换流阀冷却装置控制保护系统的设计

温玉婷　吴健超

摘 要：本文对高压直流输电换流阀冷却装置控制保护系统的控制策略进行了研究，以相互独立、电气隔离且全面冗余为设计原则，保证了各子系统的冗余，同时实现了硬件、软件的冗余，能够实时监测阀冷系统各参数的变化，并根据变化控制阀冷系统各元器件的单元动作，使在线参数稳定在设定范围内，保证阀冷装置正常运行。

关键词：换流阀；冷却装置；控制保护；设计

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.15.154

0 概述

换流阀是换流站的核心设备[1]，其在运行过程中会产生大量的热，需要配置冷却系统，以保证阀内元件的正常使用和防止其老化，确保换流站的正常运行[2]。冷却装置由其控制系统进行控制，是阀冷系统安全、可靠、稳定运行的保障[3]，其关键技术包括纯水冷却系统的控制及监测、控制保护策略、监控和保护。本文针对高压直流输电换流阀冷却装置的控制保护系统设计进行介绍，重点研究了冷却系统控制策略，冷却系统的监控和保护设计，并通过系统的自控和保护试验来验证控制保护系统的设计要求。

1 控制保护系统总体设计

高压直流输电纯水冷却装置控制保护系统涉及一次回路（动力部分）、二次回路（控制部分）等主要部分的设计[4]。纯水冷却系统智能控制部分PLC系统是阀内冷系统控制与保护的“大脑”，本系统选用的是西门子S7-400H系列PLC， CPU采用S7-400系列，CPU及其I/O单元件均为双重化配置，两个CPU使用同步光缆连接，实现两对CPU硬件冗余。

2 一次回路控制系统

一次回路控制系统涉及内容包括：

（1）动力电源：包括两路380VAC进线电源，其中一路电源接入P01主循环泵，另一路电源接入P02主循环泵，当其中某一路进线电源出现掉电、缺相等故障情况时能自动切换到另一路电源，保证一次回路的不间断供电，使系统正常运行，其他电气元器件的电源通过切换装置接入。

（2）电源的监控：实时监控进线电源的状况。当电源出现相间不平衡、缺相、掉电等状况及当前工作电源回路的状态信息都实时上传。

（3）接地：为保障设备稳定的运行以及防止电磁干扰，控制系统屏柜需可靠接地；对总线屏蔽层需接地；24V直负端电源需接地。

（4）保护主设备：对水冷却系统的关键元器件如主循环泵、补水泵和加热器等，就地设置状态指示灯，指示当前设备的运行状态，同时提供对水泵的短路速断和过热等保护。

3 二次回路的控制系统

二次回路的控制采用冗余控制器（PLC）的控制保护系统。主要实现控制保护内容包括：

（1）对阀内冷系统的监控与保护；

（2）对阀外冷系统的远程监控与保护；

（3）将阀内/外冷系统的工作状况上传给直流控制与保护系统[5]；

控制保护实施冗余设计，具体方式为分别设置两个相对独立的控制柜，分别控制A、B两个系统，当A系统出现故障进行检修时，B系统仍能正常保持运行。主要包括二次回路电源控制和二次回路系统控制。

3.1 二次回路电源控制

二次回路的电源控制也采用冗余配置，其中A控制系统接入两路直流电源，B控制系统接入与A系统不同路的两路直流电源，对不冗余的仪表、信号指示灯等元器件的用电由专用C路电源提供，同时实时监控进线电源状况，对掉电故障、电源故障及当前工作电源回路工作状态等信息都实时上传。阀内冷系统的控制保护系统的工作电源除动力设备接触器采用直流220V外，其他均为直流24V。

3.2 二次回路控制系统

二次回路控制系统总体也采用冗余控制， PLC是阀内冷系统控制与保护的核心元件。本文中选用的是西门子S7-400H系列PLC，CPU及I/O单元均为双重化配置。CPU采用S7-400系列，两个CPU配置同步光缆连接，实现两对CPU硬件冗余。两对S7-400H CPU为热备用模式冗余原理，当单个CPU发生故障时，无扰动地自动切换，正常时两个CPU都处于运行状态，当CPU出现故障时，可自动切换到备用系统CPU运行[6]。

4 控制保护系统实施方案

换流阀冷却装置控制保护系统是由两套独立的S7-400H PLC系统组成，能够实现以下功能：

（1）主机架电源、背板总线等冗余；

（2）PLC处理器的冗余；

（3）PROFIBUS现场总线网络的冗余；

（4）ET200M站的通讯接口模块IM153-2及所有I/O模塊的冗余[7]。

其主要组成原理如图1所示：

4.1 主循环泵控制

主循环泵采用一用一备的配置方式，互为备用[8]，正常情况下，即使阀体退出运行，主泵也不会立即停运，阀内冷系统仍保持运行，除非产生泄漏或膨胀罐液位超低等请求停运报警。其主要控制条件与控制内容包括：

（1）主循环泵电机宜采用软启动，完成启动后主泵电源切换到400V站用电供电，退出软启动装置；

（2）当系统检测到循环冷却水主循环泵出水压力低发出报警信号时，切换至备用泵运行；

（3）当系统检测到工作泵故障/过热时，切换至备用泵工频运行；

（4）当主泵动力电源故障时，切换至备用泵运行。主循环泵切换后，仍然有流量低、压力低、主泵过热等报警，不再切换；

（5）当系统检测到两台主循环泵同时故障，同时有进阀压力低或冷却水流量低报警时，发出跳闸信号；

（6）当工作泵连续运行168小时后自动切换至备用泵运行。

4.2 冷却水温度控制

温度控制按照温度的高低分为低温控制、中温控制和高温控制。

（1）低温控制。控制条件：冬季室外环境温度较低，或者晶闸管阀处于低负荷运行时，冷却水进阀温度处入低温控制状态。

控制方式：全部关闭电动三通阀（保留设定的最小关限位），关闭室外空气冷却器，保证冷却装置散热量最小。如果换流阀的进水温度继续下降，直至下降至启动电加热器定值时，启动电加热器，防止进水温度过低导致沿程管路及换流阀的结冻损伤[9]-[10]。

（2）中温控制。控制条件：正常运行时冷却水进阀温度处于中温控制。

控制方式：通过控制电动三通阀改变冷却系统的流量，从而改变系统的散热量，最终使换流阀进水温度稳定在电动三通阀工作温度范围内，此时风机会处于停运状态。

（3）高温控制。控制条件：夏季室外环境温度较高，或者晶闸管阀处于大负荷运行时，冷却水进阀温度为高温控制状态。

控制方式：电动三通阀全开，冷却介质全部流经室外空气冷却器，系统散热量通过控制风机启动数量结合风机变频调速进行调节[9]-[10]。

4.3 流量压力保护控制

换流阀内水冷系统主管道上至少需要装两个流量传感器，在换流阀主循环泵前装设三个压力传感器，在换流阀主循环泵后装设两个台出阀压力传感器，配置两台流量传感器按“二取一”原则判低、超低、高、超高，当出现冷却水流量超低报警且进阀压力低或高报警时，延时发跳闸请求，配置三台流量传感器按“三取二”原则判低、超低、高、超高，当出现超低报警且进阀压力低或高报警时，延时发跳闸请求。

4.4 温度保护控制

内水冷系统应装设三重化的进阀温度传感器。进阀温度保护按三取二原则出口，动作后闭锁直流[11]。保护动作延时小于晶闸管换流阀过热允许时间，延时定值取3～5秒。内水冷系统装设双重化的阀出水温度传感器，阀出水温度保护按二取二的原则出口，保护动作后执行功率回降命令，不闭锁直流。保护动作延时小于晶闸管换流阀过热允许时间，延时定值取3～5秒。

4.5 液位保护控制

膨胀罐处装设三重化电容式液位传感器，用于液位保护和泄漏保护。当电容式液位传感器测量的液位低于30%时液位保护延时5秒报警，低于10%时液位保护延时10秒跳闸。膨胀罐装设可视的液位计或磁翻板式液位传感器，便于巡视。

4.6 泄漏保护控制

泄漏保护采集装设在膨胀罐中的三个电容式液位传感器数值，按“三取二”原则动作，采样和计算周期不应大于2s，在30s内，当检测到膨胀罐液位持续下降速度超过换流阀泄漏允许值时，在收到换流阀闭锁信号后延时5分钟自动停止主循环泵。

4.7 与上位机通讯

阀冷却系统所有运行线参数，信息量较大的通过Profibus-DP总线与上位机进行通讯，如流量、压力、温度、液位、电导率等实时数据通过总线上传并保存，阀冷系统运行出现的报警信息，状态信号也通过Profibus-DP总线上传。对于换流阀保护相关的重要信号，通过硬接点/光调制信号上传，如阀冷系统运行正常、预警、跳闸、请求停运、阀冷系统停运等信号[12]。水冷系统与上位机通讯的总线结构图见图2所示。

5 结论

通过对换流阀冷却装置控制保护系统进行设计，以相互冗余，彼此独立为设计原则，既保证各子系统冗余，又实现了硬件、软件的相互冗余，能够实时监测流量、温度、电导率等在线测量值及参数的变化，并根据变化值精准控制整套阀冷系统各动力设备的相关动作，保证系统稳定运行，达到了实时交互信息，等时同步控制的需求，保证了高压直流换流阀冷却系统的可靠性，缩小了事故的范围，防止因阀冷系统故障导致换流阀的损坏，保障了换流站的安全、稳定、可靠的运行。

参考文献：

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[11]杨光亮.高压直流输电系统控制保护配置方案研究及谐波影响分析[D].上海交通大学，2015.

[12]许杰峰，陈文戈，吴健超等.高压直流输电纯水冷却装置遠程监视与智能维护系统的研发[J].广东电力，2012（05）：49-52.

“广州市科技计划项目-产业技术重大攻关计划”（项目编号：201802010022）

作者简介：温玉婷（1984-），女，广东广州人，本科，助理工程师，主要从事电力电子行业水冷设备电气研发工作。