鹅城换流站阀控系统分析及故障处理

范琪，胡伟，张宏，康文

(国网湖南省电力公司检修公司，湖南长沙410004)

鹅城换流站双极12脉动换流阀为ABB公司生产悬吊式双重阀塔结构，阀塔主要由阀模块、屏蔽罩、悬吊支撑结构、阀避雷器等部件组装而成。换流阀控制系统 (简称阀控系统)在直流输电中的主要功能是触发、监视和保护换流阀，其性能直接关系到换流阀及整个系统的安全可靠运行。

1 阀控系统的结构及功能

1.1 阀塔系统结构

每极阀厅内悬吊6个双重阀塔。每个双重阀塔有8层，由2个单阀组成，每个单阀共计4层，共14个可控硅组件，每个可控硅组件有6个可控硅。可以计算出每极可控硅1 008个，2极共计2 016个可控硅。

每个可控硅组件由6个可控硅和与之串、并联的均压电阻、均压电容，及可控硅控制单元(TCU)组成。

1.2 阀控制系统构成

阀控系统包括晶闸管控制单元 (Thyristor Control Unit，TCU)、阀控单元 (Valve Control Unit，VCU)以晶闸管监视单元 (Thyristor Monitor，THM)3部分。主机PCP的A，B系统THM分别与VCU的A，B系统PS900A板卡通讯，2个系统数据再通过VCU的PS906板卡与TCU通讯，如图1。

图1 阀控系统通讯示意图

可见A，B系统各路模拟量测量信号独立配置。只有PS906板卡不是冗余设计，如果此板卡发生故障，可能导致2个系统都无法检测到可控硅回报脉冲IP，应对其可靠性开展进一步研究工作，以提高PS906板卡运行的稳定性。

系统主机PCP与低电位控制器VCU和高电位可控硅电子设备之间传输信号，通讯路径主要有:

1)PCP至VCU及TCU回路，向晶闸管级发送触发脉冲，接收晶闸管级回报信号。

主机PCP的PS877板卡与VCU的PS900A之间直接通讯通过光通道直接传送信号。在PCP PCIA和VCU的PS900A板卡之间传送CP，FP信号，经由THM机架PS871，PS877板通讯。其中，PCP+2.H5和+2.H24机架各有2块PS877板卡，每块PS877板卡前3个光通道发送CP信号，后3个光通道接收FP信号，分别与VCU A，B，C三相的PS900A通讯。

2)在PCP和VCU之间传送Active信号。在PCP PCIF和VCU的PS900A板卡之间传送Active信号，经由THM机架PS871，PS877板通讯，其中，PCP+2.H29机架有3块PS877，分别对应VCU A，B，C三相的PS900A。

3)通过THM CAN总线传送信号。主机PCP与VCU间通讯由PS831板卡 (CAN/HDLC总线光桥)实现。THM CAN总线通讯路径对极系统PCP的PCIF板处理相关信息，通过THM机架3块PS831板，分相送至对应极的 VCA，VCB，VCC柜，并由相应系统的PS831板卡接收，然后送至PS900A板卡 (Y桥和D桥)进行综合分析处理。反之，PS900A板也将相关信息通过此CAN总线反馈至PCP的PCIF。

1.3 阀控系统功能

1.3.1 触发功能

实时接收直流极控PCP系统下发的触发命令CP(Control pulse)至VCU单元，同时TCU会检测到晶闸管承受正向电压发送IP(Indication pulse)至VCU单元，VCU单元接收到IP和CP信号，在PS900A板卡内进行处理，产生FP(Firing Pulse)触发信号通过VCU单元的PS906板卡发送至所有晶闸管的TCU单元，完成对晶闸管的触发。

1.3.2 监视功能

阀控系统检测晶闸管的运行状态并进行自检，并将检测信息上报给直流极控系统;若换流阀出现异常，将采取相应的报警、通道切换、跳闸等处理措施。

监视功能是在每个阀的VCU的中央处理单元PS900A板中实现，检测可控硅故障是检测可控硅回报脉冲IP是否丢失，判断可控硅是否正常，当可控硅在承受大约30V的正向电压时TCU就会给VCU发一个回报信号IP，表示此可控硅正常，若VCU没有收到回报信号则表明此可控硅已损坏，不能承受正向电压，并在VCU中计算丢失的IP。THM会收集来自各VCU的报警信号，并将事件送到OWS告诉运行人员。

若可控硅两端电压持续上升到约6.8 kV，而可控硅还没有导通，则TCU会发出保护性触发Protection firing(PF)，用于紧急导通该可控硅，防止该可控硅被高电压击穿损坏。同时会发出报警信号给VCU，在得到PCP系统“Energized”信号后，发送到监控系统，给出可控硅监视保护性触发报警。

在VCU中检测到逆变站单阀14个组件，84个可控硅中，其可控硅的检测动作判据逻辑如下:

当每个阀有3个可控硅故障 (每个阀丢失3个IP)，发可控硅监视故障告警;当每个阀有4个可控硅故障，切换系统，同时发可控硅监视故障告警;当每个阀有6个可控硅故障，切换系统，发闭锁指令。

另外，若PF故障个数在1至5个之间，则发出等级1报警;PF故障个数达到6个及以上时，发出跳闸信号，发闭锁单极指令。

1.3.3 保护功能

直流控制保护系统采用ABB公司MACH2系统，用于直流场、交流场、交流滤波器场、站用电系统及辅助系统控制和保护。保护控制的测量及数字量传送主要是通过CAN和TDM总线完成。MC1主机具有换流阀控制和保护功能，MC2主机只具有保护功能。即MC1主机或MC2主机中的保护动作后，进行PCP系统切换，若另一个系统的MC1主机或MC2主机中的保护动作，则动作出口。

阀控保护主要有:

1)阀短路保护。比较换流变阀侧电流与直流侧电流的差值，为了确保可控硅免受换流变直流侧短路电流的冲击，不进行系统切换迅速闭锁直流，以达到保护可控硅的目的。

2)换相失败保护。六脉冲换流阀桥内换相失败的特征是交流相电流大幅度减小，而直流侧电流增加。换相失败是表明其他故障，如换相控制脉冲故障或交流网故障。引起换相失败的原因通常有交流电压幅值减小;交流电压发生相移;直流电流增加;换流阀触发不正常。

3)直流过流保护。过流保护应称为“直流过流和可控硅结温过高保护”，该保护中采集量有ALPHA，GAMMA主要用于计算可控硅功率损耗，其可控硅结温大于功率下调可控硅结温定值，则功率下调。

4)高角监视。由于急需增大触发角和熄弧角，增大角度运行又会在主回路设备上产生应力，应力可由高角监视功能计算出来。高角监视(HAS)计算HVDC系统的限定值。它包括由阀阻尼回路、阀间避雷器和阀电抗器组成的理论模型。如果在很短的时间内吸收的能量非常大，则启动保护。如果可控硅阀上的应力进一步增大，高角监视(HAS)将在一定的时间之后跳开直流极。

5)阀直流差动保护。阀直流差动保护测量阀出口极母线电流IDP和中性母线电流IDNC，很容易检测到这2个CT之间的接地故障。此保护应和直流极差动保护和后备阀直流差动保护配合。

6)阀误触发保护。此保护FP和CP的比较是在PCIA内FPGA芯片中实现，送到Main_cpu中处理的是每个阀的FF和NF信号，任何一个阀发生无触发或误触发，延时80 ms切换系统，延时100 ms闭锁直流系统。

7)电压应力保护。电压应力保护利用交流换流器母线电压、分接头位置和频率，计算出理想空载直流电压进行保护将动作。

2 阀控系统故障报警分析处理

2.1 故障报警事件

鹅城换流站P2PCPB系统从2011年至2012年7月，共发 P2B1 System Superbision Valve Misfire Detected code1024或4194304报警7次，每次报警均在发出后24 ms内复归，故障信号瞬时发生，故无法使用笔记本电脑接入THM检查故障信息，只能通过报警事件分析故障点。

2.2 故障报警原因排查

通过事件报警列表分析，报警全部为P2PCPB系统发出，P2PCPA系统运行正常，由此排除一次设备故障，确定故障点为P2PCPB控制保护系统。

分析“Valve nofire Detected code 4194304”和“Valve misfire Detected code 1024”报警。阀在控制脉冲CP间隔内，收到PS900A板卡产生的点火脉冲FP，报“Valve nofire Detected code 4194304”报警 (高12位)。阀在控制脉冲CP间隔外，误收到PS900A板卡点火脉冲FP而被误触发，报“Valve misfire Detected code 1024”报警 (低12位)。将nofire code 4194304转化为二进制为0100 0000 0000 0000 0000 0000，代码的第11位是“1”，对应单阀为P2.VC.V2。将misfire code 1024转化为二进制为0100 0000 0000，第11位是“1”，对应单阀为P2.VC.V2。即2个报警故障代码指向同一单阀P2.VC.V2，故分析单阀P2.VC.V2的CP/FP传输回路。

单阀P2.VC.V2的CP/FP传输回路相关部件有PCIA板卡、PS930A板卡、PS871板卡、PS877板卡、PS900AA板卡、PS906板卡、TCU模块和光纤回路。

2.3 故障分析判断

因该报警为单系统 (P2PCPB)、单阀P2.VC.V2(Y/D C相的V2桥臂)报警，故可排除以下可能的情况:

1)PCIA板卡至PS871板卡及之间回路，若该段回路故障，将造成多个阀报警;2)PS900A板卡，若该板卡故障对应2个单阀报警;3)PS906板卡至TCU模块之间回路，若该段回路故障，将造成双系统报警。

排除以上3点后，可能故障点为位于P2PCPB系统+2.H5.8的PS877对应Y/D C相的V2桥臂的光纤回路或光通道异常。

2.4 故障处理

1)按照《更换MACH2主机板卡指导书》的要求，确认P2PCPB系统是在“test”状态，断开P2PCPB柜H5层机架板卡电源小开关，更换+2.H5.8的PS877板卡。

2)检查确认PS877板卡上的信息传输光纤插头端面完好，未有折断现象，并对光纤插头进行清洁，排除光纤的故障可能。

3)板卡更换时，确认新、旧板卡软件版本号一致，跳线位置相同。

4)重启H5层机架板卡电源后，在P2PCPB系统“test”状态按MACH2系统故障处理相关规定检查报警，确认无故障后，才能将P2PCPB系统恢复到standby状态。

3 结论

文中就换流阀控制系统的结构及原理进行了阐述，结合报警故障事件分析处理，提出一些相应处理思路及对策和风险防范措施，以提高报警故障处理的可靠性。

在分析触发、监视和保护换流阀的功能中注意到部分板卡不是冗余设计，为提高板卡运行的稳定性可靠性，建议开展进一步研究工作，保障系统稳定运行。

〔1〕赵畹君.高压直流输电工程技术 (2版)〔M〕.北京:中国电力出版社，2010:35-39.

〔2〕国家电网公司.鹅城换流站换流站运行规程〔S〕.2011.