±800kV直流换流站设计规范 GB/T50789-2012(2022年版)
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6.3 直流控制保护系统

6.3.1 直流控制保护系统的结构应符合下列规定:

    1 直流控制系统宜按功能划分为站控制、双极控制、极控制和阀组控制。

    2 直流控制保护系统应按冗余的原则进行配置,且控制系统应具有自动的系统选择与切换功能。

    3 当换流站为双极接线时,两个极的控制保护系统功能应完全独立。当每极采用两个阀组接线时,两个阀组的控制保护系统功能应相对独立。

    4 两个极的直流远动系统应完全独立,每个极的直流远动系统应双重化配置。

    5 控制和保护系统宜相对独立。

    6 直流控制保护系统应满足整流运行和逆变运行的要求。

6.3.2 直流控制保护系统的硬软件系统应符合下列规定:

    1 直流控制保护系统的硬件及软件系统应具有稳定性、可靠性、安全性、可扩展性和易维护性,并应具有较强的抗干扰能力。

    2 直流控制保护系统的硬件设备应选用工业标准的产品,软件系统应支持分层分布、模块化结构的设计。

6.3.3 直流控制系统的设计应符合下列规定:

    1 直流控制系统的基本控制模式可包括双极功率控制模式、独立极功率控制模式、同步极电流控制模式、无功功率控制模式、应急极电流控制模式、极线路开路试验模式、潮流反转控制模式、直流全压/降压运行控制模式和低负荷无功优化控制模式。

    2 直流控制系统的基本控制功能宜包括主导站/从控站的选择、功率指令及双极功率定值的计算、直流功率传输方向的选择、双极电流平衡控制、无功功率控制、直流电流控制、直流电压控制、触发角/熄弧角控制、换流阀触发相位控制、换流变压器分接头控制、高压直流系统启动/停运控制、故障策略控制、过负荷控制以及低压限流功能等。

    3 直流控制系统的附加调制控制功能应由系统研究确定,可包括功率提升、功率回降、异常交流电压和频率控制、阻尼次同步振荡以及附加调制信号等。

    4 直流控制系统的基本控制功能应能满足各种可能的运行方式,并应有相应的控制策略。

    5 直流控制系统输入/输出信号宜包括直流控制系统与直流保护系统之间交换的信号、两侧换流站直流控制系统之间交换的信号、交流开关场信号、直流开关场信号、换流器及阀厅信号和阀冷却系统信号等。

    6 极控制系统应配置保护性监控功能。保护性监控功能可包括换相失败预测、晶闸管结温监视、大角度监视、线路开路试验监视等。

6.3.4 直流保护系统的设计应符合下列规定:

    1 直流保护应按保护区域设置,每一个保护区应与相邻的保护区重叠,不应存在保护死区。保护区域宜分为交流滤波器/并联电容器保护区、换流变压器保护区、换流器保护区、直流极母线保护区、直流滤波器保护区、直流接地极线路保护区、直流线路保护区、极中性母线保护区、双极中性母线保护区等。

    2 每一个保护区域的保护应至少为双重化配置。

    3 与故障极或双极有关的保护在双极运行中禁止误跳另一极。

    4 阀组区保护应具有独立性,退出运行的阀组不应对剩余阀组的正常运行产生影响。

    5 对于每一个保护区域内设备的短路、闪络、接地故障等宜配置相应的主、后备保护。

    6 是否设置最后交流断路器保护功能应根据工程实际情况研究确定。

6.3.5 直流远动系统的设计应符合下列规定:

    1 直流远动系统及通道宜按极双重化配置。

    2 用于两端换流站直流控制保护系统信息交换的高压直流远动系统功能宜集成到直流控制保护系统中,用于两端换流站监控系统信息交换的高压直流远动系统功能可集成到换流站计算机监控系统。

    3 直流远动系统信号的传输延时应满足直流系统动态响应要求。直流远动系统应优先采用光纤通信系统作为信号传输的主通道。


条文说明
6.3.1 本条是关于直流控制保护系统结构设计的规定。
    根据现行国家标准《高压直流输电术语》GB/T13498对HVDC控制系统的分层结构给出的定义,即HVDC控制系统功能上可分为:AC/DC系统层,区域层,HVDC双极控制层,HVDC极控制层,换流器单元控制层。其中,AC/DC系统层是与交、直流系统协调控制有关的功能;区域层是协调整个HVDC系统运行的控制功能,相当于主站控制。对于±800kV换流站,参照了现行国家标准《高压直流输电术语GB/T13498对控制系统的分层结构的定义,推荐采用四层结构,且直流控制功能要尽可能地配置到较低的控制层上。
    因为高压直流换流站的可靠运行对整个电力系统将产生重大影响,因此在直流控制保护系统的设计中均强调了至少双重化配置的原则,双重化的范围包括:信号输入/输出回路,电源回路、通信回路、所有的控制保护装置等,且双重化系统互为热备用,备用子系统的数据随工作子系统的数据自动更新。另外,工作的子系统和备用子系统间的切换要既可以手动,也可以自动进行。子系统间状态转换不影响高压直流系统的正常运行。一个子系统出现故障,不影响其他子系统的运行。
    若换流站为双极接线,则当一个极的装置检修时,不会对继续运行的另外一极的运行方式产生任何限制,也不会导致另一极任何控制模式或功能失效,更不会引起另一极停运。当每极采用两个阀组串联接线时,将有很多种运行方式,因此要求每个阀组的检修或投退均不会对继续运行的其他阀组的运行产生任何限制。
    从高压直流系统的实际运行情况来看:直流控制保护系统是一个密切联系、不可分割的整体,但从国内的运行维护习惯以及从减轻控制系统负载率角度考虑,控制和保护系统宜具备一定的独立性,这种相对独立性通常可以是指板卡独立、电源独立、测量回路独立或整个控制/保护机箱独立。
    目前两端长距离高压直流输电工程的功率方向基本上是可以双方向的,因此要求每个换流站的直流控制保护系统既能适用整流运行,也能适用逆变运行。
6.3.3 本条是关于直流控制系统设计的规定。
    双极功率控制模式是按运行人员给定的双极功率指令进行调节,并按两个极直流电压将直流电流分配给每个极,且使极间不平衡电流最小的控制模式;独立极功率控制模式是按运行人员给定的本极功率指令进行调节,并按本极的直流电压计算本极直流电流的控制模式;同步极电流控制模式是直接按运行人员下达的极电流指令进行调节以确定传输功率,且两站将自动协调电流指令,以免丧失电流裕度的控制模式。
    ±800kV换流站的运行方式有两大特点:多样性和部分阀组运行。因此高压直流系统的基本控制功能要能满足各种运行方式。
6.3.4 本条是关于直流保护系统设计的规定。
    目前,国内外高压直流保护均至少双重化配置,冗余配置的高压直流保护装置采用不同原理,测量器件、通道及辅助电源等独立配置。另外,由于现代高压直流控制系统的鲁棒性,对于一些交、直流系统异常运行状态,高压直流保护动作不会直接停运高压直流系统。控制系统可以采取很多的控制策略以维持高压直流系统运行,因此,防止高压直流保护系统单一元件故障造成高压直流系统停运是对高压直流保护系统的重要要求,而多重化高压直流保护系统易于构成满足此要求的保护出口逻辑。但是,随着高压直流保护系统硬、软件系统功能的不断强大,通过采取一些可行的措施,如测量传感器的监视、数据传输路径的监视、PCI板的监视、处理器插线板的监视、测量值的校核等方法,高压直流保护系统双重化配置也是可以满足要求的,目前在建的贵广二回高压直流输电工程,以及三峡至上海高压直流输电工程中的高压直流保护系统均采用双重化配置。±800kV直流输电系统的大容量输送及其在电网中地位的重要性,对运行可靠性提出了更高的要求,也就对直流控制保护系统的可靠性提出了更高的要求。为了达到更高的系统可用率和可靠性,其保护系统也可采用三取二的保护配置方式。
    根据±800kV换流站的接线特点,换流器区保护分高端阀组区保护和低端阀组区保护,还增加了阀连接母线区的保护。
    本规范推荐的各区域保护配置如下:
    (1) 交流滤波器/并联电容器保护区通常配置滤波器组联线保护、滤波器组过电压保护、滤波器小组断路器失灵保护、滤波器小组差动保护、高压电容器(交流滤波器,并联电容器)不平衡保护、过流保护、零序过流保护、多调谐滤波器内电抗器、电阻器支路过负荷保护、交流滤波器失谐监视等保护。
    (2) 换流变压器保护区通常配置换流变压器联线差动保护、换流母线过电压保护、换流变压器差动保护、换流变压器过流以及过负荷保护、换流变压器零序差动保护、换流变压器零序电流保护、换流变压器中性点偏移保护、换流变压器过激磁保护、换流变压器饱和保护、换流变压器本体保护,包括瓦斯保护、压力释放、油温和绕组温度异常保护以及换流变压器冷却系统故障保护等。
    (3) 换流器通常配置晶闸管元件异常保护、晶闸管元件过电压保护、阀阻尼回路过应力保护、换流器触发系统故障保护、阀短路保护、阀组过流保护、误触发和换相失败保护、直流过电流保护、直流电压异常保护、换流变压器阀侧至阀厅区域的接地故障保护、换流变压器阀侧绕组的交流电压异常保护等。
    (4) 直流开关场通常配置极母线差动保护、极中性母线差动保护、双极中性线差动保护、阀连接母线区的保护、高速直流开关保护、油绝缘平波电抗器本体保护,包括瓦斯保护,油温过高,油压异常,油位过低,压力释放和冷却系统故障等保护。
    (5) 直流滤波器通常配置直流滤波器差动保护、过流保护及过负荷保护、高压容器不平衡保护、直流滤波器失谐状态的监视等保护。
    (6) 直流接地极线路通常配置地极引线差动保护、地极引线过流保护、地极引线不平衡保护,地极引线过压(开路)保护、站内直流接地过流保护等。
    (7) 直流线路保护通常配置直流线路行波保护、直流线路差动保护、直流线路低电压保护等。
6.3.5 本条是关于直流远动系统设计的规定。
    从目前国内工程的情况来看,直流控制保护系统信号均通过两站直流控制保护系统之间的传输通道进行传送。传送站监控系统信号有两种方式:第一种是通过两站局域网之间通信传送,第二种是通过两站直流控制保护系统之间的传输通道进行传送。
    直流远动系统信号传输的延时要包括通信系统传输信号的延时。另外,对于所采用的通信系统,各工程均有所不同,天广高压直流输电工程采用的是电力线载波通信(PLC),贵广高压直流输电工程采用光纤复合架空地线(OPGW),三常和三广高压直流输电工程均采用OPGW。从实际运行情况来看,无论是PLC还是OPGW系统,均能满足直流控制保护系统的传输速率要求。考虑到光纤通信系统在各大网已得到较广泛的应用,因此,要尽可能采用光纤通信系统作为传输主通道,以便提高传输可靠性。如果通道安排有可能的情况下,采用独立的2M传输通道将减少中间通信设备环节,更有助于提高可靠性,尤其是在传输大量更完整的对侧换流站控制保护信息的情况下。

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