特高壓直流輸電系統(tǒng)配置方案優(yōu)化配置

特高壓直流輸電系統(tǒng)配置方案優(yōu)化配置

0直流輸電系統(tǒng)保護(hù)通過(guò)節(jié)省寶貴的能源走廊資源，提高能源資源利用率，800kv高壓直接供水工程是中國(guó)能源工業(yè)發(fā)展的必然前提?！?00kV特高壓直流工程與常規(guī)±500kV直流工程的最大不同在于特高壓直流采用了雙12脈動(dòng)閥組串聯(lián)的一次主回路,輸電容量可高達(dá)5.0GW~7.2GW,如此大容量的電力輸送對(duì)直流輸電系統(tǒng)的能量可用率和系統(tǒng)可靠性提出了極高的要求。從目前國(guó)內(nèi)外已有的超高壓直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來(lái)看,直流控制保護(hù)系統(tǒng)是影響直流輸電系統(tǒng)能量可用率和系統(tǒng)可靠性的重要因素。在國(guó)內(nèi)運(yùn)行的直流輸電系統(tǒng)中,也多次出現(xiàn)設(shè)備故障導(dǎo)致直流輸電系統(tǒng)停運(yùn)的事故,對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行造成了重大不利影響,其中直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)也是導(dǎo)致事故的主要原因之一。目前,國(guó)際上尚無(wú)商業(yè)運(yùn)行的±800kV特高壓直流輸電工程。本文在總結(jié)常規(guī)直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,根據(jù)±800kV直流輸電工程的特點(diǎn)和對(duì)控制系統(tǒng)的要求,著重對(duì)特高壓直流輸電控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置進(jìn)行了優(yōu)化,提出滿(mǎn)足特高壓直流輸電系統(tǒng)工程建設(shè)和運(yùn)行要求的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置方案,為特高壓直流控制保護(hù)系統(tǒng)的工程應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),并使國(guó)內(nèi)特高壓直流控制保護(hù)系統(tǒng)的研究走在世界前列。1直流輸電工程的運(yùn)行方式圖1為±800kV特高壓直流系統(tǒng)的一次主接線圖。圖1(b)為一個(gè)站的換流閥部分的詳細(xì)示意圖?！?00kV特高壓直流工程中采用的是每極2個(gè)12脈動(dòng)閥組/換流單元串聯(lián)的主接線形式,每個(gè)閥組電壓為±400kV。由于±800kV特高壓直流系統(tǒng)主回路與常規(guī)±500kV高壓直流系統(tǒng)有所不同,因此,特高壓直流系統(tǒng)控制有很多方面區(qū)別于常規(guī)直流輸電,主要包括:1)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須滿(mǎn)足特高壓直流工程各種運(yùn)行方式的要求,并根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的運(yùn)行方式,采用技術(shù)手段避免誤操作到其他運(yùn)行方式。2)控制系統(tǒng)以每個(gè)12脈動(dòng)換流單元為基本單元進(jìn)行配置,各12脈動(dòng)換流單元的控制功能的實(shí)現(xiàn)和保護(hù)配置相互獨(dú)立,以利于單獨(dú)退出單12脈動(dòng)換流單元而不影響其他設(shè)備的正常運(yùn)行;同時(shí),各12脈動(dòng)控制和保護(hù)系統(tǒng)間的物理連接盡量簡(jiǎn)化。3)控制系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)適應(yīng)±800kV直流輸電工程高可靠性的要求,單一元件的故障不能導(dǎo)致直流系統(tǒng)中任何12脈動(dòng)換流單元退出運(yùn)行;在高層控制單元故障時(shí),12脈動(dòng)控制單元應(yīng)能仍然維持直流系統(tǒng)的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)繼續(xù)運(yùn)行,或根據(jù)運(yùn)行人員的指令退出運(yùn)行。4)軟件功能滿(mǎn)足±800kV直流輸電工程串聯(lián)閥組的帶電投入和退出的要求,當(dāng)一個(gè)極/換流單元的裝置檢修(含退出運(yùn)行、檢修和再投入3個(gè)階段)時(shí),不會(huì)對(duì)繼續(xù)運(yùn)行的另一極或本極另一換流單元的運(yùn)行方式產(chǎn)生任何限制,也不會(huì)導(dǎo)致另一極或本極另一換流單元任何控制模式或功能的失效,更不會(huì)引起另一極或本極另一換流單元的停運(yùn)?！?00kV特高壓直流輸電工程采用每極雙12脈動(dòng)換流器串聯(lián)結(jié)構(gòu),具有多種運(yùn)行方式。為了實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行高度靈活性和最大可用率,需要對(duì)直流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和軟件功能劃分進(jìn)行優(yōu)化,以實(shí)現(xiàn)功能的合理分布、系統(tǒng)間獨(dú)立,控制保護(hù)功能不會(huì)因某單一部分故障而喪失,確保整個(gè)二次系統(tǒng)可靠穩(wěn)定運(yùn)行。2個(gè)換流器控制特高壓直流輸電控制系統(tǒng)滿(mǎn)足IEC60633—1998對(duì)直流控制系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)的定義,即直流控制系統(tǒng)功能可分為AC/DC系統(tǒng)層、區(qū)域?qū)?、高壓直流雙極控制層、高壓直流極控制層和換流器控制層,如圖2所示。在物理上,控制功能盡可能配置到較低的控制層次。與雙極功能有關(guān)的裝置盡可能分設(shè)到極和換流單元控制層,使得與雙極功能有關(guān)的裝置減至最少,甚至完全取消。當(dāng)發(fā)生任何單重電路故障時(shí),不會(huì)使2個(gè)極都受到擾動(dòng)。圖2中每一個(gè)換流器控制(valvecontrol)實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)12脈動(dòng)換流單元/閥組的控制。換流閥控制級(jí)是對(duì)各個(gè)閥分別設(shè)置的等級(jí)最低的控制層次。由低電位閥控制單元(通常稱(chēng)為VBE)和高電位控制單元(通常稱(chēng)為T(mén)E)2個(gè)部分構(gòu)成。換流器控制級(jí)是直流輸電系統(tǒng)一個(gè)換流單元的控制層次,用于換流器的觸發(fā)控制。主要控制功能有:換流器觸發(fā)控制、定電流控制;定關(guān)斷角控制;直流電壓控制;觸發(fā)角、直流電壓、直流電流最大值和最小值限制控制;換流單元閉鎖和解鎖順序控制等。極控制級(jí)是直流輸電系統(tǒng)一個(gè)極的控制層次。極控制級(jí)的主要功能有:1)經(jīng)計(jì)算向換流器控制級(jí)提供電流整定值,控制直流輸電系統(tǒng)的電流。主控制站的電流整定值由功率控制單元給定或人工設(shè)置,并通過(guò)通信設(shè)備傳送到從控制站。2)直流輸電功率控制。3)極啟動(dòng)和停運(yùn)控制。4)故障處理控制,包括移相停運(yùn)和自動(dòng)再啟動(dòng)控制、低壓限流控制等。5)各換流站同一極之間的遠(yuǎn)動(dòng)和通信,包括電流整定值和其他連續(xù)控制信息的傳輸、交直流設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息和測(cè)量值的傳輸?shù)?。雙極控制級(jí)是雙極直流輸電系統(tǒng)中同時(shí)控制2個(gè)極的控制層次。與雙極功能有關(guān)的裝置盡可能都分設(shè)到極控制層,使得與雙極功能有關(guān)的裝置減至最少。主要功能有:設(shè)定雙極的功率定值、2極的電流平衡控制、極間功率轉(zhuǎn)移控制、換流站無(wú)功功率和交流母線電壓控制等。AC/DC系統(tǒng)層和區(qū)域?qū)涌刂茷橹绷鬏旊娍刂葡到y(tǒng)中高級(jí)別控制層次,主要實(shí)現(xiàn)直流調(diào)制控制及多條直流線路之間的協(xié)調(diào)控制。3極控制層間設(shè)計(jì)由于特高壓工程的主接線采用每極雙12脈動(dòng)閥組串聯(lián)結(jié)構(gòu),對(duì)于此種接線方式,按照上述直流控制系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)的定義,為每一極配置一套極控系統(tǒng)。每套極控系統(tǒng)按功能分為雙極控制層、極控制層和閥組控制層等3個(gè)層次。對(duì)于雙極/極控制層,特高壓工程仍采用與傳統(tǒng)超高壓直流工程相同的設(shè)計(jì),與雙極功能有關(guān)的裝置盡可能都分設(shè)到極控制層,以保證當(dāng)發(fā)生任何單重電路故障時(shí)不會(huì)使2個(gè)極都受到擾動(dòng)。因此,特高壓直流控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)實(shí)際上存在雙極/極控制層和閥組控制層2層,每層可以分別設(shè)置單獨(dú)的控制主機(jī),也可以根據(jù)層與層之間的控制關(guān)系適當(dāng)加以組合,可以有以下幾種結(jié)構(gòu)配置方案。3.1控制主機(jī)的配置該方案直流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。在這種直流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中,為每個(gè)極設(shè)置了一臺(tái)控制主機(jī)。該主機(jī)負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)雙12脈動(dòng)閥組完整的控制功能,包括雙極控制功能、極控制功能、低壓閥組的控制功能和高壓閥組的控制功能。由于只設(shè)置了一臺(tái)控制主機(jī),本結(jié)構(gòu)顯得十分簡(jiǎn)單。2個(gè)閥組控制之間的通信、閥組控制與極控制之間的通信都是在主機(jī)內(nèi)部完成,大大簡(jiǎn)化了主機(jī)與外部的通信量。但是,由于所有功能都集成在一臺(tái)主機(jī)中,不可避免地帶來(lái)主機(jī)負(fù)載的大幅提升。在仿真實(shí)驗(yàn)室中的試驗(yàn)也表明,這種結(jié)構(gòu)形式下的控制主機(jī)負(fù)載較重,主機(jī)負(fù)載率大于80%。另外,所有控制功能都集成在一臺(tái)主機(jī)中,如果該主機(jī)出現(xiàn)故障,則2個(gè)閥組可能均需要停運(yùn)。這種結(jié)構(gòu)帶來(lái)的特高壓直流輸電控制系統(tǒng)可靠性的大幅降低也是不能接受的。3.2雙極/極控制功能該方案直流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。在這種直流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中,為每極設(shè)置了2臺(tái)控制主機(jī),每臺(tái)控制主機(jī)中都集成了雙極控制功能、極控制功能和單個(gè)閥組控制功能。與前一種結(jié)構(gòu)相比,2個(gè)閥組的控制功能分布到了2臺(tái)主機(jī)中,同時(shí),2臺(tái)主機(jī)中又都有雙極/極控制功能。任一閥組主機(jī)故障時(shí),另一閥組仍能正常運(yùn)行。系統(tǒng)的可靠性有了較大的提高。由于設(shè)置了2臺(tái)主機(jī),每臺(tái)主機(jī)的負(fù)載率均較前一種結(jié)構(gòu)有所降低。實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)表明,此時(shí)各主機(jī)的主CPU的負(fù)載量仍偏高,主機(jī)負(fù)載率大于50%。同時(shí),由于2臺(tái)主機(jī)中都存在雙極/極控制功能,正常運(yùn)行時(shí)只能是處于主控狀態(tài)的一臺(tái)閥組主機(jī)起作用。為了獲得處于主控控制狀態(tài)主機(jī)的雙極/極控制功能的相關(guān)狀態(tài)信息,以及需要通過(guò)極間、站間通信交換的數(shù)字信號(hào)、模擬信號(hào)等,另一閥組控制主機(jī)必須從該主機(jī)讀取大量信息,以實(shí)現(xiàn)極間、站間的信號(hào)交換,從而會(huì)導(dǎo)致主機(jī)間的通信量大增。因此,兩臺(tái)主機(jī)間的通信交換不僅要實(shí)現(xiàn)閥組間控制功能的協(xié)調(diào),還有滿(mǎn)足極間、站間信號(hào)交換的要求;并且考慮到冗余系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),系統(tǒng)間、閥組間、極間、站間主機(jī)的通信連接和切換非常復(fù)雜。3.3閥組間的觸發(fā)角協(xié)調(diào)該方案直流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。為了提高直流系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性,對(duì)于每個(gè)串聯(lián)的12脈動(dòng)閥組采用在物理上相互獨(dú)立的換流閥控制單元,即閥組控制級(jí)采用相互獨(dú)立的裝置實(shí)現(xiàn),結(jié)構(gòu)如圖5所示。由一臺(tái)主機(jī)完成雙極/極控制級(jí)的功能,包括功率/電流指令的計(jì)算和分配、站間電流指令的協(xié)調(diào)、站無(wú)功設(shè)備的投切控制、站極直流順序控制功能等。雙極/極控制將計(jì)算得到的電流指令送到下一層次的閥組控制主機(jī)。閥組控制功能實(shí)現(xiàn)換流器閥組運(yùn)行所必需的控制功能和閥觸發(fā)功能,主要包括對(duì)直流電流、直流電壓、熄弧角等的閉環(huán)控制,以及閥組的解鎖、閉鎖等功能,閥組控制還具有手動(dòng)方式的電流升降功能,作為在雙極/極控制主機(jī)故障情況下的后備功能。對(duì)于串聯(lián)2個(gè)12脈動(dòng)閥組的換流器級(jí)控制采用相互獨(dú)立的閥組控制,可以滿(mǎn)足2個(gè)串聯(lián)12脈動(dòng)閥組的同時(shí)運(yùn)行或單獨(dú)檢修運(yùn)行等不同運(yùn)行模式的要求。正常運(yùn)行和故障處理中,對(duì)各12脈動(dòng)閥組觸發(fā)角的控制應(yīng)協(xié)調(diào)一致,以實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的控制目標(biāo),不對(duì)主設(shè)備帶來(lái)過(guò)應(yīng)力;在故障檢修時(shí),可以按要求采用不同的觸發(fā)角控制,滿(mǎn)足±800kV系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)的各種要求。閥組的觸發(fā)角協(xié)調(diào)通過(guò)閥組間的觸發(fā)角協(xié)調(diào)信號(hào)交換實(shí)現(xiàn)。在這種直流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中,硬件上為每極設(shè)置了3臺(tái)主機(jī)(此處暫未考慮到冗余),分別完成雙極和極控制的功能以及高壓閥組、低壓閥組控制的功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰,通信連接較簡(jiǎn)單。低壓閥組與高壓閥組的控制功能分開(kāi),各閥組能各自獨(dú)立工作,可靠性高。同時(shí),雙極/極控制功能獨(dú)立到單獨(dú)一臺(tái)主機(jī)中,大大降低了閥組控制主機(jī)的負(fù)荷,一定程度上在3臺(tái)主機(jī)間對(duì)負(fù)荷進(jìn)行較為均勻的分配,避免了某一臺(tái)主機(jī)的負(fù)荷過(guò)重而可能出現(xiàn)的死機(jī)。實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)結(jié)果表明,這種結(jié)構(gòu)的各主機(jī)負(fù)載率小于30%,均較前兩者大大降低,完全能夠滿(mǎn)足特高壓工程現(xiàn)場(chǎng)安全可靠運(yùn)行的需要。此方案中極層/閥組層、閥組控制層間的通信結(jié)構(gòu)和信號(hào)交換清晰、可靠。極層/閥組層間的信號(hào)交換主要是電流指令和控制信號(hào),在極層控制單元都出現(xiàn)故障時(shí),閥組層控制單元仍能維持直流系統(tǒng)的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)繼續(xù)運(yùn)行,或根據(jù)運(yùn)行人員的指令退出運(yùn)行;閥組控制層間的信號(hào)交換盡可能簡(jiǎn)化,主要包括閥組間觸發(fā)角協(xié)調(diào)信號(hào)。在閥組間通信故障的情況下,2個(gè)閥組可以按各自的觸發(fā)角控制信號(hào)維持電壓、電流恒定繼續(xù)運(yùn)行,只是2個(gè)閥組工況可能出現(xiàn)不平衡的情況,需要通過(guò)分接頭控制空載直流電壓Udio限制等功能保證閥組安全運(yùn)行。通過(guò)合理的軟硬件設(shè)計(jì),完全可以實(shí)現(xiàn)當(dāng)任意2臺(tái)主機(jī)間的通信中斷后直流工程能夠繼續(xù)運(yùn)行的要求,滿(mǎn)足特高壓工程高可靠性的要求。同時(shí),即使雙極/極控制主機(jī)故障,各閥組仍能維持運(yùn)行。這樣,任一主機(jī)的故障都不會(huì)導(dǎo)致2個(gè)閥組同時(shí)停運(yùn),整個(gè)直流控制系統(tǒng)較前面2種結(jié)構(gòu)更加可靠。如果將閥組控制功能中對(duì)直流電流、直流電壓、熄弧角等的閉環(huán)控制功能配置在雙極/極控制層主機(jī)上實(shí)現(xiàn),閥組控制層主機(jī)只是接受上層主機(jī)發(fā)出的觸發(fā)角信號(hào),則在雙極/極控制層主機(jī)故障時(shí)將造成整個(gè)極不能運(yùn)行,降低了系統(tǒng)的可靠性。3.4交直流混合動(dòng)模與實(shí)時(shí)數(shù)字仿真試驗(yàn)驗(yàn)證根據(jù)上述3種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置方案,利用±800kV直流系統(tǒng)控制樣機(jī)在為±800kV直流輸電工程專(zhuān)門(mén)建設(shè)的交直流混合動(dòng)模和實(shí)時(shí)數(shù)字仿真(RTDS)系統(tǒng)上進(jìn)行了詳細(xì)的試驗(yàn)驗(yàn)證,對(duì)比結(jié)果如表1所示,結(jié)果證明方案3是切實(shí)有效的。根據(jù)前文描述和表1的比較,推薦方案3作為±