CN106451771A - 高压直流输电系统控制保护系统 - Google Patents
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Abstract
一种高压直流输电系统控制保护系统，包含通过网络总线连接的远方通信监控层设备、运行人员控制层设备、控制保护层设备、以及现场层设备，远方通信监控层设备通过远动LAN网络接入远方监控中心，运行人员控制层设备通过LAN网络和控制保护层设备之间进行信息交换，控制保护层设备通过现场总线和现场层设备之间进行信息交换，现场层设备实现一次设备状态和系统运行信息的采集和控制功能。本发明在控制保护层设备中实现无功控制，并在控制保护层设备的直流站控设备中通过与整个控制保护系统的相互协调来完成无功控制，使换流站交流母线的电压能保持在要求的范围以内，或换流站与交流系统之间交换的无功功率能保持在给定的范围之内。
Description
技术领域
本发明涉及一种高压直流输电系统控制保护系统。
背景技术
将电能从大型火力、水力等发电厂输送到远方负荷中心地区时会遇到远距离输电问题。要实现远距离的大功率传输，需采用超高压或特高压输电技术。特高压交流输电是目前国内外最基本的远距离输电方式，而特高压直流输电不存在同步稳定性问题，是大区域电网互联的理想方式。
与交流输电相比，直流输电的优势有：远距离大功率输电，直流输电不受同步运行稳定性问题的制约，对保证两端交流电网的稳定运行起了很大作用；利用直流输电可实现国内区网或国际间的非同步互联，把大系统分割为几个既可获得联网效益，又可相对独立的交流系统，避免了总容量过大的交流电力系统所带来的问题；交流电力系统互联或配电网增容时，直流输电的控制系统具有调节快、控制性能好的特点，可以有效地限制短路电流，使其基本保持稳定，可以作为限制短路电流的措施；向用电密集的大城市供电，在供电距离达到一定程度时，用高压直流电缆更为经济，同时直流输电方式还可以作为限制城市供电电网短路电流增大的措施。
因此，特高压直流输电不但具有常规直流输电的特点，而且还能够很好的解决我国一些现存的问题：我国一次能源分布很不均衡，水利资源2/3分布在西南地区，煤矿资源2/ 3分布在陕西、山西及内蒙古西部，而电力需求又相对集中在经济发展较好较快的东部、中部和南部区域，能源产地和需求地区之间的距离为1000~2500km，因此我国要大力发展西电东送，实现南北互供，全国联网，特高压直流输电在远距离输电方面较为经济，而且控制保护灵活快速，是实现南北互供的较好途径；我国东部、中部、南部地区是我国经济发达地区，用电需求大，用电负荷有着较高的增长率，特高压直流输电能够实现大容量输电，规划的特高压直流输电工程的送电容量高达5GW和6.4GW，相应的直流额定电流将达到3125A和4000A，能较好地满足西电东送的需要；由于我国土地和环保的压力，通过特高压直流实现大容量、远距离输电，能够节省线路走廊，缓解由于电力的发展带来的土地资源的紧张。
高压直流输电系统主要由换流站（有整流站和逆变站）和高压直流输电线路组成，主要包括换流器、直流平波电抗、交直流滤波器、无功补偿装置、直流输电线路以及电极等。换流器是由单个或多个换流桥组成的进行交直流转换的设备。换流器分为两类：整流器和逆变器，整流器是将交流电转换为直流电，而逆变器是将直流电转换为交流电，由换流阀来控制换流。但是换流器在工作时需要消耗较多的无功功率，每个换流站均需装设无功补偿设备，当交流滤波器所提供的无功功率不能满足无功补偿的要求时，还需另外装设静电电容器，当换流站接于弱交流系统时，为提高系统动态电压的稳定性和改善换相条件，有时还需要装设同步调相机或静止无功补偿装置，这些问题在实际工程中必须进行充分研究，并采取相应的技术措施。
在实际工程中，高压直流系统满载运行时换流器消耗的无功功率达到最大值，约为额定有功功率的40%～60%，换流站装设的无功补偿容量必须满足这一要求。但当直流系统轻载运行时，换流器消耗的无功功率急剧减小，如果滤波器补偿的无功功率不变，则换流站过剩的无功功率将流入交流系统，造成换流站交流母线电压升高。因此，必须实时有效地控制滤波器的投切。
发明内容
本发明提供一种高压直流输电系统控制保护系统，在控制保护层设备中实现无功控制，并在控制保护层设备的直流站控设备中通过与整个控制保护系统的相互协调来完成无功控制，使换流站交流母线的电压能保持在要求的范围以内，或换流站与交流系统之间交换的无功功率能保持在给定的范围之内。
为了达到上述目的，本发明提供一种高压直流输电系统控制保护系统，采用分层分布式结构，该控制保护系统包含：通过网络总线连接的远方通信监控层设备、运行人员控制层设备、控制保护层设备、以及现场层设备；
所述的远方通信监控层设备通过远动LAN网络接入远方监控中心；
所述的运行人员控制层设备通过LAN网络和控制保护层设备之间进行信息交换；
所述的控制保护层设备通过LAN网络和运行人员控制层设备之间进行信息交换，并通过现场总线和现场层设备之间进行信息交换；
所述的现场层设备通过现场总线和控制保护层设备进行信息交换。
所述的远方通信监控层设备包含：通过远动LAN网络接入远方监控中心的远动工作站、保护及故障录波信息子站、电能量远方终端，以及通过保护子网连接保护保护及故障录波信息子站的故障录波设备；
所述的远动工作站的任务是用于保证远方监控中心和控制保护系统之间的二进制信息、测量值、电度量、顺序时间记录SER信息以及命令和参考值进行交换；所述的故障录波设备用于监测故障；所述的保护及故障录波信息子站用于采集故障信息并实现录波功能；所述的电能量远方终端用于实现能量计费功能。
所述的运行人员控制层设备包含：通过控制LAN网络连接的服务器、运行人员工作站、工程师工作站、站长工作站、MIS接口工作站、培训工作站；
所述的服务器用于存储数据信息和文档，记录事件顺序和报警；所述的运行人员工作站、工程师工作站、站长工作站实现所有命令的输入、可视化状态显示和回校识别；所述的MIS接口工作站接入管理信息系统，所述的培训工作站用于实现运行人员培训功能。
所述的运行人员控制层设备还包含：打印机。
所述的控制保护层设备包含：通过控制LAN网络、站间通信LAN网络和保护LAN网络进行连接的极控设备、直流站控设备、交流站控设备和站用电控制系统；
所述的极控设备具有双极层控制功能、极层控制功能以及阀组控制功能；
所述的直流站控设备执行直流控制和换流站相关的功能，直流站控对直流场和站辅助系统进行监视和控制；
所述的交流站控设备执行交流控制和换流站相关的功能，交流站控对交流场和站辅助系统进行监视和控制；
所述的站用电控制系统提供电源。
所述的极控设备包含：总线连接的极保护设备、极控制设备、极测量装置、阀组保护设备、阀组控制设备和阀组测量设备。
所述的现场层设备包含多个分布式I/O单元，每个分布式I/O单元通过现场总线连接控制保护层设备中的极控设备、直流站控设备、交流站控设备和站用电控制系统。
本发明在控制保护层设备中实现无功控制，并在控制保护层设备的直流站控设备中通过与整个控制保护系统的相互协调来完成无功控制，使换流站交流母线的电压能保持在要求的范围以内，或换流站与交流系统之间交换的无功功率能保持在给定的范围之内。
附图说明
图1是本发明提供的一种高压直流输电系统控制保护系统的电路结构图。
具体实施方式
以下根据图1具体说明本发明的较佳实施例。
如图1所示，本发明提供一种高压直流输电系统控制保护系统，采用分层分布式结构，该控制保护系统包含：通过网络总线连接的远方通信监控层设备、运行人员控制层设备、控制保护层设备、以及现场层设备；所述的远方通信监控层设备通过远动LAN网络接入远方监控中心，用于将换流站的运行信息通过远动LAN网络接入远方监控中心，并将远方监控中心的操作指令传送到换流站内的控制保护系统；所述的运行人员控制层设备通过LAN网络和控制保护层设备之间进行信息交换，用于对直流系统一次设备、二次设备和交直流系统的运行数据进行采集和存储，并为运行人员提供监视和控制操作的界面；所述的控制保护层设备通过LAN网络和运行人员控制层设备之间进行信息交换，并通过现场总线和现场层设备之间进行信息交换，控制保护层设备接收现场层设备的状态信息，将处理后的状态信息发送到运行人员控制层设备，控制保护层设备接收运行人员控制层设备的命令，发送到现场层设备执行；所述的现场层设备实现一次设备状态和系统运行信息的采集和控制功能。
所述的远方通信监控层设备包含：通过远动LAN网络接入远方监控中心的远动工作站101、保护及故障录波信息子站102、电能量远方终端104等设备，以及通过保护子网连接保护保护及故障录波信息子站102的故障录波设备103；远动工作站101的任务是保证远方监控中心和控制保护系统之间的二进制信息、测量值、电度量、顺序时间记录SER信息以及命令和参考值进行交换；所述的故障录波设备103用于监测故障；所述的保护及故障录波信息子站102用于采集故障信息并实现录波功能；所述的电能量远方终端104用于实现能量计费功能；本实施例中，DPS-3000直流控制保护系统的远动工作站101采用GWS-1直流远动装置。
所述的运行人员控制层设备包含：通过控制LAN网络连接的服务器201、运行人员工作站202、工程师工作站203、站长工作站204、MIS接口工作站205、培训工作站206、以及打印机207等设备；所述的服务器201用于存储数据信息和文档，记录事件顺序和报警；所述的运行人员工作站202、工程师工作站203、站长工作站204实现所有命令的输入、可视化状态显示和回校识别；所述的MIS接口工作站205接入管理信息系统，所述的培训工作站206实现运行人员培训功能。
所述的控制保护层设备包含：通过控制LAN网络、站间通信LAN网络和保护LAN网络进行连接的极控设备、直流站控设备302、交流站控设备303、站用电控制系统304（提供电源）。
所述的极控设备和站控设备是整个直流输电系统最为核心的控制保护设备，在本实施例中，所述的极控设备和站控设备基于DPS-3000控制保护平台构成。
所述的极控设备包含：总线连接的极保护设备3011、极控制设备3012、极测量装置3013、阀组保护设备3014、阀组控制设备3015和阀组测量设备3016。
所述的极控设备具有双极层控制功能、极层控制功能以及阀组控制功能。
1、双极层控制功能：极控设备的基本功能是根据运行人员的设定产生正确有效的稳态的功率定值，如果稳定控制有效的情况下，将产生相应的功率调制量，进一步产生正确的极电流定值，极电流定值产生的过程中包含电流定值限制功能和电流定值协调功能，电流定值协调功能需要在整流站和逆变站之间通过站间通信通道进行，此外在这个层次上还包含一些极的故障恢复控制和部分极的保护功能，另外的一些极的保护功能在保护系统中实现。
有一些需要在极间传递的信号，例如用于CBC功能和PPT功能的一些控制信号，需要在两极之间进行协调。需要强调指出的是，双极功能中需要用到另一极的测量值例如直流电压和直流电流的测量值，则从另一极提供的单独的测量通道直接测量取得。
双极层执行和双极控制相关的控制功能，并与站级控制功能进行接口，双极层配置的主要功能有：运行人员设定的功率设定值处理；稳定控制功能；双极功率限制；双极功率传输容量计算；极稳定控制功能产生的功率调节量计算；电流定值计算（P/U功能）；电流模式下电流定值计算；功率/电流模式选择；PPT（极间电流转移）功能；CBC（电流平衡控制）功能；
2、极层控制功能：极层控制功能执行所有和极相关的控制功能，极层的功能执行一些属于极层设备的相关控制功能，例如基本的起/停控制顺序，运行人员可以配置系统从检修状态一直到解锁状态，此外还有分接头控制功能，分接头控制功能需要从换流器层提供输入信号，高速的站间通信通道按极分别独立配置，这与控制系统的LAN是独立分开的，LAN传输的是慢速的信号。
极层控制系统主要的控制功能包含：极功率控制；极电流控制；稳定控制；换流变分接头控制；空载加压试验；站间通信；启/停顺序控制；极解锁/闭锁控制；直流线路故障重启动；低压限流；过负荷限制；保护性监视功能；冗余功能；顺序事件记录；自诊断功能；
3、阀组层控制功能：阀组层控制功能执行和阀组相关的控制功能，换流器层控制功能是提供换流器运行所必需的控制功能和阀触发功能，以及直流电流、直流电压、熄弧角闭环控制功能，闭环控制的参考值从双极和极层获得，此外还包含换流器的闭锁、解锁、紧急停机（ESOF）顺序过程。
阀组层功能包含：熄弧角控制；逆变侧直流电压控制；整流侧直流电压控制；直流电流控制；电流误差控制（CEC）；触发控制；阀组解锁/闭锁顺序；阀厅开关控制和阀厅联锁控制。
所述的直流站控设备302执行直流控制和换流站相关的功能，直流站控对直流场和站辅助系统进行监视和控制，直流站控设备302具有以下功能：直流场控制；对直流场自动进行配置；高压直流开关的控制和监视；直流线路和极的切换顺序；无功功率控制；交流母线电压和无功功率的测量；交流滤波器开关的控制和监视；根据谐波对滤波器组进行投切控制；根据无功功率对滤波器组进行投切控制；根据母线电压对滤波器组进行投切控制；根据交流过电压对滤波器组进行投切控制；控制层的协调和切换（站控控制层和系统控制层）控制位置；控制位置的切换和相互协调；顺序时间记录（SER）功能；从I/O单元接收的信息的处理；软件信息的处理；向SCADA系统发送信息到SER工作站和远动工作站。
所述的交流站控设备303执行交流控制和换流站相关的功能，交流站控对交流场和站辅助系统进行监视和控制，交流站控设备303具有以下功能：交流场控制；高压交流开关的控制和监视；执行极的启动/停止顺序过程中自动产生对和换流器相关的断路器、隔离开关、接地刀操作的命令；用于运行人员监视的模拟量的处理；换流站辅助系统控制和监视；辅助交流开关的监视；换流站辅助系统设备的控制和监视；用于运行人员监视的模拟量的处理；顺序时间记录（SER）功能；从I/O单元接收的信息的处理；软件信息的处理；向运行人员系统发送信息。
所述的控制保护层设备还包含：阀基单元设备VBE305，其电性连接晶闸管306和阀组控制设备3015。
本实施例中，为了适应不同技术的换流阀设备，在极控设备和阀基单元设备VBE之间增加VBE接口装置，用于触发晶闸管。
所述的控制保护层设备具有直流系统保护功能：直流保护、换流变压器保护、直流滤波器保护。
所述的控制保护层设备具有交流系统保护功能：线路保护、母线保护、断路器保护、站用辅助电源保护、交流滤波器保护。
所述的现场层设备包含多个分布式I/O单元401，每个分布式I/O单元401分别通过现场总线连接控制保护层设备中的极控设备301、直流站控设备302、交流站控设备303和站用电控制系统304；本实施例中，DPS-3000直流控制保护系统的分布式I/O单元401采用DFU410测控装置。
所述的现场层设备具有以下功能：获得二进制和模拟量的处理信息；和高压装置的接口；SER事件，1ms的分辨率；便于就地控制；命令输出和监视；自诊断。
本发明在控制保护层设备中实现无功控制，并在控制保护层设备的直流站控设备中通过与整个控制保护系统的相互协调来完成无功控制，使换流站交流母线的电压能保持在要求的范围以内，或换流站与交流系统之间交换的无功功率能保持在给定的范围之内。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (7)
1.一种高压直流输电系统控制保护系统，其特征在于，采用分层分布式结构，该控制保护系统包含：通过网络总线连接的远方通信监控层设备、运行人员控制层设备、控制保护层设备、以及现场层设备；
所述的远方通信监控层设备通过远动LAN网络接入远方监控中心；
所述的运行人员控制层设备通过LAN网络和控制保护层设备之间进行信息交换；
所述的控制保护层设备通过LAN网络和运行人员控制层设备之间进行信息交换，并通过现场总线和现场层设备之间进行信息交换；
所述的现场层设备通过现场总线和控制保护层设备进行信息交换。
2.如权利要求1所述的高压直流输电系统控制保护系统，其特征在于，所述的远方通信监控层设备包含：通过远动LAN网络接入远方监控中心的远动工作站、保护及故障录波信息子站、电能量远方终端，以及通过保护子网连接保护保护及故障录波信息子站的故障录波设备；
所述的远动工作站的用于保证远方监控中心和控制保护系统之间的二进制信息、测量值、电度量、顺序时间记录SER信息以及命令和参考值进行交换；所述的故障录波设备用于监测故障；所述的保护及故障录波信息子站用于采集故障信息并实现录波功能；所述的电能量远方终端用于实现能量计费功能。
3.如权利要求1所述的高压直流输电系统控制保护系统，其特征在于，所述的运行人员控制层设备包含：通过控制LAN网络连接的服务器、运行人员工作站、工程师工作站、站长工作站、MIS接口工作站、培训工作站；
所述的服务器用于存储数据信息和文档，记录事件顺序和报警；所述的运行人员工作站、工程师工作站、站长工作站实现所有命令的输入、可视化状态显示和回校识别；所述的MIS接口工作站接入管理信息系统，所述的培训工作站用于实现运行人员培训功能。
4.如权利要求3所述的高压直流输电系统控制保护系统，其特征在于，所述的运行人员控制层设备还包含：打印机。
5.如权利要求1所述的高压直流输电系统控制保护系统，其特征在于，所述的控制保护层设备包含：通过控制LAN网络、站间通信LAN网络和保护LAN网络进行连接的极控设备、直流站控设备、交流站控设备和站用电控制系统；
所述的极控设备具有双极层控制功能、极层控制功能以及阀组控制功能；
所述的直流站控设备执行直流控制和换流站相关的功能，直流站控对直流场和站辅助系统进行监视和控制；
所述的交流站控设备执行交流控制和换流站相关的功能，交流站控对交流场和站辅助系统进行监视和控制；
所述的站用电控制系统提供电源。
6.如权利要求5所述的高压直流输电系统控制保护系统，其特征在于，所述的极控设备包含：总线连接的极保护设备、极控制设备、极测量装置、阀组保护设备、阀组控制设备和阀组测量设备。
7.如权利要求1所述的高压直流输电系统控制保护系统，其特征在于，所述的现场层设备包含多个分布式I/O单元，每个分布式I/O单元通过现场总线连接控制保护层设备中的极控设备、直流站控设备、交流站控设备和站用电控制系统。
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