廈門柔性直流換流站保護(hù)系統(tǒng)信號(hào)回路改進(jìn)方法研究

田存建

(國(guó)網(wǎng)福建電力有限公司檢修分公司, 福建　廈門　330031)

2016年12月13日，廈門±320 kV柔性直流換流站進(jìn)行控制保護(hù)系統(tǒng)及高壓直流分壓器合并單元冗余試驗(yàn)，試驗(yàn)工況為單極有功100 MW，無(wú)功25 Mvar。

斷開浦園站(送端站)極ⅠC套電壓合并單元設(shè)備電源后，極Ⅰ直流保護(hù)裝置C(PPR C)告警：“電壓測(cè)量裝置單套電源故障或AD采樣異常出現(xiàn)”，極Ⅰ直流測(cè)控裝置A、B(PCP A、B)告警:“PPR C系統(tǒng)異?！薄?2 ms后，保護(hù)裝置A、B分別發(fā)出“流低電壓保護(hù)Ⅰ段(0.8 pu)保護(hù)動(dòng)作”，“換流閥閉鎖”，“交流開關(guān)跳開”，同時(shí)聯(lián)跳對(duì)站。3套保護(hù)錄波如圖1、圖2、圖3所示。UV-L1、UV-L2、UV-L3分別為A、B、C三相橋臂電壓；UdL為直流線電壓;UdN為中性線電壓；DCUVP-TR1為欠壓保護(hù)跳閘出口信號(hào)。

由運(yùn)維工作站(OWS)波形及當(dāng)時(shí)各設(shè)備狀態(tài)可知：一次系統(tǒng)未發(fā)生故障，極Ⅰ C套電壓合并單元設(shè)備電源斷開后，PPR C 檢測(cè)到該合并單元故障，所有電壓量保持故障前一時(shí)刻值不變(無(wú)效值)。

圖1　PPR A故障錄波

圖2　PPR C故障錄波

圖3　PPR B故障錄波

PPR A和B采樣值也同時(shí)受到影響，所有電壓值同時(shí)下降，約0.05 ms后，二者同時(shí)檢測(cè)到直流低電壓達(dá)到直流低電壓保護(hù)I段動(dòng)作定值，最終導(dǎo)致上述2套保護(hù)同時(shí)出口跳閘。

1　廈門柔直換流站直流保護(hù)系統(tǒng)

1.1　直流保護(hù)冗余配置

換流站直流保護(hù)通常采用“三取二”冗余配置，3套保護(hù)設(shè)備彼此相互獨(dú)立，冗余配置邏輯圖[1-3]如圖4所示。

圖4　直流保護(hù)配置

1.2　原直流分壓器及其二次側(cè)分壓、采樣與輸出

直流分壓器及其電壓合并單元裝置和直流控保系統(tǒng)間的配置邏輯[4-5]如圖5所示。

圖5　分壓器及其合并單元配置

圖5中：Ud為一次直流母線電壓；Us為直流分壓器低壓臂輸出電壓；DC-DC電壓轉(zhuǎn)接盒配置在電壓轉(zhuǎn)接柜內(nèi)，每臺(tái)分壓器對(duì)應(yīng)1臺(tái)電壓轉(zhuǎn)接盒。

電壓合并單元A、B、C和PPR A、B、C間是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。但3套合并單元裝置的信號(hào)采樣來(lái)源于同1臺(tái)電壓轉(zhuǎn)接盒及分壓器，由此可初步分析跳閘的原因可能是當(dāng)合并單元C裝置斷電或因其他故障退出時(shí)，會(huì)對(duì)其上游(同軸電纜、DC-DC電壓轉(zhuǎn)接盒及其輸出的3路模擬量)信號(hào)產(chǎn)生影響，進(jìn)而干擾另外2套合并單元裝置及其對(duì)應(yīng)的控保系統(tǒng)采樣信號(hào)，最終導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)，出口跳閘。

經(jīng)研究確認(rèn)，分壓器二次側(cè)信號(hào)分壓、分支采樣原理如圖6所示。

圖6　分壓器二次側(cè)分壓原理

由圖6可知，3套電壓合并單元采樣回路之間均未采取任何隔離措施，當(dāng)任一回路故障,采樣負(fù)載值大幅變化(如單套斷電退出時(shí)，其采樣等效負(fù)載值變?yōu)檎r(shí)的5%)，導(dǎo)致整個(gè)二次分壓阻值大幅變動(dòng)，進(jìn)而可影響另外兩回路采樣值(降為0.25 pu)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢測(cè)，對(duì)上述回路進(jìn)行仿真如圖7、圖8所示。

圖7、圖8中，分壓電阻配置在DC-DC電壓轉(zhuǎn)接盒內(nèi)，數(shù)據(jù)采集單元為電壓合并單元等效負(fù)載值，正常運(yùn)行時(shí)為20 MΩ,失電時(shí)，降為11 kΩ，圖8中數(shù)據(jù)采集單元3模擬合并單元C故障等效負(fù)載。

圖7　正常投運(yùn)情況下仿真

圖8　合并單元C故障時(shí)仿真

仿真驗(yàn)證了該猜測(cè)，即當(dāng)3套合并單元采樣回路均正常投運(yùn)時(shí)，3條回路采樣正常，而當(dāng)C套裝置失電故障時(shí)，其采樣負(fù)載值減小，導(dǎo)致二次分壓值普遍減小，另外2套裝置的采樣電壓降為0.246 pu。

因此，直流分壓器二次側(cè)該分壓采樣原理不滿足換流站二次控保系統(tǒng)“三取二”冗余設(shè)計(jì)要求，此次跳閘事件完全由直流分壓器二次側(cè)分壓設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致。

2　直流分壓器二次分壓改造方法

針對(duì)原直流分壓器二次分壓?jiǎn)渭円揽侩娮璐⒙?lián)分壓，各采樣回路缺乏有效隔離的現(xiàn)狀，在堅(jiān)持分壓器一次側(cè)高低壓分壓臂、電壓合并單元(光電信號(hào)轉(zhuǎn)換)等設(shè)備原配置不變，同時(shí)盡可能減少技改工作量的基礎(chǔ)上，提出如下3種改造方法。

2.1　變壓器耦合法

變壓器可以通過(guò)磁的耦合將信號(hào)從初級(jí)傳遞到次級(jí)，起到電氣隔離的作用。但變壓器只能變換交流信號(hào)，不能傳遞直流信號(hào)[6]。如果想采用變壓器耦合法傳遞直流信號(hào)，設(shè)備需配置調(diào)制/解調(diào)回路，隔離放大器P27000正是采用此原理，成功實(shí)現(xiàn)了輸入與輸出間直流信號(hào)的成功隔離及傳遞。

根據(jù)其參數(shù)手冊(cè)可知，其輸入信號(hào)可選范圍為電壓±20 mV～±200 V，電流±0.1～100 mA，輸出信號(hào)范圍為電壓0～±10 V，電流0～±20 mA，供電電源為交直流電壓20～253 V，滿足分壓器二次側(cè)及其合并單元輸入信號(hào)要求，同時(shí)可直接采用站內(nèi)200 V直流電源供電，無(wú)需額外配備直流電源。

改造原理如圖9所示。保持直流分壓器一次側(cè)不變，經(jīng)低壓臂輸出的100 V模擬信號(hào)經(jīng)3塊阻容分壓板(在電壓轉(zhuǎn)接柜內(nèi))分別輸出6 V模擬信號(hào)，再分別經(jīng)隔離放大器(配置在合并單元柜內(nèi))隔離后輸出，供對(duì)應(yīng)的合并單元采樣，轉(zhuǎn)換為光信號(hào)供各自對(duì)應(yīng)的直流控保及錄波設(shè)備采用。

圖9　基于P27000的二次分壓采樣原理圖

上述3條分壓-隔離回路配置完全相同，以第1套設(shè)備為例，設(shè)計(jì)電路如圖10所示。

圖10　隔離分壓電路圖

圖10中，U12(100 V)為直流分壓器低壓臂電壓輸入端模擬信號(hào)，U13(6 V)為阻容分壓板1輸出端及P27000輸入端模擬信號(hào)；R11、R12為誤差<±1%的高精密電阻；R14為可調(diào)電阻，其作用是保證分壓板上下分壓臂RC時(shí)間參數(shù)一致及采樣精度。C11、C12誤差<±1%的無(wú)感高精密電容，P27000電源直接采用合并單元柜直流220 V電源；Rd為合并單元等效負(fù)載值。ST1閉合時(shí)，模擬合并單元整體故障(柜內(nèi)所有配置裝置全部失電或短路)，斷開時(shí)設(shè)備正常運(yùn)行；St1閉合時(shí)，模擬僅合并單元裝置故障；柜內(nèi)其他設(shè)備均正常，斷開時(shí)，設(shè)備正常運(yùn)行。同理模擬設(shè)備狀態(tài)如下：ST2、St2和ST3、St3分別代表第2和第3套采樣設(shè)備回路相應(yīng)故障模擬開關(guān)。

建立上述電路仿真模型，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)如下。

當(dāng)0 s8 s時(shí)，合并單元柜A整體故障，另外2套合并單元正常運(yùn)行。合并單元C的仿真波形如圖11所示。

由圖11可知，當(dāng)4 s

圖11　合并單元C采樣仿真波形

2.2　光電隔離法

相較于變壓器耦合隔離法，光電隔離方式成本更低，而且通過(guò)合理設(shè)計(jì)同樣可以實(shí)現(xiàn)高精度的信號(hào)隔離，是一種很實(shí)用的模擬信號(hào)隔離方式[7]。

HCNR201是目前被普遍使用的一款主流高精度線性光耦，其由HP公司推出，成本低，線性度、穩(wěn)定性較高，高達(dá)1 MHz的帶寬，配合不同的分立元件，最高可實(shí)現(xiàn)1 414 V電壓隔離[8-11]。

輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)電壓-電流轉(zhuǎn)換，當(dāng)LED中流過(guò)電流IF時(shí)，其所發(fā)的光會(huì)在PD1和PD2中感應(yīng)出正比于LED發(fā)光強(qiáng)度的光電流IPD1、IPD2，其中IF、IPD1、IPD2滿足以下關(guān)系[12]:

IPD1=K1IF

(1)

IPD2=K2IF

(2)

(3)

式中：K1、K2分別為輸入、輸出光電二極管的電流傳輸比，其典型值約為0.5%。因?yàn)镮F一般在1～20 mA之間，所以IPD1、IPD2一般在50 μA以下，K被定義為傳輸增益，K的典型值為1±0.05。

如圖12所示，同樣一次側(cè)分壓回路及電壓合并單元裝置保持不變，低壓臂輸出的100 V信號(hào)經(jīng)3塊阻容分壓板(配置在電壓轉(zhuǎn)接柜內(nèi))分別輸出3 V模擬信號(hào)，再分別經(jīng)光電隔離-放大裝置(配置在合并單元柜內(nèi))后輸出，供對(duì)應(yīng)的合并單元采樣，轉(zhuǎn)換為光信號(hào)后供各自對(duì)應(yīng)的直流控保及錄波設(shè)備采用。

圖12　直流分壓器二次側(cè)隔離分壓原理圖

上述3條分壓-光電隔離-放大回路配置完全相同，仍以第1套設(shè)備為例，設(shè)計(jì)電路如圖13所示。

U12為直流分壓器低壓臂電壓輸出端模擬信號(hào);U13為阻容分壓板1輸出端模擬信號(hào)，R11、R12為誤差<±1%的精密電阻;C11、C12誤差<±1%的無(wú)感電容。RC配置需滿足R11×C11=R12×C12。

圖13　阻容分壓原理

光電隔離放大裝置原理圖如圖14所示。圖中運(yùn)放A1配置于電壓轉(zhuǎn)接柜，電源由轉(zhuǎn)接柜直流電源經(jīng)DC-DC電源轉(zhuǎn)換模塊提供，A2配置于合并單元柜，電源由合并單元柜直流電源經(jīng)DC-DC電源轉(zhuǎn)換模塊提供，VD1為2.4 V穩(wěn)壓管。

圖14　光電隔離裝置原理

Rd為合并單元正常運(yùn)行時(shí)的等效負(fù)載值，STx和Stx(x=1,2,3)功能同圖11。

根據(jù)運(yùn)算放大器“虛短”和“虛斷”原理，聯(lián)立式(1)、(2)、(3)可得：

(4)

(5)

(6)

其中Uout1為合并單元A輸入電壓信號(hào)，同理：

(7)

設(shè)備仿真狀態(tài)同方法2.1，合并單元C波形如圖15所示。

圖15　合并單元C采樣仿真波形

由仿真可知，上述方案改造后，由于LED和PD1、PD2之間的光電隔離，完全阻斷了隔離裝置輸入與輸出端間的物理干擾途經(jīng)，不論是單套或2套合并單元僅裝置故障，還是合并單元柜整體故障，其他正常運(yùn)行的設(shè)備均可測(cè)量到實(shí)際正常電壓值，相互之間完全隔離、獨(dú)立，互不影響，真正達(dá)到了“三取二”冗余配置的技術(shù)要求。

2.3　霍爾傳感器隔離法

為便于柔直換流站設(shè)備日常維護(hù)維護(hù)，同時(shí)兼顧測(cè)量精度、性能及經(jīng)濟(jì)成本，選擇LEM公司生產(chǎn)的LV100型閉環(huán)霍爾電壓傳感器，其可以測(cè)量任意波形的電流和電壓，具有測(cè)量準(zhǔn)確、精度高、安裝方便的特點(diǎn)，其工作原理由文獻(xiàn)[13-14]詳細(xì)可知。

基于LV100的直流分壓器二次分壓采樣原理如圖16所示。

直流分壓器低壓臂輸出100 V模擬信號(hào)，經(jīng)3個(gè)相同的霍爾電壓傳隔離分壓器(在電壓轉(zhuǎn)接柜中)采樣，轉(zhuǎn)化為3 V模擬信號(hào)，再分別經(jīng)信號(hào)放大裝置(在合并單元柜中)，轉(zhuǎn)化為6 V模擬信號(hào)分別供對(duì)應(yīng)的合并單元采樣轉(zhuǎn)化為光信號(hào)輸出。

3條采樣回路完全相同，仍以第1條采樣回路為例，電路如圖17所示。其中，R1為1%高精度可調(diào)電阻，與LV100內(nèi)阻配合，將分壓器低壓臂輸出U13電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為其典型電流值，LV100的±15 V由電壓轉(zhuǎn)接柜220 V直流電源轉(zhuǎn)換所得。

圖16　基于LV100的二次分壓采樣原理圖

調(diào)節(jié)原副邊線圈匝數(shù)比：

n=3∶1

(8)

則原邊電流：

(9)

副邊電流：

(10)

圖17　基于LV100的隔離采樣電路

由“虛短”和“虛斷”原理可知：

UM=IsRM1

(11)

(12)

聯(lián)立式(8)—(12)，可得：

Uout=6 V

(13)

開關(guān)STx、Stx(x=1,2,3)以及負(fù)載Rd同圖14,開關(guān)S閉合時(shí)模擬LV100輸入端故障，反之設(shè)備正常，t<10 s時(shí)仿真設(shè)備狀態(tài)同方法2.1和2.2設(shè)置，t>10 s時(shí)，ST1和St1斷開，S閉合，合并單元C采樣電壓仿真波形如圖18所示。

圖18　合并單元C采樣仿真波形

由圖18仿真波形可知，由于LV100霍爾傳感器成功隔離了其輸入、輸出兩端的采樣回路，不論單套或2套合并單元僅采樣裝置本身故障，還是合并單元A整體故障，其他正常運(yùn)行的合并單元采樣值均不受其他異常設(shè)備的影響。同時(shí)，LV100原邊線圈等效負(fù)載很小，可忽略不計(jì)，電壓檢測(cè)不受其影響，最大限度從源頭截?cái)嗔?套合并單元采樣回路之間互相影響的路徑，徹底實(shí)現(xiàn)了彼此間的物理隔離。

3　結(jié)論

a. 3種隔離方法均達(dá)到了單套或多套合并單元僅裝置故障時(shí)，其他正常運(yùn)行設(shè)備合并單元采樣不受影響的設(shè)計(jì)要求。

b. 變壓器耦合法中，由于采用的P27000隔離放大器本身有一定輸入阻抗值[15]，且在正常和故障情況下對(duì)線路呈不同的負(fù)載值，導(dǎo)致當(dāng)其所在合并單元柜整體故障時(shí)，其本身輸入負(fù)載值變化較大，干擾了其他正常運(yùn)行設(shè)備的采樣值，因此設(shè)計(jì)上仍未完全滿足直流保護(hù)系統(tǒng)“三取二”的冗余配置要求。

c. 光電隔離法和霍爾傳感器隔離法仿真驗(yàn)證中，輸入端信號(hào)又不受輸出端負(fù)載的任何影響，實(shí)現(xiàn)了真正意義上傳輸路徑的物理隔離，再加上線性光耦和霍爾傳感器本身輸入阻抗很小[16-19]，相對(duì)直流分壓器低壓臂輸出端，其負(fù)載值可忽略不計(jì)，因此即使該隔離裝置本身故障，也不會(huì)對(duì)其他正常運(yùn)行設(shè)備造成實(shí)質(zhì)性的影響。

d. 3種方案中核心隔離器件的電源需同合并單元裝置電源同源、同檢，且應(yīng)共用電源空開為宜，否則，若隔離器件電源回路單獨(dú)故障，合并單元裝置及控保系統(tǒng)均無(wú)法檢測(cè)到，若此時(shí)合并單元裝置仍正常工作，輸出給控保系統(tǒng)的電壓信號(hào)為0，主備控制系統(tǒng)間將無(wú)法實(shí)現(xiàn)及時(shí)切換，而單套PPR 單純低電壓保護(hù)動(dòng)作經(jīng)三取二裝置判斷后不會(huì)出口跳閘，最終可能會(huì)導(dǎo)致誤控，損壞換流閥等重要設(shè)備。

e. 考慮到投運(yùn)工程現(xiàn)狀及電網(wǎng)負(fù)荷壓力、改造工期、經(jīng)濟(jì)成本等，本文從直流分壓器二次回路著手，提出了控保系統(tǒng)冗余設(shè)備間的互相干擾問(wèn)題的解決方案，為其他類似問(wèn)題提供了借鑒。同時(shí)，今后新建工程可考慮從直流分壓器一次側(cè)著手進(jìn)行改進(jìn)。

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