國網(wǎng)湖北省電力公司檢修公司 黃瑤玲 劉 潯 成 川 吳 萍 鄭 華 戴 迪

直流換流站換流閥控制技術(shù)比較分析

國網(wǎng)湖北省電力公司檢修公司 黃瑤玲 劉 潯 成 川 吳 萍 鄭 華 戴 迪

本文對國外換流閥生產(chǎn)廠家ABB、Siemens、ALSTOM三家公司換流閥閥控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)、軟件功能以及閥控與直流控制保護(hù)系統(tǒng)的接口進(jìn)行了比較詳細(xì)的闡述，對直流輸電設(shè)備國產(chǎn)化后不同技術(shù)路線的直流控制保護(hù)系統(tǒng)與閥控系統(tǒng)的接口進(jìn)行了說明，并提出相應(yīng)的改進(jìn)建議，希望能夠為規(guī)范國內(nèi)直流控保與閥控系統(tǒng)通訊接口提供參考依據(jù)。

直流輸電；極控系統(tǒng)；閥控系統(tǒng)；國產(chǎn)化

1 引言

換流閥作為直流輸電的核心，換流閥的控制對直流輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定可靠運行顯得尤為重要。目前，國內(nèi)的直流工程（包括特高壓直流）基本都采用ABB、Siemens、ALSTOM三家公司換流閥的閥控系統(tǒng)技術(shù)。三種技術(shù)路線在閥控原理及保護(hù)配置基本一致，但在硬件和總線結(jié)構(gòu)上都有著各自的特點。但由于各自設(shè)計結(jié)構(gòu)的不同，現(xiàn)場運行中也產(chǎn)生不同的問題，因此有必要對其進(jìn)行比較分析，并提出合理的改進(jìn)建議，為規(guī)范國內(nèi)直流控保與閥控系統(tǒng)通訊接口提供參考依據(jù)。

2 ABB閥控技術(shù)

2.1 閥控系統(tǒng)與極控系統(tǒng)接口

極控系統(tǒng)PCP和閥控系統(tǒng)VCU均為冗余設(shè)計。其中VCU按照A、B、C三相分為VCA、VCB、VCC三塊屏，每塊屏又分為VCY和VCD兩個機(jī)架，分別觸發(fā)和監(jiān)控一個極的6個閥塔。

極控系統(tǒng)PCPA/B與閥控系統(tǒng)VCUA/B采用單對單連接，即極控A與閥控A通訊，極控B與閥控B通訊。兩者之前完全采用光纖進(jìn)行通訊。以一個系統(tǒng)為例，極控與閥控通訊示意圖如圖1所示。

圖1 極控與閥控之間通訊示意圖

VCU同時接收極控主、從系統(tǒng)的控制脈沖，而只有主系統(tǒng)控制脈沖有效，控制脈沖為并行傳輸，如圖1所示，VCU通過主/備狀態(tài)的選擇來確定控制脈沖。最后產(chǎn)生的點火脈沖返回到極控系統(tǒng)與控制脈沖相比較，如果不一致則報控制脈沖故障告警。THM用于監(jiān)視換流閥系統(tǒng)的狀態(tài)和將相關(guān)告警信息送往運行人員工作站。

2.2 閥控系統(tǒng)與TCU接口

閥控系統(tǒng)與可控硅觸發(fā)單元TCU之間的通訊為非冗余配置，每塊觸發(fā)脈沖接口板PS906最多可以傳輸16路點火脈沖，同時最多接收16路TCU產(chǎn)生可控硅狀態(tài)指示信息。同時，由于每個閥塔都配置了漏水檢測裝置和閥避雷器動作次數(shù)計數(shù)器，VCU單元專門配置了一塊PS906板和漏水檢測通訊終端來分別記錄發(fā)避雷器的動作情況和漏水檢測情況。示意圖如圖2所示。

圖2 閥控與TCU之間通訊示意圖

3 Siemens公司換流閥控制技術(shù)

Siemens公司閥控系統(tǒng)也與其極控系統(tǒng)一體化設(shè)計，主要應(yīng)用于南方電網(wǎng)公司所轄換流站，目前國家電網(wǎng)公司所轄換流站中在靈寶背靠背換流站和高嶺背靠背換流站有所應(yīng)用。

3.1 極控系統(tǒng)與閥控系統(tǒng)接口

閥控系統(tǒng)VBE有A1、A2、A5、A6共4個機(jī)架，其中A1負(fù)責(zé)閥D1、D3、D5的觸發(fā)，A2負(fù)責(zé)閥D4、D6、D2的觸發(fā)，A5負(fù)責(zé)閥Y1、Y3、Y5的觸發(fā)，A6負(fù)責(zé)閥Y4、Y6、Y2的觸發(fā)。

其中，D1～D2為處理器板（MC板），B1～B6為光發(fā)射板（LE板），B7～B18為光接收板（LR板），D19為編程插件，B20～B21為反向恢復(fù)保護(hù)使能接口板。

極控系統(tǒng)與閥控VBE之間通訊主要采用硬件連接，觸發(fā)控制信號為并行通訊，示意圖如圖3所示。

圖3 極控與VBE系統(tǒng)接口示意圖

極控系統(tǒng)將12路觸發(fā)控制信號、CONV_CB_ON（換流變進(jìn)線開關(guān)合）、UNDERVOLTAGE（低電壓）、 CONV_DBLK（換流閥解鎖）、BBYPACT（投旁通對）、極控系統(tǒng)主/備等信號送閥控系統(tǒng)VBE；VBE將12路EOC（End of current電流末端信號）反饋給極控系統(tǒng)。所有信號均為二進(jìn)制信號，額定電壓為24VDC。

為了判定極控系統(tǒng)A、B哪個系統(tǒng)為主用系統(tǒng)，系統(tǒng)切換邏輯接收兩個VBE系統(tǒng)A、B的“VBE Ready”信號。送給VBE的兩個極控系統(tǒng)的主、被信號必須相反，兩個系統(tǒng)同為主或同為被的時間必須在10us以內(nèi)，如果超過200us則VBE系統(tǒng)故障產(chǎn)生。

3.2 閥控系統(tǒng)與對時及總線接口

VBE與極控系統(tǒng)通過PROFIBUS總線進(jìn)行通訊與數(shù)據(jù)交換，其中極控A與VBE A系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)，極控B與VBE B系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)。硬件通訊結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示：

圖4 VBE與極控系統(tǒng)總線通訊示意圖

極控系統(tǒng)將換流閥測試狀態(tài)、VBE告警信息確認(rèn)等通過PROFIBUS總線送VBE，分別用于換流閥狀態(tài)的測試以及VBE故障告警的確認(rèn)。

VBE通過總線將VBE回報信號丟失、可控硅無冗余、回報信號不可用、BOD動作可控硅數(shù)超范圍、觸發(fā)脈沖丟失、閥檢測OK、VBE OK、可控硅監(jiān)視暫停、換相模式、投旁通對、GPS不同步等信息送至極控系統(tǒng)，用于極控系統(tǒng)的判斷。

2.3 閥控系統(tǒng)與直流保護(hù)接口

Siemens極控系統(tǒng)與直流保護(hù)系統(tǒng)之間采用硬接線進(jìn)行通訊，直流保護(hù)動作跳交流開關(guān)、閉鎖觸發(fā)脈沖等信息都不經(jīng)極控系統(tǒng)直接到相關(guān)設(shè)備，因此直流保護(hù)與VBE有專用的接口。示意圖如下圖5所示：

圖5 直流保護(hù)與VBE系統(tǒng)接口示意圖

VBE系統(tǒng)同時接收直流保護(hù)A和直流保護(hù)B的“閉鎖觸發(fā)脈沖”信號，通常該信號用于防止閥短路而停止可控硅的觸發(fā)。任何一套直流保護(hù)發(fā)閉鎖觸發(fā)脈沖時，可控硅監(jiān)視功能暫停以避免在此種工況下誤發(fā)可控硅故障信息。

VBE系統(tǒng)分別向保護(hù)接口屏A、B發(fā)送跳閘信號，當(dāng)多于3個回報信號丟失或者同一支路有4個以上可控硅BOD動作時產(chǎn)生。跳閘信號僅主系統(tǒng)發(fā)出。

2.4 閥控系統(tǒng)與換流閥接口

Siemens采用的是光觸發(fā)的可控硅，因而其觸發(fā)硬件回路與ABB所采用的電觸發(fā)有所不同。觸發(fā)脈沖通過VBE上的光發(fā)射板傳輸?shù)介y塔上的多模光纖星形耦合器MSC上，MSC將觸發(fā)脈沖分為11路分別送11個可控硅進(jìn)行觸發(fā)。可控硅電壓監(jiān)視模塊TVM監(jiān)視可控硅的狀態(tài)信息并將回報信號送至VBE的光接收板。恢復(fù)性保護(hù)單元RPU用于在可控硅恢復(fù)期間對可控硅進(jìn)行保護(hù)。示意圖如圖6所示：

圖6 換流閥與VBE系統(tǒng)接口示意圖

3 ALSTOM公司換流閥控制技術(shù)

目前國內(nèi)尚未將ALSTOM公司控制系統(tǒng)引入，只在寧東直流工程中第一次引入了ALSTOM（AREVA）公司的換流閥及其換流閥控制系統(tǒng)，之后的林楓直流工程（團(tuán)林換流站）和靈寶二期工程也引入了AREVA的換流閥及控制系統(tǒng)。極控系統(tǒng)采用的是許繼電氣公司在引進(jìn)Siemens技術(shù)上自主開發(fā)的DPS2000系統(tǒng)。極控系統(tǒng)與閥控系統(tǒng)不是一體化設(shè)計，因而有其特殊性。

3.1 極控系統(tǒng)與閥控系統(tǒng)接口

團(tuán)林換流站閥控系統(tǒng)VBE共有3塊屏VBE1、VBE2和VBE3，每個VBE有4層機(jī)箱，每層機(jī)箱負(fù)責(zé)一個閥的觸發(fā)。這樣，VBE1、VBE2和VBE3分別負(fù)責(zé)閥1～閥4、閥5～閥8和閥9～閥12的觸發(fā)。

圖7 VBE機(jī)箱布局圖

如圖7所示，S5005為中央處理器板，S5014為光纖觸發(fā)板。S5014為單系統(tǒng)配置，每個S5014負(fù)責(zé)8個可控硅的觸發(fā)和回報信息的收集；S5005為冗余配置，分A、B系統(tǒng)，負(fù)責(zé)將觸發(fā)脈沖信號轉(zhuǎn)化為點火脈沖；Reset Panel為復(fù)歸鑰匙，用于對處理器板卡S5005進(jìn)行復(fù)位。

從圖8中可以看出，由于極控系統(tǒng)與VBE不是一體化設(shè)計，為此，許繼電氣公司專門設(shè)計了一個與VBE通訊的屏柜VBE接口柜。觸發(fā)字和熱字由VBE接口柜通過光纖送至閥基電子設(shè)備VBE；極控系統(tǒng)的主、從狀態(tài)由冗余切換邏輯COL模塊通過硬接線送到VBE；VBE 將VBE failure、VBE trip等信號送至極控和極保護(hù)系統(tǒng)，用于控制系統(tǒng)的切換和保護(hù)動作。

圖8 銀川東站直流控保系統(tǒng)與VBE接口示意圖

VBE接口設(shè)備就是將控制系統(tǒng)的觸發(fā)脈沖轉(zhuǎn)換成串行的觸發(fā)字（Firing Word）通過光纖發(fā)送到VBE；同時要把控制系統(tǒng)計算出的運行狀態(tài)對應(yīng)的熱字信號（硬接點）轉(zhuǎn)換成串行的熱字（Thermal Word）送到VBE（不同閥對應(yīng)各自特定的熱字）。

3.2 閥控系統(tǒng)與后臺通訊接口

由于VBE與極控系統(tǒng)交換的數(shù)據(jù)有限，VBE專門配置了RS232轉(zhuǎn)LAN網(wǎng)絡(luò)接口，用于將VBE各種狀態(tài)信息送往后臺，供運行人員監(jiān)測與判斷。VBE內(nèi)部有兩個完全獨立的數(shù)據(jù)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)，并且也通過兩個完全獨立的以太網(wǎng)發(fā)送給后臺工作站。圖9示出VBE后臺通信的接線方式。

圖9 VBE后臺通信鏈路示意圖

4 國外公司換流閥控制技術(shù)比較

將我國引進(jìn)的國外三個公司ABB、Siemens、ALSTOM公司換流閥控制技術(shù)進(jìn)行比較，各有優(yōu)缺點，對于閥控系統(tǒng)的國產(chǎn)化具有重要的意義。

（1）對于傳輸?shù)拿浇?，ABB采用光纖進(jìn)行通訊；Siemens采用電纜進(jìn)行通訊；ALSTOM增加了觸發(fā)脈沖接口屏，采用電信號轉(zhuǎn)為光信號的通訊模式進(jìn)行通訊。采用電信號通訊需要較多的硬件接口，并且易受到外部信號的干擾，電源系統(tǒng)的擾動對通訊信號的傳輸存在較大的影響。因而，光纖通訊是較為安全和穩(wěn)定的一種通訊模式。

（2）關(guān)于回報信號，ABB后臺報漏水告警、閥避雷器動作、可控硅故障、功能跳閘、保護(hù)性觸發(fā)動作等信號；而ALSTOM公司則需要向后臺報上述信號外，還有觸發(fā)字光信號超時、觸發(fā)字光信號錯誤、觸發(fā)字電信號超時、觸發(fā)字電信號錯誤、觸發(fā)字光信號奇偶校驗錯誤，以及熱字故障、重觸發(fā)、門極回報異常等信號，由于傳輸信號過多，當(dāng)設(shè)備處于故障或這檢修試驗狀態(tài)時，系統(tǒng)會頻發(fā)相關(guān)閥的故障告警信息，對現(xiàn)場而言是較大的考驗，由于可控硅數(shù)量較多，對后臺的監(jiān)視是一個較大的考驗，甚至?xí)?dǎo)致服務(wù)器的死機(jī)從而引起后臺人機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的癱瘓。因而，對于閥控系統(tǒng)的后臺信息，越簡介明了越好。

（3）對于硬件的設(shè)計，ABB與ALSTOM基本相似，采用一塊板卡進(jìn)行可控硅的觸發(fā)和回報信號的傳輸。Siemens由于采用的是光觸發(fā)的可控硅，觸發(fā)形式有所不同，MSC至VBE的回報光纖故障會導(dǎo)致直流閉鎖，很容易導(dǎo)致單一元件故障引起的直流閉鎖事故，在直流系統(tǒng)運行中存在較大的隱患。

（4）ALSTOM閥控系統(tǒng)5ms之內(nèi)未收到極控系統(tǒng)主、備用信息會導(dǎo)致直流系統(tǒng)閉鎖，而ABB和Siemens則沒有這方面的要求，運行起來更加穩(wěn)定。

5 換流閥及其控制系統(tǒng)設(shè)計上的幾點建議

可控硅的生產(chǎn)，國內(nèi)廠家也比較多，西電集團(tuán)、電科院、許繼電氣、株洲南車等公司都可以生產(chǎn)。隨著直流輸電工程設(shè)備國產(chǎn)化的進(jìn)一步深入，將出現(xiàn)多家公司、不同技術(shù)的相互通訊與接口。但是國內(nèi)目前還沒有提出直流控制保護(hù)系統(tǒng)與閥控系統(tǒng)的接口規(guī)范，對于換流閥塔以及閥控系統(tǒng)的設(shè)計也沒有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。在此提出幾點建議，希望能對新建直流換流站的安全穩(wěn)定運行和日常運行維護(hù)工作起到一定的作用。