高壓直流輸電系統(tǒng)典型閉鎖事件分析

陳 堃，胡 偉，肖 繁，張侃君

（國網(wǎng)湖北省電力公司電力科學研究院，湖北 武漢 430077）

0 引言

±500 kV葛南直流于1989年正式投運，雙極額定輸送容量達到1 200 MW，直流輸電線路長1 046 km，是我國第一條投入商業(yè)運行的大容量遠距離直流輸電工程，由湖北葛洲壩換流站至上海南橋換流站[1-3]。

目前，葛洲壩換流站閥控系統(tǒng)采用的是許繼柔性輸電系統(tǒng)公司生產的VBE200閥控系統(tǒng)，2010年投運；極控系統(tǒng)采用的是南瑞繼保公司產品，閥控分A、B系統(tǒng)，與極控的A、B系統(tǒng)一一對應。閥控系統(tǒng)跟隨極控系統(tǒng)切換，閥控系統(tǒng)發(fā)出的跳閘命令發(fā)送到極控，極控視之為緊急故障，先切換控制系統(tǒng)，后發(fā)閉鎖直流命令。

基于葛洲壩換流站，本文介紹了一起由多維因素綜合導致的高壓直流輸電系統(tǒng)典型閉鎖事件，闡述了該事件的發(fā)展過程，分析了該事件處理過程中存在的疑難點，并提出了建議以避免類似故障的再次發(fā)生。

1 閉鎖事件概述

1.1 事件發(fā)生前后狀態(tài)

事件發(fā)生前，葛南直流為雙極大地回線運行方式，輸送功率為770 MW，極Ⅰ處于PCPA備用，PCPB值班狀態(tài)，極Ⅱ處于PCPA值班，PCPB備用狀態(tài)。

事件發(fā)生后，葛南直流運行方式為極Ⅱ單極大地回線運行方式，輸送功率為588 MW，極Ⅰ閉鎖，極Ⅱ正常運行。后按調度令將葛南直流轉至極Ⅱ單極金屬回線運行方式，輸送功率580 MW。

事件發(fā)生時，宜昌地區(qū)天氣為晴。

1.2 事件概述

某年某月某時，葛洲壩換流站極Ⅰ光TA合并單元發(fā)生故障，極Ⅰ極控系統(tǒng)P1PCPB退出值班狀態(tài)，P1PCPA由備用切換至值班狀態(tài)，切換后檢測到極Ⅰ換流器丟觸發(fā)脈沖信號，極Ⅰ閉鎖，極Ⅱ正常運行。

現(xiàn)場進行檢查發(fā)現(xiàn)，P1.DMI屏+1.H24位置合并單元間歇性重啟現(xiàn)象導致了雙極控保B套系統(tǒng)TDM通道故障，從而造成極Ⅰ極控系統(tǒng)P1PCPB退出值班狀態(tài)，P1PCPA由備用切換到值班狀態(tài)；極Ⅰ控制系統(tǒng)P1PCPB向P1PCPA進行切換后，由于此時閥控VBE的閥D4兩塊觸發(fā)板LE板均出現(xiàn)損壞，在這種狀況下晶閘管級控制板TE板不向VBE發(fā)送反饋信號，VBE不會產生EOC信號，因此兩套極控系統(tǒng)都檢測到了換流器丟脈沖信號，從而導致了極Ⅰ閉鎖。

故障發(fā)生后，葛南直流由極Ⅱ單極金屬回線運行方式轉至單極大地回線運行；葛南直流極Ⅰ由冷備用轉至熱備用，正常；葛南直流極Ⅰ進行不帶線路OLT試驗（300 kV），正常；葛南直流極Ⅰ啟動，葛南直流轉為雙極大地回線運行方式，輸送功率為580 MW。

2 保護動作分析

2.1 事件記錄

如表1所示，葛站P1.DMI（直流場測量接口）裝置故障告警，雙極控保系統(tǒng)P1PCPB、P2PCPB、BP1PPRB、P2PPRB都檢測到TDM（通信方式）通道故障信號，極Ⅰ保護出口被閉鎖。11:01:29，直流線路縱差保護啟動極Ⅰ極控系統(tǒng)P1PCPB的切換邏輯，切換至極Ⅰ極控系統(tǒng)P1PCPA，后P1PCPA檢測到閥觸發(fā)脈沖異常，極Ⅰ閉鎖。

表1 主要事件記錄Tab.1 Main event record

2.2 P1.DMI裝置檢查處理情況

由于P1.DMI裝置故障告警是該事件的起因，因此首先對葛站P1.DMI裝置進行了檢查。

現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，P1.DMI屏+1.H24層機箱（南瑞繼保光TA合并單元）存在間歇性重啟現(xiàn)象，如圖1所示。檢查發(fā)現(xiàn)，重啟是由于該合并單元+1.H24.2位置DSP板NR1122A故障造成的。更換該板卡后合并單元恢復正常運行。

圖1 P1.DMI屏+1.H24層機箱重啟現(xiàn)象Fig.1 The restart of P1.DMI+1.H24

如圖2所示，合并單元+1.H24機箱的作用主要是：通過光纖接口板NR1125A采集極Ⅰ線路電壓Vd、中性母線電壓Vee、閥側中性母線電流 IdYC、線路電流IdYL、閥側極母線電流IdDC、中性母線出線電流IdDL，并通過DSP板NR1122A采用TDM總線通信方式分別送雙極控保系統(tǒng)P1PCPB、P1PPRB、P2PCPB、P2PPRB。

在該事件中，由于P1.DMI屏+1.H24位置合并單元間歇性重啟現(xiàn)象導致雙極控保B套系統(tǒng)TDM通道故障，從而造成極Ⅰ極控系統(tǒng)P1PCPB退出值班狀態(tài)，P1PCPA由備用切換到值班狀態(tài)。

圖2 P1.DMI屏+1.H24層機箱功能示意圖Fig.2 The functional diagram of P1.DMI+1.H24

2.3 換流器丟脈沖信號檢查情況

由于極Ⅰ控制系統(tǒng)P1PCPA由備用切換到值班狀態(tài)后，極Ⅰ兩套控制系統(tǒng)都檢測到了換流器丟脈沖信號，從而導致了極Ⅰ閉鎖，因此接著對該信號進行檢查。

2.3.1 丟脈沖信號導致極閉鎖原理

控制系統(tǒng)解鎖運行期間，值班、備用系統(tǒng)實時監(jiān)視閥控每個閥臂脈沖反饋的EOC（電流過零點）信號，連續(xù)4個觸發(fā)周期未監(jiān)視到反饋EOC信號，則產生“閥丟脈沖”信號，并申請系統(tǒng)切換，如果再連續(xù)2個周期未監(jiān)視到反饋EOC信號，將發(fā)出“觸發(fā)脈沖異常跳閘”指令。其中為了防止出現(xiàn)極控系統(tǒng)的頻繁切換，極控系統(tǒng)退出運行狀態(tài)60 s內

圖3 極控系統(tǒng)退出運行60 s內無法恢復運行邏輯Fig.3 The diagram of logic schematic

無法恢復正常運行，如圖3所示。 由于此次極Ⅰ控制系統(tǒng)P1PCPB退出值班狀態(tài)不到60 s，極Ⅰ控制系統(tǒng)P1PCPA檢測到脈沖丟失后無法進行切換，因此直接發(fā)出了“觸發(fā)脈沖異常跳閘”指令。

2.3.2 故障錄波解讀

故障錄波如圖4所示。

圖4 故障錄波Fig.4 Fault recording

由圖4可以發(fā)現(xiàn)以下現(xiàn)象：

極Ⅰ控制系統(tǒng)切換后，直流電壓、電流UDL、IDL保持穩(wěn)定；

極Ⅰ控制系統(tǒng)切換后，中性母線電壓Udn出現(xiàn)周期性波動，波動周期為一個周波20 ms；

極Ⅰ控制系統(tǒng)切換后，閥4發(fā)生了提前觸發(fā)的情況。

基于上述現(xiàn)象，對A相D4閥觸發(fā)情況進行了重點檢查，通過閥觸發(fā)試驗發(fā)現(xiàn)D4閥120個晶閘管均無法導通，進一步檢查發(fā)現(xiàn)閥控VBE屏負責D4閥觸發(fā)的兩塊觸發(fā)板LE板，發(fā)現(xiàn)其功能芯片表面均出現(xiàn)了不同程度的損壞現(xiàn)象，經廠家確認為接口芯片，功能為向晶閘管級控制板TE板發(fā)出觸發(fā)脈沖，如圖5所示。

圖5 觸發(fā)芯片表面損傷情況Fig.5 The damage of trigger chip

對上述兩塊LE板進行更換后再次進行觸發(fā)試驗，試驗結果正常。

因此可得結論：極Ⅰ控制系統(tǒng)P1PCPB向P1PC-PA進行切換后，由于此時閥控VBE的閥D4兩塊觸發(fā)板LE板均出現(xiàn)損壞，在這種狀況下晶閘管級控制板TE板不向VBE發(fā)送反饋信號，VBE不會產生EOC信號，因此兩套極控系統(tǒng)都檢測到了換流器丟脈沖信號，從而導致極Ⅰ閉鎖。

3 疑難點分析

通過現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)并處理問題后，該事件依然有一些對事件分析會產生誤導的疑難點需要解答。

3.1 極Ⅰ控制系統(tǒng)切換后，直流電壓、電流UDL、IDL保持穩(wěn)定

根據(jù)現(xiàn)場檢查結果，極Ⅰ控制系統(tǒng)P1PCPA的閥控VBE負責閥D4觸發(fā)的兩塊觸發(fā)板LE板均處于損壞狀態(tài)，極Ⅰ的閥D4確實出現(xiàn)了丟觸發(fā)脈沖現(xiàn)象，理論上直流電壓、電流應該出現(xiàn)擾動，整流側換流站諧波保護應該動作，但根據(jù)故障錄播顯示，極Ⅰ控制系統(tǒng)切換后，直流電壓、電流UDL、IDL保持穩(wěn)定。

如圖6所示，兩套極控系統(tǒng)PCP分別有一一對應的閥控系統(tǒng)VBE，兩塊觸發(fā)板LE為兩套系統(tǒng)共用，但具備分別對應兩套系統(tǒng)的接口芯片，接口芯片則向晶閘管級控制板TE板發(fā)出閥觸發(fā)脈沖。

圖6 閥觸發(fā)邏輯示意圖Fig.6 The diagram of logic schematic

根據(jù)廠家說明，TE板在接收到觸發(fā)命令時產生閥觸發(fā)脈沖，在接收到觸發(fā)復歸命令時停止產生閥觸發(fā)脈沖，如果沒有接收到觸發(fā)復歸命令，則根據(jù)閥的正向電壓建立情況持續(xù)發(fā)出閥觸發(fā)脈沖。由于在該事件中，極Ⅰ兩套控制系統(tǒng)切換時，極Ⅰ閥D4處于換相過程，尚未收到觸發(fā)復歸命令，極Ⅰ兩套控制系統(tǒng)切換后，極Ⅰ控制系統(tǒng)P1PCPA的閥D4觸發(fā)板LE均處于損壞狀態(tài)，未能向極Ⅰ閥D4的TE板發(fā)出觸發(fā)復歸命令，導致TE板持根據(jù)閥的正向電壓建立情況續(xù)發(fā)出閥觸發(fā)脈沖，從而直流電壓、電流保持穩(wěn)定。

3.2 中性母線電壓Udn出現(xiàn)周期性波動，閥D4發(fā)生了提前觸發(fā)

由3.1可知，極Ⅰ閥D4的TE板未收到觸發(fā)復歸命令，導致TE板根據(jù)閥的正向電壓建立情況持續(xù)發(fā)出閥觸發(fā)脈沖，即一旦閥正向電壓建立則發(fā)出閥觸發(fā)脈沖，因此，閥D4上一旦建立正向電壓，則接收到觸發(fā)信號提前導通，由于與極Ⅱ換流閥導通時刻不一致，從而產生了中性母線電壓Udn出現(xiàn)周期性波動現(xiàn)象。

3.3 事件記錄與實際丟脈沖的換流器閥組件不對應

根據(jù)表1所示，故障報文顯示為D6（閥VB.V1）閥脈沖窗口期發(fā)出觸發(fā)脈沖丟失告警。但根據(jù)現(xiàn)場檢查結果，為A相的閥D4出現(xiàn)閥觸發(fā)脈沖丟失情況。

根據(jù)廠家說明，丟脈沖的判斷原理是按照在一個閥的CP脈沖窗口時間內檢測與之換相閥的EOC信號來判斷，若在CP脈沖窗口時間內檢測不到EOC則報丟脈沖，若在CP窗口時間外檢測到EOC則報誤觸發(fā)。例如，D6閥CP脈沖窗口時間內檢測不到D4閥的EOC信號則報D6閥丟脈沖；D6閥CP脈沖窗口時間外收到D4閥EOC則報D6閥誤觸發(fā)。

4 結論

由于P1.DMI屏+1.H24位置合并單元間歇性重啟現(xiàn)象導致雙極控保B套系統(tǒng)TDM通道故障，從而造成極Ⅰ極控系統(tǒng)P1PCPB退出值班狀態(tài)，P1PCPA由備用切換到值班狀態(tài)。

極Ⅰ控制系統(tǒng)P1PCPB向P1PCPA進行切換后，由于此時閥控VBE的閥D4兩塊觸發(fā)板LE板均出現(xiàn)損壞，在這種狀況下晶閘管級控制板TE板不向VBE發(fā)送反饋信號，VBE不會產生EOC信號，因此兩套極控系統(tǒng)都檢測到了換流器丟脈沖信號，從而導致極Ⅰ閉鎖。

5 結語

由于從2015年發(fā)生的TE板過熱損壞事件到該事件的發(fā)生，其直接原因都是閥控系統(tǒng)內部功能板卡出現(xiàn)問題，但無有效告警措施，只能依靠人力進行排查，嚴重影響系統(tǒng)故障后的重新投運效率。因此，閥控系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)亟待完善。

建議極控、閥控系統(tǒng)采用同一廠家產品，不同廠家產品對于故障定位、處理等工作會造成不必要的困擾。

由于葛洲壩換流站投運年限長，易發(fā)生故障，建議多配置備品備件。

（References）

[1]舒印彪.中國直流輸電的現(xiàn)狀及展望[J].高電壓技術，2004，30(11)：1-2．SHU Yinbiao.Present status and prospect of HVDC transmission in China[J].High Voltage Engineering，2004，30(11)：1-2．

[2]趙畹君.高壓直流輸電工程技術[M]．北京：中國電力出版社，2010．ZHAO Wanjun.HVDC transmission engineering technology[M].Beijing:China Power Press,2010.

[3]CHEN Kun,ZHOU Youbin,ZHANG Kanjun,et al.Research on the user-defined modeling of HVDC converter firing control based on ETSDAC[C]∥the 5th International Conference on Electric Utility Deregulation and Restructuring and Power Technologies(DRPT2015),Changsha,2015.