±660kV直流輸電工程閥控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鄭林，藍(lán)元良，高陽(yáng)明，劉寧，楊曉楠，彭玲

(中電普瑞電力工程有限公司，北京市102200)

±660kV直流輸電工程閥控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鄭林，藍(lán)元良，高陽(yáng)明，劉寧，楊曉楠，彭玲

(中電普瑞電力工程有限公司，北京市102200)

閥控系統(tǒng)作為直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)與換流閥之間的接口設(shè)備，對(duì)直流系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行起著重要作用。因此提高閥控系統(tǒng)的可靠性是設(shè)計(jì)閥控系統(tǒng)時(shí)要達(dá)到的首要目標(biāo)。在介紹H400換流閥閥控系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)和基本功能的基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了H400換流閥閥控系統(tǒng)特有的高可靠性串行通信方式，并闡述了此種串行通信方式的實(shí)現(xiàn)方式和特點(diǎn)。這種通信方式已在寧東—山東±660 kV直流輸電工程中成功應(yīng)用，并取得了良好的效果。

高壓直流輸電；換流閥；閥控系統(tǒng)；閥基電子設(shè)備(VBE)

0 引 言

本文以寧東—山東±660 kV直流輸電工程為背景，介紹換流閥閥控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能實(shí)現(xiàn)方法。本工程換流閥是基于阿爾斯通電網(wǎng)公司的H400型換流閥技術(shù)路線，由中國(guó)電力科學(xué)研究院在引進(jìn)、消化和吸收、再創(chuàng)新基礎(chǔ)上而進(jìn)行自主設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造的。

本工程是世界首條±660 kV電壓等級(jí)高壓直流輸電示范工程，西起銀川東換流站，東至青島換流站，直流額定電壓為±660 kV，輸電距離約1 335 km，直流額定電流為3 030 kA，雙極輸送功率為4 000 MW[1-2]。

與國(guó)外另外2家閥控系統(tǒng)供貨商ABB和SIEMENS相比，H400換流閥閥控系統(tǒng)有其獨(dú)特的設(shè)計(jì)理念，其中最具代表意義的是閥控系統(tǒng)與極控系統(tǒng)和晶閘管門極單元之間的監(jiān)控信號(hào)串行通信方式，本文將重點(diǎn)論述此特點(diǎn)。

1 換流閥閥控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

按照直流控制保護(hù)系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)概念，換流閥大部分控制保護(hù)功能由處于整個(gè)換流站控制保護(hù)系統(tǒng)底層的閥控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，包括對(duì)換流閥的觸發(fā)控制、狀態(tài)監(jiān)測(cè)與保護(hù)功能[3-7]。

本論文所指的閥控系統(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[6]。圖中用虛線框起來(lái)的部分就是換流閥閥控系統(tǒng)，其中地電位設(shè)備有V系列閥基電子設(shè)備(valve base electronics, VBE)，高電位設(shè)備包括晶閘管門極單元(gate unit, GU)和閥塔冷卻系統(tǒng)泄漏監(jiān)視器。這些設(shè)備有機(jī)結(jié)合，共同實(shí)現(xiàn)對(duì)換流閥的控制保護(hù)功能。

文獻(xiàn)[6]中已對(duì)圖1所示的閥控系統(tǒng)進(jìn)行了較詳細(xì)的介紹，在此不再贅述，本文將著重介紹觸發(fā)字、熱字、觸發(fā)信號(hào)和回報(bào)信號(hào)等換流閥監(jiān)控信號(hào)的傳輸方式。

圖1 換流閥閥控系統(tǒng)原理圖

2 換流閥控制功能實(shí)現(xiàn)

正常運(yùn)行時(shí)，極控系統(tǒng)持續(xù)向VBE發(fā)送觸發(fā)字(firing word，F(xiàn)W)和熱字(晶閘管等效結(jié)溫?cái)?shù)據(jù))(thermal word，TW)。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)，并將該信息與對(duì)應(yīng)閥的熱字組合成觸發(fā)信號(hào)(firing code，F(xiàn)C)發(fā)送給該閥的各個(gè)GU。GU收到觸發(fā)信號(hào)后，進(jìn)行解碼，若需要觸發(fā)本晶閘管，且當(dāng)前晶閘管已經(jīng)承受合適的正向電壓，GU將向晶閘管門極發(fā)出觸發(fā)脈沖使其導(dǎo)通。

下面詳細(xì)介紹主要控制功能的實(shí)現(xiàn)方式。

2.1 觸發(fā)字

觸發(fā)字是極控制系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前的運(yùn)行工況算出觸發(fā)角(α)后，在觸發(fā)時(shí)刻向VBE發(fā)送的換流閥觸發(fā)命令。V系列VBE與其他技術(shù)路線VBE的最大區(qū)別是觸發(fā)字采用串行編碼，即12脈動(dòng)換流閥的觸發(fā)字只需要通過(guò)一根光纖就能傳送(并行傳輸時(shí)單系統(tǒng)需要12根光纖)[6,8-9]。而本工程采用的SIEMENS極控系統(tǒng)采用并行的觸發(fā)信號(hào)傳送方式，因此需要在極控和VBE之間開發(fā)專用接口裝置，將極控發(fā)出的并行觸發(fā)信號(hào)轉(zhuǎn)換成串行信號(hào)(編碼格式為串行歸零碼)，其時(shí)序如圖2所示。

圖2 觸發(fā)字時(shí)序圖

觸發(fā)字各個(gè)有效位定義如表1所示。某個(gè)閥的對(duì)應(yīng)位為高電平時(shí)，說(shuō)明此刻此閥應(yīng)該被觸發(fā)或者已經(jīng)在觸發(fā)狀態(tài)。

表1觸發(fā)字有效位定義

Tab.1Effectivebitdefinitionoffiringword

在表1中，閥1到閥12的編號(hào)是根據(jù)12脈動(dòng)換流閥中假設(shè)Y1閥為第1個(gè)觸發(fā)時(shí)的每個(gè)單閥的觸發(fā)順序編號(hào)。根據(jù)換流變的接線方式不同，每個(gè)單閥的觸發(fā)窗口進(jìn)入時(shí)序不同，因此12脈動(dòng)換流閥的觸發(fā)時(shí)序也不同。通常換流變的接線方式有11點(diǎn)(Yd11)接線和1點(diǎn)(Yd1)接線方式。在這2種換流變接線方式下的12脈動(dòng)換流閥觸發(fā)時(shí)序如圖3和圖4所示。圖中，括號(hào)外編號(hào)為12脈動(dòng)觸發(fā)時(shí)序編號(hào)，括號(hào)內(nèi)編號(hào)為6脈動(dòng)觸發(fā)時(shí)序編號(hào)。

圖3 角形側(cè)Yd1接線方式時(shí)的觸發(fā)順序

圖4 角形側(cè)Yd11接線方式時(shí)的觸發(fā)順序

在12脈動(dòng)換流閥正常運(yùn)行時(shí)，在同一時(shí)刻導(dǎo)通的閥為4個(gè)，因此正常觸發(fā)字中也只有4個(gè)有效觸發(fā)脈沖同時(shí)出現(xiàn)，如圖5所示。因此，接口裝置將并行觸發(fā)信號(hào)轉(zhuǎn)換成串行信號(hào)時(shí)，根據(jù)換流變的接線方式，確定并行觸發(fā)信號(hào)和串行編碼中的閥編號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系，將當(dāng)前的并行信號(hào)轉(zhuǎn)換成如圖5所示的串行編碼發(fā)送給VBE。

圖5 正常運(yùn)行時(shí)的觸發(fā)字時(shí)序圖

極控系統(tǒng)發(fā)送觸發(fā)字的方式如下：

(1)為了適應(yīng)觸發(fā)角的變化范圍，2幀觸發(fā)字之間相隔最小間距為2 μs，最大間隔不能大于20 ms。

(2)正常情況下，極控每隔30°電角度改變1次觸發(fā)字。為了提高觸發(fā)字的可靠性，每次新觸發(fā)字連續(xù)發(fā)2幀，2幀間隔16 μs。如果在發(fā)第1幀開始到第2幀開始之前，有新的觸發(fā)狀態(tài)變化，則按新的觸發(fā)狀態(tài)發(fā)送觸發(fā)字。若VBE收到的第1個(gè)觸發(fā)字異常，則將此觸發(fā)字丟棄，根據(jù)第2個(gè)觸發(fā)字控制換流閥。

2.2 熱字

H400換流閥閥控系統(tǒng)的一個(gè)重要特點(diǎn)是GU能夠根據(jù)換流閥的晶閘管等效結(jié)溫自適應(yīng)地調(diào)整換流閥保護(hù)觸發(fā)閾值，從而提高直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性[9]。熱字同樣采用串行歸零碼傳送，其時(shí)序如圖6所示。

圖6 熱字時(shí)序圖

如圖6所示，在一幀熱字中，位0為起始位；位1為閥1標(biāo)志，“1”表示當(dāng)前熱字對(duì)應(yīng)閥1，“0”表示當(dāng)前熱字對(duì)應(yīng)閥2～12；位2～12為晶閘管結(jié)溫值；位13為允許VBE監(jiān)視換流閥的標(biāo)志位，“1”表示允許監(jiān)視，“0”表示不允許；位14為奇偶校驗(yàn)位；位15為結(jié)束標(biāo)志位。在正常運(yùn)行情況下，各閥所對(duì)應(yīng)的熱字總是從閥1至閥12順序循環(huán)發(fā)送。

熱字共有5種代表狀態(tài)，其中A代表?yè)Q流閥正常運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)，B、C代表?yè)Q相失敗時(shí)出現(xiàn)的狀態(tài)，D、E代表短路故障狀態(tài)。這些狀態(tài)需要由極控系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前的工況判斷后發(fā)給VBE。

2.3 觸發(fā)信號(hào)

VBE收到觸發(fā)字和熱字后將這2個(gè)信號(hào)進(jìn)行重新編碼形成觸發(fā)信號(hào)，并將此觸發(fā)信號(hào)發(fā)送給相應(yīng)的GU板，GU收到觸發(fā)信號(hào)后完成對(duì)換流閥的觸發(fā)功能。

觸發(fā)信號(hào)的格式如圖7所示，當(dāng)某一位出現(xiàn)窄脈沖時(shí)表示邏輯“0”，出現(xiàn)寬脈沖時(shí)表示邏輯“1”。數(shù)據(jù)幀頭始終是寬脈沖，結(jié)束位始終是窄脈沖。觸發(fā)信號(hào)數(shù)據(jù)位定義如表2所示。

圖7 觸發(fā)信號(hào)格式

表2觸發(fā)信號(hào)數(shù)據(jù)位定義

Tab.2Effectivebitdefinitionoftriggersignal

如表2所示，觸發(fā)信號(hào)中包括兩大類信息，一類是此晶閘管級(jí)的觸發(fā)命令，還有一類是此晶閘管級(jí)的等效結(jié)溫。GU根據(jù)本閥的晶閘管結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)更新正向過(guò)電壓保護(hù)(簡(jiǎn)稱VBO保護(hù))、dv/dt保護(hù)以及正向恢復(fù)保護(hù)的動(dòng)作閾值。圖8～10為本工程中采用的晶閘管保護(hù)定值與晶閘管等效結(jié)溫之間的關(guān)系圖。

圖8 晶閘管最大正向恢復(fù)保護(hù)時(shí)間與結(jié)溫的關(guān)系(di/dt=2 A/μs)

圖9 晶閘管最大正向dv/dt保護(hù)水平與結(jié)溫的關(guān)系

圖10 晶閘管最大VBO保護(hù)水平與結(jié)溫的關(guān)系

3 換流閥狀態(tài)監(jiān)視功能實(shí)現(xiàn)

晶閘管監(jiān)視系統(tǒng)由位于換流閥上的GU和位于地電位的VBE 2部分構(gòu)成。系統(tǒng)運(yùn)行中，GU實(shí)時(shí)監(jiān)視每個(gè)晶閘管的狀態(tài)信息，并用特定的高速串行編碼對(duì)這些信息進(jìn)行編碼，然后報(bào)送給VBE，報(bào)送方式采用狀態(tài)變位上傳方式。

門極板的回報(bào)信號(hào)編碼格式與觸發(fā)信號(hào)的格式相同(見圖11)，其數(shù)據(jù)位定義如表3所示。通過(guò)回報(bào)信號(hào)，VBE不僅可以監(jiān)測(cè)晶閘管的運(yùn)行狀態(tài)，還可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)VBE到GU的通信通道狀態(tài)。

圖11 回報(bào)信號(hào)格式

表3回報(bào)信號(hào)定義

Tab.3Effectivebitdefinitionofdataback

4 結(jié) 論

閥控系統(tǒng)是直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)中十分關(guān)鍵的組成部分，它的可靠性將直接影響換流閥設(shè)備以及整個(gè)直流輸電系統(tǒng)的安全性和可靠性[10-16]。因此，閥控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)成為整個(gè)直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的重要環(huán)節(jié)。本文全面介紹了寧東—山東直流輸電工程閥控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法，具體結(jié)論如下。

(1) 閥控系統(tǒng)與上層控制保護(hù)系統(tǒng)采用串行編碼接口方式實(shí)現(xiàn)換流閥觸發(fā)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單明了，便于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和維護(hù)。

(2) VBE與GU之間接口邏輯采用串行信號(hào)傳輸技術(shù)，可以傳輸豐富信息，實(shí)現(xiàn)了換流閥的可靠觸發(fā)和狀態(tài)檢測(cè)。

(3)串行通信方式的缺點(diǎn)是功能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，通信容易受干擾，但是通過(guò)完善的通信校驗(yàn)功能和光通信方式提高了通信可靠性。

寧東—山東直流輸電工程的閥控系統(tǒng)可靠地實(shí)現(xiàn)了換流閥的觸發(fā)控制和狀態(tài)檢測(cè)功能。經(jīng)工程實(shí)踐證明，該工程的閥控系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理、功能完善，達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期要求。

[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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(編輯：劉文瑩)

DesignandImplementationofValveControlSystemin±660kVHVDCPowerTransmissionProject

ZHENG Lin, LAN Yuanliang, GAO Yangming, LIU Ning, YANG Xiaonan, PENG Ling

(China-Epri Eletric Power Engineering Co., Ltd, Beijing 102200, China)

As the interface device between the control-protection system of DC transmission and converter valve, valve control system plays an important part in the reliability of HVDC system. So the reliability improvement of valve control system is the first purpose in the system design. Based on the introduction of the composition structure and basic function of H400 valve control system, the unique serial communication mode with high reliability in this system was introduced in detail, as well as its realization way and characteristics. This communication mode has been successfully applied in Ningdong-Shandong ±660 kV DC transmission project, which has achieved good results.

HVDC power transmission; converter valve; valve control system; VBE

TM 72

： A

： 1000-7229(2014)02-0047-05

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.02.009

2013- 08- 07

：2013- 10- 22

鄭林(1982)，男，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)楦邏褐绷鬏旊姄Q流閥控制保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用，E-mail：zhenglin@sgri.sgcc.com.cn;

藍(lán)元良(1970)，男，博士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)楦邏褐绷鬏旊姄Q流閥電氣分析和設(shè)計(jì)、換流閥控制保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，E-mail：lanyuanliang@sgri.sgcc.com.cn;

高陽(yáng)明(1985)，女，本科，助理工程師，主要研究方向?yàn)楦邏褐绷鬏旊姄Q流閥的工程應(yīng)用；

劉寧(1983)，男，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)楦邏褐绷鬏旊姄Q流閥控制保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用，E-mail：liuning@sgri.sgcc.com.cn;

楊曉楠(1974)，女，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)楦邏褐绷鬏旊姄Q流閥電氣分析和設(shè)計(jì)、換流閥試驗(yàn)方案研究，E-mail：yangxiaonan@sgri.sgcc.com.cn;

彭玲(1982)，女，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)楦邏褐绷鬏旊姄Q流閥電氣分析和設(shè)計(jì)、換流閥試驗(yàn)方案研究，E-mail：pengling@sgri.sgcc.com.cn。