±350 kV魯西背靠背柔性直流閥控系統設計缺陷及改進措施

褚海洋，冉學彬，莫 躍，宋海彬，毛臻炫，關宇洋，包 也

（南方電網超高壓輸電公司天生橋局，貴州 興義 562400）

0 引言

500 kV魯西背靠背柔性直流輸電工程采用雙回±160 kV常規直流和±350 kV柔性直流混合輸電系統，將南方電網主網與云南電網異步隔離，保證了南方電網主網與云南電網相互獨立運行。其中，±350 kV柔性直流系統是全球商業化運行最早、運維最好的柔性直流輸電項目。本文分析該工程兩起閥控系統單一元件故障導致柔性直流閉鎖事件的原因，總結改進措施，以減少影響系統穩定運行的隱患，幫助提高柔性直流輸電系統的運維水平。

1 閥控系統介紹

魯西背靠背換流站云南側換流閥采用榮信電力電子股份有限公司的閥控系統，廣西側換流閥采用中國西電集團有限公司的閥控系統。以云南側閥控系統為例，閥控系統由2面換流閥控制屏、12面脈沖分配屏和1面換流閥故障錄波屏組成。

閥控系統主要完成換流閥脈沖調制、脈沖分配及相關保護功能[1]。閥控系統接收上層單元控制系統（單元控制）下發的控制保護命令，并反饋換流閥的部分狀態信息給單元控制系統；同時，向下層脈沖分配屏發送控制命令，并接收脈沖分配屏收到的功率模塊狀態和故障信息。閥控系統采用雙系統熱備用冗余工作方式，A/B套閥控屏與A/B套PCP裝置一一對應，不交叉冗余[1-2]。

2 閥控系統故障分析

2.1 故障信息

2019-09-25和2019-12-19，閥控系統上報SCADA后臺工作站云南側閥控B“CD旁路模塊數超限”故障、請求跳閘，最終導致柔性直流系統閉鎖跳閘。故障前，換流閥運行正常，閥控B為主套閥控，閥控A為備用閥控；雙套閥控與CD橋臂第1個脈沖箱切換板的通信正常、無故障。

以12月19日為例，故障發生時SCADA后臺的報文內容及順序如下：

（1）07：47：49.779出現了閥控A“冗余切換請求”。

（2）07：47：49.781出現了閥控B“CD模塊數超限跳閘”，即CD故障模塊數超過冗余。

（3）07：47：49.784出現了閥控B“冗余請求切換”和“閥控切換失敗”。

（4）07：47：49.811出現了閥控A“電容電壓平均值過壓故障”和“跳閘請求”。

2.2 閥控系統邏輯

2.2.1 主控箱與脈沖箱通信故障

為了實時檢測閥控屏主控箱與脈沖箱切換板之間的通信狀態，閥控配置了主控箱與脈沖箱通信故障請求切換邏輯，如圖1所示。

圖1 主控箱與脈沖箱通信故障請求切換邏輯

閥控下發循環數為閥控主控箱自加循環數，經運算箱下發到脈沖分配箱切換板，脈沖箱切換板反饋的循環數為脈沖分配箱接收到的閥控主控箱的自加循環數，再經運算箱反饋給閥控主控箱。根據閥控下發的循環數和脈沖箱切換板反饋的循環數，經過減法運算并取其絕對值與設定值比較，超過設定值6時，延時700μs后置位主控箱與脈沖箱通信故障請求切換標志。

2.2.2 旁路超限故障

圖2為旁路超限故障邏輯框圖。每個功率模塊單元主控板會將模塊旁路請求及旁路狀態上送運算箱，當運算箱統計任意一個橋臂已旁路的子模塊數量與請求旁路數量之和大于25時，立即置位旁路超限標志位，并下發閉鎖命令向主控箱上傳跳閘請求。若主控箱檢測到運算箱上傳的旁路超限標志將再次下發閉鎖命令并出口跳閘，同時向換流站極控制保護上報閥控跳閘請求。

圖2 旁路超限故障邏輯

2.2.3 切換失敗故障

圖3為切換失敗故障邏輯框圖。當主套閥控系統檢測到請求切換信號，延時1.5 ms仍為主套狀態則置位切換失敗故障標志位；或者主套閥控請求切換時，在兩套閥控系統通信正常時檢測到另一套閥控處于OFF狀態，則置位切換失敗故障標志位[3]。

圖3 切換失敗故障邏輯

3 閥控系統跳閘原因分析

3.1 閥控A發生請求切換和電容電壓平均值過壓故障

故障發生前，閥控B為主套、閥控A為備用，閥控A先檢測到W相下橋臂第1個脈沖箱通信故障（EX切換板故障導致），上報請求切換，故障錄波波形如圖4所示。閥控A請求切換后，極控A系統降為OFF狀態。從圖2可知閥控運算板與脈沖箱故障請求切換需要持續判斷700μs，如果故障時間小于700μs，則無法置位請求切換。從錄波數據可見，在請求切換之前，CD第1號切換箱切換板反饋給閥控A的數據已經為錯誤數據；由電容電壓最大值可見，后期接收到假的電容電壓信號導致電容電壓平均值已過壓（由圖4可見）。

圖4 A套系統故障錄波波形截圖

3.2 閥控B發生旁路超限、請求切換和切換失敗故障

閥控B界面報文中先出現了旁路超限故障，由故障錄波波形（圖5）可見，B套閥控由于運算板和切換板通信故障置位請求切換板前一段時間接收了切換板反饋的錯誤數據，并且使用錯誤數據觸發了閥控B旁路超限故障，同時閉鎖換流閥請求跳閘。在閥控B閉鎖跳閘后經過3.4 ms才檢測到一個持續700μs的運算板與切換板通信故障信息，置位閥控請求切換，此時閥控A為OFF狀態，閥控B觸發切換失敗邏輯。

圖5 B套系統故障錄波波形截圖

通過閥控報文及系統故障錄波分析可知，脈沖箱EX切換板與閥控A、B兩套系統都出現通信故障導致閥控系統切換失敗，導致柔性直流系統跳閘，同時由于切換板故障反饋給閥控A/B運算板的數據也存在錯誤和不一致現象，導致閥控A/B狀態與故障情況有所差別。

4 閥控系統存在的設計問題與改進措施

4.1 設計問題

云南側換流單元三閥控系統外部接口示意圖見圖6。閥控系統A、B分別通過獨立的光纖通信回路將控制命令由橋臂運算板發送至各橋臂脈沖分配箱的EX切換板；切換板根據兩套系統的主備狀態選擇主運套閥控系統下發的控制命令，通過脈沖板分發至各功率模塊執行觸發關斷操作[4-6]。脈沖箱與閥控運算箱連接方式見圖7。

圖6 云南側換流單元三閥控系統外部接口示意圖

從圖7可以看出，每個脈沖箱通過一塊非冗余的EX切換板與雙套閥控系統的運算箱運算板同時進行通信，切換板為該通信回路上的公共部分[7-9]，該設計方式存在以下問題：

（1）閥控系統雖為冗余設計，但控制閥控系統通信切換的脈沖箱EX板為共用部分，兩套閥控系統并非完全冗余設計，會發生單一通信元件故障即造成柔性直流閉鎖的情況[10-11]。

（2）脈沖箱控制閥控切換的EX板故障處理機制不完善，導致EX板故障后依然上傳閥控A/B系統的錯誤跳閘信息[12]。

（3）閥控主機與脈沖箱EX切換板通信數據校驗機制不完善，EX板故障后會上傳閥控A/B系統的錯誤跳閘信息[13]，并按跳閘信息執行相關的故障判斷邏輯。

4.2 改進措施

（1）建立EX板故障處理機制，當脈沖箱EX切換板故障時，閉鎖此EX板上送的所有A/B閥控系統信息，此時退出閥控系統雙套冗余熱備用，改為單套運行，保證單一通信元件故障不閉鎖柔性直流。

（2）對A/B閥控系統切換通信EX板進行雙重化配置改造，建立閥控系統切換回路完全冗余配置[14]。若其中一塊EX板故障退出運行，則由另外一塊EX板負責通信；兩塊EX板均故障時，閉鎖兩塊EX板上送的所有A/B閥控系統信息，退出閥控系統雙套冗余熱備用，改為單套運行。

5 結語

針對魯西背靠背柔性直流閥控系統存在的設計缺陷，提出了相應的改進措施，其中EX板故障校驗機制已在現場得到成功應用，系統運行情況良好；EX板完全冗余設置的改造工作也將在2021年年度檢修中實施，以保證閥控系統的安全穩定運行。