一種基于直流輸電換流閥閥控設(shè)備的觸發(fā)測試系統(tǒng)

祁 招，楊會磊，胡子健，張中強，田蘭芳，趙起超

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一種基于直流輸電換流閥閥控設(shè)備的觸發(fā)測試系統(tǒng)

祁 招，楊會磊，胡子健，張中強，田蘭芳，趙起超

(許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000)

為了解決傳統(tǒng)閥控設(shè)備觸發(fā)功能測試中存在的測試效率偏低及測試質(zhì)量不足的問題，引入自動化測試方法設(shè)計測試系統(tǒng)，以避免繁瑣的人工操作，減少測試中的人為因素，并保證測試案例的一致性。針對閥控觸發(fā)性能難以判斷及觸發(fā)狀態(tài)復(fù)現(xiàn)困難的問題，采用算法對觸發(fā)數(shù)據(jù)進行處理并輸出統(tǒng)計圖表，以實現(xiàn)觸發(fā)性能的可視化，觸發(fā)狀態(tài)的快速復(fù)現(xiàn)及觸發(fā)問題的準確定位。該系統(tǒng)有效地提高了閥控設(shè)備觸發(fā)功能測試的效率，為檢驗閥控系統(tǒng)的觸發(fā)性能提供了可靠的依據(jù)。

換流閥；閥控設(shè)備；特高壓直流輸電；觸發(fā)脈沖；自動化測試

0 引言

特高壓直流輸電具有傳輸距離遠、容量大和損耗低等諸多優(yōu)勢[1]。近年來，我國建設(shè)了多個特高壓直流輸電工程。換流閥是直流輸電工程的核心裝置，而用于控制、監(jiān)視和保護換流閥的閥控設(shè)備在整個直流輸電工程中也是處于非常核心的位置[2]。

溪洛渡-浙江金華的±800?kV特高壓直流工程是金沙江溪洛渡、向家壩水電站送電華中、華東的3回±800 kV特高壓直流工程規(guī)劃的重要組成部分[3]。本文以該直流輸電工程為背景，研究并分析了直流輸電換流閥閥控設(shè)備的觸發(fā)控制原理，并針對其觸發(fā)機制設(shè)計了一種自動化測試系統(tǒng)。

該系統(tǒng)能夠模擬閥控系統(tǒng)的實際運行環(huán)境，通過光纖實時采集閥控系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)和脈沖信息，并對所采集到的脈沖數(shù)據(jù)進行算法分析。其算法主要實現(xiàn)對觸發(fā)脈沖正確性，穩(wěn)定性及一致性三項重要技術(shù)指標的運算分析，且系統(tǒng)將依據(jù)分析結(jié)果自動生成可視化測試報表。

1 ?閥控觸發(fā)脈沖

閥控系統(tǒng)是換流閥與其他控制保護系統(tǒng)間的接口設(shè)備，主要用于實現(xiàn)對晶閘管閥的觸發(fā)和監(jiān)測，其中脈沖觸發(fā)功能是閥控系統(tǒng)的核心功能[4]。在特高壓直流輸電工程的實際應(yīng)用中對于換流閥晶閘管的導(dǎo)通時序以及導(dǎo)通瞬時電壓和瞬時電流有嚴格要求，為了達到工程要求就必須依靠閥控設(shè)備的觸發(fā)控制功能來實現(xiàn)[5]。

換流閥閥控設(shè)備觸發(fā)脈沖產(chǎn)生的原理：換流閥上TCE板實時監(jiān)測晶閘管兩端的正向電壓，當(dāng)正向電壓達到整定的導(dǎo)通值時，TCE板通過光纖向閥控系統(tǒng)發(fā)出正向電壓建立脈沖信號IP[6]。閥控系統(tǒng)對晶閘管正向電壓建立信號IP以及極控系統(tǒng)發(fā)來的點火脈沖信號CP(采集同步電壓所得)進行處理，根據(jù)處理結(jié)果輸出一定時序和脈寬的觸發(fā)脈沖信號FP[7]。觸發(fā)脈沖信號FP通過光纖發(fā)送到換流閥上對應(yīng)的晶閘管，從而觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通。

2 ?裝置設(shè)計

觸發(fā)脈沖測試裝置是根據(jù)第1節(jié)中對觸發(fā)脈沖原理的分析來設(shè)計的。該測試裝置通過模擬正向電壓IP信號和極控的CP信號，并經(jīng)由光纖將這些控制信號傳送至閥控系統(tǒng)，閥控系統(tǒng)則會依據(jù)這些信號的時序產(chǎn)生相應(yīng)的觸發(fā)脈沖FP。如圖1所示，該裝置中設(shè)計有信號發(fā)送模塊和數(shù)據(jù)采集模塊。

圖1 裝置功能示意圖

信號發(fā)送模塊的作用是將后臺發(fā)送的控制指令轉(zhuǎn)換為正向電壓建立信號IP和點火脈沖CP并通過光纖輸出端口發(fā)送至閥控系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采集模塊的作用是通過光纖接收端口接收來自閥控系統(tǒng)的觸發(fā)脈沖FP，并提供哈丁端口對閥控設(shè)備內(nèi)部接收到的正向電壓建立信號與點火脈沖直接進行讀取。

信號發(fā)送模塊、數(shù)據(jù)采集模塊與控制后臺的信息交互通過RS485通信接口進行。數(shù)據(jù)報文通過十六進制編碼的形式傳輸，并在報文中加入校驗功能。

3 ?后臺設(shè)計

系統(tǒng)控制后臺的功能分為信號設(shè)置與數(shù)據(jù)采集，測試人員可以通過操作界面方便快捷地進行IP信號的脈寬與距離設(shè)置。后臺中的信號設(shè)置功能界面如圖2所示。

圖2 IP信號設(shè)置界面

界面中的左側(cè)動態(tài)顯示了IP信號相對于CP信號的位置以及IP信號的脈寬。

后臺通過數(shù)據(jù)采集模塊上送的十六進制報文信息，換算出觸發(fā)脈沖的脈寬以及相對于CP上升沿的距離，并通過圖形繪制的方式在界面上方繪制出每一條報文對應(yīng)的FP圖形。后臺監(jiān)視界面采用色譜的方式繪制FP脈沖，在某一時刻出現(xiàn)的次數(shù)越多則顏色越深。

測試人員可以通過后臺設(shè)置正向電壓IP信號的脈寬、距離，以及點火脈沖CP信號上升沿的位置，并將其下發(fā)至信號發(fā)送模塊。在控制后臺的數(shù)據(jù)采集界面中設(shè)置觸發(fā)脈沖信息的采集次數(shù)后，數(shù)據(jù)采集模塊將自動采集閥控設(shè)備的觸發(fā)脈沖信息，采集結(jié)束后會自動對所采集到的信息進行分析，并輸出測試結(jié)果，從而實現(xiàn)自動化測試的目的。

4 ?試驗數(shù)據(jù)分析

在換流閥閥控系統(tǒng)設(shè)計中，觸發(fā)脈沖FP發(fā)送的位置是設(shè)定在距離點火脈沖CP信號上升沿μs處[8]。然而在實際應(yīng)用中，由于軟件和硬件等各種因素影響，觸發(fā)脈沖FP的位置與系統(tǒng)設(shè)定值總是存在一定的偏差。我們需要對這些誤差數(shù)據(jù)進行分析，判斷閥控系統(tǒng)的實際觸發(fā)誤差是否在工程要求的誤差范圍內(nèi)[9]。

為了得到可靠有效的誤差分析結(jié)果，往往需要進行大量的重復(fù)實驗以采集足夠的試驗數(shù)據(jù)作為分析樣本[10]。

如果采用傳統(tǒng)測試方法，將會消耗極大的人力和時間，試驗數(shù)據(jù)也會由于人為因素出現(xiàn)誤差。根據(jù)第3節(jié)中所述可知該測試系統(tǒng)可以實現(xiàn)自動化測試，有效節(jié)省人力物力，控制測試過程中產(chǎn)生的人為誤差，并對所采集的試驗數(shù)據(jù)從觸發(fā)脈沖的正確性，穩(wěn)定性及一致性三個技術(shù)指標來進行分析。

4.1 觸發(fā)脈沖的正確性分析

觸發(fā)脈沖的正確性指標要求觸發(fā)脈沖的脈寬及發(fā)送位置應(yīng)在系統(tǒng)設(shè)計要求的范圍內(nèi)。所有脈寬超差、位置超差的觸發(fā)脈沖都應(yīng)判定為不合格，并重點記錄漏發(fā)、誤發(fā)、多發(fā)脈沖的情況。脈沖數(shù)據(jù)采集界面如圖3所示。

在圖3中，界面下方羅列了所有測試過程中采集到的數(shù)據(jù)，測試人員通過后臺可以設(shè)置脈寬的超差范圍，一旦采集到的脈寬超出設(shè)定值，則會在報表中用紅色標出，測試人員可以馬上觀察這個問題。而且本次數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，后臺軟件會生成關(guān)于觸發(fā)脈沖正確性的報告，報告的內(nèi)容包括超差次數(shù)，超差的最大值，以及超差比率。

圖3 觸發(fā)脈沖數(shù)據(jù)采集界面

4.2 觸發(fā)脈沖的穩(wěn)定性分析

在相同的觸發(fā)條件下，對觸發(fā)通道進行重復(fù)觸發(fā)，通過分析脈沖位置與設(shè)定值的偏差程度，來判定該觸發(fā)通道的穩(wěn)定性。

偏差程度由穩(wěn)定因數(shù)來衡量，采用概率統(tǒng)計換算出單個觸發(fā)通道的穩(wěn)定因數(shù)。

假設(shè)，通過后臺設(shè)定的觸發(fā)次數(shù)為，從裝置中讀取到的觸發(fā)脈沖FP距離CP上升沿的FP位置記為：1,2,3,…,X。其中，1出現(xiàn)的次數(shù)記為1，2出現(xiàn)的次數(shù)記為2,…, X出現(xiàn)的次數(shù)記為N。從而可以得出每個位置出現(xiàn)的概率，記為(X)，則

即可得到此次試驗FP脈沖所處位置的均值，記為

(2)

觸發(fā)裝置發(fā)送觸發(fā)脈沖的穩(wěn)定值記為R，則

考慮到閥控系統(tǒng)對于觸發(fā)脈沖要求的特殊性，R不能完全真實地反映出觸發(fā)通道穩(wěn)定性，以標識觸發(fā)通道的發(fā)送觸發(fā)脈沖的穩(wěn)定性和準確性綜合指數(shù)。

(4)

假設(shè)設(shè)計規(guī)定，若觸發(fā)脈沖FP距離設(shè)定位置的誤差范圍在μs之內(nèi)的合格。則

得出之后，即可根據(jù)其判斷單個觸發(fā)通道穩(wěn)定性能的差別。

圖4為某次試驗采集到的試驗數(shù)據(jù)，采集次數(shù)為2 000次。

圖4 裝置采集的FP脈沖信息

從圖4的數(shù)據(jù)中可計算出如下結(jié)果：

(=9.5)=64/2000=0.032

(=9.6)=75/2000=0.0375

(=9.7)=92/2000=0.046

(=9.8)=116/2000=0.058

(=9.9)=358/2000=0.179

(=10)=439/2000=0.2195

(=10.1)=320/2000=0.16

(=10.2)=238/2000=0.119

(=10.3)=121/2000=0.0605

(=10.4)=100/2000=0.05

(=10.5)=77/2000=0.0385

則()=10.0229，=100.50968-100.45852441= 0.05115559

=1-0.05115559=0.94884441

穩(wěn)定因數(shù)反映了觸發(fā)裝置的穩(wěn)定性，其值越大表明該觸發(fā)裝置的性能越好。

除計算觸發(fā)脈沖的穩(wěn)定因數(shù)外，后臺軟件還會根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)繪制出相關(guān)圖形，如圖5所示，如果穩(wěn)定性曲線在目標位置的峰值越尖銳，則說明該觸發(fā)通道越穩(wěn)定。

4.3 觸發(fā)脈沖的一致性分析

觸發(fā)脈沖的一致性要求單個閥段內(nèi)所有觸發(fā)通道在相同的觸發(fā)條件下，該閥段內(nèi)的所有通道脈沖發(fā)送時刻應(yīng)保持一致。

在實際的運行過程中，同一個閥段的所有觸發(fā)通道脈沖發(fā)送時間肯定存在一定的偏差，因此就需要對觸發(fā)脈沖的穩(wěn)定性進行測量。

在該系統(tǒng)中，可以同時對單個閥段的4個觸發(fā)通道進行監(jiān)視，每一次數(shù)據(jù)采集都會對4個觸發(fā)通道的觸發(fā)脈沖時刻進行比對。

圖5 觸發(fā)脈沖穩(wěn)定性曲線

4個觸發(fā)通道的觸發(fā)脈沖時刻信息會動態(tài)繪制在應(yīng)用窗口中。應(yīng)用窗口界面如圖6所示。

在圖6中以U1通道的位置時刻為參考零點，可以直觀地觀察出其他通道相對于U1通道的偏差情況。測試所得的最大差值0.3 μs小于實際工程中換流閥閥控系統(tǒng)所規(guī)定的單個閥段最大觸發(fā)偏差，可以據(jù)此判斷圖5中觸發(fā)通道的偏差是滿足工程要求的[11]。

圖6 觸發(fā)一致性測試界面

5 ?總結(jié)

該觸發(fā)脈沖測試系統(tǒng)具備脈沖收發(fā)，數(shù)據(jù)采集，脈沖分析，測試報告自動生成等多種功能，提供了豐富的測試設(shè)置選項以及可視化的脈沖數(shù)據(jù)分析界面，實現(xiàn)了測試過程自動化，并實際應(yīng)用于溪浙工程±800 kV特高壓直流工程換流閥閥控系統(tǒng)的測試工作，能夠有效地檢驗閥控系統(tǒng)的觸發(fā)性能，顯著地節(jié)省測試消耗的人力物力，并為以后特高壓直流工程閥控觸發(fā)檢驗技術(shù)的工程應(yīng)用提供了參考依據(jù)。

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(編輯 周金梅)

Design of automatic test system for triggering function of HVDC valve control equipment

QI Zhao, YANG Huilei, HU Zijian, ZHANG Zhongqiang, TIAN Lanfang, ZHAO Qichao

(XJ Electric Co., Ltd., Xuchang 461000, China)

In order to solve the problem of low efficiency in the traditional trigger function test and improve the test quality, the test system based on automatic test strategy is established to avoid cumbersome manual operation, reduce artificial factors in the test and ensure the consistency of test cases. Because the trigger performance is difficult to judge and the reproduction of trigger state is hard, the algorithm is used to process the trigger data and output the chart, which realizes the visualization of trigger performance, rapid retrieval of trigger state and accurate positioning of the trigger problem. This system can effectively improve the efficiency of the trigger function test, which provides a reliable basis for the trigger performance of valve control system.

converter valve; valve control equipment; UHVDC; trigger plus; automatic test

10.7667/PSPC151520

2015-08-27；

2016-03-01

祁 招(1983-)，男，通信作者，學(xué)士，助理工程師，主要從事特高壓直流輸電換流閥閥控系統(tǒng)測試工作；E-mail: easymode@163.com 楊會磊(1986-)，男，碩士，助理工程師，主要從事特高壓直流輸電換流閥閥控系統(tǒng)測試工作；E-mail:?xuchyhl@ 163.com 胡子健( 1993-)，男，本科，學(xué)士，助理工程師，主要從事特高壓直流換流閥閥控系統(tǒng)測試工作。E-mail: amoshzj1993@qq.com