劉谞

摘 要：直流輸電的穩(wěn)定性對(duì)于電力方面至關(guān)重要，文章從直流輸電的組成結(jié)構(gòu)及其換流技術(shù)出發(fā)，結(jié)合直流輸電的控制保護(hù)層級(jí)進(jìn)行分析，根據(jù)常見的故障提出直流輸電的保護(hù)措施。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)；直流輸出；保護(hù)層面；控制保護(hù)

1 直流輸電概況

1.1 直流輸電系統(tǒng)概念

直流輸電系統(tǒng)由直流線路、逆變站、整流站、交流側(cè)電力濾波器、直流側(cè)電力濾波器、換流變壓器、無功補(bǔ)償裝置、直流電抗器以及保護(hù)、控制裝置等構(gòu)成，通常是兩端直流輸電系統(tǒng)，其中整流站和逆變站屬于換流站，通過整流站和逆變站能夠?qū)崿F(xiàn)交流電力和直流電力的轉(zhuǎn)換，換流站是直流輸電系統(tǒng)比較重要的組成部分。首先由交流系統(tǒng)的送電端將交流功率通過換流變壓器送到整流器，完成交流功率到直流功率的轉(zhuǎn)化，然后將直流功率通過線路傳輸?shù)侥孀兤?，逆變器又?huì)將直流功率轉(zhuǎn)化為交流功率，最終傳輸?shù)浇涣麟娏ο到y(tǒng)的受電端[1]。

1.2 換流站的換流技術(shù)

整流站和逆變站都屬于換流站，他們的核心元件都是換流器，通常由一個(gè)或者是多個(gè)基本換流單元組成的，多采取串聯(lián)模式，其中電路一般應(yīng)用三相換流橋，較為常用的材料為可控硅閥，即常說的晶閘閥。當(dāng)換流器進(jìn)行工作的時(shí)候，控制橋閥能夠觸發(fā)控制調(diào)節(jié)裝置，改變了觸發(fā)相位，從而達(dá)到直流輸送功率、流經(jīng)電阻的直流電流、直流電壓的瞬時(shí)值等的調(diào)整。與此同時(shí)，同樣的觸發(fā)脈沖能夠控制所有橋閥的每一個(gè)可控硅元件，在三相電源的波為對(duì)稱正弦波的時(shí)候，線電壓從負(fù)到正，經(jīng)過零點(diǎn)時(shí)脈沖會(huì)觸發(fā)橋閥，使得閥兩端的電壓均變?yōu)檎妷?，完成閥開通的動(dòng)作。六個(gè)脈沖發(fā)生器能夠各自獨(dú)立的完成對(duì)位于單橋換流器中六個(gè)橋閥的觸發(fā)，使得交流正弦波剛好能夠經(jīng)過第一個(gè)周期，在線電壓行進(jìn)到下一個(gè)零點(diǎn)的時(shí)候，交流弦電源開始觸發(fā)第二個(gè)周期，但是在工程上所應(yīng)用的多為十二脈的雙橋換流器，因?yàn)槭}雙橋換流器能夠產(chǎn)生更小脈波的直流輸電電壓。

2 直流輸電控制保護(hù)層

直流輸電系統(tǒng)的控制根據(jù)層級(jí)的不同可以分為三個(gè)層面，即現(xiàn)場(chǎng)控制層、過程控制層、運(yùn)行人員控制層。

2.1 現(xiàn)場(chǎng)控制層

現(xiàn)場(chǎng)控制層使得交直流主設(shè)備能夠在就地進(jìn)行控制，通過硬線將交直流主設(shè)備與較近距離的設(shè)備接口進(jìn)行連接，通過現(xiàn)場(chǎng)總線將交直流主設(shè)備與較遠(yuǎn)距離的設(shè)備接口進(jìn)行連接。通過分布式的I/O控制單元實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)控制，包括高壓裝置的聯(lián)鎖、輸出控制命令、控制命令的監(jiān)控、SER事件的產(chǎn)生、自診斷、二進(jìn)制模擬量的預(yù)處理等功能。通過現(xiàn)場(chǎng)控制層面能夠?qū)崿F(xiàn)控制系統(tǒng)的分層式、分布式，來自調(diào)度中心的控制命令經(jīng)由高速LAN和現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行傳達(dá)，監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在逐層反饋，保證主系統(tǒng)、從系統(tǒng)的循環(huán)數(shù)據(jù)傳輸過程[2]。

2.2 過程控制層

過程控制層包括交流/直流站控制系統(tǒng)和極控系統(tǒng)，是直流輸電控制系統(tǒng)的核心組成。交流/直流站控制系統(tǒng)的任務(wù)是順序控制交流場(chǎng)和換流站直流系統(tǒng)，為了避免系統(tǒng)故障和系統(tǒng)維護(hù)導(dǎo)致的直流輸電系統(tǒng)不可用，所以直流/交流站控制多采用冗余結(jié)構(gòu)，因其具有雙重化配置，能夠包含各個(gè)層面的系統(tǒng)。極控系統(tǒng)在運(yùn)行人員下達(dá)命令后，發(fā)出穩(wěn)定、有效、正確的功率定值，執(zhí)行與雙極、換流器相關(guān)的所有功能，為閥和換流器提供全部控制功能。而極控系統(tǒng)包括三方面，即換流器控制（也稱閥控系統(tǒng)）、極控制、雙極控制，其中雙極控制能夠?qū)崿F(xiàn)與雙極運(yùn)行相關(guān)的所有控制功能，在接收到運(yùn)行人員的命令以后，通過給極控制層傳送相應(yīng)的電流、極功率參考值，實(shí)現(xiàn)兩極之間的功能協(xié)調(diào)，包括電流平衡控制、功率傳輸方向控制、穩(wěn)定控制、極間電流轉(zhuǎn)移、運(yùn)行人員功率參考值設(shè)定等功能[3]。

極控制能夠?qū)崿F(xiàn)與極相關(guān)的功能空中，接收的命令來自于雙極控制層，然后產(chǎn)生換流器閉環(huán)控制的直流電壓、電流、熄弧角控制參考值，最后完成極電流協(xié)調(diào)、換流器協(xié)調(diào)、分接頭控制、極解鎖閉鎖、空載加壓、故障恢復(fù)等功能。閥控系統(tǒng)由漏水檢測(cè)、避雷檢測(cè)、光接收發(fā)射、電源及接口、反向恢復(fù)保護(hù)控制單元等硬件組成，包括觸發(fā)準(zhǔn)備、負(fù)電壓檢測(cè)、反向恢復(fù)保護(hù)、關(guān)狀態(tài)四個(gè)階段。

2.3 運(yùn)行人員控制層

運(yùn)行人員控制層實(shí)現(xiàn)運(yùn)行人員的控制，包括常見的基本功能：用戶管理、曲線顯示、保護(hù)信息處理、諧波監(jiān)控、報(bào)表處理、圖形頁(yè)面顯示、自動(dòng)功率控制、事件順序記錄、控制操作等。對(duì)于UHVDC系統(tǒng)來說，其啟停、狀態(tài)、運(yùn)行、故障以及輔助操作也可通過運(yùn)行人員層面實(shí)現(xiàn)。閥控工作站、運(yùn)行人員工作站、遠(yuǎn)動(dòng)工作站均采用冗余配置實(shí)現(xiàn)雙工作站，兩個(gè)工作站相互配合，一個(gè)負(fù)責(zé)進(jìn)行控制，另外一個(gè)負(fù)責(zé)刷新實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，在主設(shè)備出現(xiàn)故障后可自動(dòng)將備用的切換為主狀態(tài)，同時(shí)完成調(diào)度的接口切換[4]。

3 直流輸電系統(tǒng)的常見故障及保護(hù)

3.1 常見故障

引起直流輸電故障的因素比較多，包括系統(tǒng)裝置的誤操作、換相的失敗、雷電和污染物引起的絕緣失效等諸多因素；常見的故障有電流中斷、換相失敗、觸發(fā)脈沖丟失、短路等。

3.2 直流輸電保護(hù)

3.2.1 換流器保護(hù)。換流器的保護(hù)方式比較多，如換流器的三角側(cè)短路保護(hù)、星型側(cè)短路保護(hù)，其動(dòng)作結(jié)果為：將相應(yīng)極緊急閉鎖，將相應(yīng)換流變壓器的進(jìn)線開關(guān)斷開，高速中性母線開關(guān)斷開，閉鎖觸發(fā)脈沖。交流過程保護(hù)，用于長(zhǎng)時(shí)間超負(fù)荷故障的控制，逆變器的短路備用保護(hù)，整流器的短路備用保護(hù)，在發(fā)生短路、交流系統(tǒng)故障、通信問題時(shí)候不會(huì)跳閘的情況，通過交流過程保護(hù)能夠緊急閉鎖相應(yīng)的極并斷開換流變壓器的進(jìn)線開關(guān)。另常見的也有直流差動(dòng)保護(hù)、星型側(cè)橋差保護(hù)、三角側(cè)橋差保護(hù)等[5]。

3.2.2 直流母線保護(hù)。直流母線保護(hù)常見的有高壓直流母線差動(dòng)保護(hù)、中性直流母線差動(dòng)保護(hù)、直流過流保護(hù)等，通過這些保護(hù)能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)極的緊急閉鎖、換流變壓器進(jìn)線開關(guān)的關(guān)閉、中性母線開關(guān)的關(guān)閉等，其中直流過流保護(hù)應(yīng)用較為常見，其保護(hù)范圍能夠涵蓋整個(gè)極，能夠作為其他保護(hù)方式的備用保護(hù)手段。

3.2.3 接地極線路保護(hù)。接地極線路保護(hù)包括接地極電流不平衡保護(hù)、中性母線差動(dòng)保護(hù)、接地極過流保護(hù)、過電壓保護(hù)、金屬接地故障保護(hù)等，其動(dòng)作后果有將相應(yīng)極閉鎖、發(fā)出報(bào)警信號(hào)、將運(yùn)行極閉鎖等[6]。

3.2.4 直流線路保護(hù)。直流線路保護(hù)包括對(duì)開關(guān)的保護(hù)和對(duì)設(shè)備的保護(hù)兩種，其中設(shè)備保護(hù)方式有行波保護(hù)、低電壓保護(hù)、直流線路差動(dòng)保護(hù)、交直流碰線保護(hù)、遠(yuǎn)方站故障檢測(cè)等；開關(guān)的保護(hù)有高速中性母線開關(guān)保護(hù)、高速接地開關(guān)保護(hù)、金屬回線開關(guān)保護(hù)等。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過文章對(duì)于直流輸電的組成結(jié)構(gòu)及其換流技術(shù)的分析總結(jié)了幾個(gè)層面的直流輸電保護(hù)方式，包括常見的換流器保護(hù)、直流母線保護(hù)、接地極線路保護(hù)、直流線路保護(hù)等，旨在為相關(guān)從業(yè)人員提供參考意見。

參考文獻(xiàn)

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