高壓直流輸電CSD控制功能分析

楊躍輝，呂亮，楊明權(quán)

（1.南方電網(wǎng)超高壓輸電公司天生橋局，貴州興義562400；2.國網(wǎng)浙江省電力公司紹興供電公司，浙江紹興312000）

高壓直流輸電CSD控制功能分析

楊躍輝1，呂亮2，楊明權(quán)1

（1.南方電網(wǎng)超高壓輸電公司天生橋局，貴州興義562400；2.國網(wǎng)浙江省電力公司紹興供電公司，浙江紹興312000）

直流站控是高壓直流換流站的控制系統(tǒng)之一，一般配置2套互為冗余的系統(tǒng)，CSD（控制關(guān)斷）功能是針對直流站控系統(tǒng)故障的一種控制策略。分析了CSD控制功能的動作條件、過程、結(jié)果，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，總結(jié)導致CSD動作的因素，并針對現(xiàn)場工作提出防范措施，防止正常運行過程中CSD的誤動作。

高壓直流輸電；控制關(guān)斷；控制

高壓直流輸電具備輸送容量大、負荷調(diào)整快、輸送距離遠等優(yōu)點，±500 kV興安直流輸電是南方電網(wǎng)西電東送的主要通道之一，額定輸送容量為3 000 MW，國產(chǎn)化率高達70%，直流站控系統(tǒng)由西門子提供，于2008年1月份雙極投入運行。在換流站配置有大量的交流濾波器，用以補償換流器運行過程中消耗的無功和濾除換流器產(chǎn)生的諧波[1，2]。

直流輸電的控制系統(tǒng)比交流系統(tǒng)更為復雜，設(shè)備故障時，不僅僅依靠保護動作切除故障，同時還需控制系統(tǒng)的調(diào)整，兩者相互配合保護直流系統(tǒng)的安全。CSD（控制關(guān)斷）功能是直流控制系統(tǒng)的多種控制策略之一，針對直流站控系統(tǒng)及交流濾波器的現(xiàn)場總線故障而設(shè)立。

1 CSD功能動作分析

1.1 CSD的啟動

在控制系統(tǒng)中無功控制由直流站控通過FieldBus來實現(xiàn)[3]，當2套直流站控同時故障或者直流站控與交流濾波器之間的2套現(xiàn)場總線同時故障時，直流站控系統(tǒng)將失去對交流濾波器的控制，若投入的交流濾波器組數(shù)過少將無法滿足直流系統(tǒng)的運行要求，投入組數(shù)過多將提升交流系統(tǒng)電壓，影響系統(tǒng)的正常運行，此時啟動CSD控制功能。

1.2 故障判斷

圖1為直流站控系統(tǒng)1的故障邏輯判斷，其中：輸出Q1.5為直流站控系統(tǒng)運行正常，F(xiàn)3.0為直流站控系統(tǒng)的控制器155H運行正常，F(xiàn)3.1為系統(tǒng)備用，F(xiàn)3.5為系統(tǒng)主運，F(xiàn)92.6為直流站控與交流濾波器的現(xiàn)場總線故障。結(jié)合邏輯圖可以看出，直流站控系統(tǒng)正常與否主要由直流站控與交流濾波器的現(xiàn)場總線和控制器的狀態(tài)決定。直流站控系統(tǒng)2與系統(tǒng)1判據(jù)相同，只是在軟件中系統(tǒng)2的輸出為Q1.6。

圖1 直流站控故障邏輯

直流站控將運行正常的信號以常閉觸點分別接入交流站控、極控系統(tǒng)及就地控制單元，如圖2所示。一旦2套直流站控系統(tǒng)故障，串聯(lián)在一起的常閉觸點K6與K7斷開，極控、交流站控等控制系統(tǒng)將接收不到直流站控運行正常的信息，此時執(zhí)行降功率、切除交流濾波器，閉鎖直流系統(tǒng)等控制邏輯。

圖2 直流站控告警通過硬接線接入控制系統(tǒng)

1.3 降功率調(diào)整

在整流站將按照以下幾個步驟執(zhí)行降功率：

（1）以10 MW/s的速率降低直流功率；

（2）電流降低至最小電流（10%）后，進行強制移相，將觸發(fā)角α移至120°，同時向逆變站發(fā)閉鎖請求；

（3）如果輸出直流接近于0時間達50 ms，則強制移相角到約160°；

（4）若輸出直流接近于0時間達100 ms，則閉鎖觸發(fā)脈沖，停止控制。在CSD動作過程中，功率變化及交流濾波器切除對應關(guān)系如圖3所示，具體切除順序見表1。

表1 交流濾波器切除順序

圖3 CSD動作期間功率變化與交流濾波器切除波形

1.4 切除交流濾波器

CSD啟動后，隨著極控降低直流輸送功率，換流器吸收的無功和產(chǎn)生的諧波會越來越少，而此時直流站控故障，已失去對交流濾波器的控制，無法切除交流濾波器。興仁站一組交流濾波器將提升交流母線電壓2～3 kV，若所有投入的交流濾波器不能及時切除，將抬高交流系統(tǒng)的電壓，對交流系統(tǒng)影響非常大。所以CSD啟動后，在功率下降的同時就地控制裝置通過硬接線切除交流濾波器。

以切除573交流濾波器為例，如圖4所示，在整個切除的硬接線回路中，引入了K3（遠方/就地切換）和斷路器合閘輔助觸點BG。如果交流濾波器在就地控制位置，將不切除該組交流濾波器，通過硬接線直接將站控故障信號傳遞至573交流濾波器控制回路中。另外，由于接入了合閘輔助觸點，如果切除序列中的交流濾波器未投入，合閘常閉輔助觸點閉合，同樣不考慮本組交流濾波器。一旦573交流濾波器在遠方控制并在合閘位，將延時36 s切除573交流濾波器。

圖4 切除573交流濾波器

交流濾波器切除的延時選擇必須確保投入的交流濾波器個數(shù)大于當前系統(tǒng)對諧波或者無功要求，防止投入的交流濾波器和發(fā)電機過負荷。最后，如果交流站控系統(tǒng)接收到極控系統(tǒng)送來的將極由解鎖狀態(tài)轉(zhuǎn)為閉鎖狀態(tài)信號，交流站控將延時60 s跳開所有交流濾波器的進線開關(guān)，防止存在由交流濾波器繼續(xù)運行而造成交流母線過電壓和發(fā)電機自激磁振蕩的風險[4-6]。

1.5 案例分析

某日，工作人員在對直流站控進行維護工作過程中，誤動運行的直流站控系統(tǒng)，造成2套直流站控同時故障，發(fā)CSD動作信號，同時開始降低直流功率。當時興安直流為極2單極運行方式，輸送功率1 500 MW，值班人員發(fā)現(xiàn)情況后立即恢復1套直流站控的運行，CSD動作信號解除，直流功率停止下調(diào)。整個事件持續(xù)55 s，功率由1 500 MW下降至965 MW，速率為9.73 MW/s，動作結(jié)果與設(shè)計邏輯一致，調(diào)整過程見圖5。

圖5 CSD動作時功率趨勢

2 CSD故障可能原因及對策

2.1 直接原因

（1）軟件故障：直流站控的控制器采用西門子SIMATIC S5-155H可編程控制器，其集成了多塊功能不同的板卡，運行期間任一塊板卡軟件出現(xiàn)不同程度的問題都會導致站控系統(tǒng)不可用。

（2）硬件故障：主要指站控系統(tǒng)的155H控制器及其現(xiàn)場總線設(shè)備故障?，F(xiàn)場總線故障體現(xiàn)在光電轉(zhuǎn)換模塊故障、中繼器與終端電阻故障、光纖中斷等相關(guān)板卡、模塊故障。

2.2 間接原因

（1）人為誤操作：SIMATIC S5-155H可編程控制器與國內(nèi)的控制器不同，未單獨設(shè)立故障復位按鈕，其故障復位通過多鍵組合操作實現(xiàn)復歸，操作復雜。發(fā)生異常情況時，如果人員技能水平不足或未按正常要求進行操作，會導致站控系統(tǒng)退出運行。另外，由于2套直流站控系統(tǒng)在同一屏柜中，在1套系統(tǒng)故障情況下，檢修時如誤斷設(shè)備電源，將導致另1套系統(tǒng)故障。

（2）外部電源故障：155H控制器、現(xiàn)場總線的光電轉(zhuǎn)換模塊及中繼器等采用外部的電源，電源系統(tǒng)失電、電源開關(guān)故障及人為斷開電源等原因都可能導致系統(tǒng)故障而退出運行。

2.3 控制措施

針對現(xiàn)場可能出現(xiàn)的各種情況，提出以下幾點建議：

（1）結(jié)合設(shè)備情況，編制現(xiàn)場作業(yè)指導書，規(guī)范操作行為，并定期進行學習，讓所有人員掌握設(shè)備的各項操作；

（2）結(jié)合目視化管理手段，做好現(xiàn)場設(shè)備特別是重要電源回路開關(guān)及信號指示燈的標識，繪制電源回路圖，并進行風險辨識、提示；

（3）對重要板卡、電源定期進行紅外測試，并對測溫數(shù)據(jù)進行對比分析，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在的異常、缺陷；

（4）單套直流站控系統(tǒng)因故障退出運行后，立即聯(lián)系維護人員進行檢查處理，減少站控系統(tǒng)無冗余運行時間，及時恢復系統(tǒng)冗余運行；

（5）編制事故CSD動作的事故應急預案，并定期進行演習。

（6）運行過程中如CSD動作，應及時進行檢查，盡量恢復1套系統(tǒng)的正常運行，防止造成直流閉鎖。

（7）加強備品備件管理，確保直流站控系統(tǒng)相關(guān)板卡、模塊等有足夠備品，在發(fā)生硬件故障時能及時更換，恢復設(shè)備的正常運行。

[1]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.

[2]甘鵬，王林，楊健，等.興安直流興仁站交流濾波器運行分析[J].電力電容器與無功補償，2011，32（3）:66-69.

[3]馮鶇.PROFIBUS現(xiàn)場總線在貴廣二回直流工程換流站中的應用[J].電力信息化，2007，5（5）:40-42.

[4]XJ-SIEMENS.Guizhou-Guangdong II Line±500 kV DC Transmission Project，AC Filter Performance and ratingStudy Rport[R].2006.

[5]XJ-SIEMENS.Guizhou-Guangdong II Line±500 kV DC Transmission Project，Pole Control System Information Manual[R].2006.

[6]羅遠峰，李標俊.貴廣II回直流輸電系統(tǒng)無功控制功能優(yōu)化和改進[J].電力建設(shè)，2008，29（8）:29-32.

（本文編輯：楊勇）

Analysis on Control Function of CSD for HVDC Transmission

YANG Yuehui1，LYU Liang2，YANG Mingquan1
（1.Tianshengqiao Power Supply Bureau of EHV Power Transmission Company，CSG，Xingyi Guizhou 562400，China；2.State Grid Shaoxing Power Supply Company，Shaoxing Zhejiang 312000，China）

DC station control system，one of the control systems of the converter station，is generally equipped with two sets of redundancy system.CSD（Control Shut Down）function is a control strategy for DC station control system faults.The paper analyzes operation conditions，process，results and so on；according to the actual situation on site，it summarizes factors leading to operation of CSD control function.Furthermore，the paper proposes preventive measures in accordance with field work to prevent maloperation of CSD during normal operation.

HVDC transmission；CSD；control

TM721.1

B

1007-1881（2015）01-0014-03

2014-08-28

楊躍輝（1983），男，工程師，主要從事高壓直流輸電運行維護工作。