我國能源資源與電力負(fù)荷需求呈“逆向分布”,能源資源主要分布在西部、北部,而電阻負(fù)荷主要分布在中部、東部。在這一背景下,國家提出“西電東送”的發(fā)展計劃,目的在于合理配置資源、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)。直流輸電作為國家實施“西電東送”戰(zhàn)略的關(guān)鍵技術(shù),有望在我國的電網(wǎng)建設(shè)中和電力資源優(yōu)化配置方面發(fā)揮重要作用。
和交流輸電相比,直流輸電具有輸送容量更大、輸送距離更遠(yuǎn)、走廊占地更少、單位容量造價更低的優(yōu)勢?,F(xiàn)階段我國已建成三十余項直流輸電工程,是世界上直流輸電工程數(shù)量最多、電壓等級最高、輸送容量最大的國家。根據(jù)《電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃(2016—2020)》,“十三五”期間扎魯特—青州特高壓分層接入直流、錫盟—泰州特高壓分層接入直流、張北到北京柔性直流、渝鄂背靠背柔性直流等直流輸電工程已投入運行,此外,仍有多條特高壓直流輸電工程已經(jīng)獲得核準(zhǔn)批復(fù)。
直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)是直流輸電工程的核心技術(shù)。目前國外直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)主要以ABB和SIEMENS的產(chǎn)品為主,在向上工程中,采用ABB公司的DCC—800控制保護(hù)系統(tǒng);在云廣特高壓工程中,采用西門子公司的WIN-TDC控制保護(hù)系統(tǒng)。國內(nèi)直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)主要以南瑞繼保和許繼電氣的產(chǎn)品為主,南瑞繼保的PCS9550直流輸電控制保護(hù)平臺在哈密—鄭州、酒泉—湖南、上海廟—山東等直流輸電工程中得到應(yīng)用,許繼的DPS—3000直流輸電控制保護(hù)平臺在宜賓—金華、晉北—南京、錫盟—泰州等直流輸電工程中得到應(yīng)用。
我國的直流輸電控制保護(hù)技術(shù)經(jīng)歷了從技術(shù)引進(jìn)、消化吸收、自主研發(fā)等階段的發(fā)展,現(xiàn)在已經(jīng)步入技術(shù)升級、更新?lián)Q代的階段。DPS—5000作為新一代的直流輸電控制保護(hù)平臺,采用緊湊化設(shè)計,具有體積更小、性能更優(yōu)、抗干擾能力更強、運行更穩(wěn)定的特點。
1.1 直流輸電工程拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
我國的直流輸電工程以長距離直流輸電為主,長距離直流輸電按電壓等級可分為高壓直流輸電和特高壓直流輸電,高壓直流輸電工程和特高壓直流輸電工程拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類似,特高壓直流輸電工程每個極多串聯(lián)一個12脈動換流器。特高壓直流輸電工程典型拓?fù)淙鐖D1所示。
圖1 特高壓直流輸電工程典型拓?fù)?/p>
1.2 直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計原則
根據(jù)長期工程設(shè)計經(jīng)驗,總結(jié)出直流輸電工程控制保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計原則為:
1)直流控制保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)的通信規(guī)約和開放的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),換流站其他輔助系統(tǒng)能方便接入直流控制保護(hù)系統(tǒng)。
2)直流控制保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)獨立配置,控制和保護(hù)系統(tǒng)的采集回路應(yīng)相互獨立??刂票Wo(hù)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計,應(yīng)當(dāng)將任一元件故障造成的影響范圍降至最小。
3)直流控制、交/直流站控系統(tǒng)按雙重化冗余結(jié)構(gòu)配置,即從數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)傳輸再到控制系統(tǒng)出口均要按完全雙重化原則配置。運行人員控制系統(tǒng)中的服務(wù)器、站局域網(wǎng)(local area network, LAN)等按雙重化冗余結(jié)構(gòu)配置,其余設(shè)備要考慮足夠的串行冗余度,并確保任何單一設(shè)備故障不影響直流系統(tǒng)的正常運行。
4)換流站設(shè)置有運行人員控制室。兩端系統(tǒng)一般采用“一個站合并運維、一個站調(diào)度運行”模式,全站監(jiān)控系統(tǒng)信息處理能力和容量應(yīng)滿足合并運行的要求。
5)換流站遠(yuǎn)動信息應(yīng)直送國調(diào)(總調(diào))中心、備調(diào)、網(wǎng)調(diào)、省調(diào)。遠(yuǎn)動信息傳輸采用雙平面數(shù)據(jù)網(wǎng)接入方式。
6)直流保護(hù)系統(tǒng)按三重化原則冗余配置,采用“三取二”跳閘邏輯,以保證直流系統(tǒng)保護(hù)的可靠性,確保不拒動不誤動。交流濾波器保護(hù)一般采用雙重化冗余配置,采用“啟動+動作”的跳閘邏輯。
7)直流系統(tǒng)的保護(hù)應(yīng)確保每一裝置或保護(hù)區(qū)域在任何運行方式下都能被正確地保護(hù),任何單一元件的故障不應(yīng)導(dǎo)致保護(hù)的誤動。任何冗余的直流保護(hù)都應(yīng)采取相應(yīng)的防誤動措施,但防誤動措施不能依賴雙重化保護(hù)的切換實現(xiàn)。保護(hù)每一重的測量回路、電源回路、出口跳閘回路及通信接口回路均按完全獨立的原則設(shè)計。
8)換流站通過網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)測裝置采集換流站監(jiān)控層的服務(wù)器、工作站、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和安防設(shè)備自身感知的安全數(shù)據(jù)及網(wǎng)絡(luò)安全事件,實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)安全事件的本地監(jiān)視和管理。
基于直流輸電控制保護(hù)設(shè)計原則,結(jié)合十余年直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)開發(fā)經(jīng)驗,研制了DPS—5000緊湊型控制保護(hù)主機(jī),相較于上一代的DPS—3000直流輸電控制保護(hù)主機(jī),對處理器性能、總線及背板性能、標(biāo)準(zhǔn)接口設(shè)計和遠(yuǎn)程維護(hù)等進(jìn)行了升級。
2.1 緊湊型控制保護(hù)主機(jī)
基于直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)的需求,研制了標(biāo)準(zhǔn)4U的主機(jī),以緊湊型極保護(hù)主機(jī)為例,機(jī)箱配置如圖2所示。
圖2 緊湊型極保護(hù)主機(jī)
相較于DPS—3000控制保護(hù)主機(jī),DPS—5000控制保護(hù)主機(jī)在主機(jī)尺寸、背板總線性能、主處理器板卡、信號處理器板卡、高速控制總線等方面的性能有了顯著提升,具體對比見表1。
表1 DPS—5000主機(jī)與DPS—3000主機(jī)主要性能對比表
除了以上方面的提升,DPS—5000系統(tǒng)在標(biāo)準(zhǔn)接口設(shè)計、遠(yuǎn)程維護(hù)管理、系統(tǒng)構(gòu)架、鏈路延時等方面也進(jìn)行了升級,更能滿足未來直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)尤其是柔性直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)的要求。
2.2 處理器和總線性能提升
DPS—5000控制保護(hù)主機(jī)主處理器板卡服務(wù)處理單元(service processing unit, SPU)采用多核設(shè)計,處理器性能的提升減少了機(jī)箱中處理器的數(shù)量,進(jìn)一步降低了功耗,控制保護(hù)主機(jī)采用無風(fēng)扇設(shè)計,提高系統(tǒng)可靠性的同時也節(jié)約了屏柜空間。
千兆級多節(jié)點串聯(lián)高速時分復(fù)用技術(shù)(time- division multiplexing, TDM)總線設(shè)計,支持多節(jié)點間超高速同步數(shù)據(jù)傳送,千兆級點對點超高速控制總線設(shè)計,實現(xiàn)裝置間超高速通信。研制超過1Gbit/s的高速背板總線,block數(shù)據(jù)傳輸及阻塞特性均有大幅度提升。
2.3 全面的標(biāo)準(zhǔn)接口設(shè)計
DPS—5000控制保護(hù)主機(jī)同時具備以太網(wǎng)、PROFIBUS、控制器域網(wǎng)(controller area network, CAN)、TDM、高速控制總線集成閃存控制器(integrated flash controller, IFC)、IEC—60044標(biāo)準(zhǔn)接口及高速串行高級技術(shù)附件(serial advanced tech- nology attachment, SATA)硬盤接口等。通過這些接口,控制保護(hù)系統(tǒng)配置更加靈活,總體結(jié)構(gòu)和信息通道更加優(yōu)化,也能滿足與換流站其他設(shè)備通信的接口需求。
2.4 遠(yuǎn)程維護(hù)管理升級
DPS—5000控制保護(hù)主機(jī)在工程師工作站上實現(xiàn)對控制保護(hù)軟件邏輯、保護(hù)定值、內(nèi)部參數(shù)的查看、核對等工作,也可以通過專用的保護(hù)定值整定工具遠(yuǎn)程對保護(hù)定值、內(nèi)部參數(shù)等進(jìn)行整定、導(dǎo)出工作,提高了控制保護(hù)主機(jī)的維護(hù)性,降低了運維成本。
在運行人員工作站上可以實現(xiàn)對交流開關(guān)場、直流開關(guān)場、換流站控制樓和閥廳、就地繼電器室、通信系統(tǒng)、直流線路、換流站站用電源系統(tǒng)和其他輔助系統(tǒng)等處的監(jiān)控,以及同時具備與遠(yuǎn)方調(diào)度中心和其他監(jiān)視點的通信接口。
依托研制的緊湊型控制保護(hù)主機(jī),提出滿足直流輸電工程需求的DPS—5000緊湊型控制保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計方案。
3.1 DPS—5000控制保護(hù)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)
DPS—5000控制保護(hù)系統(tǒng)采用分層式結(jié)構(gòu)設(shè)計,根據(jù)控制級別和功能分為運行人員控制層、控制保護(hù)層、現(xiàn)場層三個層次,如圖3所示。
圖3 緊湊型控制保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
運行人員控制層由運行人員控制系統(tǒng)、站長工作站和全球定位系統(tǒng)(global positioning system, GPS)對時等設(shè)備組成。其中運行人員控制系統(tǒng)是運行人員控制層的核心設(shè)備,由運行人員工作站、工程師工作站、輔助系統(tǒng)工作站等構(gòu)成。
控制保護(hù)層由極控及測量、閥控及測量(特高壓直流)、交直流站控、站用電控制、極保護(hù)及測量、閥組保護(hù)及測量(特高壓直流)等設(shè)備組成。DPS—5000的控制保護(hù)層不單獨設(shè)置測量接口屏柜,測量接口裝置和控制保護(hù)主機(jī)合并組屏。
現(xiàn)場層設(shè)備主要由分布式的I/O單元構(gòu)成,包括閥廳/換流變接口屏、直流場接口屏、交流濾波器場接口屏等,實現(xiàn)控制保護(hù)裝置與交直流系統(tǒng)一次設(shè)備和換流站輔助系統(tǒng)的接口,一次設(shè)備狀態(tài)和系統(tǒng)運行信息的采集處理和上傳等功能。
3.2 DPS—5000運行人員控制系統(tǒng)配置方案
運行人員控制系統(tǒng)采用Linux服務(wù)器和Windows工作站的跨平臺設(shè)計,性能穩(wěn)定、安全可靠、組態(tài)靈活、接口友好、操作維護(hù)方便。主要由運行人員工作站、工程師工作站、輔助系統(tǒng)工作站、遠(yuǎn)動工作站等裝置構(gòu)成。
1)運行人員工作站。對交直流系統(tǒng)一、二次設(shè)備的運行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和存儲,并為運行人員提供監(jiān)視和控制操作的界面。
2)工程師工作站。實現(xiàn)對全站的控制保護(hù)主機(jī)軟件程序版本管理、軟件邏輯的查看、核對,也可以通過專用的保護(hù)定值整定工具遠(yuǎn)程對保護(hù)定值、內(nèi)部參數(shù)等進(jìn)行整定、導(dǎo)出工作。
3)輔助系統(tǒng)工作站。通過輔助系統(tǒng)工作站,站內(nèi)不同廠家的多種輔助系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)統(tǒng)一接入運行人員控制系統(tǒng),包括火災(zāi)報警系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、電能計量系統(tǒng)和站用電源系統(tǒng)等,統(tǒng)一在運行人員工作站對其運行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視。
4)遠(yuǎn)動工作站。遠(yuǎn)動系統(tǒng)包括兩個部分,一部分通過遠(yuǎn)動工作站連接到多個調(diào)度中心,使用104規(guī)約按照約定的點表向各個調(diào)度中心傳送數(shù)據(jù),一部分通過告警圖形網(wǎng)關(guān)把站內(nèi)的告警信息和圖形頁面直接傳送到國調(diào)中心。遠(yuǎn)動工作站采用直采直送原則,直接和控制保護(hù)主機(jī)連接并獲取數(shù)據(jù),然后上送到各個調(diào)度中心,告警圖形網(wǎng)關(guān)連接到站服務(wù)器,向國調(diào)中心傳輸站內(nèi)經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)信息。它們與調(diào)度中心都通過雙平面數(shù)據(jù)網(wǎng)連接。
3.3 DPS—5000控制保護(hù)設(shè)備配置方案
直流輸電控制系統(tǒng)主要有極控制系統(tǒng)、換流器控制系統(tǒng)(特高壓直流)、交/直流站控系統(tǒng)、站用電控制系統(tǒng),控制設(shè)備均采用雙重化冗余配置,通過高速冗余切換裝置實現(xiàn)兩套控制系統(tǒng)的主、從切換。
直流輸電直流保護(hù)系統(tǒng)主要有極保護(hù)系統(tǒng)、換流器保護(hù)系統(tǒng)(特高壓直流),均采用三重化冗余配置,通過三取二邏輯判斷后輸出動作信號,三取二裝置采用冗余配置,分別配置在保護(hù)A/B系統(tǒng)中。
DPS—5000控制保護(hù)主機(jī)采用緊湊化設(shè)計,測量接口裝置和控制保護(hù)主機(jī)合并組屏,例如極保護(hù)主機(jī)和極保護(hù)測量接口裝置都放置在極保護(hù)屏柜中,一個特高壓直流輸電工程,可以節(jié)省36面測量接口屏柜,同時測量接口裝置的IO板卡集成有繼電器,可大幅減少屏柜內(nèi)繼電器數(shù)量,使屏柜設(shè)計更加簡潔。
緊湊型控制保護(hù)系統(tǒng)采用全光纖設(shè)計,控制主機(jī)、保護(hù)主機(jī)和三取二裝置通過光纖通信。以閥控和換流器保護(hù)系統(tǒng)為例,全光纖式緊湊型控制保護(hù)設(shè)計方案如圖4所示。
圖4 全光纖式緊湊型控制保護(hù)設(shè)計方案
3.4 DPS—5000控制保護(hù)功能配置
以特高壓直流工程為例,對直流控制系統(tǒng)的功能配置進(jìn)行介紹。
1)極控系統(tǒng)主要功能。完成通信處理、電流定值計算和配合、閥組平衡控制、極功率、電流限制、極功率轉(zhuǎn)移、低電壓限流、電流裕額補償、穩(wěn)定控制等功能。
2)閥組控制系統(tǒng)主要功能。完成通信處理、閥組起停、解閉鎖時序、分接頭控制、電壓電流閉環(huán)控制(武漢站)、旁路開關(guān)、旁路隔離開關(guān)的控制、聯(lián)鎖等。
3)交流站控系統(tǒng)主要功能。完成通信處理、交流場開關(guān)控制與監(jiān)視及中開關(guān)聯(lián)鎖邏輯等。
4)直流站控系統(tǒng)主要功能。完成通信處理、無功功率控制、直流場控制與監(jiān)視、雙極層控制、穩(wěn)定控制等功能。
5)站用電控制系統(tǒng)主要功能。完成通信處理、站用電開關(guān)控制與監(jiān)視及備自投邏輯等功能。
以特高壓直流工程為例,直流保護(hù)系統(tǒng)包含的保護(hù)分區(qū)有換流變保護(hù)區(qū)、換流器保護(hù)區(qū)、極保護(hù)區(qū)和雙極保護(hù)區(qū)。直流保護(hù)分區(qū)如圖5所示。
換流變壓器區(qū)保護(hù):繞組差動保護(hù)、引線差動保護(hù)、大差保護(hù)、小差保護(hù)、開關(guān)過電流保護(hù)、零序過電流保護(hù)、零序差動保護(hù)、過勵磁保護(hù)、飽和保護(hù)、網(wǎng)側(cè)過負(fù)荷保護(hù)、網(wǎng)側(cè)過電流保護(hù)、過電壓保護(hù)。
換流器區(qū)保護(hù):換流器過電流保護(hù)、閥短路保護(hù)、換相失敗保護(hù)、換流器差動保護(hù)、換流變中性點偏移保護(hù)、換流器旁通對過負(fù)荷保護(hù)、換流器旁通開關(guān)保護(hù)、換流器直流過電壓保護(hù)、換流器諧波保護(hù)。
圖5 直流保護(hù)分區(qū)
極區(qū)保護(hù):直流諧波保護(hù)、極母線差動保護(hù)、中性母線差動保護(hù)、極差保護(hù)、接地極線開路保護(hù)、交直流碰線監(jiān)視、線路行波保護(hù)、線路突變量保護(hù)、線路低電壓保護(hù)、直流線路縱差保護(hù)、直流過電壓保護(hù)、直流低電壓保護(hù)、中性母線開關(guān)(neutral bus switch, NBS)保護(hù)、直流濾波器差動保護(hù)、直流濾波器電容器不平衡保護(hù)、直流濾波器電阻/電抗過負(fù)荷保護(hù)、直流濾波器失諧監(jiān)視、直流濾波器高壓電容器接地保護(hù)、高低端閥組連線差動保護(hù)、中性母線沖擊電容器過電流保護(hù)。
雙極區(qū)保護(hù):雙極中性母線差動保護(hù)、金屬回線接地保護(hù)、金屬回線縱差保護(hù)、金屬回線橫差保護(hù)、站接地過電流保護(hù)、后備站接地過電流保護(hù)、中性母線接地開關(guān)(neural bus grounding switch, NBGS)/大地回線轉(zhuǎn)換開關(guān)(ground return transfer switch, GRTS)/金屬回線轉(zhuǎn)換開關(guān)(metallic return transfer breaker, MRTB)開關(guān)保護(hù)、接地極線差動保護(hù)、接地極線過負(fù)荷保護(hù)、接地極線不平衡保護(hù)。
4.1 仿真試驗系統(tǒng)
實時數(shù)字仿真(real-time digital simulator, RTDS)試驗系統(tǒng)與實際工程總體結(jié)構(gòu)保持一致,同樣采用分層分布式結(jié)構(gòu),根據(jù)功能劃分和控制級別分為運行人員控制層、控制保護(hù)層、現(xiàn)場層等三個層次,現(xiàn)場層通過光接口板、閥基電子設(shè)備(valve base electronics, VBE)接口盒等接入RTDS模型,控制保護(hù)主機(jī)采用緊湊化設(shè)計,控制保護(hù)主機(jī)與測量裝置共用機(jī)箱,緊湊型控制保護(hù)仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。
圖6 緊湊型控制保護(hù)仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
RTDS模型將電流、電壓等模擬量信號及開關(guān)位置等開關(guān)量信號通過光接口板輸出到HSMD裝置,HSMD裝置將這些信號進(jìn)行分類處理并轉(zhuǎn)換成IEC 60044—8協(xié)議輸出到各控制保護(hù)主機(jī)對應(yīng)的測量接口裝置,測量接口裝置通過TDM協(xié)議將信號送到控制保護(hù)主機(jī)。
DCSIM裝置用于模擬交直流場的開關(guān)狀態(tài)及換流變分接頭檔位,DCSIM通過現(xiàn)場總線(PROFIBUS)與控制系統(tǒng)交互開關(guān)狀態(tài)等信息,控制保護(hù)主機(jī)通過硬接線將開關(guān)動作等信號送到DCSIM,DCSIM通過光纖將開關(guān)狀態(tài)等信息送到RTDS模型,閥控通過電纜直接將觸發(fā)脈沖送到RTDS模型,控制保護(hù)系統(tǒng)與RTDS模型構(gòu)成一個閉環(huán)系統(tǒng),共同構(gòu)成了緊湊化的直流輸電控制保護(hù)仿真系統(tǒng)。
參照某特高壓直流輸電工程典型參數(shù)搭建RTDS模型,通過RTDS搭建的仿真試驗?zāi)P桶ń涣飨到y(tǒng)等值系統(tǒng)、換流變壓器、交流濾波器、直流濾波器、雙12脈動換流閥、平波電抗器、直流線路、接地電抗、電阻等元件。仿真模型搭建的主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示,系統(tǒng)主要參數(shù)見表2。
表2 特高壓直流輸電系統(tǒng)主要參數(shù)
4.2 試驗驗證
在搭建的仿真系統(tǒng)上共進(jìn)行了300余項控制保護(hù)功能試驗,試驗結(jié)果表明基于DPS—5000平臺的緊湊化直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)的各項功能完全滿足工程應(yīng)用,部分主要性能指標(biāo)見表3。
表3 控制保護(hù)系統(tǒng)主要性能參數(shù)
圖7為系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行的仿真試驗波形,受篇幅限制,其余仿真實驗結(jié)果不再列舉。
圖7 特高壓直流輸電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行波形
如圖7所示,圖中橫坐標(biāo)為仿真時間,縱坐標(biāo)為各物理量的一次值。其中,Uac_A、Uac_B、Uac_C為網(wǎng)側(cè)三相電壓,Iac_A、Iac_B、Iac_C為網(wǎng)側(cè)三相電流,P為直流功率,◆為觸發(fā)角,UdL為直流電壓,IdCH為直流電流。
本文介紹了我國直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)的發(fā)展歷程、國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀?;陂L期直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)工程設(shè)計經(jīng)驗,提出了直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計原則,結(jié)合設(shè)計原則,研制了適用于直流輸電系統(tǒng)的DPS—5000緊湊型控制保護(hù)主機(jī),主機(jī)具有體積更小、性能更優(yōu)、運行更穩(wěn)定的特點,基于DPS—5000平臺的軟硬件特點,提出了直流輸電緊湊型控制保護(hù)系統(tǒng)的總體設(shè)計方案,最后搭建了緊湊型控制保護(hù)系統(tǒng)仿真試驗平臺,完成了300余項控制保護(hù)功能試驗,驗證了緊湊型控制保護(hù)設(shè)計方案的正確性,為緊湊型直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)工程應(yīng)用提供了重要參考。
本文編自2021年第5期《電氣技術(shù)》,論文標(biāo)題為“DPS—5000直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計方案”,作者為范子強、許朋見、吳慶范、曹森、郝俊芳。