±660 kV直流輸電工程換流閥控制保護(hù)接口技術(shù)

楊曉楠，鄭林，藍(lán)元良，彭玲，湯廣福

(中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京市，100192)

0 引言

寧東—山東±660 kV直流輸電示范工程西起銀川東換流站，東至青島換流站，本工程直流額定電壓為±660 kV，輸電距離約1335 km，直流額定電流3030 kA，雙極輸送功率4000 MW［1-2］。

本工程中使用的直流控制保護(hù)系統(tǒng)是許繼公司引進(jìn)SIEMENS技術(shù)后國(guó)產(chǎn)化的DSP2000，而換流閥及換流閥控制保護(hù)是中國(guó)電力科學(xué)研究院(以下簡(jiǎn)稱中國(guó)電科院)從ALSTOM引進(jìn)的。這是2種不同技術(shù)路線的設(shè)備首次在工程應(yīng)用中進(jìn)行融合，因此如何使直流控制保護(hù)系統(tǒng)與換流閥控制保護(hù)無(wú)縫銜接是本次工程必須解決的難題。

本文在簡(jiǎn)單介紹中國(guó)電科院H400換流閥控制保護(hù)原理的基礎(chǔ)上，詳細(xì)描述了直流控制保護(hù)系統(tǒng)與換流閥控制保護(hù)間接口的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法。文中詳細(xì)介紹了直流極控制系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱極控)與閥基電子設(shè)備(valve base electronics，VBE)間的信號(hào)類型、信號(hào)實(shí)現(xiàn)方式、系統(tǒng)切換、換流閥狀態(tài)監(jiān)視等功能。該接口技術(shù)已在我國(guó)寧東—山東直流輸電工程中應(yīng)用，并取得了很好的效果。

1 換流閥控制保護(hù)原理

按照直流控制保護(hù)系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)概念，換流閥的主要控制保護(hù)功能在系統(tǒng)底層實(shí)現(xiàn)，其中包括:(1)將處于地電位的換流器控制級(jí)送來(lái)的閥觸發(fā)信號(hào)進(jìn)行變換處理，經(jīng)光纜送到高電位單元，再變換為電觸發(fā)信號(hào)，觸發(fā)晶閘管。(2)晶閘管元件和組件的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)信號(hào)經(jīng)光纜傳送到地電位控制單元，經(jīng)處理后進(jìn)行控制、顯示和報(bào)警等［3］。

H400換流閥底層控制保護(hù)系統(tǒng)由地電位設(shè)備和高電位設(shè)備2部分組成，其原理框圖如圖1所示。圖中用虛線框起來(lái)的部分就是換流閥底層控制保護(hù)系統(tǒng)，其中地電位設(shè)備有VBE，高電位設(shè)備包括晶閘管電子設(shè)備(門(mén)極單元，以下簡(jiǎn)稱GU)和冷卻系統(tǒng)泄漏監(jiān)視器。

1.1 VBE

VBE是連接換流閥與極控系統(tǒng)的接口設(shè)備，它是直流控制保護(hù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)換流閥的控制和保護(hù)功能十分重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。VBE的功能主要包括:

(1)接收來(lái)極控設(shè)備的控制信號(hào)，并將這些信息發(fā)送給換流閥的GU;

圖1 換流閥控制保護(hù)原理Fig.1 Schematic diagram of converter valve control and protection

(2)接收各GU上報(bào)的監(jiān)視信息;

(3)監(jiān)視換流閥冷卻系統(tǒng)的泄漏情況;

(4)對(duì)各種監(jiān)視信息進(jìn)行匯總并通過(guò)局域網(wǎng)(LAN)發(fā)送至人機(jī)界面(HMI);

(5)根據(jù)監(jiān)視信息完成對(duì)自身及換流閥異常情況的監(jiān)視、報(bào)警及保護(hù)。

1.2 GU

GU是1塊PCB電路板，且換流閥的每個(gè)晶閘管級(jí)均配備1個(gè)GU。GU的主要功能包括:

(1)按照VBE命令觸發(fā)晶閘管;

(2)依據(jù)VBE下發(fā)的晶閘管結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)設(shè)定本級(jí)晶閘管的過(guò)電壓保護(hù)、dv/dt保護(hù)以及正向恢復(fù)保護(hù)等瞬時(shí)保護(hù)動(dòng)作閾值，并據(jù)此實(shí)時(shí)監(jiān)視保護(hù)晶閘管;

(3)在換流閥應(yīng)當(dāng)導(dǎo)通的區(qū)間內(nèi)發(fā)生電流斷續(xù)時(shí)，補(bǔ)發(fā)觸發(fā)脈沖;

(4)向VBE上報(bào)所在晶閘管級(jí)的監(jiān)視信息。

1.3 冷卻系統(tǒng)泄漏監(jiān)視器

冷卻系統(tǒng)泄漏監(jiān)視器是一個(gè)安裝于換流閥底部并能夠自動(dòng)傾倒和返回的容器。VBE通過(guò)大功率光發(fā)射元件向監(jiān)視器送出光脈沖信號(hào)。若冷卻系統(tǒng)無(wú)泄漏，監(jiān)視器中的光通道暢通，VBE上的光接收裝置將能夠收到由監(jiān)視器返回的光脈沖信號(hào);若冷卻系統(tǒng)發(fā)生泄漏，泄漏的冷卻液將沿?fù)Q流閥內(nèi)的特定溝槽流入監(jiān)視器，每當(dāng)監(jiān)視器裝滿冷卻液，就會(huì)發(fā)生傾倒，傾倒的冷卻液將阻斷光通道。阻斷的時(shí)間長(zhǎng)短及頻率由泄漏的嚴(yán)重程度決定。由此可見(jiàn)，由泄漏監(jiān)視器返回的光脈沖信號(hào)包含了冷卻系統(tǒng)的監(jiān)視信息。VBE根據(jù)返回的光脈沖監(jiān)視信息來(lái)判斷冷卻系統(tǒng)的泄漏程度并做出報(bào)警處理。

2 接口設(shè)計(jì)

根據(jù)直流控制保護(hù)系統(tǒng)分層設(shè)計(jì)的原則，VBE要與直流極控設(shè)備進(jìn)行連接［4-11］。VBE與直流極控系統(tǒng)之間的接口方案如圖2所示。可見(jiàn)，直流極控系統(tǒng)與VBE之間有3大類信號(hào)進(jìn)行傳遞，即換流閥觸發(fā)光信號(hào)、電氣開(kāi)關(guān)量信號(hào)和以太網(wǎng)通信信號(hào)。

圖2 VBE與直流極控制系統(tǒng)接口方案Fig.2 Interface scheme between VBE and DC pole control system

2.1 光控制信號(hào)接口

VBE與極控系統(tǒng)之間的光控制信號(hào)包括觸發(fā)字和熱字2種光信號(hào)。V系列VBE與其他2家(ABB、SIEMENS)VBE的最大的區(qū)別是光控制信號(hào)采用串行編碼，即12脈動(dòng)換流閥的觸發(fā)信號(hào)只需要通過(guò)1根光纖就能傳送。

采用串行碼的最大優(yōu)點(diǎn)是使用的光纖根數(shù)少，節(jié)省了屏柜內(nèi)部空間，降低了由光纖損壞導(dǎo)致觸發(fā)不正常的可能性。對(duì)于12脈動(dòng)換流閥，并行觸發(fā)時(shí)需要12根光纖，而串行觸發(fā)時(shí)只需要1根光纖，12根光纖出現(xiàn)損壞的可能性高于1根光纖。

直流極控制設(shè)備和VBE的光信號(hào)傳輸方式不同，給本次接口設(shè)計(jì)帶來(lái)了困難。考慮到VBE是由換流閥的技術(shù)路線決定，與一次設(shè)備緊密相關(guān)，控制保護(hù)系統(tǒng)采用的是另外廠家的不同技術(shù)路線，因此本工程決定在極控側(cè)改變光控制信號(hào)的傳送方式，將并行信號(hào)轉(zhuǎn)換成串行信號(hào)后發(fā)送給VBE。此接口裝置的邏輯如圖3所示。

圖3 VBE和直流控制保護(hù)系統(tǒng)之間光接口技術(shù)實(shí)現(xiàn)原理Fig.3 Schematic diagram of optical interface realization between VBE and DC control＆protection system

極控設(shè)備發(fā)給VBE的光控制信號(hào)有觸發(fā)字(firing word，F(xiàn)W)和熱字(thermal word，TW)2種。這2種信號(hào)的功能如下:

(1)觸發(fā)字。觸發(fā)字是極控系統(tǒng)控制換流閥觸發(fā)的信號(hào)。觸發(fā)字信號(hào)編碼采用串行歸零碼，信號(hào)中有12個(gè)有效數(shù)據(jù)位，依次代表12個(gè)換流閥的觸發(fā)信號(hào)。因?yàn)樵?2脈動(dòng)換流閥中正常情況下有4個(gè)閥同時(shí)導(dǎo)通，因此觸發(fā)字中同一時(shí)間會(huì)有4個(gè)閥對(duì)應(yīng)的有效位是高電平，表示要觸發(fā)該4個(gè)閥。VBE根據(jù)觸發(fā)字確定各個(gè)單閥在當(dāng)前時(shí)刻是否需要觸發(fā)，并將該信息發(fā)送給該閥的各個(gè)GU。

(2)熱字。熱字信號(hào)是V系列VBE特有的信號(hào)，熱字也采用串行歸零碼。熱字中包括2個(gè)信號(hào)，一個(gè)是極控根據(jù)直流工況計(jì)算的當(dāng)前晶閘管的等效結(jié)溫信息，另一個(gè)是允許VBE監(jiān)測(cè)換流閥狀態(tài)的信息。

極控根據(jù)當(dāng)前直流工況計(jì)算出等效晶閘管結(jié)溫，并通過(guò)熱字信號(hào)發(fā)送給VBE，VBE將此結(jié)溫信號(hào)重新解碼/編碼后發(fā)送給高電位的GU，GU根據(jù)結(jié)溫信息動(dòng)態(tài)更新晶閘管級(jí)的保護(hù)定值，如VBO保護(hù)、dv/dt、正向恢復(fù)保護(hù)等。由于晶閘管的運(yùn)行特性受結(jié)溫影響較大，因此，結(jié)合晶閘管的結(jié)溫來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)整換流閥的保護(hù)觸發(fā)閾值，無(wú)疑將提高保護(hù)觸發(fā)的合理性，充分保證換流閥的安全，從而提高直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。

熱字中另一個(gè)重要信息是允許VBE監(jiān)視換流閥狀態(tài)的命令。此命令用在換流閥解鎖和閉鎖過(guò)程。如果換流變交流進(jìn)線斷路器合上之前換流閥處于非正常工況，這時(shí)為了避免過(guò)多的無(wú)用信息上報(bào)到人機(jī)界面影響運(yùn)行人員的正常操作，需要命令VBE禁止監(jiān)測(cè)換流閥的狀態(tài)。

2.2 開(kāi)關(guān)量信號(hào)接口

如圖2所示，VBE與極控之間有4種開(kāi)關(guān)量信號(hào)，其中2個(gè)是輸入信號(hào)，2個(gè)是輸出信號(hào)。所有信號(hào)電平為110 V DC，并且由極控設(shè)備提供。

因?yàn)閷?duì)這些信號(hào)的快速性和可靠性要求高，全部采用固態(tài)繼電器作為信號(hào)發(fā)出和接收接口。

(1)通道切換請(qǐng)求信號(hào)。

VBE不僅可以檢測(cè)自身內(nèi)部通道的狀態(tài)，還可以檢測(cè)極控到VBE的控制通道。當(dāng)檢測(cè)到通道故障時(shí)，VBE會(huì)向極控發(fā)出相應(yīng)通道的故障信號(hào)(切換請(qǐng)求信號(hào))，極控收到此信號(hào)后要進(jìn)行系統(tǒng)切換。

VBE通道故障信號(hào)繼電器的輸入端是高電平時(shí)輸出端閉合，這時(shí)表示信號(hào)無(wú)效;當(dāng)輸入端低電平時(shí)輸出端斷開(kāi)，這時(shí)表示信號(hào)有效。

(2)跳閘請(qǐng)求信號(hào)。

VBE檢測(cè)到換流閥嚴(yán)重故障或VBE自身有嚴(yán)重故障時(shí)會(huì)向極控發(fā)出跳閘請(qǐng)求信號(hào)。為了降低誤跳和拒跳的可能性，跳閘邏輯采用以下方式:

1)當(dāng)VBE 2個(gè)通道都可用時(shí)，極控只有在接收到VBE 2個(gè)通道的跳閘請(qǐng)求信號(hào)后才能發(fā)跳閘命令。例如一個(gè)通道處于Active(Master)狀態(tài)，另一個(gè)通道處于Passive(Stand by)狀態(tài)。

2)當(dāng)一個(gè)失效的通道發(fā)送跳閘請(qǐng)求信號(hào)時(shí)，極控不能發(fā)跳閘命令，這樣為系統(tǒng)斷電維修提供了可能性。

3)如果Active的通道為唯一可用通道，則當(dāng)極控收到此通道的跳閘請(qǐng)求信號(hào)后必須發(fā)出跳閘信號(hào)。

(3)通道選擇信號(hào)。

VBE的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)采用雙重化設(shè)計(jì)(A、B系統(tǒng)，如圖2所示)，實(shí)際工程中VBE 2個(gè)系統(tǒng)與極控設(shè)備的A、B系統(tǒng)一一對(duì)應(yīng)連接，即VBE的系統(tǒng)A與極控設(shè)備的A系統(tǒng)連接，VBE的B系統(tǒng)與極控設(shè)備的B系統(tǒng)連接。當(dāng)系統(tǒng)切換時(shí)VBE跟隨極控切換。

VBE主從系統(tǒng)選擇信號(hào)繼電器的輸入端高電平時(shí)信號(hào)有效，即選擇此系統(tǒng)為主系統(tǒng)。除系統(tǒng)切換過(guò)程外，極控發(fā)送的主從系統(tǒng)選擇信號(hào)應(yīng)該始終是互斥的，不能同時(shí)為高電平或低電平。VBE收到的主從系統(tǒng)選擇信號(hào)同時(shí)為高電平或同時(shí)為低電平的時(shí)間超過(guò)5 ms時(shí)，VBE會(huì)向極控發(fā)出雙系統(tǒng)切換請(qǐng)求信號(hào)。

(4)VBE閉鎖信號(hào)。

極控檢測(cè)到極控的雙系統(tǒng)都不可用時(shí)由切換邏輯單元向VBE發(fā)送2個(gè)緊急閉鎖命令。VBE緊急閉鎖信號(hào)接收繼電器輸入端低電平時(shí)信號(hào)有效，并且2個(gè)信號(hào)同時(shí)有效時(shí)VBE才會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作。VBE檢測(cè)到2個(gè)緊急閉鎖信號(hào)同時(shí)有效時(shí)，延時(shí)28～30 ms后閉鎖換流閥，同時(shí)向極控發(fā)送跳閘請(qǐng)求信號(hào)。

2.3 以太網(wǎng)通信接口

VBE將檢測(cè)到的換流閥和VBE自身的狀態(tài)信息通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送給直流控制保護(hù)系統(tǒng)的輔助系統(tǒng)接口工作站，同時(shí)通過(guò)以太網(wǎng)接收運(yùn)行人員工作站(OWS)對(duì)VBE的控制命令。

VBE內(nèi)部有2個(gè)完全獨(dú)立的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，每個(gè)處理系統(tǒng)都可以檢測(cè)到換流閥的狀態(tài)和VBE自身的狀態(tài)，并且也通過(guò)2個(gè)完全獨(dú)立的以太網(wǎng)發(fā)送給直流控制保護(hù)系統(tǒng)的輔助系統(tǒng)接口工作站，再由工作站轉(zhuǎn)發(fā)給運(yùn)行人員監(jiān)控系統(tǒng)。

VBE與輔助接口屏之間采用100 Mbit/s光纖快速以太網(wǎng)進(jìn)行通訊，有很高的傳輸速率和可靠性。

VBE上報(bào)給輔助接口屏的事件按其嚴(yán)重等級(jí)可劃分為正常事件、輕微故障和嚴(yán)重故障3類:

(1)正常事件指系統(tǒng)運(yùn)行中正常的操作和狀態(tài)改變等事件。

(2)輕微故障代表暫時(shí)的非正常運(yùn)行狀態(tài)或不影響直流系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行的設(shè)備故障。此種情況下應(yīng)確定報(bào)警的起因，在合適的時(shí)候?qū)Q流閥進(jìn)行維護(hù)。

(3)嚴(yán)重故障代表長(zhǎng)期的非正常運(yùn)行狀態(tài)或可能危害換流閥安全的元件故障。故障將引起保護(hù)動(dòng)作和跳閘。在設(shè)備修復(fù)完成以前，換流閥不能重新投運(yùn)。

3 結(jié)語(yǔ)

寧東—山東直流輸電工程換流閥控制保護(hù)接口技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，解決了工程實(shí)施過(guò)程中如何在不同廠家設(shè)備如直流控制保護(hù)系統(tǒng)與換流閥之間實(shí)現(xiàn)有效和可靠連接的問(wèn)題，提高了整個(gè)工程的可靠性和可利用率。寧東—山東直流輸電工程的運(yùn)行實(shí)踐表明了以上接口技術(shù)的合理性，對(duì)以后的直流輸電工程具有借鑒意義。

［1］國(guó)家電網(wǎng)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(shù)協(xié)議［R］北京:國(guó)家電網(wǎng)公司，2009.

［2］國(guó)家電網(wǎng)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(shù)協(xié)議［R］.北京:國(guó)家電網(wǎng)公司，2009.

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