銀川東換流站直流功率回降原因分析及改進措施

劉亮，吳明凱，陸洪建，安燕杰，王曉東

（國網(wǎng)寧夏電力有限公司超高壓公司，寧夏 銀川 750011）

0 引言

直流換流站在運行過程中消耗的無功功率約占有功功率的40%～60%，因此對無功功率的控制尤為重要。其控制邏輯的最高級為絕對濾波器最小組數(shù)，功能為防止濾波器過負荷[1～4]，如果現(xiàn)場實際工況不滿足絕對最小濾波器組數(shù)要求，將導(dǎo)致直流功率回降，甚至導(dǎo)致直流閉鎖。無功控制投切濾波器命令由直流站控主機下發(fā)，經(jīng)由光纖、PROFIBUS現(xiàn)場總線等發(fā)送至現(xiàn)一次設(shè)備，實現(xiàn)交流濾波器分合閘。通過對銀川東換流站直流站控與交流濾波器斷路器通信鏈路瞬時堵塞導(dǎo)致連續(xù)切除同類型濾波器引起功率回降事故進行分析，明確了連續(xù)切除同類型濾波器的故障原因及通信鏈路阻塞原因，并提出了具體的無功控制邏輯修改措施，能夠有效避免因通信鏈路堵塞導(dǎo)致連續(xù)切除同類型濾波器事件再次發(fā)生，對直流輸電工程建設(shè)及地區(qū)電網(wǎng)無功就地平衡具有參考意義。

1 功率回降情況概述

銀川東換流站控制保護系統(tǒng)由控制系統(tǒng)（包括極控系統(tǒng)、站控系統(tǒng)）、保護系統(tǒng)（包括直流保護、直流濾波器保護、換流變壓器保護、交流濾波器保護）及測控系統(tǒng)等組成[5]。其中無功控制策略的判斷與執(zhí)行由直流站控系統(tǒng)負責(zé)，控制系統(tǒng)采用HCM200硬件平臺，軟件平臺采用STRUCG可視化圖形編程工具，控制系統(tǒng)按照完全雙重化原則配置。目前，銀川東換流站配置了14組交流濾波器[5～6]。

故障發(fā)生前銀川東直流為雙極大地回線運行方式，無功控制方式為Q控制模式（Qcontrol），直流輸送有功功率按照調(diào)度計劃曲線從4 000 MW降至1 600 MW；交流濾波器為三組HP11/13（3613、3624、3633）、三組HP24/36（3614、3625、3634）及一組HP3（3615）運行，無功控制限制為2A+2B，其中A代表HP11/13型濾波器，B代表HP24/36型濾波器。如圖1所示，當有功功率下降至2 500 MW左右時，Qcontrol切除3634交流濾波器，約520 ms后，Qcontrol再次切除3625交流濾波器。直流站控15 s后發(fā)出“最小濾波器不滿足”，30 s后發(fā)出“絕對最小濾波器不滿足”指令，回降有功功率約600 MW。

圖1 實際功率變化節(jié)點

2 功率回降原因分析

2.1 無功控制Q控制邏輯策略

在無功控制策略中，Qcontrol根據(jù)當前的無功交換值Q來投切濾波器，控制無功交換值在設(shè)定的目標值的范圍內(nèi)。以銀川東換流站為例，全壓運行情況下，每一組交流濾波器提供的無功功率為150 Mvar，直流站控主機根據(jù)投入濾波器的組數(shù)計算出交流濾波器提供的總無功功率，再減去極Ⅰ、極Ⅱ換流器及低壓電抗器消耗的無功功率，即得到無功補償值，計算公式為

式中:QACF為交流濾波器提供的無功功率，QWT1,act為極Ⅰ換流器實際消耗的無功功率，QWT2,act為極Ⅱ換流器實際消耗的無功功率，QL1、QL2分別為兩組低抗消耗的無功功率，Qsyst為無功補償值。

無功補償值作用于濾波器的投切，如果Qset-Qsyst＞Qdset時，延時投入一組濾波器；如果Qsyst-Qset＞Qdset時，延時切除一組濾波器。

其中Qset為運行人員手動整定的無功參考值，銀川東換流站設(shè)定為-180 Mvar；Qdset為死區(qū)值，銀川東站為112 Mvar。即當Qsyst＜-292 Mvar時，延時投入一組濾波器，當Qsyst＞-68 Mvar時，延時切除一組濾波器。

2.2 3634交流濾波器切除原因分析

后臺執(zhí)行有功功率由4 000 MW（16：00）降至1 600 MW（18：00）過程中，無功補償值大于設(shè)定上限值切除濾波器，站控主A系統(tǒng)在17：26：06：420下發(fā)“無功Qcontrol切除濾波器電容器組”命令，系統(tǒng)正確執(zhí)行并切除3634交流濾波器。

2.3 連續(xù)切除同類型濾波器（HP24/36）原因分析

無功Qcontrol在切除3634交流濾波器后，直流站控主A系統(tǒng)約520 ms后再次下發(fā)“無功Qcontrol切除濾波器電容器組”，現(xiàn)場執(zhí)行切除3625（HP24/36）交流濾波器的命令。

對無功控制程序梳理，總結(jié)交流濾波器切除程序邏輯為系統(tǒng)交換無功功率大于-68 Mvar時，Qcontrol延時5 s切除一組濾波器。Qcontrol切除濾波器命令最終通過“或”邏輯模塊輸出DECF_ORD信號。該信號與濾波器切除優(yōu)先級選擇模塊共同作用，判斷并下發(fā)切除具體濾波器的命令。其中，直流站控軟件根據(jù)濾波器開關(guān)位置狀態(tài)確定在投交流濾波器的數(shù)量變動，判斷是否有交流濾波器切除。若有濾波器切除，則在10 s內(nèi)閉鎖Qcontrol切除下一組濾波器請求，1 s內(nèi)閉鎖Umax/Umin切濾波器請求和Qmax切濾波器請求。此外，直流站控根據(jù)直流功率計算各類型交流濾波器理論投入數(shù)量，只有當該類型交流濾波器實際投入數(shù)量大于理論投入數(shù)量，才允許Qcontrol切除該類型濾波器，即切除該類型濾波器后，在投的濾波器仍滿足絕對最小濾波器組數(shù)要求，補發(fā)切除交流濾波器命令邏輯如圖2所示。

圖2 補發(fā)切除交流濾波器命令邏輯

綜合分析故障事件時序，相鄰兩次投切同類型濾波器的時間間隔僅為520 ms而非10 s，且切除濾波器后造成絕對最小濾波器功能不滿足。因此根據(jù)上述程序確定誤切的原因為主系統(tǒng)在第一次Qcontrol下發(fā)切除濾波器命令后，由于通信鏈路阻塞，未在400 ms內(nèi)收到該組濾波器分位信號，站控系統(tǒng)判斷該組濾波器未能正常切除，Qcontrol再次下發(fā)切除同類型濾波器命令，第二組濾波器切除后分位信號返回正常且在此期間第一組濾波器分位信號返回，直流站控判斷兩組濾波器均切除，絕對最小濾波器不滿足引起功率回降。

2.4 功率回降原因分析

通信鏈路恢復(fù)后，主系統(tǒng)判3634、3625濾波器已切除，實際投入濾波器為2A+B，此時功率運行水平約為2 489 MW。絕對最小濾波器策略見表1[6～8]。

表1 雙極全壓絕對最小濾波器策略

當前功率水平需求應(yīng)為2A+2B，由于不滿足絕對最小濾波器要求且無該類型濾波器可投入（3634、3625濾波器需放電3 min，無法立即投入），執(zhí)行功率回降命令，參考值為2 000 MW。為防止無功功率在臨界點波動，導(dǎo)致濾波器頻繁投切，程序中設(shè)置了50 MW裕度，因此實際功率參考值為1 950 MW（見圖3）。

通過上述分析，判斷連續(xù)切除同類型濾波器故障原因為DFU410測控裝置與直流站控主系統(tǒng)的通信鏈路瞬時阻塞，導(dǎo)致直流站控主機未在400 ms內(nèi)收到濾波器分位信號，進而引起功率回降。

3 通信鏈路傳輸阻塞分析

3.1 通信鏈路簡述

3634斷路器的分合閘由330 kV第2繼電器小室濾波器就地接口屏A204就地測控裝置（20號站）具體控制。直流站控系統(tǒng)到A204裝置的通信路徑如圖4所示，直流站控系統(tǒng)下發(fā)的分閘命令由HCM200控制平臺中通信板卡SS52通過PROFIBUS現(xiàn)場總線傳輸至站控屏內(nèi)光電轉(zhuǎn)換模塊(optical link modules，OLM），再通過光纖環(huán)網(wǎng)傳輸至32繼電小室OLM模塊，該OLM模塊通過現(xiàn)場總線將命令信號傳輸至A204裝置通信板卡，A204裝置開入的斷路器位置信號同樣通過該鏈路傳回直流站控系統(tǒng)[9]。

圖4 直流站控系統(tǒng)到就地測控裝置通信路徑

3.2 通信鏈路瞬時阻塞原因分析

3.2.1 光電轉(zhuǎn)換模塊OLM異常分析

OLM是PROFIBUS光電轉(zhuǎn)換模塊，用于構(gòu)成光纖環(huán)網(wǎng)（如圖4）。任意一個OLM設(shè)備的兩路光纖都有數(shù)據(jù)，內(nèi)部有優(yōu)先級的偵測機制，采用先到達該設(shè)備的合法數(shù)據(jù)判斷OLM設(shè)備及光纖環(huán)網(wǎng)無異常。

3.2.2 測控裝置DFU410通信板卡異常分析

根據(jù)后臺報文事件記錄，可判斷直流站控系統(tǒng)發(fā)出命令到開關(guān)分位信號返回測控裝置的時間差值在157 ms（圖5中1、2、3、4、5部分），符合實際運行狀況，判斷DFU410開入和開出插件運行正常，但對COMM總線通信板卡進行電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗時發(fā)現(xiàn)測試結(jié)果異常，導(dǎo)致通信延時。

圖5 命令發(fā)出至分位信號返回測控裝置

3.2.3 SS52通信板卡異常分析

SS52主站板卡通過電纜雙絞線和OLM連接，然后通過光纖和各個小室的OLM通信，如圖6所示。

圖6 主站與從站輪詢通信

SS52主站板卡采用依次輪詢的方式和每個DFU410從站通信。從第一個從站設(shè)備輪詢至最后一個從站設(shè)備所需要的時間為單次通信的最小時間[10]。當SS52運行狀況不正常時將導(dǎo)致本次輪詢中某個從站設(shè)備收不到最新的數(shù)據(jù)，從而導(dǎo)致DFU410裝置發(fā)出的設(shè)備狀態(tài)信號返回延時，對SS52通信板卡進行電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗發(fā)現(xiàn)測試結(jié)果異常，因此SS52板卡存在異常導(dǎo)致整個通信鏈路堵塞。

因此綜合分析判斷通信鏈路瞬時阻塞的原因為DFU410裝置COMM通信板卡及HCM200控制平臺SS52板卡異常。

4 改進措施

4.1 硬件改進措施

現(xiàn)場對DFU410裝置COMM通信板卡及HCM200直流站控主機SS52板卡進行更換。更換后對整個通信鏈路延時進行測試，當3612、3621、3622濾波器開關(guān)變位時站控主機CPU板卡和PROFIBUS總線之間的通信延時為129 ms、111 ms、149 ms，在正常延時波動范圍內(nèi)。站控主機發(fā)令時PROFIBUS總線和測控裝置返回變位信息延時分別為74 ms、93 ms、92 ms，該時間差為主機發(fā)令報文、開關(guān)變位報文出現(xiàn)在現(xiàn)場總線上的時間，紅色箭頭所示的2→3→4→5→6→7在正常延時波動范圍內(nèi)（見圖7）。

圖7 命令發(fā)出至分位信號返回測控裝置

考慮到銀東工程投運時間已超過12年，直流控保相關(guān)板卡出現(xiàn)不同程度的老化情況，對站內(nèi)老舊板卡進行升級更換，從硬件上降低事故發(fā)生機率，提高設(shè)備運行可靠性。

4.2 軟件改進措施

考慮直流控制系統(tǒng)為雙系統(tǒng)冗余配置（見圖8），為防止因單套系統(tǒng)通信故障造成連續(xù)切除同類型交流濾波器情況的發(fā)生，提出軟件改進措施：當直流站控主機發(fā)出交流濾波器切除指令后計時400 ms，期間若未收到開關(guān)合位消失和分位產(chǎn)生信號，則報軟件故障并切換控制系統(tǒng)，若最新的主系統(tǒng)也未收到開關(guān)合位消失和分位產(chǎn)生信號，則由新主系統(tǒng)補發(fā)切除上一組濾波器的命令并重新開始計時，500 ms后若仍未收到開關(guān)合位消失和分位產(chǎn)生信號，則判斷為開關(guān)故障，此時由主系統(tǒng)下發(fā)切除下一組同類型濾波器的命令。

圖8 雙系統(tǒng)冗余配置

通過對無功控制邏輯進行修改，增加系統(tǒng)切換功能及增加延時裕度，能夠有效避免因通信鏈路阻塞引起連續(xù)切除同類型濾波器的異常情況發(fā)生。

5 結(jié)語

本文針對銀川東換流站連續(xù)切除同類型濾波器導(dǎo)致功率回降事故，從無功控制邏輯與投切濾波器的通信鏈路進行分析，最終明確了連續(xù)切除同類型濾波器的故障原因及通信鏈路阻塞原因。通過對無功控制邏輯軟件優(yōu)化及硬件設(shè)備更換，解決了通信鏈路瞬時堵塞導(dǎo)致連續(xù)切除同類型濾波器的問題。本文提出的改進措施可在一定程度上減少早期直流工程無功投切由于硬件運行時間過長、部分元器件老化、軟件邏輯存在缺陷引起的直流功率回降偶發(fā)現(xiàn)象，從而減少由于直流功率回降引起的電網(wǎng)波動。