褚海洋，冉學(xué)彬，莫 躍，宋海彬，毛臻炫，關(guān)宇洋，包 也

（南方電網(wǎng)超高壓輸電公司天生橋局，貴州 興義 562400）

0 引言

500 kV魯西背靠背柔性直流輸電工程采用雙回±160 kV常規(guī)直流和±350 kV柔性直流混合輸電系統(tǒng)，將南方電網(wǎng)主網(wǎng)與云南電網(wǎng)異步隔離，保證了南方電網(wǎng)主網(wǎng)與云南電網(wǎng)相互獨(dú)立運(yùn)行。其中，±350 kV柔性直流系統(tǒng)是全球商業(yè)化運(yùn)行最早、運(yùn)維最好的柔性直流輸電項(xiàng)目。本文分析該工程兩起閥控系統(tǒng)單一元件故障導(dǎo)致柔性直流閉鎖事件的原因，總結(jié)改進(jìn)措施，以減少影響系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的隱患，幫助提高柔性直流輸電系統(tǒng)的運(yùn)維水平。

1 閥控系統(tǒng)介紹

魯西背靠背換流站云南側(cè)換流閥采用榮信電力電子股份有限公司的閥控系統(tǒng)，廣西側(cè)換流閥采用中國(guó)西電集團(tuán)有限公司的閥控系統(tǒng)。以云南側(cè)閥控系統(tǒng)為例，閥控系統(tǒng)由2面換流閥控制屏、12面脈沖分配屏和1面換流閥故障錄波屏組成。

閥控系統(tǒng)主要完成換流閥脈沖調(diào)制、脈沖分配及相關(guān)保護(hù)功能[1]。閥控系統(tǒng)接收上層單元控制系統(tǒng)（單元控制）下發(fā)的控制保護(hù)命令，并反饋換流閥的部分狀態(tài)信息給單元控制系統(tǒng)；同時(shí)，向下層脈沖分配屏發(fā)送控制命令，并接收脈沖分配屏收到的功率模塊狀態(tài)和故障信息。閥控系統(tǒng)采用雙系統(tǒng)熱備用冗余工作方式，A/B套閥控屏與A/B套PCP裝置一一對(duì)應(yīng)，不交叉冗余[1-2]。

2 閥控系統(tǒng)故障分析

2.1 故障信息

2019-09-25和2019-12-19，閥控系統(tǒng)上報(bào)SCADA后臺(tái)工作站云南側(cè)閥控B“CD旁路模塊數(shù)超限”故障、請(qǐng)求跳閘，最終導(dǎo)致柔性直流系統(tǒng)閉鎖跳閘。故障前，換流閥運(yùn)行正常，閥控B為主套閥控，閥控A為備用閥控；雙套閥控與CD橋臂第1個(gè)脈沖箱切換板的通信正常、無(wú)故障。

以12月19日為例，故障發(fā)生時(shí)SCADA后臺(tái)的報(bào)文內(nèi)容及順序如下：

（1）07：47：49.779出現(xiàn)了閥控A“冗余切換請(qǐng)求”。

（2）07：47：49.781出現(xiàn)了閥控B“CD模塊數(shù)超限跳閘”，即CD故障模塊數(shù)超過(guò)冗余。

（3）07：47：49.784出現(xiàn)了閥控B“冗余請(qǐng)求切換”和“閥控切換失敗”。

（4）07：47：49.811出現(xiàn)了閥控A“電容電壓平均值過(guò)壓故障”和“跳閘請(qǐng)求”。

2.2 閥控系統(tǒng)邏輯

2.2.1 主控箱與脈沖箱通信故障

為了實(shí)時(shí)檢測(cè)閥控屏主控箱與脈沖箱切換板之間的通信狀態(tài)，閥控配置了主控箱與脈沖箱通信故障請(qǐng)求切換邏輯，如圖1所示。

圖1 主控箱與脈沖箱通信故障請(qǐng)求切換邏輯

閥控下發(fā)循環(huán)數(shù)為閥控主控箱自加循環(huán)數(shù)，經(jīng)運(yùn)算箱下發(fā)到脈沖分配箱切換板，脈沖箱切換板反饋的循環(huán)數(shù)為脈沖分配箱接收到的閥控主控箱的自加循環(huán)數(shù)，再經(jīng)運(yùn)算箱反饋給閥控主控箱。根據(jù)閥控下發(fā)的循環(huán)數(shù)和脈沖箱切換板反饋的循環(huán)數(shù)，經(jīng)過(guò)減法運(yùn)算并取其絕對(duì)值與設(shè)定值比較，超過(guò)設(shè)定值6時(shí)，延時(shí)700μs后置位主控箱與脈沖箱通信故障請(qǐng)求切換標(biāo)志。

2.2.2 旁路超限故障

圖2為旁路超限故障邏輯框圖。每個(gè)功率模塊單元主控板會(huì)將模塊旁路請(qǐng)求及旁路狀態(tài)上送運(yùn)算箱，當(dāng)運(yùn)算箱統(tǒng)計(jì)任意一個(gè)橋臂已旁路的子模塊數(shù)量與請(qǐng)求旁路數(shù)量之和大于25時(shí)，立即置位旁路超限標(biāo)志位，并下發(fā)閉鎖命令向主控箱上傳跳閘請(qǐng)求。若主控箱檢測(cè)到運(yùn)算箱上傳的旁路超限標(biāo)志將再次下發(fā)閉鎖命令并出口跳閘，同時(shí)向換流站極控制保護(hù)上報(bào)閥控跳閘請(qǐng)求。

圖2 旁路超限故障邏輯

2.2.3 切換失敗故障

圖3為切換失敗故障邏輯框圖。當(dāng)主套閥控系統(tǒng)檢測(cè)到請(qǐng)求切換信號(hào)，延時(shí)1.5 ms仍為主套狀態(tài)則置位切換失敗故障標(biāo)志位；或者主套閥控請(qǐng)求切換時(shí)，在兩套閥控系統(tǒng)通信正常時(shí)檢測(cè)到另一套閥控處于OFF狀態(tài)，則置位切換失敗故障標(biāo)志位[3]。

圖3 切換失敗故障邏輯

3 閥控系統(tǒng)跳閘原因分析

3.1 閥控A發(fā)生請(qǐng)求切換和電容電壓平均值過(guò)壓故障

故障發(fā)生前，閥控B為主套、閥控A為備用，閥控A先檢測(cè)到W相下橋臂第1個(gè)脈沖箱通信故障（EX切換板故障導(dǎo)致），上報(bào)請(qǐng)求切換，故障錄波波形如圖4所示。閥控A請(qǐng)求切換后，極控A系統(tǒng)降為OFF狀態(tài)。從圖2可知閥控運(yùn)算板與脈沖箱故障請(qǐng)求切換需要持續(xù)判斷700μs，如果故障時(shí)間小于700μs，則無(wú)法置位請(qǐng)求切換。從錄波數(shù)據(jù)可見(jiàn)，在請(qǐng)求切換之前，CD第1號(hào)切換箱切換板反饋給閥控A的數(shù)據(jù)已經(jīng)為錯(cuò)誤數(shù)據(jù)；由電容電壓最大值可見(jiàn)，后期接收到假的電容電壓信號(hào)導(dǎo)致電容電壓平均值已過(guò)壓（由圖4可見(jiàn)）。

圖4 A套系統(tǒng)故障錄波波形截圖

3.2 閥控B發(fā)生旁路超限、請(qǐng)求切換和切換失敗故障

閥控B界面報(bào)文中先出現(xiàn)了旁路超限故障，由故障錄波波形（圖5）可見(jiàn)，B套閥控由于運(yùn)算板和切換板通信故障置位請(qǐng)求切換板前一段時(shí)間接收了切換板反饋的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，并且使用錯(cuò)誤數(shù)據(jù)觸發(fā)了閥控B旁路超限故障，同時(shí)閉鎖換流閥請(qǐng)求跳閘。在閥控B閉鎖跳閘后經(jīng)過(guò)3.4 ms才檢測(cè)到一個(gè)持續(xù)700μs的運(yùn)算板與切換板通信故障信息，置位閥控請(qǐng)求切換，此時(shí)閥控A為OFF狀態(tài)，閥控B觸發(fā)切換失敗邏輯。

圖5 B套系統(tǒng)故障錄波波形截圖

通過(guò)閥控報(bào)文及系統(tǒng)故障錄波分析可知，脈沖箱EX切換板與閥控A、B兩套系統(tǒng)都出現(xiàn)通信故障導(dǎo)致閥控系統(tǒng)切換失敗，導(dǎo)致柔性直流系統(tǒng)跳閘，同時(shí)由于切換板故障反饋給閥控A/B運(yùn)算板的數(shù)據(jù)也存在錯(cuò)誤和不一致現(xiàn)象，導(dǎo)致閥控A/B狀態(tài)與故障情況有所差別。

4 閥控系統(tǒng)存在的設(shè)計(jì)問(wèn)題與改進(jìn)措施

4.1 設(shè)計(jì)問(wèn)題

云南側(cè)換流單元三閥控系統(tǒng)外部接口示意圖見(jiàn)圖6。閥控系統(tǒng)A、B分別通過(guò)獨(dú)立的光纖通信回路將控制命令由橋臂運(yùn)算板發(fā)送至各橋臂脈沖分配箱的EX切換板；切換板根據(jù)兩套系統(tǒng)的主備狀態(tài)選擇主運(yùn)套閥控系統(tǒng)下發(fā)的控制命令，通過(guò)脈沖板分發(fā)至各功率模塊執(zhí)行觸發(fā)關(guān)斷操作[4-6]。脈沖箱與閥控運(yùn)算箱連接方式見(jiàn)圖7。

圖6 云南側(cè)換流單元三閥控系統(tǒng)外部接口示意圖

從圖7可以看出，每個(gè)脈沖箱通過(guò)一塊非冗余的EX切換板與雙套閥控系統(tǒng)的運(yùn)算箱運(yùn)算板同時(shí)進(jìn)行通信，切換板為該通信回路上的公共部分[7-9]，該設(shè)計(jì)方式存在以下問(wèn)題：

（1）閥控系統(tǒng)雖為冗余設(shè)計(jì)，但控制閥控系統(tǒng)通信切換的脈沖箱EX板為共用部分，兩套閥控系統(tǒng)并非完全冗余設(shè)計(jì)，會(huì)發(fā)生單一通信元件故障即造成柔性直流閉鎖的情況[10-11]。

（2）脈沖箱控制閥控切換的EX板故障處理機(jī)制不完善，導(dǎo)致EX板故障后依然上傳閥控A/B系統(tǒng)的錯(cuò)誤跳閘信息[12]。

（3）閥控主機(jī)與脈沖箱EX切換板通信數(shù)據(jù)校驗(yàn)機(jī)制不完善，EX板故障后會(huì)上傳閥控A/B系統(tǒng)的錯(cuò)誤跳閘信息[13]，并按跳閘信息執(zhí)行相關(guān)的故障判斷邏輯。

4.2 改進(jìn)措施

（1）建立EX板故障處理機(jī)制，當(dāng)脈沖箱EX切換板故障時(shí)，閉鎖此EX板上送的所有A/B閥控系統(tǒng)信息，此時(shí)退出閥控系統(tǒng)雙套冗余熱備用，改為單套運(yùn)行，保證單一通信元件故障不閉鎖柔性直流。

（2）對(duì)A/B閥控系統(tǒng)切換通信EX板進(jìn)行雙重化配置改造，建立閥控系統(tǒng)切換回路完全冗余配置[14]。若其中一塊EX板故障退出運(yùn)行，則由另外一塊EX板負(fù)責(zé)通信；兩塊EX板均故障時(shí)，閉鎖兩塊EX板上送的所有A/B閥控系統(tǒng)信息，退出閥控系統(tǒng)雙套冗余熱備用，改為單套運(yùn)行。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)魯西背靠背柔性直流閥控系統(tǒng)存在的設(shè)計(jì)缺陷，提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施，其中EX板故障校驗(yàn)機(jī)制已在現(xiàn)場(chǎng)得到成功應(yīng)用，系統(tǒng)運(yùn)行情況良好；EX板完全冗余設(shè)置的改造工作也將在2021年年度檢修中實(shí)施，以保證閥控系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。