邱志遠(yuǎn)，馮文昕，劉 浩，鄢天畢

（1.超高壓輸電公司貴陽局，貴陽 550081；2.貴陽銳泰電力科技有限公司，貴陽 550002）

0 引言

直流輸電控制保護系統(tǒng)的設(shè)計目的是避免電力在換流站、直流線路、電力濾波器以及變壓器等多個輸電環(huán)節(jié)中可能出現(xiàn)的異常和故障現(xiàn)象，準(zhǔn)確的分析直流輸電的動態(tài)行為和特性，進而針對各個影響因素制定具體的控制保護方案。從直流輸電控制保護系統(tǒng)現(xiàn)階段的應(yīng)用情況來看，存在明顯的電壓波動不穩(wěn)定、系統(tǒng)運行與維護效果差的問題，為此構(gòu)建了系統(tǒng)的電壓控制與自動化運維模型?，F(xiàn)階段應(yīng)用頻度較高的電壓控制與自動化運維模型包括基于分布式協(xié)同的配電網(wǎng)電壓控制和基于電源負(fù)載調(diào)節(jié)的電壓控制等模型。其中基于分布式協(xié)同的配電網(wǎng)電壓控制主要利用的是電網(wǎng)中的分布式結(jié)構(gòu)，通過各個電網(wǎng)節(jié)點之間的協(xié)同配合，實現(xiàn)整個電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓控制。而基于取能電源負(fù)載調(diào)節(jié)的電壓控制方法則是通過對發(fā)電廠端電能的負(fù)載情況進行分析，結(jié)合負(fù)載量的變化規(guī)律進行調(diào)節(jié)，以實現(xiàn)對直流輸電及其控制保護系統(tǒng)電壓的控制。然而在實際的應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)，上述現(xiàn)有的電壓控制模型的控制精度不足，無法將電壓控制在規(guī)定范圍內(nèi)，且在自動化運維管理方面的無明顯效果，無法為直流輸電控制保護系統(tǒng)的穩(wěn)定、安全運行提供保障。為了解決上述問題，在現(xiàn)有模型的基礎(chǔ)上進行優(yōu)化設(shè)計，以期能夠在提高系統(tǒng)電壓控制力度的同時，提升系統(tǒng)的自動化運維能力。

1 輸電控制保護系統(tǒng)的電壓控制與自動化運維模型設(shè)計

從直流輸電控制保護系統(tǒng)的電壓控制和自動化運維兩個方面，實現(xiàn)對模型的優(yōu)化設(shè)計。其中電壓控制主要結(jié)合了直流輸電以及控制保護系統(tǒng)的工作規(guī)律，分別從電壓偏差、電壓穩(wěn)定以及電壓裕度等多個方面實現(xiàn)電壓的有效控制，保證在不同的直流輸電狀態(tài)下電壓的穩(wěn)定運行與轉(zhuǎn)換。而自動化運維主要指的是運行與維護，也就是在直流輸電控制保護系統(tǒng)的運行過程中，自動配置保護參數(shù)、驅(qū)動控制程序運行，并對系統(tǒng)中的硬件設(shè)備、通信網(wǎng)路以及軟件運行程序進行實時監(jiān)測，確保系統(tǒng)的運行安全。

1.1 直流輸電控制保護系統(tǒng)組成與工作特性

直流輸電控制保護系統(tǒng)的設(shè)計基于一種分層、分散、分布式的開放式系統(tǒng)。為了提高系統(tǒng)的安全性和保護的可靠性，兩端換流站的控制保護系統(tǒng)采用完全雙重化設(shè)計[1]。直流輸電控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 直流輸電控制保護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖1中CV11和CV12表示的是高壓和低壓的換流器組，CCP11和CCP12為兩個換流器控制層，BCP為雙極控制層，實現(xiàn)極1 PCP和2 PCP的控制。根據(jù)直流輸電控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，它可以分為數(shù)據(jù)采集層、控制保護層和輸入輸出層三個層次，而控制保護層主要由直流系統(tǒng)控制層、極控制保護層、閥組控制層等單元組成[2]。在該系統(tǒng)中，直流系統(tǒng)控制層主要用于接收調(diào)度中心的調(diào)度指令，并將生成的控制參考值發(fā)送給控制層。極性控制保護層包括極性控制單元和保護單元兩部分，控制單元可實現(xiàn)將測量信號接入到上一級參考指令，在系統(tǒng)控制器的作用下跟蹤控制參考指令，輸出期望的正弦參考基波電壓并向閥組控制層發(fā)送電壓，實現(xiàn)直流電壓限幅以及變化速率等運行性能。保護單元可以在故障情況下，保護單元采用完全雙重化的冗余配置，縮小故障范圍，減少對設(shè)備和非故障區(qū)域的影響。閥組控制層是連接上層極控制層和底層開關(guān)裝置的中間樞紐。能接收極控制層輸出的控制信號，產(chǎn)生相應(yīng)的觸發(fā)脈沖，實現(xiàn)換流器模塊的觸發(fā)控制。通過系統(tǒng)中各個控制層之間的信號傳遞以及協(xié)同工作，完成對直流輸電多個環(huán)節(jié)的控制。

1.2 構(gòu)建直流輸電控制保護系統(tǒng)等效電路

直流輸電控制保護系統(tǒng)主控功能的等效電路如圖2所示。

圖2 直流輸電控制保護系統(tǒng)等效電路圖

圖中usk、isk、Udc和idc分別表示交流側(cè)和直流側(cè)的相電壓和電流值，ikp和ikn表示的是通過每項上、下橋臂的電流，角標(biāo)p和n為上、下橋臂，另外L0和R0為橋臂電感和等效電阻。由此可以得出k相上、下橋臂的電流表達(dá)式為：

式中變量ikdiff為同時流過k相上、下橋臂的環(huán)流。由此可以得出直流輸電控制保護系統(tǒng)等效電路表達(dá)式為：

其中ek表示的是k相內(nèi)電勢，取值為。從式(2)中可以看出，可以通過對內(nèi)電勢ek的控制失效對交流側(cè)電壓的控制，同時也可以通過控制橋臂換流實現(xiàn)對系統(tǒng)直流電壓的控制。

1.3 設(shè)計并安裝電壓控制器

針對不同的電壓控制任務(wù)設(shè)計多階直流電壓混合控制器。其中電壓偏差控制器設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 直流電壓偏差控制器

圖3中UDCRL和UDCRH分別為直流電壓低階和高階PI控制器，APR為有功功率PI調(diào)節(jié)器。圖3中的變量Udc_refLn和Udc_refHn分別為偏差的直流電壓控制設(shè)置的高限值和低限值，Udcn和Pn為輸入的直流輸電控制保護系統(tǒng)的實時運行電壓和功率值，Prefn、Pmaxx和Pminx分別為有功功率指令以及有功功率運行的上下限值[3]。通過控制器的運行，最終輸出的結(jié)果Ud_refn即為直流電壓的控制結(jié)果。同理可以得到其他類型的電壓控制器，并按照控制運行進程連接四階控制器，最終將控制器輸出的信號作用在直流輸電控制保護系統(tǒng)等效電路的橋臂上，完成控制器的安裝。

1.4 控制輸電控制保護系統(tǒng)運行電壓

以設(shè)計并安裝的電壓控制器為運行環(huán)境，將直流輸電控制保護系統(tǒng)的實時電壓數(shù)據(jù)作為輸入項輸入到控制器中，通過對電壓控制量的計算，分別從偏差、均衡穩(wěn)定、電壓切換等多個方面，實現(xiàn)對系統(tǒng)運行電壓的控制。

1.4.1 直流電壓偏差控制

直流電壓偏移控制的目的是消除控制模式下對多端系統(tǒng)通信的依賴。直流電壓偏差控制器的運行邏輯為：

通過偏差控制器的運行判斷當(dāng)前的直流電壓是否超過其設(shè)定的高低限值，若直流電壓高于上限值，偏差控制器自動轉(zhuǎn)入直流電壓控制模式運行，并控制在UdcrefH處穩(wěn)定。若低于下限值，則向下偏移，控制直流電壓穩(wěn)定在UdcrefH處，以確保多端系統(tǒng)的直流電壓穩(wěn)定。

1.4.2 電壓均衡控制

直流輸電控制保護系統(tǒng)的電壓均衡控制是保證直流輸電環(huán)境中換流器穩(wěn)定運行的關(guān)鍵，電壓均衡控制可以分為電壓測量和電壓排序兩個步驟。以a相單元直流輸電控制保護系統(tǒng)為例，每個子模塊用電設(shè)備安裝一個電壓傳感器，通過電壓傳感器實時采集各模塊的系統(tǒng)電壓信息，并通過一定的調(diào)理電路送至處理器，對系統(tǒng)電壓進行排序[4]。直流輸電系統(tǒng)處于充電狀態(tài)時，需要根據(jù)系統(tǒng)電壓的升序排列，選取電壓最低的模塊投入運行。當(dāng)橋臂電流對直流輸電系統(tǒng)進行放電時，系統(tǒng)電壓會被降序排列。以上系統(tǒng)電壓的排序采用式(4)表示。

式(4)中變量Udc和nt分別表示系統(tǒng)電壓和投入個數(shù)，而T-sort(·)為排序函數(shù)。采用此排序方法，調(diào)整子模塊的充電和放電模式，逐漸與其他子模塊的電壓值追平，并且不停地重復(fù)此步驟，實現(xiàn)電壓均衡控制。

1.4.3 直流電壓無縫切換控制

直流輸電保護控制系統(tǒng)的執(zhí)行程序隨著直流輸電狀態(tài)的變化而變化，需要對直流電壓進行不同的控制狀態(tài)進行調(diào)節(jié)。此外，系統(tǒng)中各用電設(shè)備的額定電壓不同，因此需要在電流流通過程中結(jié)合不同的用電設(shè)備實現(xiàn)電壓的切換和調(diào)節(jié)。對系統(tǒng)運行狀態(tài)及各用電設(shè)備的功率電壓運行數(shù)據(jù)進行了提取，分析了直流電壓和功率運行特性。DC電壓無縫切換的控制原理是將不同狀態(tài)下運行特性的合理組合，當(dāng)系統(tǒng)運行到特性運行點時，得到新的運行指令值，實現(xiàn)電壓的跳躍和切換。

1.5 實現(xiàn)直流輸電控制保護系統(tǒng)自動運維

直流輸電控制保護系統(tǒng)的運維分為運行和維護兩個部分，其中運行就是配置系統(tǒng)的運行參數(shù)和驅(qū)動程序，保證系統(tǒng)可以在目標(biāo)環(huán)境中正常運行。而維護主要指的是監(jiān)測系統(tǒng)運行是否安全、自動修改故障程序等。在此次模型研究中，以直流輸電系統(tǒng)的運行狀態(tài)作為模型的輸入項，也就是直流輸電控制保護系統(tǒng)自動運維程序的啟動項，通過時序同步、維護參數(shù)配置等多個步驟，實現(xiàn)模型中的系統(tǒng)自動運維功能。

1.5.1 直流輸電控制保護參數(shù)配置

控制系統(tǒng)的保護內(nèi)容分為：閥組保護、直流線路保護、旁路開關(guān)保護等。以閥組保護為例，給出了直流輸電控制保護系統(tǒng)輸出閥組過電流保護動作方程如下：

上式中的兩個方程分別對應(yīng)的是高壓閥組和低壓閥組的保護動作，得出的結(jié)果IDH和IDL表示的是高、低壓閥組短路電流，IVY、IVD和IDCN代表三種不同類型的輸電換流器側(cè)閥塔閥側(cè)電流，角標(biāo)H和L分別表示高壓閥塔和低壓閥塔[5]。另外Iseth和Isetl為控制保護系統(tǒng)中設(shè)置的高、低壓閥組動作定值。同理可以在控制保護系統(tǒng)中設(shè)置其他運行部件的動作保護定值，根據(jù)直流輸電系統(tǒng)的運行狀態(tài)自動調(diào)整保護參數(shù)，實現(xiàn)直流輸電控制保護參數(shù)的動態(tài)配置。

1.5.2 系統(tǒng)故障維護

系統(tǒng)故障維護可以具體分為故障檢測、故障處理、故障定位以及報警響應(yīng)四個模塊。故障檢測的內(nèi)容包括直流輸電控制保護系統(tǒng)中硬件設(shè)備、通信網(wǎng)絡(luò)以及軟件功能程序的運行故障。當(dāng)檢測到系統(tǒng)中存在異常故障時，立即啟動事件跟蹤程序，判斷系統(tǒng)的故障類型，若故障類型為網(wǎng)絡(luò)通信、軟件程序或參數(shù)設(shè)置故障，系統(tǒng)可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)自動調(diào)整當(dāng)前運行數(shù)據(jù)，實現(xiàn)故障的自動修復(fù)，且在完成故障處理后，終止事件跟蹤程序。如果檢測到的故障類型為硬件設(shè)備故障，無法通過系統(tǒng)程序的調(diào)整實現(xiàn)故障的維修，此時需要同時啟動故障定位和報警響應(yīng)程序，并在硬件設(shè)備修復(fù)完成后，停止事件跟蹤程序。

2 模型測試實驗分析

在模型設(shè)計完成后，需要進行大量的測試工作，保證設(shè)計模型在實際工作環(huán)境中的應(yīng)用效果。此次模型測試實驗分別從電壓控制效果和自動化運維效果兩個方面進行分析。在開始實驗之前，首先選擇直流輸電工程并在輸電環(huán)境中實現(xiàn)直流輸電控制保護系統(tǒng)的配置，其中關(guān)鍵設(shè)備如換流器、直流線路等，通過等值阻抗的作用保證參數(shù)與運行實際一致。

選擇系統(tǒng)中的換流器設(shè)備作為模型電壓控制效果的研究對象，在設(shè)計模型未啟動狀態(tài)下，利用傳感器設(shè)備現(xiàn)場采集電壓數(shù)據(jù)，如圖4所示。

圖4 直流輸電控制保護系統(tǒng)電壓現(xiàn)場采集錄波

根據(jù)實驗?zāi)康?，分別從電力控制和自動化運維兩個方面設(shè)置模型測試指標(biāo)。其中設(shè)置的電力控制效果量化指標(biāo)為電壓控制誤差，具體的數(shù)值結(jié)果為：

式中Ui和U'i分別表示應(yīng)用設(shè)計模型后實際采集的電壓值和設(shè)置的控制目標(biāo)值，n為采集的電壓值數(shù)量。式(7)得出的計算結(jié)果越大，證明模型的控制精度越低。除此之外，設(shè)置t和χt作為系統(tǒng)自動化運維效果的量化指標(biāo)，其中t表示的是直流輸電控制保護系統(tǒng)控制保護命令的響應(yīng)時間，可以通過記錄控制命令生成和完成的時間，并計算兩者的差值得出具體的測試結(jié)果。t的值越大證明系統(tǒng)的響應(yīng)時間越慢，即模型的自動化運維功能效果越差。而指標(biāo)χt的數(shù)值結(jié)果可以表示為：

式中Tfault和Ttotal分別表示的是系統(tǒng)一次故障的持續(xù)時間和運行總時間，m為系統(tǒng)運行過程中發(fā)生故障的次數(shù)。通過式(7)的計算得出χt的值越大證明系統(tǒng)在運行過程中的故障占比越大，即模型的自動化運維功能效果越差。

通過設(shè)計模型的應(yīng)用，得出直流輸電控制保護系統(tǒng)電壓偏差、電壓均衡、無縫切換的控制結(jié)果，如圖5所示。

圖5 直流輸電控制保護系統(tǒng)的電壓控制結(jié)果

從圖5(a)中可以看出，經(jīng)過設(shè)計模型的應(yīng)用，系統(tǒng)的實際電壓與設(shè)定電壓曲線基本吻合，圖5(b)表示的是電壓均衡控制結(jié)果，從圖中可以看出在0.10s時刻開始執(zhí)行均衡控制程序，并在0.20s前將系統(tǒng)電壓控制在穩(wěn)定狀態(tài)，且在后期未發(fā)現(xiàn)明顯的電壓波動。在電壓的無縫切換控制中，共執(zhí)行了2次電壓切換，且均能在0.2s內(nèi)完成電壓的穩(wěn)定切換。將圖5中的數(shù)據(jù)代入到式(6)中，得出三種電壓控制程序的控制誤差ηaccuracy均低于1.0V，由此證明設(shè)計模型的電壓控制效果滿足應(yīng)用要求。

為了保證實驗結(jié)果的可信度，自動化運維測試實驗共執(zhí)行5次，每次實驗規(guī)定直流輸電控制保護系統(tǒng)的運行時間為72小時，分別統(tǒng)計系統(tǒng)控制保護命令的響應(yīng)時間、故障次數(shù)以及故障時間和，得出模型自動化運維效果的測試結(jié)果，如表1所示。

表1 模型自動化運維測試結(jié)果

從表1中可以看出直流輸電控制保護系統(tǒng)控制保護命令的平均響應(yīng)時間為0.17s，低于0.2s，即應(yīng)用設(shè)計模型能夠滿足直流輸電控制保護系統(tǒng)的命令響應(yīng)速度要求。將表1中的故障次數(shù)與故障總時長數(shù)據(jù)代入到式(7)中，得出指標(biāo)χt的具體取值，經(jīng)過多組數(shù)據(jù)的計算得出χt的平均值為0.38%，低于5%。綜上所述，設(shè)計的電壓控制與自動化運維模型在直流輸電控制保護系統(tǒng)中具有較好的應(yīng)用效果。

3 結(jié)語

直流輸電控制保護系統(tǒng)是直流輸電工程的輔助工具，其運行性能直接影響直流輸電工程的建設(shè)質(zhì)量。通過系統(tǒng)的電壓控制與自動化運維模型的設(shè)計與應(yīng)用，有效的解決了系統(tǒng)運行不穩(wěn)定的問題，間接的提升了直流輸電工程質(zhì)量，因此具有較高的現(xiàn)實意義。