王華鋒，陳龍龍，林志光，鄭林，湯廣福

(國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院，北京市 102209)

0 引言

錦屏—蘇南±800kV特高壓直流輸電工程送端為錦屏裕隆換流站，受端為同里換流站。額定容量為7200MW，額定電壓為±800kV，最高運(yùn)行電壓為±816 kV，額定電流為 4500 A。送電距離約為2093.5 km［1-2］。

該工程是雙極直流系統(tǒng)，包括2個(gè)完整單極，分別為極Ⅰ和極Ⅱ。每個(gè)完整單極每端由高端和低端2個(gè)電壓相等的12脈動(dòng)換流器串聯(lián)組成，其中極Ⅱ低端為中電普瑞電力工程有限公司自主研發(fā)A5000型換流閥。直流控制保護(hù)系統(tǒng)為ABB公司DCC800。

該工程于2012年6月24日—7月11日完成雙極低端系統(tǒng)調(diào)試，2012年7月12日投入試運(yùn)行。在系統(tǒng)調(diào)試和試運(yùn)行期間，極Ⅱ低端換流閥控制保護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，沒有出現(xiàn)故障。本文將詳細(xì)描述裕隆換流站極Ⅱ低端換流閥控制保護(hù)系統(tǒng)工作原理和工程調(diào)試及運(yùn)行情況。

1 換流閥控制保護(hù)系統(tǒng)工作原理

將直流輸電換流站和直流輸電線路的全部控制功能按等級(jí)分為若干層次而形成控制保護(hù)設(shè)備結(jié)構(gòu)。采用分層結(jié)構(gòu)，可以提高運(yùn)行的可靠性，使任一環(huán)節(jié)故障所造成的影響和危害程度控制到最小，同時(shí)還可以提高運(yùn)行操作、維護(hù)的方便性和靈活性。特高壓直流輸電控制保護(hù)設(shè)備一般設(shè)有6個(gè)層次等級(jí)［3］，原理如圖1所示。從高層次等級(jí)至低層次等級(jí)分別為:系統(tǒng)控制保護(hù)級(jí)、雙極控制保護(hù)級(jí)、極控制保護(hù)級(jí)、換流器控制保護(hù)級(jí)、單獨(dú)控制保護(hù)級(jí)或換流閥控制保護(hù)級(jí)。換流閥控制保護(hù)系統(tǒng)屬于最底層一級(jí)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)換流閥觸發(fā)、監(jiān)測(cè)和保護(hù)功能，為直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)的核心設(shè)備，控制保護(hù)對(duì)象為換流閥。

圖1 直流輸電控制保護(hù)設(shè)備分層結(jié)構(gòu)Fig.1 Layered structure of HVDC control and protection equipment

1.1 原理概述

換流閥控制保護(hù)系統(tǒng)由閥基電子設(shè)備(valve base electronics equipment，VBE)、晶閘管觸發(fā)監(jiān)測(cè)單元(thyristor trigger and monitor unit，TTM)、漏水檢測(cè)器和避雷器動(dòng)作指示器組成［4-7］，其中VBE處于地電位，TTM、漏水檢測(cè)器和避雷器動(dòng)作指示器處于高電位。換流閥控制保護(hù)系統(tǒng)原理如圖2所示。上層控制保護(hù)系統(tǒng)有換流器控制保護(hù)設(shè)備(convertor control protection，CCP)、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)(supervisory control and data acquisition，SCADA)和 全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)，VBE 和 CCP采用光纖傳輸各種控制信號(hào)，提高抗干擾能力;VBE和SCADA系統(tǒng)通過Profibus通信傳輸事件信息;GPS將時(shí)鐘信號(hào)傳輸給VBE。VBE和高電位設(shè)備采用光纖傳輸，提高抗干擾能力和保證絕緣強(qiáng)度。

1.2 閥基電子設(shè)備

VBE主要由CCP信號(hào)處理模塊、SCADA系統(tǒng)通信模塊、自檢和保護(hù)模塊、換流閥觸發(fā)監(jiān)測(cè)保護(hù)模塊等組成，VBE和外部設(shè)備連接原理如圖3所示。VBE為完全獨(dú)立的雙冗余系統(tǒng)，一套處于運(yùn)行狀態(tài)，另一套處于熱備用狀態(tài)［8］。若運(yùn)行系統(tǒng)出現(xiàn)故障，可無擾動(dòng)切換到另一套系統(tǒng)運(yùn)行，允許帶電檢修和在線更換電路板，具有完善的自檢和保護(hù)功能。

CCP信號(hào)處理模塊接收CCP下發(fā)的各種高頻調(diào)制控制命令，對(duì)高頻調(diào)制控制命令進(jìn)行解調(diào)，實(shí)現(xiàn)換流閥控制操作，VBE對(duì)換流閥的監(jiān)測(cè)和保護(hù)、自檢和保護(hù)信號(hào)經(jīng)過CCP信號(hào)處理模塊高頻調(diào)制后發(fā)送給CCP?？刂票Ｗo(hù)系統(tǒng)下發(fā)給VBE的信號(hào)有:ACTIVE/INACTIVE(主從選擇)、DEBLOCK/BLOCK(解鎖閉鎖)、BPPO(投旁通對(duì))、TEST(低壓加壓)、UNDER_V(低電壓)、CBON(開關(guān)分合);CP(12個(gè)單閥的觸發(fā)脈沖);閥基電子設(shè)備上傳給控制保護(hù)系統(tǒng)的信號(hào)有FP(12個(gè)單閥的觸發(fā)反饋脈沖)、VBE ok(VBE是否良好)、TRIP(跳閘)、RFO(準(zhǔn)備就緒)。

SCADA系統(tǒng)通信模塊將換流閥的狀態(tài)信息和閥基電子設(shè)備本身的狀態(tài)信息發(fā)送給后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)，供運(yùn)行人員監(jiān)視，并且能夠執(zhí)行后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)下發(fā)的遠(yuǎn)程操作指令。

VBE自檢和保護(hù)模塊實(shí)時(shí)檢測(cè)自身的運(yùn)行狀態(tài)，若發(fā)現(xiàn)異常，根據(jù)故障的嚴(yán)重程度將采取相應(yīng)的保護(hù)措施。VBE自檢到輕微故障，只把故障信息通過Profibus總線上傳至SCADA系統(tǒng);自檢到嚴(yán)重故障，通過CCP信號(hào)處理模塊向上CCP發(fā)送請(qǐng)求切換信號(hào)，并且把故障信息通過 Profibus總線上傳至SCADA系統(tǒng)。

換流閥觸發(fā)監(jiān)測(cè)保護(hù)模塊為換流閥控制保護(hù)系統(tǒng)核心部分，主要完成對(duì)換流閥晶閘管的觸發(fā)控制、對(duì)換流閥晶閘管狀態(tài)信息的采集和換流閥保護(hù)、監(jiān)測(cè)換流閥閥塔漏水情況、監(jiān)測(cè)避雷器動(dòng)作情況。在直流輸電系統(tǒng)正常投入運(yùn)行或者系統(tǒng)試驗(yàn)需要時(shí)，換流閥觸發(fā)監(jiān)測(cè)保護(hù)模塊根據(jù) CCP解鎖換流閥［9］，接收CCP下發(fā)的換流閥觸發(fā)指令，并對(duì)該指令進(jìn)行解碼和重新編碼后發(fā)送至位于換流閥上的TTM。直流輸電系統(tǒng)正常或者故障停運(yùn)時(shí)，VBE按照CCP進(jìn)行換流閥閉鎖和投旁通對(duì)操作，閉鎖換流閥后，停止向換流閥發(fā)送觸發(fā)脈沖;投旁通對(duì)時(shí)向CCP選定的單閥發(fā)送觸發(fā)脈沖。當(dāng)換流變充電，并且換流變閥側(cè)電壓滿足換流閥TTM取能要求后，VBE實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)換流閥每個(gè)晶閘管級(jí)的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)檢測(cè)到異常狀態(tài)時(shí)，采取相應(yīng)的保護(hù)措施。不影響換流閥安全運(yùn)行的故障，只把故障信息通過局域網(wǎng)上傳至SCADA系統(tǒng);影響換流閥安全運(yùn)行的故障，如某個(gè)單閥中已損壞或者過電壓保護(hù)動(dòng)作的晶閘管級(jí)數(shù)超過設(shè)定值，VBE向CCP發(fā)送請(qǐng)求跳閘信號(hào)，避免導(dǎo)致更嚴(yán)重的故障，并且把故障信息通過局域網(wǎng)上傳至SCADA系統(tǒng)。

1.3 晶閘管觸發(fā)監(jiān)測(cè)單元

TTM主要功能包括:取能和儲(chǔ)能、光電和電光轉(zhuǎn)換、晶閘管正常觸發(fā)監(jiān)測(cè)、電流斷續(xù)保護(hù)、晶閘管反向恢復(fù)保護(hù)、正向過電壓和dv/dt保護(hù)等［11］。

TTM位于高電位，其工作電源從所在的晶閘管級(jí)阻尼回路獲取，所取得的能量需要滿足晶閘管強(qiáng)觸發(fā)、運(yùn)算和邏輯電路工作要求。在直流輸電系統(tǒng)正常和故障狀態(tài)下，特別是當(dāng)交流系統(tǒng)發(fā)生單相對(duì)地故障、三相對(duì)地短路故障或三相對(duì)地金屬短路故障時(shí)，TTM在一定時(shí)間內(nèi)能夠維持正常觸發(fā)，不會(huì)因儲(chǔ)能電路需要充電而造成恢復(fù)的延緩。

光電轉(zhuǎn)換電路將VBE下發(fā)的光信號(hào)脈沖編碼進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，供TTM邏輯控制電路，TTM根據(jù)VBE命令進(jìn)行觸發(fā)和監(jiān)測(cè)晶閘管;同時(shí)，將TTM實(shí)時(shí)檢測(cè)到的晶閘管級(jí)狀態(tài)、各種保護(hù)觸發(fā)信號(hào)轉(zhuǎn)換成光脈沖編碼回傳給VBE，實(shí)現(xiàn)TTM與VBE之間晶閘管級(jí)狀態(tài)信息的光信號(hào)傳輸。

正常觸發(fā)監(jiān)測(cè)電路將光電轉(zhuǎn)換后的VBE觸發(fā)指令進(jìn)行解碼，并觸發(fā)對(duì)應(yīng)的晶閘管。在高壓直流輸電換流閥中，每個(gè)單閥都由很多晶閘管串聯(lián)組成，由于觸發(fā)系統(tǒng)及晶閘管本身參數(shù)的分散性，會(huì)導(dǎo)致串聯(lián)閥中各個(gè)晶閘管的開通時(shí)刻不盡相同，造成閥中元件承受的電強(qiáng)度差別較大，元件本身固有的耐受過電壓能力脆弱、dv/dt和di/dt承受能力有限等特點(diǎn)，可能會(huì)造成閥中某個(gè)晶閘管的損壞，影響換流閥的可靠運(yùn)行。所以，TTM的觸發(fā)脈沖必須具備較好的同時(shí)性、一定的前沿陡度和足夠的幅度，這樣才有利于串聯(lián)閥中晶閘管的同時(shí)導(dǎo)通，減輕單個(gè)晶閘管所承受的電強(qiáng)度，確保晶閘管的安全運(yùn)行。

TTM實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)該晶閘管級(jí)的狀態(tài)，如晶閘管是否損壞、TTM取能是否正常、光通道是否正常、正向過電壓和dv/dt保護(hù)觸發(fā)等，將上述狀態(tài)通過特定的編碼發(fā)送至VBE。

晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通后，晶閘管陽極需要一定的維持電流使其處于開通狀態(tài)，當(dāng)電流低于維持電流時(shí)，晶閘管可能關(guān)斷。每個(gè)晶閘管特性存在微小差異，所需的維持電流略有不同。在換流站啟?；蛘咝」β仕碗姇r(shí)，直流電流小，在晶閘管應(yīng)導(dǎo)通的期間內(nèi)，其陽極電流可能低于維持電流導(dǎo)致關(guān)斷，出現(xiàn)電流斷續(xù)，影響直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行。為避免電流斷續(xù)造成影響，TTM在晶閘管應(yīng)導(dǎo)通區(qū)間內(nèi)，一旦檢測(cè)到晶閘管兩端承受的正向電壓超過保護(hù)水平時(shí)，自動(dòng)觸發(fā)導(dǎo)通晶閘管。

如果在反向恢復(fù)期內(nèi)晶閘管端間過早地出現(xiàn)了正向電壓，TTM將重新觸發(fā)晶閘管，避免破壞性的擊穿。

當(dāng)正向電壓和dv/dt超出晶閘管耐受能力將使其破壞性擊穿，TTM對(duì)其采取相應(yīng)的保護(hù)措施。TTM實(shí)時(shí)采集經(jīng)過分壓以后的晶閘管兩端電壓，一旦正向電壓或dv/dt達(dá)到保護(hù)水平，TTM將觸發(fā)晶閘管并向VBE發(fā)送該保護(hù)動(dòng)作信號(hào)，保護(hù)晶閘管的安全;保護(hù)水平能夠連續(xù)平滑調(diào)節(jié)，非常靈活。

1.4 漏水檢漏器

安裝于閥塔底部的漏水檢測(cè)器和VBE漏水監(jiān)視器共同完成閥塔漏水的監(jiān)測(cè)［10］。當(dāng)閥漏水檢測(cè)開關(guān)投入時(shí)，VBE漏水監(jiān)視器實(shí)時(shí)向漏水檢測(cè)器發(fā)送一定頻率的光脈沖，當(dāng)閥塔不漏水時(shí)，漏水檢測(cè)器光路通暢，發(fā)送的光脈沖返回至VBE漏水監(jiān)視器。當(dāng)閥塔漏水時(shí)，漏水檢測(cè)器光路被阻擋，發(fā)送的光脈沖不能返回至VBE漏水監(jiān)視器，算作1次漏水。在一定時(shí)間內(nèi)記錄不能返回的光脈沖次數(shù)，用以判斷漏水的級(jí)別(分為滲漏和泄漏)，閥塔漏水報(bào)警通過Profibus總線上傳至SCADA系統(tǒng)。

1.5 避雷器動(dòng)作指示器

避雷器動(dòng)作指示器安裝在閥體避雷器底部，與VBE之間采用光纖連接。避雷器動(dòng)作時(shí)指示器產(chǎn)生特定編碼的光脈沖信號(hào)通過光纖送至VBE機(jī)柜內(nèi)的避雷器監(jiān)視器，VBE根據(jù)接收的編碼計(jì)算避雷器動(dòng)作次數(shù)，并將避雷器動(dòng)作次數(shù)通過Profibus總線上傳至SCADA系統(tǒng)。

2 工程調(diào)試及運(yùn)行情況

錦蘇工程先后進(jìn)行了換流閥分系統(tǒng)調(diào)試、站系統(tǒng)調(diào)試和端對(duì)端系統(tǒng)調(diào)試。分系統(tǒng)調(diào)試主要為低壓加壓試驗(yàn);站系統(tǒng)調(diào)試主要包括換流變帶電試驗(yàn)、換流器不帶線路開路試驗(yàn)和換流器帶線路開路試驗(yàn);端對(duì)端系統(tǒng)調(diào)試主要包括雙極低端換流器低功率試驗(yàn)、極Ⅱ低端換流器低功率試驗(yàn)、直流線路故障試驗(yàn)、雙極低端換流器低功率試驗(yàn)、雙極低功率試驗(yàn)、雙極運(yùn)行錦屏側(cè)孤島接線方式試驗(yàn)、接地極線路故障試驗(yàn)、交流線路故障試驗(yàn)、極Ⅱ低端換流器大功率試驗(yàn)和雙極低端換流器大功率試驗(yàn)等180多個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目。換流閥控制保護(hù)系統(tǒng)一次性通過所有試驗(yàn)，2012年7月12日投入試運(yùn)行以來沒有出現(xiàn)任何故障。

典型試驗(yàn)波形如圖4～7所示。圖4為換流閥閉鎖波形，VBE收到CCP閉鎖命令后，立即閉鎖換流閥，直流輸出電流迅速下降至0;圖5為正常運(yùn)行中主從系統(tǒng)切換波形，VBE檢測(cè)到CCP主系統(tǒng)信號(hào)故障，通過VBE ok發(fā)送給CCP，CCP進(jìn)行主從切換，切換過程直流輸出電壓電流平穩(wěn)，沒有任何擾動(dòng);圖6為主系統(tǒng)某一個(gè)單閥觸發(fā)脈沖丟失試驗(yàn)波形，CCP和VBE檢測(cè)到觸發(fā)脈沖丟失后，進(jìn)行主從切換，切換成功后直流輸出電壓電流很快恢復(fù)正常;圖7為直流輸出線路對(duì)地短路故障試驗(yàn)波形，在故障錄波的0.5 s時(shí)刻，直流線路輸出對(duì)地短路，直流電壓由額定值瞬間下降至0，對(duì)地短路電流高達(dá)4600 A，直流線路輸出對(duì)地短路200 ms后，直流輸電系統(tǒng)在200 ms以內(nèi)恢復(fù)正常運(yùn)行。

3 結(jié)論

中電普瑞電力工程有限公司自主研發(fā)A5000型換流閥控制保護(hù)系統(tǒng)經(jīng)過一系列的功能調(diào)試、抗干擾能力調(diào)試，一次性通過試驗(yàn)。換流閥控制保護(hù)系統(tǒng)能夠按照上層控制系統(tǒng)完成所有控制操作，很好地監(jiān)測(cè)換流閥每個(gè)晶閘管級(jí)、閥避雷器動(dòng)作情況、閥塔漏水情況，并采取相應(yīng)的保護(hù)措施。該換流閥控制保護(hù)系統(tǒng)投入工程運(yùn)行以來，運(yùn)行情況良好、性能特別穩(wěn)定;原理設(shè)計(jì)正確，硬件和軟件可靠性高。

［1］國家電網(wǎng)公司.錦屏—蘇南±800千伏特高壓直流輸電工程換流閥(裕隆站)技術(shù)協(xié)議［R］.北京:國家電網(wǎng)公司，2011.

［2］國家電網(wǎng)公司.錦屏—蘇南±800千伏特高壓直流輸電工程換流閥(同里站)技術(shù)協(xié)議［R］.北京:國家電網(wǎng)公司，2011.

［3］趙婉君.高壓直流輸電工程技術(shù)［M］.北京:中國電力出版社，2004.

［4］袁清云.HVDC換流閥及其觸發(fā)與在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［M］.北京:中國電力出版社，1998.

［5］黃舜，李勝，徐永海，等.靜止無功補(bǔ)償器光電觸發(fā)與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真［J］.現(xiàn)代電力，2006，29(1):29-33.

［6］劉飛，盧志良，劉燕，等.用于TCR的晶閘管光電觸發(fā)與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［J］.高電壓技術(shù)，2007，33(6):123-128.

［7］李宏.閥基電子設(shè)備的研究［J］.科技成果管理與研究，2011(5):63-65.

［8］劉振亞.特高壓直流輸電技術(shù)研究成果專輯(2006年)［M］.北京:中國電力出版社，2008.

［9］李興源.高壓直流輸電系統(tǒng)的運(yùn)行和控制［M］.北京:科學(xué)出版社，1998.

［10］楊曉楠，鄭林，藍(lán)元良，等.±660 kV直流輸電工程換流閥控制保護(hù)接口技術(shù)［J］.電力建設(shè)，2011，32(7):25-28.

［11］廖敏，藍(lán)元良，楊曉楠，等.±660 kV直流輸電工程換流閥控制系統(tǒng)的工作原理及工程應(yīng)用［J］.電力建設(shè)，2011，32(7):21-24.