高壓直流輸電換流閥冷卻系統(tǒng)內(nèi)外冷通信優(yōu)化方案

張琳琳，馬根坡，羅永金

(許昌許繼晶銳科技有限公司，河南 許昌 461000)

0 引言

目前，在高壓直流輸電 (high-voltage direct current，HVDC)[1-3]工程中，換流閥冷卻系統(tǒng)根據(jù)其冷卻水循環(huán)回路的不同，分為內(nèi)冷系統(tǒng)和外冷系統(tǒng)[3]。由于閥冷系統(tǒng)的內(nèi)外冷換熱設(shè)備在距離上分布較遠(yuǎn)，因此換流站在土建設(shè)計(jì)及施工時(shí)，一般將內(nèi)冷與外冷控制系統(tǒng)分開(kāi)放置，并通過(guò)冗余通信光纖實(shí)現(xiàn)內(nèi)冷和外冷系統(tǒng)通信數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交互。根據(jù)已投運(yùn)換流站反饋的閥冷系統(tǒng)運(yùn)行狀況及歷年消缺清單可知，上述通信配置方式易受到通信設(shè)備故障、光纖斷裂或外力損壞等因素的影響，給換流閥的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致?lián)Q流閥閉鎖或停機(jī)。

以錦屏換流站為例。該站曾出現(xiàn)內(nèi)外冷控制系統(tǒng)之間通信中斷現(xiàn)象，導(dǎo)致外冷系統(tǒng)的重要換熱設(shè)備如冷卻風(fēng)機(jī)、噴淋泵等設(shè)備停運(yùn)，換流閥的進(jìn)閥溫度急劇上升，一度逼近其可承受進(jìn)閥溫度的上限[4]。因此，如何有效提高內(nèi)外冷控制系統(tǒng)之間通信的可靠性，并防止通信故障時(shí)閥冷系統(tǒng)失去外冷的冷卻能力，已成為目前亟需解決的問(wèn)題。鑒于此，本文給出了一種適用于該通信配置方式的優(yōu)化方案。該方案首先實(shí)時(shí)檢測(cè)內(nèi)外冷控制系統(tǒng)之間的光纖通信狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)到通信中斷后通過(guò)快速響應(yīng)回路迅速作出響應(yīng)，并通過(guò)控制中間繼電器啟動(dòng)外冷系統(tǒng)的換熱設(shè)備，進(jìn)而保證閥冷系統(tǒng)的冷卻能力正常。

1 換流閥冷卻控制系統(tǒng)

在閥冷系統(tǒng)中，內(nèi)冷系統(tǒng)是一個(gè)密閉的循環(huán)系統(tǒng)。其主要是在主泵的驅(qū)動(dòng)下，通過(guò)內(nèi)冷水的循環(huán)流動(dòng)帶走換流閥產(chǎn)生的熱量。外冷系統(tǒng)則是一個(gè)開(kāi)放的循環(huán)系統(tǒng)。其主要是通過(guò)閉式冷卻塔或空冷器等換熱設(shè)備對(duì)升溫后內(nèi)冷水進(jìn)行冷卻，達(dá)到降低內(nèi)冷水溫度的目的[3-6]。內(nèi)冷系統(tǒng)主要由主泵、三通回路(一般環(huán)境溫度低于-5 ℃的地區(qū)采用)、電加熱器、穩(wěn)壓裝置、補(bǔ)水裝置及去離子裝置等部分組成[5-6]；外冷系統(tǒng)主要由噴淋泵、冷卻風(fēng)機(jī)、外冷水處理回路、排水裝置等部分組成。內(nèi)冷系統(tǒng)通過(guò)與外冷系統(tǒng)的共同作用，保證內(nèi)冷水進(jìn)閥溫度、壓力、流量及電導(dǎo)率等重要參數(shù)值穩(wěn)定在給定的范圍內(nèi)，以滿足換流閥的穩(wěn)定運(yùn)行需求。

閥冷控制系統(tǒng)是保證閥冷系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的大腦。其主要由CPU、I/O、接口模塊以及光電轉(zhuǎn)換等模塊組成，且上述模塊均為冗余配置。閥冷控制系統(tǒng)功能構(gòu)架如圖1所示。

圖1 閥冷控制系統(tǒng)功能構(gòu)架圖

由圖1可知，整個(gè)閥冷控制系統(tǒng)可分為獨(dú)立完整A和B控制系統(tǒng)(均具有各自的內(nèi)冷控制系統(tǒng)和外冷控制系統(tǒng)，內(nèi)外冷控制系統(tǒng)通過(guò)通信光纖進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換)，且A與B兩個(gè)控制系統(tǒng)CPU之間通過(guò)同步光纖進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。閥冷控制系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，兩個(gè)控制系統(tǒng)一個(gè)為主系統(tǒng)，另一個(gè)為備用系統(tǒng)，從而構(gòu)成一個(gè)完整的冗余系統(tǒng)。當(dāng)運(yùn)行的主系統(tǒng)故障時(shí)，閥冷控制系統(tǒng)將自動(dòng)無(wú)縫切換至備用系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行，且保證控制系統(tǒng)與設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

對(duì)單一控制系統(tǒng)而言，CPU模塊主要負(fù)責(zé)內(nèi)外冷控制系統(tǒng)I/O信號(hào)處理、邏輯運(yùn)算、與內(nèi)冷人機(jī)接口通信、與外冷控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互，并與控制保護(hù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互等任務(wù)。外冷控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是就近采集外冷系統(tǒng)的輸入信號(hào)，并通過(guò)通信光纖將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送至CPU中進(jìn)行處理。同時(shí)，系統(tǒng)實(shí)時(shí)接收CPU下發(fā)的輸出信號(hào)，并與外冷人機(jī)接口的數(shù)據(jù)交互。如此操作以保證整個(gè)閥冷系統(tǒng)安全、可靠、穩(wěn)定地運(yùn)行。

2 內(nèi)外冷控制系統(tǒng)通信易出現(xiàn)故障點(diǎn)分析

由上述部分可知，在閥冷控制系統(tǒng)中，內(nèi)外冷控制系統(tǒng)通過(guò)冗余光纖實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互。其中，內(nèi)冷A控制系統(tǒng)與外冷A控制系統(tǒng)通過(guò)光纖A進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，內(nèi)冷B控制系統(tǒng)與外冷B控制系統(tǒng)通過(guò)光纖B進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。閥冷控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互環(huán)節(jié)可分為上傳送和下發(fā)環(huán)節(jié)，其上送和下發(fā)環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)流具體如下。

上送：外冷控制系統(tǒng)→外冷光電通信模塊→光纖→內(nèi)冷光電通信模塊→CPU。

下發(fā)：CPU→內(nèi)冷光電通信模塊→光纖→外冷光電通信模塊→外冷控制系統(tǒng)。

在不考慮冗余配置CPU故障的情況下，影響內(nèi)外冷控制系統(tǒng)之間通信可靠性的設(shè)備因素主要為光電通信模塊和光纖。因此，當(dāng)出現(xiàn)以下任意一種工況時(shí)，均會(huì)導(dǎo)致內(nèi)外冷控制系統(tǒng)之間通信中斷。

①內(nèi)外冷控制系統(tǒng)通信的冗余光纖均發(fā)生斷裂或故障。

②內(nèi)冷控制系統(tǒng)的光電通信模塊均出現(xiàn)失電、供電擾動(dòng)或本體故障等現(xiàn)象。

③外冷控制系統(tǒng)的光電通信模塊均出現(xiàn)失電、供電擾動(dòng)或本體故障等現(xiàn)象。

④A控制系統(tǒng)的通信光纖發(fā)生斷裂或故障，且B控制系統(tǒng)的光電通信模塊出現(xiàn)失電、供電擾動(dòng)或本體故障等現(xiàn)象。

⑤B控制系統(tǒng)的通信光纖發(fā)生斷裂或故障，且A控制系統(tǒng)的光電通信模塊失電或出現(xiàn)故障。

在上述5種易導(dǎo)致通信故障的工況中，換流站曾發(fā)生通信光纖故障和光電通信模塊故障的現(xiàn)象，導(dǎo)致外冷系統(tǒng)換熱設(shè)備停運(yùn)，給換流閥的安全運(yùn)行帶來(lái)重大隱患。尤其是通信光纖，其在進(jìn)行設(shè)備維護(hù)時(shí)極易導(dǎo)致光纖接頭接觸不良、松動(dòng)、以及光纖破損等現(xiàn)象，以及在長(zhǎng)距離傳輸中易出現(xiàn)受外力擠壓，動(dòng)物撕咬等現(xiàn)象。因此，針對(duì)當(dāng)前內(nèi)外冷控制系統(tǒng)之間光纖通信發(fā)生故障的問(wèn)題，本文給出了具體的優(yōu)化解決方案。

3 內(nèi)外冷控制系統(tǒng)通信優(yōu)化方案

本文綜合考慮了目前閥冷控制系統(tǒng)的具體硬件設(shè)備配置方式，以及現(xiàn)有電氣控制單元柜中的空間情況，從實(shí)際的通信優(yōu)化需求出發(fā)，給出了一種可行性較高且經(jīng)濟(jì)實(shí)用的優(yōu)化方案，從而提高內(nèi)外冷控制系統(tǒng)之間通信的可靠性。下面將從內(nèi)外冷控制系統(tǒng)之間的光纖通信故障檢測(cè)、通信故障快速響應(yīng)以及軟件控制功能實(shí)現(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

3.1 通信故障檢測(cè)回路

為有效檢測(cè)內(nèi)外冷控制系統(tǒng)之間的光纖通信是否正常，本文在冗余配置的A與B控制系統(tǒng)的外冷控制系統(tǒng)中，均配置有光纖通信故障檢測(cè)KSA和KSB，且該繼電器由外冷控制系統(tǒng)的開(kāi)出模塊進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。內(nèi)外冷控制系統(tǒng)通信故障檢測(cè)功能如圖2所示。

圖2 內(nèi)外冷控制系統(tǒng)通信故障檢測(cè)功能框圖

由圖2可知，閥冷控制系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，其實(shí)時(shí)且不間斷地檢測(cè)內(nèi)外冷控制系統(tǒng)之間的光纖通信狀況。對(duì)于A和B控制系統(tǒng)，當(dāng)兩者的內(nèi)外冷控制系統(tǒng)之間光纖通信均正常時(shí)，開(kāi)出模塊DOA與DOB對(duì)應(yīng)的輸出均有效，故障檢測(cè)繼電器KSA和KSB均帶電閉合(A控制系統(tǒng)對(duì)應(yīng)KSA，B控制系統(tǒng)對(duì)應(yīng)KSB)，且與之對(duì)應(yīng)的輸出常閉接點(diǎn)均斷開(kāi)，通信故障快速響應(yīng)控制回路將不動(dòng)作。當(dāng)出現(xiàn)內(nèi)外冷控制系統(tǒng)之間光纖通信故障時(shí)，開(kāi)出模塊DOA或DOB對(duì)應(yīng)的輸出無(wú)效，且對(duì)應(yīng)故障檢測(cè)繼電器KSA或KSB將失電斷開(kāi)，然后與之對(duì)應(yīng)的輸出常閉接點(diǎn)將閉合。

同理，當(dāng)兩者的內(nèi)外冷控制系統(tǒng)之間光纖通信均故障時(shí)，開(kāi)出模塊DOA與DOB對(duì)應(yīng)的輸出均無(wú)效，故障檢測(cè)繼電器均斷開(kāi)，且與之對(duì)應(yīng)的輸出常閉接點(diǎn)均閉合，從而驅(qū)動(dòng)通信故障快速響應(yīng)控制回路迅速做出動(dòng)作。如此操作，可達(dá)到光纖通信故障快速檢測(cè)的目的。

3.2 通信故障響應(yīng)控制回路

當(dāng)通信故障檢測(cè)回路的KSA和KSB繼電器均因?yàn)楣饫w通信故障而失電斷開(kāi)時(shí)，其將驅(qū)動(dòng)通信故障快速響應(yīng)控制回路做出相應(yīng)動(dòng)作，以保證正在運(yùn)行的重要設(shè)備(如外冷交流電源、噴淋泵、冷卻風(fēng)機(jī)等)不會(huì)因失去CPU的控制而導(dǎo)致停機(jī)或失電。通信故障快速響應(yīng)控制回路如圖3所示。

圖3 通信故障快速響應(yīng)控制回路

由圖3可知，通信故障快速響應(yīng)控制回路首先將故障檢測(cè)繼電器KSA與KSB 常閉接點(diǎn)串聯(lián)，然后再分別驅(qū)動(dòng)KA1～KAn、KB1～KBn兩組中間繼電器做出相應(yīng)動(dòng)作。其中：KA1～KAn、KB1～KBn分別是外冷控制系統(tǒng)A和B的交流進(jìn)線及交流負(fù)載的中間繼電器；n為通信故障快速響應(yīng)控制回路需要控制的設(shè)備數(shù)目。

如此操作，可有效解決內(nèi)外冷控制系統(tǒng)因光纖通信故障導(dǎo)致的外冷交流電源失電問(wèn)題，以及外冷換熱設(shè)備失去控制導(dǎo)致的外冷失去冷卻能力問(wèn)題。此外，為了便于對(duì)通信回路進(jìn)行設(shè)備維護(hù)，在通信故障快速響應(yīng)控制回路中設(shè)置有SA控制開(kāi)關(guān)。當(dāng)閥冷系統(tǒng)進(jìn)行檢修維護(hù)時(shí)，可將此SA控制開(kāi)關(guān)旋轉(zhuǎn)至維護(hù)位置，此時(shí)通信故障快速響回路將退出控制。

同時(shí)，外冷控制系統(tǒng)的通信故障檢測(cè)與快速響應(yīng)回路采用了雙回路 24 VDC供電。即在A和B外冷控制系統(tǒng)的檢測(cè)與快速響應(yīng)供電回路中，均分別采用了一路24 VDC電源控制，以防止因單24 VDC電源擾動(dòng)或故障導(dǎo)致失去對(duì)控制繼電器的控制。如此設(shè)計(jì)極大地提高了控制系統(tǒng)檢測(cè)與快速響應(yīng)回路的可靠性與穩(wěn)定性。

3.3 軟件控制功能實(shí)現(xiàn)

為實(shí)現(xiàn)內(nèi)外冷控制系統(tǒng)之間通信故障檢測(cè)回路和通信故障快速響應(yīng)控制回路動(dòng)作的有效性和及時(shí)性，在閥冷控制系統(tǒng)的PLC軟件中進(jìn)行了如下配置。

首先，在西門子S7-400H系列PLC的冗余CPU中配置光纖通信故障檢測(cè)的周期中斷函數(shù)塊OB32，且配置中斷周期為10 ms(可設(shè)置)。通過(guò)該操作，可實(shí)現(xiàn)光纖通信故障檢測(cè)的及時(shí)性。

在OB32組織模塊中，調(diào)用設(shè)計(jì)的通信故障檢測(cè)功能塊FC125，且將內(nèi)外冷控制系統(tǒng)之間實(shí)時(shí)的光纖通信狀態(tài)存放在DB101數(shù)據(jù)塊中。當(dāng)檢測(cè)到有內(nèi)外冷控制系統(tǒng)之間光纖通信出現(xiàn)故障時(shí)，將對(duì)應(yīng)的故障檢測(cè)繼電器KSA或KSB閉合。當(dāng)KSA和KSB均閉合時(shí)，將驅(qū)動(dòng)通信故障快速響應(yīng)控制回路動(dòng)作。如此操作，可實(shí)現(xiàn)通信故障檢測(cè)和響應(yīng)回路的有效性與及時(shí)性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的優(yōu)化方案能夠?qū)崟r(shí)且快速地檢測(cè)內(nèi)外冷控制系統(tǒng)之間光纖通信狀態(tài)。當(dāng)A、B控制系統(tǒng)均發(fā)生內(nèi)外冷光纖通信故障時(shí)，通信故障檢測(cè)繼電器將迅速作出動(dòng)作且驅(qū)動(dòng)中間繼電器控制外冷換熱設(shè)備及供電電源，從而保證外冷系統(tǒng)的正常運(yùn)行。如此操作，可從根本上解決閥內(nèi)外冷控制系統(tǒng)之間的光纖通信故障導(dǎo)致外冷系統(tǒng)失去冷卻能力的問(wèn)題，進(jìn)而避免了換流閥停運(yùn)造成的直接經(jīng)濟(jì)損失。目前，該優(yōu)化方案已成功應(yīng)用于國(guó)家電網(wǎng)公司多個(gè)直流輸電工程中(錦屏-蘇南±800 kV、哈鄭±800 kV、溪浙±800 kV)，且具有良好的檢測(cè)準(zhǔn)確性和運(yùn)行可靠性。