±660 kV直流輸電工程控制保護系統(tǒng)與換流閥閥基電子設(shè)備閉環(huán)試驗

舒暢，蒲瑩，石巖，藍元良，侯林杰，王慶，蔣維勇

(1.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京市，102206;2.國家電網(wǎng)公司直流建設(shè)分公司，北京市，100052;3.中國電力科學(xué)研究院，北京市，100192;4.許繼集團有限公司，河南省 許昌市，461000;5.國家電網(wǎng)公司建設(shè)部，北京市，100031)

0 引言

寧東—山東±660 kV直流輸電示范工程(寧東直流工程)西起銀川東換流站，東至青島換流站，輸電距離約1335 km，額定直流電壓±660 kV，額定電流3.030 kA，輸送功率4 GW，于2008年12月開工建設(shè)，2010年底單極投運，計劃于2011年初雙極投運，是我國第1條±660 kV電壓等級的直流輸電工程［1］。

寧東直流工程是我國自主設(shè)計、自主成套、自主建設(shè)的世界首條±660 kV電壓等級直流輸電工程。該工程具有首臺、首套設(shè)備應(yīng)用多，國產(chǎn)化比例高，系統(tǒng)集成難度大，工程建設(shè)要求高等特點。寧東直流工程換流站關(guān)鍵設(shè)備均由國內(nèi)主要直流輸電領(lǐng)域供貨商提供，廠家眾多，集成度高，一次設(shè)備和二次系統(tǒng)之間的配合、二次系統(tǒng)各設(shè)備之間接口復(fù)雜。這些都是決定直流工程現(xiàn)場調(diào)試進度和運行可靠性的重要因素。

直流控制保護系統(tǒng)是換流站二次系統(tǒng)的核心設(shè)備。寧東直流工程的控制保護系統(tǒng)由許繼集團公司供貨。直流控制保護軟硬件平臺采用西門子技術(shù)路線，極控系統(tǒng)點火脈沖采用并行觸發(fā)的方式，即針對單個閥產(chǎn)生觸發(fā)脈沖。

換流閥閥基電子設(shè)備(valve base electronics，VBE)是連接換流閥與直流控制保護系統(tǒng)的接口設(shè)備，它是實現(xiàn)對換流閥控制和保護的重要環(huán)節(jié)［5-7］。寧東直流工程換流閥由中國電力科學(xué)研究院供貨，采用阿?，m技術(shù)，觸發(fā)脈沖采用串行編碼方式。脈沖采用串行編碼技術(shù)的換流閥在國內(nèi)應(yīng)用較少，與許繼公司的直流控制保護系統(tǒng)接口更屬首次。

根據(jù)以往工程經(jīng)驗，直流控制保護系統(tǒng)和換流閥的接口是直流工程現(xiàn)場調(diào)試比較容易出現(xiàn)問題的地方。因此，利用寧東直流工程實際二次系統(tǒng)設(shè)備，建立完備的仿真試驗平臺，對直流控制保護系統(tǒng)和換流閥的接口進行全面深入的仿真試驗，對關(guān)鍵技術(shù)問題進行深入的研究，制定合理的解決方案并進行仿真試驗驗證，對保證整個工程現(xiàn)場調(diào)試進度，提高工程運行可靠性具有十分重要的意義。

1 試驗環(huán)境的建立

寧東直流工程換流站二次系統(tǒng)由直流控制保護系統(tǒng)、遠動系統(tǒng)、交直流故障錄波系統(tǒng)、交流保護、保護及故障錄波信息管理子站等構(gòu)成。為了對寧東直流工程二次系統(tǒng)進行整體功能和性能檢驗，在國家電網(wǎng)公司建設(shè)部的組織下，于2010年1—7月專門開展了二次系統(tǒng)的聯(lián)合測試試驗。試驗在國家能源局特高壓直流輸電成套設(shè)計研發(fā)(實驗)中心進行。參加試驗的設(shè)備包括上述系統(tǒng)共計70面屏柜，都是應(yīng)用于實際工程的設(shè)備。直流控制保護系統(tǒng)與換流閥閥基電子設(shè)備接口閉環(huán)試驗是寧東直流工程二次系統(tǒng)聯(lián)合測試試驗的重要組成部分。

仿真試驗?zāi)Ｐ驮趯崟r數(shù)字仿真儀(real-time digital simulator，RTDS)上搭建。RTDS是1個全數(shù)字化的電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)模擬裝置［8］。在RTDS上搭建的仿真試驗?zāi)Ｐ桶ń涣飨到y(tǒng)等值網(wǎng)絡(luò)、換流閥、換流變壓器、交流濾波器、直流濾波器、平波電抗器、中性母線電容器、直流線路、接地極、交流場低壓電抗器等元件。將RTDS與實際工程的控制保護設(shè)備相連，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后通過高性能的電壓、電流放大器實時地輸出模擬量和數(shù)字量，構(gòu)成1個閉環(huán)系統(tǒng)，以真實地模擬直流輸電系統(tǒng)的特性。

參加試驗的VBE是青島換流站的雙重冗余設(shè)備。在二次系統(tǒng)聯(lián)合測試試驗過程中，將VBE全程接入到極Ⅰ中，參加控制保護試驗。圖1為RTDS仿真模型結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 RTDS仿真模型結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of RTDS simulation model

2 閉環(huán)試驗的實現(xiàn)原理

VBE是連接換流閥與直流控制保護系統(tǒng)的接口設(shè)備，主要完成以下功能:

(1)接收來自控制保護系統(tǒng)的觸發(fā)字(firing word)和熱字(thermal word)，并將這些信息組合在一起發(fā)送給換流閥門極單元(gate unit，GU);

(2)接收各門極單元傳來的監(jiān)視信息;

(3)監(jiān)視換流閥冷卻系統(tǒng)的泄漏情況;

(4)對各種監(jiān)視信息進行匯總，并通過局域網(wǎng)發(fā)送至控制保護系統(tǒng);

(5)根據(jù)監(jiān)視信息完成對自身及換流閥異常情況的監(jiān)視、報警及保護。

圖2為控制保護系統(tǒng)與VBE閉環(huán)試驗原理接線圖?？刂票Ｗo系統(tǒng)與VBE之間有3大類信號進行傳遞，即換流閥觸發(fā)光信號、電氣開關(guān)量信號和以太網(wǎng)通信信號。

因為控制保護系統(tǒng)發(fā)出的電氣觸發(fā)信號采用并行傳輸，而VBE采用的是串行的觸發(fā)信號光接口，為此控制保護廠家專門設(shè)計了VBE與控制保護系統(tǒng)之間的接口裝置。該接口裝置的主要作用是對并行傳輸?shù)挠|發(fā)脈沖進行編碼，轉(zhuǎn)換為串行信號，同時對信號進行電/光轉(zhuǎn)換，以便正確地與VBE進行信號交換。

VBE與控制保護系統(tǒng)接口裝置之間傳遞的光信號包括觸發(fā)字和熱字。觸發(fā)字采用串行編碼方式，每個觸發(fā)字中包含需要觸發(fā)的換流閥的信息。圖3為采用串行編碼的觸發(fā)字示意圖。每個觸發(fā)字為16位的串行數(shù)據(jù)，1—12位為‘1’的時候表示對應(yīng)的閥導(dǎo)通，連續(xù)2個觸發(fā)字之間的時間間隔最小為2 μs。熱字中包含6種典型工況對應(yīng)的晶閘管結(jié)溫信息，VBE接收到這2個光信號后對其進行編碼形成換流閥觸發(fā)命令發(fā)送給換流閥。

VBE與控制保護系統(tǒng)之間的開關(guān)量信號包括VBE通道故障信號(VBE fail)、VBE跳閘請求信號(VBE trip)、主系統(tǒng)選擇信號和緊急閉鎖信號(VBE block)。由于對這些信號的快速性要求高，所以全部采用固態(tài)繼電器作為信號發(fā)出和接收接口。

圖2 閉環(huán)試驗原理接線圖Fig.2 Connection diagram of close-loop test

圖3 串行觸發(fā)脈沖信號Fig.3 Serial triggering pulse signals

VBE根據(jù)控制保護系統(tǒng)的命令控制換流閥的同時，將換流閥和VBE自身的狀態(tài)信息實時通過以太網(wǎng)發(fā)送給控制保護系統(tǒng)。

因為VBE發(fā)出的觸發(fā)命令是光信號，為了對RTDS仿真模型中建立的換流閥進行觸發(fā)，換流閥廠家專門提供了光電轉(zhuǎn)換設(shè)備，把VBE發(fā)出的光信號轉(zhuǎn)換成12個5 V，120°(工頻)寬的電信號發(fā)送到RTDS的數(shù)字量輸入GTDI板卡上。同時RTDS的數(shù)字量輸出GTDO板卡將交流進線斷路器合閘信號發(fā)送給VBE光電轉(zhuǎn)換裝置，用于表示換流閥已經(jīng)充電。

3 閉環(huán)試驗內(nèi)容

在閉環(huán)試驗前，先進行了直流控制保護系統(tǒng)與VBE的光接口、電氣接口、通信接口的正確性檢驗。主要目的是檢查觸發(fā)字和熱字的信息格式和時序以及2個設(shè)備之間的數(shù)字I/O接口是否滿足要求。

為了全面地分析和研究控制保護系統(tǒng)與閥基電子設(shè)備之間的控制和保護功能配合，進行了RTDS、VBE和控制保護系統(tǒng)閉環(huán)試驗，主要包括穩(wěn)態(tài)工況和故障情況下的試驗。

3.1 穩(wěn)態(tài)工況下的閉環(huán)試驗

直流控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)試驗分為啟動/停運試驗、空載加壓試驗、穩(wěn)態(tài)參數(shù)校核、無站間通信試驗、分接頭控制試驗、無功功率控制試驗、擾動試驗等幾大類，共計300項。在穩(wěn)態(tài)試驗中，全程將VBE接入到極Ⅰ青島換流站進行試驗。試驗結(jié)果表明帶VBE運行后，整個系統(tǒng)運行良好，未出現(xiàn)報警、跳閘或其他異?，F(xiàn)象，各種工況下的試驗結(jié)果與不帶VBE運行的極Ⅱ相比沒有差別。

為了驗證冗余系統(tǒng)中的1個系統(tǒng)退出后的響應(yīng)，還有針對性地進行了極Ⅰ控制系統(tǒng)切換試驗和VBE切換試驗，包括以下內(nèi)容:

(1)在運行人員工作站上手動切換控制系統(tǒng)。

(2)拔除VBE A系統(tǒng)與控制A系統(tǒng)之間的觸發(fā)字光纖，模擬VBE通道切換。

(3)續(xù)(2)，手動將系統(tǒng)切換回故障通道，切換不成功，極Ⅰ閉鎖。

(4)拔除VBE A系統(tǒng)與控制A系統(tǒng)之間的熱字光纖，模擬VBE通道切換。

(5)續(xù)(4)，再拔除B系統(tǒng)與控制B系統(tǒng)之間的熱字光纖;拔除光纖后，極Ⅰ閉鎖。

(6)VBE裝置A系統(tǒng)電源斷電。

(7)VBE裝置B系統(tǒng)電源斷電。

(8)控制保護系統(tǒng)與VBE接口裝置A斷電。

(9)控制保護系統(tǒng)與VBE接口裝置B斷電。

(10)VBE A系統(tǒng)失效，B系統(tǒng)斷電，極Ⅰ閉鎖。

(11)功率升降過程中在運行人員工作站切換，在功率上升過程中將B系統(tǒng)切換到A，在功率下降過程中將A系統(tǒng)切換到B。

(12)功率上升的過程中雙系統(tǒng)斷電。

試驗表明，在穩(wěn)態(tài)工況下，值班系統(tǒng)發(fā)生故障后，如果備用系統(tǒng)有效，VBE能夠正確地請求控制系統(tǒng)切換到備用系統(tǒng)。在切換的過程中，未對直流系統(tǒng)產(chǎn)生擾動。

此外，還通過拔除VBE與門極單元之間的光纖，模擬了換流閥自身的晶閘管級冗余不足故障，VBE均能正確地跳閘。

3.2 故障工況下的閉環(huán)試驗

按照換流站區(qū)域的劃分，二次系統(tǒng)聯(lián)調(diào)試驗的故障試驗分為換流器區(qū)域故障試驗、直流場及中性線區(qū)域故障試驗、直流線路故障試驗、交流網(wǎng)絡(luò)故障試驗、直流濾波器故障試驗、融冰方式下的故障試驗，共計300項。極Ⅰ青島換流站的VBE參加了全部故障試驗。

在故障情況下考核的主要方面是:發(fā)生故障時以及保護動作后，控制保護設(shè)備和VBE構(gòu)成的整套系統(tǒng)的動作是否正確，包括移相、投旁通對、閉鎖過程的正確性。

試驗結(jié)果表明，直流保護出口后，移相、投旁通對過程均正確，VBE與控制系統(tǒng)的配合良好。但是，在做控制系統(tǒng)丟脈沖試驗時，發(fā)現(xiàn)VBE對丟脈沖的處理存在著下列問題:

(1)丟脈沖時的脈沖處理機制不正確。丟脈沖后，VBE會丟棄報文;經(jīng)過VBE后，丟失脈沖的相鄰脈沖都被延長，如圖4所示。

寧東直流工程的換流閥采用阿?，m技術(shù)，不返回脈沖回報信號，因此對丟脈沖的判斷不能在控制系統(tǒng)中實現(xiàn)，而是由VBE自己完成。VBE在檢測到觸發(fā)字中奇偶校驗字錯誤后，產(chǎn)生故障信號，控制系統(tǒng)收到故障信號后進行系統(tǒng)切換。

圖4 極I青島站A系統(tǒng)丟1個脈沖，相鄰脈沖被延長Fig.4 Adjacent pulse prolonged after one pulse lost of pole I in system A of Qingdao station

(2)控制系統(tǒng)在1個周期內(nèi)丟失1個脈沖，VBE切換系統(tǒng)。系統(tǒng)切換后，如果另1個系統(tǒng)仍然丟脈沖，VBE則會發(fā)出跳閘指令。VBE對丟脈沖的反應(yīng)過于靈敏，容易導(dǎo)致直流系統(tǒng)不必要的停運。

針對有關(guān)問題，試驗期間多次召開了由有關(guān)各方參加的直流控制保護系統(tǒng)與閥基電子設(shè)備接口問題討論會，經(jīng)詳細研究，確定了VBE丟脈沖保護功能如下修改方案。

(1)在VBE檢測到丟失脈沖時將按接收到的觸發(fā)字控制換流閥。

(2)對丟脈沖引起的切換和跳閘邏輯改為:VBE檢測到單閥連續(xù)丟4個周波(80 ms)觸發(fā)脈沖時，向控制保護系統(tǒng)發(fā)出系統(tǒng)切換請求，如果另1個系統(tǒng)還丟脈沖，則再延時4個周波跳閘。

按照討論確定的方案進行了修改，并通過了測試。如圖5所示，功率正送，極Ⅰ青島站A系統(tǒng)連續(xù)丟脈沖，系統(tǒng)在4個周波后切換。

3.3 對VBE跳閘邏輯的改進

VBE檢測到換流閥嚴(yán)重故障或VBE自身有嚴(yán)重故障時會向控制系統(tǒng)發(fā)出跳閘請求。在聯(lián)調(diào)試驗初期，VBE的跳閘信號采用負邏輯，即在正常運行情況下，VBE的故障和跳閘信號繼電器輸出接點為閉合狀態(tài)，表示此信號無效;故障情況下信號有效時，相應(yīng)信號繼電器輸出接點為打開狀態(tài)。跳閘邏輯不符合電網(wǎng)運行反措的要求。在運行部門的要求下，對VBE跳閘邏輯進行了改進，最終保證了VBE跳閘信號和保護及其他設(shè)備來的跳閘信號一致。此外，為了避免因電纜斷開、端子松動、繼電器損壞或繼電器輸入端供電電源故障而引起的誤跳，在控制系統(tǒng)采取了以下策略:

圖5 極Ⅰ青島站A系統(tǒng)連續(xù)丟脈沖，4個周波后系統(tǒng)切換Fig.5 System switchover after four period pulse lost of pole I in system A of Qingdao station

(1)當(dāng)VBE的2個通道都可用時，控制保護系統(tǒng)只有在接收到VBE的2個通道的跳閘信號后才能發(fā)跳閘命令。

(2)當(dāng)1個失效的通道產(chǎn)生跳閘信號時，控制保護系統(tǒng)不能發(fā)出跳閘命令。

(3)如果值班系統(tǒng)(active)的通道為唯一可用通道，則當(dāng)控制保護系統(tǒng)收到此通道的跳閘信號后必須發(fā)出跳閘信號。

以上對跳閘信號的處理均通過了試驗驗證。

3.4 對熱字保護的處理

熱字為1個16位的串行數(shù)據(jù)，包含6種典型工況對應(yīng)的晶閘管結(jié)溫信息。這些典型工況為正常運行狀態(tài)、換相失敗、嚴(yán)重換相失敗、閥短路、嚴(yán)重閥短路。實際工程中可能產(chǎn)生的6種工況會產(chǎn)生6種不同的串行數(shù)據(jù)?？刂票Ｗo系統(tǒng)將當(dāng)前系統(tǒng)的故障狀態(tài)寫入到熱字中，送給VBE。

阿?，m國外直流工程都在VBE中加入了結(jié)溫保護跳閘功能。結(jié)溫保護主要是換流閥換相失敗保護和閥短路故障保護，動作非常靈敏。這2種保護已在控制保護系統(tǒng)中設(shè)置，與直流保護功能產(chǎn)生重疊。此外，由于結(jié)溫保護和控制系統(tǒng)保護時間配合不當(dāng)，曾在其他工程引起過直流系統(tǒng)不必要的停運。根據(jù)運行部門的要求，將VBE中的結(jié)溫保護跳閘信號屏蔽，使它只能發(fā)出報警信號而不發(fā)出跳閘信號。取消結(jié)溫保護跳閘功能后，熱字的作用不再用于換流閥的保護跳閘，而是主要用于在故障情況下加強對換流閥門極單元的監(jiān)測。門極單元根據(jù)本閥的熱字值來確定晶閘管的過電壓保護、dv/dt保護以及正向恢復(fù)保護的動作閾值。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，可提高保護觸發(fā)的合理性，保證換流閥的安全。

4 結(jié)語

寧東—山東±660 kV直流輸電示范工程于2011年2月投入雙極運行。為了保證寧東工程系統(tǒng)調(diào)試工作能夠順利進行，工程能按時投運，在二次系統(tǒng)聯(lián)調(diào)試驗期間，對直流控制保護系統(tǒng)和換流閥基電子設(shè)備的接口進行了詳細的試驗，積累了大量一手技術(shù)資料和經(jīng)驗，可以為系統(tǒng)調(diào)試提供強力的技術(shù)指導(dǎo)，對保證工程按期投運，提高系統(tǒng)運行可靠性具有重要意義。

［1］馬為民，殷威揚，石巖，等.寧東—山東±660 kV直流輸電示范工程功能規(guī)范書［R］.北京:網(wǎng)聯(lián)直流工程技術(shù)有限公司，2009.

［2］IEC 919 －3—1999 Performance of high-voltage dc(HVDC)system part1:steady-state conditions［S］.

［3］IEC 919 －3—1999 Performance of high-voltage dc(HVDC)system part2:fault and switching［S］.

［4］IEC 919 －3—1999 Performance of high-voltage dc(HVDC)system part3:dynamic conditions［S］.

［5］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，1999.

［6］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.

［7］韓偉，徐玲鈴.靈寶換流站控制/直流保護系統(tǒng)與閥的接口設(shè)計［J］.高電壓技術(shù)，2005，31(2):48-49.

［8］錢珞江，鄧紅英，陶瑜.靈寶背靠背直流輸電工程中的RTDS試驗?zāi)Ｐ停跩］.高電壓技術(shù)，2005，31(12):23-26.

［9］董云龍，方太勛，盧宇，等.HVDC換流閥合成試驗控制及保護系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)［J］.電力系統(tǒng)自動化，2006，21(16):90-92.

［10］黃舜，李勝，徐永海，等.靜止無功補償器光電觸發(fā)與監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與仿真［J］.現(xiàn)代電力，2006，29(1):29-33.

［11］藍元良，湯廣福.BOD在晶閘管過電壓保護中的研究［J］.電工電能新技術(shù)，2000，27(3):51-54.