高压直流输电控制保护装置

高压直流输电控制保护装置

冗余与可靠性

王明新

中国电力科学研究院系统所 电力系统仿真中心及直流输电研究室

通信地址：北京市海淀区清河镇小营东路15号 邮编：100085

摘要

本文参照我国电力系统保护装置的设计原则，结合自直流输电技术投入商业运行后,出现的微机控制保护装置特点，对“葛南”直流输电系统、“天广”直流输电系统，以及“三常”直流输电系统三个高压直流输电系统的控制保护装置的冗余配置进行了评价。本文认为，必须明确被控制和保护的设备与控制保护装置本身的不同冗余概念；“三取二”配置是微机保护设备的最佳冗余配置，因为它能有效地解决保护装置本身电子元件故障造成的误动与拒动。 本文对直流输电各种二次系统冗余方式优、缺点进行的论述，仅供直流输电系统，以及电力系统控制保护装置的设计和运行维护参考。

关键字：系统的可靠性、电子设备冗余、控制保护配置

一．前言

对于任何系统及设备，它们的高可靠性和可用率是人们所期望的。为了提高一个系统或设备的可靠性，必须保证组成系统的各个设备及元件的高可用率，并且有相应的冗余，防止个别元件损坏，造成系统或设备不能运行。

电力系统的高可靠性，除了由一次设备的性能质量和系统结构的稳定性保证外，还要由二次控制保护系统保证；即：二次系统对一次系统设备进行控制和保护，自动切除故障部分，避免系统停运或设备损坏。

二次系统是由大量电子元件及微处理器构成，它们的可靠性是整个系统可靠性的重要组成部分。因此，控制保护系统除了保证相关一次设备的可靠性外，必须确保本身的高可靠性，这是本文重点讨论的问题。

由于控制保护系统使用了大量的电子元件，容易发生故障，仅一套设备不能保证系统长期运行的可靠性；因此，需要冗余配置。在当今电子技术高速发展时期，大规模集成电路和实时微处理器的广泛应用，给控制保护设备本身的冗余提供了可靠的技术保证。冗余方式的选择，需要根据具体设备在系统中的作用和对

可靠性、经济性的影响来确定。

二、电力系统保护的配置原则

电力系统继电保护，随着电力系统一同诞生，并随着电力系统的扩大而不断地发展，交流系统的继电保护从具体的电力系统设备，像发电机、变压器等元件保护和输电线路等系统保护，向着综合的系统保护方向发展，例如，电力系统安全稳定装置；由传统的继电器保护发展到微机保护。经过长期运行实践，积累了丰富的设计和运行经验，这些经验主要体现在以下的配置原则： 1〕灵敏性：保护的配置应该能够检测到所有可能的，致使设备处于危险情况的，以及对于系统运行来说不可以接受的故障和异常运行情况。

2〕快速性：元件保护采用不同原理的主、备保护配置，或双主、双备配置，以尽可能快的速度停运、隔离故障设备。

3〕可选择性：系统保护要求分区配置，没有遗漏，每个区域至少有一个主保护；选择性强，便于故障识别。 4〕可维修性：保护的配置应该考虑到装置试验和维护时不会影响到系统的运行，便于保护退出和投入。为了便于检修，避免相互影响，保护装置与主设备分离，尽可能靠近主设备就地安置；随着微机化，逐渐演变成一定区域的集中安置。

5〕可靠性：保护装置冗余配置，每套冗余配置的保护有自己独立的硬件设备，包括专用电源及输入、输出电路。避免保护装置故障，引起主设备或系统停运。

6〕安全性：为了保证设备和人身的安全，保护及跳闸回路的配置宁可误动也不拒动。跳闸回路应为独立的双跳圈、双操作电源。 这些保护配置原则，主要是针对一次设备的保护而言的。直流系统保护配置的基本原则是从交流保护的原则得到的。为了保证直流系统的可靠性，主设备一般采用容量、元件的冗裕,辅助设备一般采用两套，轮换工作。直流系统保护的配置增加了以下原则：

1〕 可控性：通过控制的方法减轻对设备的危害程度，以及切除故障的设备。 2〕 集中性：每个独立运行的换流系统的所有保护集中放置在一套保护装置中。

双极部分的保护也应配置在每个极保护中，并有自己的测量回路。采用集中完全冗余配置。

3〕 独立性：每套冗余保护装置的功能应相同，硬件和电源应该是完全分开的、

独立的。保护尽量不依赖于两端换流站之间的通信；必须采取措施以避免一端换流器故障时引起另一端换流器的保护动作。

4〕 全面性：所有可能的故障必须有两套以上的冗余保护装置可以保护。保护的

区域要重叠，对于每种故障，要有一个范围确定的快速保护作为主保护，一个范围扩大的慢速保护，或是降低灵敏度的保护作为后备保护。如果可能，主后备保护最好采用不同的原理。

5〕 唯一性：双极部分的故障引起保护动作，不应造成双极停运。双极站内直接

接地运行方式时，某一极的故障必须停运双极，以避免较大的电流流过站接地网。本极的关于极或双极部分的保护无权停运另外的极。 随着科学技术的进步，直流控制保护系统对主设备不同区域、不同原理的控制保护功能可以放在同一个实时并联多处理器系统中实现。为了保证整个系统运

行的可靠性，落实对主设备保护的配置原则，同时防止控制保护设备本身故障的影响，控制保护设备也要冗余配置；即，集中冗余配置，包括了对被保护系统的冗余，这样控制保护设备的冗余就更加重要了。

三、 直流控制保护装置的冗余配置

总结“葛南”直流线十年的运行，“天广”直流调试，以及“龙政”直流设计，控制保护的冗余配置可以从以下几个方面说明：

1． 直流保护装置的冗余配置

直流系统的保护基本属于系统保护，它包括换流器、直流开关场、中性母线、直流线路及交流开关场保护等不同保护区域的保护功能。直流保护功能作为直流控制功能的后备，它们动作后,将闭锁相应的换流器并将其隔离。保护装置本身故障，一般仅以误动的形式表现，降低了系统的可靠性；但是，在被保护的设备故障时，也可能发生拒动，这是危险的。

1.1 保护冗余的基本概念

直流保护的冗裕用于提高保护装置本身的可靠性，最终达到提高整个系统可靠性的目的。

从实物分析，仅一套保护装置，如果装置本身故障，不是造成保护误动，就是拒动。两套相同的保护通道，硬件、电源各自独立，假设它们同时发生故障的概率很小；而且，保护误动与拒动的可靠性逻辑不同。如果两个保护输出逻辑相“与”（二取二），可以防止一套保护装置本身故障造成误动，但不能避免拒动；如果两套保护输出逻辑相“或”（二取一），保护不会拒动，但容易发生误动。三套硬件和电源独立的，功能完全相同的保护通道，假设其中两套保护同时发生故障的概率很小；输出采用“三选二”方式，可以避免任何一套保护装置本身故障造成的保护设备误动和拒动；即，一个保护通道故障误动，另两个通道正常，保护不会出口；一个保护通道故障拒动，另两个通道仍能正确动作，保护不会拒动。如果四个相同的保护通道，输出逻辑的方式不同，作用也不同；如果采用两两先“或”，然后输出再“与”的四取二方式，也可在一定程度上解决误动与拒动的矛盾，但是不如三取二方式。

1.2 保护系统的可靠性分析

根据可靠性分析的马尔可夫过程原理，一般说来，如果一套保护的不可用率为0.1；两套相同保护并联备用，不可用率相乘为0.01；串联备用，不可用率相加为0.2(0.19)。三套相同保护并联备用, 不可用率为0.001；串联备用，不可用率相加为0.3(0.271)。

但是, 可靠性计算逻辑误动与拒动不同；根据不同的保护输出逻辑，分别计算误动率和拒动率可得到：假设一套保护故障误动率和拒动率各为0.005；则两套相同保护相“与”输出，误动率相乘为0.000025,拒动率相加为0.01(0.009975)。而两套相同保护相“或”输出则相反，误动率相加为0.01(0.009975)，拒动率相乘为0.000025。三套相同保护输出三取二，则误动率为0.000075(0.00007499812)，拒动率0.000001(0.00000099252)。四套相同

保护输出逻辑先“或”后“与”，则误动率为0.0001(0.0000995)，拒动率0.00005(0.0000499994)。

这些计算说明，在不计保护装置本身的监护功能的作用，两个相同保护通道，不论采取什么输出逻辑，不能同时解决误动与拒动间的矛盾，而三取二方式误动率和拒动率都较低，很好地解决了此矛盾。四套相同保护，输出先“或”后“与”方式的误动和拒动率，都比三取二方式差一个数量级。

1.3 不同直流工程直流保护的冗余方式

葛南直流、天广直流的直流保护的冗余方式一样，都是三取二配置，在一套保护故障时，剩下的两个通道自动变成二取一。葛南的三套直流保护与选择回路一起安放在同一个设备柜中，每套保护有自己专门的电源模块，由处在保护柜中的两套三取二硬件回路，选取测量回路相应的一次或二次线圈的输入和跳闸输出分别启动两条紧急停运总线。天广的直流保护分别放在三个独立的机柜中，测量量通过光纤直接取自一次回路，两套三取二选择硬件电路分别安放在其中两个保护柜中，输出与其他装置的保护跳闸信号一起分别送给换流器控制的两个通道及变压器保护柜的两套跳闸回路。

葛南直流十多年的运行实践说明，没有因直流保护装置故障，发生直流系统强迫停运，三取二配置是成功的。需要注意，直流系统的保护功能应尽可能放在三取二的保护装置中；保护输出逻辑电路在硬件上应与保护设备分开，也应采取冗余措施。

龙政直流线合同书介绍，直流保护采用同纳尔逊河直流工程一样的四取二方式。通过联合设计了解，所谓的四取二是结合直流换流器控制系统的冗余通道切换组成的，每个换流器控制通道有两套功能不相同的直流保护处理器，安置在一个设备柜中。一个保护功能动作先启动换流器控制通道切换，如果另一换流器控制通道的保护也动作，才执行紧急停运。这种冗余方式由于同一设备柜的两套保护功能不完全相同，而且采用同一个电源供电；因此，根据保护的配置原则，这种方式实际为二取二（与），不能很好地防止因保护设备故障造成的拒动，需要保护装置有很好的自检功能。另外，任何一套保护中的阀短路保护或换流变压器保护动作，为了快速停运直流，不经过控制通道切换就立即出口，这样保护系统就相当失去了冗余，当一套保护装置本身故障时，很可能造成直流系统停运。

2． 直流控制装置的冗余配置

直流系统的控制主要由换流器控制（也称为阀控或极控）、站控制组成。换流器控制是直流输电系统的控制核心，决定输电线路的运行方式和输送功率。站控制在换流器控制的指挥下，提供运行人员操作和交、直流开关场开关的具体操作功能。

2.1 控制冗余的物理意义

目前，各个直流输电工程换流器控制的冗余配置，都是采用两套硬件和软件功能完全相同的控制通道，一个工作，一个热备用。

换流器控制工作通道负责直流控制信息的计算和输出；为了避免两个通道各种误差引起系统扰动，采用备用通道时刻跟随工作通道，并随时准备接替故障的工作通道。