±660 kV直流輸電工程換流閥控制系統(tǒng)的工作原理及工程應(yīng)用

廖敏，藍元良，楊曉楠，袁洪濤，鄭林

(中國電力科學(xué)研究院，北京市，100192)

0 引言

寧東—山東±660 kV直流輸電工程西起銀川東換流站，東至青島換流站，輸電距離約1 335 km，直流額定電壓為±660 kV，直流額定電流3.030 kA，雙極輸送功率4 GW［1-2］。該工程充分利用西北地區(qū)水電容量和豐富的煤炭資源，可顯著提升能源資源優(yōu)化配置能力，是貫徹落實“西部大開發(fā)”戰(zhàn)略、促進西部地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的有效方式［3-5］。寧東—山東±660 kV直流輸電工程于2008年12月8日獲得發(fā)改委核準(zhǔn)，于2008年12月15日正式開工，單極系統(tǒng)已于2010年11月28日正式投入商業(yè)運行，雙極系統(tǒng)計劃于2011年2月底投入運行。本文將主要就該輸電工程的換流閥控制系統(tǒng)部分進行重點分析與介紹。

1 閥控系統(tǒng)的工作原理及構(gòu)成

1.1 功能概述

換流閥控制系統(tǒng)(簡稱閥控系統(tǒng))在直流輸電中的主要功能是起到觸發(fā)、監(jiān)視和保護換流閥，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到換流閥及整個系統(tǒng)的能否可靠、安全地運行［6］。本工程閥控系統(tǒng)包括閥基電子設(shè)備(valve base electronics，VBE)、晶閘管電子設(shè)備(gate unit，GU)以及漏水檢測設(shè)備三部分。其具體功能是：實時接收直流極控系統(tǒng)下發(fā)的觸發(fā)命令和晶閘管結(jié)溫信息，完成對晶閘管的觸發(fā)，并根據(jù)結(jié)溫信息確定晶閘管各項保護的動作閾值；檢測晶閘管的運行狀態(tài)并進行自檢，并將檢測信息上報給直流極控系統(tǒng)；若換流閥出現(xiàn)異常，將采取相應(yīng)的報警、通道切換、跳閘等處理措施。閥控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 閥控系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of valve control system

1.2 閥基電子設(shè)備

VBE是連接直流極控系統(tǒng)與換流閥的樞紐，一方面接收直流極控系統(tǒng)的觸發(fā)命令，把它轉(zhuǎn)換成GU能識別的晶閘管觸發(fā)信號；另一方面對GU回報的晶閘管狀態(tài)信息和各種監(jiān)視信息進行處理和上報。VBE是實現(xiàn)換流閥觸發(fā)、檢測和保護的重要環(huán)節(jié)。

VBE柜采用模塊化設(shè)計，由光控制機箱、電源機箱、以太網(wǎng)接口以及避雷器監(jiān)視接口設(shè)備構(gòu)成。本工程每極所對應(yīng)的12脈動換流單元配置3個VBE柜，這3個VBE柜共用電源機箱、以太網(wǎng)接口、電源濾波盒等設(shè)備。

(1)光控制機箱。每個光控制機箱配置了編/解碼單元、光收發(fā)單元和復(fù)位單元三種功能單元。

編/解碼單元是VBE的核心處理單元，完成對直流極控系統(tǒng)下發(fā)的觸發(fā)命令及晶閘管結(jié)溫信息的解碼和校驗，并將這些信息編碼組合后發(fā)送至光收發(fā)單元；監(jiān)視冷卻系統(tǒng)泄漏情況；從光收發(fā)單元接收GU發(fā)回的監(jiān)測信息并匯總上報；判斷并處理各種異常情況。

光收發(fā)單元用于接收GU發(fā)回的監(jiān)測信息光信號，并向GU發(fā)送觸發(fā)信號。復(fù)位單元負責(zé)在異常情況下為VBE提供復(fù)位信號。

(2)以太網(wǎng)接口單元。由光控制機箱發(fā)出的監(jiān)測信息數(shù)據(jù)采用電信號并依照RS232串行通信規(guī)約進行傳送。為提高信息傳輸?shù)目煽啃院桶踩?，VBE與直流極控系統(tǒng)及人機接口單元之間采用光纖局域網(wǎng)(area area network，LAN)傳送信息。因此，以太網(wǎng)接口單元將收到的RS232格式的監(jiān)測信息，轉(zhuǎn)換為光信號，并通過LAN網(wǎng)傳送到直流極控系統(tǒng)及人機接口單元?？紤]到VBE具有雙冗余結(jié)構(gòu)，監(jiān)測信息的上報采用2路獨立的LAN通道，因此，每個VBE柜需要配置2個以太網(wǎng)接口。

(3)避雷器監(jiān)視接口。VBE具有閥避雷器動作監(jiān)視接口設(shè)備。該設(shè)備通過光纖與閥避雷器相連，避雷器動作時產(chǎn)生的光信號通過光纖傳送至該接口設(shè)備。在該設(shè)備中，光信號被轉(zhuǎn)化為固態(tài)繼電器的節(jié)點信號，由直流極控系統(tǒng)采集該節(jié)點信號并完成對避雷器動作順序事件的記錄及其他監(jiān)視、保護工作。

GU的主要功能包括：(1)按照VBE命令觸發(fā)晶閘管；(2)依據(jù)VBE下發(fā)的晶閘管結(jié)溫數(shù)據(jù)設(shè)定本級晶閘管的過電壓保護、d v/d t保護以及正向恢復(fù)保護等瞬時保護動作閾值，并據(jù)此實時監(jiān)測保護晶閘管； (3)在換流閥應(yīng)該導(dǎo)通的區(qū)間內(nèi)發(fā)生電流斷續(xù)時，補發(fā)觸發(fā)脈沖；(4)向VBE上報所在晶閘管級的監(jiān)測信息。

GU工作原理如圖2所示。

圖2 GU原理框圖Fig.2 Schematic diagram of GU

2 閥控系統(tǒng)的設(shè)計特點

2.1 根據(jù)結(jié)溫信息自適應(yīng)調(diào)整保護閾值

本工程閥控系統(tǒng)的一個重要特點是能夠根據(jù)晶閘管的結(jié)溫信息自適應(yīng)地調(diào)整保護觸發(fā)閾值。由于晶閘管的運行特性受結(jié)溫影響較大，因此，結(jié)合晶閘管的結(jié)溫來實時調(diào)整換流閥的保護觸發(fā)閾值，無疑將提高保護觸發(fā)的合理性，充分保證換流閥的安全，從而提高整個直流輸電系統(tǒng)運行的安全性和穩(wěn)定性。

2.2 可靠性設(shè)計措施

1.3 晶閘管電子設(shè)備

每個晶閘管級都有單獨的門極電路，即GU，用于實現(xiàn)對每個晶閘管的控制、檢測和保護。每個晶閘管電子設(shè)備包括2部分：1塊是門極電子電路板，實現(xiàn)對晶閘管級的智能控制；另1塊是補償分壓器板，為門極電子電路板提供晶閘管陽極電壓的測量信號。

直流輸電系統(tǒng)承擔(dān)著大容量、遠距離輸電和聯(lián)網(wǎng)任務(wù)，因此，對運行性能及可靠性的要求很高［7-8］。閥控系統(tǒng)的設(shè)計充分考慮了一次系統(tǒng)運行狀況及自身可能出現(xiàn)的異常工況，采用了完備的可靠性設(shè)計措施，能夠保證設(shè)備在一次系統(tǒng)正?；蚬收瞎r下均能正常工作；并且，在任何情況下都不會因為工作不當(dāng)或自身異常而造成換流閥損壞。具體采用的可靠性設(shè)計措施如下：

(1)雙冗余設(shè)計。VBE內(nèi)部具有2條互為冗余備用的數(shù)據(jù)處理通道，任何1條通道出現(xiàn)故障，可由控制保護系統(tǒng)切換至另1條通道，切換過程平滑無擾動。

(2)實時自檢。運行中，VBE不斷對自身的電源、電路板、通道的工作狀況以及通道選擇信號等進行實時檢查，一旦發(fā)現(xiàn)異常，將立即啟動相應(yīng)的處理措施。GU對自身及通信、電源等也持續(xù)進行實時檢查，若發(fā)生通信異常或電源失電的故障狀態(tài)，則通過監(jiān)視信息上報至VBE，以便VBE采取對應(yīng)的處理措施。

此外，閥控系統(tǒng)僅根據(jù)直流極控系統(tǒng)的命令及換流閥的當(dāng)前狀態(tài)完成換流閥的控制與保護，其工作不會受對端狀況的影響。因此，即使直流通信系統(tǒng)完全停運，閥控設(shè)備也能夠根據(jù)直流極控系統(tǒng)的命令對換流閥實施可靠有效的控制。

2.3 完備的保護功能

，并將此回報信號丟棄。為確定該報文產(chǎn)生的真正原因，我們進行了分析，初步認為可能的主要原因有：(1)GU板受到干擾或工作異常導(dǎo)致發(fā)送的回報信號格式異常；(2)回報信號光纖衰減過大導(dǎo)致信號畸變；(3)VBE到直流極控系統(tǒng)的后臺通信有問題，產(chǎn)生誤報；(4)VBE本身工作受到干擾而產(chǎn)生誤報。

現(xiàn)場對以上原因進行了逐一排查，排除了前3種可能。通過進一步分析，并對GU單元返回給VBE的信號進行錄波檢測，發(fā)現(xiàn)進入光收發(fā)單元的信號正常，但是從編/解碼單元上檢測的信號發(fā)生較大畸變，基本確定是VBE本身受到干擾，從而產(chǎn)生誤報，如圖3所示。

閥控系統(tǒng)為換流閥提供了完備的保護措施，能夠保證晶閘管在各種運行工況下，特別是在電流過零后的恢復(fù)期內(nèi)不被損壞。

(1)晶閘管級保護。每個晶閘管級配備的GU能夠為本晶閘管級提供恢復(fù)保護、d v/d t保護、過電壓保護和補脈沖保護。

(2)閥級保護。VBE根據(jù)控制保護系統(tǒng)提供的晶閘管結(jié)溫、GU返回的監(jiān)視信息以及冷卻系統(tǒng)泄漏監(jiān)視器返回的監(jiān)視信息，從而對換流閥采取完善的保護措施。

(3)換流閥控制設(shè)備保護。為確保系統(tǒng)通信暢通，VBE將實時檢查與直流極控系統(tǒng)、GU之間的通信狀況，以及自身的工作狀況，包括電源自檢、光收發(fā)板故障檢測、光收發(fā)板丟失檢測、通道故障檢測、通道選擇無效檢測等。若發(fā)現(xiàn)異常，VBE將采取相應(yīng)的保護措施，以保證換流閥安全。

換流閥的各項保護觸發(fā)判據(jù)都是根據(jù)晶閘管的運行特性來確定的，不危及換流閥安全的電氣環(huán)境不會引起保護觸發(fā)動作。由于換流閥的電氣設(shè)計已經(jīng)充分考慮了最大甩負荷工頻過電壓及換相過沖的影響，因此，在最大甩負荷工頻過電壓下，閥的保護觸發(fā)不會因逆變換相暫態(tài)過沖而動作，也不會影響此后直流系統(tǒng)的恢復(fù)。另外，正?？刂七^程中的觸發(fā)角快速變化也不會引起保護觸發(fā)動作。

3 閥控系統(tǒng)實際工況

本工程閥控系統(tǒng)在通過與直流極控系統(tǒng)的接口調(diào)試以及閉環(huán)試驗RTDS的考核后，功能得到了充分的驗證和完善。但是，在完成安裝調(diào)試后的系統(tǒng)試驗和試運行期間，出現(xiàn)VBE報出“門極單元回報信號異?！笔录笪模瑢笈_的監(jiān)控造成了一定困擾。該報文產(chǎn)生的機理是VBE檢測到GU發(fā)送的回報信號格

對現(xiàn)場工作條件進行分析后，判斷可能對VBE造成干擾的原因［9-10］有：

(1)本工程換流站電壓高、容量大、交直流設(shè)備眾多，電磁環(huán)境復(fù)雜、惡劣，VBE所在的控制室與閥廳隔墻相鄰，而且正對閥廳的一側(cè)安裝了面積比較大的透明玻璃觀察窗口，因此該處沒有得到有效電磁屏蔽，導(dǎo)致VBE外部工作環(huán)境不好。

(2)VBE沒有嚴格按照其技術(shù)規(guī)范的要求進行安裝，導(dǎo)致VBE柜容易受到電磁干擾的影響。

(3)VBE柜內(nèi)的觸發(fā)和回報信號較多，且串行信號具有較高頻率，在柜內(nèi)易造成相互干擾。

根據(jù)以上分析，從改善VBE本身的屏蔽功能和控制室的屏蔽功能方面提出了相應(yīng)的改進措施：

(1)正確用烙克賽克(Roxtec)封堵閥廳到VBE室的進線口；

(2)用鋼板及鋁箔紙封堵VBE光纖進線口；

(3)用密封圈(Gland)封堵VBE開關(guān)量信號；

(4)對VBE的軟件進行更新，加強濾波功能，降低對電磁干擾的敏感度。

在采用了以上改進措施后，基本解決了VBE誤報信號的問題。

4 結(jié)論

本文詳細介紹了寧東—山東±660 kV直流輸電工程閥控系統(tǒng)的工作原理和設(shè)計特點，分析了系統(tǒng)調(diào)試及試運行期間VBE報出“門極單元回報信號異?！笔录笪漠a(chǎn)生的原因，并提出其相應(yīng)的解決辦法。考慮到換流站現(xiàn)場電磁干擾比較惡劣，結(jié)合本工程現(xiàn)場的現(xiàn)場經(jīng)驗，建議在工程應(yīng)用中應(yīng)重視二次系統(tǒng)的工作環(huán)境要求，加強設(shè)備本身的抗干擾能力，確保整個直流系統(tǒng)的安全可靠運行。

［1］國家電網(wǎng)公司.西北(寧東)—華北(山東)±660千伏直流輸電工程換流閥(銀川東換流站)技術(shù)協(xié)議［R］.北京：國家電網(wǎng)公司，2009.

［2］國家電網(wǎng)公司.西北(寧東)—華北(山東)±660千伏直流輸電工程換流閥(青島換流站)技術(shù)協(xié)議［R］.北京：國家電網(wǎng)公司，2009.

［3］劉振亞.特高壓電網(wǎng)［M］.北京：中國經(jīng)濟出版社，2005.

［4］浙江大學(xué)發(fā)電教研組.直流輸電［M］.北京：水利電力出版社，1982.

［5］趙畹君.高壓直流輸電工程技術(shù)［M］.北京：中國電力出版社，2004.

［6］袁清云.HVDC換流閥及其觸發(fā)與在線監(jiān)測系統(tǒng)［M］.北京：中國電力出版社，1998.

［7］喻新強，2003年以來國家電網(wǎng)公司直流輸電系統(tǒng)運行情況總結(jié)［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2005，29(20)：41-46.

［8］馬為民，高理迎，李亞男，等.特高壓直流輸電系統(tǒng)可靠性和可用率研究［J］.中國電力，2007，40(12)：14-18.

［9］張廣洲，康勇，路遙，等.靈寶換流站控制室電磁環(huán)境分析［J］.高電壓技術(shù)，2006，32(2)：37-39.

［10］鐘偉華，謝龍，曾靜.高壓直流換流站電纜屏蔽及封堵措施［J］.高電壓技術(shù)，2008，34(3)：628-632.