高压直流输电系统控制与保护策略优化研究

1 前言

我国土地资源与能源分布呈现显著地域差异，为适配国家电力系统发展需求，直流输电方式被广泛采用，其中高压直流输电凭借传输效率高、容量大、节省线路走廊与变电站占地、简化网络结构等优势，成为跨区域能源调配的关键技术。控制保护系统作为高压直流输电安全稳定运行的核心保障，其性能直接影响电力输送的可靠性与经济性，但与常规高压直流系统相比，在控制结构、LAN 网安全、主机稳定性等方面存在差异，且现有系统在数据传输同步、冗余配置覆盖、故障检测精度等环节仍有优化空间。在此背景下，深入研究高压直流输电系统控制与保护策略的优化路径，对完善系统功能、提升运行可靠性、推动高压直流输电技术迭代具有重要的现实意义。

2 高压直流输电系统控制与保护存在的不足

2.1 数据传输与同步能力局限

常规高压直流 MACH2 系统中的时分多路复用母线为单项母线，采集多个数字信号时采用串联系统方式，这种方式在数据传输过程中易造成效率偏低，且难以实现信号的高效同步；同时，与高压直流控制保护系统采用 TDM 总线传输二进制信号和模拟信号以满足处理总线信息、同步信号采样数据的情况不同，常规系统在处理这两类信号时缺乏有效的同步机制，导致信号处理存在不同步现象，这会直接延缓故障检测的响应速度，对系统及时发现并处理运行中的异常情况形成阻碍，影响整体输电系统的稳定运行。

2.2 冗余配置的覆盖性不足

常规高压直流输电工程虽设置双重化主保护和测量传感器，但并非所有部分都实现双重化冗余，输入、输出回路到 SCADA、LAN 系统存在缺陷，直接影响传感器设备使用，易引发异常跳闸；MACH2 板卡故障概率虽低，却仍可能对主机产生不良影响，且传统应用层软件无法实现冗余切换，现有系统中虽采取新应用软件方案，但此前依赖软件的冗余切换方式响应时间超过1ms，关键部件可靠性存在短板，导致冗余配置在覆盖范围与实际效能上均显不足，难以充分保障系统稳定运行[1]。

2.3 网络安全防护薄弱

常规高压直流输电工程连接 LAN 网采用与所有计算机直接连接的方式，未实现网络分区和构建防火墙，缺乏必要的隔离机制，难以抵御外来人员的病毒攻击和非法入侵，系统运行的安全性和稳定性存在隐患；同时，这种全网直连的模式导致网络结构复杂，分片不明确，故障发生时排查具体位置和进行维修的过程繁琐，大幅降低故障处理效率，增加维护工作的难度，无法快速恢复系统正常运行状态。

2.4 故障检测与处理精度不足

部分保护功能的动作阈值设定不够精细，接地极线路保护包含中性母线差动保护、地级电流不平衡保护、过电压保护，阀连接母线区保护需通过测量直流电流并比较不同阶段结果调整跳闸时间，若与标准数值的比对标准不够精准，易出现误动作或漏动作；控制保护系统虽按电器等级和工作环节分为双极控制、极控制、换流器控制等层级，但各层级在故障响应过程中缺乏有效的联动机制，难以实现故障信息的快速传递与协同处理，导致故障处理效率降低，影响系统及时恢复正常运行。

3 高压直流输电系统控制与保护优化策略

3.1 提升数据传输与同步性能

推广 eTDM 总线应用可优化数据传输与同步性能，该总线能传输二进制信号和模拟信号，满足处理总线信息、同步信号采样数据的需求，实现高效数据传输，同时保障直流输电系统运行的安全稳定性，满足高速连接需求且避免直流偏移，解决常规总线在多信号采集与同步处理中的局限；采用传导性能较高的计算机装置，结合自然对流开展散热处理，可减少因设备过热导致的运行异常，降低传输延迟，确保系统在处理大量实时数据时保持稳定效率，从硬件层面为数据传输的及时性与准确性提供支撑，与总线技术升级形成协同，全面提升数

据传输与同步性能[2]。

3.2 强化冗余配置与可靠性

在交流母线、交流滤波器、开关及线路等关键部件实现完全三重化配置，覆盖从传感器到主机的全链路冗余，可弥补常规高压直流工程中部分环节未实现双重化冗余的缺陷，减少因输入、输出回路到 SCADA、LAN系统存在缺陷导致的传感器异常跳闸情况；采用冗余主机设计，通过光纤连接 A 和 B 系统，结合基于现场可编程门阵列编程的硬件实现 A 系统与 B 系统间逻辑的快速切换和控制，将响应时间压缩至 1ms 以内，克服传统应用层软件无法实现冗余切换的局限，同时移除故障率较高的板卡，从硬件层面提升主机运行稳定性，与全链路三重化配置协同作用，强化整体系统的冗余配置与运行可靠性[3]。

3.3 优化网络安全架构

采用双重化实时 LAN，按功能划分网络区域如控制区、监测区，同时构建防火墙，可改变常规高压直流输电工程中 LAN 网与所有计算机直接连接的模式，实现网络分区与隔离，抵御外来人员的病毒攻击，阻断非法访问，提升系统运行的安全稳定性，降低因网络结构开放导致的安全风险；在此基础上增强 LAN 网的抗电磁干扰能力，通过优化网络硬件材质与布线设计，减少外部环境中电磁因素对数据传输的干扰，避免信号传输过程中出现失真或中断，保障数据在复杂环境下仍能保持稳定传输状态，与网络分区及防火墙措施协同作用，全面优化网络安全架构，为系统可靠运行提供网络层面的支撑[4]。

3.4 精准化故障检测与处理

细化换流器保护中三角侧短路保护、星型侧短路保护及直流母线保护中高压直流母线差动保护、中性直流母线差动保护的动作阈值，结合“故障位置定位-隔离-恢复”的闭环逻辑，可减少线路故障时的误闭锁，使换流器在超负荷故障状态下稳定运行，保障直流过流保护作为备用手段的有效性；完善接地极线路保护中中性母线差动保护、地级电流不平衡保护、过电压保护与阀连接母线区保护的协同机制，通过在引线附近安装电流测点实现双端电流监测，依据接地极引线双端不平衡保护的动作方程提升故障识别精度；基于控制保护系统按电器等级和工作环节划分的双极控制、极控制、换流器控制等分层结构，建立各层级故障信息共享机制，助力工作人员迅速确定故障位置，提升检修效率，实现故障快速定位与处理[5]。

4 结语

综上所述，通过推广eTDM 总线提升数据传输与同步性能、强化三重化冗余配置及主机可靠性、优化 LAN网安全架构、完善故障检测与分层协同机制等策略，有助于弥补高压直流输电控制保护系统在数据传输、冗余覆盖、网络安全及故障处理等方面的不足。未来可结合智能化技术，深化保护逻辑与分层控制的协同效能，进一步提升系统自适应与自愈能力，推动高压直流输电技术持续发展。

参考文献：

[1]康婧婧, 王祺元, 冀朝强, 等. 基于内生安全的高压直流输电控制保护系统研究[J]. 电工技术, 2024, (17):-61.

[2]邱志远, 李道豫, 冯文昕, 等. 高压直流输电控制保护定值智能管理辅助系统设计[J]. 电子设计工程,2022, 30 (14): 44-47+52.

[3]刘畅. 受端级联型高压直流输电系统的控制策略与线路保护方案[D]. 北京交通大学, 2021.

[4]陈鑫全. 多端混合高压直流输电系统控制参数分析与直流线路保护研究[D]. 华南理工大学, 2

[5]林圣, 刘健, 刘磊, 等. 基于控制保护的高压直流输电系统换相失败抑制方法综述[J]. 中国电机工程学报, 2020, 40 (19): 6045-6059.

作者简介：姓名：寇卫东（1995.05--）；性别：男，民族：汉，籍贯：陕西省榆林市人，学历：本科；现有职称：助理工程师；研究方向：高压直流输电系统控制与保护策略优化研究。