±800kV特高壓直流輸電換流閥控制保護系統(tǒng)工作原理及其工程應(yīng)用

王華鋒，陳龍龍，林志光，鄭林，湯廣福

(國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院，北京市 102209)

0 引言

錦屏—蘇南±800kV特高壓直流輸電工程送端為錦屏裕隆換流站，受端為同里換流站。額定容量為7200MW，額定電壓為±800kV，最高運行電壓為±816 kV，額定電流為 4500 A。送電距離約為2093.5 km［1-2］。

該工程是雙極直流系統(tǒng)，包括2個完整單極，分別為極Ⅰ和極Ⅱ。每個完整單極每端由高端和低端2個電壓相等的12脈動換流器串聯(lián)組成，其中極Ⅱ低端為中電普瑞電力工程有限公司自主研發(fā)A5000型換流閥。直流控制保護系統(tǒng)為ABB公司DCC800。

該工程于2012年6月24日—7月11日完成雙極低端系統(tǒng)調(diào)試，2012年7月12日投入試運行。在系統(tǒng)調(diào)試和試運行期間，極Ⅱ低端換流閥控制保護系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，沒有出現(xiàn)故障。本文將詳細(xì)描述裕隆換流站極Ⅱ低端換流閥控制保護系統(tǒng)工作原理和工程調(diào)試及運行情況。

1 換流閥控制保護系統(tǒng)工作原理

將直流輸電換流站和直流輸電線路的全部控制功能按等級分為若干層次而形成控制保護設(shè)備結(jié)構(gòu)。采用分層結(jié)構(gòu)，可以提高運行的可靠性，使任一環(huán)節(jié)故障所造成的影響和危害程度控制到最小，同時還可以提高運行操作、維護的方便性和靈活性。特高壓直流輸電控制保護設(shè)備一般設(shè)有6個層次等級［3］，原理如圖1所示。從高層次等級至低層次等級分別為:系統(tǒng)控制保護級、雙極控制保護級、極控制保護級、換流器控制保護級、單獨控制保護級或換流閥控制保護級。換流閥控制保護系統(tǒng)屬于最底層一級設(shè)備，實現(xiàn)換流閥觸發(fā)、監(jiān)測和保護功能，為直流輸電控制保護系統(tǒng)的核心設(shè)備，控制保護對象為換流閥。

圖1 直流輸電控制保護設(shè)備分層結(jié)構(gòu)Fig.1 Layered structure of HVDC control and protection equipment

1.1 原理概述

換流閥控制保護系統(tǒng)由閥基電子設(shè)備(valve base electronics equipment，VBE)、晶閘管觸發(fā)監(jiān)測單元(thyristor trigger and monitor unit，TTM)、漏水檢測器和避雷器動作指示器組成［4-7］，其中VBE處于地電位，TTM、漏水檢測器和避雷器動作指示器處于高電位。換流閥控制保護系統(tǒng)原理如圖2所示。上層控制保護系統(tǒng)有換流器控制保護設(shè)備(convertor control protection，CCP)、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)(supervisory control and data acquisition，SCADA)和 全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)，VBE 和 CCP采用光纖傳輸各種控制信號，提高抗干擾能力;VBE和SCADA系統(tǒng)通過Profibus通信傳輸事件信息;GPS將時鐘信號傳輸給VBE。VBE和高電位設(shè)備采用光纖傳輸，提高抗干擾能力和保證絕緣強度。

1.2 閥基電子設(shè)備

VBE主要由CCP信號處理模塊、SCADA系統(tǒng)通信模塊、自檢和保護模塊、換流閥觸發(fā)監(jiān)測保護模塊等組成，VBE和外部設(shè)備連接原理如圖3所示。VBE為完全獨立的雙冗余系統(tǒng)，一套處于運行狀態(tài)，另一套處于熱備用狀態(tài)［8］。若運行系統(tǒng)出現(xiàn)故障，可無擾動切換到另一套系統(tǒng)運行，允許帶電檢修和在線更換電路板，具有完善的自檢和保護功能。

CCP信號處理模塊接收CCP下發(fā)的各種高頻調(diào)制控制命令，對高頻調(diào)制控制命令進(jìn)行解調(diào)，實現(xiàn)換流閥控制操作，VBE對換流閥的監(jiān)測和保護、自檢和保護信號經(jīng)過CCP信號處理模塊高頻調(diào)制后發(fā)送給CCP。控制保護系統(tǒng)下發(fā)給VBE的信號有:ACTIVE/INACTIVE(主從選擇)、DEBLOCK/BLOCK(解鎖閉鎖)、BPPO(投旁通對)、TEST(低壓加壓)、UNDER_V(低電壓)、CBON(開關(guān)分合);CP(12個單閥的觸發(fā)脈沖);閥基電子設(shè)備上傳給控制保護系統(tǒng)的信號有FP(12個單閥的觸發(fā)反饋脈沖)、VBE ok(VBE是否良好)、TRIP(跳閘)、RFO(準(zhǔn)備就緒)。

SCADA系統(tǒng)通信模塊將換流閥的狀態(tài)信息和閥基電子設(shè)備本身的狀態(tài)信息發(fā)送給后臺監(jiān)控系統(tǒng)，供運行人員監(jiān)視，并且能夠執(zhí)行后臺監(jiān)控系統(tǒng)下發(fā)的遠(yuǎn)程操作指令。

VBE自檢和保護模塊實時檢測自身的運行狀態(tài)，若發(fā)現(xiàn)異常，根據(jù)故障的嚴(yán)重程度將采取相應(yīng)的保護措施。VBE自檢到輕微故障，只把故障信息通過Profibus總線上傳至SCADA系統(tǒng);自檢到嚴(yán)重故障，通過CCP信號處理模塊向上CCP發(fā)送請求切換信號，并且把故障信息通過 Profibus總線上傳至SCADA系統(tǒng)。

換流閥觸發(fā)監(jiān)測保護模塊為換流閥控制保護系統(tǒng)核心部分，主要完成對換流閥晶閘管的觸發(fā)控制、對換流閥晶閘管狀態(tài)信息的采集和換流閥保護、監(jiān)測換流閥閥塔漏水情況、監(jiān)測避雷器動作情況。在直流輸電系統(tǒng)正常投入運行或者系統(tǒng)試驗需要時，換流閥觸發(fā)監(jiān)測保護模塊根據(jù) CCP解鎖換流閥［9］，接收CCP下發(fā)的換流閥觸發(fā)指令，并對該指令進(jìn)行解碼和重新編碼后發(fā)送至位于換流閥上的TTM。直流輸電系統(tǒng)正常或者故障停運時，VBE按照CCP進(jìn)行換流閥閉鎖和投旁通對操作，閉鎖換流閥后，停止向換流閥發(fā)送觸發(fā)脈沖;投旁通對時向CCP選定的單閥發(fā)送觸發(fā)脈沖。當(dāng)換流變充電，并且換流變閥側(cè)電壓滿足換流閥TTM取能要求后，VBE實時監(jiān)測換流閥每個晶閘管級的運行狀態(tài)。當(dāng)檢測到異常狀態(tài)時，采取相應(yīng)的保護措施。不影響換流閥安全運行的故障，只把故障信息通過局域網(wǎng)上傳至SCADA系統(tǒng);影響換流閥安全運行的故障，如某個單閥中已損壞或者過電壓保護動作的晶閘管級數(shù)超過設(shè)定值，VBE向CCP發(fā)送請求跳閘信號，避免導(dǎo)致更嚴(yán)重的故障，并且把故障信息通過局域網(wǎng)上傳至SCADA系統(tǒng)。

1.3 晶閘管觸發(fā)監(jiān)測單元

TTM主要功能包括:取能和儲能、光電和電光轉(zhuǎn)換、晶閘管正常觸發(fā)監(jiān)測、電流斷續(xù)保護、晶閘管反向恢復(fù)保護、正向過電壓和dv/dt保護等［11］。

TTM位于高電位，其工作電源從所在的晶閘管級阻尼回路獲取，所取得的能量需要滿足晶閘管強觸發(fā)、運算和邏輯電路工作要求。在直流輸電系統(tǒng)正常和故障狀態(tài)下，特別是當(dāng)交流系統(tǒng)發(fā)生單相對地故障、三相對地短路故障或三相對地金屬短路故障時，TTM在一定時間內(nèi)能夠維持正常觸發(fā)，不會因儲能電路需要充電而造成恢復(fù)的延緩。

光電轉(zhuǎn)換電路將VBE下發(fā)的光信號脈沖編碼進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，供TTM邏輯控制電路，TTM根據(jù)VBE命令進(jìn)行觸發(fā)和監(jiān)測晶閘管;同時，將TTM實時檢測到的晶閘管級狀態(tài)、各種保護觸發(fā)信號轉(zhuǎn)換成光脈沖編碼回傳給VBE，實現(xiàn)TTM與VBE之間晶閘管級狀態(tài)信息的光信號傳輸。

正常觸發(fā)監(jiān)測電路將光電轉(zhuǎn)換后的VBE觸發(fā)指令進(jìn)行解碼，并觸發(fā)對應(yīng)的晶閘管。在高壓直流輸電換流閥中，每個單閥都由很多晶閘管串聯(lián)組成，由于觸發(fā)系統(tǒng)及晶閘管本身參數(shù)的分散性，會導(dǎo)致串聯(lián)閥中各個晶閘管的開通時刻不盡相同，造成閥中元件承受的電強度差別較大，元件本身固有的耐受過電壓能力脆弱、dv/dt和di/dt承受能力有限等特點，可能會造成閥中某個晶閘管的損壞，影響換流閥的可靠運行。所以，TTM的觸發(fā)脈沖必須具備較好的同時性、一定的前沿陡度和足夠的幅度，這樣才有利于串聯(lián)閥中晶閘管的同時導(dǎo)通，減輕單個晶閘管所承受的電強度，確保晶閘管的安全運行。

TTM實時監(jiān)測該晶閘管級的狀態(tài)，如晶閘管是否損壞、TTM取能是否正常、光通道是否正常、正向過電壓和dv/dt保護觸發(fā)等，將上述狀態(tài)通過特定的編碼發(fā)送至VBE。

晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通后，晶閘管陽極需要一定的維持電流使其處于開通狀態(tài)，當(dāng)電流低于維持電流時，晶閘管可能關(guān)斷。每個晶閘管特性存在微小差異，所需的維持電流略有不同。在換流站啟停或者小功率送電時，直流電流小，在晶閘管應(yīng)導(dǎo)通的期間內(nèi)，其陽極電流可能低于維持電流導(dǎo)致關(guān)斷，出現(xiàn)電流斷續(xù)，影響直流輸電系統(tǒng)運行。為避免電流斷續(xù)造成影響，TTM在晶閘管應(yīng)導(dǎo)通區(qū)間內(nèi)，一旦檢測到晶閘管兩端承受的正向電壓超過保護水平時，自動觸發(fā)導(dǎo)通晶閘管。

如果在反向恢復(fù)期內(nèi)晶閘管端間過早地出現(xiàn)了正向電壓，TTM將重新觸發(fā)晶閘管，避免破壞性的擊穿。

當(dāng)正向電壓和dv/dt超出晶閘管耐受能力將使其破壞性擊穿，TTM對其采取相應(yīng)的保護措施。TTM實時采集經(jīng)過分壓以后的晶閘管兩端電壓，一旦正向電壓或dv/dt達(dá)到保護水平，TTM將觸發(fā)晶閘管并向VBE發(fā)送該保護動作信號，保護晶閘管的安全;保護水平能夠連續(xù)平滑調(diào)節(jié)，非常靈活。

1.4 漏水檢漏器

安裝于閥塔底部的漏水檢測器和VBE漏水監(jiān)視器共同完成閥塔漏水的監(jiān)測［10］。當(dāng)閥漏水檢測開關(guān)投入時，VBE漏水監(jiān)視器實時向漏水檢測器發(fā)送一定頻率的光脈沖，當(dāng)閥塔不漏水時，漏水檢測器光路通暢，發(fā)送的光脈沖返回至VBE漏水監(jiān)視器。當(dāng)閥塔漏水時，漏水檢測器光路被阻擋，發(fā)送的光脈沖不能返回至VBE漏水監(jiān)視器，算作1次漏水。在一定時間內(nèi)記錄不能返回的光脈沖次數(shù)，用以判斷漏水的級別(分為滲漏和泄漏)，閥塔漏水報警通過Profibus總線上傳至SCADA系統(tǒng)。

1.5 避雷器動作指示器

避雷器動作指示器安裝在閥體避雷器底部，與VBE之間采用光纖連接。避雷器動作時指示器產(chǎn)生特定編碼的光脈沖信號通過光纖送至VBE機柜內(nèi)的避雷器監(jiān)視器，VBE根據(jù)接收的編碼計算避雷器動作次數(shù)，并將避雷器動作次數(shù)通過Profibus總線上傳至SCADA系統(tǒng)。

2 工程調(diào)試及運行情況

錦蘇工程先后進(jìn)行了換流閥分系統(tǒng)調(diào)試、站系統(tǒng)調(diào)試和端對端系統(tǒng)調(diào)試。分系統(tǒng)調(diào)試主要為低壓加壓試驗;站系統(tǒng)調(diào)試主要包括換流變帶電試驗、換流器不帶線路開路試驗和換流器帶線路開路試驗;端對端系統(tǒng)調(diào)試主要包括雙極低端換流器低功率試驗、極Ⅱ低端換流器低功率試驗、直流線路故障試驗、雙極低端換流器低功率試驗、雙極低功率試驗、雙極運行錦屏側(cè)孤島接線方式試驗、接地極線路故障試驗、交流線路故障試驗、極Ⅱ低端換流器大功率試驗和雙極低端換流器大功率試驗等180多個試驗項目。換流閥控制保護系統(tǒng)一次性通過所有試驗，2012年7月12日投入試運行以來沒有出現(xiàn)任何故障。

典型試驗波形如圖4～7所示。圖4為換流閥閉鎖波形，VBE收到CCP閉鎖命令后，立即閉鎖換流閥，直流輸出電流迅速下降至0;圖5為正常運行中主從系統(tǒng)切換波形，VBE檢測到CCP主系統(tǒng)信號故障，通過VBE ok發(fā)送給CCP，CCP進(jìn)行主從切換，切換過程直流輸出電壓電流平穩(wěn)，沒有任何擾動;圖6為主系統(tǒng)某一個單閥觸發(fā)脈沖丟失試驗波形，CCP和VBE檢測到觸發(fā)脈沖丟失后，進(jìn)行主從切換，切換成功后直流輸出電壓電流很快恢復(fù)正常;圖7為直流輸出線路對地短路故障試驗波形，在故障錄波的0.5 s時刻，直流線路輸出對地短路，直流電壓由額定值瞬間下降至0，對地短路電流高達(dá)4600 A，直流線路輸出對地短路200 ms后，直流輸電系統(tǒng)在200 ms以內(nèi)恢復(fù)正常運行。

3 結(jié)論

中電普瑞電力工程有限公司自主研發(fā)A5000型換流閥控制保護系統(tǒng)經(jīng)過一系列的功能調(diào)試、抗干擾能力調(diào)試，一次性通過試驗。換流閥控制保護系統(tǒng)能夠按照上層控制系統(tǒng)完成所有控制操作，很好地監(jiān)測換流閥每個晶閘管級、閥避雷器動作情況、閥塔漏水情況，并采取相應(yīng)的保護措施。該換流閥控制保護系統(tǒng)投入工程運行以來，運行情況良好、性能特別穩(wěn)定;原理設(shè)計正確，硬件和軟件可靠性高。

［1］國家電網(wǎng)公司.錦屏—蘇南±800千伏特高壓直流輸電工程換流閥(裕隆站)技術(shù)協(xié)議［R］.北京:國家電網(wǎng)公司，2011.

［2］國家電網(wǎng)公司.錦屏—蘇南±800千伏特高壓直流輸電工程換流閥(同里站)技術(shù)協(xié)議［R］.北京:國家電網(wǎng)公司，2011.

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