南網(wǎng)超高壓輸電公司天生橋局 金濤

柔性直流作為當(dāng)今最新的直流技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)眾多，具有非常大的應(yīng)用前景。云南電網(wǎng)與南網(wǎng)主網(wǎng)異步聯(lián)網(wǎng)工程——魯西背靠背換流站作為世界首個(gè)高壓大容量的柔性直流工程，其成功運(yùn)行為后續(xù)工程提供了許多寶貴經(jīng)驗(yàn)。換流閥冷卻設(shè)備作為換流閥的換熱設(shè)備，在高壓直流輸電系統(tǒng)中尤為重要，換流閥冷卻系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行是直流輸電工程正常工作的前提和保證。主泵作為冷卻系統(tǒng)核心組成部分，主要提供用于散熱的水循環(huán)動(dòng)力。為了提高閥冷設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行水平，主泵的控制設(shè)計(jì)就成為了首要的研究課題。

魯西柔性直流輸電閥冷主泵控制設(shè)計(jì)方案

主泵電源回路配置

魯西換流站柔性直流閥冷系統(tǒng)共配置四臺(tái)主泵。四臺(tái)主泵分別接入400伏站用電兩段母線上，1號(hào)電源接入P01 主泵和P03 主泵，2號(hào)電源接入P02 主泵和P04 主泵，每臺(tái)主泵設(shè)置軟啟回路和工頻回路，軟啟回路用于主泵啟動(dòng)，主泵啟動(dòng)完成后轉(zhuǎn)入工頻運(yùn)行。主泵一次回路配置如圖1所示。

主泵控制設(shè)計(jì)方案

四臺(tái)主泵為P01 主泵、P02 主泵、P03 主泵、P04 主泵。正常工作時(shí)，兩臺(tái)主泵運(yùn)行，兩臺(tái)主泵備用。每周切換一次。主泵的切換由閥冷系統(tǒng)西門(mén)子S7-400 系列PLC 控制器控制，正常啟動(dòng)先啟一臺(tái)主泵軟啟，啟動(dòng)3 秒后工頻啟動(dòng)，軟啟和工頻維持5 秒后，軟啟退出，維持工頻運(yùn)行；第一臺(tái)啟動(dòng)3 秒后啟第二臺(tái)軟啟，軟啟和工頻維持5 秒后，軟啟退出，維持工頻運(yùn)行。當(dāng)運(yùn)行中的主泵出現(xiàn)故障時(shí)，將會(huì)切換至備用泵運(yùn)行。

主泵采用軟啟動(dòng)器啟動(dòng)切換工頻運(yùn)行，既可解決啟動(dòng)過(guò)程中大沖擊電流問(wèn)題，也可以避免采用變頻器控制時(shí)變頻投切工頻相位角不一致情況的發(fā)生。通過(guò)軟啟動(dòng)器控制主泵，能使電機(jī)啟動(dòng)電壓以恒定的斜率平穩(wěn)上升，啟動(dòng)電流小，對(duì)電網(wǎng)無(wú)沖擊，可減少閥冷系統(tǒng)管路和水泵的機(jī)械沖擊。圖2為電機(jī)的直接啟動(dòng)、星/三角啟動(dòng)、軟啟動(dòng)三種啟動(dòng)方式啟動(dòng)時(shí)的電壓和電流的對(duì)比。

圖1 主泵一次回路圖

圖2 電機(jī)啟動(dòng)方式?jīng)_擊比較

（1）四臺(tái)主泵周期性切換

四臺(tái)主泵，一共有六種組合，分別為P01 與P02、P01 與P03、P01 與P04、P02與P03、P02 與P04、P03 與P04。其中P01 與P03 在1號(hào)母線上，P02 與P04在2號(hào)母線上，為了減輕上級(jí)電源的負(fù)荷和增加系統(tǒng)的可靠性，每次水冷系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)優(yōu)先啟動(dòng)不同母線上的兩臺(tái)泵，優(yōu)先啟動(dòng)P01 與P02 或者P03 與P04。采用順序間隔3 秒啟動(dòng)，間隔3 秒，是為了防止兩臺(tái)泵同時(shí)啟動(dòng)形成的沖擊。

P01 與P02 一起運(yùn)行，P01 主泵連續(xù)無(wú)故障工頻運(yùn)行168 小時(shí)后，自動(dòng)切換至P03 主泵。P03 主泵軟啟投入延時(shí)3 秒轉(zhuǎn)入工頻運(yùn)行，同時(shí)P01 主泵停止。P02 主泵連續(xù)無(wú)故障工頻運(yùn)行168小時(shí)后，自動(dòng)切換至P04 主泵。P04 主泵軟啟投入延時(shí)3 秒轉(zhuǎn)入工頻運(yùn)行，同時(shí)P02 主泵停止。

圖3 主泵切換失敗回切邏輯

（2）閥冷系統(tǒng)故障切泵

主泵故障切換邏輯：

1）每臺(tái)主泵分三個(gè)備用切換優(yōu)先級(jí)：

a.優(yōu)先級(jí)1（第一優(yōu)先級(jí)，備用泵完全沒(méi)故障）；

b.優(yōu)先級(jí)2（第二優(yōu)先級(jí)，備用泵僅工頻故障）；

c.優(yōu)先級(jí)3（第三優(yōu)先級(jí)，備用泵僅軟啟故障）。

2）切換原則：

運(yùn)行主泵出現(xiàn)相故障需要切泵時(shí)，優(yōu)先選擇切至優(yōu)先級(jí)1 條件的備用泵，如果都沒(méi)有優(yōu)先級(jí)1 備用泵，選擇切換至優(yōu)先級(jí)2 的備用泵，如果都沒(méi)有優(yōu)先級(jí)2 的備用泵，選擇切換至優(yōu)先級(jí)3 的備用泵，如果還沒(méi)有，說(shuō)明其他備用泵也均故障，保護(hù)原泵運(yùn)行。

3）故障情況包括：

a.系統(tǒng)壓力低報(bào)警：閥冷系統(tǒng)主泵出口設(shè)置兩臺(tái)壓力變送器，進(jìn)閥壓力變送器設(shè)置三臺(tái)，冗余儀表主泵出水壓力變送器低報(bào)警采用“二取一”邏輯進(jìn)行判斷，三重化儀表閥壓力變送器低報(bào)警采用“三取二取一”邏輯進(jìn)行判斷，當(dāng)主泵出水壓力變送器低報(bào)警與進(jìn)閥壓力變送器低報(bào)警都出現(xiàn)時(shí)，延時(shí)3 秒后，切換主泵，同時(shí)控制系統(tǒng)報(bào)出“主泵出水壓力低”+“進(jìn)閥壓力低”和“主泵建壓失敗”報(bào)警。

b.主泵故障報(bào)警：主泵軟啟回路設(shè)置斷路器保護(hù)，軟啟動(dòng)器自身保護(hù)，當(dāng)斷路器脫扣或軟啟故障報(bào)警時(shí)，延時(shí)500 毫秒后，控制系統(tǒng)報(bào)出“主泵軟啟回路故障”；主泵工頻回路設(shè)置斷路器保護(hù)和熱繼電器保護(hù)，當(dāng)斷路器脫扣或熱繼電器動(dòng)作時(shí)，延時(shí)500 毫秒后，控制系統(tǒng)報(bào)出“主泵工頻回路故障”。

c.站用電400 伏電源故障：P01 主泵接在I 段母線上，P02 主泵接在II 段母線上，P01 主泵運(yùn)行，同時(shí)I 段母線電源失電，延時(shí)2500 毫秒后，控制系統(tǒng)報(bào)出“1號(hào)交流電源故障”同時(shí)主泵切換至備用泵運(yùn)行。

（3）主泵切換失敗回切

P01 主泵連續(xù)工頻運(yùn)行168 小時(shí)后需要自動(dòng)切換至P02 主泵運(yùn)行，當(dāng)控制系統(tǒng)切換至P02 主泵運(yùn)行失敗時(shí)，控制系統(tǒng)檢測(cè)出“主泵出水壓力低”+“進(jìn)閥壓力低”+“P02 主泵建壓失敗”報(bào)警或者“P02 主泵電源故障”或者“P02 主泵工頻回路故障”后回切到P01 主泵運(yùn)行，切換邏輯見(jiàn)圖3。

閥冷主泵切換工況分析

理論切泵工況分析

項(xiàng)目閥冷最不利切換工況為兩臺(tái)運(yùn)行主泵同時(shí)切換至兩臺(tái)備用主泵，以初始P01 和P03 主泵運(yùn)行為例進(jìn)行分析如下：

閥冷系統(tǒng)P01 和P03 主泵工頻運(yùn)行狀態(tài)下——400 伏站用電I 段失電——控制系統(tǒng)啟動(dòng)故障切泵邏輯——P01 和P03 主泵停止、P02 和P04 主泵軟啟運(yùn)行、在線物理量（流量、壓力）會(huì)有所下降——3 秒后P02 和P04 主泵由軟啟切換到工頻運(yùn)行——流量、壓力逐漸恢復(fù)，閥冷系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行，在線物理量正常。

主泵切換過(guò)程中，流量、壓力會(huì)有所下降（該過(guò)程只持續(xù)3～6 秒，遠(yuǎn)小于流量保護(hù)動(dòng)作延時(shí)15 秒），隨著主泵切換完成，流量、壓力會(huì)快速恢復(fù)正常，不會(huì)引起閥冷系統(tǒng)冷卻水流量和進(jìn)閥壓力聯(lián)合跳閘保護(hù)動(dòng)作，即閥冷切泵動(dòng)作不會(huì)引起保護(hù)出口。

現(xiàn)場(chǎng)切泵測(cè)試分析

以廣西側(cè)P01 和P02 主泵運(yùn)行時(shí)手動(dòng)切換至P03 和P04 主泵運(yùn)行為例進(jìn)行分析：閥冷系統(tǒng)P01 和P02 主泵正常運(yùn)行，在流量約220 升/秒、壓力約0.55 兆帕工況下——在HMI 手動(dòng)執(zhí)行“選擇P03、P04 主泵運(yùn)行”操作——P01和P02 主泵停止，P03 和P04 主泵軟啟轉(zhuǎn)工頻運(yùn)行，壓力由0.55 兆帕經(jīng)2 秒下降至最低約0.15 兆帕、再經(jīng)3 秒恢復(fù)至壓力低保護(hù)值0.34 兆帕以上，流量由220 升/秒經(jīng)3 秒下降至最低約180 升/秒、再經(jīng)3 秒恢復(fù)至流量低保護(hù)值216升/秒以上——系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行工況。

閥冷主泵相關(guān)隱患分析及建議措施

主泵電源故障切換邏輯優(yōu)化

（1）隱患描述

柔直閥冷系統(tǒng)P01、P02 主泵運(yùn)行工況下，當(dāng)400 伏站用電I 段電源瞬時(shí)失電（持續(xù)時(shí)間約500 毫秒）時(shí)，引起柔直閥冷系統(tǒng)主泵由P01、P02 主泵運(yùn)行切換至P03、P04 主泵運(yùn)行。切換動(dòng)作延時(shí)效果與閥冷系統(tǒng)保護(hù)定值單內(nèi)的“主泵電源故障切換延時(shí)2.0 秒”不符。即柔直閥冷主泵電源故障切換邏輯不能躲避400 毫秒站用電電壓瞬時(shí)波動(dòng)，存在每次400 毫秒站用電電壓瞬時(shí)波動(dòng)均會(huì)引起柔直閥冷主泵不必要的切換情況。

（2）優(yōu)化措施

將各臺(tái)主泵電源故障切換條件由原錯(cuò)誤使用相應(yīng)主泵的“動(dòng)力電源故障”條件，修改為正確使用“動(dòng)力電源故障延時(shí)”條件，解決控制系統(tǒng)檢測(cè)到相應(yīng)主泵動(dòng)力電源故障時(shí)不經(jīng)延時(shí)而過(guò)早執(zhí)行主泵切換邏輯問(wèn)題。

主泵壓力異常切換邏輯優(yōu)化

（1）隱患描述

原兩臺(tái)運(yùn)行主泵壓力異常切換的條件為，主泵出水壓力低（PT01/PT02）+進(jìn)閥壓力低（PT03/PT04/PT05）。當(dāng)控制系統(tǒng)檢測(cè)并報(bào)警“主泵出水壓力低”+“進(jìn)閥壓力低”時(shí)，執(zhí)行主泵切換，系統(tǒng)由兩臺(tái)運(yùn)行主泵切換至另外兩臺(tái)備用主泵。存在現(xiàn)象：系統(tǒng)兩臺(tái)運(yùn)行主泵中實(shí)際只有一臺(tái)主泵出水壓力異常，但會(huì)導(dǎo)致兩臺(tái)運(yùn)行主泵切換至另外兩臺(tái)備用主泵，實(shí)際情況是原兩臺(tái)運(yùn)行主泵中有一臺(tái)主泵工況是正常的，可以不需要切換，由于主泵壓力異常切換的其中一個(gè)條件“主泵出水壓力低”信號(hào)來(lái)自于四臺(tái)主泵出水公共主管道上的PT01/PT02，故存在壓力異常切換主泵時(shí)，導(dǎo)致其中一臺(tái)正常運(yùn)行的主泵需要同時(shí)切換，邏輯不合理。

（2）優(yōu)化措施

分別以四臺(tái)主泵的單泵出水壓力（P01 主泵出水壓力PT21/PT25、P02 主泵出水壓力PT22/PT26、P03 主泵出水壓力PT23/PT27、P04 主泵出水壓力PT24/PT28）作為相應(yīng)主泵壓力異常切換的條件之一。

優(yōu)化效果示例：

邏輯優(yōu)化前，P01、P02 主泵運(yùn)行時(shí)，由于P01 主泵異常，導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)主泵出水壓力低（PT01/PT02）+進(jìn)閥壓力低（PT03/PT04/PT05），引起P01、P02主泵執(zhí)行壓力異常切換邏輯切換至P03、P04 主泵運(yùn)行。即使此時(shí)P02 主泵無(wú)異常，也進(jìn)行了切換。系統(tǒng)工況由P01、P02 主泵運(yùn)行變化為P03、P04 主泵運(yùn)行。

邏輯優(yōu)化后，P01、P02 主泵運(yùn)行時(shí)，由于P01 主泵異常，導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)P01 主泵單泵出水壓力低（PT21/PT25）+進(jìn)閥壓力低（PT03/PT04/PT05），引起P01 主泵執(zhí)行壓力異常切換邏輯切換至P03 主泵運(yùn)行。此時(shí)P02 主泵無(wú)異常，不進(jìn)行切換，保持運(yùn)行。系統(tǒng)工況由P01、P02 主泵運(yùn)行變化為P02、P03 主泵運(yùn)行。

主泵啟停切換邏輯優(yōu)化

（1）隱患描述

系統(tǒng)啟動(dòng)選擇P01、P02 主泵運(yùn)行后系統(tǒng)停止，系統(tǒng)再次啟動(dòng)時(shí)仍然選擇P01、P02 主泵運(yùn)行，沒(méi)有切換至P03、P04主泵啟動(dòng)運(yùn)行。即主泵沒(méi)有啟停切換邏輯，每次系統(tǒng)啟動(dòng)會(huì)優(yōu)先選擇P01、P02主泵運(yùn)行，該邏輯長(zhǎng)時(shí)間會(huì)造成四臺(tái)主泵運(yùn)行時(shí)間不均衡，P01、P02 主泵的累計(jì)運(yùn)行時(shí)間會(huì)明顯大于P03、P04 主泵，造成P01、P02 主泵電機(jī)檢修周期縮短。

（2）優(yōu)化措施

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試優(yōu)化修改了柔直閥冷控制系統(tǒng)邏輯，增加了四臺(tái)（兩組）主泵執(zhí)行主泵啟停切換邏輯功能：備用泵無(wú)異常情況下，本次啟動(dòng)兩臺(tái)運(yùn)行泵停止后，下次系統(tǒng)再啟動(dòng)時(shí)將選擇另外兩臺(tái)備用泵運(yùn)行，以達(dá)到各臺(tái)主泵運(yùn)行時(shí)間相對(duì)均衡的效果。

主泵切換周期時(shí)間優(yōu)化

（1）隱患描述

系統(tǒng)正常啟動(dòng)時(shí)，是兩臺(tái)主泵同時(shí)啟動(dòng)運(yùn)行，即兩臺(tái)運(yùn)行主泵的運(yùn)行時(shí)間相等，存在當(dāng)主泵運(yùn)行時(shí)間達(dá)到切換周期（10080分鐘/168 小時(shí)）時(shí)，出現(xiàn)兩臺(tái)運(yùn)行主泵同時(shí)切換至備用主泵情況，由于兩臺(tái)運(yùn)行主泵同時(shí)停止并切換至另外兩臺(tái)備用主泵啟動(dòng)建壓過(guò)程中，系統(tǒng)流量、壓力重新建立至額定工況時(shí)間較長(zhǎng)，可能引起流量、壓力保護(hù)報(bào)警，存在系統(tǒng)流量壓力聯(lián)合保護(hù)誤動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。

（2）優(yōu)化措施

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試優(yōu)化修改了柔直閥冷控制系統(tǒng)邏輯，躲避主泵周期切換時(shí)兩臺(tái)運(yùn)行主泵同時(shí)切換工況，優(yōu)化了各泵切換實(shí)際周期：P01 主泵以主泵切換周期設(shè)定值（10080分鐘）為實(shí)際切換周期，P02 主泵以主泵切換周期設(shè)定值+1分鐘（10081分鐘）為實(shí)際切換周期，P03主泵以主泵切換周期設(shè)定值+2分鐘（10082分鐘）為實(shí)際切換周期，P04 主泵以主泵切換周期設(shè)定值+3分鐘（10083分鐘）為實(shí)際切換周期，合理錯(cuò)開(kāi)同時(shí)運(yùn)行的兩臺(tái)主泵的切換時(shí)間，即兩臺(tái)運(yùn)行主泵在達(dá)到主泵切換周期（10080分鐘）后的3分鐘內(nèi)，其中一臺(tái)主泵先執(zhí)行切換，1分鐘后另一臺(tái)主泵才執(zhí)行切換。以躲避“由于兩臺(tái)運(yùn)行主泵同時(shí)停止并切換至另外兩臺(tái)備用主泵啟動(dòng)建壓過(guò)程中，系統(tǒng)流量、壓力重新建立至額定工況時(shí)間較長(zhǎng)，可能引起流量、壓力保護(hù)報(bào)警，存在系統(tǒng)流量壓力聯(lián)合保護(hù)誤動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)”。

主泵配電回路排查整改

（1）隱患描述

當(dāng)400 伏站用電I 段電源失電時(shí)，柔直閥冷控制系統(tǒng)報(bào)“AP1 柜1號(hào)動(dòng)力電源故障”“AP2 柜2號(hào)動(dòng)力電源故障”（即P01 主泵和P02 主泵動(dòng)力電源故障）；當(dāng)400 伏站用電II 段電源失電時(shí)，柔直閥冷控制系統(tǒng)報(bào)“AP3 柜3號(hào)動(dòng)力電源故障”“AP4 柜4號(hào)動(dòng)力電源故障”（即P03 主泵和P04 主泵動(dòng)力電源故障）。

（2）改進(jìn)措施

對(duì)柔直閥冷四臺(tái)主泵外部電源配電回路的正確性進(jìn)行排查和試驗(yàn)確認(rèn)，將400 伏站用電I 段電源接入P01 主泵和P03 主泵，II 段電源接入P02 主泵和P04 主泵。

主泵定期切換邏輯優(yōu)化

（1）隱患描述

柔直閥冷系統(tǒng)初始P01、P03 主泵運(yùn)行工況，在連續(xù)無(wú)故障運(yùn)行168 小時(shí)切換時(shí)，P01 主泵切換至P04 主泵運(yùn)行；但隨后P03 主泵切換至P01 主泵運(yùn)行，而沒(méi)有切換至P02 主泵運(yùn)行。即P01、P03 主泵運(yùn)行達(dá)到周期切換時(shí)切換至P01、P04 主泵運(yùn)行，而不是切換至P02、P04 主泵運(yùn)行。存在P01 主泵繼續(xù)運(yùn)行，而P02 主泵仍處備用狀態(tài)的情況。

（2）建議措施

優(yōu)化柔直閥冷系統(tǒng)主泵周期切換控制邏輯，更改原“為了減輕上級(jí)電源的負(fù)荷和增加系統(tǒng)的可靠性，每次水冷系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)優(yōu)先啟動(dòng)不同母線上的兩臺(tái)泵”原則，優(yōu)先考慮均衡各主泵運(yùn)行時(shí)間，實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)運(yùn)行主泵在周期切換時(shí)，可以切換至另兩臺(tái)無(wú)故障的備用泵運(yùn)行，令各主泵運(yùn)行時(shí)間相對(duì)均衡。

結(jié)語(yǔ)

本文列出了魯西換流站柔性直流工程閥冷系統(tǒng)的一些主泵切換邏輯方面存在的問(wèn)題，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施，確保了柔性直流閥冷系統(tǒng)的正常運(yùn)行，保障了柔性直流工程的正常運(yùn)行，對(duì)其他類(lèi)似工程提供了一定的運(yùn)行維護(hù)參考。