柔性直流輸電換流閥運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吉攀攀，胡四全，廖志軍，俎立峰，胡亮，楊青波

（1．許繼集團(tuán)有限公司，河南許昌　461000；2．許繼電氣股份有限公司，河南許昌　461000；3．國(guó)網(wǎng)江西省電力公司，江西南昌　330077）

柔性直流輸電換流閥運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吉攀攀1，2，胡四全1，2，廖志軍3，俎立峰1，2，胡亮1，2，楊青波1，2

（1．許繼集團(tuán)有限公司，河南許昌461000；2．許繼電氣股份有限公司，河南許昌461000；3．國(guó)網(wǎng)江西省電力公司，江西南昌330077）

設(shè)計(jì)了一套柔性直流輸電換流閥運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)換流閥子模塊的電容電壓、IGBT開(kāi)關(guān)頻率、溫度以及閥冷、閥控等運(yùn)行參數(shù)的在線監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)分析并預(yù)測(cè)換流閥的運(yùn)行狀態(tài)。提出了一種基于專家數(shù)據(jù)庫(kù)的故障預(yù)測(cè)方法，可根據(jù)在線監(jiān)測(cè)到的換流閥運(yùn)行參數(shù)來(lái)提前預(yù)測(cè)其異常發(fā)展趨勢(shì)，有利于故障的及早發(fā)現(xiàn)和預(yù)防。完成了在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，并搭建了小容量的柔性直流輸電物理動(dòng)模試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證，測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)柔性直流輸電換流閥運(yùn)行參數(shù)的在線監(jiān)測(cè)和分析，為換流閥可靠運(yùn)行提供了一種有效的監(jiān)測(cè)手段。

柔性直流輸電；換流閥；在線監(jiān)測(cè)；故障預(yù)測(cè)

柔性直流輸電是采用全控型開(kāi)關(guān)器件和電壓源換流器技術(shù)的新一代直流輸電技術(shù)，在新能源并網(wǎng)、孤島供電等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前途［1-2］。

換流閥是直流輸電系統(tǒng)中完成交直流能量轉(zhuǎn)換的核心設(shè)備，其運(yùn)行狀態(tài)關(guān)系整個(gè)直流工程的可靠性。柔性直流輸電換流閥由上千個(gè)功率子模塊組成，每個(gè)功率子模塊都需要獨(dú)立控制，因此，柔性直流輸電換流閥運(yùn)行狀態(tài)的表征數(shù)據(jù)量巨大且分析處理復(fù)雜［3］。當(dāng)前對(duì)柔性直流輸電換流閥狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能只是局限在子模塊電容和IGBT的故障后檢測(cè)及處理、以及閥塔的漏水監(jiān)視上，不具備對(duì)閥組件其余關(guān)鍵元器件的監(jiān)視功能，尤其對(duì)于運(yùn)行中的子模塊缺少在線分析手段［4-6］。

本文設(shè)計(jì)了一套在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)換流閥運(yùn)行參數(shù)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和處理、故障特征提取、數(shù)據(jù)緩存、人機(jī)交換等功能，并提出了一種子模塊故障預(yù)警方法，根據(jù)在線監(jiān)測(cè)到的運(yùn)行參數(shù)對(duì)模塊故障進(jìn)行提前預(yù)測(cè)。

1　監(jiān)測(cè)對(duì)象介紹

實(shí)際應(yīng)用中，柔性直流輸電工程一般采用模塊化多電平換流器（MMC），橋臂由功率子模塊串聯(lián)組成，每個(gè)橋臂串聯(lián)模塊個(gè)數(shù)達(dá)到數(shù)百個(gè)，整個(gè)換流站的子模塊個(gè)數(shù)將達(dá)到數(shù)千個(gè)。

圖1所示為三相模塊化多電平換流器（MMC）主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖，包含6個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂由n個(gè)子模塊（SM）及一個(gè)換流電抗器串聯(lián)組成。在當(dāng)前技術(shù)水平下，單個(gè)子模塊承受的電壓一般不超過(guò)3 000 V，工程用柔性直流輸電換流閥每橋臂串聯(lián)的子模塊個(gè)數(shù)一般在數(shù)百個(gè)，以±200 kV舟山多端柔性直流輸電示范工程為例，每橋臂子模塊個(gè)數(shù)約270個(gè)（包括約20個(gè)冗余配置），隨著直流電壓等級(jí)的提高，單橋臂串聯(lián)的子模塊數(shù)量會(huì)更多。

圖1　三相MMC主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖Fig.1　Topological structure of three-phase MMC main circuit

工程應(yīng)用中一般采用半H橋結(jié)構(gòu)的子模塊，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。電力電子開(kāi)關(guān)器件一般采用絕緣柵雙極晶體管（IGBT），也有采用IEGT或IGCT的，本文以IGBT子模塊為例。IGBT兩端并聯(lián)一個(gè)直流電容，2個(gè)IGBT構(gòu)成一個(gè)半H橋，每個(gè)IGBT反并聯(lián)一個(gè)二極管。通過(guò)改變子模塊中IGBT的門極控制信號(hào)T1、T2可以實(shí)現(xiàn)子模塊不同工作狀態(tài)的切換。此外每個(gè)子模塊的進(jìn)線端設(shè)有晶閘管和旁路開(kāi)關(guān)S，用于模塊故障后的旁路保護(hù)。電阻R稱為均壓電阻，換流閥充電時(shí)，R可使得各模塊之間的阻值基本一致，實(shí)現(xiàn)模塊間的電壓均衡。

圖2　子模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2　Topological structure of sub-module

除主要電氣元件外，功率子模塊還包括：IGBT驅(qū)動(dòng)板卡、子模塊控制保護(hù)裝置、高壓取能電源（用于給驅(qū)動(dòng)和控制裝置供電）、冷卻水路等。

功率子模塊的運(yùn)行可靠性直接關(guān)系整個(gè)輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，常見(jiàn)的子模塊故障有以下幾種：

1）直流電容過(guò)壓/欠壓。

2）IGBT驅(qū)動(dòng)故障：包括IGBT驅(qū)動(dòng)控制故障或驅(qū)動(dòng)反饋故障。IGBT驅(qū)動(dòng)控制故障指子模塊控制器發(fā)出投入或切除指令，但I(xiàn)GBT無(wú)響應(yīng)；IGBT驅(qū)動(dòng)反饋故障指IGBT能夠正確執(zhí)行子模塊控制器發(fā)出的投入或切除指令，但I(xiàn)GBT反饋信號(hào)與實(shí)際狀態(tài)不符。

3）IGBT直通故障：指IGBT擊穿短路，或IGBT上下管直通。

4）取能電源故障：子模塊控制器（SMC）需要通過(guò)取能電源從電容取電，當(dāng)取能電源的輸出電壓不能滿足SMC正常工作需要時(shí)，認(rèn)為取能電源故障。

5）通信故障：指子模塊與閥控閥控之間的光纖通信故障。

6）旁路開(kāi)關(guān)誤動(dòng)或拒動(dòng)。

7）子模塊IGBT溫度過(guò)高。

2　在線監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)

2.1總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的在線監(jiān)測(cè)裝置主要包括：數(shù)據(jù)采集單元、中央處理器、存儲(chǔ)單元、DA轉(zhuǎn)換單元、監(jiān)控后臺(tái)等。系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3　在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理框圖Fig.3　Principle diagram of the on-line monitoring system

數(shù)據(jù)采集單元完成換流閥的運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)采集，采樣頻率大于10 kHz，為防止換流閥上的高電壓對(duì)信號(hào)干擾，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)光纖接口連接換流閥的控制系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、閥塔環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。數(shù)據(jù)處理單元完成對(duì)所采集數(shù)據(jù)的特征提取、狀態(tài)診斷、存儲(chǔ)格式轉(zhuǎn)換等處理，依據(jù)后臺(tái)命令將運(yùn)行參數(shù)寫入人機(jī)交互系統(tǒng)并顯示輸出。

2.2硬件實(shí)現(xiàn)

柔直換流閥在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要求采樣頻率高、數(shù)據(jù)量大、處理速度快，因此需要多個(gè)處理器協(xié)同配合才能完成。一般采用FPGA+CPU的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，利用FPGA并行處理的優(yōu)勢(shì)，完成數(shù)據(jù)采集，同時(shí)采用高性能CPU芯片完成數(shù)據(jù)處理和算法實(shí)現(xiàn)。ZYNQ系列是Xilinx推出的行業(yè)第一個(gè)處理器片上系統(tǒng)（SoC），將CPU內(nèi)核和FPGA內(nèi)核集成在一個(gè)芯片中，片內(nèi)采用高速AXI總線進(jìn)行內(nèi)核之間的數(shù)據(jù)交換，極大提高了FPGA和CPU核之間數(shù)據(jù)交互的速度，同時(shí)也有利于板卡的硬件布局。本文采用的ZYNQ7030型SOC處理器在一個(gè)芯片內(nèi)集成了兩個(gè)ARM Cortex-A9和一個(gè)28 nm高密度可編程邏輯FPGA核，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力。本文設(shè)計(jì)的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖4所示。

圖4　硬件框圖Fig.4　Hardware block diagram

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括模擬量輸入和數(shù)字量輸入接口，其中模擬量輸入采用電氣量接口直接測(cè)量電壓信號(hào)，數(shù)字量輸入采用高速光纖通信接口，速度達(dá)2.5G bit/s。輸出接口包括模擬量輸出接口和以太網(wǎng)接口，其中模擬量輸出接口通過(guò)DA轉(zhuǎn)換，將高速光纖接口采集到的數(shù)字量經(jīng)運(yùn)算后通過(guò)模擬量形式實(shí)時(shí)輸出，以太網(wǎng)接口用來(lái)連接人機(jī)交互系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)輸出信息的調(diào)閱查看。ZYNQ內(nèi)核與外設(shè)接口之間配置有光電轉(zhuǎn)換、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、電平轉(zhuǎn)換等信號(hào)轉(zhuǎn)換器件，完成信號(hào)匹配和驅(qū)動(dòng)放大功能。由于ZYNQ芯片內(nèi)部存儲(chǔ)空間有限，所監(jiān)測(cè)的換流閥運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)量龐大，因此硬件上配置專用的大容量存儲(chǔ)器，用于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的臨時(shí)緩存。

2.3軟件流程

2.3.1子模塊狀態(tài)監(jiān)測(cè)軟件流程

對(duì)所有子模塊的電容電壓、IGBT開(kāi)關(guān)頻率、溫度、通信狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，采樣周期達(dá)10 kHz，可實(shí)時(shí)記錄子模塊狀態(tài)變化的暫態(tài)過(guò)程。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)子模塊狀態(tài)的異常變化，可對(duì)子模塊故障發(fā)展進(jìn)行預(yù)警。

軟件實(shí)時(shí)計(jì)算每橋臂所有子模塊監(jiān)測(cè)量的平均值，并對(duì)監(jiān)測(cè)量按大小進(jìn)行排序，選取最低的5個(gè)監(jiān)測(cè)值和最高的5個(gè)監(jiān)測(cè)值，實(shí)時(shí)發(fā)送到人機(jī)交換系統(tǒng)，供運(yùn)行人員調(diào)取查看。狀態(tài)監(jiān)測(cè)的軟件流程如圖5所示。

圖5　子模塊狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)軟件流程Fig.5　On-line monitoring software process of sub-module state

2.3.2故障預(yù)測(cè)軟件流程

通過(guò)柔性直流輸電系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，可計(jì)算出換流閥運(yùn)行參數(shù)的理論數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)建?；A(chǔ)上，搭建柔性直流輸電系統(tǒng)仿真模型，對(duì)各種運(yùn)行工況進(jìn)行仿真分析，可驗(yàn)證并校正理論計(jì)算的參數(shù)［7］。同時(shí)，通過(guò)長(zhǎng)期對(duì)工程現(xiàn)場(chǎng)的換流閥的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，并進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，可對(duì)柔性直流輸電換流閥專家數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)進(jìn)行完善補(bǔ)充。專家數(shù)據(jù)庫(kù)的建立過(guò)程如圖6所示。

圖6　專家數(shù)據(jù)庫(kù)建立過(guò)程Fig.6　Establishing process of the expert database

數(shù)據(jù)處理單元對(duì)采集到的各種信息進(jìn)行故障特征提取，然后將子模塊及閥控實(shí)時(shí)狀態(tài)與專家數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)，若子模塊及閥控實(shí)時(shí)狀態(tài)符合故障特征庫(kù)中某個(gè)條件，則預(yù)測(cè)該模塊或閥控將會(huì)發(fā)生故障，通過(guò)人機(jī)交換系統(tǒng)輸出故障預(yù)警信號(hào)。運(yùn)行人員可根據(jù)預(yù)警信號(hào)進(jìn)行提前人工干預(yù)或準(zhǔn)備相關(guān)故障預(yù)案。

故障預(yù)測(cè)軟件對(duì)參數(shù)的變化速率也進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算和診斷，當(dāng)連續(xù)一定時(shí)間的變化速率過(guò)高時(shí)，也預(yù)測(cè)該參數(shù)所表征的運(yùn)行狀態(tài)異常。故障預(yù)測(cè)的軟件處理流程如圖7所示。

圖7　故障預(yù)測(cè)軟件流程圖Fig.7　Software flow chart for fault prediction

3　試驗(yàn)驗(yàn)證

本文設(shè)計(jì)了一套柔性直流輸電換流閥在線監(jiān)測(cè)裝置以及監(jiān)控后臺(tái)等輔助工具，并搭建了小容量的物理動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)，對(duì)所設(shè)計(jì)的在線監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行了驗(yàn)證。如圖8所示，物理動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)主要由換流閥等一次設(shè)備、閥控設(shè)備、MMC控制保護(hù)設(shè)備、子模塊接口設(shè)備等組成。

物理動(dòng)模試驗(yàn)系統(tǒng)主要指標(biāo)如下：

1）每橋臂60個(gè)子模塊，共360個(gè)

2）額定直流電壓2 400 V

3）額定容量21 kV·A

4）子模塊電容額定電壓40 V

圖8　物理動(dòng)模測(cè)試系統(tǒng)示意圖Fig.8　Diagram of physical dynamic model test system

圖9　在線監(jiān)視后臺(tái)主界面Fig.9　Main interface of the online monitor background

5）采樣頻率10 kHz

試驗(yàn)中，動(dòng)模試驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行在STATCOM（動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償）模式，向電網(wǎng)發(fā)出或吸收無(wú)功功率，換流閥的運(yùn)行狀態(tài)與現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)保持一致。通過(guò)人為制造換流閥的故障，觀察在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)換流閥各種運(yùn)行參數(shù)異常的監(jiān)測(cè)和處理結(jié)果。

圖9是在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)后臺(tái)的主界面，圖10是子模塊電壓在線監(jiān)測(cè)的結(jié)果，圖11是子模塊異常時(shí)，各類報(bào)警事件的歷史記錄。試驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的在線監(jiān)測(cè)裝置可實(shí)現(xiàn)對(duì)換流閥運(yùn)行參數(shù)的在線監(jiān)測(cè)和分析，并可以提前預(yù)測(cè)換流閥的故障，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖10　子模塊電壓在線監(jiān)視截圖Fig.10　Sub module voltage interface of the online monitor background

圖11　事件信息截圖Fig.11　Event interface

4　結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一套柔性直流輸電換流閥在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并搭建了物理動(dòng)模試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)其進(jìn)行了實(shí)際驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)Q流閥關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)和故障預(yù)警，對(duì)運(yùn)行人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常，提高運(yùn)行可靠性具有一定的參考意義。

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Design of an on-Line Monitoring System for HVDC Flexible Valve

JI Panpan1，2，HU Siquan1，2，LIAO Zhijun3，ZU Lifeng1，2，HU Liang1，2，YANG Qingbo1，2
（1．XJ Group Corporation，Xuchang 461000，Henan，China；2．XJ Electric Limited Corporation，Xuchang 461000，Henan，China；3．State Grid Jiangxi Electric Company，Nanchang 330077，Jiangxi，China）

An on-line monitoring system for the modular multi-level converter HVDC flexible valve is designed in this paper.The system can monitor on-line the capacitor voltage of sub-modules，IGBT switching frequency，temperature of submodules，cooling system and control system of the converter valve and get the real-time analysis and prediction of the operating state of converter valve.A failure prediction method is proposed based on expert database，which is in favor of early detection and prevention of failures.This paper completes the software and hardware design of the on-line monitoring system，and builds a small-capacity physical dynamic simulation platform of flexible HVDC to test the on-line monitoring system.The testing result shows that the system can realize the on-line monitoring and analysis for the operation parameters of the flexible HVDC converter valve.

HVDC flexible；converter valve；on-line monitoring；failure prediction

1674-3814（2015）12-0068-05

TM72

A

2015-08-12。

吉攀攀（1984—），男，碩士，工程師，從事柔性直流輸電、STATCOM等高壓大容量電力電子控制技術(shù)研究和設(shè)計(jì)工作。

（編輯李沈）

國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目（5292C0140146）。

Project Supported by Science and Technology Project of the China State Grid Corp（5292C0140146）.