直流工程逆變站過零點(diǎn)測(cè)量故障改進(jìn)方案

楊克虎，楊壽源，張瓊，王明江

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司楚雄供電局，云南 楚雄 675000）

0 前言

某直流工程短期內(nèi)連續(xù)兩次因過零點(diǎn)測(cè)量故障導(dǎo)致直流系統(tǒng)ESOF。本文通過分析故障，提出了一個(gè)有效的改進(jìn)方案并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該方案的實(shí)施解決了因測(cè)量系統(tǒng)電流過零點(diǎn)故障導(dǎo)致的直流閉鎖事故。方案也可為其他直流工程提供借鑒參考。

1 故障描述

本文以雙極運(yùn)行過程中極1ESOF 故障分析為例。該直流工程雙極500 WM 功率送電期間逆變站出現(xiàn)極1ESOF。具體工作站SER 報(bào)文記錄如圖1。

由上述SER 事件可知，極1 系統(tǒng)1 的電流過零信號(hào)故障導(dǎo)致了本系統(tǒng)軟件故障并發(fā)生主從系統(tǒng)切換。在極1 系統(tǒng)2 切換為主系統(tǒng)200 ms 后也產(chǎn)生電流過零信號(hào)故障從而導(dǎo)致極1 系統(tǒng)2 軟件故障。最終由于極1 兩套系統(tǒng)均不OK 啟動(dòng)極控切換邏輯跳閘。

圖1 極1ESOF時(shí)工作站SER記錄

2 故障初步分析

極1ESOF 時(shí)刻故障錄波如下所示：

圖2-1 極1ESOF時(shí)外置故障錄波波形

圖2-2 極1ESOF時(shí)極1系統(tǒng)1內(nèi)置故障錄波波形

圖2-3 極1ESOF時(shí)極1系統(tǒng)2內(nèi)置故障錄波波形

由圖2-1 可知，極控ESOF 之前交流進(jìn)線三相電壓正常無畸變；由圖2-2 可知，在極1 系統(tǒng)1 為主系統(tǒng)且未發(fā)生系統(tǒng)切換之前EOC_D3_FLT（D3 橋臂電流過零故障脈寬）最長持續(xù)脈寬為250 ms，極控程序判斷逆變站主系統(tǒng)發(fā)生電流過零故障脈寬超過200 ms 時(shí)判定本系統(tǒng)軟件故障（整流站電流過零故障持續(xù)30 s 判斷極控軟件故障，逆變站極控主系統(tǒng)電流過零故障持續(xù)200 ms、從系統(tǒng)電流過零故障持續(xù)30 s 時(shí)判定極控軟件故障），因此極1 系統(tǒng)1 軟件不OK 導(dǎo)致系統(tǒng)切換。由圖2-3 可知極1 系統(tǒng)2 切換為主系統(tǒng)到本系統(tǒng)ESOF 產(chǎn)生出現(xiàn)了EOC_Y1_FLT 最長持續(xù)脈寬為210 ms，此時(shí)極1 系統(tǒng)2 判定軟件故障，從而極1 兩套系統(tǒng)均故障導(dǎo)致極控切換邏輯跳閘ESOF 產(chǎn)生。

3 故障定位

由于電流過零信號(hào)故障判據(jù)為某一閥片的電壓過零信號(hào)先于電流過零信號(hào)產(chǎn)生，由錄波文件可知極1ESOF 之前交流電壓未發(fā)生畸變。為進(jìn)一步確定問題原因，將極控ESP 板卡接收來自 VBE 的12 路電流過零信號(hào)和極控程序自身判斷的12 路電壓過零信號(hào)引入極控內(nèi)置故障錄波進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)將任意一路電流過零故障產(chǎn)生作為觸發(fā)極控內(nèi)置故障錄波的條件。

4 故障錄波分析

極控電流過零故障觸發(fā)的內(nèi)置故障錄波如下所示：

圖4 極1系統(tǒng)2電流過零故障內(nèi)置故障錄波波形

圖4 錄波文件中，狀態(tài)量由上到下EOC_Y1_FLT～EOC_D6_FLT 為12 路 電 流 過 零 故 障信 號(hào)；ACF1_2_CL～BLOCK_DCPR 為12 路電 壓 過 零 信 號(hào)（Y1-Y6，D1-D6)；Gamma_Ctrl～PSD_ACT 為12 路電流過零信號(hào)（Y1-Y6，D1-D6)；由波形可知，在Y2、D3 發(fā)生電流過零故障期間，對(duì)應(yīng)的電流過零信號(hào)脈沖正常而電壓過零信號(hào)則出現(xiàn)了不同程度的畸變，故判定是由于Y2、D3 閥片的電壓過零信號(hào)產(chǎn)生錯(cuò)誤引起對(duì)應(yīng)閥片的電流過零故障。

5 故障錄波驗(yàn)證

極控連續(xù)報(bào)電流過零故障期間，通過示波器錄制電壓波形，通過測(cè)試設(shè)備模擬現(xiàn)場(chǎng)故障。

故障模擬方案：通過RTDS 裝置在同步電壓的過零點(diǎn)附近疊加幅值約80 mv，周期20-30μs 的諧波信號(hào)，持續(xù)時(shí)間為1 ms。具體如圖5-1 所示。此時(shí)檢測(cè)設(shè)備檢測(cè)到的電壓過零信號(hào)如圖5-2 中黃色波形所示。

圖5-1 同步電壓疊加干擾信號(hào)波形

圖5-2 硬件檢測(cè)到的電壓過零信號(hào)

由圖5-2 可見,由于疊加了諧波信號(hào),硬件電路在電壓過零點(diǎn)附近可以檢測(cè)到多個(gè)過零脈沖,該脈沖是用于熄弧角檢測(cè)的一個(gè)判據(jù)，如果該脈沖在同一個(gè)周波多次出現(xiàn)，控制系統(tǒng)必然會(huì)發(fā)出電流過零故障的事件。針對(duì)上述現(xiàn)象，我們?cè)谲浖性黾恿塑浖V波，濾波前后波形對(duì)比如圖5-3 所示。

圖5-3 濾波前后波形對(duì)比

通過示波器對(duì)比濾波前后的波形，其中藍(lán)色波形表示疊加了諧波的電壓過零信號(hào)，可見有多個(gè)脈沖，黃色波形為經(jīng)過軟件濾波后輸出的波形，正是這個(gè)波形將用于后續(xù)的熄弧角測(cè)量。經(jīng)過濾波后的電壓過零信號(hào)實(shí)測(cè)波形仍然為10 ms 有效寬度，可見該方法不會(huì)造成電壓過零信號(hào)延時(shí)，因此不會(huì)影響熄弧角測(cè)量精度。

6 程序改進(jìn)處理

圖6-1 電壓過零檢測(cè)邏輯改進(jìn)前邏輯框圖

圖6-2 電壓過零檢測(cè)邏輯改進(jìn)后邏輯框圖

為了能有效濾除諧波，且更大程度保證熄弧角測(cè)量的準(zhǔn)確性，我們通過增加軟件濾波的方式來解決問題。實(shí)施方案如圖6-2 所示。每個(gè)周波內(nèi)當(dāng)檢測(cè)到類似①波形所示電壓過零信號(hào)（無論是正常的電壓過零或是收到干擾的包含多個(gè)脈沖的過零信號(hào)）時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)一次RS觸發(fā)器，同時(shí)啟動(dòng)一個(gè)1 ms 的計(jì)數(shù)器，在1 ms時(shí)間范圍內(nèi)，RS 觸發(fā)器的輸出始終為有效高電平，直到計(jì)數(shù)器截止復(fù)位RS 觸發(fā)器，此時(shí)觸發(fā)器輸出一個(gè)類似②波形的脈沖。該脈沖與檢測(cè)到的①原始電壓過零信號(hào)進(jìn)行邏輯或操作之后產(chǎn)生一個(gè)沒有任何干擾的類似③波形的信號(hào)，該信號(hào)用于熄弧角的測(cè)量。該功能的主要作用就是可以有效濾除電壓過零點(diǎn)附件的多個(gè)干擾脈沖，使其只能輸出一個(gè)有效脈沖，且相對(duì)于真實(shí)信號(hào)沒有延時(shí)，可以保證熄弧角的測(cè)量精度。

7 極控程序改進(jìn)處理

為了方便檢測(cè)電壓過零，電流過零，Y/Y，Y/Δ 相位差等信息，特在極控程序中將12 路電壓過零信號(hào)和12 路電流過零信號(hào)引入極控裝置內(nèi)置故障錄波（采樣周期0.625 ms），極控程序改進(jìn)方案如下：

圖7-1 極控程序改進(jìn)前

圖7-2 極控程序改進(jìn)后

8 驗(yàn)證試驗(yàn)

在極控處理器板卡中對(duì)程序進(jìn)行改進(jìn)后，我們還進(jìn)行了以下幾項(xiàng)驗(yàn)證試驗(yàn)，故障錄波文件中U1 至U6 為星星變換流器六路電流過零信號(hào)，U7 至U12 為星角變換流器六路電流過零信號(hào)；I1 至I6 為星星變換流器六路電壓過零信號(hào)，I7 至I12 為星角變換流器六路電壓過零信號(hào)。

8.1 升功率過程中分接頭動(dòng)作熄弧角變化

三相同步電壓，換流變閥側(cè)電流波形，電壓過零，電流過零等信號(hào)如下圖。

圖8-1 升功率過程波形——電壓電流

圖8-2 升功率過程波形——12路EOC故障信號(hào)及熄弧角

上圖第一欄為Y 橋六個(gè)電流過零故障信號(hào)，第二欄為D 橋六個(gè)電流過零故障信號(hào)，最后一欄是熄弧角，約在18 度。

圖8-3 升功率過程波形——電壓過零及電流過零信號(hào)

上圖為Y 橋六個(gè)閥的電壓過零和電流過零共12 個(gè)信號(hào)，實(shí)際計(jì)算熄弧角時(shí)利用的是信號(hào)的翻轉(zhuǎn)時(shí)刻，故無需在意信號(hào)是高電平還是低電平。試驗(yàn)過程中，電壓過零及電流過零信號(hào)都可以正確檢測(cè)到。電流過零故障信息一直為0，沒有故障發(fā)生。圖中U1-U6 為Y 側(cè)6 路電流過零信號(hào)，正常情況下每周波可以檢測(cè)到一個(gè)150μs 的脈沖，為了有效記錄波形，將該波形的每一個(gè)上升沿作為一個(gè)錄波波形的翻轉(zhuǎn)時(shí)刻，錄波圖中每個(gè)脈沖的上升沿及下降沿都代表一個(gè)有效的電流過零信號(hào)。正常情況下脈沖寬度20ms，占空比50%。如果脈沖超過20 ms，則認(rèn)為有丟失脈沖的情況。

I1-I6 為Y 側(cè)6 路電壓過零信號(hào)，正常情況下每周波可以檢測(cè)到一個(gè)10 ms 脈沖，為了有效記錄波形，將該波形的每一個(gè)上升沿作為一個(gè)錄波波形的翻轉(zhuǎn)時(shí)刻，錄波圖中每個(gè)脈沖的上升沿及下降沿都代表一個(gè)有效的電壓過零信號(hào)。正常情況下錄波脈沖寬度20 ms，占空比50%。如果脈沖超過20 ms，則認(rèn)為有丟失脈沖的情況。

如圖8-3 所示，系統(tǒng)運(yùn)行正常。

8.2 逆變站單相接地故障1500 MW試驗(yàn)項(xiàng)目

試驗(yàn)波形

圖8-4 單相接地故障波形——電壓電流

圖8-5 單相接地故障波形——12 路 EOC 故障信號(hào)及熄弧角

圖8-6 單相接地故障波形——電壓過零及電流過零信號(hào)

如圖，在1500 MW 工況下，啟動(dòng)單相接地故障，故障時(shí)熄弧角測(cè)量功能可以正確響應(yīng)。

8.3 脈沖丟失故障

圖8-7 脈沖丟失波形-電壓電流

圖8-8 脈沖丟失波形-12 路EOC故障信號(hào)及熄弧角

圖8-9 脈沖丟失波形——電壓過零及電流過零信號(hào)

如圖為單相脈沖丟失80 ms 后的波形，此期間電流過零和電壓過零故障能正確檢測(cè)到，熄弧角測(cè)量及控制均作出了正確的響應(yīng)。

9 驗(yàn)證結(jié)論

經(jīng)過故障模擬找到了故障原因，針對(duì)原有電壓過零信號(hào)添加了濾波環(huán)節(jié)，不僅有效的消除了電壓過零信號(hào)的抖動(dòng)，且對(duì)電壓過零信號(hào)沒有延遲，保證了熄弧角的計(jì)算精度。經(jīng)過正常情況下的升降功率過程及非正常情況下的交流單相接地試驗(yàn)及脈沖丟失試驗(yàn)，證明了該方案能保證熄弧角的正確計(jì)算，能有效解決直流工程中電流過零測(cè)量受同步電壓過零點(diǎn)附近干擾而報(bào)故障的問題。后續(xù)工程運(yùn)行中未再出現(xiàn)過電流過零故障也實(shí)際驗(yàn)證了該方案的有效性。