換流閥冷卻裝置控制保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

溫玉婷　吳健超

摘 要：本文對(duì)高壓直流輸電換流閥冷卻裝置控制保護(hù)系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行了研究，以相互獨(dú)立、電氣隔離且全面冗余為設(shè)計(jì)原則，保證了各子系統(tǒng)的冗余，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了硬件、軟件的冗余，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)閥冷系統(tǒng)各參數(shù)的變化，并根據(jù)變化控制閥冷系統(tǒng)各元器件的單元?jiǎng)幼鳎乖诰€參數(shù)穩(wěn)定在設(shè)定范圍內(nèi)，保證閥冷裝置正常運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：換流閥；冷卻裝置；控制保護(hù)；設(shè)計(jì)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.15.154

0 概述

換流閥是換流站的核心設(shè)備[1]，其在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱，需要配置冷卻系統(tǒng)，以保證閥內(nèi)元件的正常使用和防止其老化，確保換流站的正常運(yùn)行[2]。冷卻裝置由其控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，是閥冷系統(tǒng)安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行的保障[3]，其關(guān)鍵技術(shù)包括純水冷卻系統(tǒng)的控制及監(jiān)測(cè)、控制保護(hù)策略、監(jiān)控和保護(hù)。本文針對(duì)高壓直流輸電換流閥冷卻裝置的控制保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹，重點(diǎn)研究了冷卻系統(tǒng)控制策略，冷卻系統(tǒng)的監(jiān)控和保護(hù)設(shè)計(jì)，并通過(guò)系統(tǒng)的自控和保護(hù)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證控制保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

1 控制保護(hù)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

高壓直流輸電純水冷卻裝置控制保護(hù)系統(tǒng)涉及一次回路（動(dòng)力部分）、二次回路（控制部分）等主要部分的設(shè)計(jì)[4]。純水冷卻系統(tǒng)智能控制部分PLC系統(tǒng)是閥內(nèi)冷系統(tǒng)控制與保護(hù)的“大腦”，本系統(tǒng)選用的是西門子S7-400H系列PLC， CPU采用S7-400系列，CPU及其I/O單元件均為雙重化配置，兩個(gè)CPU使用同步光纜連接，實(shí)現(xiàn)兩對(duì)CPU硬件冗余。

2 一次回路控制系統(tǒng)

一次回路控制系統(tǒng)涉及內(nèi)容包括：

（1）動(dòng)力電源：包括兩路380VAC進(jìn)線電源，其中一路電源接入P01主循環(huán)泵，另一路電源接入P02主循環(huán)泵，當(dāng)其中某一路進(jìn)線電源出現(xiàn)掉電、缺相等故障情況時(shí)能自動(dòng)切換到另一路電源，保證一次回路的不間斷供電，使系統(tǒng)正常運(yùn)行，其他電氣元器件的電源通過(guò)切換裝置接入。

（2）電源的監(jiān)控：實(shí)時(shí)監(jiān)控進(jìn)線電源的狀況。當(dāng)電源出現(xiàn)相間不平衡、缺相、掉電等狀況及當(dāng)前工作電源回路的狀態(tài)信息都實(shí)時(shí)上傳。

（3）接地：為保障設(shè)備穩(wěn)定的運(yùn)行以及防止電磁干擾，控制系統(tǒng)屏柜需可靠接地；對(duì)總線屏蔽層需接地；24V直負(fù)端電源需接地。

（4）保護(hù)主設(shè)備：對(duì)水冷卻系統(tǒng)的關(guān)鍵元器件如主循環(huán)泵、補(bǔ)水泵和加熱器等，就地設(shè)置狀態(tài)指示燈，指示當(dāng)前設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)提供對(duì)水泵的短路速斷和過(guò)熱等保護(hù)。

3 二次回路的控制系統(tǒng)

二次回路的控制采用冗余控制器（PLC）的控制保護(hù)系統(tǒng)。主要實(shí)現(xiàn)控制保護(hù)內(nèi)容包括：

（1）對(duì)閥內(nèi)冷系統(tǒng)的監(jiān)控與保護(hù)；

（2）對(duì)閥外冷系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控與保護(hù)；

（3）將閥內(nèi)/外冷系統(tǒng)的工作狀況上傳給直流控制與保護(hù)系統(tǒng)[5]；

控制保護(hù)實(shí)施冗余設(shè)計(jì)，具體方式為分別設(shè)置兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的控制柜，分別控制A、B兩個(gè)系統(tǒng)，當(dāng)A系統(tǒng)出現(xiàn)故障進(jìn)行檢修時(shí)，B系統(tǒng)仍能正常保持運(yùn)行。主要包括二次回路電源控制和二次回路系統(tǒng)控制。

3.1 二次回路電源控制

二次回路的電源控制也采用冗余配置，其中A控制系統(tǒng)接入兩路直流電源，B控制系統(tǒng)接入與A系統(tǒng)不同路的兩路直流電源，對(duì)不冗余的儀表、信號(hào)指示燈等元器件的用電由專用C路電源提供，同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)控進(jìn)線電源狀況，對(duì)掉電故障、電源故障及當(dāng)前工作電源回路工作狀態(tài)等信息都實(shí)時(shí)上傳。閥內(nèi)冷系統(tǒng)的控制保護(hù)系統(tǒng)的工作電源除動(dòng)力設(shè)備接觸器采用直流220V外，其他均為直流24V。

3.2 二次回路控制系統(tǒng)

二次回路控制系統(tǒng)總體也采用冗余控制， PLC是閥內(nèi)冷系統(tǒng)控制與保護(hù)的核心元件。本文中選用的是西門子S7-400H系列PLC，CPU及I/O單元均為雙重化配置。CPU采用S7-400系列，兩個(gè)CPU配置同步光纜連接，實(shí)現(xiàn)兩對(duì)CPU硬件冗余。兩對(duì)S7-400H CPU為熱備用模式冗余原理，當(dāng)單個(gè)CPU發(fā)生故障時(shí)，無(wú)擾動(dòng)地自動(dòng)切換，正常時(shí)兩個(gè)CPU都處于運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)CPU出現(xiàn)故障時(shí)，可自動(dòng)切換到備用系統(tǒng)CPU運(yùn)行[6]。

4 控制保護(hù)系統(tǒng)實(shí)施方案

換流閥冷卻裝置控制保護(hù)系統(tǒng)是由兩套獨(dú)立的S7-400H PLC系統(tǒng)組成，能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能：

（1）主機(jī)架電源、背板總線等冗余；

（2）PLC處理器的冗余；

（3）PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)的冗余；

（4）ET200M站的通訊接口模塊IM153-2及所有I/O模塊的冗余[7]。

其主要組成原理如圖1所示：

4.1 主循環(huán)泵控制

主循環(huán)泵采用一用一備的配置方式，互為備用[8]，正常情況下，即使閥體退出運(yùn)行，主泵也不會(huì)立即停運(yùn)，閥內(nèi)冷系統(tǒng)仍保持運(yùn)行，除非產(chǎn)生泄漏或膨脹罐液位超低等請(qǐng)求停運(yùn)報(bào)警。其主要控制條件與控制內(nèi)容包括：

（1）主循環(huán)泵電機(jī)宜采用軟啟動(dòng)，完成啟動(dòng)后主泵電源切換到400V站用電供電，退出軟啟動(dòng)裝置；

（2）當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到循環(huán)冷卻水主循環(huán)泵出水壓力低發(fā)出報(bào)警信號(hào)時(shí)，切換至備用泵運(yùn)行；

（3）當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到工作泵故障/過(guò)熱時(shí)，切換至備用泵工頻運(yùn)行；

（4）當(dāng)主泵動(dòng)力電源故障時(shí)，切換至備用泵運(yùn)行。主循環(huán)泵切換后，仍然有流量低、壓力低、主泵過(guò)熱等報(bào)警，不再切換；

（5）當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到兩臺(tái)主循環(huán)泵同時(shí)故障，同時(shí)有進(jìn)閥壓力低或冷卻水流量低報(bào)警時(shí)，發(fā)出跳閘信號(hào)；

（6）當(dāng)工作泵連續(xù)運(yùn)行168小時(shí)后自動(dòng)切換至備用泵運(yùn)行。

4.2 冷卻水溫度控制

溫度控制按照溫度的高低分為低溫控制、中溫控制和高溫控制。

（1）低溫控制?？刂茥l件：冬季室外環(huán)境溫度較低，或者晶閘管閥處于低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，冷卻水進(jìn)閥溫度處入低溫控制狀態(tài)。

控制方式：全部關(guān)閉電動(dòng)三通閥（保留設(shè)定的最小關(guān)限位），關(guān)閉室外空氣冷卻器，保證冷卻裝置散熱量最小。如果換流閥的進(jìn)水溫度繼續(xù)下降，直至下降至啟動(dòng)電加熱器定值時(shí)，啟動(dòng)電加熱器，防止進(jìn)水溫度過(guò)低導(dǎo)致沿程管路及換流閥的結(jié)凍損傷[9]-[10]。

（2）中溫控制。控制條件：正常運(yùn)行時(shí)冷卻水進(jìn)閥溫度處于中溫控制。

控制方式：通過(guò)控制電動(dòng)三通閥改變冷卻系統(tǒng)的流量，從而改變系統(tǒng)的散熱量，最終使換流閥進(jìn)水溫度穩(wěn)定在電動(dòng)三通閥工作溫度范圍內(nèi)，此時(shí)風(fēng)機(jī)會(huì)處于停運(yùn)狀態(tài)。

（3）高溫控制。控制條件：夏季室外環(huán)境溫度較高，或者晶閘管閥處于大負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，冷卻水進(jìn)閥溫度為高溫控制狀態(tài)。

控制方式：電動(dòng)三通閥全開(kāi)，冷卻介質(zhì)全部流經(jīng)室外空氣冷卻器，系統(tǒng)散熱量通過(guò)控制風(fēng)機(jī)啟動(dòng)數(shù)量結(jié)合風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速進(jìn)行調(diào)節(jié)[9]-[10]。

4.3 流量壓力保護(hù)控制

換流閥內(nèi)水冷系統(tǒng)主管道上至少需要裝兩個(gè)流量傳感器，在換流閥主循環(huán)泵前裝設(shè)三個(gè)壓力傳感器，在換流閥主循環(huán)泵后裝設(shè)兩個(gè)臺(tái)出閥壓力傳感器，配置兩臺(tái)流量傳感器按“二取一”原則判低、超低、高、超高，當(dāng)出現(xiàn)冷卻水流量超低報(bào)警且進(jìn)閥壓力低或高報(bào)警時(shí)，延時(shí)發(fā)跳閘請(qǐng)求，配置三臺(tái)流量傳感器按“三取二”原則判低、超低、高、超高，當(dāng)出現(xiàn)超低報(bào)警且進(jìn)閥壓力低或高報(bào)警時(shí)，延時(shí)發(fā)跳閘請(qǐng)求。

4.4 溫度保護(hù)控制

內(nèi)水冷系統(tǒng)應(yīng)裝設(shè)三重化的進(jìn)閥溫度傳感器。進(jìn)閥溫度保護(hù)按三取二原則出口，動(dòng)作后閉鎖直流[11]。保護(hù)動(dòng)作延時(shí)小于晶閘管換流閥過(guò)熱允許時(shí)間，延時(shí)定值取3～5秒。內(nèi)水冷系統(tǒng)裝設(shè)雙重化的閥出水溫度傳感器，閥出水溫度保護(hù)按二取二的原則出口，保護(hù)動(dòng)作后執(zhí)行功率回降命令，不閉鎖直流。保護(hù)動(dòng)作延時(shí)小于晶閘管換流閥過(guò)熱允許時(shí)間，延時(shí)定值取3～5秒。

4.5 液位保護(hù)控制

膨脹罐處裝設(shè)三重化電容式液位傳感器，用于液位保護(hù)和泄漏保護(hù)。當(dāng)電容式液位傳感器測(cè)量的液位低于30%時(shí)液位保護(hù)延時(shí)5秒報(bào)警，低于10%時(shí)液位保護(hù)延時(shí)10秒跳閘。膨脹罐裝設(shè)可視的液位計(jì)或磁翻板式液位傳感器，便于巡視。

4.6 泄漏保護(hù)控制

泄漏保護(hù)采集裝設(shè)在膨脹罐中的三個(gè)電容式液位傳感器數(shù)值，按“三取二”原則動(dòng)作，采樣和計(jì)算周期不應(yīng)大于2s，在30s內(nèi)，當(dāng)檢測(cè)到膨脹罐液位持續(xù)下降速度超過(guò)換流閥泄漏允許值時(shí)，在收到換流閥閉鎖信號(hào)后延時(shí)5分鐘自動(dòng)停止主循環(huán)泵。

4.7 與上位機(jī)通訊

閥冷卻系統(tǒng)所有運(yùn)行線參數(shù)，信息量較大的通過(guò)Profibus-DP總線與上位機(jī)進(jìn)行通訊，如流量、壓力、溫度、液位、電導(dǎo)率等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)總線上傳并保存，閥冷系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)的報(bào)警信息，狀態(tài)信號(hào)也通過(guò)Profibus-DP總線上傳。對(duì)于換流閥保護(hù)相關(guān)的重要信號(hào)，通過(guò)硬接點(diǎn)/光調(diào)制信號(hào)上傳，如閥冷系統(tǒng)運(yùn)行正常、預(yù)警、跳閘、請(qǐng)求停運(yùn)、閥冷系統(tǒng)停運(yùn)等信號(hào)[12]。水冷系統(tǒng)與上位機(jī)通訊的總線結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖2所示。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)換流閥冷卻裝置控制保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以相互冗余，彼此獨(dú)立為設(shè)計(jì)原則，既保證各子系統(tǒng)冗余，又實(shí)現(xiàn)了硬件、軟件的相互冗余，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)流量、溫度、電導(dǎo)率等在線測(cè)量值及參數(shù)的變化，并根據(jù)變化值精準(zhǔn)控制整套閥冷系統(tǒng)各動(dòng)力設(shè)備的相關(guān)動(dòng)作，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，達(dá)到了實(shí)時(shí)交互信息，等時(shí)同步控制的需求，保證了高壓直流換流閥冷卻系統(tǒng)的可靠性，縮小了事故的范圍，防止因閥冷系統(tǒng)故障導(dǎo)致?lián)Q流閥的損壞，保障了換流站的安全、穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行。

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“廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目-產(chǎn)業(yè)技術(shù)重大攻關(guān)計(jì)劃”（項(xiàng)目編號(hào)：201802010022）

作者簡(jiǎn)介：溫玉婷（1984-），女，廣東廣州人，本科，助理工程師，主要從事電力電子行業(yè)水冷設(shè)備電氣研發(fā)工作。