錦蘇特高壓直流工程閥控VBE-RDY置零故障分析

楊萬開，曾南超，劉飛

(1.中國電力科學研究院，北京市 100192;2.西安西電電力系統有限公司，西安市 710075)

0 引言

高壓直流系統傳輸容量的快速增長使得換流閥技術和控制保護技術得到了飛速的改進和提高，輸送距離的延長推進了特高壓直流輸電技術［1-6］。6英寸大容量晶閘管換流閥的應用，以及換流閥與控制保護接口技術的應用，使得不同技術路線控制保護技術與不同技術路線的換流閥之間實現了連接，并在特/超高壓直流輸電工程中得到了應用［7］。

在錦屏—蘇州±800kV特高壓直流輸電工程系統調試［8-9］過程中，錦屏站發生了幾次換流器閉鎖后，直流控制(換流器控制)給VBE下達指令投旁通對，但在投旁通以后，VBE-RDY突然變成零電位，導致VBE退出運行;在進行VBE盤柜110 V電源丟失試驗時，VBE-RDY變為零電位，導致直流換流器跳閘閉鎖。本文對VBE-RDY信號變為零問題進行詳盡分析，并提出改進措施，為工程的順利投運打好堅實的基礎，也為進一步推進特高壓直流輸電工程建設和系統調試工作積累基礎技術資料和經驗。

1 VBE工作原理

錦蘇特高壓直流工程錦屏換流站極I 2個換流閥和極II高端換流閥采用基于SIEMENS(西門子)公司技術的換流閥［10］。換流閥的控制和監控系統是由閥基電子設備(valve base electronics，VBE)實現的，VBE不僅對換流閥晶閘管進行觸發和監測，同時也是換流閥和其他控制保護系統的接口。VBE的功能是:產生所有晶閘管換流閥的觸發脈沖，監測晶閘管換流閥及其相關設備的狀態，在反向恢復期保護晶閘管免受損壞，產生換流閥電流過零關斷信號，執行自檢等。

晶閘管觸發和監測系統結構圖如圖1所示。TC＆M的硬件由2個互為熱備用冗余的微處理器系統組成，也就是2個系統在運行時都在工作，但只有1個系統在控制換流閥。每個系統的故障檢測包括:信號檢測、看門狗邏輯、自檢和微處理器互檢。一旦有故障，“VBE 就緒”(VBE READY，VBE-RDY)信號立即啟動切換邏輯，自動切換到備用系統。如果2套TC＆M都發出VBE-RDY信號置零，立即產生1個跳閘信號并將閥閉鎖。

圖1 晶閘管觸發和監測系統結構圖Fig.1 Diagram of thyristor firing and monitoring system

2 換流器跳閘VBE-RDY信號置零分析

2.1 VBE-RDY信號置零分析

在錦蘇特高壓直流工程極II高端換流器系統調試過程中，錦屏站模擬極Ⅱ高端換流器極母線差動保護閉鎖試驗時，當換流器保護閉鎖后，出現 VBE-RDY變成零電位導致VBE退出運行的故障，換流器隔離［11］。TFR錄波圖如圖2所示。

按照工程換流器保護設計原則，模擬極Ⅱ整流側直流極母線差動保護跳閘，換流器不應隔離，但在模擬試驗中極Ⅱ高端換流器報閥控故障并隔離。經過分析，當時的工況是模擬極II直流母線差動故障，保護將換流閥對應斷路器跳閘，在發出跳閘指令的同時，極控給VBE下達指令投旁通對，但在投旁通以后，VBE-RDY突然變成零電位，導致VBE退出運行。

圖2 極Ⅱ高端極母線差動保護跳閘，換流器隔離錄波圖Fig.2 Converter insulation record waves while DC pole bus differential protection tripping of pole 2 high voltage converter

通過檢查系統調試記錄，對極II系統調試錦屏側5次模擬高端換流器保護跳閘試驗進行了分析，發現3次模擬跳閘試驗投入旁通對發生了VBE-RDY變成零電位的故障，第1次是錦屏站極II高端換流器手動緊急停運，極隔離，換流器跳開，投入投旁通，直流換流器閉鎖;第2次錦屏站下令模擬極Ⅱ高端換流器過流保護跳閘，事件顯示“直流過流保護跳閘，直流閉鎖”，極隔離，換流變跳開，換流器閉鎖;第3次是錦屏站極Ⅱ高端極母線差動保護閉鎖試驗投旁通。3次都發生了VBERDY變成零電位的故障。2次極II高端換流器投入旁通對VBE-RDY未變成零電位的試驗是:第1次在蘇州站下令極Ⅱ雙換流器緊急停運，先高端換流器緊急停運，錦屏站極II高端換流器隔離，投入投旁通，極II高端換流器閉鎖;第2次是錦屏站進行極Ⅱ高端換流器不帶線路開路試驗，下令極Ⅱ直流電壓手動由0 V上升至400kV，再由400kV下降至0 V，然后錦屏站閉鎖極Ⅱ高端換流器。

通過以上5次試驗投旁通對的操作，對VBE-RDY信號變化分析，得出結論:如果是在斷路器跳閘時投旁通就會出現VBE-RDY置零導致VBE退出運行;而如果在斷路器合閘的情況下投旁通對就不會發生VBERDY變成零電位導致VBE退出運行。也就是說斷路器跳閘與不跳閘與VBE-RDY置零有密切關系。

2.2 VBE投旁通對邏輯關系分析

2.2.1 VBE 信號簡介

VBE輸入信號:換流變進線開關合閘信號(CB_ON)、觸發控制信號(FCS)、欠壓信號(UNDERVOLTAGE)、換流器解鎖信號(DEBLOCKED)、系統有效信號(ACTIVE)、系統備用信號(PASSIVE)、投旁通對有效信號(BYPASS ACTIVE)、閉鎖觸發脈沖信號(BLOCK)。

VBE輸出信號:電流過零信號(END OF CURRENT)、VBE就緒信號、換流閥跳閘信號(CONVERTER TRIP)、回報信號丟失(CHECK-BACK SIGNAL MISSING)、晶閘管無冗余(NO THYRISTOR REDUNDANCY)、回報信號太少產生跳閘(MIN.NO.OF CHECK-BACK SIGNAL NOT AVAILABLE)、觸發脈沖丟失(FIRING PULSE MISSING)、閥檢測正常(VALVE CHECK OK)、投旁通對(BYPASS)。

2.2.2 VBE投入旁通對的邏輯關系

(1)向上工程VBE投入旁通的條件。

在向家壩—上海特高壓直流輸電工程中復龍換流站4個換流閥均采用基于SIEMENS技術的換流閥，這些換流閥與極控接口VBE投旁通對的條件是:

DEBLOCK=1＆BLOCK=0 AND;ACTIVE=1＆PASSIVE=0 AND;旁通閥FCS觸發AND;BYPASS ACTIVE=1。邏輯圖如圖3所示。

圖3 向上直流復龍站換流閥VBE投入旁通對條件邏輯圖Fig.3 Logic diagram of VBE BAPASS ACTIVE signal at Fulong Converter Station of Xiangshang UHVDC project

(2)錦蘇工程VBE投入旁通的條件。

錦屏—蘇州特高壓直流輸電工程錦屏換流站VBE投旁通對的條件是在向上特高壓直流輸電工程復龍換流器站的VBE接口設計邏輯的基礎上增加了一個CB_ON=1條件，邏輯圖如圖4所示。

圖4 錦屏站直流換流閥VBE投入旁通對條件邏輯圖Fig.4 Logic diagram of VBE BAPASS ACTIVE signal at Jinping Converter Station of Jingsu UHVDC project

在上述錦蘇工程5個邏輯條件中，如果:1)DEBLOCK=1＆BLOCK=0組合無效，VBE-RDY=0;2)ACTIVE=1＆PASSIVE=0組合無效，VBE-RDY=0;3)CB_ON=0＆DEBLOCK=1＆BLOCK=0組合無效，VBE-RDY=0。

增加CB_ON信號在換流器保護閉鎖后，VBERDY變成零電位導致VBE退出運行，換流器隔離的原因是本文要討論的核心技術問題。

在錦屏換流站進行極Ⅱ高端極母線差動保護閉鎖試驗時，出現VBE-RDY置零導致對應極控系統退出的故障是因為 CB_ON=0＆DEBLOCK=1＆BLOCK=0組合無效，所以造成VBE-RDY在其后2 ms變成了零電位。

2.3 換流器跳閘VBE-RDY信號置零剖析

在進行極Ⅱ高端極母線差動保護Z閉鎖試驗時，模擬極母線故障，差動保護發交流斷路器跳閘指令，在發跳閘指令的同時，極控就發出投入旁通對的指令給VBE，VBE設計的邏輯是DEBLOCK=1＆BLOCK=0 AND ACTIVE=1＆PASSIVE=0 AND旁通閥FCS觸發AND CB_ON=1 AND BYPASS ACTIVE=1才滿足投旁通的要求。VBE投旁通對邏輯條件中，ACTIVE=1＆PASSIVE=0，旁通閥 FCS觸發，BYPASS ACTIVE=1都是滿足的，而DEBLOCK=1＆BLOCK=0的條件是不滿足的。錦蘇特高壓直流工程極控核心技術采用基于ABB公司技術的直流控制保護，DEBLOCK和BLOCK是由極控發出的，如圖5所示。在BYPASS ACTIVE=1滿足時，極控是不滿足的，因為在這個狀態下極控的解鎖信號已經變為零。

圖5 極II高端換流器跳閘試驗時，極控閉鎖時序圖Fig.5 Pole control record waves while DC pole bus differential protection tripping of pole 2 high voltage converter

從圖5可以看出，盡管直流極控已經處于閉鎖狀態，而換流器閉鎖信號還沒發給VBE，DEBLOCK=1＆BLOCK=0的條件是不滿足投入旁通對條件的。

為了滿足換流閥接口VBE投旁通的條件，技術人員對換流器控制軟件邏輯做了一個更改，如圖6所示。從圖6所示的軟件可以看出，在直流極解鎖信號由高電平變為低電平后，直流極閉鎖，同時發出投入旁通對命令，而換流器控制發給VBE的仍然是解鎖信號。

圖6中線圈里的部分，換流器控制發給VBE的解鎖信號要延時500 ms才能變為低電平，直到投旁通開關，才把極控閉鎖的指令給VBE，所以真正的換流器控制(converter control and protection，CCP)發給VBE閉鎖信號時序圖如圖7所示。

圖6 換流器閉鎖邏輯投旁通對與VBE接口邏輯圖Fig.6 Logic diagram between CCP block logic bypass and converter valve VBE interface

圖7 CCP發給VBE閉鎖信號時序圖Fig.7 Block sequence chart of CCP sending to VBE

在圖7中，VBE投旁通的DEBLOCK=1＆BLOCK=0滿足了條件，剩下只要CB_ON=1，VBE就可以正常執行旁通指令了，但是在進行極Ⅱ高端極母線差動保護Z閉鎖試驗時，CB_ON沒有滿足CB_ON=1的條件，如圖7所示。

在圖7中，0.55 s時刻換流變進線開關斷開信號ACCB-OPEN-IND為 1，進線開關斷開，也就是說0.55 s時交流斷路器斷開指令執行，根據圖7所示，在0.55 s時刻VBE正在投旁通，換流器控制發給VBE的信息是換流器正處于解鎖狀態，而在換流器解鎖狀態下ACCB-OPEN-IND動作變成高電位，也就是交流斷路器合閘信號處于零電位，即CB_ON=0，這就導致了VBE-RDY信號變成零電位，進而VBE退出運行。

3 直流電源丟失VBE-RDY置零分析

在錦蘇特高壓直流工程極I低端換流器系統調試過程中，錦屏站進行VBE盤柜直流電源丟失，控制系統切換試驗，造成VBE跳閘，閉鎖極I低端換流器。經檢查引起VBE跳閘的原因是傳給閥控表示VBE工作狀態正常的VBE-RDY信號為零電位。VBE接口屏柜有2路110 V直流電源供電，當VBE有效系統失去一路110 V電源時，VBE系統和與之連接的閥控系統進行系統切換，直流系統會繼續運行。然而拉開一路110 V直流電源，就造成了VBE跳閘，經檢查發現VBE-RDY信號回路有問題。VBE-RDY信號有2路輸出分別連接2套閥控系統，當一路VBE-RDY信號由于某種原因置零時，另一路VBERDY連接閥控系統正常，直流系統會繼續穩定運行，當2路VBE-RDY信號都為零時，閥控收到VBE-RDY為零信息，就會發出VBE跳閘指令。而在進行110 V直流電源丟失試驗時，VBE-RDY信號為零電位原因是因為2路VBE-RDY信號回路串入了來自不同直流屏的兩路110 V直流電源的輔助觸點，當斷開一路110 V直流電源后，VBE電源回路開關的輔助觸點就斷開，閥控首先要進行控制系統切換，閥控系統切換后，由于另一路VBE接口屏的VBE-RDY信號回路也串入了電源開關的輔助觸點，因此當斷開一路110 V直流電源后，分別造成2路VBE-RDY信號回路中斷，使得閥控接收到的VBE-RDY信號為零，即2路VBE-RDY信號都是零電位，造成了VBE保護跳閘。

4 處理措施

4.1 換流器跳閘VBE-RDY信號置零處理

由于錦蘇直流錦屏側在運行期間一直處于整流側，直流系統停運時，投入旁通對的機會也較少，經過錦屏現場系統技術人員分析研究決定，只要整流側換流器投入旁通對閉鎖，VBE-RDY信號置為零電平，VBE退出運行，運行值班人員手動復位一次VBE就可以了。

后續在建的哈密南—鄭州特高壓直流輸電工程，對換流器閉鎖邏輯進行了修改，在直流換流閥解鎖期間，CB_ON信號異常時閥控設備繼續進行換流閥正常觸發和監視功能，只發告警事件，不進行控制系統切換，不撤銷VBE-RDY信號，也就是VBE-RDY信號與CB_ON信號狀態無關，這樣就保證了換流器跳閘閉鎖、并投入旁通對之后，VBE-RDY信號不會在很短時間內變為零，直到換流器解鎖信號變成低電平后，VBE-RDY信號變零。

4.2 直流電源丟失VBE-RDY置零處理

由于丟失一路110 V直流電源造成直流換流器跳閘停運，嚴重危及直流系統的穩定運行，必須對110 V直流電源丟失造成VBE-RDY信號置零故障進行處理，消除隱患。將串入VBE-RDY信號回路的來自不同直流屏的兩路110 V直流電源的輔助觸點拆除，然后短接，使得110 V直流電源丟失不會影響VBE-RDY信號回路。處理完畢后，重新進行試驗，閥控系統切換，直流系統穩定運行。

5 結語

本文對錦屏—蘇州特高壓直流工程錦屏換流站基于SIEMENS技術的換流閥的VBE-RDY置零故障進行了分析，指出了錦屏站VBE-RDY信號不僅與投入旁通對指令信號有關，而且與換流變進線開關的狀態信號CB_ON信號有關。解決與投入旁通對有關的方法是在換流器閉鎖信號延時500 ms發給VBE，解鎖信號延時500 ms變為零;解決與CB_ON信號有關方法是CB_ON信號異常時閥控設備繼續進行換流閥正常觸發和監視功能，只發告警事件，不進行控制系統切換，不撤銷VBE-RDY信號，也就是說VBE-RDY的狀態與CB_ON信號狀態無關。

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