±660 kV直流輸電工程換流閥控制保護接口技術

楊曉楠，鄭林，藍元良，彭玲，湯廣福

(中國電力科學研究院，北京市，100192)

0 引言

寧東—山東±660 kV直流輸電示范工程西起銀川東換流站，東至青島換流站，本工程直流額定電壓為±660 kV，輸電距離約1335 km，直流額定電流3030 kA，雙極輸送功率4000 MW［1-2］。

本工程中使用的直流控制保護系統(tǒng)是許繼公司引進SIEMENS技術后國產化的DSP2000，而換流閥及換流閥控制保護是中國電力科學研究院(以下簡稱中國電科院)從ALSTOM引進的。這是2種不同技術路線的設備首次在工程應用中進行融合，因此如何使直流控制保護系統(tǒng)與換流閥控制保護無縫銜接是本次工程必須解決的難題。

本文在簡單介紹中國電科院H400換流閥控制保護原理的基礎上，詳細描述了直流控制保護系統(tǒng)與換流閥控制保護間接口的設計和實現方法。文中詳細介紹了直流極控制系統(tǒng)(以下簡稱極控)與閥基電子設備(valve base electronics，VBE)間的信號類型、信號實現方式、系統(tǒng)切換、換流閥狀態(tài)監(jiān)視等功能。該接口技術已在我國寧東—山東直流輸電工程中應用，并取得了很好的效果。

1 換流閥控制保護原理

按照直流控制保護系統(tǒng)的分層結構概念，換流閥的主要控制保護功能在系統(tǒng)底層實現，其中包括:(1)將處于地電位的換流器控制級送來的閥觸發(fā)信號進行變換處理，經光纜送到高電位單元，再變換為電觸發(fā)信號，觸發(fā)晶閘管。(2)晶閘管元件和組件的狀態(tài)監(jiān)測，監(jiān)測信號經光纜傳送到地電位控制單元，經處理后進行控制、顯示和報警等［3］。

H400換流閥底層控制保護系統(tǒng)由地電位設備和高電位設備2部分組成，其原理框圖如圖1所示。圖中用虛線框起來的部分就是換流閥底層控制保護系統(tǒng)，其中地電位設備有VBE，高電位設備包括晶閘管電子設備(門極單元，以下簡稱GU)和冷卻系統(tǒng)泄漏監(jiān)視器。

1.1 VBE

VBE是連接換流閥與極控系統(tǒng)的接口設備，它是直流控制保護系統(tǒng)實現對換流閥的控制和保護功能十分重要的一個環(huán)節(jié)。VBE的功能主要包括:

(1)接收來極控設備的控制信號，并將這些信息發(fā)送給換流閥的GU;

圖1 換流閥控制保護原理Fig.1 Schematic diagram of converter valve control and protection

(2)接收各GU上報的監(jiān)視信息;

(3)監(jiān)視換流閥冷卻系統(tǒng)的泄漏情況;

(4)對各種監(jiān)視信息進行匯總并通過局域網(LAN)發(fā)送至人機界面(HMI);

(5)根據監(jiān)視信息完成對自身及換流閥異常情況的監(jiān)視、報警及保護。

1.2 GU

GU是1塊PCB電路板，且換流閥的每個晶閘管級均配備1個GU。GU的主要功能包括:

(1)按照VBE命令觸發(fā)晶閘管;

(2)依據VBE下發(fā)的晶閘管結溫數據設定本級晶閘管的過電壓保護、dv/dt保護以及正向恢復保護等瞬時保護動作閾值，并據此實時監(jiān)視保護晶閘管;

(3)在換流閥應當導通的區(qū)間內發(fā)生電流斷續(xù)時，補發(fā)觸發(fā)脈沖;

(4)向VBE上報所在晶閘管級的監(jiān)視信息。

1.3 冷卻系統(tǒng)泄漏監(jiān)視器

冷卻系統(tǒng)泄漏監(jiān)視器是一個安裝于換流閥底部并能夠自動傾倒和返回的容器。VBE通過大功率光發(fā)射元件向監(jiān)視器送出光脈沖信號。若冷卻系統(tǒng)無泄漏，監(jiān)視器中的光通道暢通，VBE上的光接收裝置將能夠收到由監(jiān)視器返回的光脈沖信號;若冷卻系統(tǒng)發(fā)生泄漏，泄漏的冷卻液將沿換流閥內的特定溝槽流入監(jiān)視器，每當監(jiān)視器裝滿冷卻液，就會發(fā)生傾倒，傾倒的冷卻液將阻斷光通道。阻斷的時間長短及頻率由泄漏的嚴重程度決定。由此可見，由泄漏監(jiān)視器返回的光脈沖信號包含了冷卻系統(tǒng)的監(jiān)視信息。VBE根據返回的光脈沖監(jiān)視信息來判斷冷卻系統(tǒng)的泄漏程度并做出報警處理。

2 接口設計

根據直流控制保護系統(tǒng)分層設計的原則，VBE要與直流極控設備進行連接［4-11］。VBE與直流極控系統(tǒng)之間的接口方案如圖2所示?？梢?，直流極控系統(tǒng)與VBE之間有3大類信號進行傳遞，即換流閥觸發(fā)光信號、電氣開關量信號和以太網通信信號。

圖2 VBE與直流極控制系統(tǒng)接口方案Fig.2 Interface scheme between VBE and DC pole control system

2.1 光控制信號接口

VBE與極控系統(tǒng)之間的光控制信號包括觸發(fā)字和熱字2種光信號。V系列VBE與其他2家(ABB、SIEMENS)VBE的最大的區(qū)別是光控制信號采用串行編碼，即12脈動換流閥的觸發(fā)信號只需要通過1根光纖就能傳送。

采用串行碼的最大優(yōu)點是使用的光纖根數少，節(jié)省了屏柜內部空間，降低了由光纖損壞導致觸發(fā)不正常的可能性。對于12脈動換流閥，并行觸發(fā)時需要12根光纖，而串行觸發(fā)時只需要1根光纖，12根光纖出現損壞的可能性高于1根光纖。

直流極控制設備和VBE的光信號傳輸方式不同，給本次接口設計帶來了困難?？紤]到VBE是由換流閥的技術路線決定，與一次設備緊密相關，控制保護系統(tǒng)采用的是另外廠家的不同技術路線，因此本工程決定在極控側改變光控制信號的傳送方式，將并行信號轉換成串行信號后發(fā)送給VBE。此接口裝置的邏輯如圖3所示。

圖3 VBE和直流控制保護系統(tǒng)之間光接口技術實現原理Fig.3 Schematic diagram of optical interface realization between VBE and DC control＆protection system

極控設備發(fā)給VBE的光控制信號有觸發(fā)字(firing word，FW)和熱字(thermal word，TW)2種。這2種信號的功能如下:

(1)觸發(fā)字。觸發(fā)字是極控系統(tǒng)控制換流閥觸發(fā)的信號。觸發(fā)字信號編碼采用串行歸零碼，信號中有12個有效數據位，依次代表12個換流閥的觸發(fā)信號。因為在12脈動換流閥中正常情況下有4個閥同時導通，因此觸發(fā)字中同一時間會有4個閥對應的有效位是高電平，表示要觸發(fā)該4個閥。VBE根據觸發(fā)字確定各個單閥在當前時刻是否需要觸發(fā)，并將該信息發(fā)送給該閥的各個GU。

(2)熱字。熱字信號是V系列VBE特有的信號，熱字也采用串行歸零碼。熱字中包括2個信號，一個是極控根據直流工況計算的當前晶閘管的等效結溫信息，另一個是允許VBE監(jiān)測換流閥狀態(tài)的信息。

極控根據當前直流工況計算出等效晶閘管結溫，并通過熱字信號發(fā)送給VBE，VBE將此結溫信號重新解碼/編碼后發(fā)送給高電位的GU，GU根據結溫信息動態(tài)更新晶閘管級的保護定值，如VBO保護、dv/dt、正向恢復保護等。由于晶閘管的運行特性受結溫影響較大，因此，結合晶閘管的結溫來實時調整換流閥的保護觸發(fā)閾值，無疑將提高保護觸發(fā)的合理性，充分保證換流閥的安全，從而提高直流輸電系統(tǒng)運行的安全性和穩(wěn)定性。

熱字中另一個重要信息是允許VBE監(jiān)視換流閥狀態(tài)的命令。此命令用在換流閥解鎖和閉鎖過程。如果換流變交流進線斷路器合上之前換流閥處于非正常工況，這時為了避免過多的無用信息上報到人機界面影響運行人員的正常操作，需要命令VBE禁止監(jiān)測換流閥的狀態(tài)。

2.2 開關量信號接口

如圖2所示，VBE與極控之間有4種開關量信號，其中2個是輸入信號，2個是輸出信號。所有信號電平為110 V DC，并且由極控設備提供。

因為對這些信號的快速性和可靠性要求高，全部采用固態(tài)繼電器作為信號發(fā)出和接收接口。

(1)通道切換請求信號。

VBE不僅可以檢測自身內部通道的狀態(tài)，還可以檢測極控到VBE的控制通道。當檢測到通道故障時，VBE會向極控發(fā)出相應通道的故障信號(切換請求信號)，極控收到此信號后要進行系統(tǒng)切換。

VBE通道故障信號繼電器的輸入端是高電平時輸出端閉合，這時表示信號無效;當輸入端低電平時輸出端斷開，這時表示信號有效。

(2)跳閘請求信號。

VBE檢測到換流閥嚴重故障或VBE自身有嚴重故障時會向極控發(fā)出跳閘請求信號。為了降低誤跳和拒跳的可能性，跳閘邏輯采用以下方式:

1)當VBE 2個通道都可用時，極控只有在接收到VBE 2個通道的跳閘請求信號后才能發(fā)跳閘命令。例如一個通道處于Active(Master)狀態(tài)，另一個通道處于Passive(Stand by)狀態(tài)。

2)當一個失效的通道發(fā)送跳閘請求信號時，極控不能發(fā)跳閘命令，這樣為系統(tǒng)斷電維修提供了可能性。

3)如果Active的通道為唯一可用通道，則當極控收到此通道的跳閘請求信號后必須發(fā)出跳閘信號。

(3)通道選擇信號。

VBE的數據處理系統(tǒng)采用雙重化設計(A、B系統(tǒng)，如圖2所示)，實際工程中VBE 2個系統(tǒng)與極控設備的A、B系統(tǒng)一一對應連接，即VBE的系統(tǒng)A與極控設備的A系統(tǒng)連接，VBE的B系統(tǒng)與極控設備的B系統(tǒng)連接。當系統(tǒng)切換時VBE跟隨極控切換。

VBE主從系統(tǒng)選擇信號繼電器的輸入端高電平時信號有效，即選擇此系統(tǒng)為主系統(tǒng)。除系統(tǒng)切換過程外，極控發(fā)送的主從系統(tǒng)選擇信號應該始終是互斥的，不能同時為高電平或低電平。VBE收到的主從系統(tǒng)選擇信號同時為高電平或同時為低電平的時間超過5 ms時，VBE會向極控發(fā)出雙系統(tǒng)切換請求信號。

(4)VBE閉鎖信號。

極控檢測到極控的雙系統(tǒng)都不可用時由切換邏輯單元向VBE發(fā)送2個緊急閉鎖命令。VBE緊急閉鎖信號接收繼電器輸入端低電平時信號有效，并且2個信號同時有效時VBE才會進行相應的保護動作。VBE檢測到2個緊急閉鎖信號同時有效時，延時28～30 ms后閉鎖換流閥，同時向極控發(fā)送跳閘請求信號。

2.3 以太網通信接口

VBE將檢測到的換流閥和VBE自身的狀態(tài)信息通過以太網發(fā)送給直流控制保護系統(tǒng)的輔助系統(tǒng)接口工作站，同時通過以太網接收運行人員工作站(OWS)對VBE的控制命令。

VBE內部有2個完全獨立的數據處理系統(tǒng)，每個處理系統(tǒng)都可以檢測到換流閥的狀態(tài)和VBE自身的狀態(tài)，并且也通過2個完全獨立的以太網發(fā)送給直流控制保護系統(tǒng)的輔助系統(tǒng)接口工作站，再由工作站轉發(fā)給運行人員監(jiān)控系統(tǒng)。

VBE與輔助接口屏之間采用100 Mbit/s光纖快速以太網進行通訊，有很高的傳輸速率和可靠性。

VBE上報給輔助接口屏的事件按其嚴重等級可劃分為正常事件、輕微故障和嚴重故障3類:

(1)正常事件指系統(tǒng)運行中正常的操作和狀態(tài)改變等事件。

(2)輕微故障代表暫時的非正常運行狀態(tài)或不影響直流系統(tǒng)繼續(xù)運行的設備故障。此種情況下應確定報警的起因，在合適的時候對換流閥進行維護。

(3)嚴重故障代表長期的非正常運行狀態(tài)或可能危害換流閥安全的元件故障。故障將引起保護動作和跳閘。在設備修復完成以前，換流閥不能重新投運。

3 結語

寧東—山東直流輸電工程換流閥控制保護接口技術的實現，解決了工程實施過程中如何在不同廠家設備如直流控制保護系統(tǒng)與換流閥之間實現有效和可靠連接的問題，提高了整個工程的可靠性和可利用率。寧東—山東直流輸電工程的運行實踐表明了以上接口技術的合理性，對以后的直流輸電工程具有借鑒意義。

［1］國家電網公司.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)技術協議［R］北京:國家電網公司，2009.

［2］國家電網公司.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)技術協議［R］.北京:國家電網公司，2009.

［3］趙畹君.高壓直流輸電工程技術［M］.北京:中國電力出版社，2004.

［4］田杰.高壓直流控制保護系統(tǒng)的設計與實現［J］.電力自動化設備，2005，25(9):10-14.

［5］張新剛，呂錚，王韌秋，等.用于換流閥運行試驗的新型控制保護系統(tǒng)［J］.電網技術，2010，34(8):183-187.

［6］韓偉，徐玲玲.靈寶換流站控制/直流保護系統(tǒng)與閥的接口設計［J］.高電壓技術，2005，31(2):48-49.

［7］石巖，韓偉，張民，等.特高壓直流輸電工程控制保護系統(tǒng)的初步方案［J］.電網技術，2007，31(2):11-15.

［8］馬為民，高理迎，李亞男，等.特高壓直流輸電系統(tǒng)可靠性和可用率研究［J］.中國電力，2007，40(12):14-18.

［9］王徭.特高壓直流輸電控制與保護技術的研究［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2009，37(15):53-58.

［10］浙江大學發(fā)電教研組.直流輸電［M］.北京:水利電力出版社，1982.

［11］陶喻，龍英，韓偉.高壓直流輸電控制保護技術發(fā)展的探討［J］.電力建設，2008，29(1):17-21.