基于PLC控制的換流站閥冷卻系統(tǒng)保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)技術(shù)研發(fā)

劉釗，史磊，李昊，葉太陽(yáng)

(1.國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司，寧夏 銀川 750001；2.廣州高瀾節(jié)能技術(shù)股份有限公司，廣東 廣州 510633)

換流閥是直流輸電工程的核心設(shè)備，閥冷卻系統(tǒng)是換流閥的重要組成部分[1]。為保證閥冷卻系統(tǒng)在全生命周期內(nèi)的可靠性，換流站需每年對(duì)換流閥冷卻系統(tǒng)保護(hù)功能進(jìn)行校驗(yàn)。目前現(xiàn)場(chǎng)采用修改保護(hù)定值或使用人工調(diào)節(jié)電位計(jì)模擬儀表動(dòng)作值進(jìn)行保護(hù)檢驗(yàn)的方法，存在可參考性低、耗時(shí)長(zhǎng)、難以進(jìn)行整組測(cè)試等問(wèn)題，因此，本文提出1種采用PLC控制[2]替代人工調(diào)節(jié)電位計(jì)的閥冷卻系統(tǒng)保護(hù)校驗(yàn)方法以供借鑒。

1 目前現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)方法存在的問(wèn)題

目前，換流站閥冷系統(tǒng)保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)采用修改保護(hù)定值和人工調(diào)節(jié)電位器的方法：修改保護(hù)定值法即通過(guò)修改閥冷卻系統(tǒng)保護(hù)的定值至校驗(yàn)時(shí)閥冷系統(tǒng)的實(shí)際流量、壓力、液位或溫度能夠滿足動(dòng)作的大小時(shí)，驗(yàn)證系統(tǒng)保護(hù)邏輯是否能夠正確動(dòng)作；人工調(diào)節(jié)電位器法即在閥冷系統(tǒng)控制保護(hù)屏柜中隔離系統(tǒng)的流量、壓力、液位或溫度傳感器后使用電位器模擬4～20 mA電流量，進(jìn)而調(diào)整對(duì)應(yīng)傳感器在閥冷系統(tǒng)中的數(shù)值?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過(guò)程中，這2種方法均存在缺陷。

1.1 修改保護(hù)定值方法可參考性低

修改保護(hù)定值進(jìn)行閥冷卻系統(tǒng)的保護(hù)功能校驗(yàn)是參考閥冷卻系統(tǒng)啟動(dòng)后再校驗(yàn)時(shí)的實(shí)際運(yùn)行流量、壓力、液位和溫度，并針對(duì)上述實(shí)際運(yùn)行值直接將保護(hù)系統(tǒng)內(nèi)的各類保護(hù)定值修改至低于或高于實(shí)際運(yùn)行值，從而滿足保護(hù)動(dòng)作條件，如表1所示。該方法只能驗(yàn)證在修改后的定值條件下，保護(hù)的邏輯能否可靠動(dòng)作，修改后的定值與真實(shí)定值普遍存在較大的偏差，無(wú)法驗(yàn)證當(dāng)閥冷卻系統(tǒng)故障時(shí)的運(yùn)行參數(shù)達(dá)到調(diào)度下發(fā)的保護(hù)定值時(shí)是否可靠動(dòng)作，因此可參考性較低。

表1 修改保護(hù)定值保護(hù)功能校驗(yàn)數(shù)據(jù)

1.2 人工調(diào)節(jié)電位器方法耗時(shí)長(zhǎng)

人工調(diào)節(jié)電位器方法需要對(duì)閥冷卻系統(tǒng)控制保護(hù)屏柜中的各類流量、壓力、液位和溫度變送器進(jìn)行隔離，然后將電位器接入系統(tǒng)中，通過(guò)人工旋動(dòng)調(diào)節(jié)電位器模擬4～20 mA電流量。對(duì)上述傳感器的隔離及接線需要耗費(fèi)大量時(shí)間進(jìn)行。表2為該方法校驗(yàn)保護(hù)所需時(shí)間的分步統(tǒng)計(jì)。

表2 人工調(diào)整電位器校驗(yàn)保護(hù)分步耗時(shí)統(tǒng)計(jì)

1.3 2種方法均無(wú)法整組進(jìn)行測(cè)試

修改保護(hù)定值法或人工調(diào)節(jié)電位器校驗(yàn)法均需在閥冷系統(tǒng)啟動(dòng)后才能進(jìn)行，且每次只能進(jìn)行一類保護(hù)功能校驗(yàn)，保護(hù)動(dòng)作停運(yùn)閥冷系統(tǒng)。每套閥冷系統(tǒng)共含有4類保護(hù)，因此需要多次啟、停主循環(huán)泵來(lái)逐類開(kāi)展保護(hù)校驗(yàn)。頻繁啟、停主循環(huán)泵會(huì)損壞機(jī)封導(dǎo)致漏水，因此每類保護(hù)校驗(yàn)結(jié)束停泵后需間隔15 min才能再次啟泵，因此4類保護(hù)無(wú)法在一次啟泵的情況下進(jìn)行整組測(cè)試。

針對(duì)上述問(wèn)題，研究設(shè)計(jì)1種基于PLC控制原理的換流站閥冷卻系統(tǒng)保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試裝置，可模擬主泵運(yùn)行狀態(tài)并計(jì)算設(shè)定換流閥冷卻系統(tǒng)各儀表數(shù)據(jù)，并輸出保護(hù)動(dòng)作值，使各項(xiàng)驗(yàn)證試驗(yàn)接近實(shí)際運(yùn)行工況，保證保護(hù)檢驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可靠性。

2 解決方案

2.1 閥冷卻系統(tǒng)構(gòu)成

2.1.1 密閉式水冷循環(huán)系統(tǒng)

換流閥水冷循環(huán)系統(tǒng)主要由內(nèi)、外冷水循環(huán)系統(tǒng)組成，其中內(nèi)冷水循環(huán)系統(tǒng)發(fā)揮主要作用。它的冷卻介質(zhì)(主要為純水)經(jīng)主循環(huán)泵升壓后，通過(guò)管道系統(tǒng)進(jìn)入室外散熱單元(空氣冷卻器或閉式冷卻塔)，由外冷水循環(huán)系統(tǒng)對(duì)冷卻介質(zhì)進(jìn)行降溫，帶出換流閥高功率密度器件的熱量，再將低溫的冷卻介質(zhì)流經(jīng)脫氣罐，送回主循環(huán)泵的入口處，形成密閉式循環(huán)冷卻回路[3]。

內(nèi)外冷水循環(huán)系統(tǒng)的互相配合，使換流站閥水冷處理系統(tǒng)保持循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。

圖1 閥冷卻系統(tǒng)工藝

2.1.2 控制保護(hù)系統(tǒng)

閥冷控制保護(hù)系統(tǒng)通常采用PLC作為控制器，對(duì)系統(tǒng)中主循環(huán)泵、空冷器風(fēng)機(jī)、補(bǔ)水泵、電加熱器等各級(jí)電單元和流量變送器、壓力變送器、液位變送器、溫度變送器等儀表傳感器進(jìn)行控制、保護(hù)與監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)閥冷卻系統(tǒng)的全自動(dòng)運(yùn)行[4]。當(dāng)監(jiān)測(cè)到閥冷卻系統(tǒng)的流量、壓力、液位或溫度等工況異常時(shí)發(fā)出告警信號(hào)，滿足保護(hù)跳閘邏輯時(shí)，閥冷控制保護(hù)系統(tǒng)向換流器控制系統(tǒng)發(fā)出請(qǐng)求閉鎖指令。

2.1.3 儀表系統(tǒng)

水冷系統(tǒng)管道內(nèi)的流量、壓力、液位、溫度等系統(tǒng)參數(shù)通過(guò)二線制儀表傳輸?shù)絇LC系統(tǒng)，形成4～20 mA電流環(huán)。二線制4～20 mA電路在應(yīng)用時(shí)，其工作電源和信號(hào)共用1根導(dǎo)線，工作電源由接收端提供[5]。

配置方面，閥冷控制保護(hù)系統(tǒng)CPU以及I/O模塊全部采用冗余配置。每個(gè)儀表的電流信號(hào)傳輸?shù)?套控制保護(hù)系統(tǒng)，通常在儀表和控制保護(hù)系統(tǒng)中間增加隔離轉(zhuǎn)換信號(hào)模塊，將1路4～20 mA電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成2路0～10 V電壓信號(hào)，輸入至2套模擬量I/O模塊中。閥冷控制保護(hù)系統(tǒng)對(duì)I/O模塊采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，從而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制保護(hù)功能。

圖2 閥冷卻系統(tǒng)儀表原理

2.2 設(shè)計(jì)思路

2.2.1 校驗(yàn)范圍

為保證換流閥的安全運(yùn)行，閥冷卻系統(tǒng)通常配置有溫度、流量、壓力、液位等保護(hù)[6]。本文設(shè)計(jì)的技術(shù)校驗(yàn)范圍包括進(jìn)閥溫度保護(hù)、冷卻水流量和進(jìn)閥壓力保護(hù)、膨脹罐液位保護(hù)和閥冷卻系統(tǒng)泄漏保護(hù)。閥冷卻系統(tǒng)中涉及跳閘的儀表均為三冗余配置，因此測(cè)試系統(tǒng)配置3個(gè)進(jìn)閥溫度，3個(gè)冷卻水流量，3個(gè)進(jìn)閥壓力和3個(gè)膨脹罐液位，共12個(gè)儀表模擬通道。

2.2.2 儀表模擬

不同類型的儀表或裝置，只要具有相同標(biāo)準(zhǔn)的輸入電路或接口，就具備從各類變送器獲得被測(cè)變量信息的功能[7]。根據(jù)閥冷卻系統(tǒng)儀表特點(diǎn)，由于PLC輸出有源信號(hào)，而二線制儀表接收無(wú)源信號(hào)，因此，系統(tǒng)需增加信號(hào)轉(zhuǎn)換器將PLC有源信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)4～20 mA無(wú)源信號(hào)，替代閥冷卻系統(tǒng)的流量、壓力、液位、溫度等傳感器[8]。其中，4 mA對(duì)應(yīng)儀表量程最小值，20 mA對(duì)應(yīng)儀表量程最大值?，F(xiàn)場(chǎng)根據(jù)需要可以對(duì)電流進(jìn)行平滑的控制，從而得到所需要的儀表傳感器輸出值，便于觸發(fā)定值和控制其它設(shè)備啟停。

2.2.3 測(cè)試裝置設(shè)計(jì)

測(cè)試裝置主要包含三部分硬件系統(tǒng)，第一部分為保護(hù)邏輯控制器以及人機(jī)界面，主要用于轉(zhuǎn)換保護(hù)定值與測(cè)試邏輯運(yùn)算，模擬現(xiàn)場(chǎng)儀表數(shù)據(jù)變化觸發(fā)的保護(hù)邏輯；第二部分為電阻模擬器以及測(cè)試接口，接入閥冷系統(tǒng)儀表端子接入點(diǎn)，將可變的電阻值轉(zhuǎn)換為現(xiàn)場(chǎng)儀表數(shù)據(jù)4～20 mA值，實(shí)時(shí)模擬換流閥冷卻系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行工況，同時(shí)對(duì)換流閥冷卻系統(tǒng)跳閘保護(hù)定值和邏輯進(jìn)行分析，在測(cè)試裝置中實(shí)現(xiàn)跳閘保護(hù)邏輯的測(cè)試功能；第三部分為通信報(bào)文接口，測(cè)試裝置可以通過(guò)Profibus總線接收閥冷系統(tǒng)上傳報(bào)文，測(cè)試裝置在自動(dòng)測(cè)試過(guò)程中，通過(guò)采集上來(lái)的信息進(jìn)行測(cè)試判斷，最終得出測(cè)試結(jié)論。

圖3 閥冷卻系統(tǒng)保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試原理

2.3 功能設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)換流閥冷卻系統(tǒng)各種工況下故障診斷、控制方式、儀表模擬、觸發(fā)閥冷保護(hù)邏輯等功能，本系統(tǒng)需要建立儀表參數(shù)設(shè)定、故障事件信息、測(cè)試功能模塊、模擬傳動(dòng)功能等4個(gè)單元，從而達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

圖4 閥冷保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)工藝流程

2.3.1 儀表參數(shù)設(shè)定

閥冷系統(tǒng)試驗(yàn)需要模擬故障前后系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，因此參數(shù)設(shè)定包括2部分，第1部分可通過(guò)設(shè)定主泵電機(jī)溫度、主泵出水壓力、進(jìn)閥壓力、冷卻水流量、進(jìn)閥溫度、膨脹罐液位等運(yùn)行參數(shù)來(lái)模擬閥冷系統(tǒng)的正常運(yùn)行狀態(tài)；第2部分可設(shè)定保護(hù)功能測(cè)試時(shí)的主泵出口壓力、主泵電機(jī)溫度、冷卻水流量、進(jìn)閥壓力、進(jìn)閥溫度等保護(hù)動(dòng)作值。當(dāng)閥冷系統(tǒng)啟動(dòng)后，測(cè)試系統(tǒng)會(huì)根據(jù)設(shè)定值模擬當(dāng)前狀態(tài)下的系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，點(diǎn)擊功能測(cè)試中的任意一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，測(cè)試裝置會(huì)輸出設(shè)定好的動(dòng)作值，使閥冷系統(tǒng)產(chǎn)生告警或保護(hù)動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)模擬功能以及保護(hù)功能驗(yàn)證。

圖5 閥冷保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定界面

2.3.2 事件信息

保護(hù)功能驗(yàn)證過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一些事件信息或系統(tǒng)告警，因此需要設(shè)定事件信息顯示功能，將產(chǎn)生的報(bào)警信息與實(shí)際冷卻系統(tǒng)產(chǎn)生預(yù)警信息進(jìn)行對(duì)比分析，判斷是否與測(cè)試預(yù)置邏輯一致。它包括狀態(tài)記錄和故障報(bào)文2部分，以及狀態(tài)或故障產(chǎn)生的時(shí)間、日期、狀態(tài)及文本4類信息。

2.3.3 測(cè)試功能塊

由于流量、壓力保護(hù)有3種判斷邏輯，需要對(duì)所有保護(hù)及告警功能選擇進(jìn)行詳細(xì)劃分，測(cè)試人員可根據(jù)工作需要選擇需要驗(yàn)證的保護(hù)功能，如：溫度超高跳閘測(cè)試，冷卻水流量低+進(jìn)閥壓力超低，冷卻水流量超度+進(jìn)閥壓力低跳閘，冷卻水流量超低+進(jìn)閥壓力高跳閘，膨脹罐液位超低跳閘，冷卻系統(tǒng)泄漏[9]等功能測(cè)試。

2.3.4 模擬傳動(dòng)

為了明確閥冷每一個(gè)信號(hào)產(chǎn)生的機(jī)理及意義，設(shè)置模擬傳動(dòng)模塊，通過(guò)總線讀取設(shè)備狀態(tài)，仿真輸出故障以及保護(hù)值進(jìn)行觸發(fā)切泵邏輯，做到無(wú)需真實(shí)啟動(dòng)主循環(huán)泵進(jìn)行邏輯驗(yàn)證。

圖6 閥冷保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)跳閘測(cè)試界面

3 應(yīng)用效果

基于PLC控制的換流站閥冷卻系統(tǒng)保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)裝置研制成功后，在國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司檢修公司所轄換流站進(jìn)行應(yīng)用，驗(yàn)證了保護(hù)校驗(yàn)裝置所有功能。

(1)根據(jù)調(diào)度下發(fā)保護(hù)定值單設(shè)定、輸出閥冷系統(tǒng)保護(hù)動(dòng)作值，確保閥冷系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)達(dá)到保護(hù)定值后可靠動(dòng)作，有效提升了閥冷系統(tǒng)保護(hù)校驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

(2)使用航空插頭設(shè)計(jì)，只需要將傳感器隔離后插入航空插頭即可開(kāi)展保護(hù)校驗(yàn)工作，原本3人開(kāi)展的閥冷系統(tǒng)保護(hù)校驗(yàn)工作，裝置應(yīng)用后只需要2人即可輕松完成，且單套閥冷系統(tǒng)保護(hù)校驗(yàn)時(shí)間由原來(lái)的2 h縮短至18 min。

(3)閥冷系統(tǒng)主泵運(yùn)行狀態(tài)模擬技術(shù)可有效避免保護(hù)測(cè)試過(guò)程中頻繁啟、停主泵導(dǎo)致機(jī)封漏水，同時(shí)，4類保護(hù)可在模擬主泵運(yùn)行狀態(tài)下一次完成，從而實(shí)現(xiàn)整組測(cè)試。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)并研制了1種基于PLC控制的換流站閥冷卻系統(tǒng)保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)裝置，該裝置的研制及應(yīng)用解決了原有修改定值或使用人工調(diào)節(jié)電位計(jì)模擬進(jìn)行保護(hù)檢驗(yàn)法存在可參考性低、耗時(shí)長(zhǎng)、難以進(jìn)行整組測(cè)試等問(wèn)題，有效縮短了保護(hù)校驗(yàn)工作時(shí)間，同時(shí)提高了保護(hù)校驗(yàn)的準(zhǔn)確性，進(jìn)一步提高了換流站閥冷系統(tǒng)保護(hù)的可靠性，為換流站閥冷系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。