠性，这是本文重点讨论的问题。
由于控制保护系统使用了大量的电子元件，容易发生故障，仅一套设备不能保证系统长期运行的可靠性；因此，需要冗余配置。
在当今电子技术高速发展时期，大规模集成电路和实时微处理器的广泛应用，给控制保护设备本身的冗余提供了可靠的技术保证。
冗余方式的选择，需要根据具体设备在系统中的作用和对可靠性、经济性的影响来确定。
二、电力系统保护的配置原则电力系统继电保护，随着电力系统一同诞生，并随着电力系统的扩大而不断地发展，交流系统的继电保护从具体的电力系统设备，像发电机、变压器等元件保护和输电线路等系统保护，向着综合的系统保护方向发展，例如，电力系统安全稳定装置；由传统的继电器保护发展到微机保护。
特高压直流输电控制系统与控制保护装置
特高压直流输电控制系统硬 件构造
40
特高压直流控制保护旳特点
• 2. 新增功能 • 适应多种运行方式 • 单个换流器投退控制 • 直流融冰控制
41
单个换流器旳投退控制
42
特高压直流控制保护旳特点
• 3. 技术进步 • WINTDC 云广 • DC800 向上 • 主机采用高性能计算机 最新Intel双核处理器，
关量信号 • TDM (Time Division Multiplexed) 用于串行传
播模拟量信号
23
葛站保护分区
24
直流保护区域划分(大地回线)
25
控制保护软件
• ABB技术 • 由MACH2 系统功能块编程，生成图形文献。
• 简朴旳点击、拖动、放下即完毕。再通过编 辑，生成对应代码，下载到对应存储器中。
Converter unit firing
control
Voltage measuring
system
Id
5
葛站直流控制保护系统
6
三常直流工程龙泉站直流控 制保护系统框图
7
国内常规直流控 制保护设备
• 两种类型旳直流控制保护系统
• ABB、南瑞、四方
•
MACH 2系统
• SIEMENS、许继
•
4.特高压直流输电控制系 统与控制保护装置
• 4.1 常规高压直流输电控制系统与控制保护 装置
• 4.2 特高压直流输电控制系统与控制保护装 置旳特点
1
换流站二次设备
1. 运行人员控制和SCADA系统 2. 直流控制 3. 直流保护 4. 交流保护 5. 通信系统 6. 调度自动化 7. 能量计费系统 8. 暂态故障录波器 9. 直流线路故障定位器 10. 站主钟系统
第六章高压直流系统的控制.ppt
对于整流器，可使α ＝０，则cosΦ= 1， 但为确保触发前阀上有足够的电压，有 一个最小α 角的限制，大约为５°正常 运行时α 角的范围为15 ° -20 ° 。 对于逆变器，为了避免换相失败，在换 相电压易号之前换相必须完成，所以γ 必须要大于某一临界值。50Hz系统可采 纳的裕度为15 °，60Hz为18 °
6.2 控制的基本方式
Id
Vd 1 Vd 2 Rl
当越前角β 恒定时
E'1 c o s V d1 Id R c 1 ' V d 2 E 2 cos Id R c2
' ' E c o s E o s 1 2c Id R R R c 1 l c2
当熄弧角γ 为恒定时
用控制极进行调节，不但调节范围大， 而且非常迅速，是直流输电系统的主要 调节手段，用改变发电机励磁和换流变 分接头来进行调节其速度较慢，如改变 换流变分接头通常每挡需要5s-6s，而改 变α 或β （或γ ）则只需要20ms-30ms， 通常这两种方法是配合使用的。
直流输电系统基本的控制方式有：
' V E d2 2 cos Id R c2
' ' E c o s E o s 1 2c Id R R c 1 R l c2
改变直流电流（或功率）的方式：
1 调节整流器的触发延迟角α 或逆变器 的越前角β （或熄弧角γ )，即调节加到 换流阀控制极的触发脉冲相位，简称控 制极调节。 2 调节换流器的交流电势Ｅ１、Ｅ２， 一般靠调节发电机励磁或改变换流变压 器分接头来实现。
二、控制系统的基本要求
1）为了避免电流流过阀和其它载流元件出现 危险的状况，应限制电流的最大值。 2）要求限制由于交流系统的波形而引起的直 流电流波动。 3）尽可能使功率因数保持较高的值。 4）尽可能防止逆变器换相失败。 5）为了使功率损耗最小，要求保持线路送端 电压恒定并且等于额定值。 6）为控制所输送的功率，有时则要求控制某 一端的频率。
±800kV 特高压直流输电工程技术
±800kV 特高压直流输电工程技术摘要：特高压直流输电技术是目前世界上最先进的输电技术，具有远距离、大容量、低损耗、少占地的综合优势，可以更安全、更高效、更环保地配置能源，是实现能源资源集约开发、促进清洁能源发展、有效解决雾霾问题的重要载体，更是转变能源发展方式、保障能源安全、服务经济社会发展的必由之路，也是中国抢占世界能源发展制高点、带动电工装备业“走出去”的重要举措。
关键词：特高压;?直流输电;?换流站;1特高压直流输电工程技术1.1特高压换流技术特高压换流是特高压直流输电工程的关键技术，其核心设备为换流阀。
目前中国投运及在建的±800kV特高压直流输电工程所使用的换流阀主要有5000A/±800kV和6250A/±800kV两种类型，其中后者的输送性能相对于前者有大幅度的提升。
文章将对这两种类型的特高压换流阀基本参数和性能进行对比分析。
（1）运行条件5000A/±800kV和6250A/±800kV换流阀均为全封闭户内设备，其长期运行温度为10～50℃，长期运行湿度为50%RH，并要求阀厅内长期保持微正压条件。
（2）基本参数与±800kV/5000A换流阀相比，±800kV/6250A换流阀的输送容量提升了25%，其晶闸管导通电压由原来的8.5kV降为7.2kV，晶闸管关断时间由原来的500μs降为450μs，增强抵御换相失败的能力。
（3）阀塔结构设计目前±800kVUHVDC换流阀典型阀塔结构均为悬吊式二重阀结构，整个阀塔通过悬式绝缘子悬吊于阀厅顶部。
每个二重阀为一个6脉波整流/逆变桥的1相，由2个单阀串联构成，而双12脉动阀组的1相则由4个二重阀串联构。
其中，高端阀厅12脉动阀组的悬吊部分的绝缘按直流600kV设计，低端阀厅12脉动阀组的悬吊部分的绝缘按直流200kV设计。
在每个单阀两端采用并联氧化锌避雷器来实现过电压保护，并在阀塔的顶部和底部安装屏蔽罩，以改善换流阀周围电场分布特性，避免换流阀对地产生电晕发电。
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特高压直流输电控制系统 与控制保护装置
换流站二次设备
1. 运行人员控制和SCADA系统 2. 直流控制 3. 直流保护 4. 交流保护 5. 通信系统 6. 调度自动化 7. 能量计费系统 8. 暂态故障录波器 9. 直流线路故障定位器 10. 站主钟系统
常规高压直流输电
• 4.1 常规高压直流输电控制系统与控制保护 装置
直流控制系统示意图
HVDC control system
To inverter
P order Pmod
Power control
Iorder
Current control a m p lifie r
Converter unit firing
control
Id
Iresponse
Ud response
• SIMADYN D控制系统编程软件为STRUC G 。STRUC G为一个图 形编辑器，它用于进行配置、诊断和文件编制。其应用也比较 简单，仅需要使用选取－放置－连接的方法即可。
• 程序存储 闪存卡
• 多功能I/O模块
SU200 6MD66
• 升级产品
WinTDC 系统
MACH 2系统简介
• MACH 2系统是一种以当代PC机为核心的开放式控制系统，
其系统集成度、自检覆盖率都很高，具有当今的先进技术
水平。
• MACH 2主机单元基于高性能工业计算机硬件，包括：CPU 为Pentium III处理器、采用PCI总线的主板、数字信号处理器 插件PS801和PS820。
• Hidraw可以运行在任何一台兼容的Windows NT/95 PC机上， 它有一个图形用户接口(GUI)，其应用比较简单，仅需要使
• 改变换流变抽头位置(Vd＝1.35Ecos －dId)
• 调节范围小；分级调节；调节速度慢。
•
辅助控制手段
• 控制原则
• 整流站控制直流电流
• 逆变站控制直流电压
基本控制配合1
• 整流站控制Id • 由电流调节器控制Id Id ＝Ido • 由换流变抽头调节控制换流器α α=15º±2.5º
• 逆变站控制Ud • 由关断角调节器控制γ γ＝17º • 由换流变抽头调节控制Ud Ud ＝ Udo±1%
•
直流控制系统
双重化设计
•
直流保护系统
三重化设计
• 2）基于ABB技术的直流控制保护系统
•
直流控制系统
双重化设计
•
直流保护系统
双重化设计
运行人员控制
•
西门子
ABB
• 主机 PC
• 操作系统
• LAN网 结构
Alpha工作站
UNIX
Windows NT*
星型拓扑结构
星型拓扑
现场总线（西门子技术）
现场总线 （ABB技术）
Voltage m e a su rin g
system
葛站直流控制保护系统
三常直流工程龙泉站直流控 制保护系统框图
国内常规直流控 制保护设备
• 两种类型的直流控制保护系统
•
ABB、南瑞、四方
•
MACH 2系
统
•
• 系统
SIEMENS、许继
SIMADYN D
•
都能满足业主提出的控制保护功
控制保护系统层次结构
• 逆变站控制Ud • 由关断角调节器控制γ γ＝17º • 由换流变抽头调节控制换流变阀侧电压Udi0不变。
• 例：葛南 •
两站直流控制的基本配合
• • 整流站 • 逆变站
ABB Id αmax
西门子 Id
Ud
Ud
Id
代码，下载到对应存储器中。 • 不同的应用有对应的功能块库。
• 西门子技术
• STRUC G 软件编程，生成图形文件。 • 简单的点击、拖动、放下即完成。 • 有统一的功能块库。
直流控制
• 控制直流功率的手段
• 改变角(Vd＝1.35Ecos －dId)
• 调节范围大；连续调节；调节速度快。
•
主要控制手段
• 基于ABB技术（ MACH 2 ）的直流控制保护系统
•
特点: 换流变保护、交/直流滤波器保护改用自主技术
•
RCS-977A换流变压器保护 ，
•
RCS-976D直流滤波器保护 ，
•
RCS-976A系列数字式交流滤波器保护。
• • 3）基于AREVA技术的直流控制保护系统
直流控制保护系统冗余设计
• 1）基于西门子技术的直流控制保护系统
• 现场总线采用CAN和TDM总线 • CAN (Control Area Network) 用于串行传输
开关量信号 • TDM (Time Division Multiplexed) 用于串行
传输模拟量信号
葛站保护分区
直流保护区域划分(大地回线)
控制保护软件
• ABB技术
• 由MACH2 系统功能块编程，生成图形文件。 • 简单的点击、拖动、放下即完成。再通过编辑，生成相应
（ABB技术）
控制保护系统层次结构
（西门子技术）
国内直流工程运行控制层设备 配置
国内直流工程控制保护设 备配置
SIMADYN D系统简介
• 西门子开发
• 广泛应用于各行业高速控制系统
• SIMADYN D系统是一种多处理器总线结构，高速数字化可编程 控制系统。由于此系统随着电子技术的发展而不断升级，具有 当今的先进技术水平。
用选取－放置－连接的方法即可，即：用户可以通过从图
标库中选取相应图标，然后放置在图中，并将图标连接起
来即可。
• 升级产品
DCC-800 系统
控制保护主机（ABB技术）
• MACH 2系统主机
• 通用PC 机(Pentium III, PCI源自线，无硬盘)• PS820 ）
+专用板卡 （PS801和
• 例：三常、三广
基本控制配合2
• 整流站控制Id • 由电流调节器控制Id Id ＝Ido • 由换流变抽头调节控制换流器α α=15º±2.5º
• 逆变站控制Ud • 由电压调节器控制Ud Ud ＝ Udo • 由换流变抽头调节控制γ γmin＝17º
• 例：天广、贵广
基本控制配合3
整流站控制Id • 由电流调节器控制Id Id ＝Ido • 由换流变抽头调节控制换流变阀侧电压Udi0不变。
• 操作系统 Windows NT*
• 软件编程 Hidraw
• 程序存储 闪存卡
•
主计算机（MC ）
MACH 2系统主机
主计算机结构
国产直流控制保护系统的类型
• 1）许继 DPS-2000
• 基于西门子技术（ SIMADYN D ）的直流控制保护系统
•
特点: 人机界面改用自主技术
•
• 2）南瑞 PCS-9500