±660 kV直流輸電工程控制保護系統與換流閥閥基電子設備閉環試驗

舒暢，蒲瑩，石巖，藍元良，侯林杰，王慶，蔣維勇

(1.華北電力大學電氣與電子工程學院，北京市，102206;2.國家電網公司直流建設分公司，北京市，100052;3.中國電力科學研究院，北京市，100192;4.許繼集團有限公司，河南省 許昌市，461000;5.國家電網公司建設部，北京市，100031)

0 引言

寧東—山東±660 kV直流輸電示范工程(寧東直流工程)西起銀川東換流站，東至青島換流站，輸電距離約1335 km，額定直流電壓±660 kV，額定電流3.030 kA，輸送功率4 GW，于2008年12月開工建設，2010年底單極投運，計劃于2011年初雙極投運，是我國第1條±660 kV電壓等級的直流輸電工程［1］。

寧東直流工程是我國自主設計、自主成套、自主建設的世界首條±660 kV電壓等級直流輸電工程。該工程具有首臺、首套設備應用多，國產化比例高，系統集成難度大，工程建設要求高等特點。寧東直流工程換流站關鍵設備均由國內主要直流輸電領域供貨商提供，廠家眾多，集成度高，一次設備和二次系統之間的配合、二次系統各設備之間接口復雜。這些都是決定直流工程現場調試進度和運行可靠性的重要因素。

直流控制保護系統是換流站二次系統的核心設備。寧東直流工程的控制保護系統由許繼集團公司供貨。直流控制保護軟硬件平臺采用西門子技術路線，極控系統點火脈沖采用并行觸發的方式，即針對單個閥產生觸發脈沖。

換流閥閥基電子設備(valve base electronics，VBE)是連接換流閥與直流控制保護系統的接口設備，它是實現對換流閥控制和保護的重要環節［5-7］。寧東直流工程換流閥由中國電力科學研究院供貨，采用阿?，m技術，觸發脈沖采用串行編碼方式。脈沖采用串行編碼技術的換流閥在國內應用較少，與許繼公司的直流控制保護系統接口更屬首次。

根據以往工程經驗，直流控制保護系統和換流閥的接口是直流工程現場調試比較容易出現問題的地方。因此，利用寧東直流工程實際二次系統設備，建立完備的仿真試驗平臺，對直流控制保護系統和換流閥的接口進行全面深入的仿真試驗，對關鍵技術問題進行深入的研究，制定合理的解決方案并進行仿真試驗驗證，對保證整個工程現場調試進度，提高工程運行可靠性具有十分重要的意義。

1 試驗環境的建立

寧東直流工程換流站二次系統由直流控制保護系統、遠動系統、交直流故障錄波系統、交流保護、保護及故障錄波信息管理子站等構成。為了對寧東直流工程二次系統進行整體功能和性能檢驗，在國家電網公司建設部的組織下，于2010年1—7月專門開展了二次系統的聯合測試試驗。試驗在國家能源局特高壓直流輸電成套設計研發(實驗)中心進行。參加試驗的設備包括上述系統共計70面屏柜，都是應用于實際工程的設備。直流控制保護系統與換流閥閥基電子設備接口閉環試驗是寧東直流工程二次系統聯合測試試驗的重要組成部分。

仿真試驗模型在實時數字仿真儀(real-time digital simulator，RTDS)上搭建。RTDS是1個全數字化的電力系統電磁暫態模擬裝置［8］。在RTDS上搭建的仿真試驗模型包括交流系統等值網絡、換流閥、換流變壓器、交流濾波器、直流濾波器、平波電抗器、中性母線電容器、直流線路、接地極、交流場低壓電抗器等元件。將RTDS與實際工程的控制保護設備相連，經D/A轉換后通過高性能的電壓、電流放大器實時地輸出模擬量和數字量，構成1個閉環系統，以真實地模擬直流輸電系統的特性。

參加試驗的VBE是青島換流站的雙重冗余設備。在二次系統聯合測試試驗過程中，將VBE全程接入到極Ⅰ中，參加控制保護試驗。圖1為RTDS仿真模型結構示意圖。

圖1 RTDS仿真模型結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of RTDS simulation model

2 閉環試驗的實現原理

VBE是連接換流閥與直流控制保護系統的接口設備，主要完成以下功能:

(1)接收來自控制保護系統的觸發字(firing word)和熱字(thermal word)，并將這些信息組合在一起發送給換流閥門極單元(gate unit，GU);

(2)接收各門極單元傳來的監視信息;

(3)監視換流閥冷卻系統的泄漏情況;

(4)對各種監視信息進行匯總，并通過局域網發送至控制保護系統;

(5)根據監視信息完成對自身及換流閥異常情況的監視、報警及保護。

圖2為控制保護系統與VBE閉環試驗原理接線圖。控制保護系統與VBE之間有3大類信號進行傳遞，即換流閥觸發光信號、電氣開關量信號和以太網通信信號。

因為控制保護系統發出的電氣觸發信號采用并行傳輸，而VBE采用的是串行的觸發信號光接口，為此控制保護廠家專門設計了VBE與控制保護系統之間的接口裝置。該接口裝置的主要作用是對并行傳輸的觸發脈沖進行編碼，轉換為串行信號，同時對信號進行電/光轉換，以便正確地與VBE進行信號交換。

VBE與控制保護系統接口裝置之間傳遞的光信號包括觸發字和熱字。觸發字采用串行編碼方式，每個觸發字中包含需要觸發的換流閥的信息。圖3為采用串行編碼的觸發字示意圖。每個觸發字為16位的串行數據，1—12位為‘1’的時候表示對應的閥導通，連續2個觸發字之間的時間間隔最小為2 μs。熱字中包含6種典型工況對應的晶閘管結溫信息，VBE接收到這2個光信號后對其進行編碼形成換流閥觸發命令發送給換流閥。

VBE與控制保護系統之間的開關量信號包括VBE通道故障信號(VBE fail)、VBE跳閘請求信號(VBE trip)、主系統選擇信號和緊急閉鎖信號(VBE block)。由于對這些信號的快速性要求高，所以全部采用固態繼電器作為信號發出和接收接口。

圖2 閉環試驗原理接線圖Fig.2 Connection diagram of close-loop test

圖3 串行觸發脈沖信號Fig.3 Serial triggering pulse signals

VBE根據控制保護系統的命令控制換流閥的同時，將換流閥和VBE自身的狀態信息實時通過以太網發送給控制保護系統。

因為VBE發出的觸發命令是光信號，為了對RTDS仿真模型中建立的換流閥進行觸發，換流閥廠家專門提供了光電轉換設備，把VBE發出的光信號轉換成12個5 V，120°(工頻)寬的電信號發送到RTDS的數字量輸入GTDI板卡上。同時RTDS的數字量輸出GTDO板卡將交流進線斷路器合閘信號發送給VBE光電轉換裝置，用于表示換流閥已經充電。

3 閉環試驗內容

在閉環試驗前，先進行了直流控制保護系統與VBE的光接口、電氣接口、通信接口的正確性檢驗。主要目的是檢查觸發字和熱字的信息格式和時序以及2個設備之間的數字I/O接口是否滿足要求。

為了全面地分析和研究控制保護系統與閥基電子設備之間的控制和保護功能配合，進行了RTDS、VBE和控制保護系統閉環試驗，主要包括穩態工況和故障情況下的試驗。

3.1 穩態工況下的閉環試驗

直流控制系統穩態試驗分為啟動/停運試驗、空載加壓試驗、穩態參數校核、無站間通信試驗、分接頭控制試驗、無功功率控制試驗、擾動試驗等幾大類，共計300項。在穩態試驗中，全程將VBE接入到極Ⅰ青島換流站進行試驗。試驗結果表明帶VBE運行后，整個系統運行良好，未出現報警、跳閘或其他異常現象，各種工況下的試驗結果與不帶VBE運行的極Ⅱ相比沒有差別。

為了驗證冗余系統中的1個系統退出后的響應，還有針對性地進行了極Ⅰ控制系統切換試驗和VBE切換試驗，包括以下內容:

(1)在運行人員工作站上手動切換控制系統。

(2)拔除VBE A系統與控制A系統之間的觸發字光纖，模擬VBE通道切換。

(3)續(2)，手動將系統切換回故障通道，切換不成功，極Ⅰ閉鎖。

(4)拔除VBE A系統與控制A系統之間的熱字光纖，模擬VBE通道切換。

(5)續(4)，再拔除B系統與控制B系統之間的熱字光纖;拔除光纖后，極Ⅰ閉鎖。

(6)VBE裝置A系統電源斷電。

(7)VBE裝置B系統電源斷電。

(8)控制保護系統與VBE接口裝置A斷電。

(9)控制保護系統與VBE接口裝置B斷電。

(10)VBE A系統失效，B系統斷電，極Ⅰ閉鎖。

(11)功率升降過程中在運行人員工作站切換，在功率上升過程中將B系統切換到A，在功率下降過程中將A系統切換到B。

(12)功率上升的過程中雙系統斷電。

試驗表明，在穩態工況下，值班系統發生故障后，如果備用系統有效，VBE能夠正確地請求控制系統切換到備用系統。在切換的過程中，未對直流系統產生擾動。

此外，還通過拔除VBE與門極單元之間的光纖，模擬了換流閥自身的晶閘管級冗余不足故障，VBE均能正確地跳閘。

3.2 故障工況下的閉環試驗

按照換流站區域的劃分，二次系統聯調試驗的故障試驗分為換流器區域故障試驗、直流場及中性線區域故障試驗、直流線路故障試驗、交流網絡故障試驗、直流濾波器故障試驗、融冰方式下的故障試驗，共計300項。極Ⅰ青島換流站的VBE參加了全部故障試驗。

在故障情況下考核的主要方面是:發生故障時以及保護動作后，控制保護設備和VBE構成的整套系統的動作是否正確，包括移相、投旁通對、閉鎖過程的正確性。

試驗結果表明，直流保護出口后，移相、投旁通對過程均正確，VBE與控制系統的配合良好。但是，在做控制系統丟脈沖試驗時，發現VBE對丟脈沖的處理存在著下列問題:

(1)丟脈沖時的脈沖處理機制不正確。丟脈沖后，VBE會丟棄報文;經過VBE后，丟失脈沖的相鄰脈沖都被延長，如圖4所示。

寧東直流工程的換流閥采用阿?，m技術，不返回脈沖回報信號，因此對丟脈沖的判斷不能在控制系統中實現，而是由VBE自己完成。VBE在檢測到觸發字中奇偶校驗字錯誤后，產生故障信號，控制系統收到故障信號后進行系統切換。

圖4 極I青島站A系統丟1個脈沖，相鄰脈沖被延長Fig.4 Adjacent pulse prolonged after one pulse lost of pole I in system A of Qingdao station

(2)控制系統在1個周期內丟失1個脈沖，VBE切換系統。系統切換后，如果另1個系統仍然丟脈沖，VBE則會發出跳閘指令。VBE對丟脈沖的反應過于靈敏，容易導致直流系統不必要的停運。

針對有關問題，試驗期間多次召開了由有關各方參加的直流控制保護系統與閥基電子設備接口問題討論會，經詳細研究，確定了VBE丟脈沖保護功能如下修改方案。

(1)在VBE檢測到丟失脈沖時將按接收到的觸發字控制換流閥。

(2)對丟脈沖引起的切換和跳閘邏輯改為:VBE檢測到單閥連續丟4個周波(80 ms)觸發脈沖時，向控制保護系統發出系統切換請求，如果另1個系統還丟脈沖，則再延時4個周波跳閘。

按照討論確定的方案進行了修改，并通過了測試。如圖5所示，功率正送，極Ⅰ青島站A系統連續丟脈沖，系統在4個周波后切換。

3.3 對VBE跳閘邏輯的改進

VBE檢測到換流閥嚴重故障或VBE自身有嚴重故障時會向控制系統發出跳閘請求。在聯調試驗初期，VBE的跳閘信號采用負邏輯，即在正常運行情況下，VBE的故障和跳閘信號繼電器輸出接點為閉合狀態，表示此信號無效;故障情況下信號有效時，相應信號繼電器輸出接點為打開狀態。跳閘邏輯不符合電網運行反措的要求。在運行部門的要求下，對VBE跳閘邏輯進行了改進，最終保證了VBE跳閘信號和保護及其他設備來的跳閘信號一致。此外，為了避免因電纜斷開、端子松動、繼電器損壞或繼電器輸入端供電電源故障而引起的誤跳，在控制系統采取了以下策略:

圖5 極Ⅰ青島站A系統連續丟脈沖，4個周波后系統切換Fig.5 System switchover after four period pulse lost of pole I in system A of Qingdao station

(1)當VBE的2個通道都可用時，控制保護系統只有在接收到VBE的2個通道的跳閘信號后才能發跳閘命令。

(2)當1個失效的通道產生跳閘信號時，控制保護系統不能發出跳閘命令。

(3)如果值班系統(active)的通道為唯一可用通道，則當控制保護系統收到此通道的跳閘信號后必須發出跳閘信號。

以上對跳閘信號的處理均通過了試驗驗證。

3.4 對熱字保護的處理

熱字為1個16位的串行數據，包含6種典型工況對應的晶閘管結溫信息。這些典型工況為正常運行狀態、換相失敗、嚴重換相失敗、閥短路、嚴重閥短路。實際工程中可能產生的6種工況會產生6種不同的串行數據。控制保護系統將當前系統的故障狀態寫入到熱字中，送給VBE。

阿?，m國外直流工程都在VBE中加入了結溫保護跳閘功能。結溫保護主要是換流閥換相失敗保護和閥短路故障保護，動作非常靈敏。這2種保護已在控制保護系統中設置，與直流保護功能產生重疊。此外，由于結溫保護和控制系統保護時間配合不當，曾在其他工程引起過直流系統不必要的停運。根據運行部門的要求，將VBE中的結溫保護跳閘信號屏蔽，使它只能發出報警信號而不發出跳閘信號。取消結溫保護跳閘功能后，熱字的作用不再用于換流閥的保護跳閘，而是主要用于在故障情況下加強對換流閥門極單元的監測。門極單元根據本閥的熱字值來確定晶閘管的過電壓保護、dv/dt保護以及正向恢復保護的動作閾值。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，可提高保護觸發的合理性，保證換流閥的安全。

4 結語

寧東—山東±660 kV直流輸電示范工程于2011年2月投入雙極運行。為了保證寧東工程系統調試工作能夠順利進行，工程能按時投運，在二次系統聯調試驗期間，對直流控制保護系統和換流閥基電子設備的接口進行了詳細的試驗，積累了大量一手技術資料和經驗，可以為系統調試提供強力的技術指導，對保證工程按期投運，提高系統運行可靠性具有重要意義。

［1］馬為民，殷威揚，石巖，等.寧東—山東±660 kV直流輸電示范工程功能規范書［R］.北京:網聯直流工程技術有限公司，2009.

［2］IEC 919 －3—1999 Performance of high-voltage dc(HVDC)system part1:steady-state conditions［S］.

［3］IEC 919 －3—1999 Performance of high-voltage dc(HVDC)system part2:fault and switching［S］.

［4］IEC 919 －3—1999 Performance of high-voltage dc(HVDC)system part3:dynamic conditions［S］.

［5］袁清云.HVDC換流閥及其觸發與在線監測系統［M］.北京:中國電力出版社，1999.

［6］趙畹君.高壓直流輸電工程技術［M］.北京:中國電力出版社，2004.

［7］韓偉，徐玲鈴.靈寶換流站控制/直流保護系統與閥的接口設計［J］.高電壓技術，2005，31(2):48-49.

［8］錢珞江，鄧紅英，陶瑜.靈寶背靠背直流輸電工程中的RTDS試驗模型［J］.高電壓技術，2005，31(12):23-26.

［9］董云龍，方太勛，盧宇，等.HVDC換流閥合成試驗控制及保護系統設計與開發［J］.電力系統自動化，2006，21(16):90-92.

［10］黃舜，李勝，徐永海，等.靜止無功補償器光電觸發與監測系統設計與仿真［J］.現代電力，2006，29(1):29-33.

［11］藍元良，湯廣福.BOD在晶閘管過電壓保護中的研究［J］.電工電能新技術，2000，27(3):51-54.