我國能源資源與電力負荷需求呈“逆向分布”，能源資源主要分布在西部、北部，而電阻負荷主要分布在中部、東部。在這一背景下，國家提出“西電東送”的發展計劃，目的在于合理配置資源、優化能源結構。直流輸電作為國家實施“西電東送”戰略的關鍵技術，有望在我國的電網建設中和電力資源優化配置方面發揮重要作用。

和交流輸電相比，直流輸電具有輸送容量更大、輸送距離更遠、走廊占地更少、單位容量造價更低的優勢。現階段我國已建成三十余項直流輸電工程，是世界上直流輸電工程數量最多、電壓等級最高、輸送容量最大的國家。根據《電力發展“十三五”規劃（2016—2020）》，“十三五”期間扎魯特—青州特高壓分層接入直流、錫盟—泰州特高壓分層接入直流、張北到北京柔性直流、渝鄂背靠背柔性直流等直流輸電工程已投入運行，此外，仍有多條特高壓直流輸電工程已經獲得核準批復。

直流輸電控制保護系統是直流輸電工程的核心技術。目前國外直流輸電控制保護系統主要以ABB和SIEMENS的產品為主，在向上工程中，采用ABB公司的DCC—800控制保護系統；在云廣特高壓工程中，采用西門子公司的WIN-TDC控制保護系統。國內直流輸電控制保護系統主要以南瑞繼保和許繼電氣的產品為主，南瑞繼保的PCS9550直流輸電控制保護平臺在哈密—鄭州、酒泉—湖南、上海廟—山東等直流輸電工程中得到應用，許繼的DPS—3000直流輸電控制保護平臺在宜賓—金華、晉北—南京、錫盟—泰州等直流輸電工程中得到應用。

我國的直流輸電控制保護技術經歷了從技術引進、消化吸收、自主研發等階段的發展，現在已經步入技術升級、更新換代的階段。DPS—5000作為新一代的直流輸電控制保護平臺，采用緊湊化設計，具有體積更小、性能更優、抗干擾能力更強、運行更穩定的特點。

1 直流輸電控制保護設計原則

1.1 直流輸電工程拓撲結構

我國的直流輸電工程以長距離直流輸電為主，長距離直流輸電按電壓等級可分為高壓直流輸電和特高壓直流輸電，高壓直流輸電工程和特高壓直流輸電工程拓撲結構類似，特高壓直流輸電工程每個極多串聯一個12脈動換流器。特高壓直流輸電工程典型拓撲如圖1所示。

圖1 特高壓直流輸電工程典型拓撲

1.2 直流輸電控制保護系統設計原則

根據長期工程設計經驗，總結出直流輸電工程控制保護系統設計原則為：

1）直流控制保護系統應采用標準的通信規約和開放的網絡結構，換流站其他輔助系統能方便接入直流控制保護系統。

2）直流控制保護系統應獨立配置，控制和保護系統的采集回路應相互獨立。控制保護系統采用模塊化設計，應當將任一元件故障造成的影響范圍降至最小。

3）直流控制、交/直流站控系統按雙重化冗余結構配置，即從數據采集到數據傳輸再到控制系統出口均要按完全雙重化原則配置。運行人員控制系統中的服務器、站局域網（local area network, LAN）等按雙重化冗余結構配置，其余設備要考慮足夠的串行冗余度，并確保任何單一設備故障不影響直流系統的正常運行。

4）換流站設置有運行人員控制室。兩端系統一般采用“一個站合并運維、一個站調度運行”模式，全站監控系統信息處理能力和容量應滿足合并運行的要求。

5）換流站遠動信息應直送國調（總調）中心、備調、網調、省調。遠動信息傳輸采用雙平面數據網接入方式。

6）直流保護系統按三重化原則冗余配置，采用“三取二”跳閘邏輯，以保證直流系統保護的可靠性，確保不拒動不誤動。交流濾波器保護一般采用雙重化冗余配置，采用“啟動+動作”的跳閘邏輯。

7）直流系統的保護應確保每一裝置或保護區域在任何運行方式下都能被正確地保護，任何單一元件的故障不應導致保護的誤動。任何冗余的直流保護都應采取相應的防誤動措施，但防誤動措施不能依賴雙重化保護的切換實現。保護每一重的測量回路、電源回路、出口跳閘回路及通信接口回路均按完全獨立的原則設計。

8）換流站通過網絡安全監測裝置采集換流站監控層的服務器、工作站、網絡設備和安防設備自身感知的安全數據及網絡安全事件，實現對網絡安全事件的本地監視和管理。

2 DPS—5000控制保護主機

基于直流輸電控制保護設計原則，結合十余年直流輸電控制保護系統開發經驗，研制了DPS—5000緊湊型控制保護主機，相較于上一代的DPS—3000直流輸電控制保護主機，對處理器性能、總線及背板性能、標準接口設計和遠程維護等進行了升級。

2.1 緊湊型控制保護主機

基于直流輸電控制保護系統的需求，研制了標準4U的主機，以緊湊型極保護主機為例，機箱配置如圖2所示。

圖2 緊湊型極保護主機

相較于DPS—3000控制保護主機，DPS—5000控制保護主機在主機尺寸、背板總線性能、主處理器板卡、信號處理器板卡、高速控制總線等方面的性能有了顯著提升，具體對比見表1。

表1 DPS—5000主機與DPS—3000主機主要性能對比表

除了以上方面的提升，DPS—5000系統在標準接口設計、遠程維護管理、系統構架、鏈路延時等方面也進行了升級，更能滿足未來直流輸電控制保護系統尤其是柔性直流輸電控制保護系統的要求。

2.2 處理器和總線性能提升

DPS—5000控制保護主機主處理器板卡服務處理單元（service processing unit, SPU）采用多核設計，處理器性能的提升減少了機箱中處理器的數量，進一步降低了功耗，控制保護主機采用無風扇設計，提高系統可靠性的同時也節約了屏柜空間。

千兆級多節點串聯高速時分復用技術（time- division multiplexing, TDM）總線設計，支持多節點間超高速同步數據傳送，千兆級點對點超高速控制總線設計，實現裝置間超高速通信。研制超過1Gbit/s的高速背板總線，block數據傳輸及阻塞特性均有大幅度提升。

2.3 全面的標準接口設計

DPS—5000控制保護主機同時具備以太網、PROFIBUS、控制器域網（controller area network, CAN）、TDM、高速控制總線集成閃存控制器（integrated flash controller, IFC）、IEC—60044標準接口及高速串行高級技術附件（serial advanced tech- nology attachment, SATA）硬盤接口等。通過這些接口，控制保護系統配置更加靈活，總體結構和信息通道更加優化，也能滿足與換流站其他設備通信的接口需求。

2.4 遠程維護管理升級

DPS—5000控制保護主機在工程師工作站上實現對控制保護軟件邏輯、保護定值、內部參數的查看、核對等工作，也可以通過專用的保護定值整定工具遠程對保護定值、內部參數等進行整定、導出工作，提高了控制保護主機的維護性，降低了運維成本。

在運行人員工作站上可以實現對交流開關場、直流開關場、換流站控制樓和閥廳、就地繼電器室、通信系統、直流線路、換流站站用電源系統和其他輔助系統等處的監控，以及同時具備與遠方調度中心和其他監視點的通信接口。

3 DPS—5000控制保護系統設計方案

依托研制的緊湊型控制保護主機，提出滿足直流輸電工程需求的DPS—5000緊湊型控制保護系統設計方案。

3.1 DPS—5000控制保護系統整體結構

DPS—5000控制保護系統采用分層式結構設計，根據控制級別和功能分為運行人員控制層、控制保護層、現場層三個層次，如圖3所示。

圖3 緊湊型控制保護系統結構

運行人員控制層由運行人員控制系統、站長工作站和全球定位系統（global positioning system, GPS）對時等設備組成。其中運行人員控制系統是運行人員控制層的核心設備，由運行人員工作站、工程師工作站、輔助系統工作站等構成。

控制保護層由極控及測量、閥控及測量（特高壓直流）、交直流站控、站用電控制、極保護及測量、閥組保護及測量（特高壓直流）等設備組成。DPS—5000的控制保護層不單獨設置測量接口屏柜，測量接口裝置和控制保護主機合并組屏。

現場層設備主要由分布式的I/O單元構成，包括閥廳/換流變接口屏、直流場接口屏、交流濾波器場接口屏等，實現控制保護裝置與交直流系統一次設備和換流站輔助系統的接口，一次設備狀態和系統運行信息的采集處理和上傳等功能。

3.2 DPS—5000運行人員控制系統配置方案

運行人員控制系統采用Linux服務器和Windows工作站的跨平臺設計，性能穩定、安全可靠、組態靈活、接口友好、操作維護方便。主要由運行人員工作站、工程師工作站、輔助系統工作站、遠動工作站等裝置構成。

1）運行人員工作站。對交直流系統一、二次設備的運行數據進行采集和存儲，并為運行人員提供監視和控制操作的界面。

2）工程師工作站。實現對全站的控制保護主機軟件程序版本管理、軟件邏輯的查看、核對，也可以通過專用的保護定值整定工具遠程對保護定值、內部參數等進行整定、導出工作。

3）輔助系統工作站。通過輔助系統工作站，站內不同廠家的多種輔助系統的運行數據統一接入運行人員控制系統，包括火災報警系統、空調系統、電能計量系統和站用電源系統等，統一在運行人員工作站對其運行狀態進行監視。

4）遠動工作站。遠動系統包括兩個部分，一部分通過遠動工作站連接到多個調度中心，使用104規約按照約定的點表向各個調度中心傳送數據，一部分通過告警圖形網關把站內的告警信息和圖形頁面直接傳送到國調中心。遠動工作站采用直采直送原則，直接和控制保護主機連接并獲取數據，然后上送到各個調度中心，告警圖形網關連接到站服務器，向國調中心傳輸站內經過處理的數據信息。它們與調度中心都通過雙平面數據網連接。

3.3 DPS—5000控制保護設備配置方案

直流輸電控制系統主要有極控制系統、換流器控制系統（特高壓直流）、交/直流站控系統、站用電控制系統，控制設備均采用雙重化冗余配置，通過高速冗余切換裝置實現兩套控制系統的主、從切換。

直流輸電直流保護系統主要有極保護系統、換流器保護系統（特高壓直流），均采用三重化冗余配置，通過三取二邏輯判斷后輸出動作信號，三取二裝置采用冗余配置，分別配置在保護A/B系統中。

DPS—5000控制保護主機采用緊湊化設計，測量接口裝置和控制保護主機合并組屏，例如極保護主機和極保護測量接口裝置都放置在極保護屏柜中，一個特高壓直流輸電工程，可以節省36面測量接口屏柜，同時測量接口裝置的IO板卡集成有繼電器，可大幅減少屏柜內繼電器數量，使屏柜設計更加簡潔。

緊湊型控制保護系統采用全光纖設計，控制主機、保護主機和三取二裝置通過光纖通信。以閥控和換流器保護系統為例，全光纖式緊湊型控制保護設計方案如圖4所示。

圖4 全光纖式緊湊型控制保護設計方案

3.4 DPS—5000控制保護功能配置

以特高壓直流工程為例，對直流控制系統的功能配置進行介紹。

1）極控系統主要功能。完成通信處理、電流定值計算和配合、閥組平衡控制、極功率、電流限制、極功率轉移、低電壓限流、電流裕額補償、穩定控制等功能。

2）閥組控制系統主要功能。完成通信處理、閥組起停、解閉鎖時序、分接頭控制、電壓電流閉環控制（武漢站）、旁路開關、旁路隔離開關的控制、聯鎖等。

3）交流站控系統主要功能。完成通信處理、交流場開關控制與監視及中開關聯鎖邏輯等。

4）直流站控系統主要功能。完成通信處理、無功功率控制、直流場控制與監視、雙極層控制、穩定控制等功能。

5）站用電控制系統主要功能。完成通信處理、站用電開關控制與監視及備自投邏輯等功能。

以特高壓直流工程為例，直流保護系統包含的保護分區有換流變保護區、換流器保護區、極保護區和雙極保護區。直流保護分區如圖5所示。

換流變壓器區保護：繞組差動保護、引線差動保護、大差保護、小差保護、開關過電流保護、零序過電流保護、零序差動保護、過勵磁保護、飽和保護、網側過負荷保護、網側過電流保護、過電壓保護。

換流器區保護：換流器過電流保護、閥短路保護、換相失敗保護、換流器差動保護、換流變中性點偏移保護、換流器旁通對過負荷保護、換流器旁通開關保護、換流器直流過電壓保護、換流器諧波保護。

圖5 直流保護分區

極區保護：直流諧波保護、極母線差動保護、中性母線差動保護、極差保護、接地極線開路保護、交直流碰線監視、線路行波保護、線路突變量保護、線路低電壓保護、直流線路縱差保護、直流過電壓保護、直流低電壓保護、中性母線開關（neutral bus switch, NBS）保護、直流濾波器差動保護、直流濾波器電容器不平衡保護、直流濾波器電阻/電抗過負荷保護、直流濾波器失諧監視、直流濾波器高壓電容器接地保護、高低端閥組連線差動保護、中性母線沖擊電容器過電流保護。

雙極區保護：雙極中性母線差動保護、金屬回線接地保護、金屬回線縱差保護、金屬回線橫差保護、站接地過電流保護、后備站接地過電流保護、中性母線接地開關（neural bus grounding switch, NBGS）/大地回線轉換開關（ground return transfer switch, GRTS）/金屬回線轉換開關（metallic return transfer breaker, MRTB）開關保護、接地極線差動保護、接地極線過負荷保護、接地極線不平衡保護。

4 實時數字仿真試驗

4.1 仿真試驗系統

實時數字仿真（real-time digital simulator, RTDS）試驗系統與實際工程總體結構保持一致，同樣采用分層分布式結構，根據功能劃分和控制級別分為運行人員控制層、控制保護層、現場層等三個層次，現場層通過光接口板、閥基電子設備（valve base electronics, VBE）接口盒等接入RTDS模型，控制保護主機采用緊湊化設計，控制保護主機與測量裝置共用機箱，緊湊型控制保護仿真系統結構示意圖如圖6所示。

圖6 緊湊型控制保護仿真系統結構示意圖

RTDS模型將電流、電壓等模擬量信號及開關位置等開關量信號通過光接口板輸出到HSMD裝置，HSMD裝置將這些信號進行分類處理并轉換成IEC 60044—8協議輸出到各控制保護主機對應的測量接口裝置，測量接口裝置通過TDM協議將信號送到控制保護主機。

DCSIM裝置用于模擬交直流場的開關狀態及換流變分接頭檔位，DCSIM通過現場總線（PROFIBUS）與控制系統交互開關狀態等信息，控制保護主機通過硬接線將開關動作等信號送到DCSIM，DCSIM通過光纖將開關狀態等信息送到RTDS模型，閥控通過電纜直接將觸發脈沖送到RTDS模型，控制保護系統與RTDS模型構成一個閉環系統，共同構成了緊湊化的直流輸電控制保護仿真系統。

參照某特高壓直流輸電工程典型參數搭建RTDS模型，通過RTDS搭建的仿真試驗模型包括交流系統等值系統、換流變壓器、交流濾波器、直流濾波器、雙12脈動換流閥、平波電抗器、直流線路、接地電抗、電阻等元件。仿真模型搭建的主回路拓撲結構如圖1所示，系統主要參數見表2。

表2 特高壓直流輸電系統主要參數

4.2 試驗驗證

在搭建的仿真系統上共進行了300余項控制保護功能試驗，試驗結果表明基于DPS—5000平臺的緊湊化直流輸電控制保護系統的各項功能完全滿足工程應用，部分主要性能指標見表3。

表3 控制保護系統主要性能參數

圖7為系統穩態運行的仿真試驗波形，受篇幅限制，其余仿真實驗結果不再列舉。

圖7 特高壓直流輸電系統穩態運行波形

如圖7所示，圖中橫坐標為仿真時間，縱坐標為各物理量的一次值。其中，Uac_A、Uac_B、Uac_C為網側三相電壓，Iac_A、Iac_B、Iac_C為網側三相電流，P為直流功率，◆為觸發角，UdL為直流電壓，IdCH為直流電流。

5 結論

本文介紹了我國直流輸電控制保護系統的發展歷程、國內外的研究現狀。基于長期直流輸電控制保護系統工程設計經驗，提出了直流輸電控制保護系統的設計原則，結合設計原則，研制了適用于直流輸電系統的DPS—5000緊湊型控制保護主機，主機具有體積更小、性能更優、運行更穩定的特點，基于DPS—5000平臺的軟硬件特點，提出了直流輸電緊湊型控制保護系統的總體設計方案，最后搭建了緊湊型控制保護系統仿真試驗平臺，完成了300余項控制保護功能試驗，驗證了緊湊型控制保護設計方案的正確性，為緊湊型直流輸電控制保護系統工程應用提供了重要參考。

本文編自2021年第5期《電氣技術》，論文標題為“DPS—5000直流輸電控制保護系統設計方案”，作者為范子強、許朋見、吳慶范、曹森、郝俊芳。