海上风电柔性直流送出紧凑型控制保护系统设计方案

田培涛，范雪峰，曹 森，郝俊芳，鄂士平，彭 松，吴庆范

（1.许继电气股份有限公司，河南 许昌461000；2.国网湖北省电力有限公司，湖北 武汉430077；3.珠海许继电气有限公司，广东 珠海519060）

0 引言

近年来能源需求的不断增长和环保压力的持续增加给新能源的发展带来了前所未有的机遇，尤其是海上风电。相比于陆上风电，海上风电具有较大优势，海上风电是取之不尽的绿色低碳可再生能源，具有储量大、风速高、主导风向稳定、风功率密度高等优势［1-3］，非常适合大容量机组运行。而且海上风电不占用土地，靠近沿海经济发达地区负荷中心，传输经济性好，市场接受度高［4-9］。

根据《风电发展“十三五”规划》［10］，“十三五”期间将积极稳妥推进海上风电建设，重点推动江苏、浙江、福建、广东等省的海上风电建设，到2020 年四省海上风电开工建设规模均达到百万千瓦以上；积极推动天津、河北、上海、海南等省（市）的海上风电建设；探索性推进辽宁、山东、广西等省（区）的海上风电项目。到2020年，全国海上风电开工建设规模达到1 000万kW，力争累计并网容量达到500万kW以上［11］，详见表1。

表1 2020年全国海上风电开发布局Table 1 National offshore wind power development layout in 2020

海上风电目前多采用交流送出方式实现并网，但存在传输距离短、传输容量小和需要增加无功补偿设备等问题，柔性直流输电具备独立调节有功功率和无功功率的能力［12-14］，无需无功补偿设备，传输距离长、损耗低，更适合于大规模远海岸海上风电送出［15-21］。

柔性直流送出作为海上风电开发利用的有效技术手段，在欧洲特别是德国已经得到了广泛应用，我国柔性直流输电技术起步较晚，但发展较快，目前已投运的最大输电规模柔性直流工程为±420 kV/1 250 MW渝鄂背靠背联网工程，在建的乌东德特高压混合多端直流工程柔直输电规模已经达到±800 kV/5 000 MW，处于世界领先水平。海上风电采用柔性直流输电送出具备一定技术基础。

目前国内对海上风电柔性直流送出的研究集中在交流故障穿越、直流故障穿越［22-23］、无功补偿策略［24-25］等方面的研究，对海上风电的柔性直流送出控制保护系统工程应用设计方案研究不多［26］，基于海上平台造价高、空间小，设备维护成本高等特点［27-28］，本文提出了海上风电柔性直流送出紧凑型控制保护设计原则，研制了适用于海上风电特点的紧凑型控制保护主机。提出了紧凑型控制保护系统的总体方案。构建了紧凑型控制保护系统RTDS 仿真平台，试验结果验证了紧凑型控制保护设计方案的正确性，为海上风电柔性直流送出工程应用提供了重要参考。

1 海上风电紧凑型控制保护设计原则

1.1 海上风电柔性直流送出拓扑结构

海上风电柔性直流送出典型拓扑［29］如图1所示。

图1 海上风电柔性直流送出典型拓扑图Fig.1 Topology diagram of flexible DC feed-out for offshore wind power

如图1 所示，海上风电通过升压变和联结变接入海上换流站将交流电变为直流电，通过海缆接入陆上换流站，将直流电变换为交流电后接入交流电网。

海上换流站和陆上换流站的控制保护设计在换流站平台空间需求、运行人员控制系统配置、控制保护系统紧凑化配置、换流站拓扑结构、控制保护功能、换流站维护等方面存在显著差异，具体见表2。

通过对海上换流站和陆上换流站的控制保护系统设计差异分析，可知海上柔性直流送出系统需要考虑紧凑化的控制保护系统设计原则。

1.2 海上风电紧凑型控制保护设计原则

海上风电紧凑型控制保护设计原则为：

1）陆上换流站按有人值班设计，站交、直流系统设统一的控制值班室（运行人员控制室），海上换流站按无人值班设计。

2）在陆上换流站配置海上风电柔性直流送出一体化监控系统，除了实现海上换流站和陆上换流站直流系统的监控以外，还能实现对海上升压站、风电场的集中监控功能，各系统服务器在陆上换流站配置，满足换流站和风电场相关信息的接入要求。

3）采用控制保护系统紧凑化配置，如：直流站控功能集成在极控系统中、站用电功能集成在交流站控系统中、联结变保护集成在极保护中；取消合并单元，减少测量环节等。

4）控制保护功能按照海上风电柔性直流系统特殊要求配置，如：海上换流站采用无源启动方式，有功采用定频率控制，无功采用交流电压控制；配置双联接变保护功能等。

表2 海上换流站与陆上换流站控制保护设计差异Table 2 Design difference of control and protection between offshore and onshore converter stations

5）海上风电紧凑型控制系统采用完全双重化设计：I/O单元、直流控制系统柜、站控柜、辅助系统、站用电、现场总线网、站LAN网、系统服务器和所有相关的直流控制装置都为双重化设计。控制系统的冗余设计应确保直流系统不会因为任一控制系统的单重故障而发生停运，也不会因为单重故障而失去对换流站的监视。

6）为了提高系统的安全性和保护的可靠性，直流保护采用三重化模式，并且可允许任意一套保护退出运行而不影响直流系统功率输送。每重保护采用不同测量器件、通道、电源、出口的配置原则。

7）直流控制保护系统与换流阀阀控系统、换流阀阀冷控制保护系统、直流耗能控制系统、安稳装置、联接变冷却器控制系统的接口按照通用标准接口规范执行。

8）当柔直系统需降功率时，相关信息应能从陆上站柔直监控系统送至风电场监控系统、升压站监控系统。直流监控系统与风电场监控系统、升压站监控系统间的通信协议应相互开放。若直流监控系统与风电场监控系统、升压站监控系统无法直接通信，可通过规约转换装置实现互相通信。

9）控制系统采用商业化程度较高的硬件设备、软件平台和应用程序，所有应用软件可视化程度高、界面友好，便于运行人员理解和维护。控制系统采用开放的网络结构，通信规约采用标准的国际通用协议，能方便其它系统的连接和数据传输。

10）控制保护系统设计满足换流站RAM指标对二次系统的要求，即高度的可靠性、可用率和可维护性，具有足够的冗余度和100%的系统自检能力，以保证整个直流系统的正常和安全运行［30］。

2 紧凑型控制保护主机

基于完全自主开发直流输电控制保护主机，结合海上风电海上平台造价高、空间小，设备维护成本高等特点，研制了紧凑型控制保护主机，对其处理能力、通信接口和远程维护进行了显著提升，更适合海上风电柔性直流送出的需求。

2.1 紧凑型控制保护主机

基于海上风电海上平台造价高、空间小的特点，研制了标准4U的主机，如图2所示。

图2 紧凑型控制保护主机图Fig.2 Diagram of compact control and protection host

紧凑型控制保护主机在控制保护屏柜设计时，能够节省更多的空间，便于集成其他辅助设备和必须配置的消防器材，减少控制保护占地面积，降低海上平台面积及其造价。

2.2 核心性能提升

高性能处理器可以同步并行处理更多的任务，进一步降低了功耗，实现主机无风扇设计，进一步节约了空间并提高了可靠性。

千兆级多节点串联TDM总线设计，支持多节点间超高速同步数据传送，千兆级点对点超高速控制总线设计，实现装置间超高速通信。

以上性能的提升，满足海上风电控制保护系统对高速采样、高速传输、高速处理的需求。

2.3 全面的标准接口

同 时 具 备 以 太 网、IEC-600448、IEC-61850、ProfiBus DP、TDM、高速控制总线等标准接口。全面的接口能力可对控制保护系统进行灵活配置，满足与换流站其他设备的接口需求。

2.4 远程维护管理

紧凑型控制保护主机通过可视化图形化工具软件，在陆上换流站通过工程师工作站，实现海上换流站控制保护主机内部参数、保护定值查看核对等工作，或者进行参数、定值的远程更新配置，而不需更新控制保护软件，提高了控制保护主机的维护性，降低了运维成本。

3 紧凑型控制保护系统设计方案

根据研制的紧凑型控制保护主机，提出适应于工程的紧凑型控制保护系统设计方案。

3.1 紧凑型控制保护系统整体结构

采用分层分布式的总体结构设计，根据功能划分和控制级别分为：运行人员控制层、控制保护层、现场层等3个层次，如图3所示。

图3 总体结构设计示意图Fig.3 The diagram of general structure design

如图3所示，3层结构的主要功能如下：

1）运行人员控制层

运行人员控制层由运行人员控制系统（一体化监控系统）、培训系统、硬件防火墙和网络打印机等设备组成。运行人员控制系统是运行人员控制层的核心设备，由数据库服务器、运行人员工作站、工程师工作站等构成，其主要功能是对直流系统一、二次设备和交直流系统的运行数据进行采集和存储，并为运行人员提供监视和控制操作的界面。除上述功能外，运行人员控制层设备还具备事件顺序记录和报警、网络对时信号的接收和下发、文档管理，以及运行人员培训等功能。

2）控制保护层

控制保护层设备包括极控、交流站控、站用电控、直流保护设备。极控、站控和直流保护是整个直流输电系统最为核心的控制保护设备，基于统一的高速控制保护系统平台进行构建。

3）现场层

现场层设备提供与交直流系统一次设备和换流站辅助系统的接口，实现一次设备状态和系统运行信息的采集处理和上传，顺序事件记录，控制命令的输出以及就地控制和连锁等功能。现场层的核心设备是分布式I/O单元。

以下对运行人员控制系统和控制保护系统进行详细介绍。

3.2 运行人员控制系统设计方案

运行人员控制系统既要实现海上换流站和陆上换流站直流系统的监控，还要实现对海上升压站、风电场 的集中监控功能，整体设计如图4所示。

图4 运行人员控制系统设计方案示意图Fig.4 The diagram of operator control system design

图4 所示，运行人员控制系统主要包括陆上换流站监控系统、海上换流站监控系统和一体化监控系统，其中陆上换流站监控系统和海上换流站监控系统的设备和功能设计与以往直流输电工程基本一致，不再赘述。

一体化监控系统主要设备及功能设计如下：

1）一体化监控服务器

一体化监控系统服务器作为一体化监控系统主服务器，用于数据存储，数据建模，实时数据处理，中间变量计算等功能。一体化监控服务器采用LINUX系统，双重化配置。

2）升压站接入服务器

升压站本身配置单独的监控系统，该监控系统通过规约，将升压站数据接入升压站接入服务器。因升压站数据比风电场数据少，换流站监控数据一并通过该服务器接入到一体化监控系统中。升压站接入服务器采用LINUX系统，双重化配置。

3）风电场接入服务器

风电场本身配置单独的监控系统，该监控系统通过规约，将风电场数据接入风电场接入服务器。风电场接入服务器采用LINUX系统，双重化配置。

4）一体化监控工作站

一体化监控系统配置相应数量的监控工作站，用户风电场，升压站，换流站的监视和控制。一体化监控工作站采用LINUX系统，最少双重化配置。

5）正向隔离网关

一体化监控系统需要进行WEB发布，数据的发布需要从安全I区到公网。故需要加1套正向隔离网关，实现数据的单向传输。

6）转发服务器

数据转发服务器用于将一体化监控服务器中的数据进行打包，并单向传输到WEB服务器中。

7）WEB服务器

WEB 服务器用于将一体化监控系统数据进行网页发布，便于WEB浏览和手机APP查看。

3.3 紧凑型控制保护设备配置方案

海上风电柔性直流控制设备配置包括：交流站控、站用电控制和极控制（集成直流站控功能），均采用双重化冗余配置，默认其中一套系统为值班状态，另一套为备用状态，提出通过基于控制光纤通信的高速冗余切换装置实现两套控制系统的值班、备用状态切换，实现值班系统高速平稳切换、避免单一元件故障导致换流站停运。

海上风电柔性直流保护设备配置包括：极保护和联结变保护，均采用三重化冗余配置，通过三取二逻辑判断后输出动作信号。

在极保护AB 系统中共配置2 套独立的硬件三取二装置同时，在控极制AB 系统中共配置2 套具体完整功能的软件三取二逻辑，进一步提高系统的可靠性。紧凑型极控系统和极保护设备配置及全光纤式设计方案如图5所示。

图5所示，极控主机与极保护主机、极保护主机与三取二装置、三取二装置与极控主机、冗余切换装置间均采用光纤通信，全光纤式的控制保护设计方案，降低了工程现场调试难度，增强了设备防腐能力，提高了系统的可靠性。

图5 全光纤式紧凑型控制保护设计方案Fig.5 The diagram of all fiber compact control and protection design

3.4 紧凑型控制保护功能配置

换流站控制设备按照功能范围的不同分别配置不同系统，主要包括：极控系统、交流站控系统和站用电。

极控系统性能将直接决定直流系统的各种响应特性以及直流电压和传输功率稳定性，主要功能包括：换流站控制模式选择、运行方式选择、运行控制模式、直流系统充电、交流故障穿越、直流故障穿越、直流场刀闸联锁控制、交流连接区刀闸连锁控制、联接变分接头控制、直流系统解闭锁控制、过负荷限制、与安稳系统接口、与直流耗能装置接口、与换流阀接口、换流阀桥臂电压参考值计算、抑制振荡控制、极控保护性监视功能等。

交流站控功能主要完成交流场开关联锁、开关分合闸及交流场设备状态监视。通过控制交流场开关配合极控完成检修、冷备、热用、闭锁等顺序控制。

保护系统包含联结变保护和直流保护，其中联结变保护功能与以往工程基本一致，不再赘述。陆上换流站直流保护分区如图6所示。

直流保护分区具体包括：直流耗能保护区、阀侧交流连接线保护区、换流器保护区、极保护区和线路保护区。

直流耗能保护区保护功能配置为DC chopper差动保护、DC chopper过流保护、DC chopper电阻器过负荷。

阀侧交流连接线保护功能配置为交流连接线差动保护、交流连接线过流保护、启动电阻过负荷保护、启动电阻过流保护、联接变阀侧零序过压保护、阀侧交流套管差动保护、接地电抗过负荷保护（仅陆上站）、接地电抗过流保护（仅陆上站）、接地电阻过负荷保护（仅陆上站）、接地电阻过流保护（仅陆上站）、中性点偏移保护（仅海上站）。

换流器保护功能配置为桥臂差动保护、桥臂过流保护、桥臂电抗器差动保护、高频谐波保护。

极保护功能配置为换流器差动保护、直流低电压保护、直流过电压保护、直流电压不平衡保护、高频谐波保护。

线路保护功能配置为直流电抗器差动保护（仅陆上站）、低电压保护、线路纵差保护、行波保护（选用）、电压突变量保护（选用）。

5 RTDS仿真试验

5.1 仿真试验平台

通过RTDS 搭建的仿真试验模型包括交流系统等值系统、联结变压器、启动回路、桥臂电抗器、MMC 模块、平波电抗器、直流线路、接地电抗、电阻等元件。RTDS模型的输出信号经D/A 转换后，弱信号直接输出至控制保护设备，部分信号通过光纤以IEC60044-8协议输出模拟量至控制保护设备，控制系统通过光纤将调制波等信号传输给阀控系统，阀控系统将各子模块的开、关等命令信号通过光纤以Aurora 协议传输给RTDS，控制保护系统输出控制信号或保护动作信号至RTDS，构成一个闭环系统，能够真实地反映海上风电柔性直流输电系统的特性。

参照某工程典型参数搭建RTDS 仿真模型，仿真模型搭建的主回路拓扑结构如图1 所示，该拓扑结构采用伪双极拓扑结构，系统主要参数如表2所示。

5.2 试验验证

基于搭建的仿真试验系统，对海上风电柔性直流输电控制保护功能进行全面的验证和研究，在搭建的平台上共进行了220 余项控制保护功能试验，全面验证了控制保护系统的各项功能完全满足工程应用，部分主要性能指标如表3所示。

表2 海上风电系统主要参数Table 2 Main parameters of offshore wind power

表3 控制保护系统主要性能参数Table 3 Main performance parameters of control protection system

限于篇幅限制，本文对各功能试验结果不作详细介绍，以系统稳态运行为例，仿真试验波形如图7所示。

图7 海上风电柔性直流送出稳定运行波形图Fig.7 Stable operation waveform of offshore wind power flexible DC transmission

图7 中Uac1SofS1Uac2SofS1Uac3SofS1 为网侧三相电压，Iac1SofS1Iac2SofS1Iac3SofS1 为网侧三相电流，UDC_S1 为直流电压，IDL_S1 为直流电流，IbPAS1IbPBS1IbPCS1 为上桥臂三相电流，IbNAS1IbNBS1IbNCS1为下桥臂三相电流。

6 结语

由于海上风电的发展规划和采用柔性直流送出方式具有更大的优势，本文基于海上平台造价高、空间小，设备维护成本高等特点，提出了海上风电柔性直流送出紧凑型控制保护设计原则。结合海上风电特点和控制保护设计原则，研制了适用于海上风电特点的紧凑型控制保护主机，主机尺寸小、任务处理能力高，具有标准接口和远程维护管理功能，满足了海上风电柔性直流控制保护系统紧凑型、高可靠、易维护等需求。提出了紧凑型控制保护系统的总体方案，包含一体化运行人员控制系统、紧凑型控制保护配置方案和控制保护功能配置方案。最后构建了紧凑型控制保护系统RTDS 仿真平台，完成了220 余项控制保护功能试验，试验结果验证了紧凑型控制保护设计方案的正确性，为海上风电柔性直流送出工程应用提供了重要参考。

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