特高压直流输电系统配置方案优化配置

特高压直流输电系统配置方案优化配置

0直流输电系统保护通过节省宝贵的能源走廊资源，提高能源资源利用率，800kv高压直接供水工程是中国能源工业发展的必然前提。±800kV特高压直流工程与常规±500kV直流工程的最大不同在于特高压直流采用了双12脉动阀组串联的一次主回路,输电容量可高达5.0GW~7.2GW,如此大容量的电力输送对直流输电系统的能量可用率和系统可靠性提出了极高的要求。从目前国内外已有的超高压直流输电系统运行经验来看,直流控制保护系统是影响直流输电系统能量可用率和系统可靠性的重要因素。在国内运行的直流输电系统中,也多次出现设备故障导致直流输电系统停运的事故,对电网稳定和经济运行造成了重大不利影响,其中直流输电控制保护系统也是导致事故的主要原因之一。目前,国际上尚无商业运行的±800kV特高压直流输电工程。本文在总结常规直流输电控制保护系统经验的基础上,根据±800kV直流输电工程的特点和对控制系统的要求,着重对特高压直流输电控制系统结构配置进行了优化,提出满足特高压直流输电系统工程建设和运行要求的控制系统结构配置方案,为特高压直流控制保护系统的工程应用打下坚实的基础,并使国内特高压直流控制保护系统的研究走在世界前列。1直流输电工程的运行方式图1为±800kV特高压直流系统的一次主接线图。图1(b)为一个站的换流阀部分的详细示意图。±800kV特高压直流工程中采用的是每极2个12脉动阀组/换流单元串联的主接线形式,每个阀组电压为±400kV。由于±800kV特高压直流系统主回路与常规±500kV高压直流系统有所不同,因此,特高压直流系统控制有很多方面区别于常规直流输电,主要包括:1)控制系统的设计必须满足特高压直流工程各种运行方式的要求,并根据实际应用的运行方式,采用技术手段避免误操作到其他运行方式。2)控制系统以每个12脉动换流单元为基本单元进行配置,各12脉动换流单元的控制功能的实现和保护配置相互独立,以利于单独退出单12脉动换流单元而不影响其他设备的正常运行;同时,各12脉动控制和保护系统间的物理连接尽量简化。3)控制系统的分层结构设计应适应±800kV直流输电工程高可靠性的要求,单一元件的故障不能导致直流系统中任何12脉动换流单元退出运行;在高层控制单元故障时,12脉动控制单元应能仍然维持直流系统的当前运行状态继续运行,或根据运行人员的指令退出运行。4)软件功能满足±800kV直流输电工程串联阀组的带电投入和退出的要求,当一个极/换流单元的装置检修(含退出运行、检修和再投入3个阶段)时,不会对继续运行的另一极或本极另一换流单元的运行方式产生任何限制,也不会导致另一极或本极另一换流单元任何控制模式或功能的失效,更不会引起另一极或本极另一换流单元的停运。±800kV特高压直流输电工程采用每极双12脉动换流器串联结构,具有多种运行方式。为了实现整个系统运行高度灵活性和最大可用率,需要对直流控制系统结构和软件功能划分进行优化,以实现功能的合理分布、系统间独立,控制保护功能不会因某单一部分故障而丧失,确保整个二次系统可靠稳定运行。2个换流器控制特高压直流输电控制系统满足IEC60633—1998对直流控制系统的分层结构的定义,即直流控制系统功能可分为AC/DC系统层、区域层、高压直流双极控制层、高压直流极控制层和换流器控制层,如图2所示。在物理上,控制功能尽可能配置到较低的控制层次。与双极功能有关的装置尽可能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,甚至完全取消。当发生任何单重电路故障时,不会使2个极都受到扰动。图2中每一个换流器控制(valvecontrol)实现对一个12脉动换流单元/阀组的控制。换流阀控制级是对各个阀分别设置的等级最低的控制层次。由低电位阀控制单元(通常称为VBE)和高电位控制单元(通常称为TE)2个部分构成。换流器控制级是直流输电系统一个换流单元的控制层次,用于换流器的触发控制。主要控制功能有:换流器触发控制、定电流控制;定关断角控制;直流电压控制;触发角、直流电压、直流电流最大值和最小值限制控制;换流单元闭锁和解锁顺序控制等。极控制级是直流输电系统一个极的控制层次。极控制级的主要功能有:1)经计算向换流器控制级提供电流整定值,控制直流输电系统的电流。主控制站的电流整定值由功率控制单元给定或人工设置,并通过通信设备传送到从控制站。2)直流输电功率控制。3)极启动和停运控制。4)故障处理控制,包括移相停运和自动再启动控制、低压限流控制等。5)各换流站同一极之间的远动和通信,包括电流整定值和其他连续控制信息的传输、交直流设备运行状态信息和测量值的传输等。双极控制级是双极直流输电系统中同时控制2个极的控制层次。与双极功能有关的装置尽可能都分设到极控制层,使得与双极功能有关的装置减至最少。主要功能有:设定双极的功率定值、2极的电流平衡控制、极间功率转移控制、换流站无功功率和交流母线电压控制等。AC/DC系统层和区域层控制为直流输电控制系统中高级别控制层次,主要实现直流调制控制及多条直流线路之间的协调控制。3极控制层间设计由于特高压工程的主接线采用每极双12脉动阀组串联结构,对于此种接线方式,按照上述直流控制系统的分层结构的定义,为每一极配置一套极控系统。每套极控系统按功能分为双极控制层、极控制层和阀组控制层等3个层次。对于双极/极控制层,特高压工程仍采用与传统超高压直流工程相同的设计,与双极功能有关的装置尽可能都分设到极控制层,以保证当发生任何单重电路故障时不会使2个极都受到扰动。因此,特高压直流控制系统硬件结构实际上存在双极/极控制层和阀组控制层2层,每层可以分别设置单独的控制主机,也可以根据层与层之间的控制关系适当加以组合,可以有以下几种结构配置方案。3.1控制主机的配置该方案直流控制系统结构如图3所示。在这种直流控制系统结构中,为每个极设置了一台控制主机。该主机负责实现双12脉动阀组完整的控制功能,包括双极控制功能、极控制功能、低压阀组的控制功能和高压阀组的控制功能。由于只设置了一台控制主机,本结构显得十分简单。2个阀组控制之间的通信、阀组控制与极控制之间的通信都是在主机内部完成,大大简化了主机与外部的通信量。但是,由于所有功能都集成在一台主机中,不可避免地带来主机负载的大幅提升。在仿真实验室中的试验也表明,这种结构形式下的控制主机负载较重,主机负载率大于80%。另外,所有控制功能都集成在一台主机中,如果该主机出现故障,则2个阀组可能均需要停运。这种结构带来的特高压直流输电控制系统可靠性的大幅降低也是不能接受的。3.2双极/极控制功能该方案直流控制系统结构如图4所示。在这种直流控制系统结构中,为每极设置了2台控制主机,每台控制主机中都集成了双极控制功能、极控制功能和单个阀组控制功能。与前一种结构相比,2个阀组的控制功能分布到了2台主机中,同时,2台主机中又都有双极/极控制功能。任一阀组主机故障时,另一阀组仍能正常运行。系统的可靠性有了较大的提高。由于设置了2台主机,每台主机的负载率均较前一种结构有所降低。实验室的试验表明,此时各主机的主CPU的负载量仍偏高,主机负载率大于50%。同时,由于2台主机中都存在双极/极控制功能,正常运行时只能是处于主控状态的一台阀组主机起作用。为了获得处于主控控制状态主机的双极/极控制功能的相关状态信息,以及需要通过极间、站间通信交换的数字信号、模拟信号等,另一阀组控制主机必须从该主机读取大量信息,以实现极间、站间的信号交换,从而会导致主机间的通信量大增。因此,两台主机间的通信交换不仅要实现阀组间控制功能的协调,还有满足极间、站间信号交换的要求;并且考虑到冗余系统设计时,系统间、阀组间、极间、站间主机的通信连接和切换非常复杂。3.3阀组间的触发角协调该方案直流控制系统结构如图5所示。为了提高直流系统运行的可靠性,对于每个串联的12脉动阀组采用在物理上相互独立的换流阀控制单元,即阀组控制级采用相互独立的装置实现,结构如图5所示。由一台主机完成双极/极控制级的功能,包括功率/电流指令的计算和分配、站间电流指令的协调、站无功设备的投切控制、站极直流顺序控制功能等。双极/极控制将计算得到的电流指令送到下一层次的阀组控制主机。阀组控制功能实现换流器阀组运行所必需的控制功能和阀触发功能,主要包括对直流电流、直流电压、熄弧角等的闭环控制,以及阀组的解锁、闭锁等功能,阀组控制还具有手动方式的电流升降功能,作为在双极/极控制主机故障情况下的后备功能。对于串联2个12脉动阀组的换流器级控制采用相互独立的阀组控制,可以满足2个串联12脉动阀组的同时运行或单独检修运行等不同运行模式的要求。正常运行和故障处理中,对各12脉动阀组触发角的控制应协调一致,以实现统一的控制目标,不对主设备带来过应力;在故障检修时,可以按要求采用不同的触发角控制,满足±800kV系统的运行维护的各种要求。阀组的触发角协调通过阀组间的触发角协调信号交换实现。在这种直流控制系统结构中,硬件上为每极设置了3台主机(此处暂未考虑到冗余),分别完成双极和极控制的功能以及高压阀组、低压阀组控制的功能。系统结构清晰,通信连接较简单。低压阀组与高压阀组的控制功能分开,各阀组能各自独立工作,可靠性高。同时,双极/极控制功能独立到单独一台主机中,大大降低了阀组控制主机的负荷,一定程度上在3台主机间对负荷进行较为均匀的分配,避免了某一台主机的负荷过重而可能出现的死机。实验室的试验结果表明,这种结构的各主机负载率小于30%,均较前两者大大降低,完全能够满足特高压工程现场安全可靠运行的需要。此方案中极层/阀组层、阀组控制层间的通信结构和信号交换清晰、可靠。极层/阀组层间的信号交换主要是电流指令和控制信号,在极层控制单元都出现故障时,阀组层控制单元仍能维持直流系统的当前运行状态继续运行,或根据运行人员的指令退出运行;阀组控制层间的信号交换尽可能简化,主要包括阀组间触发角协调信号。在阀组间通信故障的情况下,2个阀组可以按各自的触发角控制信号维持电压、电流恒定继续运行,只是2个阀组工况可能出现不平衡的情况,需要通过分接头控制空载直流电压Udio限制等功能保证阀组安全运行。通过合理的软硬件设计,完全可以实现当任意2台主机间的通信中断后直流工程能够继续运行的要求,满足特高压工程高可靠性的要求。同时,即使双极/极控制主机故障,各阀组仍能维持运行。这样,任一主机的故障都不会导致2个阀组同时停运,整个直流控制系统较前面2种结构更加可靠。如果将阀组控制功能中对直流电流、直流电压、熄弧角等的闭环控制功能配置在双极/极控制层主机上实现,阀组控制层主机只是接受上层主机发出的触发角信号,则在双极/极控制层主机故障时将造成整个极不能运行,降低了系统的可靠性。3.4交直流混合动模与实时数字仿真试验验证根据上述3种控制系统结构配置方案,利用±800kV直流系统控制样机在为±800kV直流输电工程专门建设的交直流混合动模和实时数字仿真(RTDS)系统上进行了详细的试验验证,对比结果如表1所示,结果证明方案3是切实有效的。根据前文描述和表1的比较,推荐方案3作为±