劉釗，史磊，李昊，葉太陽

(1.國網(wǎng)寧夏電力有限公司，寧夏 銀川 750001；2.廣州高瀾節(jié)能技術(shù)股份有限公司，廣東 廣州 510633)

換流閥是直流輸電工程的核心設備，閥冷卻系統(tǒng)是換流閥的重要組成部分[1]。為保證閥冷卻系統(tǒng)在全生命周期內(nèi)的可靠性，換流站需每年對換流閥冷卻系統(tǒng)保護功能進行校驗。目前現(xiàn)場采用修改保護定值或使用人工調(diào)節(jié)電位計模擬儀表動作值進行保護檢驗的方法，存在可參考性低、耗時長、難以進行整組測試等問題，因此，本文提出1種采用PLC控制[2]替代人工調(diào)節(jié)電位計的閥冷卻系統(tǒng)保護校驗方法以供借鑒。

1 目前現(xiàn)場校驗方法存在的問題

目前，換流站閥冷系統(tǒng)保護現(xiàn)場校驗采用修改保護定值和人工調(diào)節(jié)電位器的方法：修改保護定值法即通過修改閥冷卻系統(tǒng)保護的定值至校驗時閥冷系統(tǒng)的實際流量、壓力、液位或溫度能夠滿足動作的大小時，驗證系統(tǒng)保護邏輯是否能夠正確動作；人工調(diào)節(jié)電位器法即在閥冷系統(tǒng)控制保護屏柜中隔離系統(tǒng)的流量、壓力、液位或溫度傳感器后使用電位器模擬4～20 mA電流量，進而調(diào)整對應傳感器在閥冷系統(tǒng)中的數(shù)值?，F(xiàn)場應用過程中，這2種方法均存在缺陷。

1.1 修改保護定值方法可參考性低

修改保護定值進行閥冷卻系統(tǒng)的保護功能校驗是參考閥冷卻系統(tǒng)啟動后再校驗時的實際運行流量、壓力、液位和溫度，并針對上述實際運行值直接將保護系統(tǒng)內(nèi)的各類保護定值修改至低于或高于實際運行值，從而滿足保護動作條件，如表1所示。該方法只能驗證在修改后的定值條件下，保護的邏輯能否可靠動作，修改后的定值與真實定值普遍存在較大的偏差，無法驗證當閥冷卻系統(tǒng)故障時的運行參數(shù)達到調(diào)度下發(fā)的保護定值時是否可靠動作，因此可參考性較低。

表1 修改保護定值保護功能校驗數(shù)據(jù)

1.2 人工調(diào)節(jié)電位器方法耗時長

人工調(diào)節(jié)電位器方法需要對閥冷卻系統(tǒng)控制保護屏柜中的各類流量、壓力、液位和溫度變送器進行隔離，然后將電位器接入系統(tǒng)中，通過人工旋動調(diào)節(jié)電位器模擬4～20 mA電流量。對上述傳感器的隔離及接線需要耗費大量時間進行。表2為該方法校驗保護所需時間的分步統(tǒng)計。

表2 人工調(diào)整電位器校驗保護分步耗時統(tǒng)計

1.3 2種方法均無法整組進行測試

修改保護定值法或人工調(diào)節(jié)電位器校驗法均需在閥冷系統(tǒng)啟動后才能進行，且每次只能進行一類保護功能校驗，保護動作停運閥冷系統(tǒng)。每套閥冷系統(tǒng)共含有4類保護，因此需要多次啟、停主循環(huán)泵來逐類開展保護校驗。頻繁啟、停主循環(huán)泵會損壞機封導致漏水，因此每類保護校驗結(jié)束停泵后需間隔15 min才能再次啟泵，因此4類保護無法在一次啟泵的情況下進行整組測試。

針對上述問題，研究設計1種基于PLC控制原理的換流站閥冷卻系統(tǒng)保護現(xiàn)場測試裝置，可模擬主泵運行狀態(tài)并計算設定換流閥冷卻系統(tǒng)各儀表數(shù)據(jù)，并輸出保護動作值，使各項驗證試驗接近實際運行工況，保證保護檢驗的準確性和可靠性。

2 解決方案

2.1 閥冷卻系統(tǒng)構(gòu)成

2.1.1 密閉式水冷循環(huán)系統(tǒng)

換流閥水冷循環(huán)系統(tǒng)主要由內(nèi)、外冷水循環(huán)系統(tǒng)組成，其中內(nèi)冷水循環(huán)系統(tǒng)發(fā)揮主要作用。它的冷卻介質(zhì)(主要為純水)經(jīng)主循環(huán)泵升壓后，通過管道系統(tǒng)進入室外散熱單元(空氣冷卻器或閉式冷卻塔)，由外冷水循環(huán)系統(tǒng)對冷卻介質(zhì)進行降溫，帶出換流閥高功率密度器件的熱量，再將低溫的冷卻介質(zhì)流經(jīng)脫氣罐，送回主循環(huán)泵的入口處，形成密閉式循環(huán)冷卻回路[3]。

內(nèi)外冷水循環(huán)系統(tǒng)的互相配合，使換流站閥水冷處理系統(tǒng)保持循環(huán)運轉(zhuǎn)狀態(tài)。

圖1 閥冷卻系統(tǒng)工藝

2.1.2 控制保護系統(tǒng)

閥冷控制保護系統(tǒng)通常采用PLC作為控制器，對系統(tǒng)中主循環(huán)泵、空冷器風機、補水泵、電加熱器等各級電單元和流量變送器、壓力變送器、液位變送器、溫度變送器等儀表傳感器進行控制、保護與監(jiān)測，實現(xiàn)閥冷卻系統(tǒng)的全自動運行[4]。當監(jiān)測到閥冷卻系統(tǒng)的流量、壓力、液位或溫度等工況異常時發(fā)出告警信號，滿足保護跳閘邏輯時，閥冷控制保護系統(tǒng)向換流器控制系統(tǒng)發(fā)出請求閉鎖指令。

2.1.3 儀表系統(tǒng)

水冷系統(tǒng)管道內(nèi)的流量、壓力、液位、溫度等系統(tǒng)參數(shù)通過二線制儀表傳輸?shù)絇LC系統(tǒng)，形成4～20 mA電流環(huán)。二線制4～20 mA電路在應用時，其工作電源和信號共用1根導線，工作電源由接收端提供[5]。

配置方面，閥冷控制保護系統(tǒng)CPU以及I/O模塊全部采用冗余配置。每個儀表的電流信號傳輸?shù)?套控制保護系統(tǒng)，通常在儀表和控制保護系統(tǒng)中間增加隔離轉(zhuǎn)換信號模塊，將1路4～20 mA電流信號轉(zhuǎn)換成2路0～10 V電壓信號，輸入至2套模擬量I/O模塊中。閥冷控制保護系統(tǒng)對I/O模塊采集數(shù)據(jù)進行分析處理，從而實現(xiàn)相應的控制保護功能。

圖2 閥冷卻系統(tǒng)儀表原理

2.2 設計思路

2.2.1 校驗范圍

為保證換流閥的安全運行，閥冷卻系統(tǒng)通常配置有溫度、流量、壓力、液位等保護[6]。本文設計的技術(shù)校驗范圍包括進閥溫度保護、冷卻水流量和進閥壓力保護、膨脹罐液位保護和閥冷卻系統(tǒng)泄漏保護。閥冷卻系統(tǒng)中涉及跳閘的儀表均為三冗余配置，因此測試系統(tǒng)配置3個進閥溫度，3個冷卻水流量，3個進閥壓力和3個膨脹罐液位，共12個儀表模擬通道。

2.2.2 儀表模擬

不同類型的儀表或裝置，只要具有相同標準的輸入電路或接口，就具備從各類變送器獲得被測變量信息的功能[7]。根據(jù)閥冷卻系統(tǒng)儀表特點，由于PLC輸出有源信號，而二線制儀表接收無源信號，因此，系統(tǒng)需增加信號轉(zhuǎn)換器將PLC有源信號轉(zhuǎn)換成標準4～20 mA無源信號，替代閥冷卻系統(tǒng)的流量、壓力、液位、溫度等傳感器[8]。其中，4 mA對應儀表量程最小值，20 mA對應儀表量程最大值?，F(xiàn)場根據(jù)需要可以對電流進行平滑的控制，從而得到所需要的儀表傳感器輸出值，便于觸發(fā)定值和控制其它設備啟停。

2.2.3 測試裝置設計

測試裝置主要包含三部分硬件系統(tǒng)，第一部分為保護邏輯控制器以及人機界面，主要用于轉(zhuǎn)換保護定值與測試邏輯運算，模擬現(xiàn)場儀表數(shù)據(jù)變化觸發(fā)的保護邏輯；第二部分為電阻模擬器以及測試接口，接入閥冷系統(tǒng)儀表端子接入點，將可變的電阻值轉(zhuǎn)換為現(xiàn)場儀表數(shù)據(jù)4～20 mA值，實時模擬換流閥冷卻系統(tǒng)實際運行工況，同時對換流閥冷卻系統(tǒng)跳閘保護定值和邏輯進行分析，在測試裝置中實現(xiàn)跳閘保護邏輯的測試功能；第三部分為通信報文接口，測試裝置可以通過Profibus總線接收閥冷系統(tǒng)上傳報文，測試裝置在自動測試過程中，通過采集上來的信息進行測試判斷，最終得出測試結(jié)論。

圖3 閥冷卻系統(tǒng)保護現(xiàn)場測試原理

2.3 功能設計

為實現(xiàn)換流閥冷卻系統(tǒng)各種工況下故障診斷、控制方式、儀表模擬、觸發(fā)閥冷保護邏輯等功能，本系統(tǒng)需要建立儀表參數(shù)設定、故障事件信息、測試功能模塊、模擬傳動功能等4個單元，從而達到現(xiàn)場試驗目的。

圖4 閥冷保護現(xiàn)場測試系統(tǒng)工藝流程

2.3.1 儀表參數(shù)設定

閥冷系統(tǒng)試驗需要模擬故障前后系統(tǒng)運行參數(shù)，因此參數(shù)設定包括2部分，第1部分可通過設定主泵電機溫度、主泵出水壓力、進閥壓力、冷卻水流量、進閥溫度、膨脹罐液位等運行參數(shù)來模擬閥冷系統(tǒng)的正常運行狀態(tài)；第2部分可設定保護功能測試時的主泵出口壓力、主泵電機溫度、冷卻水流量、進閥壓力、進閥溫度等保護動作值。當閥冷系統(tǒng)啟動后，測試系統(tǒng)會根據(jù)設定值模擬當前狀態(tài)下的系統(tǒng)運行參數(shù)，點擊功能測試中的任意一項實驗，測試裝置會輸出設定好的動作值，使閥冷系統(tǒng)產(chǎn)生告警或保護動作，從而實現(xiàn)系統(tǒng)模擬功能以及保護功能驗證。

圖5 閥冷保護現(xiàn)場測試系統(tǒng)參數(shù)設定界面

2.3.2 事件信息

保護功能驗證過程中會產(chǎn)生一些事件信息或系統(tǒng)告警，因此需要設定事件信息顯示功能，將產(chǎn)生的報警信息與實際冷卻系統(tǒng)產(chǎn)生預警信息進行對比分析，判斷是否與測試預置邏輯一致。它包括狀態(tài)記錄和故障報文2部分，以及狀態(tài)或故障產(chǎn)生的時間、日期、狀態(tài)及文本4類信息。

2.3.3 測試功能塊

由于流量、壓力保護有3種判斷邏輯，需要對所有保護及告警功能選擇進行詳細劃分，測試人員可根據(jù)工作需要選擇需要驗證的保護功能，如：溫度超高跳閘測試，冷卻水流量低+進閥壓力超低，冷卻水流量超度+進閥壓力低跳閘，冷卻水流量超低+進閥壓力高跳閘，膨脹罐液位超低跳閘，冷卻系統(tǒng)泄漏[9]等功能測試。

2.3.4 模擬傳動

為了明確閥冷每一個信號產(chǎn)生的機理及意義，設置模擬傳動模塊，通過總線讀取設備狀態(tài)，仿真輸出故障以及保護值進行觸發(fā)切泵邏輯，做到無需真實啟動主循環(huán)泵進行邏輯驗證。

圖6 閥冷保護現(xiàn)場測試系統(tǒng)跳閘測試界面

3 應用效果

基于PLC控制的換流站閥冷卻系統(tǒng)保護現(xiàn)場校驗裝置研制成功后，在國網(wǎng)寧夏電力有限公司檢修公司所轄換流站進行應用，驗證了保護校驗裝置所有功能。

(1)根據(jù)調(diào)度下發(fā)保護定值單設定、輸出閥冷系統(tǒng)保護動作值，確保閥冷系統(tǒng)運行參數(shù)達到保護定值后可靠動作，有效提升了閥冷系統(tǒng)保護校驗的準確性。

(2)使用航空插頭設計，只需要將傳感器隔離后插入航空插頭即可開展保護校驗工作，原本3人開展的閥冷系統(tǒng)保護校驗工作，裝置應用后只需要2人即可輕松完成，且單套閥冷系統(tǒng)保護校驗時間由原來的2 h縮短至18 min。

(3)閥冷系統(tǒng)主泵運行狀態(tài)模擬技術(shù)可有效避免保護測試過程中頻繁啟、停主泵導致機封漏水，同時，4類保護可在模擬主泵運行狀態(tài)下一次完成，從而實現(xiàn)整組測試。

4 結(jié) 論

本文設計并研制了1種基于PLC控制的換流站閥冷卻系統(tǒng)保護現(xiàn)場校驗裝置，該裝置的研制及應用解決了原有修改定值或使用人工調(diào)節(jié)電位計模擬進行保護檢驗法存在可參考性低、耗時長、難以進行整組測試等問題，有效縮短了保護校驗工作時間，同時提高了保護校驗的準確性，進一步提高了換流站閥冷系統(tǒng)保護的可靠性，為換流站閥冷系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行打下了堅實的基礎。