祁 招，楊會(huì)磊，胡子健，張中強(qiáng)，田蘭芳，趙起超

?

一種基于直流輸電換流閥閥控設(shè)備的觸發(fā)測(cè)試系統(tǒng)

祁 招，楊會(huì)磊，胡子健，張中強(qiáng)，田蘭芳，趙起超

(許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000)

為了解決傳統(tǒng)閥控設(shè)備觸發(fā)功能測(cè)試中存在的測(cè)試效率偏低及測(cè)試質(zhì)量不足的問(wèn)題，引入自動(dòng)化測(cè)試方法設(shè)計(jì)測(cè)試系統(tǒng)，以避免繁瑣的人工操作，減少測(cè)試中的人為因素，并保證測(cè)試案例的一致性。針對(duì)閥控觸發(fā)性能難以判斷及觸發(fā)狀態(tài)復(fù)現(xiàn)困難的問(wèn)題，采用算法對(duì)觸發(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并輸出統(tǒng)計(jì)圖表，以實(shí)現(xiàn)觸發(fā)性能的可視化，觸發(fā)狀態(tài)的快速?gòu)?fù)現(xiàn)及觸發(fā)問(wèn)題的準(zhǔn)確定位。該系統(tǒng)有效地提高了閥控設(shè)備觸發(fā)功能測(cè)試的效率，為檢驗(yàn)閥控系統(tǒng)的觸發(fā)性能提供了可靠的依據(jù)。

換流閥；閥控設(shè)備；特高壓直流輸電；觸發(fā)脈沖；自動(dòng)化測(cè)試

0 引言

特高壓直流輸電具有傳輸距離遠(yuǎn)、容量大和損耗低等諸多優(yōu)勢(shì)[1]。近年來(lái)，我國(guó)建設(shè)了多個(gè)特高壓直流輸電工程。換流閥是直流輸電工程的核心裝置，而用于控制、監(jiān)視和保護(hù)換流閥的閥控設(shè)備在整個(gè)直流輸電工程中也是處于非常核心的位置[2]。

溪洛渡-浙江金華的±800?kV特高壓直流工程是金沙江溪洛渡、向家壩水電站送電華中、華東的3回±800 kV特高壓直流工程規(guī)劃的重要組成部分[3]。本文以該直流輸電工程為背景，研究并分析了直流輸電換流閥閥控設(shè)備的觸發(fā)控制原理，并針對(duì)其觸發(fā)機(jī)制設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)。

該系統(tǒng)能夠模擬閥控系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行環(huán)境，通過(guò)光纖實(shí)時(shí)采集閥控系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)和脈沖信息，并對(duì)所采集到的脈沖數(shù)據(jù)進(jìn)行算法分析。其算法主要實(shí)現(xiàn)對(duì)觸發(fā)脈沖正確性，穩(wěn)定性及一致性三項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)的運(yùn)算分析，且系統(tǒng)將依據(jù)分析結(jié)果自動(dòng)生成可視化測(cè)試報(bào)表。

1 ?閥控觸發(fā)脈沖

閥控系統(tǒng)是換流閥與其他控制保護(hù)系統(tǒng)間的接口設(shè)備，主要用于實(shí)現(xiàn)對(duì)晶閘管閥的觸發(fā)和監(jiān)測(cè)，其中脈沖觸發(fā)功能是閥控系統(tǒng)的核心功能[4]。在特高壓直流輸電工程的實(shí)際應(yīng)用中對(duì)于換流閥晶閘管的導(dǎo)通時(shí)序以及導(dǎo)通瞬時(shí)電壓和瞬時(shí)電流有嚴(yán)格要求，為了達(dá)到工程要求就必須依靠閥控設(shè)備的觸發(fā)控制功能來(lái)實(shí)現(xiàn)[5]。

換流閥閥控設(shè)備觸發(fā)脈沖產(chǎn)生的原理：換流閥上TCE板實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)晶閘管兩端的正向電壓，當(dāng)正向電壓達(dá)到整定的導(dǎo)通值時(shí)，TCE板通過(guò)光纖向閥控系統(tǒng)發(fā)出正向電壓建立脈沖信號(hào)IP[6]。閥控系統(tǒng)對(duì)晶閘管正向電壓建立信號(hào)IP以及極控系統(tǒng)發(fā)來(lái)的點(diǎn)火脈沖信號(hào)CP(采集同步電壓所得)進(jìn)行處理，根據(jù)處理結(jié)果輸出一定時(shí)序和脈寬的觸發(fā)脈沖信號(hào)FP[7]。觸發(fā)脈沖信號(hào)FP通過(guò)光纖發(fā)送到換流閥上對(duì)應(yīng)的晶閘管，從而觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通。

2 ?裝置設(shè)計(jì)

觸發(fā)脈沖測(cè)試裝置是根據(jù)第1節(jié)中對(duì)觸發(fā)脈沖原理的分析來(lái)設(shè)計(jì)的。該測(cè)試裝置通過(guò)模擬正向電壓IP信號(hào)和極控的CP信號(hào)，并經(jīng)由光纖將這些控制信號(hào)傳送至閥控系統(tǒng)，閥控系統(tǒng)則會(huì)依據(jù)這些信號(hào)的時(shí)序產(chǎn)生相應(yīng)的觸發(fā)脈沖FP。如圖1所示，該裝置中設(shè)計(jì)有信號(hào)發(fā)送模塊和數(shù)據(jù)采集模塊。

圖1 裝置功能示意圖

信號(hào)發(fā)送模塊的作用是將后臺(tái)發(fā)送的控制指令轉(zhuǎn)換為正向電壓建立信號(hào)IP和點(diǎn)火脈沖CP并通過(guò)光纖輸出端口發(fā)送至閥控系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采集模塊的作用是通過(guò)光纖接收端口接收來(lái)自閥控系統(tǒng)的觸發(fā)脈沖FP，并提供哈丁端口對(duì)閥控設(shè)備內(nèi)部接收到的正向電壓建立信號(hào)與點(diǎn)火脈沖直接進(jìn)行讀取。

信號(hào)發(fā)送模塊、數(shù)據(jù)采集模塊與控制后臺(tái)的信息交互通過(guò)RS485通信接口進(jìn)行。數(shù)據(jù)報(bào)文通過(guò)十六進(jìn)制編碼的形式傳輸，并在報(bào)文中加入校驗(yàn)功能。

3 ?后臺(tái)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制后臺(tái)的功能分為信號(hào)設(shè)置與數(shù)據(jù)采集，測(cè)試人員可以通過(guò)操作界面方便快捷地進(jìn)行IP信號(hào)的脈寬與距離設(shè)置。后臺(tái)中的信號(hào)設(shè)置功能界面如圖2所示。

圖2 IP信號(hào)設(shè)置界面

界面中的左側(cè)動(dòng)態(tài)顯示了IP信號(hào)相對(duì)于CP信號(hào)的位置以及IP信號(hào)的脈寬。

后臺(tái)通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊上送的十六進(jìn)制報(bào)文信息，換算出觸發(fā)脈沖的脈寬以及相對(duì)于CP上升沿的距離，并通過(guò)圖形繪制的方式在界面上方繪制出每一條報(bào)文對(duì)應(yīng)的FP圖形。后臺(tái)監(jiān)視界面采用色譜的方式繪制FP脈沖，在某一時(shí)刻出現(xiàn)的次數(shù)越多則顏色越深。

測(cè)試人員可以通過(guò)后臺(tái)設(shè)置正向電壓IP信號(hào)的脈寬、距離，以及點(diǎn)火脈沖CP信號(hào)上升沿的位置，并將其下發(fā)至信號(hào)發(fā)送模塊。在控制后臺(tái)的數(shù)據(jù)采集界面中設(shè)置觸發(fā)脈沖信息的采集次數(shù)后，數(shù)據(jù)采集模塊將自動(dòng)采集閥控設(shè)備的觸發(fā)脈沖信息，采集結(jié)束后會(huì)自動(dòng)對(duì)所采集到的信息進(jìn)行分析，并輸出測(cè)試結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)試的目的。

4 ?試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

在換流閥閥控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，觸發(fā)脈沖FP發(fā)送的位置是設(shè)定在距離點(diǎn)火脈沖CP信號(hào)上升沿μs處[8]。然而在實(shí)際應(yīng)用中，由于軟件和硬件等各種因素影響，觸發(fā)脈沖FP的位置與系統(tǒng)設(shè)定值總是存在一定的偏差。我們需要對(duì)這些誤差數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷閥控系統(tǒng)的實(shí)際觸發(fā)誤差是否在工程要求的誤差范圍內(nèi)[9]。

為了得到可靠有效的誤差分析結(jié)果，往往需要進(jìn)行大量的重復(fù)實(shí)驗(yàn)以采集足夠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為分析樣本[10]。

如果采用傳統(tǒng)測(cè)試方法，將會(huì)消耗極大的人力和時(shí)間，試驗(yàn)數(shù)據(jù)也會(huì)由于人為因素出現(xiàn)誤差。根據(jù)第3節(jié)中所述可知該測(cè)試系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)試，有效節(jié)省人力物力，控制測(cè)試過(guò)程中產(chǎn)生的人為誤差，并對(duì)所采集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)從觸發(fā)脈沖的正確性，穩(wěn)定性及一致性三個(gè)技術(shù)指標(biāo)來(lái)進(jìn)行分析。

4.1 觸發(fā)脈沖的正確性分析

觸發(fā)脈沖的正確性指標(biāo)要求觸發(fā)脈沖的脈寬及發(fā)送位置應(yīng)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的范圍內(nèi)。所有脈寬超差、位置超差的觸發(fā)脈沖都應(yīng)判定為不合格，并重點(diǎn)記錄漏發(fā)、誤發(fā)、多發(fā)脈沖的情況。脈沖數(shù)據(jù)采集界面如圖3所示。

在圖3中，界面下方羅列了所有測(cè)試過(guò)程中采集到的數(shù)據(jù)，測(cè)試人員通過(guò)后臺(tái)可以設(shè)置脈寬的超差范圍，一旦采集到的脈寬超出設(shè)定值，則會(huì)在報(bào)表中用紅色標(biāo)出，測(cè)試人員可以馬上觀察這個(gè)問(wèn)題。而且本次數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，后臺(tái)軟件會(huì)生成關(guān)于觸發(fā)脈沖正確性的報(bào)告，報(bào)告的內(nèi)容包括超差次數(shù)，超差的最大值，以及超差比率。

圖3 觸發(fā)脈沖數(shù)據(jù)采集界面

4.2 觸發(fā)脈沖的穩(wěn)定性分析

在相同的觸發(fā)條件下，對(duì)觸發(fā)通道進(jìn)行重復(fù)觸發(fā)，通過(guò)分析脈沖位置與設(shè)定值的偏差程度，來(lái)判定該觸發(fā)通道的穩(wěn)定性。

偏差程度由穩(wěn)定因數(shù)來(lái)衡量，采用概率統(tǒng)計(jì)換算出單個(gè)觸發(fā)通道的穩(wěn)定因數(shù)。

假設(shè)，通過(guò)后臺(tái)設(shè)定的觸發(fā)次數(shù)為，從裝置中讀取到的觸發(fā)脈沖FP距離CP上升沿的FP位置記為：1,2,3,…,X。其中，1出現(xiàn)的次數(shù)記為1，2出現(xiàn)的次數(shù)記為2,…, X出現(xiàn)的次數(shù)記為N。從而可以得出每個(gè)位置出現(xiàn)的概率，記為(X)，則

即可得到此次試驗(yàn)FP脈沖所處位置的均值，記為

(2)

觸發(fā)裝置發(fā)送觸發(fā)脈沖的穩(wěn)定值記為R，則

考慮到閥控系統(tǒng)對(duì)于觸發(fā)脈沖要求的特殊性，R不能完全真實(shí)地反映出觸發(fā)通道穩(wěn)定性，以標(biāo)識(shí)觸發(fā)通道的發(fā)送觸發(fā)脈沖的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性綜合指數(shù)。

(4)

假設(shè)設(shè)計(jì)規(guī)定，若觸發(fā)脈沖FP距離設(shè)定位置的誤差范圍在μs之內(nèi)的合格。則

得出之后，即可根據(jù)其判斷單個(gè)觸發(fā)通道穩(wěn)定性能的差別。

圖4為某次試驗(yàn)采集到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采集次數(shù)為2 000次。

圖4 裝置采集的FP脈沖信息

從圖4的數(shù)據(jù)中可計(jì)算出如下結(jié)果：

(=9.5)=64/2000=0.032

(=9.6)=75/2000=0.0375

(=9.7)=92/2000=0.046

(=9.8)=116/2000=0.058

(=9.9)=358/2000=0.179

(=10)=439/2000=0.2195

(=10.1)=320/2000=0.16

(=10.2)=238/2000=0.119

(=10.3)=121/2000=0.0605

(=10.4)=100/2000=0.05

(=10.5)=77/2000=0.0385

則()=10.0229，=100.50968-100.45852441= 0.05115559

=1-0.05115559=0.94884441

穩(wěn)定因數(shù)反映了觸發(fā)裝置的穩(wěn)定性，其值越大表明該觸發(fā)裝置的性能越好。

除計(jì)算觸發(fā)脈沖的穩(wěn)定因數(shù)外，后臺(tái)軟件還會(huì)根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)繪制出相關(guān)圖形，如圖5所示，如果穩(wěn)定性曲線在目標(biāo)位置的峰值越尖銳，則說(shuō)明該觸發(fā)通道越穩(wěn)定。

4.3 觸發(fā)脈沖的一致性分析

觸發(fā)脈沖的一致性要求單個(gè)閥段內(nèi)所有觸發(fā)通道在相同的觸發(fā)條件下，該閥段內(nèi)的所有通道脈沖發(fā)送時(shí)刻應(yīng)保持一致。

在實(shí)際的運(yùn)行過(guò)程中，同一個(gè)閥段的所有觸發(fā)通道脈沖發(fā)送時(shí)間肯定存在一定的偏差，因此就需要對(duì)觸發(fā)脈沖的穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)量。

在該系統(tǒng)中，可以同時(shí)對(duì)單個(gè)閥段的4個(gè)觸發(fā)通道進(jìn)行監(jiān)視，每一次數(shù)據(jù)采集都會(huì)對(duì)4個(gè)觸發(fā)通道的觸發(fā)脈沖時(shí)刻進(jìn)行比對(duì)。

圖5 觸發(fā)脈沖穩(wěn)定性曲線

4個(gè)觸發(fā)通道的觸發(fā)脈沖時(shí)刻信息會(huì)動(dòng)態(tài)繪制在應(yīng)用窗口中。應(yīng)用窗口界面如圖6所示。

在圖6中以U1通道的位置時(shí)刻為參考零點(diǎn)，可以直觀地觀察出其他通道相對(duì)于U1通道的偏差情況。測(cè)試所得的最大差值0.3 μs小于實(shí)際工程中換流閥閥控系統(tǒng)所規(guī)定的單個(gè)閥段最大觸發(fā)偏差，可以據(jù)此判斷圖5中觸發(fā)通道的偏差是滿足工程要求的[11]。

圖6 觸發(fā)一致性測(cè)試界面

5 ?總結(jié)

該觸發(fā)脈沖測(cè)試系統(tǒng)具備脈沖收發(fā)，數(shù)據(jù)采集，脈沖分析，測(cè)試報(bào)告自動(dòng)生成等多種功能，提供了豐富的測(cè)試設(shè)置選項(xiàng)以及可視化的脈沖數(shù)據(jù)分析界面，實(shí)現(xiàn)了測(cè)試過(guò)程自動(dòng)化，并實(shí)際應(yīng)用于溪浙工程±800 kV特高壓直流工程換流閥閥控系統(tǒng)的測(cè)試工作，能夠有效地檢驗(yàn)閥控系統(tǒng)的觸發(fā)性能，顯著地節(jié)省測(cè)試消耗的人力物力，并為以后特高壓直流工程閥控觸發(fā)檢驗(yàn)技術(shù)的工程應(yīng)用提供了參考依據(jù)。

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(編輯 周金梅)

Design of automatic test system for triggering function of HVDC valve control equipment

QI Zhao, YANG Huilei, HU Zijian, ZHANG Zhongqiang, TIAN Lanfang, ZHAO Qichao

(XJ Electric Co., Ltd., Xuchang 461000, China)

In order to solve the problem of low efficiency in the traditional trigger function test and improve the test quality, the test system based on automatic test strategy is established to avoid cumbersome manual operation, reduce artificial factors in the test and ensure the consistency of test cases. Because the trigger performance is difficult to judge and the reproduction of trigger state is hard, the algorithm is used to process the trigger data and output the chart, which realizes the visualization of trigger performance, rapid retrieval of trigger state and accurate positioning of the trigger problem. This system can effectively improve the efficiency of the trigger function test, which provides a reliable basis for the trigger performance of valve control system.

converter valve; valve control equipment; UHVDC; trigger plus; automatic test

10.7667/PSPC151520

2015-08-27；

2016-03-01

祁 招(1983-)，男，通信作者，學(xué)士，助理工程師，主要從事特高壓直流輸電換流閥閥控系統(tǒng)測(cè)試工作；E-mail: easymode@163.com 楊會(huì)磊(1986-)，男，碩士，助理工程師，主要從事特高壓直流輸電換流閥閥控系統(tǒng)測(cè)試工作；E-mail:?xuchyhl@ 163.com 胡子健( 1993-)，男，本科，學(xué)士，助理工程師，主要從事特高壓直流換流閥閥控系統(tǒng)測(cè)試工作。E-mail: amoshzj1993@qq.com