±660 kV直流輸電工程換流閥控制系統的工作原理及工程應用

廖敏，藍元良，楊曉楠，袁洪濤，鄭林

(中國電力科學研究院，北京市，100192)

0 引言

寧東—山東±660 kV直流輸電工程西起銀川東換流站，東至青島換流站，輸電距離約1 335 km，直流額定電壓為±660 kV，直流額定電流3.030 kA，雙極輸送功率4 GW［1-2］。該工程充分利用西北地區水電容量和豐富的煤炭資源，可顯著提升能源資源優化配置能力，是貫徹落實“西部大開發”戰略、促進西部地區經濟發展的有效方式［3-5］。寧東—山東±660 kV直流輸電工程于2008年12月8日獲得發改委核準，于2008年12月15日正式開工，單極系統已于2010年11月28日正式投入商業運行，雙極系統計劃于2011年2月底投入運行。本文將主要就該輸電工程的換流閥控制系統部分進行重點分析與介紹。

1 閥控系統的工作原理及構成

1.1 功能概述

換流閥控制系統(簡稱閥控系統)在直流輸電中的主要功能是起到觸發、監視和保護換流閥，其性能的優劣直接關系到換流閥及整個系統的能否可靠、安全地運行［6］。本工程閥控系統包括閥基電子設備(valve base electronics，VBE)、晶閘管電子設備(gate unit，GU)以及漏水檢測設備三部分。其具體功能是：實時接收直流極控系統下發的觸發命令和晶閘管結溫信息，完成對晶閘管的觸發，并根據結溫信息確定晶閘管各項保護的動作閾值；檢測晶閘管的運行狀態并進行自檢，并將檢測信息上報給直流極控系統；若換流閥出現異常，將采取相應的報警、通道切換、跳閘等處理措施。閥控系統的結構原理如圖1所示。

圖1 閥控系統原理圖Fig.1 Schematic diagram of valve control system

1.2 閥基電子設備

VBE是連接直流極控系統與換流閥的樞紐，一方面接收直流極控系統的觸發命令，把它轉換成GU能識別的晶閘管觸發信號；另一方面對GU回報的晶閘管狀態信息和各種監視信息進行處理和上報。VBE是實現換流閥觸發、檢測和保護的重要環節。

VBE柜采用模塊化設計，由光控制機箱、電源機箱、以太網接口以及避雷器監視接口設備構成。本工程每極所對應的12脈動換流單元配置3個VBE柜，這3個VBE柜共用電源機箱、以太網接口、電源濾波盒等設備。

(1)光控制機箱。每個光控制機箱配置了編/解碼單元、光收發單元和復位單元三種功能單元。

編/解碼單元是VBE的核心處理單元，完成對直流極控系統下發的觸發命令及晶閘管結溫信息的解碼和校驗，并將這些信息編碼組合后發送至光收發單元；監視冷卻系統泄漏情況；從光收發單元接收GU發回的監測信息并匯總上報；判斷并處理各種異常情況。

光收發單元用于接收GU發回的監測信息光信號，并向GU發送觸發信號。復位單元負責在異常情況下為VBE提供復位信號。

(2)以太網接口單元。由光控制機箱發出的監測信息數據采用電信號并依照RS232串行通信規約進行傳送。為提高信息傳輸的可靠性和安全性，VBE與直流極控系統及人機接口單元之間采用光纖局域網(area area network，LAN)傳送信息。因此，以太網接口單元將收到的RS232格式的監測信息，轉換為光信號，并通過LAN網傳送到直流極控系統及人機接口單元。考慮到VBE具有雙冗余結構，監測信息的上報采用2路獨立的LAN通道，因此，每個VBE柜需要配置2個以太網接口。

(3)避雷器監視接口。VBE具有閥避雷器動作監視接口設備。該設備通過光纖與閥避雷器相連，避雷器動作時產生的光信號通過光纖傳送至該接口設備。在該設備中，光信號被轉化為固態繼電器的節點信號，由直流極控系統采集該節點信號并完成對避雷器動作順序事件的記錄及其他監視、保護工作。

GU的主要功能包括：(1)按照VBE命令觸發晶閘管；(2)依據VBE下發的晶閘管結溫數據設定本級晶閘管的過電壓保護、d v/d t保護以及正向恢復保護等瞬時保護動作閾值，并據此實時監測保護晶閘管； (3)在換流閥應該導通的區間內發生電流斷續時，補發觸發脈沖；(4)向VBE上報所在晶閘管級的監測信息。

GU工作原理如圖2所示。

圖2 GU原理框圖Fig.2 Schematic diagram of GU

2 閥控系統的設計特點

2.1 根據結溫信息自適應調整保護閾值

本工程閥控系統的一個重要特點是能夠根據晶閘管的結溫信息自適應地調整保護觸發閾值。由于晶閘管的運行特性受結溫影響較大，因此，結合晶閘管的結溫來實時調整換流閥的保護觸發閾值，無疑將提高保護觸發的合理性，充分保證換流閥的安全，從而提高整個直流輸電系統運行的安全性和穩定性。

2.2 可靠性設計措施

1.3 晶閘管電子設備

每個晶閘管級都有單獨的門極電路，即GU，用于實現對每個晶閘管的控制、檢測和保護。每個晶閘管電子設備包括2部分：1塊是門極電子電路板，實現對晶閘管級的智能控制；另1塊是補償分壓器板，為門極電子電路板提供晶閘管陽極電壓的測量信號。

直流輸電系統承擔著大容量、遠距離輸電和聯網任務，因此，對運行性能及可靠性的要求很高［7-8］。閥控系統的設計充分考慮了一次系統運行狀況及自身可能出現的異常工況，采用了完備的可靠性設計措施，能夠保證設備在一次系統正常或故障工況下均能正常工作；并且，在任何情況下都不會因為工作不當或自身異常而造成換流閥損壞。具體采用的可靠性設計措施如下：

(1)雙冗余設計。VBE內部具有2條互為冗余備用的數據處理通道，任何1條通道出現故障，可由控制保護系統切換至另1條通道，切換過程平滑無擾動。

(2)實時自檢。運行中，VBE不斷對自身的電源、電路板、通道的工作狀況以及通道選擇信號等進行實時檢查，一旦發現異常，將立即啟動相應的處理措施。GU對自身及通信、電源等也持續進行實時檢查，若發生通信異常或電源失電的故障狀態，則通過監視信息上報至VBE，以便VBE采取對應的處理措施。

此外，閥控系統僅根據直流極控系統的命令及換流閥的當前狀態完成換流閥的控制與保護，其工作不會受對端狀況的影響。因此，即使直流通信系統完全停運，閥控設備也能夠根據直流極控系統的命令對換流閥實施可靠有效的控制。

2.3 完備的保護功能

，并將此回報信號丟棄。為確定該報文產生的真正原因，我們進行了分析，初步認為可能的主要原因有：(1)GU板受到干擾或工作異常導致發送的回報信號格式異常；(2)回報信號光纖衰減過大導致信號畸變；(3)VBE到直流極控系統的后臺通信有問題，產生誤報；(4)VBE本身工作受到干擾而產生誤報。

現場對以上原因進行了逐一排查，排除了前3種可能。通過進一步分析，并對GU單元返回給VBE的信號進行錄波檢測，發現進入光收發單元的信號正常，但是從編/解碼單元上檢測的信號發生較大畸變，基本確定是VBE本身受到干擾，從而產生誤報，如圖3所示。

閥控系統為換流閥提供了完備的保護措施，能夠保證晶閘管在各種運行工況下，特別是在電流過零后的恢復期內不被損壞。

(1)晶閘管級保護。每個晶閘管級配備的GU能夠為本晶閘管級提供恢復保護、d v/d t保護、過電壓保護和補脈沖保護。

(2)閥級保護。VBE根據控制保護系統提供的晶閘管結溫、GU返回的監視信息以及冷卻系統泄漏監視器返回的監視信息，從而對換流閥采取完善的保護措施。

(3)換流閥控制設備保護。為確保系統通信暢通，VBE將實時檢查與直流極控系統、GU之間的通信狀況，以及自身的工作狀況，包括電源自檢、光收發板故障檢測、光收發板丟失檢測、通道故障檢測、通道選擇無效檢測等。若發現異常，VBE將采取相應的保護措施，以保證換流閥安全。

換流閥的各項保護觸發判據都是根據晶閘管的運行特性來確定的，不危及換流閥安全的電氣環境不會引起保護觸發動作。由于換流閥的電氣設計已經充分考慮了最大甩負荷工頻過電壓及換相過沖的影響，因此，在最大甩負荷工頻過電壓下，閥的保護觸發不會因逆變換相暫態過沖而動作，也不會影響此后直流系統的恢復。另外，正常控制過程中的觸發角快速變化也不會引起保護觸發動作。

3 閥控系統實際工況

本工程閥控系統在通過與直流極控系統的接口調試以及閉環試驗RTDS的考核后，功能得到了充分的驗證和完善。但是，在完成安裝調試后的系統試驗和試運行期間，出現VBE報出“門極單元回報信號異常”事件報文，對后臺的監控造成了一定困擾。該報文產生的機理是VBE檢測到GU發送的回報信號格

對現場工作條件進行分析后，判斷可能對VBE造成干擾的原因［9-10］有：

(1)本工程換流站電壓高、容量大、交直流設備眾多，電磁環境復雜、惡劣，VBE所在的控制室與閥廳隔墻相鄰，而且正對閥廳的一側安裝了面積比較大的透明玻璃觀察窗口，因此該處沒有得到有效電磁屏蔽，導致VBE外部工作環境不好。

(2)VBE沒有嚴格按照其技術規范的要求進行安裝，導致VBE柜容易受到電磁干擾的影響。

(3)VBE柜內的觸發和回報信號較多，且串行信號具有較高頻率，在柜內易造成相互干擾。

根據以上分析，從改善VBE本身的屏蔽功能和控制室的屏蔽功能方面提出了相應的改進措施：

(1)正確用烙克賽克(Roxtec)封堵閥廳到VBE室的進線口；

(2)用鋼板及鋁箔紙封堵VBE光纖進線口；

(3)用密封圈(Gland)封堵VBE開關量信號；

(4)對VBE的軟件進行更新，加強濾波功能，降低對電磁干擾的敏感度。

在采用了以上改進措施后，基本解決了VBE誤報信號的問題。

4 結論

本文詳細介紹了寧東—山東±660 kV直流輸電工程閥控系統的工作原理和設計特點，分析了系統調試及試運行期間VBE報出“門極單元回報信號異常”事件報文產生的原因，并提出其相應的解決辦法。考慮到換流站現場電磁干擾比較惡劣，結合本工程現場的現場經驗，建議在工程應用中應重視二次系統的工作環境要求，加強設備本身的抗干擾能力，確保整個直流系統的安全可靠運行。

［1］國家電網公司.西北(寧東)—華北(山東)±660千伏直流輸電工程換流閥(銀川東換流站)技術協議［R］.北京：國家電網公司，2009.

［2］國家電網公司.西北(寧東)—華北(山東)±660千伏直流輸電工程換流閥(青島換流站)技術協議［R］.北京：國家電網公司，2009.

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