±660kV直流输电工程阀控系统设计与实现

郑林，蓝元良，高阳明，刘宁，杨晓楠，彭玲

(中电普瑞电力工程有限公司，北京市102200)

±660kV直流输电工程阀控系统设计与实现

郑林，蓝元良，高阳明，刘宁，杨晓楠，彭玲

(中电普瑞电力工程有限公司，北京市102200)

阀控系统作为直流输电控制保护系统与换流阀之间的接口设备，对直流系统的稳定可靠运行起着重要作用。因此提高阀控系统的可靠性是设计阀控系统时要达到的首要目标。在介绍H400换流阀阀控系统组成结构和基本功能的基础上，详细介绍了H400换流阀阀控系统特有的高可靠性串行通信方式，并阐述了此种串行通信方式的实现方式和特点。这种通信方式已在宁东—山东±660 kV直流输电工程中成功应用，并取得了良好的效果。

高压直流输电；换流阀；阀控系统；阀基电子设备(VBE)

0 引 言

本文以宁东—山东±660 kV直流输电工程为背景，介绍换流阀阀控系统的结构和功能实现方法。本工程换流阀是基于阿尔斯通电网公司的H400型换流阀技术路线，由中国电力科学研究院在引进、消化和吸收、再创新基础上而进行自主设计和生产制造的。

本工程是世界首条±660 kV电压等级高压直流输电示范工程，西起银川东换流站，东至青岛换流站，直流额定电压为±660 kV，输电距离约1 335 km，直流额定电流为3 030 kA，双极输送功率为4 000 MW[1-2]。

与国外另外2家阀控系统供货商ABB和SIEMENS相比，H400换流阀阀控系统有其独特的设计理念，其中最具代表意义的是阀控系统与极控系统和晶闸管门极单元之间的监控信号串行通信方式，本文将重点论述此特点。

1 换流阀阀控系统的总体结构

按照直流控制保护系统的分层结构概念，换流阀大部分控制保护功能由处于整个换流站控制保护系统底层的阀控系统实现，包括对换流阀的触发控制、状态监测与保护功能[3-7]。

本论文所指的阀控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[6]。图中用虚线框起来的部分就是换流阀阀控系统，其中地电位设备有V系列阀基电子设备(valve base electronics, VBE)，高电位设备包括晶闸管门极单元(gate unit, GU)和阀塔冷却系统泄漏监视器。这些设备有机结合，共同实现对换流阀的控制保护功能。

文献[6]中已对图1所示的阀控系统进行了较详细的介绍，在此不再赘述，本文将着重介绍触发字、热字、触发信号和回报信号等换流阀监控信号的传输方式。

图1 换流阀阀控系统原理图

2 换流阀控制功能实现

正常运行时，极控系统持续向VBE发送触发字(firing word，FW)和热字(晶闸管等效结温数据)(thermal word，TW)。VBE根据触发字确定各个单阀在当前时刻是否需要触发，并将该信息与对应阀的热字组合成触发信号(firing code，FC)发送给该阀的各个GU。GU收到触发信号后，进行解码，若需要触发本晶闸管，且当前晶闸管已经承受合适的正向电压，GU将向晶闸管门极发出触发脉冲使其导通。

下面详细介绍主要控制功能的实现方式。

2.1 触发字

触发字是极控制系统根据当前的运行工况算出触发角(α)后，在触发时刻向VBE发送的换流阀触发命令。V系列VBE与其他技术路线VBE的最大区别是触发字采用串行编码，即12脉动换流阀的触发字只需要通过一根光纤就能传送(并行传输时单系统需要12根光纤)[6,8-9]。而本工程采用的SIEMENS极控系统采用并行的触发信号传送方式，因此需要在极控和VBE之间开发专用接口装置，将极控发出的并行触发信号转换成串行信号(编码格式为串行归零码)，其时序如图2所示。

图2 触发字时序图

触发字各个有效位定义如表1所示。某个阀的对应位为高电平时，说明此刻此阀应该被触发或者已经在触发状态。

表1触发字有效位定义

Tab.1Effectivebitdefinitionoffiringword

在表1中，阀1到阀12的编号是根据12脉动换流阀中假设Y1阀为第1个触发时的每个单阀的触发顺序编号。根据换流变的接线方式不同，每个单阀的触发窗口进入时序不同，因此12脉动换流阀的触发时序也不同。通常换流变的接线方式有11点(Yd11)接线和1点(Yd1)接线方式。在这2种换流变接线方式下的12脉动换流阀触发时序如图3和图4所示。图中，括号外编号为12脉动触发时序编号，括号内编号为6脉动触发时序编号。

图3 角形侧Yd1接线方式时的触发顺序

图4 角形侧Yd11接线方式时的触发顺序

在12脉动换流阀正常运行时，在同一时刻导通的阀为4个，因此正常触发字中也只有4个有效触发脉冲同时出现，如图5所示。因此，接口装置将并行触发信号转换成串行信号时，根据换流变的接线方式，确定并行触发信号和串行编码中的阀编号对应关系，将当前的并行信号转换成如图5所示的串行编码发送给VBE。

图5 正常运行时的触发字时序图

极控系统发送触发字的方式如下：

(1)为了适应触发角的变化范围，2帧触发字之间相隔最小间距为2 μs，最大间隔不能大于20 ms。

(2)正常情况下，极控每隔30°电角度改变1次触发字。为了提高触发字的可靠性，每次新触发字连续发2帧，2帧间隔16 μs。如果在发第1帧开始到第2帧开始之前，有新的触发状态变化，则按新的触发状态发送触发字。若VBE收到的第1个触发字异常，则将此触发字丢弃，根据第2个触发字控制换流阀。

2.2 热字

H400换流阀阀控系统的一个重要特点是GU能够根据换流阀的晶闸管等效结温自适应地调整换流阀保护触发阈值，从而提高直流输电系统运行的安全性和稳定性[9]。热字同样采用串行归零码传送，其时序如图6所示。

图6 热字时序图

如图6所示，在一帧热字中，位0为起始位；位1为阀1标志，“1”表示当前热字对应阀1，“0”表示当前热字对应阀2～12；位2～12为晶闸管结温值；位13为允许VBE监视换流阀的标志位，“1”表示允许监视，“0”表示不允许；位14为奇偶校验位；位15为结束标志位。在正常运行情况下，各阀所对应的热字总是从阀1至阀12顺序循环发送。

热字共有5种代表状态，其中A代表换流阀正常运行时的状态，B、C代表换相失败时出现的状态，D、E代表短路故障状态。这些状态需要由极控系统根据当前的工况判断后发给VBE。

2.3 触发信号

VBE收到触发字和热字后将这2个信号进行重新编码形成触发信号，并将此触发信号发送给相应的GU板，GU收到触发信号后完成对换流阀的触发功能。

触发信号的格式如图7所示，当某一位出现窄脉冲时表示逻辑“0”，出现宽脉冲时表示逻辑“1”。数据帧头始终是宽脉冲，结束位始终是窄脉冲。触发信号数据位定义如表2所示。

图7 触发信号格式

表2触发信号数据位定义

Tab.2Effectivebitdefinitionoftriggersignal

如表2所示，触发信号中包括两大类信息，一类是此晶闸管级的触发命令，还有一类是此晶闸管级的等效结温。GU根据本阀的晶闸管结温数据更新正向过电压保护(简称VBO保护)、dv/dt保护以及正向恢复保护的动作阈值。图8～10为本工程中采用的晶闸管保护定值与晶闸管等效结温之间的关系图。

图8 晶闸管最大正向恢复保护时间与结温的关系(di/dt=2 A/μs)

图9 晶闸管最大正向dv/dt保护水平与结温的关系

图10 晶闸管最大VBO保护水平与结温的关系

3 换流阀状态监视功能实现

晶闸管监视系统由位于换流阀上的GU和位于地电位的VBE 2部分构成。系统运行中，GU实时监视每个晶闸管的状态信息，并用特定的高速串行编码对这些信息进行编码，然后报送给VBE，报送方式采用状态变位上传方式。

门极板的回报信号编码格式与触发信号的格式相同(见图11)，其数据位定义如表3所示。通过回报信号，VBE不仅可以监测晶闸管的运行状态，还可以实时监测VBE到GU的通信通道状态。

图11 回报信号格式

表3回报信号定义

Tab.3Effectivebitdefinitionofdataback

4 结 论

阀控系统是直流输电控制保护系统中十分关键的组成部分，它的可靠性将直接影响换流阀设备以及整个直流输电系统的安全性和可靠性[10-16]。因此，阀控系统的设计和实现成为整个直流系统设计和实现的重要环节。本文全面介绍了宁东—山东直流输电工程阀控系统的设计与实现方法，具体结论如下。

(1) 阀控系统与上层控制保护系统采用串行编码接口方式实现换流阀触发，结构简单明了，便于现场调试和维护。

(2) VBE与GU之间接口逻辑采用串行信号传输技术，可以传输丰富信息，实现了换流阀的可靠触发和状态检测。

(3)串行通信方式的缺点是功能实现复杂，通信容易受干扰，但是通过完善的通信校验功能和光通信方式提高了通信可靠性。

宁东—山东直流输电工程的阀控系统可靠地实现了换流阀的触发控制和状态检测功能。经工程实践证明，该工程的阀控系统设计合理、功能完善，达到了设计预期要求。

[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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(编辑：刘文莹)

DesignandImplementationofValveControlSystemin±660kVHVDCPowerTransmissionProject

ZHENG Lin, LAN Yuanliang, GAO Yangming, LIU Ning, YANG Xiaonan, PENG Ling

(China-Epri Eletric Power Engineering Co., Ltd, Beijing 102200, China)

As the interface device between the control-protection system of DC transmission and converter valve, valve control system plays an important part in the reliability of HVDC system. So the reliability improvement of valve control system is the first purpose in the system design. Based on the introduction of the composition structure and basic function of H400 valve control system, the unique serial communication mode with high reliability in this system was introduced in detail, as well as its realization way and characteristics. This communication mode has been successfully applied in Ningdong-Shandong ±660 kV DC transmission project, which has achieved good results.

HVDC power transmission; converter valve; valve control system; VBE

TM 72

： A

： 1000-7229(2014)02-0047-05

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.02.009

2013- 08- 07

：2013- 10- 22

郑林(1982)，男，硕士，工程师，主要研究方向为高压直流输电换流阀控制保护系统设计和工程应用，E-mail：zhenglin@sgri.sgcc.com.cn;

蓝元良(1970)，男，博士，高级工程师，主要研究方向为高压直流输电换流阀电气分析和设计、换流阀控制保护系统设计，E-mail：lanyuanliang@sgri.sgcc.com.cn;

高阳明(1985)，女，本科，助理工程师，主要研究方向为高压直流输电换流阀的工程应用；

刘宁(1983)，男，硕士，工程师，主要研究方向为高压直流输电换流阀控制保护系统设计和工程应用，E-mail：liuning@sgri.sgcc.com.cn;

杨晓楠(1974)，女，硕士，高级工程师，主要研究方向为高压直流输电换流阀电气分析和设计、换流阀试验方案研究，E-mail：yangxiaonan@sgri.sgcc.com.cn;

彭玲(1982)，女，硕士，高级工程师，主要研究方向为高压直流输电换流阀电气分析和设计、换流阀试验方案研究，E-mail：pengling@sgri.sgcc.com.cn。