±500 kV高压直流换流站阀控技术对比分析

刘 浔，向 权，姚其新，韩情涛，张正茂

（国网湖北省电力有限公司检修公司，湖北 武汉 430050）

1 换流阀及阀控技术

1.1 ABB公司阀控技术

ABB公司阀控系统主要应用于国家电网公司所辖换流站，其极控系统（PCP）和阀控系统（VCU）均为冗余设计。其中VCU按照A、B、C三相分为阀控A(VCA)、阀控 B(VCB)、阀控 C(VCC)三块屏，每块屏又分为Y/Y相（VCY）和Y/D相（VCD）两个机架，分别触发和监控一个极的6个阀塔。ABB公司极控系统PCPA/B与阀控系统VCUA/B采用单对单连接，即极控A与阀控A通讯，极控B与阀控B通讯。两者之前完全采用光纤进行通讯[1]。VCU同时接收极控主、从系统的控制脉冲，而只有主系统控制脉冲有效，控制脉冲为并行传输，VCU通过主/备状态的选择来确定控制脉冲。最后产生的点火脉冲返回到极控系统与控制脉冲相比较，如果不一致则报控制脉冲故障告警。

图1 极控与阀控之间通讯示意图Fig.1 Communication between control and valve control diagram

1.2 Siemens公司换流阀控制技术

Siemens公司阀控系统与极控系统一体化设计，主要应用于南方电网公司所辖换流站，目前国家电网公司所辖换流站中在灵宝背靠背换流站和高岭背靠背换流站有所应用。

Siemens公司阀控系统（又称为阀基电子设备：VBE），有A1、A2、A5、A6共4个机架，其中A1负责阀D1、D3、D5的触发，A2负责阀D4、D6、D2的触发，A5负责阀Y1、Y3、Y5的触发，A6负责阀Y4、Y6、Y2的触发。VBE与极控系统通过PROFIBUS总线（西门子专用工业总线）进行通讯与数据交换，其中极控A与VBE A系统交换数据，极控B与VBE B系统交换数据。Siemens极控系统与直流保护系统之间采用硬接线进行通讯，直流保护动作跳交流开关、闭锁触发脉冲等信息都不经极控系统直接到相关设备，因此直流保护与VBE有专用的接口。

图2 VBE屏一层机架图Fig.2 A layer of VBE screen frame diagram

1.3 ALSTOM公司换流阀控制技术

目前国内尚未将ALSTOM公司极控制系统引入，只在宁东直流工程中第一次引入了ALSTOM（AREVA）公司的换流阀及其换流阀控制系统，之后的林枫直流工程和灵宝二期工程也引入了AREVA的换流阀及控制系统。极控系统采用的是许继电气公司在引进Siemens技术上自主开发的DPS2000系统。极控系统与阀控系统不是一体化设计，因而有其特殊性[2]。

银川东换流站阀控系统（又称为阀基电子设备：VBE）共有 3块屏 VBE1、VBE2和 VBE3，每个VBE有4层机箱，每层机箱负责一个阀的触发。这样，VBE1、VBE2和VBE3分别负责阀1～阀4、阀5～阀8和阀9～阀12的触发。由于极控系统与VBE不是一体化设计，为此，许继电气公司专门设计了一个与VBE通讯的屏柜VBE接口柜。触发字和热字由VBE接口柜通过光纤送至阀基电子设备VBE；极控系统的主、从状态由冗余切换逻辑COL模块通过硬接线送到VBE；VBE将VBE failure、VBE trip等信号送至极控和极保护系统，用于控制系统的切换和保护动作。

图3 银川东站直流控保系统与VBE接口示意图Fig.3 Yinchuan station DC control system and VBE interface diagram

2 换流阀及阀控技术对比

将我国引进的国外三个公司ABB、Siemens、ALSTOM公司换流阀控制技术进行比较，各有优缺点，对于阀控系统的国产化具有重要的意义。

(1)对于传输的媒介，ABB采用光纤进行通讯；Siemens采用电缆进行通讯；ALSTOM增加了触发脉冲接口屏，采用电信号转为光信号的通讯模式进行通讯。采用电信号通讯需要较多的硬件接口，并且易受到外部信号的干扰，电源系统的扰动对通讯信号传输存在较大影响。因而，光纤通讯是较为安全和稳定的一种通讯模式。

(2)关于回报信号，ABB后台报漏水告警、阀避雷器动作、晶闸管故障、功能跳闸、保护性触发动作等信号；而ALSTOM公司则需要向后台报上述信号外，还有触发字光信号超时、触发字光信号错误、触发字电信号超时、触发字电信号错误、触发字光信号奇偶校验错误，以及热字故障、重触发、门极回报异常等信号[3]。由于传输信号过多，当设备处于故障或者检修试验状态时，系统会频发相关阀的故障告警信息，对现场而言是较大的考验，由于晶闸管数量较多，对后台的监视是一个较大的考验，甚至会导致服务器的死机从而引起后台人机监控系统的瘫痪。因而，对于阀控系统的后台信息，越简洁明了越好。

（3）对于硬件的设计，ABB与ALSTOM基本相似，采用一块板卡进行晶闸管的触发和回报信号的传输。Siemens由于采用的是光触发的晶闸管，触发形式有所不同，MSC至VBE的回报光纤故障会导致直流闭锁，很容易导致单一元件故障引起的直流闭锁事故，在直流系统运行中存在较大的隐患，相对而言，单一板卡进行同一晶闸管的触发和回报信号的传输较为可靠。

（4）ALSTOM阀控系统5 ms之内未收到极控系统主、备用信息会导致直流系统闭锁，而ABB和Siemens则没有这方面的要求，运行起来更加稳定。

3 换流阀及阀控技术存在的问题

目前在运的直流换流站，直流控制保护系统大体上基于两种技术路线：一种是基于ABB开发的模块化控制保护系统MACH2系统，±800 kV特高压直流工程中将该系统升级为DCC800直流控制保护系统；一种是基于Siemens开发的SIMADYN D模块化控制保护系统，升级后的新系统为SIMATIC TDC控制保护系统。MACH2系统和SIMADYN D系统通过技术转让的方式由国内的南瑞继保、许继电气、北京四方公司初步实现了国产化。在此基础上，控制保护系统的软、硬件设计国内已经都可以实现，可以满足各个直流输电工程的需要；但是，对于核心的技术，如换流阀控制技术，国外厂家在软件中进行了封装，并没有开放这部分程序，这就直接导致国内消化吸收的程度有限，无法摆脱国外厂家的影响而真正建立独立自主的软硬件系统，实现真正的国产化。而且一旦国外厂家进行了技术升级，国内产品就处在了落后的位置，导致国产软硬件系统设计始终要受制于人，因此建立完全独立自主的软硬件直流系统开发平台具有相当重要的意义[4]。

结合上述几次重大事件以及历年来日常运行维护和检修过程中发现的问题，进行了统计与分析，换流阀及阀控技术主要存在如下几个方面的问题。

3.1 阀塔施工质量问题

由于换流阀塔涉及到的元器件相当多，并且对安装工艺具有较高的要求，安装不到位的缺陷可能在短时间无法暴露出来，它可能成为日后影响直流系统安全稳定运行的重大隐患。

3.2 阀控系统接口问题

同一厂家生产的极控系统与阀控系统，或者采用同一厂家技术路线的极控与阀控系统，如极控和阀控统一采用ABB技术路线或Siemens技术路线，基本上不存在接口与通讯问题，接口问题主要集中在ABB极控与Siemens阀控的接口、ABB阀控与Siemens极控的接口以及Siemens极控与ALSTOM阀控的接口。

不同技术路线的接口主要存在的问题有：信息交换不够完善，有些阀控系统的重要信息无法及时上送到运行人员工作站；信息定义不明确，后台报文与实际故障存在差异；信息过滤与检测机制存在一定的隐患，会出现虚报事件的情况；信息通讯接口比较复杂，需要经过多种协议的转换，还需要配置专门的通讯设备，如宁东直流阀控信息送后台时需要通过RS232串口转为光纤，再由光纤转串口送专用的辅助系统接口屏，然后再由网络通过辅助系统接口屏送服务器，由服务器将相关监视信息送运行人员工作站；触发脉冲接口设备工作不稳定，受外部电源或信号干扰比较大，严重情况下可能导致极控系统切换甚至直流闭锁，如2005年6月20日葛洲坝极Ⅱ触发脉冲异常导致的闭锁，以及2011年7月12日灵宝换流站单元Ⅱ换流阀PSU单元故障后无法准确定位等。

3.3 触发脉冲传输问题

目前在运直流工程中，触发脉冲传输模式不同厂家各有不同，ABB阀控系统与Siemens阀控系统采用的是并行传输的模式，其中ABB阀控系统采用的是光纤并行传输模式，Siemens阀控系统采用的是通讯电缆并行传输模式；而ALSTOM阀控系统采用的是光纤串行传输的模式。触发脉冲采用并行传输模式时，如果丢失触发脉冲，仅仅只丢失了一个阀的触发脉冲；而触发脉冲如果采用并行传输，若丢失触发脉冲，则所有阀触发脉冲全部丢失，对直流系统影响较大。另一方面，电信号触发脉冲的传输，易受到外部电源或信号干扰的影响，银川东换流站触发脉冲由极控通过屏蔽电缆送VBE接口屏然后转光纤送至VBE，曾经多次由于外部交流系统的扰动导致触发脉冲故障引起极控系统的切换[5]。

3.4 原厂家设计上存在的问题

由于设计理念上的不同或者设备的改进程度不同，对各个厂家在设计上进行比较，结合现场运行维护经验，不难发现设计上的优劣之处。

以ALSTOM换流阀及其阀控系统与ABB公司相比，可以发现：

（1）在阀控屏柜的设计与布局上，ABB公司更加清晰简洁。ABB公司设计了三面屏，分别是VCA、VCB、VCC，负责A、B、C三相换流阀的触发和监视，其中每面屏有两层机架，分别负责Y/Y、Y/D阀塔的触发和监视，分层分区非常清晰明确。ALSTOM阀控屏柜也设计了三面屏，分别是VBE1、VBE2、VBE3，负责阀1～阀4、阀5～阀8、阀9～阀12换流阀的触发和监视，每面屏有四层机架，每个机架负责一个单阀的控制，相对来讲分层较为复杂，并且换流阀侧触发顺序与换流变连接方式有关，施工时易造成接线错误。

（2）在换流阀塔的设计上，ALSTOM采用紧凑型设计，以±660 kV银川东换流站为例，每个阀塔分10层，层间距较小，一方面节省了材料，缩短了阀塔自身的高度，同时也降低了阀厅的高度；但另一方面，由于空间比较狭小，设备维护起来比较吃力，非常不方便。龙政直流工程及以后的工程中，ABB设计的换流阀塔作了较大的改进，阀塔上面有专用的检修通道，层与层之间也有上下通道，工作人员可以在上面方便地行走，维护与检修工作非常方便。

（3）在晶闸管触发板的设计上，ALSTOM设计了两块板卡：门极板GU单元和分压板，二者之间通过排线连接，并且二者都裸露在外面，时间长了积灰会比较严重，易老化，对其工作性能也有较大影响。ABB的设计中，对TE板设计进行了优化，生产出的全封装TCU板可以阻止粉尘的侵扰，同时也大大减小了电磁干扰的影响。龙政直流工程运行近10年，还未发生过TCU板故障的情况。

（4）ALSTOM公司VBE设计上存在一个问题：如果VBE存在瞬时故障，故障消失后VBE故障告警不能自动复归，需要人为手动进行复归才能使得VBE恢复正常运行。该设计理念为故障告警后需要得到运行人员的确认，以防止运行人员忽略。而实际上这种设计存在较大的潜在风险，即如果是由于系统扰动造成的瞬时故障，有可能在两个系统之间交替产生，倘若不自动复归可能会导致无极控系统可用，从而引起直流系统闭锁。如2010年1月9日高岭换流站单元Ⅰ直流闭锁事件。ABB的设计不存在这种问题。

3.5 厂家提供的硬件质量不合格

部分厂家提供的硬件质量不合格。宁东直流工程、林枫直流工程以及灵宝背靠背二期工程，都是采用的AREVA公司的换流阀，自运行以来，多次发“门极回报异常”、“晶闸管故障”、“门极充电故障”等告警信息，给直流换流站的运行带来了很大的困扰，检查发现存在板卡虚焊、漏焊、电容漏液、针脚弯曲等现象，运行以来更换了大量的门极触发板、分压板和S5014光纤接口板。

4 换流阀及阀控技术设计上的建议

目前直流控制保护系统已经实现了国产化，南瑞继保、许继电气和北京四方公司均掌握了直流控制保护的核心技术。南瑞继保在消化吸收ABB技术的基础上开发了自己的直流控制保护系统PCS-9550，在青藏直流工程中投入了使用。许继电气也在完全独立自主开发自己的直流控制保护系统。晶闸管的生产，国内厂家也比较多，西电集团、电科院、许继电气、株洲南车等公司都可以生产。随着直流输电工程设备国产化的进一步深入，将出现多家公司、不同技术的相互通讯与接口。但是国内目前还没有提出直流控制保护系统与阀控系统的接口规范，对于换流阀塔以及阀控系统的设计也没有相应的标准。在此提出几点建议，希望能对直流换流站的安全稳定运行和日常运行维护工作起到一定的作用。

4.1 阀控与极控硬件接口

目前在运的国产化设备，直流控制保护系统和阀控系统接口不统一，如灵宝、高岭背靠背换流站，直流控保与阀控系统的接口设备由许继电气、南瑞继保等直流控保厂家提供；而德宝直流工程中，则由直流控保厂家南瑞继保和阀控厂家中国西电集团分别生产各自的接口设备；宁东直流工程由许继电气提供接口设备。由于没有统一硬件生产标准和要求，涉及到多个厂家，出现问题之后对原因的查找和分析带来了较大的难度，甚至会出现各厂家之间互相推卸责任的现象。因此接口设备统一由控保生产厂家生产是比较可行的方案。

4.2 阀控与极控软件接口

在运的国产化设备，不同厂家之间的通讯情况比较复杂，以宁东直流工程为例，有光纤通讯、串口通讯、硬接线通讯、网络通讯等，涉及到的通讯协议和相关硬件较多，易造成信号的丢失和堵塞。银川东换流站就多次出现过换流阀信息响应慢、不刷新的情况。尤其是对于触发脉冲的传输，建议采用并行通讯的方式，避免出现所有脉冲全部丢失的情况。在以后的通讯模式设计上，应尽量简单，采用光纤通讯；对于相关告警、时间的定义要明确清晰地反映换流阀系统的状态，避免出现歧义和表义不明的情况；最好在后台专门为阀制定一个监控平台，更好地监视和统计换流阀相关信息。对于瞬时性的故障，在故障消失后VBE应能自动恢复到正常工作状态。

4.3 阀控与后台通讯接口

Siemens阀控系统和AREVA阀控系统均与后台有专门的通讯接口。特别是AREVA阀控与后台的通讯，多次出现单系统误报故障信息的情况。分析原因是为了满足大量信息传输的需要，VBE系统采用了高频归零脉宽调制技术，通信脉冲的幅度和宽度要求非常严格，光收发板（S5014）和中央处理器板（S5005）间电信号的幅值和脉冲宽度不匹配是造成该现象的根本原因。通过更改相关的通讯机制是可以有效避免类似情况再次出现的。另外，尽量减少阀控与后台通讯的硬件接口，防止中间环节过多造成信息丢失。

5 结语

对于3个生产厂家的换流阀及阀控系统来说，既各有所长，也同时存在一些缺点。通过对3个生产厂家产品技术的比较和分析，可以为未来国产换流阀及阀控系统的设计和运维提供一些改进思路。吸纳各家的设计优点，避免已有的缺陷，为提高换流阀设备的运行可靠性打好坚实基础。

（

）

[1]张俊,李跃婷.直流输电工程换流阀控制系统对比分析[J].电力系统保护与控制,2014,42(20)：146-149.ZHANG Jun,LI Yueting.Relative analysis for valve control system in HVDC[J].Power System Protection and Control,2014,42(20)：146-149.

[2]宋建强,黄永瑞,孟学磊,等.特高压直流输电阀控动模试验系统设计[J].电力建设,2015,36(04)：64-69.SONG Jianqiang,HUANG Yongrui,MENG Xuelei,et al.System design of dynamic simulation test for valve control equipment in UHVDC transmission project[J].Electric Power Construction,2015,36(04)：64-69.

[3]姚其新,张侃君,韩情涛,等.龙泉换流站直流控制保护系统运行分析[J].电力系统保护与控制,2015,43(11)：142-147.YAO Qixin,ZHANG Kanjun,HAN Qingtao,WEN Bo.Operation analysis of Longquan converter station HVDC control and protection system[J].Power System Protection and Control,2015,43(11)：142-147.

[4]张云晓,李存军,蒲莹,等.特高压直流控制系统与阀控系统的接口及试验[J].电力建设,2015,36(09)：78-82.ZHANG Yunxiao，LI Cunjun，PU Ying,et al.Interface and test of UHVDC control system and valve control system[J].Electric Power Construction,2015,36(09)：78-82.

[5]祁招,杨会磊,胡子健,等.一种基于直流输电换流阀阀控设备的触发测试系统[J].电力系统保护与控制,2016,44(16)：125-129.QI Zhao,YANG Huilei,HU Zijian,et al.Design of automatic testsystem fortriggering function of HVDC valve control equipment[J].Power System Protection and Control,2016,44(16)：125-129.