[科普中国]-控制保护系统

简介

当前世界范围内对于控制保护系统的兴趣正在不断增加，当从PMU数据中挖掘深层次信息、知识和智慧的核心技术取得突破后，测量系统、预警系统和控制保护系统的应用将突飞猛进。其中，预警系统在测量系统基础上实现安全分析、态势预测和风险预警功能；控制保护系统在测量系统和预警系统的基础上实现设备保护、系统保护和其他自动控制功能，即确保事故停堆，又可避免因仪器故障引起的误动作。1

控制保护系统的功能主要是根据数据在线分析稳定性，包括暂态功角稳定、小信号稳定、频率稳定、暂态与长期电压稳定、低频振荡、次同步振荡，确定实时输电能力，分析相继故障风险，以及优化控制决策。为此，必须通过可靠的通信系统将控制命令传送到分层分散的控制装置。2

系统构成和关键技术系统主站通过高速通信系统接收来自子站或其他主站的相量数据，并可与EMS等系统交换信息，实现实时频率特征分析、扰动识别、仿真曲线对比及全网录波触发等功能。平台包括前置机、实时数据库、历史数据库、监测系统与外部系统的接口、数据的转发等部分。

系统要协调许多矛盾，例如系统安全的全局性与控制手段的局部性，选择性切除故障的常规保护与保证系统动态安全的系统保护，动态控制的实时要求与决策支持的大量计算。因此，最好与SCADA/EMS等系统完全融合，即采用一体化的信息平台、数据库管理系统和人机交互系统等。控制保护系统可以克服现有局部和分散控制系统的不足，实现全局的优化协调控制。

关键技术包括:

①系统的框架设计；

②网络通信的实时性、可靠性和安全性保障；

③相量测量技术，非时标信息和时标信息的融合；

④从动态响应曲线中挖掘深层信息，包括在没有与实际轨线对应的数学模型及参数下，从PMU轨线中提取量化指标；

⑤实测数据和仿真数据相结合的数据挖掘，基于广域动态信息的定量分析和优化控制的理论和算法；

⑥自适应控制的优化和协调；

⑦可视化技术。

其中④和⑤是目前推广控制保护系统的主要障碍。2

系统功能控制保护系统实现电网安全稳定的预警和决策支持的功能有:

1)实时的动态监测，在线路温度、电压、相角、频率等出现静态或动态异常时报警，还包括传输功率、电能质量(谐波分析，不对称分量，电压质量，频率质量)及辅助服务质量监测、分布发电的监视、保护和控制、全网联动记录的触发等。

2)辨识异常运行的特征和故障类型，利用线路双端量测量改进瞬时性故障的定位，进而实现广域保护及广域后备保护。

3)动态行为分析，包括时变的低频振荡特性(模式、模态、阻尼、振荡界面)、定性判稳并识别同调群和失稳模式，捕捉振荡中心及其转移，选择不平衡功率小的解列方案并与切负荷方案协调，快速确定解列面，识别解列时刻及其方式。

4)在不知道精确模型与参数的情况下，评估实测轨迹的稳定裕度，但目前尚无突破性的进展。

5)事故追忆和演化过程分析。

6)数学模型及参数的校核，在线测定线路的各序参数，如特性阻抗、传播参数、分布电感及电容等，进而实现自适应保护。

7)决策与控制，包括:互联系统解列的协调；闭环控制，由PMU提供反馈信号，为PSS及可控串联补偿(TCSC)等控制器提供远方的附加稳定控制信号；电压静态失稳的预测与控制，频率稳定的预测与控制，加快故障后的诊断和处理。2

应用领域控制保护系统对采集到的系统动态进行监测和分析，包括导线温度、电能质量、辅助服务质量、低频振荡、故障定位与演化，可以按该真实动态来校核仿真模型及参数。此外，还可以识别振荡模式及解列边界，评估受扰轨迹的稳定性，广域调节，参与状态估计，验证模型和参数。

将数据直接用于电网的闭环控制(如正常运行时的远方电压调节，以及检测到不安全行为后的校正控制)时，必须妥善考虑通信网络的拓扑、时延及不确定性。虽然目前还缺乏工程应用的实例，但未来几年内有可能实现热稳定极限和广域二次电压闭环控制。将相量测量单元(PMU)提供的相量测量和RTU的量测量一起加到状态估计中可以增加冗余度，如果能充分利用统一时标的信息，将进一步改善估计精度。

国际大电网会议(CIGRE)工作组在2006年预测控制保护系统的3个应用领域为:改进基于传统技术的缓慢二次电压控制；振荡阻尼、电压稳定和热稳定极限的控制；广域的暂态稳定保护。2

直流控制保护系统定义及研究现状直流控制保护系统是直流输电的“大脑”。是直流输电系统安全、可靠、稳定运行的保障。其关键技术主要包括软硬件平台技术、直流控制保护系统设计、阀触发控制、直流保护。ABB，SIEMENS，ALSTOM等作为国际上少数几家能够完整进行直流输电系统设计制造的公司。把直流控制保护系统作为直流输电的核心。投入了大量的资金和人力。不断进行开发和产品升级换代。ABB公司现在提供的MACH2直流控制保护系统是在20世纪90年代初开始开发。

1995年左右开发完成的、我国刚投入运行的龙政直流和三广直流采用的就是这套系统：SIEMENS公司提供的直流控制保护系统被我国南方电网的天广直流和在建的贵广直流中所采用。据悉。ABB已着手开发更新一代的直流控制保护系统。SIEMENS已经推出新的直流控制保护系统Win.TDC。3

系统总体结构直流控制保护系统基本按面向物理或逻辑对象的原则进行功能配置。不同对象的功能之间尽可能少的交换信息。某一对象异常不影响其他对象功能的正确运行。系统分为站层和设备层两大层次。系统总体结构如图所示。站层主要包括SCADA和远动通信系统及站级CAN网。设备层设备按照功能可分为交直流站控系统、直流极控系统、直流保护系统。3

SCADA系统高压直流控制保护系统中SCADA系统的软硬件。包括对换流站交流开关场(含换流变及备用间隔)、直流开关场、换流站控制楼、阀厅、通信系统、直流线路、换流站辅助系统等的监视控制以及与远方调度中心和其他监视场所的通信接口等。换流站SCADA系统的作用是用于监视控制高压直流传输系统以及换流站交流系统的运行控制、数据采集和数据处理。

SCADA系统是一个模块化、分布化的全面的计算机网络系统。层次结构清晰。它由过程监视单元、过程控制单元、图形操作工作站和主计算机系统组成。所有过程监视与运行的工作站、主计算机通过局域网(LAN)连接，具有信息共享、资源优化使用和功能分布的网络性能。SCADA系统结构采用开放化设计。将来如有需要便于系统升级和增加新的功能。SCADA系统必须要保证其高可靠性。重要的子系统、设备和网络、通道都采用冗余体系结构，保证在单通道或单硬件故障下不引起系统故障。3

交流站控系统站控系统分为交流站控和直流站控。交流站控系统主要完成交流场、交流滤波器和电容器的监视与控制。其主要功能归纳如下：

整个换流站范围内的数据采集及信息处理、上送运行人员控制系统：

全站范围内的开关、刀闸和地刀的操作控制；

联锁：

同期：

交流站控系统内部及辅助系统的事件生成和上传至运行人员控制系统：

在线谐波监视：

对辅助系统的监控接口(包括站用电系统的控制、监视，以及对其他辅助系统的监视功能)；

对一次测量装置的接口功能。

以下是交流站控系统的配置原则。

1、采用分散式结构。按面向物理对象的原则进行各站控子系统的配置。不同子系统之间尽可能少的交换信息。某一对象异常不影响其他对象功能的正确运行。配置子系统时充分考虑各子系统的负载均衡。避免某一子系统任务过重。造成运行异常。

2、采用分布式I/O系统。I/O采用按对象设计的原则。即关闭某一对象相关I/O的电源不影响系统及其他对象的运行。

3、采用标准总线CAN和TDM。通信介质采用光纤。提高系统抗干扰能力。CAN总线用于信号量及控制命令的传输。TDM总线用于电压和电流信号的传输。

为了保证系统的高可用性。即不因单一故障影响系统正常运行。交流站控系统的主要系统设计为冗余的。冗余的主要方法是双重化，冗余的范围从输入/输出回路到SCADA，LAN。3

直流极控系统极控系统是整个换流站控制系统的核心。极控系统的控制性能直接决定直流系统的各种响应特性以及功率/电流稳定性。

极控系统功能概要如图所示。

控制功能模块包括：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)；开关顺序控制(SSQ)；模式顺序控制(MSQ)；准备顺序控制(RSQ)；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)；站问通信(TCOM)。

运行人员设定功率定值和各种直流功率调制后。功率定值经PPC单元计算得到电流定值，电流定值再送到CFC单元计算得到相应的触发角。CPG单元产生触发脉冲送到阀控制(VC)，CFC还确保触发脉冲在允许限制范围内。3

直流保护系统直流系统保护有以下特点。

a、保护完全双重化配置：1套直流保护可完成所有的保护功能。2套直流保护完成完全双重化保护配置。每套保护自身采取措施保证单一元件损坏本套保护不误动。保证安全性：2套保护同时运行，任意1套动作可出口。保证可靠性。

b、每套保护的防误不依赖于其他套保护，使设备之间关系简单。易维护。

c、每套保护采取的单一元件损坏防误动的措施。

d、每套保护为双输入、双采样、双总线传输、双处理器进行保护运算。

直流保护装置原理如图所示。

直流系统保护所保护的设备和范围与换流站的特点密切相关。与一般的交流变电站不同，所要保护的设备和范围有交流母线、交流滤波器；换流变压器：直流系统。3