CN117200305A - 一种送端分址级联的多换流站直流控制保护系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种送端分址级联的多换流站直流控制保护系统，包括受端换流站及多个送端换流站；送端换流站包括多个送端直流站控主机和多个送端极控主机；多个送端直流站控主机中的任意一个为主导机，其他为备用机；当主导机正常工作时用于接收主控系统下发的控制指令，根据控制指令控制所有送端极控主机及受端换流站的运行；送端极控主机用于响应控制指令以启动送端换流站极控制层生成稳定运行的触发角指令，以及启动送端换流器控制层将触发角指令转换为触发脉冲。本发明能够实现送端级联三换流站直流输电工程的安全稳定运行，支持各可用运行方式的自由切换，并对包括三座换流站和两段不同电压等级直流线路在内的直流系统提供自适应可靠保护。

Description

一种送端分址级联的多换流站直流控制保护系统

技术领域

本发明涉及特高压直流输电技术领域，尤其涉及一种送端分址级联的多换流站直流控制保护系统。

背景技术

基于电网换相换流阀(Line commutated converter,LCC)的特高压直流输电，具有大容量、远距离、低损耗的优点，适用于大型电源基地向远距离负荷中心送电的情况。通常，特高压直流输电工程送、受端各建设一座换流站，对送端换流站的可用站址条件、近区电源分布以及电网强度都具有一定的要求。

然而，目前特高压直流输电工程中所设计的换流站拓扑结构，还存在较多的缺点，如拓扑结构过于简单、可实现功能单一、运行方式无法自适应调整以及可靠性要求不达标等。

发明内容

为了解决上述提出的拓扑结构过于简单、可实现功能单一、运行方式无法自适应调整以及可靠性要求不达标技术问题，本发明提供一种送端分址级联的多换流站直流控制保护系统。

本发明提供了一种送端分址级联的多换流站直流控制保护系统，所述系统包括：

受端换流站及多个送端换流站；

所述送端换流站包括多个送端直流站控主机和多个送端极控主机；

其中，多个所述送端直流站控主机中的任意一个作为主导机，其他作为备用机；当所述主导机正常工作时，所述主导机用于接收主控系统下发的控制指令，并根据所述控制指令控制所有所述送端极控主机及受端换流站的运行；

所述送端极控主机用于响应所述控制指令以启动送端换流站极控制层和送端换流器控制层；所述送端换流站极控制层用于生成稳定运行的触发角指令，所述送端换流器控制层用于将所述触发角指令转换为触发脉冲。

优选地，备用机用于当所述主导机发生故障时接收主控系统下发的控制指令，并根据所述控制指令控制所有送端极控主机及受端换流站的运行。

优选地，当所述主导机与所述备用机发生通信故障时，所述主导机、所述备用机分别用于接收主控系统下发的控制指令，并分别对主导机所在送端换流站中的所有送端极控主机、备用机所在送端换流站中的所有送端极控主机进行独立控制。

优选地，送端极控主机还用于：

当所述多个送端极控主机与所述主导机的通信正常时，采用多级功率控制模式；

当所述多个送端极控主机与所述主导机的通信故障时，与所述备用机进行通信；

当所述多个送端极控主机与所述主导机、所述备用机的通信均故障时，采用单极功率控制模式。

优选地，所述送端换流站还包括换流器，用于配置定直流电压调节器调节输出电压的大小；所述换流器包括双极低压换流器或双极高压换流器。

优选地，所述送端换流站还包括送端直流系统保护区，用于对送端换流站中的各设备进行保护；其中，

所述送端直流系统保护区包括送端换流站的换流器保护区、极保护区、双极保护区、直流滤波器保护区、交流滤波器保护区以及换流变压器保护区。

优选地，所述受端换流站包括受端直流站控主机和多个受端极控主机；

所述受端直流站控主机用于接收主控系统下发的控制指令，并根据所述控制指令控制所有受端极控主机运行。

优选地，所述送端极控主机用于对所述送端换流站进行极控制和换流器控制；所述受端极控主机用于对所述受端换流站进行换流器控制。

优选地，所述受端换流站还包括受端直流系统保护区，用于对受端换流站中的各设备进行保护；其中，

所述受端直流系统保护区包括受端换流站的换流器保护区、极保护区、双极保护区、直流滤波器保护区、交流滤波器保护区以及换流变压器保护区。

优选地，当所述多个送端换流站为非对称运行时，所述主导机为包含换流器最多的送端换流站中的送端直流站控主机；当所述送端换流站为稳态运行时，所述主导机为任意一个送端直流站控主机。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明公开了一种送端分址级联的多换流站直流控制保护系统，包括受端换流站及多个送端换流站；送端换流站包括多个送端直流站控主机和多个送端极控主机；多个送端直流站控主机中的任意一个为主导机，其他为备用机；当主导机正常工作时用于接收主控系统下发的控制指令，根据控制指令控制所有送端极控主机及受端换流站的运行；送端极控主机用于响应控制指令以启动送端换流站极控制层生成稳定运行的触发角指令，以及启动送端换流器控制层将触发角指令转换为触发脉冲。

本发明能够实现送端级联三换流站直流输电工程的安全稳定运行，支持各可用运行方式的自由切换，并对包括三座换流站和两段不同电压等级直流线路在内的直流系统提供自适应可靠保护。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，而非限制本公开。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或背景技术中的技术方案，下面将对本发明实施例或背景技术中所需要使用的附图进行说明。

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，这些附图示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于说明本公开的技术方案。

图1为本发明实施例提供的一种送端分址级联的多换流站直流控制保护系统的架构示意图；

图2为本发明实施例提供的送端级联的三换流站直流输电工程保护配置示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。

本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中术语“至少一种”表示多种中的任意一种或多种中的至少两种的任意组合，例如，包括A、B、C中的至少一种，可以表示包括从A、B和C构成的集合中选择的任意一个或多个元素。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

另外，为了更好地说明本发明，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本发明同样能够实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。

目前特高压直流输电工程中所设计的换流站拓扑结构，还存在较多的缺点，如拓扑结构过于简单、可实现功能单一、运行方式无法自适应调整以及可靠性要求不达标。本发明通过设置受端换流站及多个送端换流站；送端换流站包括送端直流站控主机和多个送端极控主机；多个送端直流站控主机中的任意一个作为主导机，其他作为备用机；当主导机正常工作时，主导机用于接收主控系统下发的控制指令，并根据控制指令控制所有送端极控主机及受端换流站的运行。实现了功能多样化，运行方式自适应调整，安全可靠的特高压直流输电。

在一个实施例中，本发明提供了一种送端分址级联的多换流站直流控制保护系统，包括：

受端换流站及多个送端换流站；

送端换流站包括多个送端直流站控主机和多个送端极控主机；

其中，多个送端直流站控主机中的任意一个作为主导机，其他作为备用机；当主导机正常工作时，主导机用于接收主控系统下发的控制指令，并根据控制指令控制所有送端极控主机及受端换流站的运行；

送端极控主机用于响应控制指令以启动送端换流站极控制层和送端换流器控制层；送端换流站极控制层用于生成稳定运行的触发角指令，送端换流器控制层用于将触发角指令转换为触发脉冲。

优选地，备用机用于当主导机发生故障时接收主控系统下发的控制指令，并根据控制指令控制所有送端极控主机及受端换流站的运行。

可选地，当主导机与备用机发生通信故障时，主导机、备用机分别用于接收主控系统下发的控制指令，并分别对主导机所在送端换流站中的所有送端极控主机、备用机所在送端换流站中的所有送端极控主机进行独立控制。

本实施例通过主导机和备用机的工作模式，能够实现送端级联三换流站直流输电工程的安全稳定运行，支持各可用运行方式的自由切换，并对包括三座换流站和两段不同电压等级直流线路在内的直流系统提供自适应可靠保护。

在一个可能的实施方式中，送端极控主机还用于：

当多个送端极控主机与主导机的通信正常时，采用多级功率控制模式；

当多个送端极控主机与主导机的通信故障时，与备用机进行通信；

当多个送端极控主机与主导机、备用机的通信均故障时，采用单极功率控制模式。

换流站双极控制层接收运行人员控制系统发出的主控站选择和功率指令，向极控制层发出极功率指令。双极控制层执行换流站双极有功控制、换流站双极无功控制、附加控制和直流场监控功能。对于送端两座换流站，双极控制层还需执行另一站直流场相关监控功能。

极控制层接收双极控制层发出的极功率指令或运行人员控制系统发出的电流/功率指令，并给本极的换流器控制层提供稳态运行的触发角指令。极控制层执行极功率/电流控制、电流闭环控制、阀组间电压平衡控制、电流裕度补偿、过负荷限制，负责本极相关的顺序控制(不包括换流单元的投退顺序控制)、本极的换流变分接头的控制、本极相关的无功控制等功能。直流极控主机还承担与对站相应的极控主机通信的任务。

换流器控制层主要功能为接收直流极控制层发出的稳态运行触发角指令并转换成触发脉冲。换流器控制层执行换流器的投/退顺序控制功能、触发角闭环调节、电压调节、逆变侧Amax控制、换相失败预测控制和换流单元控制主机上层控制命令失去时维持直流系统的稳定运行控制功能。各换流器的过负荷限制功能计算在换流器控制层完成并上报给直流控制层相应的电流限制值。

本实施例中能够在多个送端极控主机与主导机、备用机的通信正常或者故障时提供不同的控制模式，能够灵活的匹配各种通信状况，保证了送端分址级联的多换流站直流控制保护系统的稳定运行。

优选地，送端换流站还包括换流器，用于配置定直流电压调节器调节输出电压的大小；换流器包括双极低压换流器或双极高压换流器。

在一个实施例中，送端换流站还包括送端直流系统保护区，用于对送端换流站中的各设备进行保护；其中，

送端直流系统保护区包括送端换流站的换流器保护区、极保护区、双极保护区、直流滤波器保护区、交流滤波器保护区以及换流变压器保护区。

直流系统保护区分为：换流器保护区、极保护区、双极保护区、直流滤波器保护区、换流变压器保护区和500kV交流滤波器/组保护区。其中，站2和站3的极保护区保护送受端之间的±800kV直流线路，站1和站2的极保护区保护连接站1、站2的±400kV直流线路。

优选地，受端换流站包括受端直流站控主机和多个受端极控主机；

受端直流站控主机用于接收主控系统下发的控制指令，并根据控制指令控制所有受端极控主机运行。

对于受端换流站，双极保护层保护本换流站双极保护区。极保护层保护本换流站极保护区、直流滤波器保护区。换流器保护层保护换流器保护区和换流变保护区。

对于送端换流站，双极保护层保护本换流站双极保护区。极保护层保护本换流站极保护区。换流器保护层保护换流器保护区、直流滤波器保护区和换流变保护区。

优选地，送端极控主机用于对送端换流站进行极控制和换流器控制；受端极控主机用于对受端换流站进行换流器控制。

优选地，受端换流站还包括受端直流系统保护区，用于对受端换流站中的各设备进行保护；其中，

受端直流系统保护区包括受端换流站的换流器保护区、极保护区、双极保护区、直流滤波器保护区、交流滤波器保护区以及换流变压器保护区。

换流器区保护功能包括：阀短路保护、换相失败保护、换流器过流保护、换流器直流过电压保护、换流器差动保护、换流变阀侧中性点偏移保护、旁通断路器保护、旁通对过负荷保护、换流器谐波保护。

极保护区保护功能包括：极母线差动保护、中性母线差动保护、极差动保护、接地极线开路保护、400kV直流线路保护(行波保护、电压突变量保护、线路低电压保护、线路纵差保护、直流线路再启动逻辑、交直流碰线报警，仅站1、站2配置)、800kV直流线路保护(行波保护、电压突变量保护、线路低电压保护、线路纵差保护、直流线路再启动逻辑、交直流碰线报警，仅站1、站3配置)、中性母线开关保护、400kV线路转换开关保护(仅站2配置)、直流低电压保护、直流过电压保护、换流器连接线差动保护(仅站3配置)、换流器连接区差动保护(仅站1配置)、中性线冲击电容器过流保护。

双极保护区保护功能包括：双极中性线差动保护、站接地过流保护、站接地过流后备保护、中性母线接地开关保护、大地回线转换开关保护、金属回线转换开关保护、金属回线接地保护、接地极线过负荷保护、接地极线差动保护(仅站1、站2配置)、金属回线横差保护、金属回线纵差保护、接地极阻抗监测、接地极不平衡监测。

优选地，当多个送端换流站为非对称运行时，主导机为包含换流器最多的送端换流站中的送端直流站控主机；当送端换流站为稳态运行时，主导机为任意一个送端直流站控主机。

参见图1，图1提供了一种送端分址级联的多换流站直流控制保护系统的架构示意图；对于送端级联的三换流站直流工程，应用本发明提出的控制保护架构时，结构及功能配置如图2所示，具体地包括以下内容：

两站直流极控制层，分别配置定直流电流调节器，其指令值由极控产生。为实现高端、低端换流器的电压平衡控制，在高端、低端极控制中配置换流器直流电压平衡控制环节，即将其直流电压偏差送入换流器的定直流电流调节器或直接修正触发角指令。

逆变侧极控产生极的直流电压指令，并将其均分后发送给高端、低端换流器控制。高端、低端换流器控制分别配置定直流电压调节器，在定直流电压调节器的作用下将高端、低端换流器两端电压控制为极电压指令的一半。逆变侧高端、低端换流器控制中的定直流电压调节器输入可采用由极线、中性线和高低端换流器中点直流分压器产生的实测值，也可以采用计算值。

对于直流电压控制目标，送端高低端均运行时应选择站2高压直流出线电压与站1中性线出线侧电压的差值，送端仅单阀组运行时应选择对应阀组高压直流出线侧和中性线出线侧电压的差值。

进一步地，工程稳态运行时，应用本发明提出的控制保护架构，直流系统控制工作方式如下：

稳态运行时，站1、站2为整流站(交变直)，采用定功率控制；站3为逆变站(直变交)，采用定电压控制。

选择其中一站为主控站。主控站接收控制系统下达功率指令，发送给本站相应控制主机(站1、站2为直流站控，站3为极控)。

选择送端其中一站为送端主导站(简称主导站)。由主导站直流站控为统一执行送端两站的双极有功控制、双极无功控制、直流场顺控、高低端阀组平衡等功能。非主导站直流站控作为备用。

若送端两站采用非对称的运行方式，优先选择运行换流器较多的一站为主导站。

同时，主控站的双极功率功能选择一极为主导极，优先选择单极功率控制模式的极为主导极。

稳态运行时，两极均为双极功率控制，此时可任选一极为主导极。

以选择站2为主控站和送端主导站、极I为主导极为例。

主控站站2运行人员控制系统下达功率指令，发送给站2直流站控主机。站2直流站控主机进行双极功率分配，并综合功率调制、两极电流平衡、极间功率转移等附加控制功能，产生两个极的有功功率指令值。如果两个极都采用双极功率控制模式，则双极控制所产生的两个极的有功功率指令值尽可能相同。该功率指令值发送给三座换流站的各极控主机。

主导站站2接收本极功率指令，计算得到电流参考值，经过电流闭环控制计算电流指令值和送端阀组电压平衡控制得到的调节量，发送给站1极控。站1、站2极控分别根据电流指令值和电压平衡调节量进行触发角控制。

站3作为逆变站控制直流电压。

工程通信故障时，应用本发明提出的控制保护架构，直流系统控制模式切换如下：

若站1或站2极控与主导站站控通信故障，则主导站换至另一站；若站1或站2极控与两站站控通信均故障，则极控切换为单极功率控制模式，接收运行人员控制系统下发的控制指令。

若站1、站2两站直流站控间发生通讯故障，无功控制和直流场顺控切换为两站独立控制。

若站1与站2极控间通信故障，此时两站间电流指令自动协调的同步单元功能将失效，而切换基本控制策略为一站继续控制直流电流，另一站控制直流电压。

可优先令站1控制直流电流，站2控制直流电压。

该直流电压控制站的控制目标应为控制阀组端间电压为通信故障前直流减去400kV线路压降后的一半。同时，应退出阀组电压平衡控制功能。

若站1或站2极控与主导站站控通信故障，站控主导站换至另一站；若站1或站2极控与两站站控通信均故障，则极控切换为单极功率控制模式，接收OWS下发的控制指令。

本发明通过设置受端换流站及多个送端换流站；送端换流站包括送端直流站控主机和多个送端极控主机；多个送端直流站控主机中的任意一个作为主导机，其他作为备用机；当主导机正常工作时，主导机用于接收主控系统下发的控制指令，并根据控制指令控制所有送端极控主机及受端换流站的运行。实现了功能多样化，运行方式自适应调整，安全可靠的特高压直流输电。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种送端分址级联的多换流站直流控制保护系统，其特征在于，所述系统包括：

受端换流站及多个送端换流站；

所述送端换流站包括多个送端直流站控主机和多个送端极控主机；

其中，多个所述送端直流站控主机中的任意一个作为主导机，其他作为备用机；当所述主导机正常工作时，所述主导机用于接收主控系统下发的控制指令，并根据所述控制指令控制所有所述送端极控主机及受端换流站的运行；

所述送端极控主机用于响应所述控制指令以启动送端换流站极控制层和送端换流器控制层；所述送端换流站极控制层用于生成稳定运行的触发角指令，所述送端换流器控制层用于将所述触发角指令转换为触发脉冲。

2.根据权利要求1所述的送端分址级联的多换流站直流控制保护系统，其特征在于，所述备用机用于当所述主导机发生故障时接收主控系统下发的控制指令，并根据所述控制指令控制所有所述送端极控主机及受端换流站的运行。

3.根据权利要求1所述的送端分址级联的多换流站直流控制保护系统，其特征在于，当所述主导机与所述备用机发生通信故障时，所述主导机、所述备用机分别用于接收主控系统下发的控制指令，并分别对所述主导机所在送端换流站中的所有所述送端极控主机、所述备用机所在送端换流站中的所有所述送端极控主机进行独立控制。

4.根据权利要求1所述的送端分址级联的多换流站直流控制保护系统，其特征在于，所述送端极控主机还用于：

当所述多个送端极控主机与所述主导机的通信正常时，采用多级功率控制模式；

当所述多个送端极控主机与所述主导机的通信故障时，与所述备用机进行通信；

当所述多个送端极控主机与所述主导机、所述备用机的通信均故障时，采用单极功率控制模式。

5.根据权利要求1所述的送端分址级联的多换流站直流控制保护系统，其特征在于，所述送端换流站还包括换流器，用于配置定直流电压调节器调节输出电压的大小；

所述换流器包括双极低压换流器或双极高压换流器。

6.根据权利要求1所述的送端分址级联的多换流站直流控制保护系统，其特征在于，所述送端换流站还包括送端直流系统保护区，用于对送端换流站中的各设备进行保护；其中，

所述送端直流系统保护区包括送端换流站的换流器保护区、极保护区、双极保护区、直流滤波器保护区、交流滤波器保护区以及换流变压器保护区。

7.根据权利要求1所述的送端分址级联的多换流站直流控制保护系统，其特征在于，所述受端换流站包括受端直流站控主机和多个受端极控主机；

所述受端直流站控主机用于接收主控系统下发的控制指令，并根据所述控制指令控制所有所述受端极控主机运行。

8.根据权利要求7所述的送端分址级联的多换流站直流控制保护系统，其特征在于，所述送端极控主机用于对所述送端换流站进行极控制和换流器控制；所述受端极控主机用于对所述受端换流站进行换流器控制。

9.根据权利要求7所述的送端分址级联的多换流站直流控制保护系统，其特征在于，所述受端换流站还包括受端直流系统保护区，用于对所述受端换流站中的各设备进行保护；其中，

所述受端直流系统保护区包括受端换流站的换流器保护区、极保护区、双极保护区、直流滤波器保护区、交流滤波器保护区以及换流变压器保护区。

10.根据权利要求1所述的送端分址级联的多换流站直流控制保护系统，其特征在于，当所述多个送端换流站为非对称运行时，所述主导机为包含换流器最多的所述送端换流站中的送端直流站控主机；当所述送端换流站为稳态运行时，所述主导机为任意一个所述送端直流站控主机。