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)保護通過節(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脈動閥組串聯(lián)的一次主回路,輸電容量可高達5.0GW~7.2GW,如此大容量的電力輸送對直流輸電系統(tǒng)的能量可用率和系統(tǒng)可靠性提出了極高的要求。從目前國內外已有的超高壓直流輸電系統(tǒng)運行經(jīng)驗來看,直流控制保護系統(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。在國內運行的直流輸電系統(tǒng)中,也多次出現(xiàn)設備故障導致直流輸電系統(tǒng)停運的事故,對電網(wǎng)穩(wěn)定和經(jīng)濟運行造成了重大不利影響,其中直流輸電控制保護系統(tǒng)也是導致事故的主要原因之一。目前,國際上尚無商業(yè)運行的±800kV特高壓直流輸電工程。本文在總結常規(guī)直流輸電控制保護系統(tǒng)經(jīng)驗的基礎上,根據(jù)±800kV直流輸電工程的特點和對控制系統(tǒng)的要求,著重對特高壓直流輸電控制系統(tǒng)結構配置進行了優(yōu)化,提出滿足特高壓直流輸電系統(tǒng)工程建設和運行要求的控制系統(tǒng)結構配置方案,為特高壓直流控制保護系統(tǒng)的工程應用打下堅實的基礎,并使國內特高壓直流控制保護系統(tǒng)的研究走在世界前列。1直流輸電工程的運行方式圖1為±800kV特高壓直流系統(tǒng)的一次主接線圖。圖1(b)為一個站的換流閥部分的詳細示意圖?！?00kV特高壓直流工程中采用的是每極2個12脈動閥組/換流單元串聯(lián)的主接線形式,每個閥組電壓為±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)的設計必須滿足特高壓直流工程各種運行方式的要求,并根據(jù)實際應用的運行方式,采用技術手段避免誤操作到其他運行方式。2)控制系統(tǒng)以每個12脈動換流單元為基本單元進行配置,各12脈動換流單元的控制功能的實現(xiàn)和保護配置相互獨立,以利于單獨退出單12脈動換流單元而不影響其他設備的正常運行;同時,各12脈動控制和保護系統(tǒng)間的物理連接盡量簡化。3)控制系統(tǒng)的分層結構設計應適應±800kV直流輸電工程高可靠性的要求,單一元件的故障不能導致直流系統(tǒng)中任何12脈動換流單元退出運行;在高層控制單元故障時,12脈動控制單元應能仍然維持直流系統(tǒng)的當前運行狀態(tài)繼續(xù)運行,或根據(jù)運行人員的指令退出運行。4)軟件功能滿足±800kV直流輸電工程串聯(lián)閥組的帶電投入和退出的要求,當一個極/換流單元的裝置檢修(含退出運行、檢修和再投入3個階段)時,不會對繼續(xù)運行的另一極或本極另一換流單元的運行方式產(chǎn)生任何限制,也不會導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,更不會引起另一極或本極另一換流單元的停運?！?00kV特高壓直流輸電工程采用每極雙12脈動換流器串聯(lián)結構,具有多種運行方式。為了實現(xiàn)整個系統(tǒng)運行高度靈活性和最大可用率,需要對直流控制系統(tǒng)結構和軟件功能劃分進行優(yōu)化,以實現(xiàn)功能的合理分布、系統(tǒng)間獨立,控制保護功能不會因某單一部分故障而喪失,確保整個二次系統(tǒng)可靠穩(wěn)定運行。2個換流器控制特高壓直流輸電控制系統(tǒng)滿足IEC60633—1998對直流控制系統(tǒng)的分層結構的定義,即直流控制系統(tǒng)功能可分為AC/DC系統(tǒng)層、區(qū)域層、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。與雙極功能有關的裝置盡可能分設到極和換流單元控制層,使得與雙極功能有關的裝置減至最少,甚至完全取消。當發(fā)生任何單重電路故障時,不會使2個極都受到擾動。圖2中每一個換流器控制(valvecontrol)實現(xiàn)對一個12脈動換流單元/閥組的控制。換流閥控制級是對各個閥分別設置的等級最低的控制層次。由低電位閥控制單元(通常稱為VBE)和高電位控制單元(通常稱為TE)2個部分構成。換流器控制級是直流輸電系統(tǒng)一個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。極控制級是直流輸電系統(tǒng)一個極的控制層次。極控制級的主要功能有:1)經(jīng)計算向換流器控制級提供電流整定值,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置,并通過通信設備傳送到從控制站。2)直流輸電功率控制。3)極啟動和停運控制。4)故障處理控制,包括移相停運和自動再啟動控制、低壓限流控制等。5)各換流站同一極之間的遠動和通信,包括電流整定值和其他連續(xù)控制信息的傳輸、交直流設備運行狀態(tài)信息和測量值的傳輸?shù)取ｋp極控制級是雙極直流輸電系統(tǒng)中同時控制2個極的控制層次。與雙極功能有關的裝置盡可能都分設到極控制層,使得與雙極功能有關的裝置減至最少。主要功能有:設定雙極的功率定值、2極的電流平衡控制、極間功率轉移控制、換流站無功功率和交流母線電壓控制等。AC/DC系統(tǒng)層和區(qū)域層控制為直流輸電控制系統(tǒng)中高級別控制層次,主要實現(xiàn)直流調制控制及多條直流線路之間的協(xié)調控制。3極控制層間設計由于特高壓工程的主接線采用每極雙12脈動閥組串聯(lián)結構,對于此種接線方式,按照上述直流控制系統(tǒng)的分層結構的定義,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個層次。對于雙極/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計,與雙極功能有關的裝置盡可能都分設到極控制層,以保證當發(fā)生任何單重電路故障時不會使2個極都受到擾動。因此,特高壓直流控制系統(tǒng)硬件結構實際上存在雙極/極控制層和閥組控制層2層,每層可以分別設置單獨的控制主機,也可以根據(jù)層與層之間的控制關系適當加以組合,可以有以下幾種結構配置方案。3.1控制主機的配置該方案直流控制系統(tǒng)結構如圖3所示。在這種直流控制系統(tǒng)結構中,為每個極設置了一臺控制主機。該主機負責實現(xiàn)雙12脈動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。由于只設置了一臺控制主機,本結構顯得十分簡單。2個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內部完成,大大簡化了主機與外部的通信量。但是,由于所有功能都集成在一臺主機中,不可避免地帶來主機負載的大幅提升。在仿真實驗室中的試驗也表明,這種結構形式下的控制主機負載較重,主機負載率大于80%。另外,所有控制功能都集成在一臺主機中,如果該主機出現(xiàn)故障,則2個閥組可能均需要停運。這種結構帶來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)結構如圖4所示。在這種直流控制系統(tǒng)結構中,為每極設置了2臺控制主機,每臺控制主機中都集成了雙極控制功能、極控制功能和單個閥組控制功能。與前一種結構相比,2個閥組的控制功能分布到了2臺主機中,同時,2臺主機中又都有雙極/極控制功能。任一閥組主機故障時,另一閥組仍能正常運行。系統(tǒng)的可靠性有了較大的提高。由于設置了2臺主機,每臺主機的負載率均較前一種結構有所降低。實驗室的試驗表明,此時各主機的主CPU的負載量仍偏高,主機負載率大于50%。同時,由于2臺主機中都存在雙極/極控制功能,正常運行時只能是處于主控狀態(tài)的一臺閥組主機起作用。為了獲得處于主控控制狀態(tài)主機的雙極/極控制功能的相關狀態(tài)信息,以及需要通過極間、站間通信交換的數(shù)字信號、模擬信號等,另一閥組控制主機必須從該主機讀取大量信息,以實現(xiàn)極間、站間的信號交換,從而會導致主機間的通信量大增。因此,兩臺主機間的通信交換不僅要實現(xiàn)閥組間控制功能的協(xié)調,還有滿足極間、站間信號交換的要求;并且考慮到冗余系統(tǒng)設計時,系統(tǒng)間、閥組間、極間、站間主機的通信連接和切換非常復雜。3.3閥組間的觸發(fā)角協(xié)調該方案直流控制系統(tǒng)結構如圖5所示。為了提高直流系統(tǒng)運行的可靠性,對于每個串聯(lián)的12脈動閥組采用在物理上相互獨立的換流閥控制單元,即閥組控制級采用相互獨立的裝置實現(xiàn),結構如圖5所示。由一臺主機完成雙極/極控制級的功能,包括功率/電流指令的計算和分配、站間電流指令的協(xié)調、站無功設備的投切控制、站極直流順序控制功能等。雙極/極控制將計算得到的電流指令送到下一層次的閥組控制主機。閥組控制功能實現(xiàn)換流器閥組運行所必需的控制功能和閥觸發(fā)功能,主要包括對直流電流、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方式的電流升降功能,作為在雙極/極控制主機故障情況下的后備功能。對于串聯(lián)2個12脈動閥組的換流器級控制采用相互獨立的閥組控制,可以滿足2個串聯(lián)12脈動閥組的同時運行或單獨檢修運行等不同運行模式的要求。正常運行和故障處理中,對各12脈動閥組觸發(fā)角的控制應協(xié)調一致,以實現(xiàn)統(tǒng)一的控制目標,不對主設備帶來過應力;在故障檢修時,可以按要求采用不同的觸發(fā)角控制,滿足±800kV系統(tǒng)的運行維護的各種要求。閥組的觸發(fā)角協(xié)調通過閥組間的觸發(fā)角協(xié)調信號交換實現(xiàn)。在這種直流控制系統(tǒng)結構中,硬件上為每極設置了3臺主機(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)結構清晰,通信連接較簡單。低壓閥組與高壓閥組的控制功能分開,各閥組能各自獨立工作,可靠性高。同時,雙極/極控制功能獨立到單獨一臺主機中,大大降低了閥組控制主機的負荷,一定程度上在3臺主機間對負荷進行較為均勻的分配,避免了某一臺主機的負荷過重而可能出現(xiàn)的死機。實驗室的試驗結果表明,這種結構的各主機負載率小于30%,均較前兩者大大降低,完全能夠滿足特高壓工程現(xiàn)場安全可靠運行的需要。此方案中極層/閥組層、閥組控制層間的通信結構和信號交換清晰、可靠。極層/閥組層間的信號交換主要是電流指令和控制信號,在極層控制單元都出現(xiàn)故障時,閥組層控制單元仍能維持直流系統(tǒng)的當前運行狀態(tài)繼續(xù)運行,或根據(jù)運行人員的指令退出運行;閥組控制層間的信號交換盡可能簡化,主要包括閥組間觸發(fā)角協(xié)調信號。在閥組間通信故障的情況下,2個閥組可以按各自的觸發(fā)角控制信號維持電壓、電流恒定繼續(xù)運行,只是2個閥組工況可能出現(xiàn)不平衡的情況,需要通過分接頭控制空載直流電壓Udio限制等功能保證閥組安全運行。通過合理的軟硬件設計,完全可以實現(xiàn)當任意2臺主機間的通信中斷后直流工程能夠繼續(xù)運行的要求,滿足特高壓工程高可靠性的要求。同時,即使雙極/極控制主機故障,各閥組仍能維持運行。這樣,任一主機的故障都不會導致2個閥組同時停運,整個直流控制系統(tǒng)較前面2種結構更加可靠。如果將閥組控制功能中對直流電流、直流電壓、熄弧角等的閉環(huán)控制功能配置在雙極/極控制層主機上實現(xiàn),閥組控制層主機只是接受上層主機發(fā)出的觸發(fā)角信號,則在雙極/極控制層主機故障時將造成整個極不能運行,降低了系統(tǒng)的可靠性。3.4交直流混合動模與實時數(shù)字仿真試驗驗證根據(jù)上述3種控制系統(tǒng)結構配置方案,利用±800kV直流系統(tǒng)控制樣機在為±800kV直流輸電工程專門建設的交直流混合動模和實時數(shù)字仿真(RTDS)系統(tǒng)上進行了詳細的試驗驗證,對比結果如表1所示,結果證明方案3是切實有效的。根據(jù)前文描述和表1的比較,推薦方案3作為±