背靠背直流單元控制系統(tǒng)故障研究分析

桂輝陽 江海 褚海洋 宋海彬 包也

摘要：背靠背直流單元控制系統(tǒng)包括常規(guī)直流的極控制和換流器控制，是常規(guī)直流控制核心，主要實(shí)現(xiàn)換流站觸發(fā)控制（CFC）、電壓控制（Voltage Control）、換流變分接頭（TCC）等控制，以及大角度監(jiān)視（HAS）、閥丟脈沖檢測（VMP）等監(jiān)視。本文以魯西換流站常規(guī)直流背靠背單元為載體，研究單元控制系統(tǒng)故障引起的直流閉鎖事件。

關(guān)鍵詞：背靠背;單元控制系統(tǒng);魯西換流站

Abstract： the back-to-back DC unit control system includes the pole control and converter control of conventional DC， which is the core of conventional DC control. It mainly realizes the control of converter station trigger control （CFC）， voltage control （voltage control）， converter tap （TCC）， as well as large angle monitoring （has）， valve loss pulse detection （VMP）. This paper takes the conventional DC back-to-back unit of Luxi converter station as the carrier to study the DC blocking event caused by unit control system fault.

Key words：back to back; unit control system; Luxi converter station

直流單元控制系統(tǒng)按雙重化冗余結(jié)構(gòu)配置，即從采樣單元、傳送數(shù)據(jù)總線、主設(shè)備到控制出口按完全雙重化原則配置，確保任何單一設(shè)備故障不影響直流系統(tǒng)的正常運(yùn)行。背靠背換流單元的整流側(cè)和逆變側(cè)控制系統(tǒng)統(tǒng)一設(shè)計(jì)，兩側(cè)控制系統(tǒng)共用主機(jī)。本文以魯西換流站常規(guī)直流為載體，并根據(jù)魯西換流站一起因控制系統(tǒng)雙OFF故障引起的直流閉鎖事件為依托，深入分析直流跳閘原因及控制系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的重要作用。

1、控制系統(tǒng)基本功能配置及原理

1.1單元控制配置及原理

常規(guī)背靠背換流站整流側(cè)和逆變側(cè)的控制系統(tǒng)統(tǒng)一設(shè)計(jì)，整流側(cè)和逆變側(cè)的控制軟件配置在同一臺控制器內(nèi)。常規(guī)直流單元控制系統(tǒng)從硬件結(jié)構(gòu)上可分為兩部分：常規(guī)直流單元控制主機(jī)，完成直流控制系統(tǒng)的各項(xiàng)控制功能，完成與閥控接口裝置（VBC）接口，以及實(shí)現(xiàn)與站LAN網(wǎng)、故障錄波、直流系統(tǒng)保護(hù)、主時鐘和測量系統(tǒng)的接口。I/O接口設(shè)備，完成常規(guī)直流單元控制系統(tǒng)所需要的各種模擬量和狀態(tài)量的采集，實(shí)現(xiàn)與閥冷卻控制保護(hù)子系統(tǒng)（CCP）、換流變就地控制設(shè)備、以及閥廳接口?？刂乒δ芨鶕?jù)背靠背兩側(cè)系統(tǒng)情況配置相應(yīng)的控制參數(shù)，既能運(yùn)行在功率正送方式，也能運(yùn)行在功率倒送方式。其配置的主要功能如圖1。

正常工況下，整流側(cè)通過快速調(diào)節(jié)Alpha角來保持直流電流恒定;逆變側(cè)用Gamma角控制來控制直流電壓恒定。額定Alpha角為15°，Gamma角最低限制為17°。與快速控制相配合的換流變抽頭的慢速控制策略為：正常工況下，整流側(cè)抽頭控制Alpha角為（15°±2.5°），逆變側(cè)抽頭控制Gamma為（19.5°±2°）?？刂葡到y(tǒng)中設(shè)有過電壓限幅環(huán)節(jié)對過高的直流電壓進(jìn)行限幅，避免直流設(shè)備承受過應(yīng)力而損壞。兩側(cè)的電流閉環(huán)控制器協(xié)調(diào)配合，使得在正常運(yùn)行工況下，整流側(cè)控制電流，逆變側(cè)確定電壓。在交流電壓異常的情況下，逆變側(cè)可能獲得電流控制權(quán)。此時，整流側(cè)運(yùn)行在Alpha Min控制，逆變側(cè)的閉環(huán)電流調(diào)節(jié)器控制電流。在背靠背換流站中，整流側(cè)和逆變側(cè)配置獨(dú)立的12脈動閥組控制。兩側(cè)的閥組控制根據(jù)系統(tǒng)情況配置不同的控制參數(shù)。無論是云南側(cè)還是廣西側(cè)的閥組控制均能適用于整流運(yùn)行和逆變運(yùn)行。根據(jù)基本控制策略，閥組控制包括以下三個基本控制器：

（1）閉環(huán)電流調(diào)節(jié)器;

（2）電壓調(diào)節(jié)器;

（3）修正的Gamma控制器。

在閥組控制中對整流和逆變運(yùn)行配置不同的參數(shù)，使得在實(shí)際運(yùn)行中整流側(cè)和逆變側(cè)由不同的調(diào)節(jié)器起作用，從而實(shí)現(xiàn)希望的Ud/Id特性曲線。

1.2閥控配置及原理

控制保護(hù)設(shè)備（PCP）和閥控設(shè)備（VCE）A、B系統(tǒng)之間采用一對一光纖連接，即PCP 系統(tǒng)A對應(yīng)VCE系統(tǒng)A，PCP 系統(tǒng)B對應(yīng)VCE系統(tǒng)B，信號連接如圖2。

閥控故障（VCE_REDAY）產(chǎn)生條件：

輸入到閥控裝置的控制信號異常，包括：Energized、DBLK、ACTIVE信號;

（1）FCS信號丟失時間≥60ms;

（2）閥控機(jī)箱板卡異常;

（3）內(nèi)部機(jī)箱通信和狀態(tài)信號異常。

主備重疊報警產(chǎn)生原理：

閥控系統(tǒng)在換流變充電后（Energized信號為有效），且主、備信號無異常時，對主、備信號有效狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視。當(dāng)主備信號同時為主或同時為備超過1ms，閥控系統(tǒng)產(chǎn)生報警事件。

1.3單元控制系統(tǒng)常見故障

直流單元控制系統(tǒng)故障等級定義為輕微故障，嚴(yán)重故障和緊急故障。其中，輕微故障是不會對正常功率輸送產(chǎn)生危害的故障，因此輕微故障不會引起任何控制功能的不可用。發(fā)生嚴(yán)重故障的系統(tǒng)在另一系統(tǒng)可用的情況下退出運(yùn)行，若另一系統(tǒng)不可用，則該系統(tǒng)還可以繼續(xù)維持運(yùn)行。發(fā)生緊急故障的系統(tǒng)將無法繼續(xù)控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行。單元控制系統(tǒng)常見故障如表1。

1）輕微故障處理：當(dāng)ACTIVE系統(tǒng)發(fā)生輕微故障時，而另一系統(tǒng)處于STANDBY狀態(tài)，并且無輕微故障，則系統(tǒng)切換;當(dāng)STANDBY系統(tǒng)發(fā)生輕微故障時，系統(tǒng)不切換。

2）嚴(yán)重故障的處理：當(dāng)ACTIVE系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重故障時，如果另一系統(tǒng)處于STANDBY狀態(tài)，則系統(tǒng)切換。當(dāng)ACTIVE系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重故障時，而另一系統(tǒng)不可用時，則當(dāng)前系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行，并發(fā)出告警;當(dāng)STANDBY系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重故障時，STANDBY系統(tǒng)應(yīng)退出STANDBY狀態(tài)，進(jìn)入OFF狀態(tài)，等待檢修;

3）緊急故障處理：當(dāng)ACTIVE系統(tǒng)發(fā)生緊急故障時，如果另一系統(tǒng)處于STANDBY狀態(tài)，則系統(tǒng)切換，先前的ACTIVE系統(tǒng)進(jìn)入OFF狀態(tài)，等待檢修。當(dāng)ACTIVE系統(tǒng)發(fā)生緊急故障時，如果另一系統(tǒng)不可用，則閉鎖功能，跳斷路器。當(dāng)STANDBY系統(tǒng)發(fā)生緊急故障時，STANDBY系統(tǒng)退出STANDBY狀態(tài)，進(jìn)入OFF狀態(tài)，等待檢修。

2、控制系統(tǒng)故障導(dǎo)致直流閉鎖原因分析

2.1故障過程

閥控設(shè)備A系統(tǒng)報“5號機(jī)箱插件異?！?，直流系統(tǒng)緊急故障，控制系統(tǒng)A退出運(yùn)行，切換B系統(tǒng)為值班系統(tǒng)。切換系統(tǒng)10秒后，控制系統(tǒng)再次監(jiān)測到云南側(cè)閥控設(shè)備B系統(tǒng)VCE_REDAY信號無效，直流系統(tǒng)緊急閉鎖。閉鎖過程中閥控產(chǎn)生 “極控主備信號重疊過長”報警事件。

2.2故障分析

2.2.1系統(tǒng)切換問題分析

通過分析控制系統(tǒng)切換時刻，控制系統(tǒng)和閥控錄波，觀察閥控狀態(tài)，可確認(rèn)系統(tǒng)切換是由于閥控插件異常引起。分析控制系統(tǒng)切換時刻控制系統(tǒng)波形，系統(tǒng)切換前后，一次設(shè)備運(yùn)行正常未出現(xiàn)過壓、過流、換流閥觸發(fā)異?，F(xiàn)象，過程詳見圖3。

分析控制系統(tǒng)切換時刻控制邏輯時序，時序?yàn)椋嚎刂葡到y(tǒng)A監(jiān)視到閥控A系統(tǒng)VCE_READY信號無效，置控制系統(tǒng)為off狀態(tài)，并退出值班狀態(tài)運(yùn)行。如圖4。

分析閥控A5機(jī)箱A系統(tǒng)切換時刻錄波數(shù)據(jù)，如圖5所示。觀察到閥控產(chǎn)生VCE_READY信號無效后，系統(tǒng)退出值班狀態(tài)。故障現(xiàn)象與控制系統(tǒng)錄波一致。分析后臺OWS事件，系統(tǒng)切換時云南側(cè)閥控設(shè)備A系統(tǒng)報 “5號機(jī)箱插件異?！薄；谝陨戏治?，可確認(rèn)單元二14時59分01秒系統(tǒng)切換，是由于閥控A5機(jī)箱B15位置LR板A系統(tǒng)故障導(dǎo)致。

2.2.2 系統(tǒng)閉鎖問題分析

分析14時59分11秒控制系統(tǒng)閉鎖時刻，控制系統(tǒng)、閥控錄波和OWS事件信息，結(jié)合閥控系統(tǒng)VCE_REDAY信號產(chǎn)生原理，可確認(rèn)系統(tǒng)閉鎖是由于切換為主運(yùn)的B套閥控輸出VCE_REDAY信號異常導(dǎo)致。

系統(tǒng)閉鎖時控制系統(tǒng)B系統(tǒng)錄波如圖6所示。通過波形可觀察到，當(dāng)控制系統(tǒng)監(jiān)視到云南側(cè)閥控B系統(tǒng)VCE_REDAY信號無效時，由于A系統(tǒng)為OFF狀態(tài)，啟動了系統(tǒng)緊急閉鎖。

閉鎖時序?yàn)椋嚎刂葡到y(tǒng)監(jiān)視到閥控VCE_REDAY信號無效，控制閥控接口單元為OFF狀態(tài)，并控制云南側(cè)和廣西側(cè)系統(tǒng)退出值班狀態(tài)、解鎖信號DEBLOCK信號無效、50ms后置換流變充電Energized信號無效。

分析閥控所有機(jī)箱系統(tǒng)閉鎖時刻（14時59分11秒）錄波數(shù)據(jù)，觀察到A5機(jī)箱B系統(tǒng)VCE_REDAY信號存在瞬時性波動（該信號為閥控機(jī)箱B系統(tǒng)MC板輸出），其他機(jī)箱無異常。閥控控制時序與控制系統(tǒng)閉鎖時序一致，于云南側(cè)閥控A5機(jī)箱B系統(tǒng)輸出VCE_REDAY信號異常，導(dǎo)致系統(tǒng)緊急閉鎖。在此期間，由于閥控接收到A、B系統(tǒng)同為備達(dá)到50ms，因此閥控報“極控主備信號重疊過長”報警事件。

對云南側(cè)閥控A5機(jī)箱板卡進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)B15 LR板A系統(tǒng)電源串聯(lián)電感損壞，導(dǎo)致輸入電源斷開，如圖7。檢查其他板未發(fā)現(xiàn)異常。對故障LR板進(jìn)行更換，更換后A套系統(tǒng)故障恢復(fù)正常。

閥控和系統(tǒng)錄波顯示，控制系統(tǒng)閉鎖前，直流系統(tǒng)閉鎖時序正常，一次設(shè)備未出現(xiàn)過壓、過流、換流閥未觸發(fā)現(xiàn)象。閥控系統(tǒng)未監(jiān)視到控制信號Energized、DBLK、ACTIVE無效，F(xiàn)CS信號丟失，觸發(fā)脈沖輸出正常;可確定閉鎖前未出現(xiàn)控制信號、FCS信號丟失。觀察OWS事件信息和閥控運(yùn)行狀態(tài)，閉鎖時閥控B系統(tǒng)未上報插件異常和機(jī)箱通訊異常事件?？纱_定閉鎖前閥控未監(jiān)測到插件異常和機(jī)箱通訊異常。觀察閉鎖時閥控錄波，觀察到閥控MC板輸出的VCE_REDAY信號存在大量擾動信號，信號無效時刻與系統(tǒng)閉鎖時刻一致?；谝陨戏治?，此次系統(tǒng)閉鎖為閥控B系統(tǒng)的輸出狀態(tài)信號異常導(dǎo)致。

A套閥控系統(tǒng)和B套閥控系統(tǒng)的光接收回路為同一塊光接收板卡，兩個光接收硬件回路上的電感元件距離較近，故障時刻A套閥控電感元件的外絕緣透明護(hù)套被燒融，燒融后高溫物質(zhì)落在B套閥控電感元件上，引起電子元器件及回路工作異常，導(dǎo)致B套系統(tǒng)輸出的“Ready OK”高電平丟失。B套系統(tǒng)輸出的“Ready OK”高電平出現(xiàn)瞬時（μs級）丟失的現(xiàn)象，由裝置邏輯判斷異常并輸出低電平的時間應(yīng)該在ms級，因此可能存在B套系統(tǒng)輸出“Ready OK”的MC控制板硬件回路異常所致。從故障錄波來看，跳閘后該板卡輸出的“Ready OK”信號又恢復(fù)正常，應(yīng)為瞬時異常

3 結(jié)論及建議

通過以上問題分析與定位，閥控A5機(jī)箱B15位置LR板電源故障導(dǎo)致直流系統(tǒng)A系統(tǒng)退出運(yùn)行，控制系統(tǒng)切換邏輯正常，切換后10秒內(nèi)直流系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，但由于閥控A5機(jī)箱B系統(tǒng)MC板VCE_REDAY信號輸出異常導(dǎo)致直流系統(tǒng)緊急閉鎖。針對以上問題建議對可能存在異常的閥控系統(tǒng)A5機(jī)箱MC控制板進(jìn)行更換，設(shè)計(jì)閥控機(jī)箱LR控接收板時A、B套電感元件應(yīng)保留一定的距離，避免單個故障影響另一套電感原件。

單元控制系統(tǒng)是背靠背直流系統(tǒng)的核心組成部分，其安全穩(wěn)定運(yùn)行決定了直流系統(tǒng)可靠性，本文根據(jù)魯西背靠背直流工程運(yùn)行過程中出現(xiàn)過的故障，重點(diǎn)分析了單元控制系統(tǒng)雙套故障導(dǎo)致直流單元閉鎖過程及原因，為提高背靠背直流安全穩(wěn)定運(yùn)行、確保直流系統(tǒng)可用率打下基礎(chǔ)，對其他類似故障提供了一定的運(yùn)行維護(hù)參考。

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作者簡介：桂輝陽（1993），男，工程師，工學(xué)學(xué)士，變電運(yùn)維、調(diào)度運(yùn)行。