特高壓直流控制系統(tǒng)與閥控系統(tǒng)的接口及試驗

張云曉，李存軍， 蒲瑩，丁一工，馬玉龍，盧亞軍

(1.國網北京經濟技術研究院，北京市 102209；2. 舟山市質量技術監(jiān)督檢測研究院，浙江省舟山市 316000; 3.國家電網公司，北京市 100031)

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特高壓直流控制系統(tǒng)與閥控系統(tǒng)的接口及試驗

張云曉1，李存軍2， 蒲瑩1，丁一工3，馬玉龍1，盧亞軍1

(1.國網北京經濟技術研究院，北京市 102209；2. 舟山市質量技術監(jiān)督檢測研究院，浙江省舟山市 316000; 3.國家電網公司，北京市 100031)

換流閥閥控設備是直流輸電二次系統(tǒng)中的核心元件，是連接換流閥與直流控制系統(tǒng)的接口設備，是實現對換流閥進行控制和保護的重要環(huán)節(jié)。依托哈鄭工程，詳細介紹了特高壓直流控制系統(tǒng)與換流閥閥控系統(tǒng)的總體結構、直流控制系統(tǒng)與技術路線不同的換流閥閥控系統(tǒng)的接口形式和接口信號。針對哈鄭工程閥控系統(tǒng)接口具有較大的差異性和復雜性等特點，設計了完備的閥控接口試驗方案?；陂y控接口試驗以及在試驗過程中遇到的問題，提出了直流控制系統(tǒng)和閥控系統(tǒng)接口的優(yōu)化改進建議，以降低后續(xù)工程中閥控系統(tǒng)接口的復雜性，便于閥控設備的標準化運行和維護。

特高壓直流；直流控制系統(tǒng)；換流閥閥控系統(tǒng)；接口試驗

0 引 言

哈密—鄭州±800 kV特高壓直流輸電工程(以下簡稱哈鄭工程)是“疆電外送”的第1條特高壓直流輸電工程，也是我國第1個“風火打捆”直流輸電工程。工程額定功率8 000 MW，額定電壓± 800 kV，額定電流5 000 A。工程西起新疆維吾爾自治區(qū)哈密地區(qū)天山換流站，東至河南省鄭州市中州換流站，輸電距離約2 210 km[1],該工程于2014年1月雙極投運。

哈鄭工程直流控制保護系統(tǒng)采用南京南瑞繼保電氣有限公司的PCS9550技術。兩站的換流閥及閥控系統(tǒng)采用4種技術路線不同的設備，包含了國內外換流閥閥控系統(tǒng)的主流技術。這些閥控系統(tǒng)均首次與PCS9550系統(tǒng)接口，接口具有較大的差異性和復雜性。本文以哈鄭工程為背景，設計針對性的接口聯(lián)調試驗方案，檢驗直流控制系統(tǒng)與不同閥控系統(tǒng)之間的接口特性，并基于試驗，提出直流控制系統(tǒng)和閥控系統(tǒng)接口的優(yōu)化改進建議。

1 直流控制系統(tǒng)與換流閥閥控系統(tǒng)的總體結構

哈鄭工程直流控制系統(tǒng)分為雙極控制層，極控制層和換流器控制層，其中雙極控制功能配置在極控系統(tǒng)中實現，不設單獨的雙極控制設備。控制系統(tǒng)以12脈動換流閥為單元進行配置，當單個12脈動閥組因故障退出運行后，另一個12脈動閥組可以繼續(xù)運行。直流控制系統(tǒng)中的換流器控制層實現12脈動閥組運行所需的控制和閥觸發(fā)功能，與換流閥閥控系統(tǒng)進行接口通信，實現對換流閥的觸發(fā)控制、狀態(tài)監(jiān)測與保護。

換流閥閥控系統(tǒng)是直流輸電二次系統(tǒng)中的核心元件，是換流閥與直流控制系統(tǒng)間的連接設備，接收控制系統(tǒng)的命令并觸發(fā)和監(jiān)視閥的運行狀態(tài)。哈鄭工程直流控制系統(tǒng)與換流閥閥控系統(tǒng)的總體結構如圖1所示。直流控制系統(tǒng)下發(fā)各種控制命令，通過閥控系統(tǒng)實現對換流閥的控制操作，閥控系統(tǒng)接收直流控制系統(tǒng)的觸發(fā)命令，將其生成觸發(fā)脈沖，發(fā)送給換流閥。另一方面，閥控系統(tǒng)接收回報脈沖，判斷換流閥狀態(tài)，并通過通信網上傳到控制保護后臺，供運行人員監(jiān)視。閥控系統(tǒng)自檢和保護模塊實時檢測自身的運行狀態(tài)，若發(fā)現異常，將根據故障的嚴重程度采取相應的保護措施，如輸出報警或者請求跳閘等指令給直流控制系統(tǒng)，同時將故障信息上傳至控制保護后臺[2-6]。

圖1 直流控制系統(tǒng)與閥控系統(tǒng)總體結構

2 直流控制系統(tǒng)與換流閥閥控系統(tǒng)的接口

2.1 冗余化系統(tǒng)的接口方式

特高壓直流控制系統(tǒng)和換流閥閥控系統(tǒng)均采用雙重化冗余設計，直流控制系統(tǒng)與閥控冗余系統(tǒng)之間的連接采用一一對應的連接方式，即控制保護系統(tǒng)A與閥控系統(tǒng)A連接，控制保護系統(tǒng)B與閥控系統(tǒng)B連接[7-8]，如圖2所示。

2.2 接口信號

哈鄭工程控制保護系統(tǒng)采用南京南瑞繼保電氣有限公司的PCS9550系統(tǒng)，兩站的換流閥閥控系統(tǒng)采用了4種技術路線不同的設備。直流控制系統(tǒng)與閥控系統(tǒng)之間的接口有的采用光纖通信，有的采用電纜通信，且傳輸的接口信號也存在很大差異，歸納起來，直流控制系統(tǒng)與閥控系統(tǒng)間的接口信號主要有以下幾類[9]。

圖2 直流控制系統(tǒng)與閥控系統(tǒng)的接口方式

2.2.1 直流控制系統(tǒng)發(fā)送到閥控系統(tǒng)的信號

CP——觸發(fā)控制脈沖，直流控制系統(tǒng)根據12脈動換流閥電壓狀態(tài)和觸發(fā)角度，輸出12路觸發(fā)控制信號CP到閥控系統(tǒng)，每一路信號對應1個閥臂的觸發(fā)控制。ACTIVE——值班信號，當此信號有效時，對應控制系統(tǒng)處于值班狀態(tài)。CB_ON——換流變進線斷路器合位信號，表示換流變進線斷路器已經合位，換流閥已經充電，晶閘管控制和監(jiān)視功能開始有效。DEBLOCK——換流閥解鎖信號，閥控系統(tǒng)收到此信號后，根據CP信號輸出觸發(fā)脈沖到換流閥。UNDERVOLTAGE——交流低電壓信號，當加在換流閥上的三相線電壓低于70%時，低電壓信號有效，閥控系統(tǒng)接收到低電壓信號后暫停閥控系統(tǒng)監(jiān)視功能。BPPO——旁通信號，當旁通信號有效時，閥控系統(tǒng)根據旁通閥CP信號輸出觸發(fā)脈沖信號到對應換流閥。在此信號有效期間，閥控系統(tǒng)暫停系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視功能，極控系統(tǒng)不能對其余閥發(fā)出觸發(fā)控制信號。REC_START——錄波啟動信號，當控制系統(tǒng)需要啟動錄波時，置錄波啟動信號REC_START有效，進行控制信號和閥控狀態(tài)信號錄波。

2.2.2 閥控系統(tǒng)發(fā)送到直流控制系統(tǒng)的信號

FP——閥控觸發(fā)反饋信號，閥控系統(tǒng)輸出12路FP信號到控制保護系統(tǒng)，每路信號表示對應閥臂的觸發(fā)狀態(tài)。VBE_RDY——閥控準備就緒信號，是指閥控系統(tǒng)主備系統(tǒng)ACTIVE信號無重疊、閥控系統(tǒng)插件運行正常、閥控系統(tǒng)電源和內部通訊等均處于正常狀態(tài)，標志閥控系統(tǒng)已準備就緒，具備解鎖條件。ALARM——閥控系統(tǒng)報警信號，當閥控系統(tǒng)檢測到換流閥上的晶閘管存在故障，或BOD報警達到一定數量，或漏水檢測達到報警條件，或主備系統(tǒng)ACTIVE信號重疊時，VBE發(fā)出ALARM報警信號。TRIP——閥控系統(tǒng)跳閘請求信號，當閥控系統(tǒng)檢測到換流閥上的晶閘管故障數量達到跳閘條件，或BOD報警的數量達到跳閘條件時，閥控系統(tǒng)發(fā)出跳閘請求信號。

3 接口試驗

直流控制系統(tǒng)和換流閥閥控系統(tǒng)的接口往往是現場調試和運行過程中比較容易出現問題的薄弱環(huán)節(jié)，針對哈鄭工程閥控系統(tǒng)接口具有較大的差異性和復雜性等特點，為了保證工程的順利投運和安全運行，在國家能源局特高壓直流輸電成套設計研發(fā)(實驗)中心開展了哈鄭工程閥控系統(tǒng)接口聯(lián)調試驗。對各廠家閥控系統(tǒng)接口進行仿真試驗驗證，對保證整個工程現場調試進度，提高工程運行可靠性具有十分重要的意義。

3.1 試驗環(huán)境

利用實時數字仿真器( real-time digital simulator，RTDS)搭建仿真試驗模型，包括交流系統(tǒng)等值網絡、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系統(tǒng)及閥控設備連接，建立了RTDS、控制保護系統(tǒng)和閥控系統(tǒng)閉環(huán)試驗平臺，如圖3所示。因為閥控系統(tǒng)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)，專門配備

圖3 接口試驗原理圖

了光電轉換設備，把閥控系統(tǒng)發(fā)出的光信號轉換成12個5 V，120°(工頻)寬的電信號發(fā)送到RTDS的數字量輸入板卡上。同時RTDS的數字量輸出板卡將模擬閥正向電壓建立的信號發(fā)送給閥控系統(tǒng)光電轉換裝置，用于表示換流閥已經建立正向電壓[10-11]。

3.2 試驗方案

制定合理的試驗方案，對直流控制保護系統(tǒng)和換流閥閥控系統(tǒng)的接口進行全面深入的仿真試驗，對關鍵技術問題進行深入研究。試驗主要包括以下幾類：

(1)接口信號測試。利用萬用表、試驗平臺錄波器等工具，檢測直流控制系統(tǒng)與閥控系統(tǒng)之間的接口信號是否滿足要求。這是進行整個接口試驗的基礎和前提，只有這些接口信號符合要求，系統(tǒng)才具備解鎖運行條件。試驗內容包括：1)直流控制系統(tǒng)發(fā)送到閥控系統(tǒng)的信號測試；2)閥控系統(tǒng)發(fā)送到直流控制系統(tǒng)的信號測試；3)正常解閉鎖工況下的信號時序驗證。

(2)擾動性試驗。通過手動拔光纖、切斷裝置電源等方式，模擬運行過程中可能會遇到的各種擾動工況，檢驗控制系統(tǒng)能否快速識別和切換，而不引起功率的較大擾動。試驗內容包括：1)手動切換系統(tǒng)；2)拔光纖切換系統(tǒng)；3)斷電切換系統(tǒng)。

(3)控制和保護功能試驗。進行基本的控制功能和故障模擬試驗，包括動態(tài)性能試驗、投退閥組以及不同區(qū)域的故障模擬等，檢測閥控設備能否在各種工況下正常運行。試驗內容包括：1)空載加壓試驗；2)動態(tài)響應試驗；3)投退閥組試驗；4)閥區(qū)故障模擬試驗；5)極區(qū)故障模擬試驗；6)雙極區(qū)故障模擬試驗；7)交流故障模擬試驗。

3.3 解決的主要問題

通過上述試驗項目，可以發(fā)現和解決許多問題，這些問題涉及到程序軟件、硬件配置及接口協(xié)議等多方面，下面從中選取幾個典型問題予以分析。

(1)由于信號頻率與技術協(xié)議的要求不一致，控制保護系統(tǒng)不能正常識別閥控系統(tǒng)的返回脈沖，造成閥丟脈沖保護動作。經過修改直流控制系統(tǒng)的接口程序，使之能夠正確識別閥控返回脈沖。

(2)逆變站投旁通對閉鎖時，由于出現負壓，UD-block指令會暫停投旁通對。但是在試驗過程中發(fā)現，當UD-block指令產生后，有的閥控依然繼續(xù)投旁通對，不利于負壓的消除。經過修改閥控接口程序，當UD-block信號產生后，不再向換流閥發(fā)送觸發(fā)脈沖。

(3)投旁通對時，出現旁通對投入的閥與控制保護所選閥不一致的現象。經過修改閥控旁通對識別邏輯后問題解決。

(4)由于換流器保護系統(tǒng)(converter protection system，CPR)對換流器控制系統(tǒng)(converter control system，CCP)的監(jiān)視邏輯不合理，在模擬閥控請求系統(tǒng)切換試驗時，導致2套CCP與3套CPR失去聯(lián)系，系統(tǒng)緊急停運。經過修改CPR對CCP的監(jiān)視邏輯，系統(tǒng)切換成功。

(5)閥控備用系統(tǒng)通信接口機箱斷電再恢復供電后，會導致值班系統(tǒng)丟脈沖。原因是，備用系統(tǒng)通信接口機箱和閥控機箱電源采用同一電源并聯(lián)，上電初會對屏柜內的閥控機箱電源有影響。經過增加插件對控制信號的處理，同時將通訊接口機箱的電源和閥控機箱的電源分開，避免串擾，問題得以解決。

試驗過程中，針對出現的各種問題，多次召開技術討論會，查找問題、分析原因并反復驗證，為閥控設備的順利投產掃除了技術障礙。

4 優(yōu)化建議

為了降低后續(xù)工程中閥控系統(tǒng)接口的復雜性，便于標準化運行和維護，對直流控制系統(tǒng)與閥控系統(tǒng)的接口提出以下優(yōu)化建議。

(1)閥控系統(tǒng)發(fā)送跳閘信號后，建議直流控制系統(tǒng)應允許進行系統(tǒng)切換。當閥控系統(tǒng)產生跳閘信號后，有的換流閥要求控制系統(tǒng)先進行切換，若切換后仍有跳閘信號則閉鎖，而有的換流閥不允許系統(tǒng)切換，直接閉鎖。從防止誤閉鎖，提高系統(tǒng)運行可靠性的角度出發(fā)，建議對這一功能進行統(tǒng)一，當閥控系統(tǒng)發(fā)送跳閘信號后，直流控制系統(tǒng)應該允許進行系統(tǒng)切換。

(2)目前僅有1個廠家的閥控系統(tǒng)配置了緊急投旁通對功能，當失去冗余的直流控制主機時閥控設備自發(fā)投入旁通對，提供直流通路，釋放直流系統(tǒng)的能量，保護設備的安全。這一功能對于處于逆變側的換流閥尤為重要，如圖4所示，當具有緊急旁通對功能的情況下發(fā)生緊急閉鎖時，直流系統(tǒng)的能量通過逆變側的旁通對構成的回路進行釋放。而同樣的工況下，若沒有緊急旁通對功能，則直流系統(tǒng)的能量會通過逆變側的交流網進行釋放，造成逆變側直流/交流系統(tǒng)過電壓、兩相短路、形成較大的短路電流等不良后果，如圖5所示。因此，建議其他閥控系統(tǒng)也增加該功能，完善各種工況下的控制與保護功能。

(3)建議統(tǒng)一CB_ON信號的判斷依據。對于閥控系統(tǒng)來講，CB_ON信號有效，表示換流變進線斷路器已經合位，換流閥已經充電，晶閘管控制和監(jiān)視功能開啟。在復奉、錦蘇工程中，CB_ON信號根據開關位置判定，而哈鄭工程中依據交流電壓判定。兩者各有利弊，建議后續(xù)工程統(tǒng)一CB_ON信號的判斷依據，使得CB_ON信號能夠正確可靠反映換流變的充電狀態(tài)。

圖4 有緊急旁通功能下的閉鎖波形

圖5 無緊急旁通功能下的閉鎖波形

5 結 語

閥控系統(tǒng)是直流輸電中十分關鍵的組成部分，其與直流控制系統(tǒng)接口的可靠性將直接影響換流閥設備以及整個直流輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。本文基于哈鄭工程，全面介紹了特高壓直流控制系統(tǒng)與不同技術路線的換流閥閥控系統(tǒng)的接口技術和接口試驗，并基于試驗，提出了優(yōu)化建議，對進一步完善直流控制系統(tǒng)與閥控系統(tǒng)之間的接口設計，提高直流系統(tǒng)安全運行水平具有重要作用。

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(編輯： 張小飛)

Interface and Test of UHVDC Control System and Valve Control System

ZHANG Yunxiao1, LI Cunjun2， PU Ying1, DING Yigong3, MA Yulong1, LU Yajun1

(1. State Power Economic Research Institute, Beijing 102209, China; 2. Zhoushan Institute ofCalibration and Testing for Quality and Technology Supervision, Zhoushan 316000, Zhejiang Province, China; 3. State Grid Corporation of China, Beijing 100031, China)

Converter valve equipment is the core element in the secondary system of DC transmission, the interface device between converter valve and DC control system, as well as the important part in the control and protection of converter valve. Based on Hazheng project, the overall structures of UHVDC control system and converter valve control system were introduced in detail, as well as the interface mode and signal between DC control system and converter valve control system with different technical route. A perfect interface test program was designed in view of the diversity and complexity of valve control system in Hazheng project. Based on the interface test and problems encountered during the test, some optimized suggestions were proposed for the interface between DC control system and converter valve control system, which could reduce the complexity and facilitate the standardization of operation and maintenance of converter valve system in the follow-up projects .

UHVDC; DC control system; valve control system of converter valve; interface test

TM 721.1

A

1000-7229(2015)09-0078-05

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.09.013

2015-06-22

2015-07-21

張云曉(1985)，女，碩士，工程師，主要從事高壓/特高壓直流工程的成套設計及仿真分析方面的工作；

李存軍(1966)，男，高級工程師，主要從事設備技術檢測管理方面的工作；

蒲瑩(1973)，女，博士，高級工程師，主要從事高壓直流輸電成套設計及仿真分析方面的工作;

丁一工(1965)，男，本科，高級工程師，主要從事特高壓直流工程的建設管理方面的工作;

馬玉龍(1975)，男，博士，高級工程師，主要從事高壓直流輸電成套設計及試驗研究方面的工作;

盧亞軍(1982)，男，碩士，工程師，主要從事高壓/特高壓直流工程的成套設計及仿真分析方面的工作。