高壓直流輸電工程換流閥水冷系統(tǒng)模擬與分析

王輝 閏興龍 王強(qiáng) 姜海波

摘 要：國內(nèi)高壓直流輸電工程換流閥水冷系統(tǒng)模擬與分析研究滯后，本文以建立一個與實際運行相識的換流閥水冷模擬裝置為目標(biāo)，滿足換流站運維人員現(xiàn)場模擬培訓(xùn)、離線或者實時運行數(shù)據(jù)分析，為換流閥水冷系統(tǒng)各種工況下故障診斷、性能預(yù)測、控制方式優(yōu)化的研究創(chuàng)造一種應(yīng)用環(huán)境。

關(guān)鍵詞：水冷系統(tǒng)；模擬裝置；分析；培訓(xùn)

隨著高壓直流輸電工程規(guī)模的不斷擴(kuò)大，電壓等級也越來越高，因此對直流輸電工程中換流閥及其水冷設(shè)備要求也日漸嚴(yán)格，并且對其運行人員的知識技能也提出了更高的要求。但目前，國內(nèi)高壓直流換流閥純水水冷系統(tǒng)模擬與分析研究滯后，因此，本文以建立一個與實際運行相識的高壓直流輸電工程換流閥水冷模擬裝置為目標(biāo)，開展模擬培訓(xùn)、數(shù)據(jù)分析，提升現(xiàn)場運維人員技術(shù)水平。

1 換流閥水冷系統(tǒng)介紹

國內(nèi)直流±800kV直流輸電工程水冷系統(tǒng)通常采用的是ABB公司生產(chǎn)的水冷系統(tǒng)。以復(fù)龍換流站為例，每極高、低端換流閥各配置一套獨立的水冷系統(tǒng)，全站共四套。該系統(tǒng)由兩個水冷循環(huán)系統(tǒng)組成：一是內(nèi)水冷循環(huán)系統(tǒng)，通過帶含氧量的去離子水對換流閥晶閘管進(jìn)行水冷；二是外水冷循環(huán)系統(tǒng)，通過水冷塔對內(nèi)水冷進(jìn)行水冷。外冷水經(jīng)過軟化單元和反滲透單元處理之后合格的水，方可進(jìn)入平衡水池及水冷塔，且平衡水池安裝有一套砂濾系統(tǒng)，對平衡水池內(nèi)的外冷水實現(xiàn)24小時過濾。

內(nèi)冷水系統(tǒng)主要由主循環(huán)泵、ACS800變頻器、加熱器、機(jī)械過濾器、精細(xì)過濾器、離子交換器、除氣罐、高位膨脹水箱、補水箱、補水泵等組成。

外冷水系統(tǒng)主要由水冷塔、噴淋泵、電動閥等部分組成。外冷水水處理系統(tǒng)主要由軟化單元、機(jī)械過濾單元、反滲透單元、砂濾單元、平衡水池等部分組成。

2 模擬裝置總體構(gòu)成

該模擬裝置以換流閥水冷系統(tǒng)為研究對象，結(jié)合實際培訓(xùn)需求，建立模擬裝置所需各關(guān)鍵參數(shù)的數(shù)學(xué)模型，保證了系統(tǒng)運行的真實性和準(zhǔn)確性。

2.1 模型設(shè)計

換流閥水冷系統(tǒng)可以采用機(jī)理建模和統(tǒng)計建模兩種方式開展研究，并通過相互數(shù)據(jù)交換不斷優(yōu)化模型參數(shù)，使其更能接近實際運行工況，具體實施方法如下所示：

（1）機(jī)理建模。換流閥水冷系統(tǒng)主要是由換流閥（晶閘管閥）、空氣水冷器兩部組成的循環(huán)系統(tǒng)。通常采用內(nèi)部機(jī)理分析，建立機(jī)理模型。

（2）統(tǒng)計建模。根據(jù)跨區(qū)電網(wǎng)換流站實際運行工況，可以通過分析大量歷史數(shù)據(jù)，如溫度、流量、壓力、電導(dǎo)率等，采用先進(jìn)算法（神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、相關(guān)向量機(jī)等）建立數(shù)學(xué)仿真模型。

2.2 工況預(yù)測與故障預(yù)警

根據(jù)上述建立的換流閥水冷系統(tǒng)模型，以國內(nèi)首個背靠背換流站換流閥水冷系統(tǒng)實際運行數(shù)據(jù)為研究背景，設(shè)計工況預(yù)測及故障預(yù)警專家系統(tǒng)，實現(xiàn)換流閥水冷系統(tǒng)各運行參數(shù)智能化判斷、評估的功能。

2.3 閥水冷系統(tǒng)培訓(xùn)

在建立換流閥水冷系統(tǒng)建模及故障預(yù)警的框架下，建立一個與實際換流閥水冷系統(tǒng)相似的模擬裝置，具有模擬正常運行操作、模擬故障處理功能，可以開展閥水冷系統(tǒng)運維人員技能培訓(xùn)等工作；依據(jù)高壓直流輸電換流閥水冷系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范、運行規(guī)范、檢修規(guī)范、狀態(tài)評價導(dǎo)則等，建立“運維一體化”換流閥水冷系統(tǒng)培訓(xùn)模塊，實現(xiàn)規(guī)范與操作的統(tǒng)一。

3 模擬裝置硬件設(shè)計

該模擬裝置主要包含兩部分硬件系統(tǒng)，第一部分為物理仿真接口屏，主要用于模擬現(xiàn)場儀表數(shù)據(jù)變化觸發(fā)的保護(hù)邏輯，第二部分為教學(xué)培訓(xùn)機(jī)組，主要用于教學(xué)培訓(xùn)、學(xué)員操作、學(xué)員考核。

物理仿真接口屏：物理仿真接口屏由一套SIMATIC S7-300的控制系統(tǒng)組成，嵌入了閥冷控制系統(tǒng)的主要邏輯，I/O包含了閥冷主要設(shè)備開關(guān)量信號以及閥冷所有儀表的模擬量信號。接口屏所處理的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)接入服務(wù)器。接口屏的4-20mA模擬器可以仿真、驗證現(xiàn)場進(jìn)出閥溫度、壓力，流量，液位，電導(dǎo)率的保護(hù)邏輯以及相關(guān)泵、閥的動作邏輯，更全面的讓培訓(xùn)人員、檢修人員對閥冷現(xiàn)場邏輯的理解，同時也給現(xiàn)場故障的仿真推導(dǎo)提供了有力的依據(jù)。

教學(xué)培訓(xùn)機(jī)組主要由教員工作站、學(xué)員機(jī)、打印機(jī)等輔助設(shè)備組成，教員機(jī)以及學(xué)員機(jī)通過教學(xué)軟件進(jìn)行互動，教員通過教員機(jī)給學(xué)員示范切換操作、運行監(jiān)視及控制操作，同時教員機(jī)可以授權(quán)給學(xué)員機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的操作并進(jìn)行考核。

4 模擬軟件設(shè)計

模擬界面全部展現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備概貌，細(xì)化到管道方向、閥門等具有可操作的標(biāo)識，能用動畫的形式予以展示，比如管道水的流動性、閥門打開/關(guān)閉的狀態(tài)顯示、主泵的旋轉(zhuǎn)方向、膨脹罐水位變化動態(tài)顯示、風(fēng)機(jī)動態(tài)顯示等，為故障模擬仿真提供直接畫面做好準(zhǔn)備。包括工藝流程圖和運行曲線兩部分。

工藝流程圖可以對組件（泵與開關(guān)等）進(jìn)行雙擊操作，可以啟動和停止（打開和關(guān)閉）組件狀態(tài)，從而影響系統(tǒng)環(huán)境狀態(tài)。當(dāng)在顯示故障模式下，可以清楚看到出現(xiàn)故障的組件設(shè)備，并且點擊后可以查看相應(yīng)的故障常規(guī)排查和處理方法。

5 結(jié)論

通過模擬裝置應(yīng)用于換流閥水冷系統(tǒng)，滿足換流站運維人員現(xiàn)場模擬培訓(xùn)、離線或者實時運行數(shù)據(jù)分析，為換流閥水冷系統(tǒng)各種工況下故障診斷、性能預(yù)測、控制方式優(yōu)化的研究創(chuàng)造一種應(yīng)用環(huán)境。

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作者簡介：王輝（1979-），男，本科，工程師，主要從事?lián)Q流站運維技術(shù)工作。