±660 kV直流输电工程换流阀控制保护接口技术

杨晓楠，郑林，蓝元良，彭玲，汤广福

(中国电力科学研究院，北京市，100192)

0 引言

宁东—山东±660 kV直流输电示范工程西起银川东换流站，东至青岛换流站，本工程直流额定电压为±660 kV，输电距离约1335 km，直流额定电流3030 kA，双极输送功率4000 MW［1-2］。

本工程中使用的直流控制保护系统是许继公司引进SIEMENS技术后国产化的DSP2000，而换流阀及换流阀控制保护是中国电力科学研究院(以下简称中国电科院)从ALSTOM引进的。这是2种不同技术路线的设备首次在工程应用中进行融合，因此如何使直流控制保护系统与换流阀控制保护无缝衔接是本次工程必须解决的难题。

本文在简单介绍中国电科院H400换流阀控制保护原理的基础上，详细描述了直流控制保护系统与换流阀控制保护间接口的设计和实现方法。文中详细介绍了直流极控制系统(以下简称极控)与阀基电子设备(valve base electronics，VBE)间的信号类型、信号实现方式、系统切换、换流阀状态监视等功能。该接口技术已在我国宁东—山东直流输电工程中应用，并取得了很好的效果。

1 换流阀控制保护原理

按照直流控制保护系统的分层结构概念，换流阀的主要控制保护功能在系统底层实现，其中包括:(1)将处于地电位的换流器控制级送来的阀触发信号进行变换处理，经光缆送到高电位单元，再变换为电触发信号，触发晶闸管。(2)晶闸管元件和组件的状态监测，监测信号经光缆传送到地电位控制单元，经处理后进行控制、显示和报警等［3］。

H400换流阀底层控制保护系统由地电位设备和高电位设备2部分组成，其原理框图如图1所示。图中用虚线框起来的部分就是换流阀底层控制保护系统，其中地电位设备有VBE，高电位设备包括晶闸管电子设备(门极单元，以下简称GU)和冷却系统泄漏监视器。

1.1 VBE

VBE是连接换流阀与极控系统的接口设备，它是直流控制保护系统实现对换流阀的控制和保护功能十分重要的一个环节。VBE的功能主要包括:

(1)接收来极控设备的控制信号，并将这些信息发送给换流阀的GU;

图1 换流阀控制保护原理Fig.1 Schematic diagram of converter valve control and protection

(2)接收各GU上报的监视信息;

(3)监视换流阀冷却系统的泄漏情况;

(4)对各种监视信息进行汇总并通过局域网(LAN)发送至人机界面(HMI);

(5)根据监视信息完成对自身及换流阀异常情况的监视、报警及保护。

1.2 GU

GU是1块PCB电路板，且换流阀的每个晶闸管级均配备1个GU。GU的主要功能包括:

(1)按照VBE命令触发晶闸管;

(2)依据VBE下发的晶闸管结温数据设定本级晶闸管的过电压保护、dv/dt保护以及正向恢复保护等瞬时保护动作阈值，并据此实时监视保护晶闸管;

(3)在换流阀应当导通的区间内发生电流断续时，补发触发脉冲;

(4)向VBE上报所在晶闸管级的监视信息。

1.3 冷却系统泄漏监视器

冷却系统泄漏监视器是一个安装于换流阀底部并能够自动倾倒和返回的容器。VBE通过大功率光发射元件向监视器送出光脉冲信号。若冷却系统无泄漏，监视器中的光通道畅通，VBE上的光接收装置将能够收到由监视器返回的光脉冲信号;若冷却系统发生泄漏，泄漏的冷却液将沿换流阀内的特定沟槽流入监视器，每当监视器装满冷却液，就会发生倾倒，倾倒的冷却液将阻断光通道。阻断的时间长短及频率由泄漏的严重程度决定。由此可见，由泄漏监视器返回的光脉冲信号包含了冷却系统的监视信息。VBE根据返回的光脉冲监视信息来判断冷却系统的泄漏程度并做出报警处理。

2 接口设计

根据直流控制保护系统分层设计的原则，VBE要与直流极控设备进行连接［4-11］。VBE与直流极控系统之间的接口方案如图2所示。可见，直流极控系统与VBE之间有3大类信号进行传递，即换流阀触发光信号、电气开关量信号和以太网通信信号。

图2 VBE与直流极控制系统接口方案Fig.2 Interface scheme between VBE and DC pole control system

2.1 光控制信号接口

VBE与极控系统之间的光控制信号包括触发字和热字2种光信号。V系列VBE与其他2家(ABB、SIEMENS)VBE的最大的区别是光控制信号采用串行编码，即12脉动换流阀的触发信号只需要通过1根光纤就能传送。

采用串行码的最大优点是使用的光纤根数少，节省了屏柜内部空间，降低了由光纤损坏导致触发不正常的可能性。对于12脉动换流阀，并行触发时需要12根光纤，而串行触发时只需要1根光纤，12根光纤出现损坏的可能性高于1根光纤。

直流极控制设备和VBE的光信号传输方式不同，给本次接口设计带来了困难。考虑到VBE是由换流阀的技术路线决定，与一次设备紧密相关，控制保护系统采用的是另外厂家的不同技术路线，因此本工程决定在极控侧改变光控制信号的传送方式，将并行信号转换成串行信号后发送给VBE。此接口装置的逻辑如图3所示。

图3 VBE和直流控制保护系统之间光接口技术实现原理Fig.3 Schematic diagram of optical interface realization between VBE and DC control＆protection system

极控设备发给VBE的光控制信号有触发字(firing word，FW)和热字(thermal word，TW)2种。这2种信号的功能如下:

(1)触发字。触发字是极控系统控制换流阀触发的信号。触发字信号编码采用串行归零码，信号中有12个有效数据位，依次代表12个换流阀的触发信号。因为在12脉动换流阀中正常情况下有4个阀同时导通，因此触发字中同一时间会有4个阀对应的有效位是高电平，表示要触发该4个阀。VBE根据触发字确定各个单阀在当前时刻是否需要触发，并将该信息发送给该阀的各个GU。

(2)热字。热字信号是V系列VBE特有的信号，热字也采用串行归零码。热字中包括2个信号，一个是极控根据直流工况计算的当前晶闸管的等效结温信息，另一个是允许VBE监测换流阀状态的信息。

极控根据当前直流工况计算出等效晶闸管结温，并通过热字信号发送给VBE，VBE将此结温信号重新解码/编码后发送给高电位的GU，GU根据结温信息动态更新晶闸管级的保护定值，如VBO保护、dv/dt、正向恢复保护等。由于晶闸管的运行特性受结温影响较大，因此，结合晶闸管的结温来实时调整换流阀的保护触发阈值，无疑将提高保护触发的合理性，充分保证换流阀的安全，从而提高直流输电系统运行的安全性和稳定性。

热字中另一个重要信息是允许VBE监视换流阀状态的命令。此命令用在换流阀解锁和闭锁过程。如果换流变交流进线断路器合上之前换流阀处于非正常工况，这时为了避免过多的无用信息上报到人机界面影响运行人员的正常操作，需要命令VBE禁止监测换流阀的状态。

2.2 开关量信号接口

如图2所示，VBE与极控之间有4种开关量信号，其中2个是输入信号，2个是输出信号。所有信号电平为110 V DC，并且由极控设备提供。

因为对这些信号的快速性和可靠性要求高，全部采用固态继电器作为信号发出和接收接口。

(1)通道切换请求信号。

VBE不仅可以检测自身内部通道的状态，还可以检测极控到VBE的控制通道。当检测到通道故障时，VBE会向极控发出相应通道的故障信号(切换请求信号)，极控收到此信号后要进行系统切换。

VBE通道故障信号继电器的输入端是高电平时输出端闭合，这时表示信号无效;当输入端低电平时输出端断开，这时表示信号有效。

(2)跳闸请求信号。

VBE检测到换流阀严重故障或VBE自身有严重故障时会向极控发出跳闸请求信号。为了降低误跳和拒跳的可能性，跳闸逻辑采用以下方式:

1)当VBE 2个通道都可用时，极控只有在接收到VBE 2个通道的跳闸请求信号后才能发跳闸命令。例如一个通道处于Active(Master)状态，另一个通道处于Passive(Stand by)状态。

2)当一个失效的通道发送跳闸请求信号时，极控不能发跳闸命令，这样为系统断电维修提供了可能性。

3)如果Active的通道为唯一可用通道，则当极控收到此通道的跳闸请求信号后必须发出跳闸信号。

(3)通道选择信号。

VBE的数据处理系统采用双重化设计(A、B系统，如图2所示)，实际工程中VBE 2个系统与极控设备的A、B系统一一对应连接，即VBE的系统A与极控设备的A系统连接，VBE的B系统与极控设备的B系统连接。当系统切换时VBE跟随极控切换。

VBE主从系统选择信号继电器的输入端高电平时信号有效，即选择此系统为主系统。除系统切换过程外，极控发送的主从系统选择信号应该始终是互斥的，不能同时为高电平或低电平。VBE收到的主从系统选择信号同时为高电平或同时为低电平的时间超过5 ms时，VBE会向极控发出双系统切换请求信号。

(4)VBE闭锁信号。

极控检测到极控的双系统都不可用时由切换逻辑单元向VBE发送2个紧急闭锁命令。VBE紧急闭锁信号接收继电器输入端低电平时信号有效，并且2个信号同时有效时VBE才会进行相应的保护动作。VBE检测到2个紧急闭锁信号同时有效时，延时28～30 ms后闭锁换流阀，同时向极控发送跳闸请求信号。

2.3 以太网通信接口

VBE将检测到的换流阀和VBE自身的状态信息通过以太网发送给直流控制保护系统的辅助系统接口工作站，同时通过以太网接收运行人员工作站(OWS)对VBE的控制命令。

VBE内部有2个完全独立的数据处理系统，每个处理系统都可以检测到换流阀的状态和VBE自身的状态，并且也通过2个完全独立的以太网发送给直流控制保护系统的辅助系统接口工作站，再由工作站转发给运行人员监控系统。

VBE与辅助接口屏之间采用100 Mbit/s光纤快速以太网进行通讯，有很高的传输速率和可靠性。

VBE上报给辅助接口屏的事件按其严重等级可划分为正常事件、轻微故障和严重故障3类:

(1)正常事件指系统运行中正常的操作和状态改变等事件。

(2)轻微故障代表暂时的非正常运行状态或不影响直流系统继续运行的设备故障。此种情况下应确定报警的起因，在合适的时候对换流阀进行维护。

(3)严重故障代表长期的非正常运行状态或可能危害换流阀安全的元件故障。故障将引起保护动作和跳闸。在设备修复完成以前，换流阀不能重新投运。

3 结语

宁东—山东直流输电工程换流阀控制保护接口技术的实现，解决了工程实施过程中如何在不同厂家设备如直流控制保护系统与换流阀之间实现有效和可靠连接的问题，提高了整个工程的可靠性和可利用率。宁东—山东直流输电工程的运行实践表明了以上接口技术的合理性，对以后的直流输电工程具有借鉴意义。

［1］国家电网公司.西北(宁东)—华北(山东)±660千伏直流输电工程换流阀(银川东换流站)技术协议［R］北京:国家电网公司，2009.

［2］国家电网公司.西北(宁东)—华北(山东)±660千伏直流输电工程换流阀(青岛换流站)技术协议［R］.北京:国家电网公司，2009.

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