青藏联网工程V C U系统异常导致双极换相失败分析

厉瑜，宋国超，张彩友

（国网西藏电力有限公司运维检修部，西藏拉萨 850000）

换相失败是直流输电系统常见的故障形式，它会导致直流电流上升、换流阀过电流，从而损坏阀的寿命[1]。关于换相失败的理论分析在参考文献[2-5]中以进行了深刻分析。本文针对青藏直流换相失败故障对换流阀进行了分析。青藏联网工程换流阀采用许继集团引进ABB直流输电技术，自主生产的电控换流阀。极控系统通过阀控接口板卡NR1206A（位于NR1113板卡中）与阀触发接口装置PCS9519连接，PCS9519装置向VCU（Valve Control Unit，阀控单元）发送控制脉冲CP及ACTIVE信号，同时接收由VCU传回的触发脉冲FP。在阀控单元VCU中，根据极控PCP送来的控制脉冲CP信号和TCU送来的回报脉冲IP信号计算出触发脉冲FP[6]。FP信号一方面送到TCU经触发电路形成门极脉冲去触发可控硅；另一方面，FP信号回送至极控系统的控制脉冲发生器CPG中，和相应的CP信号进行比较，来判断系统是否存在误触发。极控系统通过CAN总线与可控硅监视系统THM相连，将极控系统的状态信息发送至阀控系统中，同时接收阀控系统的相关报警信号[7-8]。

1 VCU概述

VCU是换流阀和PCP之间的信号接口。拉萨换流站极控系统与阀控系统间的连接结构如图1所示，每个VCU完成对2个阀的控制与监视，指令信号包括：CP、FP和ACTIVE/OK信号。极控通过光纤分别发送12路CP控制信号到每一极VCU，每阀1路信号，脉冲均为120度脉宽1 MHz频率的高频调制信号。每一极VCU控制每个阀反馈FP信号到极控，通过光纤传输共12路信号。FP信号均是在VCU OK信号上叠加的高频信号（叠加后的FP信号为16 μs），其中当VCU系统指示状态正常，极控系统指示关闭，VCU系统处于备用状态，信号频率为4 kHz；当VCU系统和极控系统指示信号均指示正常，VCU系统处于值班状态，信号频率为1.25 MHz[6]。

VCU控制结构图见图1，原理图见图2。图2中各信号释意如下：

1）IP信号。由可控硅控制单元TCU发出的表示可控硅已承受正向电压且达到规定数值的信号。

2）CP信号。由极控系统发出的控制脉冲序列。

3）FP信号。由VCU系统对CP信号和IP信号进行比较后产生的可控硅触发脉冲信号。

4）PF信号。当可控硅承受正向电压达到一定数值且仍未被可靠触发时，由TCU对可控硅发出的触发信号，以防止可控硅损坏。

图1 VCU控制结构图Fig.1 The control structure of the VCU

图2 VCU控制原理图Fig.2 The VCU control diagram

由图3可见，VCU中的“阀控单元接口故障”和“VCU故障”信息由阀控系统以二进制数的形式传送至极控中，并以十进制数的形式报出故障编码。其中“阀控接口单元故障”的编码采用的是二进制数中的高12位，而“VCU故障”的编码则采用的是二进制数中的低12位。例如：当报警发“VCU故障，故障编码1152”时，将“1152”转换为二进制数，即“010010000000”，因此对应的为D桥的V2和V5；同样的，对于“阀控接口单元故障，故障编码1152”即对应为D桥的V2和V5[8-9]。

2 故障过程分析

2.1 换相失败原因分析

直流极控分A、B两套系统，互为备用。故障时极Ⅰ极控A系统在“值班”状态，极Ⅰ极控B系统在备用状态，故障波形如图4所示。

为了便于分析，通过软件依据图4故障录波中的交流网侧三相电压，可以得到故障发生时的交流网侧电压的零序电压波形，如图5所示。

故障发生后，极Ⅰ极控系统发生了切换，相应的P1PCPB系统的故障录波如图6所示。

综合图4—6故障录波图分析如下：

1）由站内交流侧电压的零序波形可见，在故障发生前交流系统电压稳定，无扰动等异常情况。

2）故障发生前后由极控系统发出的控制脉冲信号CPRY（Y桥控制脉冲）和CPRD（D桥控制脉冲）均正常。

3）由图4所示的故障录波图可知，在极控系统发生切换前，在极Ⅰ直流系统的D桥中发生了换相异常情况，对换流变阀D侧的电流波形放大，如图7所示。

图3 阀控系统异常信号的上送流程图Fig.3 Abnormal signals sending flow chart of the valve-control system

图4 拉萨换流站P1PCPA系统故障录波Fig.4 P1PCPA system fault recorder of Lhasa Converter Substation

对照相应的控制脉冲序列，在图7“X”标线所处时刻，极Ⅰ直流系统D桥的V6（B相正电流）和V1（A相负电流）换流阀导通；在下一时刻，当V6向V2换相时，由图7可见此时V2换流阀并未正常导通，此时D桥继续由V6和V1导通，直到下一时刻由V1向V3成功换相后（图中“O”标线），由连接于交流B相的V6和V3导通，由此极Ⅰ直流系统的D桥被V3和V6短路；于是换流变阀D侧电流出现中断，直流电压UDL迅速下降，直流电流IDNC快速上升，继而导致极Ⅰ直流系统的熄弧角减小（最小跌至1度左右），并最终导致极Ⅰ极控系统检测到换相失败过程的发生；换流变阀Y侧电流也出现了畸变并增大的情况。

图5 依据P1PCPA录波中的交流网侧电压得到的交流零序电压Fig.5 AC zero-sequence voltage based on the AC line voltage of the P1PCPA system

图6 拉萨换流站P1PCPB系统故障录波Fig.6 P1PCPB system fault recorder of Lhasa Converter Substation

图7 P1PCPA系统中极Ⅰ换流变阀D侧电流波形（放大后）Fig.7 Current waveform at D-side of Pole I converter of the P1PCPA system（after amplification）

同时，根据换相失败发生前P1PCPA系统所发出的“VCU故障、阀控单元接口故障，故障编码1152”可知该故障对应为D桥的V2和V5换流阀。

综合前面的分析可见：导致极Ⅰ直流系统发生换相失败的原因是由于阀控系统故障，导致该极D桥在换相过程中V6向V2换相时，V2换流阀未能正常导通所致；同时受此异常换相过程的影响，引起交流系统的电压出现了较大幅度的波动。

2.2 VCU A系统故障检查详情及原因分析

在故障中，极ⅠPCPA系统先后发出了“阀控单元接口故障、VCU故障，故障编码：1152；阀误触发保护跳闸；阀控单元功能跳闸，故障编码:32”等报警信号，并导致P1PCPA系统出现严重故障而退至“服务”状态。

根据“VCU故障，故障编码：1152”可知该编码对应为D桥的V2和V5，在现场为VCC屏柜内的U9层。现场在对VCU A系统进行重启前，对该阀控系统的运行情况进行了监视。通过监视发现，VCC屏柜内的U9层确实明显存在故障，且显示该故障来自于光触发板（Trip from Optoboar）；在本次阀控系统故障中不存在保护性触发和可控硅故障，仅在A相的V4换流阀一个振荡保护性触发信号，但不足以产生阀控跳闸紧急故障；同时，通过对VCC的U9层的光触发板进行监视，未发现光触发板存在异常情况。据此判断，引起阀控A系统故障的可能原因是由于阀控中央处理板PS900、阀触发板PS906或层架背板PS912的硬件瞬时故障引起，也正是由于该故障的存在使P1PCPA系统在本次故障时发“阀控单元功能报警”和“阀控单元功能跳闸”信号[8，10]。

3 总结及建议

VCU是直流控制系统的核心设备，VCU内部的核心板卡PS900、PS906、PS912及其相关辅助设备的可靠性直接决定了直流系统的可靠性。目前而言，除了PS900板卡采用双重化配置，PS906、PS912等板卡采用单重化配置给直流系统运行带了很大的风险。

故提出如下建议。

1）如果PS906板故障，可能导致与它相连的12组可控硅无法正常触发，也可导致极控PCP系统故障退出运行。如果需要更换PS906，则相关阀组必须停运。由于阀组无法双重化，那么就需要将相应设备接口环节双重化，见图8，避免阀组因单一的设备接口故障而引起直流系统故障甚至停运的风险，提高了直流系统运行的抗干扰、稳定性。

2）阀控规PS912背板单重化配置，如果背板故障、脱焊、针脚弯曲、受到干扰等，可能引起PS900和PS906板卡间通信故障直至及闭锁产生，同样作为受控设备的换流阀无法双重化，那么就需要将相应设备接口环节双重化，PS900板卡A/B系统接入不同的PS912背板（见图9），避免阀组因单一的设备接口故障而引起直流系统故障甚至停运的风险，提高了直流系统运行的抗干扰、稳定性。

图8 PS906板卡结构改进前后Fig.8 PS906 board structures before and after improvement

图9 PS912板卡结构改进前后Fig.9 PS912 board structures before and after improvement

[1] 郑传材，黄立滨，管霖，等.±800 kV特高压直流换相失败的RTDS仿真及后续控制保护特性研究[J].电网技术，2011，35（4）:14-20.ZHENG Chuan-cai，HUANG Li-bin，GUAN Lin，et al.RTDS-based simulation of commutation failure in±800 kV DC power transmission and research on characteristics of subsequent control and protection[J].Power System Technology，2011，35（4）:14-20（in Chinese）.

[2] 车木佳，冯毅.太阳能最大功率跟踪装置的设计[J].节能技术，2011，29（6）：552-559.CHE Mu-jia，FENG Yi.Design of a new type of solar MPPT system[J].Energy Conservation Technology，2011，29（6）：552-559（in Chinese）.

[3] 毕二朋，胡明辅，袁江.光伏系统设计中太阳辐射强度影响的分析[J].节能技术，2012，30（1）：45-51.BI Er-peng，HU Ming-fu，YUAN Jiang.Influence of solar radiation intensity in the design of PV system[J].Energy Conservation Technology，2012，30（1）：45-51（in Chinese）.

[4] 杨秀，陈鸿煜.高压直流输电系统换相失败的仿真研究[J].高电压技术，2008，34（2）：247-252.YANG Xiu，CHEN Hong-yu.Simulation study of commutation failure of HVDC transmission system[J].High Voltage Engineering，2008，34（2）：247-252（in Chinese）.

[5] 张建设，张尧，张志朝，等.直流系统控制方式对大扰动后交直流混合系统电压和功率恢复的影响[J].电网技术，2005，29（5）:20-24.ZHANG Jian-she，ZHANG Yao，ZHANG Zhi-chao，et al.Influence of DC ststem control modes on boltage and power recovery after large disturbance in hybid AC/DC ststems[J].Power System Technology，2005，29（5）:20-24（in Chinese）.

[6]ABB.VCU operation&maintenance manual[M].ABB，2010.

[7] 北京网联直流工程公司.青藏直流联网工程保护系统成套设计规范书 [M].北京：北京网联直流工程公司，2010:19-28.

[8] 南京南瑞继保电气有限公司.青藏直流联网工程控制保护程序[M].南京：南京南瑞继保电气有限公司，2010：11-18.

[9] 胡勇，粟小华，李怀强，等.青藏±400 kV直流联网工程继电保护配置与应用[J].电网与清洁能源，2013，29（3）:27-32.HU Yong，LI Xiao-hua，LI Huai-qiang，et al.Configuration and application of relay protections in±400 kV HVDC qinghai-tibet interconnection system[J].Power System and Clean Energy，2013，29（3）:27-32（in Chinese）.

[10]赵畹君.高压直流输电工程技术[M].北京：中国电力出版社，2004：247-248.