控制保護系統定義及現狀

直流控制保護系統是直流輸電的“大腦”。是直流輸電系統安全、可靠、穩定運行的保障。其關鍵技術主要包括軟硬件平臺技術、直流控制保護系統設計、閥觸發控制、直流保護。ABB，SIEMENS，ALSTOM等作為國際上少數幾家能夠完整進行直流輸電系統設計制造的公司。把直流控制保護系統作為直流輸電的核心。投入了大量的資金和人力。不斷進行開發和產品升級換代。ABB公司現在提供的MACH2直流控制保護系統是在20世紀90年代初開始開發。

1995年左右開發完成的、我國剛投入運行的龍政直流和三廣直流采用的就是這套系統：SIEMENS公司提供的直流控制保護系統被我國南方電網的天廣直流和在建的貴廣直流中所采用。據悉。ABB已著手開發更新一代的直流控制保護系統。SIEMENS已經推出新的直流控制保護系統Win.TDC。

控制保護系統系統總體結構

直流控制保護系統基本按面向物理或邏輯對象的原則進行功能配置。不同對象的功能之間盡可能少的交換信息。某一對象異常不影響其他對象功能的正確運行。系統分為站層和設備層兩大層次。系統總體結構如圖《直流控制保護系統結構圖》所示。站層主要包括SCADA和遠動通信系統及站級CAN網。設備層設備按照功能可分為交直流站控系統、直流極控系統、直流保護系統。

控制保護系統SCADA

高壓直流控制保護系統中SCADA系統的軟硬件。包括對換流站交流開關場(含換流變及備用間隔)、直流開關場、換流站控制樓、閥廳、通信系統、直流線路、換流站輔助系統等的監視控制以及與遠方調度中心和其他監視場所的通信接口等。換流站SCADA系統的作用是用于監視控制高壓直流傳輸系統以及換流站交流系統的運行控制、數據采集和數據處理。

SCADA系統是一個模塊化、分布化的全面的計算機網絡系統。層次結構清晰。它由過程監視單元、過程控制單元、圖形操作工作站和主計算機系統組成。所有過程監視與運行的工作站、主計算機通過局域網(LAN)連接，具有信息共享、資源優化使用和功能分布的網絡性能。SCADA系統結構采用開放化設計。將來如有需要便于系統升級和增加新的功能。SCADA系統必須要保證其高可靠性。重要的子系統、設備和網絡、通道都采用冗余體系結構，保證在單通道或單硬件故障下不引起系統故障。

控制保護系統交流站控系統

站控系統分為交流站控和直流站控。交流站控系統主要完成交流場、交流濾波器和電容器的監視與控制。其主要功能歸納如下：

• 整個換流站范圍內的數據采集及信息處理、上送運行人員控制系統：

• 全站范圍內的開關、刀閘和地刀的操作控制；

• 聯鎖：

• 同期：

• 交流站控系統內部及輔助系統的事件生成和上傳至運行人員控制系統：

• 在線諧波監視：

• 對輔助系統的監控接口(包括站用電系統的控制、監視，以及對其他輔助系統的監視功能)；

• 對一次測量裝置的接口功能。

以下是交流站控系統的配置原則。

1、采用分散式結構。按面向物理對象的原則進行各站控子系統的配置。不同子系統之間盡可能少的交換信息。某一對象異常不影響其他對象功能的正確運行。配置子系統時充分考慮各子系統的負載均衡。避免某一子系統任務過重。造成運行異常。

2、采用分布式I/O系統。I/O采用按對象設計的原則。即關閉某一對象相關I/O的電源不影響系統及其他對象的運行。

3、采用標準總線CAN和TDM。通信介質采用光纖。提高系統抗干擾能力。CAN總線用于信號量及控制命令的傳輸。TDM總線用于電壓和電流信號的傳輸。

為了保證系統的高可用性。即不因單一故障影響系統正常運行。交流站控系統的主要系統設計為冗余的。冗余的主要方法是雙重化，冗余的范圍從輸入/輸出回路到SCADA，LAN。

控制保護系統直流極控系統

極控系統是整個換流站控制系統的核心。極控系統的控制性能直接決定直流系統的各種響應特性以及功率/電流穩定性。

極控系統功能概要如圖《高壓直流控制系統功能框圖》所示。

控制功能模塊包括：極功率控制/電流控制(PPC)；過負荷限制(OLL)；直流功率調制(MODS)；換流器觸發控制(CFC)；控制脈沖發生單元(CPG)；無功功率控制(RPC)；開關順序控制(SSQ)；模式順序控制(MSQ)；準備順序控制(RSQ)；電壓角度參考值計算(VARC)；換流變壓器分接頭控制(TCC)；線路開路試驗控制(OLT)；站問通信(TCOM)。

運行人員設定功率定值和各種直流功率調制后。功率定值經PPC單元計算得到電流定值，電流定值再送到CFC單元計算得到相應的觸發角。CPG單元產生觸發脈沖送到閥控制(VC)，CFC還確保觸發脈沖在允許限制范圍內。

控制保護系統直流保護系統

直流系統保護有以下特點。

a、保護完全雙重化配置：1套直流保護可完成所有的保護功能。2套直流保護完成完全雙重化保護配置。每套保護自身采取措施保證單一元件損壞本套保護不誤動。保證安全性：2套保護同時運行，任意1套動作可出口。保證可靠性。

b、每套保護的防誤不依賴于其他套保護，使設備之間關系簡單。易維護。

c、每套保護采取的單一元件損壞防誤動的措施。

d、每套保護為雙輸入、雙采樣、雙總線傳輸、雙處理器進行保護運算。

直流保護裝置原理如圖《直流保護裝置結構圖》所示。

直流系統保護所保護的設備和范圍與換流站的特點密切相關。與一般的交流變電站不同，所要保護的設備和范圍有交流母線、交流濾波器；換流變壓器：直流系統。

控制保護系統對采集到的系統動態進行監測和分析，包括導線溫度、電能質量、輔助服務質量、低頻振蕩、故障定位與演化，可以按該真實動態來校核仿真模型及參數。此外，還可以識別振蕩模式及解列邊界，評估受擾軌跡的穩定性，廣域調節，參與狀態估計，驗證模型和參數。

將數據直接用于電網的閉環控制(如正常運行時的遠方電壓調節，以及檢測到不安全行為后的校正控制)時，必須妥善考慮通信網絡的拓撲、時延及不確定性。雖然目前還缺乏工程應用的實例，但未來幾年內有可能實現熱穩定極限和廣域二次電壓閉環控制。將相量測量單元(PMU)提供的相量測量和RTU的量測量一起加到狀態估計中可以增加冗余度，如果能充分利用統一時標的信息，將進一步改善估計精度。

國際大電網會議(CIGRE)工作組在2006年預測控制保護系統的3個應用領域為:改進基于傳統技術的緩慢二次電壓控制；振蕩阻尼、電壓穩定和熱穩定極限的控制；廣域的暫態穩定保護。

控制保護系統實現電網安全穩定的預警和決策支持的功能有:

1)實時的動態監測，在線路溫度、電壓、相角、頻率等出現靜態或動態異常時報警，還包括傳輸功率、電能質量(諧波分析，不對稱分量，電壓質量，頻率質量)及輔助服務質量監測、分布發電的監視、保護和控制、全網聯動記錄的觸發等。

2)辨識異常運行的特征和故障類型，利用線路雙端量測量改進瞬時性故障的定位，進而實現廣域保護及廣域后備保護。

3)動態行為分析，包括時變的低頻振蕩特性(模式、模態、阻尼、振蕩界面)、定性判穩并識別同調群和失穩模式，捕捉振蕩中心及其轉移，選擇不平衡功率小的解列方案并與切負荷方案協調，快速確定解列面，識別解列時刻及其方式。

4)在不知道精確模型與參數的情況下，評估實測軌跡的穩定裕度，但目前尚無突破性的進展。

5)事故追憶和演化過程分析。

6)數學模型及參數的校核，在線測定線路的各序參數，如特性阻抗、傳播參數、分布電感及電容等，進而實現自適應保護。

7)決策與控制，包括:互聯系統解列的協調；閉環控制，由PMU提供反饋信號，為PSS及可控串聯補償(TCSC)等控制器提供遠方的附加穩定控制信號；電壓靜態失穩的預測與控制，頻率穩定的預測與控制，加快故障后的診斷和處理。

系統主站通過高速通信系統接收來自子站或其他主站的相量數據，并可與EMS等系統交換信息，實現實時頻率特征分析、擾動識別、仿真曲線對比及全網錄波觸發等功能。平臺包括前置機、實時數據庫、歷史數據庫、監測系統與外部系統的接口、數據的轉發等部分。

系統要協調許多矛盾，例如系統安全的全局性與控制手段的局部性，選擇性切除故障的常規保護與保證系統動態安全的系統保護，動態控制的實時要求與決策支持的大量計算。因此，最好與SCADA/EMS等系統完全融合，即采用一體化的信息平臺、數據庫管理系統和人機交互系統等。控制保護系統可以克服現有局部和分散控制系統的不足，實現全局的優化協調控制。

關鍵技術包括:

①系統的框架設計；

②網絡通信的實時性、可靠性和安全性保障；

③相量測量技術，非時標信息和時標信息的融合；

④從動態響應曲線中挖掘深層信息，包括在沒有與實際軌線對應的數學模型及參數下，從PMU軌線中提取量化指標；

⑤實測數據和仿真數據相結合的數據挖掘，基于廣域動態信息的定量分析和優化控制的理論和算法；

⑥自適應控制的優化和協調；

⑦可視化技術。

其中④和⑤是目前推廣控制保護系統的主要障礙。

當前世界范圍內對于控制保護系統的興趣正在不斷增加，當從PMU數據中挖掘深層次信息、知識和智慧的核心技術取得突破后，測量系統、預警系統和控制保護系統的應用將突飛猛進。其中，預警系統在測量系統基礎上實現安全分析、態勢預測和風險預警功能；控制保護系統在測量系統和預警系統的基礎上實現設備保護、系統保護和其他自動控制功能，即確保事故停堆，又可避免因儀器故障引起的誤動作。

控制保護系統的功能主要是根據數據在線分析穩定性，包括暫態功角穩定、小信號穩定、頻率穩定、暫態與長期電壓穩定、低頻振蕩、次同步振蕩，確定實時輸電能力，分析相繼故障風險，以及優化控制決策。為此，必須通過可靠的通信系統將控制命令傳送到分層分散的控制裝置。

眾多 對廣域繼電保護決策任務的劃分方法進行了探討，提出了集中式、分散式、分層區域式三種系統結構。集中式保護系統由控制中心進行決策，如圖1所示，控制中心集中決策可

以做到系統全局最優控制，更能體現廣域保護的優勢。但是集中式結構對控制中心設備要求過高，因此必須配置備用的中心設備;而且大量信息的集中處理使得控制中心計算量大，并對通信系統的依賴程度特別高，通信系統的準確性、可靠性、實時性決定著控制中心的分析結果。分散式保護系統由各分散的保護終端SPT進行決策，如圖1所示，各保護終端利用一定范圍內的信息，通過相對簡單的算法和判據，實現可靠、靈敏的系統保護功能。即使某個保護終端決策功能失效，鄰近終端可以作為后備。分散式結構能較好地克服集中式對控制中心設備要求過高的問題。但作為分散式系統的決策單元，保護終端獲得電網信息有限，分析和決策能力有限，因此分散式結構往往不能做到全局最優控制。分層區域式的保護系統由三層構成位于最底層的本地測量單元(Local Measure UnitLMU、位于中問層的區域決策層(Region DecisionUnit RD U)和位于最頂層的系統監控中心(SystemMonitor Center SMC)，如圖1中（c）所示。LMU是用來采集電網實時信息或同時附帶保護功能的PMUs CPhase Measure Units); RDU完成數據采集以及保護控制功能，實現一個保護分區的系統保護;SMC對本地保護中心進行協調，實現安全防御計劃。在分層區域式保護系統中，RDU與此區域內LMU通過光纖連接，正常運行時，監測本區域內LMU的運行狀態，在擾動發生后，對LMU上傳信息綜合分析并作出相應的決策。決策作出后，一方面下傳至LMU，執行閉鎖或操作相應的斷路器;另一方面將判斷結果送至SMC } SMC負責實時協調和監控各區域保護系統。分層式系統中保護中心SMC根據下級單元的判斷結果從邏輯上進行故障定位和全局決策，理論上能有效解決集中式廣域保護中心計算量大的弊端，對通訊系統的要求也相應降低。

系統結構主要解決在哪里決策的問題。分散式結構是把數據分析和決策過程放在分散于系統各處的保護終端上，雖然能夠解決集中式結構對于控制中心要求過高的問題，但是其決策能力有限;集中 式結構是在控制中心集中進行數據分析和控制決策，能夠實現全局最優控制，在通信系統和控制中心分析決策能力能夠達到要求的前提下，集中式結構是優于分散式結構的。集中式結構雖然功能強大，但是隨著電力系統規模的逐漸擴大，保護系統需要的數據采集點增多，數據傳輸距離增長，對通信系統帶寬和計算機運算處理能力提出更高要求。分層式結構結合分散式和集中式結構的優點，把大量原始數據的處理分散在各RDU進行，將大量原始數據傳輸限制在各有限區域之內，RDU把運算結果上傳到保護中心SMC；SMC根據下級單元的判斷結果從邏輯上進行故障定位和全局決策。分層式結構不僅能夠解決集中式控制中心計算量大的問題，其對通信系統的要求也相應降低，而且還能夠從系統角度進行分析和決策，實現全局最優控制，是集中式結構的改進和優化，因此分層式結構是目前更為合理的系統結構。

目前廣域繼電保護分層式結構是可以改進的，控制中心SMC除了接收區域保護RDU的判斷結果外，還應當接收LMU中的部分電網信息，全面利用控制中心信息處理決策能力，更好地實現全局優化控制。例如在某個區域保護中，可以考慮將區域的邊界點構成一個大差，大差中的信息處理及決策在控制中心進行，而內部的判別結果由下級判定結果上報。此外，筆者認為分層式結構還存在一些問題，比如說RDU和SMC的權限劃分問題，當RDU的判斷結果與上級SMC的判斷結果不一致時，保護終端應該采用誰的決策結果才更為合理，這也是廣域繼電保護系統結構中值得深入探討的問題。

1、自動倒回 　智能光纜保護系統提供了自動倒回功能。當線路維修好以后，在設定的時間內，通信線路會自動從備纖切換到主纖。 　2、自動告警和切換 　智能光纜保護系統提供了在光纖線路發生中斷時發出告警提示音，以便工作人員查找原因和進行維護。同時，系統自動將故障光纖路由快速切換至備用路由，保證業務無阻斷。 　3、實時監測與控制 　智能光纜保護系統可在網管中心或本地實時監測光信號的功率及其變化情況，以及設備的各種參數。需要時網管中心可直接發送控制命令進行主備光纖切換或其它操作。 　4、歷史數據存儲及追蹤 　智能光纜保護系統提供了歷史數據存儲及追蹤功能。為了保證數據的可靠性及設備的易維護性，在本地可保存連續24小時的實時數據。在網管中心計算機中可將所監控的光功率值連續地記錄下來，供分析判斷或事故追蹤等。