鄭林，藍元良，高陽明，劉寧，楊曉楠，彭玲

(中電普瑞電力工程有限公司，北京市102200)

±660kV直流輸電工程閥控系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

鄭林，藍元良，高陽明，劉寧，楊曉楠，彭玲

(中電普瑞電力工程有限公司，北京市102200)

閥控系統(tǒng)作為直流輸電控制保護系統(tǒng)與換流閥之間的接口設備，對直流系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運行起著重要作用。因此提高閥控系統(tǒng)的可靠性是設計閥控系統(tǒng)時要達到的首要目標。在介紹H400換流閥閥控系統(tǒng)組成結構和基本功能的基礎上，詳細介紹了H400換流閥閥控系統(tǒng)特有的高可靠性串行通信方式，并闡述了此種串行通信方式的實現(xiàn)方式和特點。這種通信方式已在寧東—山東±660 kV直流輸電工程中成功應用，并取得了良好的效果。

高壓直流輸電；換流閥；閥控系統(tǒng)；閥基電子設備(VBE)

0 引 言

本文以寧東—山東±660 kV直流輸電工程為背景，介紹換流閥閥控系統(tǒng)的結構和功能實現(xiàn)方法。本工程換流閥是基于阿爾斯通電網(wǎng)公司的H400型換流閥技術路線，由中國電力科學研究院在引進、消化和吸收、再創(chuàng)新基礎上而進行自主設計和生產(chǎn)制造的。

本工程是世界首條±660 kV電壓等級高壓直流輸電示范工程，西起銀川東換流站，東至青島換流站，直流額定電壓為±660 kV，輸電距離約1 335 km，直流額定電流為3 030 kA，雙極輸送功率為4 000 MW[1-2]。

與國外另外2家閥控系統(tǒng)供貨商ABB和SIEMENS相比，H400換流閥閥控系統(tǒng)有其獨特的設計理念，其中最具代表意義的是閥控系統(tǒng)與極控系統(tǒng)和晶閘管門極單元之間的監(jiān)控信號串行通信方式，本文將重點論述此特點。

1 換流閥閥控系統(tǒng)的總體結構

按照直流控制保護系統(tǒng)的分層結構概念，換流閥大部分控制保護功能由處于整個換流站控制保護系統(tǒng)底層的閥控系統(tǒng)實現(xiàn)，包括對換流閥的觸發(fā)控制、狀態(tài)監(jiān)測與保護功能[3-7]。

本論文所指的閥控系統(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[6]。圖中用虛線框起來的部分就是換流閥閥控系統(tǒng)，其中地電位設備有V系列閥基電子設備(valve base electronics, VBE)，高電位設備包括晶閘管門極單元(gate unit, GU)和閥塔冷卻系統(tǒng)泄漏監(jiān)視器。這些設備有機結合，共同實現(xiàn)對換流閥的控制保護功能。

文獻[6]中已對圖1所示的閥控系統(tǒng)進行了較詳細的介紹，在此不再贅述，本文將著重介紹觸發(fā)字、熱字、觸發(fā)信號和回報信號等換流閥監(jiān)控信號的傳輸方式。

圖1 換流閥閥控系統(tǒng)原理圖

2 換流閥控制功能實現(xiàn)

正常運行時，極控系統(tǒng)持續(xù)向VBE發(fā)送觸發(fā)字(firing word，F(xiàn)W)和熱字(晶閘管等效結溫數(shù)據(jù))(thermal word，TW)。VBE根據(jù)觸發(fā)字確定各個單閥在當前時刻是否需要觸發(fā)，并將該信息與對應閥的熱字組合成觸發(fā)信號(firing code，F(xiàn)C)發(fā)送給該閥的各個GU。GU收到觸發(fā)信號后，進行解碼，若需要觸發(fā)本晶閘管，且當前晶閘管已經(jīng)承受合適的正向電壓，GU將向晶閘管門極發(fā)出觸發(fā)脈沖使其導通。

下面詳細介紹主要控制功能的實現(xiàn)方式。

2.1 觸發(fā)字

觸發(fā)字是極控制系統(tǒng)根據(jù)當前的運行工況算出觸發(fā)角(α)后，在觸發(fā)時刻向VBE發(fā)送的換流閥觸發(fā)命令。V系列VBE與其他技術路線VBE的最大區(qū)別是觸發(fā)字采用串行編碼，即12脈動換流閥的觸發(fā)字只需要通過一根光纖就能傳送(并行傳輸時單系統(tǒng)需要12根光纖)[6,8-9]。而本工程采用的SIEMENS極控系統(tǒng)采用并行的觸發(fā)信號傳送方式，因此需要在極控和VBE之間開發(fā)專用接口裝置，將極控發(fā)出的并行觸發(fā)信號轉換成串行信號(編碼格式為串行歸零碼)，其時序如圖2所示。

圖2 觸發(fā)字時序圖

觸發(fā)字各個有效位定義如表1所示。某個閥的對應位為高電平時，說明此刻此閥應該被觸發(fā)或者已經(jīng)在觸發(fā)狀態(tài)。

表1觸發(fā)字有效位定義

Tab.1Effectivebitdefinitionoffiringword

在表1中，閥1到閥12的編號是根據(jù)12脈動換流閥中假設Y1閥為第1個觸發(fā)時的每個單閥的觸發(fā)順序編號。根據(jù)換流變的接線方式不同，每個單閥的觸發(fā)窗口進入時序不同，因此12脈動換流閥的觸發(fā)時序也不同。通常換流變的接線方式有11點(Yd11)接線和1點(Yd1)接線方式。在這2種換流變接線方式下的12脈動換流閥觸發(fā)時序如圖3和圖4所示。圖中，括號外編號為12脈動觸發(fā)時序編號，括號內(nèi)編號為6脈動觸發(fā)時序編號。

圖3 角形側Yd1接線方式時的觸發(fā)順序

圖4 角形側Yd11接線方式時的觸發(fā)順序

在12脈動換流閥正常運行時，在同一時刻導通的閥為4個，因此正常觸發(fā)字中也只有4個有效觸發(fā)脈沖同時出現(xiàn)，如圖5所示。因此，接口裝置將并行觸發(fā)信號轉換成串行信號時，根據(jù)換流變的接線方式，確定并行觸發(fā)信號和串行編碼中的閥編號對應關系，將當前的并行信號轉換成如圖5所示的串行編碼發(fā)送給VBE。

圖5 正常運行時的觸發(fā)字時序圖

極控系統(tǒng)發(fā)送觸發(fā)字的方式如下：

(1)為了適應觸發(fā)角的變化范圍，2幀觸發(fā)字之間相隔最小間距為2 μs，最大間隔不能大于20 ms。

(2)正常情況下，極控每隔30°電角度改變1次觸發(fā)字。為了提高觸發(fā)字的可靠性，每次新觸發(fā)字連續(xù)發(fā)2幀，2幀間隔16 μs。如果在發(fā)第1幀開始到第2幀開始之前，有新的觸發(fā)狀態(tài)變化，則按新的觸發(fā)狀態(tài)發(fā)送觸發(fā)字。若VBE收到的第1個觸發(fā)字異常，則將此觸發(fā)字丟棄，根據(jù)第2個觸發(fā)字控制換流閥。

2.2 熱字

H400換流閥閥控系統(tǒng)的一個重要特點是GU能夠根據(jù)換流閥的晶閘管等效結溫自適應地調(diào)整換流閥保護觸發(fā)閾值，從而提高直流輸電系統(tǒng)運行的安全性和穩(wěn)定性[9]。熱字同樣采用串行歸零碼傳送，其時序如圖6所示。

圖6 熱字時序圖

如圖6所示，在一幀熱字中，位0為起始位；位1為閥1標志，“1”表示當前熱字對應閥1，“0”表示當前熱字對應閥2～12；位2～12為晶閘管結溫值；位13為允許VBE監(jiān)視換流閥的標志位，“1”表示允許監(jiān)視，“0”表示不允許；位14為奇偶校驗位；位15為結束標志位。在正常運行情況下，各閥所對應的熱字總是從閥1至閥12順序循環(huán)發(fā)送。

熱字共有5種代表狀態(tài)，其中A代表換流閥正常運行時的狀態(tài)，B、C代表換相失敗時出現(xiàn)的狀態(tài)，D、E代表短路故障狀態(tài)。這些狀態(tài)需要由極控系統(tǒng)根據(jù)當前的工況判斷后發(fā)給VBE。

2.3 觸發(fā)信號

VBE收到觸發(fā)字和熱字后將這2個信號進行重新編碼形成觸發(fā)信號，并將此觸發(fā)信號發(fā)送給相應的GU板，GU收到觸發(fā)信號后完成對換流閥的觸發(fā)功能。

觸發(fā)信號的格式如圖7所示，當某一位出現(xiàn)窄脈沖時表示邏輯“0”，出現(xiàn)寬脈沖時表示邏輯“1”。數(shù)據(jù)幀頭始終是寬脈沖，結束位始終是窄脈沖。觸發(fā)信號數(shù)據(jù)位定義如表2所示。

圖7 觸發(fā)信號格式

表2觸發(fā)信號數(shù)據(jù)位定義

Tab.2Effectivebitdefinitionoftriggersignal

如表2所示，觸發(fā)信號中包括兩大類信息，一類是此晶閘管級的觸發(fā)命令，還有一類是此晶閘管級的等效結溫。GU根據(jù)本閥的晶閘管結溫數(shù)據(jù)更新正向過電壓保護(簡稱VBO保護)、dv/dt保護以及正向恢復保護的動作閾值。圖8～10為本工程中采用的晶閘管保護定值與晶閘管等效結溫之間的關系圖。

圖8 晶閘管最大正向恢復保護時間與結溫的關系(di/dt=2 A/μs)

圖9 晶閘管最大正向dv/dt保護水平與結溫的關系

圖10 晶閘管最大VBO保護水平與結溫的關系

3 換流閥狀態(tài)監(jiān)視功能實現(xiàn)

晶閘管監(jiān)視系統(tǒng)由位于換流閥上的GU和位于地電位的VBE 2部分構成。系統(tǒng)運行中，GU實時監(jiān)視每個晶閘管的狀態(tài)信息，并用特定的高速串行編碼對這些信息進行編碼，然后報送給VBE，報送方式采用狀態(tài)變位上傳方式。

門極板的回報信號編碼格式與觸發(fā)信號的格式相同(見圖11)，其數(shù)據(jù)位定義如表3所示。通過回報信號，VBE不僅可以監(jiān)測晶閘管的運行狀態(tài)，還可以實時監(jiān)測VBE到GU的通信通道狀態(tài)。

圖11 回報信號格式

表3回報信號定義

Tab.3Effectivebitdefinitionofdataback

4 結 論

閥控系統(tǒng)是直流輸電控制保護系統(tǒng)中十分關鍵的組成部分，它的可靠性將直接影響換流閥設備以及整個直流輸電系統(tǒng)的安全性和可靠性[10-16]。因此，閥控系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)成為整個直流系統(tǒng)設計和實現(xiàn)的重要環(huán)節(jié)。本文全面介紹了寧東—山東直流輸電工程閥控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)方法，具體結論如下。

(1) 閥控系統(tǒng)與上層控制保護系統(tǒng)采用串行編碼接口方式實現(xiàn)換流閥觸發(fā)，結構簡單明了，便于現(xiàn)場調(diào)試和維護。

(2) VBE與GU之間接口邏輯采用串行信號傳輸技術，可以傳輸豐富信息，實現(xiàn)了換流閥的可靠觸發(fā)和狀態(tài)檢測。

(3)串行通信方式的缺點是功能實現(xiàn)復雜，通信容易受干擾，但是通過完善的通信校驗功能和光通信方式提高了通信可靠性。

寧東—山東直流輸電工程的閥控系統(tǒng)可靠地實現(xiàn)了換流閥的觸發(fā)控制和狀態(tài)檢測功能。經(jīng)工程實踐證明，該工程的閥控系統(tǒng)設計合理、功能完善，達到了設計預期要求。

[1]國家電網(wǎng)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(xié)議[R].北京：國家電網(wǎng)公司，2009.

[2]國家電網(wǎng)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(xié)議[R].北京：國家電網(wǎng)公司，2009.

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(編輯：劉文瑩)

DesignandImplementationofValveControlSystemin±660kVHVDCPowerTransmissionProject

ZHENG Lin, LAN Yuanliang, GAO Yangming, LIU Ning, YANG Xiaonan, PENG Ling

(China-Epri Eletric Power Engineering Co., Ltd, Beijing 102200, China)

As the interface device between the control-protection system of DC transmission and converter valve, valve control system plays an important part in the reliability of HVDC system. So the reliability improvement of valve control system is the first purpose in the system design. Based on the introduction of the composition structure and basic function of H400 valve control system, the unique serial communication mode with high reliability in this system was introduced in detail, as well as its realization way and characteristics. This communication mode has been successfully applied in Ningdong-Shandong ±660 kV DC transmission project, which has achieved good results.

HVDC power transmission; converter valve; valve control system; VBE

TM 72

： A

： 1000-7229(2014)02-0047-05

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.02.009

2013- 08- 07

：2013- 10- 22

鄭林(1982)，男，碩士，工程師，主要研究方向為高壓直流輸電換流閥控制保護系統(tǒng)設計和工程應用，E-mail：zhenglin@sgri.sgcc.com.cn;

藍元良(1970)，男，博士，高級工程師，主要研究方向為高壓直流輸電換流閥電氣分析和設計、換流閥控制保護系統(tǒng)設計，E-mail：lanyuanliang@sgri.sgcc.com.cn;

高陽明(1985)，女，本科，助理工程師，主要研究方向為高壓直流輸電換流閥的工程應用；

劉寧(1983)，男，碩士，工程師，主要研究方向為高壓直流輸電換流閥控制保護系統(tǒng)設計和工程應用，E-mail：liuning@sgri.sgcc.com.cn;

楊曉楠(1974)，女，碩士，高級工程師，主要研究方向為高壓直流輸電換流閥電氣分析和設計、換流閥試驗方案研究，E-mail：yangxiaonan@sgri.sgcc.com.cn;

彭玲(1982)，女，碩士，高級工程師，主要研究方向為高壓直流輸電換流閥電氣分析和設計、換流閥試驗方案研究，E-mail：pengling@sgri.sgcc.com.cn。