 Transmission and Distribution Engineering and Technology 输配电工程与技术, 2012, 1, 27-34 http://dx.doi.org/10.12677/tdet.2012.12005 Published Online December 2012 (http://www.hanspub.org/journal/tdet.html) Analysis the Strategies of Double DC Coordinated Control for Xiluodu-Guangdong HVDC Project Xianwu Cao China Southern Power Grid Co., LTD. Extra-High Voltage Power Transmission Company Qujing Branch, Qujing Email: caoxianwu@ehv.csg.cn Received: Oct. 15th, 2012; revised: Nov. 5th, 2012; accepted: Nov. 13th, 2012 Abstract: The project of Xiluodu right station-Guangdong ±500 kV double HVDC systems erected on the same tower is the first project that double HVDC systems erected on the same tower at home, its function of control and protection increased the double DC coordination control function in addition to all function of conventional DC project. This paper was written with the background of Xiluodu-Guangdong HVDC project, introduces the differences in control system layered structural between Xiluodu-Guangdong HVDC project and conventional DC engineering, from power modulation, double DC power control and reactive power control three field analyzes the double DC coordinated control strategy, the control strategy in the control host abnormal are given, and compared with the control strategy of conventional DC system. Keywords: Direct Current Transmission; Control and Protection; Double-Circuit Transmission Line on the Same Tower; Control Strategy 溪洛渡送电广东直流输电工程双回直流协调控制策略分析 曹显武 中国南方电网有限责任公司超高压输电公司曲靖局，曲靖 Email: caoxianwu@ehv.csg.cn 收稿日期：2012 年10 月15日；修回日期：2012年11月5日；录用日期：2012 年11 月13 日 摘 要：溪洛渡右岸电站送电广东±500 kV同塔双回直流输电工程是国内第一条同塔双回直流输电工程，其控 制保护除了常规直流工程所具备的全部功能外，增加了双回直流协调控制功能。以溪洛渡送电广东直流输电工 程为背景，介绍了其与常规直流工程在控制系统分层结构上的差异，从功率调制、双回功率控制和无功控制三 个方面重点分析了双回直流协调控制策略，给出了该控制系统在控制主机异常情况下的控制策略，并和常规直 流系统的控制策略进行了对比。 关键词：直流输电；控制保护；同塔双回；控制策略 1. 引言 溪洛渡右岸电站送电广东±500 kV同塔双回直流 输电工程(以下简称溪洛渡送电广东直流输电工程)是 国家“十二五”西电东送重点工程之一，也是世界上 首次采用两回±500 kV直流线路同塔双回架设、两个 ±500 kV换流站同期同址合建、两回直流共用接地极 的输电工程。同塔双回输电具有节约用地，管理方便， 有利于出线走廊集中布置[1]，提高通道输送能力降低 建设成本的优点[2]。目前，同杆并架技术在交流输电 中得到了较多应用[3]，但±500 kV直流输电工程采用 同塔双回尚在起步阶段[4]，双回直流控制系统统一平 台的工程应用在国内尚属首例，国内外对双回直流协 调控制的研究和工程应用较少，进行双回直流协调控 制策略分析对同塔双回直流输电工程的运行维护具 Copyright © 2012 Hanspub 27  溪洛渡送电广东直流输电工程双回直流协调控制策略分析 有十分重要的意义。 2. 控制系统分层结构 常规直流输电工程根据IEC 60633-1988[5]来确定 分层配置原则，控制层级包含了交/直流系统级、区域 级、双极级、极级和换流单元级共五个层级[6]，其分 层控制示意图如图1所示。控制层级越低，其控制范 围越小。 由于溪洛渡送电广东直流输电工程采用了同塔 双回、共换流站建设的方式，为了更加方便的实现双 回直流协同控制，该控制系统在常规直流控制系统的 基础上新增了站层控制级，在双极级增加了后备双回 直流协调控制功能，并且将区域级和交/直流系统级合 并为系统层控制级，该控制系统分为阀组控制层、极 控制层、双极控制层、站层和系统层共五个层级，其 层控制示意图如图2所示。 分 总体交/直流系统控制 高压直流系统/主控制 双极/换流站控制 极控制极控制 换流器控制 换流器控制 换流器控制换流器控制 交/直流 系统级 区域级 双极级 极级 换流 单元级 Figure 1. Conventional DC control system layered structure 图1. 常规直流控制系统分层结构 系统控制 双回控制 Ⅰ回直流站控 （双极控制） 极控制 系统层 站层 双极级 极级 阀组 控制层 Ⅱ回直流站控 （双极控制） 极控制 极控制 极控制 阀组控制 阀组控制阀组控制 阀组控制 Figure 2. Xiluodu project control system layered structure 图2. 溪洛渡工程控制系统分层结构 Copyright © 2012 Hanspub 28  溪洛渡送电广东直流输电工程双回直流协调控制策略分析 其中阀组控制层为控制系统的最低级，主要负责 接受控制层的电流指令，再通过各种调节器进行运 算、处理后，将触发脉冲指令发送给阀基电子设备 VBE；极控制层控制范围是一个极，主要向阀组控制 层提供经计算的电流整定值，实现双极功率/极电流控 制，极的起动和停运，故障处理和站间同极的远动通 信；双极控制层的控制范围是同一回直流的两个极， 主要功能有双回直流顺控，模式顺序的控制，后备无 功控制，后备双回功率控制和后备功率调制控制等； 双回控制层为最高级控制层，主要是对全站双回直流 间有功功率的协调起动和停运，双回功率调制和无功 控制等。 3. 双回直流协调控制策略分析 双回直流协调控制功能位于控制系统的站层控 制级，主要包括功率调制、双回功率控制和无功控制 三个功能，其与直流站控、极控的关系如图3所示。 同时该控制系统还在双极级配置了后备双回直流协 调控制功能，在站层控制级功能失去后承担双回直流 协调控制功能，以维持双回直流的运行。 两回直流正常运行时，作为一个整体运行，通过 双回直流协调控制功能控制两回直流间的有功功率 的分配；在安稳装置输入功率调制信号时，把调制功 率分配到两回直流中，同时负责维持换流站和交流系 统的无功交换量或换流站交流母线电压在设定的范 围内，其详细功能描述如下： 3.1. 功率调制 功率调制功能是除了基本控制模式和基本控制方 式外，直流控制系统设计并提供的附加的调制控制功 能，主要包含：功率提升、功率回降、功率限制、频 率限制、功率摇摆阻尼控制、次同步振荡阻尼控制、 多直流协调控制和交流低电压限功率控制等 8个功 能。其输入信号主要来自于系统的安全稳定控制装置， 双回功率协调控制 无功控制 功率调制安稳设备接口 空载加压试验控制 极功率电流控制 过负荷限制 换流器触发控制 保护性监视 自诊断 后备无功控制 点火控制 模式顺序 阀解锁/ 闭锁顺序 换流变抽头控制 换流变就地控制 后备功率调制 安稳设备接口 双极功率控制控制模式选择 后备双回功率 协调控制 双极直流顺序 控制 安稳 信号 Ⅰ回直流控制 Ⅱ回直流控制 无功设 备接口 同Ⅰ回 双回直流协调控制 运行人员工作站 极2 直流极控系统 极1 直流极控系统 双 极 功 率 指 令 双极控制（Ⅰ回直流站控） 同极1 I0MAX Ud Id IVY IVD Uac Block/Deblock 升/降抽头指令 I0 OLT alpha 控制模式 电压参考值 功率/电流定值、功率/电流提升速率 、功率方向 Uac Ud Ⅰ回直流 场 双极功率协调指令 LLRPO - 控制脉冲 TM VBE Figure 3. The relationship of double DC coordination control with station control and pole control 图3. 双回直流协调控制功能与站控、极控的关系 Copyright © 2012 Hanspub 29  溪洛渡送电广东直流输电工程双回直流协调控制策略分析 或者通过对系统交流电压频率的监视产生。 该工程一共设置了5个功率提升档位、5个功率 回降档位和3个功率限制档位，功率提升/回降值及其 速率、功率限制值均可通过运行人员工作站进行设 置，功率调制功能是否投入可通过运行人员工作站进 行操作，其中的每一档功率提 升/回降 /限制、频率 限 制、功率摇摆阻尼控制、次同步震荡阻尼控制交流低 电压限功率控制功能是否投入也可通过运行人员工 作站进行投退。两回直流间功率提升/回降值分配图如 图4所示。 从图中可以看出，一回功率提升值计算公式为： 11 12 ramp1 ramp 11 122122 UU PP UUUU (1) 二回功率提升值计算公式为： 21 22 ramp2 ramp 11 122122 UU PP UUUU (2) 一回功率回降值计算公式为： 11 12 reduce1 reduce 11 122122 UU PP UUUU (3) 二回功率回降值计算公式为： 21 22 reduce2 reduce 11 122122 UU PP UUUU (4) 其中，Pramp1 为一回功率提升值，Pramp 为全站功率提 升值，Pramp2为二回功率提升值，U11 为一回极1直流 电压。U12 为一回极 2直流电压，U21 为二回极 1直流 电压，U22 为二回极2直流电压，Preduce1为一回功率回 降值，Preduce为全站功率回降值，Preduce2 为二回功率回 降值。 3.2. 双回功率控制 双回功率控制的功能逻辑框图如图5所示，其中 双回功率限制、双回功率指令和双回功率速率为运行 人员通过操作界面输入的定值。功率调制有两路输 出，一路与运行人员输入的双回功率指令进行叠加， 另一路作为双回功率定值计算限幅环节的一个部分。 限幅环节乘上每一回的功率分配系数即为每回直流 的功率指令，通过双回控制 LAN 送到每回直流站控。 3.2.1. 双回直流协调起动 溪洛渡送电广东直流输电工程的双回直流协调 起动的软件逻辑如图6所示，其中NORM_PWR_DIR 表示正常功率方向即昭通–从化方向，SPC 表示双回 功率控制，SPC_ENTER 表示双回功率控制功能投入， READY_START 表示该极满足启动条件，T1P1 表示 直流Ⅰ回极1，T1P2 表示直流Ⅰ回极2，T2P1表示直 流Ⅱ回极 1，T2P2 表示直流Ⅱ回极 2，MASTER 表示 主控站，OPN 表示运行状态，S_PWR_REF 为双回功 率指令，MIN_S_PWR_REF 为双回功率控制指令下 限，S_PWR_RAMP 为双回功率提升/回降速率， MIN_S_PWR_RAMP 为双回功率提升/回降速率下限。 “&”表示变量取与逻辑，“≥1”表示变量取或逻辑， “○”表示变量取反，“a ≥ b”表示输入变量a ≥ 输 变量 b时输出为“1”，反之则为“0”。 入 EXT EXT EXT EXT EXT ∑ ∑ ∑÷ ÷ × × 全站功率提升/回降值 一回极1直流电压 一回极2直流电压 二回极1直流电压 二回极2直流电压 一回功率提升/回降值 二回功率提升/回降值 Figure 4. Between double DC runup/runback value distribution 图4. 两回直流间功率提升/回降值分配 Copyright © 2012 Hanspub 30  溪洛渡送电广东直流输电工程双回直流协调控制策略分析 双回功率限制 功率调制 双回功率指令 双回功率速率 双回功率分配 一回直流站控 二回直流站控 ∑ × × 一回功率 分配系数 二回功率 分配系数 一回UD_P1 一回UD_P2 二回UD_P1 二回UD_P2 △P ＋ ＋ P0 Ramp 双回功率控制 Figure 5. Double DC power control logic 图5. 双回功率控制逻辑 LIN LIN LIN LIN LIN LIN LIN LIN LIN LIN LIN LIN NORM_PWR_DIR_T1P1 SPC_ENTER _ T1P1 NORM_PWR_DIR_T1P2 SPC_ENTER_T1P2 NORM_PWR_DIR_T2P1 SPC_ENTER _ T2P1 NORM_PWR_DIR_T2P2 SPC_ENTER _ T2P2 & & & & READY_START_T 1P1 READY_START_T 1P2 READY_START_T 2P1 READY_START_T 2P2 & & & & ≥1 ≥1 ≥1 & && LIN LIN S_PWR_REF MIN_S_PWR_REF Permit(Open) & a ba≥b LIN LIN S_PWR_RAMP MIN_S_PWR_RAMP a ba≥b LIN LIN & MASTER_SPC OPN_SPC Figure 6. Software logic of double DC coordinate starting 图6. 双回直流协调起动软件逻辑 从图中分析我们可以看出，允许双回直流协调起 动的条件由以下五个条件取与逻辑构成：每回直流至 少有一个投入双回功率控制且同功率方向的极满足 RFO 状态，四个极均未投入双回功率控制或均满足 RFO 状态，两回直流的主控站一致，两回直流不在单 极同极性大地回线 RFO状态，功率参考值和功率提 升速率均大于下限值。因此，当两回直流的主控站和 功率方向一致时，至少有一回投入双回功率控制模 式，且投入双回功率控制的一回直流中至少有一个极 满足 RFO 状态时才允许双回直流协调起动，当两回 Copyright © 2012 Hanspub 31  溪洛渡送电广东直流输电工程双回直流协调控制策略分析 直流进入单极同极性大地回线RFO 状态时，不允许 双回直流协调起动。 3.2.2. 双回直流协调停运 溪洛渡送电广东直流输电工程的双回直流协调 停运的软件逻辑如图 7所示，其中各变量的说明同 3.2.1。从图中分析我们可以看出，允许双回直流协调 停运的条件由以下四个条件取与逻辑构成：每回直流 至少有一个极运行在双回功率控制模式且处于系统 级控制，四个极均不在运行状态或四个极均在系统级 控制模式下投入双回功率控制，两回直流的主控站一 致，功率提升速率大于下限值。因此，当两回直流主 控站一致，且运行的极均投入双回功率控制时允许双 回直流协调停运。 3.3. 双回直流无功控制 溪洛渡送电广东直流输电工程换流站容性无功 补偿容量的确定原则如式(5)所示： total 2 ac dc s b QQ Q k NQ (5) 其中：Qtotal为正常电压下交流滤波器和并联电容器所 能提供的总的无功。Qac 为决定无功供给设备容量时 所假设的交流系统无功需求(如果该值为负，则表示交 流系统可向换流站提供无功的能力，Mvar)。Qdc 为决 定无功供给设备时所假设的直流换流设备的无功需 求(Mvar)。N为备用无功补偿设备组数。Qsb 为备用小 组容量，在正常电压下，由最大的交流滤波器分组或 并联电容器分组所提供的无功(Mvar)。k为相应的电 压修正系数。 溪洛渡送电广东直流输电工程换流站的感性无 功设备容量由式(6)确定： min 2 ac dc rf QQ QQ k (6) 其中：Qr为正常电压下，换流站感性无功补偿设备所 能吸收的总无功(Mvar)。Qfmin为正常电压下，由交流 滤波器产生的无功(Mvar)。Qac为计算无功吸收设备 时，允许从换流站流进交流系统的最大无功(Mvar)。 Qdc 为决定无功供给设备时所假设的直流换流设备的 无功需求(Mvar)。k为相应的电压修正系数。 可以看出：换流站的容性无功补偿容量主要取决 于直流满负荷运行时的无功消耗和交流系统的容性 无功支持能力。感性无功补偿容量主要取决于直流小 负荷运行时的无功消耗、投入的滤波器容量和交流系 统的感性无功支持能力，溪洛渡送电广东直流输电工 按直流小方式运行时投入2~3 小组滤波器考虑。 程 & & & & LIN LIN LIN LIN LIN LIN LIN LIN LIN LIN LIN LIN SPC_ENTER_ T1P1 SYSL_T1P1 SPC_ENTER_ T1P2 SYSL_T1P2 SPC_ENTER_ T2P1 SYSL_T2P1 SPC_ENTER_ T2P2 SYSL_T2P2 & & & & OPER_T1P1 OPER_T1P2 OPER_T2P1 OPER_T2P2 & & & & ≥1 ≥1 ≥1 & & & LIN LIN LIN a ba≥b S_PWR_RAMP MIN_S_PWR _RAMP MASTER_SPC Permit(Open ) Figure 7. Software logic of double DC coordinate stopping 图7. 双回直流协调停运软件逻辑 Copyright © 2012 Hanspub 32  溪洛渡送电广东直流输电工程双回直流协调控制策略分析 因此，与系统交换的无功功率可用式(7)表示： sys totalr QQQ (7) 其中，Qsys 为与系统交换的无功功率。 由于本直流工程四个阀组之间耦合性不强，且共 用一个交流滤波器场，因此，滤波器投切裕度比其他 工程略大，为20%~30%。在投滤波器之前，对投入 的滤波器按式(8)进行无功预计算。当式(9)条件满足 后，经过一定延时后投入滤波器，配合裕度功能，能 有效抑制滤波器频繁投切[7]。 2 measure next_filter normal U QQ U (8) sys next_filter marginmin QQQ Q (9) 式中：Qnext_filter为投入滤波器的无功功率；Umeasure为 测量电压值；Unormal 为正常电压值；Q为滤波器组额 定无功功率；Qsys 为与系统交换的无功功率；Qmargin 为无功裕度值；Qmin 为无功功率死区的最小值。 其控制曲线如图8所示。 为了满足所有情况下无功控制的需求，溪洛渡送 电广东直流输电工程的无功控制采用了 U max、Abs Min Filter、Min Filter和Q control/U control四种控制 功能。U max 为最高/最低电压限制，其主要作用是监 视交流母线的稳态电压，避免稳态过电压引起保护动 作。Abs Min Filter 为绝对最小滤波器容量限制，是为 了防止滤波设备过负荷所需投入的绝对最小滤波器 组数。任何情况下，该条件必须满足。Min Filter 是最 小滤波器容量要求，为满足滤除谐波的要求需投入的 最小滤波器组。Q control/U control为无功交换控制/ 电压控制，主要是控制换流站和交流系统的无功交换 量或换流站交流母线电压在设定的范围内。 其中 U max和Abs Min Filter在手动或自动模式 下功能均有效，Min Filter和Q control/U control功能 仅在自动控制模式下有效，Q control 和U control 不能 同时有效，具体选择哪一种控制模式由运行人员在工 作站进行选择。 3.4. 控制主机异常时的控制策略 控制系统的状态有运行、备用、服务和试验四种 状态。处于运行状态的系统为当前运行的系统，只有 该系统发出的控制命令才有效，正常运行时只能有一 套系统处于运行状态。备用状态为当前处于热备用的 系统，服务状态为当前处于服务状态的系统，处于运 行状态或备用状态的系统也一定处于服务状态，试验 状态为当前处于测试状态的系统，当系统发生故障 时，运行人员手动将该系统切至试验状态以进行检修 处理。 控制系统发生的故障按严重程度分为轻微故障、 严重故障和紧急故障。轻微故障不会影响任何控制功 能的不可用，发生严重故障时若另一系统可用则进行 切换，若另一系统不可用则该系统可继续维持运行， 不影响功率输送，发生紧急故障时将不能维持直流系 统继续运行。 直流控制系统切换的基本原则是：在任何时候运 行的有效系统应是双重化系统中较为完好的那一重 统。 系 TotalReactive Power (Mvar) DC Power(p.u.) Q max Q marg Q min Q Filter Switch-On Curve Switch-Off Curve Figure 8. Reactive power control curve 图8. 无功功率控制曲线 Copyright © 2012 Hanspub 33  溪洛渡送电广东直流输电工程双回直流协调控制策略分析 双回直流协调控制主机异常时的控制策略主要 分为控制系统可用和不可用两种情况，其中可用指的 是两套控制系统均可用或有一套可用，即至少有一套 系统处于运行或备用状态，不可用指的是两套控制系 统均不可用，即两套系统均不在运行或备用状态。下 面将分别阐述两种情况下的控制策略。 3.4.1. 系统可用时的控制策略 当两套系统中的一套出现轻微故障时，若另一套 系统未出现任何故障，则系统发生切换，原运行系统 自动切换至备用状态，原备用状态系统切换至运行状 态，否则不切换；当两套系统中的一套出现严重故障 时，若另一套系统未出现故障或仅为轻微故障，则系 统发生切换，原运行系统切换至服务状态，待故障消 除后自动进入备用状态，原备用状态系统自动切换至 运行状态，否则不切换；当两套系统中的一套出现紧 急故障时，若另一系统未出现故障或仅为轻微故障， 则系统发生切换，原运行系统自动退出至服务状态， 原备用系统自动投入运行，否则判断为两套系统均不 可用，该运行系统自动切换至服务状态，此时的控制 逻辑见 3.4.2；当系统出现故障需要检修时，由运行人 员手动切至试验状态后方可进行，试验完毕后，应手 动切至服务状态，若故障已消除，则系统可自动切至 备用状态。 3.4.2. 系统不可用时的控制策略 若两套系统中的一套发生紧急故障时，若另一套 系统此时仍有严重或紧急故障，则判为两套系统均不 可用。在直流站控中，配置了后备功率调制、后备双 回功率控制和后备无功控制功能，当双回直流协调控 制系统可用时，这三个功能均无效，当双回直流协调 控制系统不可用时，直流站控系统中的后备功率调 制、后备双回功率控制和后备无功控制将起作用。 直流站控系统中的后备双回协调控制功能是通 过选取其中的某一回直流系统作为主导回，非主导回 直流站控系统的后备双回协调控制功能处于后备状 态，并与主导会保持同步。直流站控系统中的后备双 回直流协调控制功能与双回直流协调控制系统的功 能基本一致。 4. 结论 与常规直流控制系统相比，溪洛渡送电广东直流 输电工程在控制保护系统方面增加了双回直流协调 控制系统，并且在直流站控系统中增加了后备双回协 调控制功能，首次采用了双回功率控制方式，实现了 直流控制保护系统新的突破。本文对溪洛渡送电广东 直流输电工程的控制保护策略做了具体分析，对以后 同塔双回直流输电工程控制保护系统的设计及其换 流站的运维管理具有重要的指导意义。 参考文献 (References) [1] 赵婉君. 高压直流输电工程技术[M]. 北京: 中国电力出版社 , 2004. [2] 胡丹晖, 涂彩琪, 蒋伟等. 500 kV 同杆并架线路感应电压和 电流的计算分析[J]. 高电压技术, 2008, 34(9): 1927-1931. [3] 舒印彪, 赵丞华. 研究实施中的 500 kV同塔双回紧凑型输电 线路[J]. 电网技术, 2002, 26(4): 49-52. [4] 石岩, 王庆, 聂定珍等. ±500 kV直流输电工程同杆并架技 术的综合研究[J]. 电网技术, 2006, 30(11): 1-6. [5] IEC.IEC60633-1998, Terminology for high-voltage direct cur- rent (HVDC) transmission. Geneva: IEC, 1998. [6] 王春成. 共换流站±500 kV同塔双回直流输电工程控制系统 的分层结构[J]. 电网技术, 2010, 34(8): 74-79. [7] 张爱玲. 溪洛渡送电广东同塔双回直流输电工程控制保护策 略研究[J]. 电力系统保护与控制, 2011, 39(9): 72-76. Copyright © 2012 Hanspub 34 |