(特)高压直流输电控制保护技术.pptx

1、(特)高压直流输电控制保护技术,常规直流及多端直流,提纲,直流控制技术,1,直流保护技术,2,多端直流技术,3,直流控制技术提纲,直流输电基本知识,1,直流输电控制基本技术,2,控制功能介绍,3,直流输电的应用领域,长距离输电 300-1400KM 长距离、大功率背靠背联网 两个相邻的独立系统，但具有不同的 频率/电压等级/短路容量海底电缆输电 直流线路无需无功补偿,直流输电的特点,输送功率相同时，线路造价低，线路走廊窄，损耗小。直流输电距离和容量不受同步运行稳定性的限制。潮流的调节：直流输电功率调节迅速、准确。交流系统用直流互连后，短路容量基本没有增大。直流线路运行不需要无功功率，但换流器需

2、要较大的无功功率。直流输电无功只与有功有关，与线路长度无关。换流器较贵；换流器运行需要较多的无功功率，要装设滤波装置；技术较复杂。,HVDC运行模式,双极运行,单极金属回线运行,单极大地回路运行,双极线并联单极大地回路运行,（单极大地系统）,阀的连接,Y,D,Y,国外控制保护厂家,ABB、SIEMENS、AREVA(ALSTOM)等，将直流控制和保护系统作为直流输电的核心技术，研发投入非常大；ABB公司直流控制保护系统MACH2，1995年开发完成，龙政直流、三广直流采用；DCC800，2009年开发完成，复奉特高压采用；SIEMENS公司提供的直流控制保护系统SIMADYN D被我国南方电网

3、的天广直流和在建的贵广直流所采用，Siemens已开始推广更新一代系统。AREVA Series V控制保护系统。,南瑞继保，引进ABB的MACH2技术；2010年，新一代UAPC平台的PCS9550在天广改造中使用；许继电气，引进SIEMENS的SIMADYN D技术；正在研发新一代系统；四方电气，ABB的MACH2.5技术，ABB合作方。,国内控制保护厂家,第1条商用直流（ABB）,1954年，瑞典在本土和果特兰岛（Gotland）之间建成一条海底电缆直流输电线，是世界上第一条商业性高压直流输电线路。,HVDC技术发展,Gotland工程（1954）单极，-100 KV20 MW汞弧阀模拟

4、控制，功能简单面板/模拟盘操作界面,三常工程（2003）双极，500 KV 3000 MW可控硅阀数字控制，功能丰富计算机全图形操作界面,新技术：轻型直流（HVDC Light）滤波器技术（有源直流滤波）LTT阀、IGBT 光CT/PT 新一代直流控制保护系统,复奉工程（2010）双极，800 KV，6400 MW，串联可控硅阀,直流控制技术提纲,直流输电基本知识,1,直流输电控制基本技术,2,控制功能介绍,3,控制基本技术,直流输电工作原理功率正送,两个可调的电压源,控制基本技术,直流输电工作原理功率反送,基本原理,换流器件采用晶闸管元件（半控器件）晶闸管导通条件：正向电压触发脉冲 晶闸管关

5、断条件：电流过零，零电压或负电压定义：触发角叠弧角熄弧角超前角,极控系统主要控制功能框图,极控系统包含控制功能模块开关顺序控制 SSQ模式顺序控制 MSQ准备顺序控制 RSQ极功率控制/电流控制 PPC过负荷限制 OLL直流功率调制 MODS换流器触发控制 CFC控制脉冲发生单元 CPG 无功功率控制 RPC电压角度参考值计算 VARC换流变压器分接头控制 TCC线路开路试验控制 OLT站间通讯 TCOM,控制功能模块,外特性曲线,操作界面,直流控制技术提纲,直流输电基本知识,1,直流输电控制基本技术,2,控制功能介绍,3,基本控制功能,触发器控制CFC作用：对两侧的12脉动阀组进行控制，两侧

6、阀组均可作为整流侧和逆变侧运行具有低压限流环节（VDCL）三个基本控制器组成闭环电流调节器电压调节器修正的GAMMA控制器,基本控制功能,闭环电流控制控制器输入变量：测量到的实际直流电流和VDCL环节后的电流指令相减的差值控制器类型：比例积分（PI控制器）整流和逆变侧均配置逆变侧电流指令整流侧电流指令电流裕度,闭环电流控制逻辑框图,基本控制功能,电压控制器整流侧和逆变侧均配置整流侧用于过电压的限制；逆变侧用于定电压控制；个别工程逆变侧也用作过电压限制控制器类型：比例积分（PI控制器）整流侧电压参考值略高于逆变侧电压参考值,电压控制器逻辑框图,基本控制功能,Gamma控制器正常工况下，逆变侧为定

7、GAMMA角控制采用预测性开环控制原理采用AMAX控制，使得外特性在暂态情况下具有正斜率，利于系统的稳定,基本控制功能,点火控制将alpha指令转换成12个120 宽的控制脉冲，送至VBE包括如下功能块：触发单元(FIREXEC)点火模式判别(FMD)角度测量(FIRANG)叠弧角计算(OVLCALC)相控振荡器(PCO)数字锁相环(PLL)紧急点火控制(EMG)控制脉冲发生器（CPG）,基本控制功能,过负荷限制OLL长期过负荷短时过负荷高晶闸管结温限幅 功率回降,基本控制功能,功率/电流控制PPC基本控制策略正常工况下，整流侧通过快速调节alpha角来保持直流电流恒定；逆变侧为gamma角控

8、制。与快速控制相配合的换流变抽头的慢速控制策略为，正常工况下，整流侧抽头控制alpha角为152.5，逆变侧抽头控制Udi0为1(1.25%)pu。当逆变侧控制电流时，逆变侧的抽头用于维持熄弧角gamma为17 2.5 参考值。控制系统中应有过电压限幅环节对过高的直流电压进行限幅，避免直流设备承受过应力而损坏。,PPC功能概况图,基本控制功能,无功控制RPC控制目标：满足换流器消耗无功需要，使直流系统与交流系统交换的无功为设定值。满足谐波滤波需要，使直流系统注入交流的谐波达到允许范围。控制交流电压在设定值,基本控制功能,换流变分接头控制TCC模式：手动与自动手动控制：对单相换流变抽头调节或对所

9、有换流变抽头的同步调节具有最大换流变阀侧理想空载直流电压Udi0 的限制,基本控制功能,空载加压试验控制OLT作用：测试直流极在较长一段时间的停运后或检修后的绝缘水平 试验条件：整流模式进行当前直流电压低于0.1p.u.平波电抗器和极母线间解开另一侧阀闭锁，未充电，未投入空载加压试验,基本控制功能,顺序控制与联锁（SSQ、MSQ、RSQ）控制目标实现直流系统的平稳启动和停运实现直流系统各运行状态之间的平稳转换实现安全可靠地操作断路器、隔离开关和接地刀闸实现安全可靠的控制模式或运行方式转换,基本控制功能,调制控制MODS功率提升功率回降频率控制阻尼次同步振荡,提纲,直流控制技术,1,直流保护技术

10、,2,多端直流技术,3,直流保护技术提纲,概述,1,直流极保护原理,2,直流极保护动作后处理策略,3,直流极保护定值、动作矩阵,4,5,典型故障录波分析,概述,换流站所包含的保护设备,直流保护,换流变保护,直流滤波器保护,交流滤波器保护,交流（滤波器）母线保护,断路器保护线路保护,概述,直流极保护（换流变阀侧绕组之间的区域，除直流滤波器）换流变压器保护直流滤波器保护交流滤波器保护母线保护断路器保护交流线路保护,换流站所包含的保护设备,特高压直流与常规直流的不同点双阀组串联电压运行等级增多（800kV、400kV、7080降压等）,概述,概述,直流极保护分区（常规）,换流阀区极高压母线区极中性母

11、线区直流滤波器区直流线路区双极中性母线区接地极线区金属回线区,概述,直流极保护分区（常规）,阀组区：高压阀组和低压阀组换流变压器：高压换流变压器和低压换流变压器,概述,直流极保护分区（特高压）,换流阀保护区1换流阀保护区2极区,概述,直流极保护分区（背靠背）,提纲,概述,1,直流极保护原理,2,直流极保护动作后处理策略,3,直流极保护定值、动作矩阵,4,5,典型故障录波分析,保护的硬件实现保护系统的配置原则各保护区的保护配置及原理,直流极保护原理,介绍的内容,采集模拟量采集开关量输出开关量通讯（包括人机、与控制系统、三取二、以及调度）保护算法实现单元,直流极保护原理硬件,直流极保护原理硬件,直

12、流极保护原理硬件,控制、保护功能分开控制、保护IO单元各自独立保护三取二逻辑出口配置保护双重化出口配置每一套保护独立，完善的自检系统保证单一元件损坏本套保护不误动，保证可靠性,直流极保护原理配置原则,故障：如阀短路、极母线断路、接地过应力：如过压、过载器件损坏：如电容器损坏、转换开关无法断弧其它：如功率振荡等,直流极保护原理配置原则,保护针对的故障类型,直流极保护原理,典型的测点配置（常规）,直流极保护原理,典型的测点配置（特高压）,高压换流阀区(CONVPR_H)低压换流阀区(CONVPR_L)极保护区(POLEPR)直流线路区(LINEPR)双极保护区(BIPOLEPR),直流极保护原理,

13、各保护区的保护配置及原理,短路保护（87SCY87SCD）换相失败保护（87CFP）桥差动保护（87CBY87CBD）阀组差动保护（87CG）直流差动保护（87DCM）交流过流保护（50/51C）交流过电压保护（59AC）交流低电压保护（27AC）电压过应力保护（VSP）,直流极保护原理换流阀区,交流阀侧绕组接地保护（59ACVW）触发异常保护（VMF）大角度监视（EFAP）换流阀短路、换流器接地短路丢失触发脉冲换相失败阀过电压,直流极保护原理换流阀区,换流阀区的主要故障,短路保护（87SCY87SCD）:IacYmin(IdH,IdN)max(Isc_set,k_set*min(IdH,Id

14、N)IacDmin(IdH,IdN)max(Isc_set,k_set*min(IdH,IdN)桥差动保护（87CBY87CBD）:Max（IacY,IacD）IacY I_set Max（IacY,IacD）IacD I_set,直流极保护原理换流阀区,针对阀区短路故障的保护,阀组差动保护（87CG）：Max（IdH,IdN）Max（IacY,IacD）I_set 直流差动保护（87DCM）：（特高压特殊处理）IdH IdN max(I_set,k_set*(IdH+IdN)/2)交流过流保护（50/51C）:Max（IacY,IacD）I_set,直流极保护原理换流阀区,针对阀区短路故障的

15、保护（续）,交流阀侧绕组接地保护（59ACVW）:UacYa+UacYb+UacYc Uacc0_set UacDa+UacDb+UacDc Uacc0_set,直流极保护原理换流阀区,针对阀区短路故障的保护（续）,直流极保护原理换流阀区,桥臂短路,触发角与电压；阀导通条件（两个必要）、阀关断条件（两个充分）,直流极保护原理换流阀区,直流极保护原理换流阀区,IacY min(IdH,IdN),正常换相,直流极保护原理换流阀区,阀短路故障,电压过应力保护（VSP）：Udio Udio_set交流过电压保护（59AC）：Uac U_set 交流低电压保护（27AC）：Uac U_set 大角度监视

16、（EFAP）：Alpha_set1 Alpha Alpha_set2,直流极保护原理换流阀区,针对阀区过电压等保护,换相失败保护（87CFP）：max(IdH,IdN)IacY max(Icf_set,k_set*max(IdH,IdN),&max(IdH,IdN)*k_ac IacY max(IdH,IdN)IacD max(Icf_set,k_set*max(IdH,IdN),&max(IdH,IdN)*k_ac IacD 导致换相失败的原因：误触发、不触发逆变侧换相电压下降逆变侧交流系统不对称故障暂态过程或谐波引起换相电压畸变,直流极保护原理换流阀区,换相失败、丢失脉冲的保护,直流极保护

17、原理换流阀区,max(IdH,IdN)IacY max(Icf_set,k_set*max(IdH,IdN),换相失败,直流极保护原理换流阀区,换相失败故障,阀组旁通开关保护双阀组电压不平衡报警换流变压器分接头不平衡报警双阀组触发角不平衡报警,直流极保护原理换流阀区,特高压增加的保护,极母线差动保护（87HV）中性母线差动保护（87LV 直流后备差动保护（87DCB）直流过流保护（76）接地极开路保护（59EL）50/100Hz保护（81-50/100HZ）快速中性母线开关保护（82-HSNBS）换流器开路保护/直流过电压保护（59/37DC）直流低电压保护（27DC）功率反向保护（RPDP）

18、（国网最新文件去除）,直流极保护原理极区,交直流碰线/远端故障检测（81-I/U）次同步谐振保护（SSR）空载加压试验保护（OLTP）接地断线过电压低电压开关失灵,直流极保护原理极区,极区的主要故障,高压母线差动保护（87HV）（特高压特殊处理）|IdH IdL|max(I_set,k_set*max(IdH,IdL)快速段增加判据：UdL max(I_set,k_set*max(IdN,IdE)直流后备差动保护（87DCY）|IdL IdE|I_set+k_set*IdE,直流极保护原理极区,换流器开路保护/直流过电压保护（59/37DC）（特高压特殊处理）I段：UdL U_set1&IdH

19、 U_set1&IdH U_set2或UdL-UdN U_set2 直流低电压保护（27DC）UdL ALPHA_set&IDNE I_set 快速中性母线开关保护（82-HSNBS）快速中性母线开关保护（HSNBS）指示分闸位置后，满足IdE I_set,直流极保护原理极区,接地极开路保护（59EL）UdN U_set&Idee1Idee2 U_set；III段，闭锁；IV段，合站地开关50100Hz保护（81-50100HZ）IdN_50 I_set+k_set*IdN IdN_100 I_set+k_set*IdN 功率反向保护（RPDP）UdP_set,直流极保护原理极区,远端故障交直

20、流碰线检测（81-I/U）UdL_50Hz UdL_50Hzset&IdL_50Hz IdL_50Hzset 空载加压试验保护（OLTP）IacYIdH I_set2或IacDIdN I _set2 Ud_cal UdL Ud_set IacY I_set1或IacD I _set1 次同步谐振保护（SSR）IdHssr I_set,直流极保护原理极区,直流极保护原理极区,50Hz保护（整流侧丢失脉冲）,直流极保护原理极区,100Hz保护（交流系统接地故障）,直流线路行波保护（WFPDL）直流线路突变量保护（27du/dt）直流线路低电压保护（27DCL）直流线路纵差保护（87DCLL）线路再

21、启动逻辑（RL）金属性接地高阻接地短路与交流系统碰线,直流极保护原理直流线路区,直流线路区的主要故障,直流线路行波保护（WFPDL）：反向行波：b(t)=Z*delta(IdL(t)delta(UdL(t)delta(Diff_b(t)Dif_dt_set delta(Com_b(t)Com_dt_set integ(Diff_b(t)Dif_int_set integ(Com_b(t)Com_int_set 直流线路突变量保护（27du/dt）：delta(UdL(t)dU_set UdL U_set,直流极保护原理直流线路区,直流极保护原理直流线路区,直流线路故障波形,直流极保护原理直流线

22、路区,行波量（线模零模）,直流极保护原理直流线路区,不同的故障位置，电压下降的陡度不同故障与非故障情况电压下降陡度不同,电压突变量（du/dt）,直流线路低电压保护（27DCL）：UdL max(I_set,k_set*IdL)线路保护动作后，迅速将直流电压降到0，等待故障点去游离时间后，重新恢复运行。重起时间、重起后的电压、重起次数可设定。,直流极保护原理直流线路区,直流线路再启动逻辑,接地极母线差动保护（87EB）接地极电流平衡保护（60EL）接地极过流保护（76EL）站内接地网过流保护（76SG）接地系统保护（87GSP）金属回线接地保护（51MRGF）直流线路横差保护（87DCLT）金

23、属回线纵差保护（87MRL）金属回线转换开关保护（82-MRTB）,直流极保护原理双极区,金属回线开关保护（82-MRS）快速接地开关保护（82-HSGS）接地短路 断线MRTB无法断弧MRS无法断弧HSGS无法断弧,直流极保护原理双极区,双极区的主要故障,直流极保护原理双极区,MRTB,GRS,HSGS,直流断路器按 组成结构，可分为无源型和有源型2 种，无源型直流断路器，适用于转换中等幅值的直流电流；而有源型直流断路器适用于转换较大幅值的直流电流。,直流极保护原理双极区,直流断路器主要性能,直流极保护原理双极区,接地极母线差动保护（87EB）：IdE1-IdE2-Idee1 Idee2-I

24、dee4 max(I_set,k_set*|IdE1-IdE2|)接地极电流平衡保护（60EL）：Idee1 Idee2 I_set 接地极过流保护（76EL）：Idee1 I_set 或Idee2 I_set 站内接地网过流保护（76SG）：Idee4 I_set 接地系统保护（87GSP）：IdE1 IdE2 I_set&NBGS合位&双极平衡运行,直流极保护原理双极区,金属回线接地保护（51MRGF）：Idee1+Idee2+Idee4 I_set+k_set*IdE直流线路横差保护（87DCLT）：IdLIdL_Op I_set+k_set*IdL_Op 金属回线纵差保护（87MRL）

25、：IdL_Op IdL_Op_Fosta max(I_set,k_set*IdL_Op),直流极保护原理双极区,金属回线转换开关保护（82-MRTB）：金属回线转换开关（MRTB）指示分闸位置后，满足Idee3 I_set1或Idee1Idee2 I_set1 金属回线开关保护（82-MRS）：金属回线开关（MRS）指示分闸位置后，满足IdL_Op I_set 快速接地开关保护（82-HSGS）：站地开关（HSGS）指示分闸位置后，满足Idee4 I_set,直流极保护原理双极区,直流极保护原理双极区,接地极线阻抗监视,背靠背差动接地保护差动接地保护,直流极保护原理其它,背靠背直流,直流融冰,

26、直流极保护原理程序页面,阀短路程序（可视化）,提纲,概述,1,直流极保护原理,2,直流极保护动作后处理策略,3,直流极保护定值、动作矩阵,4,5,典型故障录波分析,闭锁逆变站禁止投旁通对移相、重起请求控制系统切换极平衡功率回降交流断路器跳闸（锁定、启动失灵）极隔离重合开关禁止降分接头,直流极保护动作后处理策略,请求升分接头禁止解锁合站地开关,直流极保护动作后处理策略,整流侧闭锁脉冲：停止触发脉冲ESOF：快速增加触发角、带旁通对闭锁换流器：快速增加触发角、不带旁通对逆变站禁止投旁通对,直流极保护动作后处理策略,闭锁（西门子）,X闭锁：停止触发脉冲Y闭锁：快速增加触发角、有条件投旁通对Z闭锁：快

27、速增加触发角、立即投旁通对S闭锁：快速增加触发角、整流侧30ms后不投旁通对闭锁阀组、逆变侧交流开关跳开时投旁通对,直流极保护动作后处理策略,闭锁（ABB）,移相操作就是触发脉冲以一定的速率增大触发角到最大触发角。这个操作会使整流侧转移到逆变状态运行，电压极性反转，从而消除直流电流。移相命令取消后，系统会自动恢复到收到命令前的状态。如果收到重起命令，触发角会由最大触发角阶跃到预设角度，迅速建立电压，然后以一定的速率恢复电压到预设值。分高压线路故障重起动和低压线路故障重起动。,直流极保护动作后处理策略,移相、重起,有一些故障情况是由于控制系统的问题造成的，控制系统切换后故障可以消失，保持继续输送

28、功率。因此有些保护动作后第一动作是请求控制系统切换。例如：过流保护直流过压保护换相失败保护谐波保护潮流反转保护,直流极保护动作后处理策略,请求控制系统切换,双极运行时，双极区和接地极有接地故障，采用此操作，利于消除故障或带故障无危害运行。双极运行时，如果接地极线电流过大，进行此操作，以平衡两极的功率，减小接地极线电流。主要是过载保护的操作。操作按预定的定值（0.3标幺），降功率。针对水冷阀过热，降功率：按一定速率，下降一定幅度；间隔一段时间，重复上述过程；直至保护不动作或0.1标幺。,直流极保护动作后处理策略,极平衡,功率回降降功率,将直流场设备与直流线路、接地极线部分断开。极隔离1：先分直流

29、线路刀闸，后分HSNBS极隔离2：先分HSNBS,直流极保护动作后处理策略,极隔离,F1点、F2点投旁通对后的F3点，和阀区内接地点F4不考虑,直流极保护动作后处理策略极隔离,当各转换开关不能断弧时保护转换开关。HSNBS的2种特殊处理阀体上的电压过高，避免损坏阀的操作存在接地故障，解锁后有过电流。此操作避免过流损坏设备,直流极保护动作后处理策略,禁止升分接头请求降分接头,禁止解锁,重合开关,提纲,概述,1,直流极保护原理,2,直流极保护动作后处理策略,3,直流极保护定值、动作矩阵,4,5,典型故障录波分析,延时（0.5ms-125min）5s：OCP(Slow)、VSP、76SG、76EL、

30、60EL物理量电流、电压、角度、温度、阀热模型参数、功率,直流极保护定值、动作矩阵,定值,直流极保护定值、动作矩阵,保护定值（可视化程序页）,直流极保护定值、动作矩阵,动作矩阵（可视化程序页）,矩阵中的某一黑圆圈，表示如果该黑圆圈所在行信号发生动作（值：1），将会产生该黑圆圈所在列信号的输出（值：1）。例如：第2行第2列的黑圆圈，表示如果CFP_TRIP2信号发生动作，将会产生ESOF信号输出。一行有多个黑圆圈，表示该行信号将产生多个输出。,直流极保护定值、动作矩阵,动作矩阵,提纲,概述,1,直流极保护原理,2,直流极保护动作后处理策略,3,直流极保护定值、动作矩阵,4,5,典型故障录波分析,

31、直流工程与故障设备基本信息的了解主接线结构、容量、供货商、设备基本型式等,典型故障分析基本方法,故障发生时的状况运行工况设备状况系统方式外部环境,典型故障分析基本方法,事件与波形分析,典型故障分析基本方法,直流故障录波文件的主要信息同步电压、直流电压、直流电流等测量量触发脉冲、解锁与闭锁时序断路器、刀闸分合命令与状态差动量等中间计算值,典型故障分析录波,典型故障分析录波,某直流工程解锁后极母线差动与中性母线差动保护动作，极闭锁,典型故障分析录波,典型故障分析录波,已知故障，分析其特征分析电气故障的要点：电流回路的构成“电源”的概念与直流控制保护的策略密切相关与主接线形式有关,典型故障分析要点,

32、典型故障分析典型故障点,整流侧：阀电流可高达约7pu,典型故障分析阀短路,逆变侧：引起换相失败，形成旁通对，直流电流增大,典型故障分析阀短路,整流侧与逆变侧现象相同，阀故障电流小，换流变绕组电流大,典型故障分析换流变阀侧两相短路,整流侧：损失直流电压，直流极线电流迅速过零故障电流自故障点入地，自接地极返回,典型故障分析换流变阀侧单相接地,逆变侧：损失直流电压，直流极线电流迅速增大 故障电流自故障点入地,典型故障分析换流变阀侧单相接地,逆变侧故障电流图（投旁通对后）,典型故障分析换流变阀侧单相接地,整流侧：低压6脉动换流器出口短路损失低压6脉动直流电压，直流极线电流迅速过零,典型故障分析换流器中

33、点接地,逆变侧：低压6脉动换流器被旁路损失低压6脉动直流电压，直流极线电流迅速增大,典型故障分析换流器中点接地,整流侧：相当于电源出口短路，直流电流迅速增大,典型故障分析极母线接地,典型故障分析极母线接地,逆变侧：通过直流线路对整流侧形成短路，直流线路电流增大,典型故障分析极母线接地,典型故障分析直流线路接地,直流线路保护类似交流保护的重合闸，有重启动过程,典型故障分析直流线路接地,典型故障分析直流线路接地,整流侧：直流电流周期性中断、直流电压与直流电流出现50Hz分量,典型故障分析丢失脉冲,典型故障分析丢失脉冲,削波特性（整流侧，大电流）,逆变侧：换相失败；直流电流增大；直流电压与直流电流出现50Hz分量,典型故障分析丢失脉冲,整流侧：换相困难；直流电流减小、直流电压与直流电流出现100Hz分量,典型故障分析交流单相接地,逆变侧：换相失败；直流电流增大、直流电压与直流电流出现100Hz分