直流工程逆变站过零点测量故障改进方案

杨克虎，杨寿源，张琼，王明江

（云南电网有限责任公司楚雄供电局，云南 楚雄 675000）

0 前言

某直流工程短期内连续两次因过零点测量故障导致直流系统ESOF。本文通过分析故障，提出了一个有效的改进方案并进行实验验证，该方案的实施解决了因测量系统电流过零点故障导致的直流闭锁事故。方案也可为其他直流工程提供借鉴参考。

1 故障描述

本文以双极运行过程中极1ESOF 故障分析为例。该直流工程双极500 WM 功率送电期间逆变站出现极1ESOF。具体工作站SER 报文记录如图1。

由上述SER 事件可知，极1 系统1 的电流过零信号故障导致了本系统软件故障并发生主从系统切换。在极1 系统2 切换为主系统200 ms 后也产生电流过零信号故障从而导致极1 系统2 软件故障。最终由于极1 两套系统均不OK 启动极控切换逻辑跳闸。

图1 极1ESOF时工作站SER记录

2 故障初步分析

极1ESOF 时刻故障录波如下所示：

图2-1 极1ESOF时外置故障录波波形

图2-2 极1ESOF时极1系统1内置故障录波波形

图2-3 极1ESOF时极1系统2内置故障录波波形

由图2-1 可知，极控ESOF 之前交流进线三相电压正常无畸变；由图2-2 可知，在极1 系统1 为主系统且未发生系统切换之前EOC_D3_FLT（D3 桥臂电流过零故障脉宽）最长持续脉宽为250 ms，极控程序判断逆变站主系统发生电流过零故障脉宽超过200 ms 时判定本系统软件故障（整流站电流过零故障持续30 s 判断极控软件故障，逆变站极控主系统电流过零故障持续200 ms、从系统电流过零故障持续30 s 时判定极控软件故障），因此极1 系统1 软件不OK 导致系统切换。由图2-3 可知极1 系统2 切换为主系统到本系统ESOF 产生出现了EOC_Y1_FLT 最长持续脉宽为210 ms，此时极1 系统2 判定软件故障，从而极1 两套系统均故障导致极控切换逻辑跳闸ESOF 产生。

3 故障定位

由于电流过零信号故障判据为某一阀片的电压过零信号先于电流过零信号产生，由录波文件可知极1ESOF 之前交流电压未发生畸变。为进一步确定问题原因，将极控ESP 板卡接收来自 VBE 的12 路电流过零信号和极控程序自身判断的12 路电压过零信号引入极控内置故障录波进行监测，同时将任意一路电流过零故障产生作为触发极控内置故障录波的条件。

4 故障录波分析

极控电流过零故障触发的内置故障录波如下所示：

图4 极1系统2电流过零故障内置故障录波波形

图4 录波文件中，状态量由上到下EOC_Y1_FLT～EOC_D6_FLT 为12 路 电 流 过 零 故 障信 号；ACF1_2_CL～BLOCK_DCPR 为12 路电 压 过 零 信 号（Y1-Y6，D1-D6)；Gamma_Ctrl～PSD_ACT 为12 路电流过零信号（Y1-Y6，D1-D6)；由波形可知，在Y2、D3 发生电流过零故障期间，对应的电流过零信号脉冲正常而电压过零信号则出现了不同程度的畸变，故判定是由于Y2、D3 阀片的电压过零信号产生错误引起对应阀片的电流过零故障。

5 故障录波验证

极控连续报电流过零故障期间，通过示波器录制电压波形，通过测试设备模拟现场故障。

故障模拟方案：通过RTDS 装置在同步电压的过零点附近叠加幅值约80 mv，周期20-30μs 的谐波信号，持续时间为1 ms。具体如图5-1 所示。此时检测设备检测到的电压过零信号如图5-2 中黄色波形所示。

图5-1 同步电压叠加干扰信号波形

图5-2 硬件检测到的电压过零信号

由图5-2 可见,由于叠加了谐波信号,硬件电路在电压过零点附近可以检测到多个过零脉冲,该脉冲是用于熄弧角检测的一个判据，如果该脉冲在同一个周波多次出现，控制系统必然会发出电流过零故障的事件。针对上述现象，我们在软件中增加了软件滤波，滤波前后波形对比如图5-3 所示。

图5-3 滤波前后波形对比

通过示波器对比滤波前后的波形，其中蓝色波形表示叠加了谐波的电压过零信号，可见有多个脉冲，黄色波形为经过软件滤波后输出的波形，正是这个波形将用于后续的熄弧角测量。经过滤波后的电压过零信号实测波形仍然为10 ms 有效宽度，可见该方法不会造成电压过零信号延时，因此不会影响熄弧角测量精度。

6 程序改进处理

图6-1 电压过零检测逻辑改进前逻辑框图

图6-2 电压过零检测逻辑改进后逻辑框图

为了能有效滤除谐波，且更大程度保证熄弧角测量的准确性，我们通过增加软件滤波的方式来解决问题。实施方案如图6-2 所示。每个周波内当检测到类似①波形所示电压过零信号（无论是正常的电压过零或是收到干扰的包含多个脉冲的过零信号）时，系统启动一次RS触发器，同时启动一个1 ms 的计数器，在1 ms时间范围内，RS 触发器的输出始终为有效高电平，直到计数器截止复位RS 触发器，此时触发器输出一个类似②波形的脉冲。该脉冲与检测到的①原始电压过零信号进行逻辑或操作之后产生一个没有任何干扰的类似③波形的信号，该信号用于熄弧角的测量。该功能的主要作用就是可以有效滤除电压过零点附件的多个干扰脉冲，使其只能输出一个有效脉冲，且相对于真实信号没有延时，可以保证熄弧角的测量精度。

7 极控程序改进处理

为了方便检测电压过零，电流过零，Y/Y，Y/Δ 相位差等信息，特在极控程序中将12 路电压过零信号和12 路电流过零信号引入极控装置内置故障录波（采样周期0.625 ms），极控程序改进方案如下：

图7-1 极控程序改进前

图7-2 极控程序改进后

8 验证试验

在极控处理器板卡中对程序进行改进后，我们还进行了以下几项验证试验，故障录波文件中U1 至U6 为星星变换流器六路电流过零信号，U7 至U12 为星角变换流器六路电流过零信号；I1 至I6 为星星变换流器六路电压过零信号，I7 至I12 为星角变换流器六路电压过零信号。

8.1 升功率过程中分接头动作熄弧角变化

三相同步电压，换流变阀侧电流波形，电压过零，电流过零等信号如下图。

图8-1 升功率过程波形——电压电流

图8-2 升功率过程波形——12路EOC故障信号及熄弧角

上图第一栏为Y 桥六个电流过零故障信号，第二栏为D 桥六个电流过零故障信号，最后一栏是熄弧角，约在18 度。

图8-3 升功率过程波形——电压过零及电流过零信号

上图为Y 桥六个阀的电压过零和电流过零共12 个信号，实际计算熄弧角时利用的是信号的翻转时刻，故无需在意信号是高电平还是低电平。试验过程中，电压过零及电流过零信号都可以正确检测到。电流过零故障信息一直为0，没有故障发生。图中U1-U6 为Y 侧6 路电流过零信号，正常情况下每周波可以检测到一个150μs 的脉冲，为了有效记录波形，将该波形的每一个上升沿作为一个录波波形的翻转时刻，录波图中每个脉冲的上升沿及下降沿都代表一个有效的电流过零信号。正常情况下脉冲宽度20ms，占空比50%。如果脉冲超过20 ms，则认为有丢失脉冲的情况。

I1-I6 为Y 侧6 路电压过零信号，正常情况下每周波可以检测到一个10 ms 脉冲，为了有效记录波形，将该波形的每一个上升沿作为一个录波波形的翻转时刻，录波图中每个脉冲的上升沿及下降沿都代表一个有效的电压过零信号。正常情况下录波脉冲宽度20 ms，占空比50%。如果脉冲超过20 ms，则认为有丢失脉冲的情况。

如图8-3 所示，系统运行正常。

8.2 逆变站单相接地故障1500 MW试验项目

试验波形

图8-4 单相接地故障波形——电压电流

图8-5 单相接地故障波形——12 路 EOC 故障信号及熄弧角

图8-6 单相接地故障波形——电压过零及电流过零信号

如图，在1500 MW 工况下，启动单相接地故障，故障时熄弧角测量功能可以正确响应。

8.3 脉冲丢失故障

图8-7 脉冲丢失波形-电压电流

图8-8 脉冲丢失波形-12 路EOC故障信号及熄弧角

图8-9 脉冲丢失波形——电压过零及电流过零信号

如图为单相脉冲丢失80 ms 后的波形，此期间电流过零和电压过零故障能正确检测到，熄弧角测量及控制均作出了正确的响应。

9 验证结论

经过故障模拟找到了故障原因，针对原有电压过零信号添加了滤波环节，不仅有效的消除了电压过零信号的抖动，且对电压过零信号没有延迟，保证了熄弧角的计算精度。经过正常情况下的升降功率过程及非正常情况下的交流单相接地试验及脉冲丢失试验，证明了该方案能保证熄弧角的正确计算，能有效解决直流工程中电流过零测量受同步电压过零点附近干扰而报故障的问题。后续工程运行中未再出现过电流过零故障也实际验证了该方案的有效性。