特高压多端直流工程龙门换流站直流控制保护系统分析

朱云峰，陈 越，黄 维

（中国南方电网有限责任公司超高压输电公司广州局，广东 广州 510405）

0 引 言

柔性直流输电技术相比于传统直流输电技术，主要优势在于没有无功补偿问题、没有换相失败问题、可以为无源系统供电、可同时独立调节有功功率和无功功率、谐波水平低、适合构成多端直流系统以及占地面积小。

柔性直流输电技术的主要应用领域包括远距离大容量输电、异步联网、海上风电场接入电网、分布式电源接入电网、向海上或偏远地区供电、构筑城市直流配电网以及提高电能质量向重要负荷供电[1]。

昆柳龙直流工程采用±800 kV特高压三端混合直流系统，输送容量8×106kW，送端为云南昆明昆北换流站，受端为柳州柳北换流站和广东惠州龙门换流站，直流线路全长1 452 km，途经云南、贵州、广西以及广东4个地区。它将世界第七大水电站——乌东德水电站的水电送抵粤港澳大湾区电力负荷中心，输送容量占乌东德水电站的80%。

昆柳龙直流工程采用LCC作为功率集中输送端、多个MMC作为多落点受端构建混合多端直流输电系统，输电容量大，运行方式复杂，可靠性要求高。直流输电的控制保护系统是直流输电的“大脑”，是直流输电系统安全、可靠、稳定运行的保障。它负责控制交、直流功率转换与直流功率输送的全部过程，并保护换流站所有电气设备以及直流输电线路免受电气故障的损害，是系统正常、稳定运行的基础。

1 龙门换流站直流控制保护系统的组成

龙门换流站直流控制保护系统从功能上可分为阀组控制层、极控制层、双极控制层和多端协调控制层。直流控制保护系统均采用完全双重化设计，包括I/O单元、控制主机及现场控制LAN网等。控制保护系统的冗余设计可确保直流系统不会因为任一控制系统的单重故障（N-1）而发生停运，也不会因为单重故障而失去对换流站的监视。另外，双极控制功能可以集成在极层控制设备中，也可在直流站控设备中实现。龙门换流站控制保护系统采用南瑞继保自主研发的新一代PCS-9550系列直流控制保护系统，总体上分为以下几个子系统。

1.1 直流站控系统

龙门换流站直流站控系统的主要功能是完成数据采集与处理、模式选择、直流场顺控与联锁、第三站在线投退以及线路重启协调控制等，其中多端协调控制功能由站控装置实现，在3个站均配置，协调各端的有功/电流。

1.2 极控制系统

龙门换流站极控制系统主要控制交直流功率转换与直流功率输送的全过程，主要功能包含直流电压、电流、频率的测量及直流功率的计算，以及极顺序控制、极功率/极电流控制、双阀组分接开关同步、站间通信、在极控中实现的线路再启动逻辑、直流零电流检测、空载加压试验保护以及不平衡运行保护等保护性监控功能。

1.3 阀组控制系统

龙门换流站阀组控制系统的主要功能包含完成换流器控制系统的内外环控制、顺序控制、分接头控制以及保护性监视功能，完成与SCADA-LAN、站层控制LAN（STN-LAN）的接口，完成与运行人员工作站、远动工作站的通信，完成冗余系统间及高、低端换流器间通信，完成与极控系统、换流器保护系统、主时钟系统以及现场总线的接口。

1.4 直流系统保护

直流系统保护主要包括交流连接母线保护区、换流器保护区、直流极保护区和直流双极保护区。对柔性直流保护而言，乌东德工程中一次主回路与以往工程存在较大差异：龙门站阀区出口配置HSS高速并联开关，桥臂电抗器布置于直流侧，桥臂电流测点位置布置于阀与桥臂电抗器之间，新增了柔直变压器网测电压测点和启动电阻支路电流测点[2]。双阀组结构的柔性直流VSC站保护分区示意图如图1所示，龙门站测点布置示意图如图2所示。

图1 双阀组结构的柔性直流VSC站保护分区示意图

2 龙门换流站直流控制保护系统的硬件配置

2.1 保护主机装置

保护主机装置主要是完成保护系统的各项保护运算逻辑，将保护动作信息传送到极控系统和三取二装置，完成与运行人员工作站和远动工作站的通信，完成与极控系统、后台录波、主时钟和现场I/O的连接。

2.2 I/O采集单元

I/O采集单元主要是完成对现场直流开关和刀闸位置状态的采集监视，并通过CAN总线将状态信息传送到保护主机装置。

2.3 三取二装置

三取二装置主要接收各套保护装置和非电量跳闸的分类动作信息，进行三取二逻辑判断，出口实现跳双阀组换流变开关和部分保护分合直流开关动作的功能。三套保护与三取二逻辑构成一个整体，三套保护主机中有两套相同类型保护动作被判定为正确的动作行为，才允许出口闭锁或跳闸，以保证可靠性和安全性[3]。

3 龙门换流站与其他直流在控制保护系统上的对比

3.1 硬件平台

天广直流、高肇直流和兴安直流工程采用西门子的SIMADYN D系统，楚穗直流和糯扎渡直流工程采用SIMATIC TDC系统，而龙门换流站控制保护硬件系统采用南瑞生产的PCS-9550系统，硬件处理能力更强，可为后期应用功能扩展留有较大裕度。

3.2 多端协调控制功能

乌东德直流输电的控制除了实现各自运行方式的基本控制模式外，新增了多端协调控制功能。该功能由站控装置实现，在3个站点均配置。在任意时刻只有一个作为主站，其余两个为从站。多端功率/电流指令协调示意图，如图3所示。协调控制功能主要包括：当受端其中一端由于故障而退出时，调整剩余端的有功功率/电流指令，维持系统的有功平衡和直流电压稳定；稳态下对各端的有功功率/电流进行分配，保证各端的功率都在设计容量内[4,5]。

图3 多端功率/电流指令协调示意图

3.3 分接头控制模式

常规直流分接开关用来维持点火角或阀侧电压在合适范围内，还用于对应阀侧的交流空载电压的恒定。龙门站分接开关用于补偿逆变侧交流系统的电压变化，从而维持换流器调制比或阀侧电压在合适范围内，还用于在换流器预充电时减小充电电流。

3.4 阀组控制层

换流器层的控制功能由阀组控制系统实现，是整个换流器层和连接极层的控制系统。柔性直流换流器的控制由外环控制和内环控制组成，与常规直流存在明显差异。其中，外环控制产生参考电流指令，内环控制根据矢量控制原理经一系列处理后产生换流器的三相参考电压，生成调制波发送阀控系统用于柔直阀工作。

4 结 论

本文以乌东德电站送电广东广西输电工程为背景，描述了乌东德直流龙门换流站的直流控制保护系统的配置原则、主要功能和关键控制保护技术，并与其他南方电网超高压所辖换流站进行对比，主要结论如下。

（1）基本控制策略。通过电压、电流裕度控制器，能可靠实现启动、停运、稳态运行、第三端在线投退、阀组在线投退及多运行方式的转化。

（2）测量系统。对于并联型多端直流输电系统测量点布置来说，在每站每极高低阀组之间增加了一个直流电流测量点，在汇流母线区的换流站直流线路增加了直流电压和电流测量点。

（3）控制保护系统配置。特高压多端直流输电系统的控制保护系统，配置原则与以往特高压直流输电工程类似，主要区别在于需增加多端协调控制层。三端协调控制层可以独立配置物理设备，也可在直流站控设备或者极控设备中实现相关功能。