中国柔性直流输电系统可靠性标准需求研究

罗琴，李丹，潘广泽，杨柳

(1. 工业和信息化部电子第五研究所，广州510610；2. 广东省电子信息产品可靠性技术重点实验室，广州510610；3. 直流输电技术国家重点实验室(南方电网科学研究院)，广州510663)

0 引言

柔性直流输电最早由加拿大McGill大学的Boon-Teck Ooi等人于1990年提出，因其具有不需要交流侧提供无功功率、没有换相失败问题、独立控制有功和无功功率等优势而被广泛使用在高压直流输电系统中。近年来，目前柔性直输电技术得到了广泛的工程实践[1 - 2]，如上海南汇示范工程、南澳风电场四端柔性直流输电示范工程、鲁西背靠背示范工程等。2020年12月27日乌东德柔直输电提前半年顺利投产，这是世界上首个特高压±800 kV柔直工程，引起了业内的广泛关注。

基于模块化多电平柔性直流输电技术，因其控制灵活、自换相等优点，能很好地解决传统直流输电技术多馈入受端电网带来的安全稳定问题。同时其在大规模可再生能源并网方面也具有独特优势，未来，柔性直流输电在新能源发电并网、改造城市配电网、孤岛供电等领域必将快速发展和应用，如正在大力推进的粤港澳大湾区智慧电力工程等[3 - 6]。

随着电力电子技术及其控制技术的发展，柔性直流换流阀、直流断路器等关键设备研制困难的问题也将逐步解决，从我国以及世界上已运行的柔性直流工程来看，这项技术也在不断趋向成熟。

当前，随着我国经济发展和人民生活水平不断提高，对电力的需求的不断增大，以及国家的高质量发展战略，给电网的性能和质量可靠性提出了更高的要求。现在对柔性直流输电工程寿命明确从原来的30年(南澳风电场四端柔性直流输电示范工程)提高到了40年(鲁西背靠背示范工程、在建的乌东德工程等)，这就对柔性直流输电设备及系统的可靠性提出了更大的挑战。如何科学合理的保障柔性直流输电工程的质量与可靠性，需求迫切。

1 中国柔性直流输电系统可靠性需求识别方法论分析

中国柔性直流输电系统可靠性标准需求识别方法总体遵循自上而下“顶层设计”和自下而上“底层用例”相结合的原则。自上而下的“顶层设计”原则注重顶层设计，具体是根据中国柔性直流输电领域发展愿景，构思概念模型和体系框架，提出可靠性标准需求；自下而上“底层用例”原则侧重支撑中国柔性直流输电系统具体用例和现有标准，同时对现有标准进行梳理分析。将标准需求和现有标准进行比对，识别现有标准与需求之间的差距，继承现有的标准，修订冲突的标准，制定缺失的标准。

根据中国柔性直流输电领域愿景规划，中国柔性直流输电在未来将朝着高电压、大容量、低成本、高可靠性等方向发展，而在应用层面上，高可靠性是其他发展方向得以实现和发展的核心，只有提高了系统可靠性，中国柔性直流输电系统的其他方向才能得以健康稳定的发展。由此可见，可靠性是目前中国柔性直流输电系统的瓶颈所在。

同时，根据愿景规划，柔直系统应囊括电压源换流器(VSC)、换流变压器、换相电抗器、直流电容器和交流滤波器五大模块，在可靠性层面上，这五大模块的均依托可靠性技术。标准需求方法论分析图如图1所示。

依据需求识别方法论，同一需求内的主体拥有相似的目标，但信息通信可能有不同的特性，要实现互操作则需要适应不同的要求，为了中国柔性直流输电系统的全部运行特性，某一模块的主体通常需要与其他模块的主体功能进行交互。可靠性是柔性直流输电系统运行的基础支撑，以保障系统互联互通、智能高效、安全稳定运行为前提。主要包括五个领域，分别是网络互联通信、智能传感系统、数据储存与管理、算法与计算平台以及在此基础上的信息通信安全。

如图1所示，根据以上以“对象-方法-目标”为主线的需求识别方法论概念模型分析，中国柔性直流输电系统总体上分为器件模块可靠性和信息通信可靠性，在围绕中国柔性直流输电系统发展的前提下，以器件装备可靠性和信息安全为核心，伴随着以相关技术的演进，对应可靠性标准的制修订成了大势所趋。

2 柔性直流输电工程可靠性工作需求调研

国内外已经开展了柔性直流输电工程可靠性、安全性研究[7 - 14]，但是在柔性直流输电工程高速发展的同时，也出现了质量可靠性等诸多问题；在工程研制阶段、生产、验收和使用阶段，柔性直流输电工程缺乏可靠性标准支撑，柔性直流换流阀可靠性标准需求迫切。

2.1 质量可靠性提升迫切需求

与常规直流输电系统核心器件大功率晶闸管相比，柔性直流输电采用的是IGBT，IGBT和控制IGBT的二次板卡等成为了影响柔直输电的核心部组件[13 - 14]。因核心部组件引入了更多了微电子、小功率电子组件，换流阀的控制方式和工况环境也更为复杂，常规直流输电质量控制与应用工程经验可借鉴的内容有限。

MMC功率模块作为柔性直流换流阀核心模块，除了常规电力电子器件外，还有二次板卡(驱动板、控制板、触发板、采样板等)、光纤、电源等。这些组成部件对MMC功率模块的可靠性起着决定性作用。某柔性直流输电工程2016—2019年运行情况显示(不完全统计)：MMC功率模块旁路故障较多，普遍存在工艺可靠性、软件可靠性和环境适应性等共性问题。

1)工艺可靠性问题：控制板卡AD芯片虚焊引起采样异常、测量装置端子压接不规范导致虚接。

2)软件可靠性问题：SCADA系统，即数据采集与监视控制系统，实时监测逻辑存在缺陷故障导致系统跳闸。

3)环境适应性问题：运输引起的电源连线松动导致供电异常、主控板光纤座进异物或灰尘导致通讯异常、均压电极腐蚀结垢等。

柔性直流输电技术正处于不断走向成熟的阶段，工程运行数据少，在这过程中不可避免的存在一定的质量可靠性问题，虽然工程有进行冗余设计，但换流阀被迫停运的事情还是时有发生，质量可靠性提升需求迫切。

2.2 工程研制需求

柔性直流输电系统通常由换流阀塔和换流阀控制保护系统组成[15 - 16]。其中换流阀塔由多个子模块、结构件和水冷系统组成，子模块是换流阀内最小的功能电气单元，为柔性直流输电系统的核心部件。换流阀控制保护系统，通常包括IGBT换流阀子模块控制器、阀基控制设备、IGBT元件监控系统3个部分，主要功能是负责对换流阀进行触发、监测和保护，其性能的优劣直接决定换流阀及整体系统的安全可靠。在工程研制阶段：

1)模块级：MMC功率模块除了核心电力电子器件(电子电力器件供应商提供质量与可靠性相关数据)外，其他组成部件质量可靠性缺少保障。MMC功率模块在运行条件下，通常受到高温、强电磁干扰、浪涌等电应力因素的影响，需要在工程设计阶段，开展有效的元器件优选与控制、热设计、电磁兼容设计、防护设计、焊接工艺优化等可靠性设计、分析与评价，以保障其可靠性水平。

2)设备级：换流阀塔是通过子模块之间通过串联螺旋上升方式构成阀塔的基本电气连接。在这个过程中，组装工艺也将对换流阀的可靠性与安全性产生重要影响。工艺的分析与评价手段、规范的建立对工程的建设具有重要意义。

3)系统级：换流阀塔和换流阀控制保护系统作为一个整体，通过软件的指令实现触发、监测和保护。软件的可靠性直接影响到整个系统的可靠性水平，软件的可靠性、安全性亦需要相关设计准则、标准指导。在工程设计定型前，需要可靠性试验与评价标准指导开展可靠性摸底与寿命评价，以确保系统可靠性水平达到了工程质量要求。

4)柔性直流换流阀与常规直流输电的运行条件存在较大的差异，需要确定全寿命周期的环境类型及其量值，才能充分、有效的开展可靠性工作。

2.3 工程验收需求

在工程验收阶段，柔性直流输电工程缺乏可靠性评价手段。以正在建设的乌东德工程为例，要求工程设计寿命40 a。设备使用方需要有效的、统一的可靠性评价手段，充分的验证现有的工程建设是否满足工程的指标要求，以及对比各承制方设备的质量可靠性水平。

此外，需要可靠性分析与评价手段寻找可靠性薄弱环节，支撑工程开展维修维护策略的制定。如：乌东德工程要求换流阀功率模块二次板卡的使用寿命应按照同换流阀使用寿命设计，如果不能满足设计寿命要求，承制方应该提出所供二次板卡的使用寿命，还应提出更换年限。

2.4 工程使用需求

在工程运行阶段，为了确保设备正常可靠性运行，换流站通常会开展设备检修，包括事后检修、预防性检修以及基于设备状态的检修。随着故障预测和健康管理(precacction and health management,PHM)技术、马尔科夫状态模型在电力设备中的应用发展[17]，工程需要尽量避免事后检修，在事故发生前，评估实际运行条件下的故障概率、电网风险，为设备最终的检修决策提供科学依据。柔直输电工程需要使用可靠性技术支撑维修决策的制定。

此外，从20世纪90年代开始，国内在军工领域在已开展导弹、鱼雷等定延寿工程，目前可靠性与定延寿技术已经在军工领域得到了全面应用，产生了巨大的经济和军事效益。2018年2月美国标准化委员会ANSI批准颁发了ASNI/UL 4143风电机组寿命延长标准，也是全球首个国家级风电机组延寿标准。未来随着柔性直流输电工程的运行到寿，以及国内外可靠性与定延寿技术的发展，电力工程的定寿延寿也将会是未来发展的重要趋势。如何开展定寿延寿决策，也需要使用可靠性相关技术支撑。

3 柔性直流输电设备标准现状分析及存在的问题

3.1 器件级可靠性标准相对成熟

IGBT、电容器、晶闸管等电力电子器件可靠性测试相关标准相对较多[18 - 21]。如核心器件IGBT的可靠性相关标准如下。

《GB/T 29332—2012 半导体器件 分立器件 第9部分：绝缘栅双极晶体管》[22]针对绝缘栅双极晶体管(IGBT)耐久性和可靠性试验的试验条件、试验方法、接收判定特性和接收判据等进行了明确指导。等同于IEC 60747-9：2007[23]。

国家军用标准GJB 33A系列标准[24]，结合我国军事电子装备对半导体分立器件的需求，给出了各类半导体分立器件的详细要求，包括设计、结构、质量保证规定、包装等。此外还将筛选试验纳入了标准，规定了产品保证等级的质量一致性检验等。

《GJB 128A—1997 半导体分立器件试验方法》[25]规定了半导体分立器件的通用试验方法。类似国外《MIL-STD-750D 2006半导体测试方法》[26]建立了统一的半导体器件测试方法，包括确定对自然环境和军事行动环境有害影响抵抗力的基本环境测试、机械性能测试和电特性测试。

汽车电子领域中汽车电子委员会、组件技术委员会联合颁布的《AECQ 101 基于离散半导体元件应力测试认证的失效机理》[27]包含了离散半导体元件(如晶体管、二极管等)最低应力测试要求的定义和参考测试条件，目的是确定一种器件在应用中能够通过应力测试以及被认为能够提供某种级别的品质和可靠性。

3.2 板卡级可靠性标准基本空白

目前柔性直流换流阀设备二次板卡，主要是参考标准IEC 62501[28]、GJB 150A[29]，针对二次板卡主要开展性能试验和环境试验。性能试验主要包括：功能性试验、稳态试验等，环境试验包括电磁兼容试验、温度循环试验、高温试验、盐雾试验、高温寿命试验、高温寿命试验、振动冲击试验等。此外，还根据需要，开展168 h的高温老化试验。板卡级产品可靠性设计分析、试验与评价标准缺失。

以电磁兼容为例，柔性直流换流阀由于IGBT阀体开关动作，电流电压变化引起的高频电磁干扰可达数十兆赫兹，远大于传统直流换流阀[30 - 32]。并且这种高频电磁干扰通过连接变压器和电抗器传导到交、直流侧，同时还通过阀体本身、导线等向空间辐射电磁能量产生空间辐射电磁骚扰。针对这种复杂、严酷的电磁环境，目前还没有明确的指导性标准可以指导设备研制单位开展相关的试验分析。目前仅能参考《GB 17626 电磁兼容》[33]系列标准，开展静电放电抗扰度试验、射频电磁场辐射抗扰度试验试验、电快速瞬变脉冲群抗扰度试验、浪涌(冲击)抗干扰度试验、射频场感应的传导骚抗扰度试验等，试验等级的选取也没有明确的指导性建议。大多数设备研制单位试验等级选取缺乏依据，只能靠经验选择较高的试验等级开展。而从柔性直流输电技术的应用情况来看，仍然存在单元控制板通信异常、驱动板驱动异常等典型电磁兼容性问题。

3.3 设备级及系统级可靠性标准缺乏

目前，国内没有针对柔性直流输电设备可靠性相关标准，只有技术规范和型式试验标准。

其中，技术规范有：《GB/T 37010—2018 柔性直流输电换流阀技术规范》[34]规定了柔性直流输电换流阀的使用条件、技术要求、试验要求、运行维护、包装与运输等，并对换流阀的冗余度设计、子模块和IGBT的故障率计算方式等相关可靠性内容进行了初步要求。《GB/T 37008—2018 柔性直流输电用电抗器技术规范》[35]规定了柔性直流输电用电抗器的使用条件、技术要求、试验项目及方法、包装、运输和贮存等，并未涉及可靠性相关内容。

型式试验标准有：《DL/T 1513—2016 柔性直流输电用电压源型换流阀 电气试验》[36]、《GB/T 33348—2016 高压直流输电用电压源换流器阀电气试验》[37]，其中《GB/T 33348—2016》与《IEC 62501: 2014》等同采用。型式试验标准均未涉及可靠性相关内容。

柔性直流输电设备可靠性分析、检测、试验与评价手段缺乏。借鉴常规直流输电系统，国内外研究学者也开展了大量的柔性直流输电系统质量可靠性研究，如，柔性直流输电系统的可靠性评估手段有：串并联等值法、频率持续时间法(FD法)、基于FD法和模型组合法、k/n(G)模型、通过基于失效率的可靠性预计的方法和相似产品法等[38 - 50]。但是，柔性直流输电系统现有的可靠性评估方法和精度均依赖于最小单元的故障率和修复时间等基础数据，而目前柔直工程运行数据少，同时缺少试验分析手段和试验数据支撑，很难达到精确的可靠性评估。

目前柔性直流输电设备及系统级可靠性标准缺乏，各产品供应商之间也缺乏一套统一可靠性验收标准进行可靠性指标验收。

4 其他相关领域的可靠性标准研究

针对目前国内柔性输电系统可靠性标准缺失的问题，进一步梳理其他相关领域可靠性标准现状，借鉴其他领域相关经验，为柔性输电系统可靠性标准体系建设提供参考。

4.1 可靠性国家标准

全国电工电子产品可靠性与维修性标准化技术委员会(SAC/TC24)组建于1982年，与国际电工委员会可信性技术委员会(IEC/TC 56)对口。IEC/TC56负责可信性领域的国际标准制订及维护工作。包括可信性管理、系统可信性、可靠性与可用性、可恢复性、维修性、维修保障和安全风险分析等相关共性技术基础专业领域。其中0107对应的是安全性工程，0102对应的是可靠性工程。IEC/TC56目前发布的现行有效标准有55项，这些标准为元器件、设备、软件和系统装备等电工电子产品整个寿命周期的可信性评估和管理提供了系统的方法和工具。其中有22项已等同采标转化为国家标准，目前还正在制修订的标准19项。目前制修订的标准主要以等同采用国际标准为主，大部分为可靠性相关标准，包括：可靠性设计、可靠性试验、可靠性增长、现场工作可靠性等。

4.2 可靠性国家军用标准

可靠性现行有效国家军用标准有38项。其中，国家军用标准《GJB 450A—2004 装备可靠性工作通用要求》[51]规定了装备寿命周期内开展可靠性工作的一般要求和工作项目。明确了军用装备可靠性标准体系内容，将可靠性工作分为5个系列，即100系列—可靠性及工作项目要求的确定，200系列—可靠性管理，300系列—可靠性设计与分析，400系列—可靠性试验与评价，500系列—使用可靠性评估与改进。涵盖了装备论证、方案制定、工程研制与定型、生产与使用各个阶段的可靠性要求，是指导军方开展装备可靠性工作的纲领性文件。

4.3 核电领域可靠性标准

核电领域现行的可靠性相关标准有36项，主要分布，包括：国家标准(GB)5项，核工业标准(EJ)19项，以及能源行业核电标准(NB)12项。这些标准内容包括：可靠性要求、可靠性管理、可靠性设计、可靠性试验、可靠性分析评价、使用阶段可靠性、软件可靠性和质量管理8个类别。其中有7项标准在制修订过程中参考的国际国外先进标准的成熟经验[52 - 53]。

国际国外的核电领域现行可靠性标准主要来源于ANSI、IEEE、ISO、GOST和IEC，共计23项标准，涉及的类别主要包括：可靠性要求、可靠性管理、可靠性设计、可靠性分析与评价、使用阶段可靠性和质量管理。我国核电可靠性标准与国际国外核电可靠性标准的具体分布情况详细见表1。

表1 核电领域可靠性标准分类情况表Tab.1 Classification of nuclear power reliability standards

我国核电领域可靠性标准化工作取得了一定成绩，对核电厂系统和设备的安全可靠发挥了重要的作用，但是也有一定的不足，如没有建立核电设备可靠性标准体系、现有可靠性标准不完整等问题。中国核电领域可靠性标准的建设还需进一步的更新完善。

5 中国柔性直流输电领域可靠性标准制定方向

5.1 工程建设

目前中国高电压大容量柔性直流输电技术工程建设正处理快速发展期，但是目前柔性直流输电相关国家标准体系尚未建立，有关技术标准也较为匮乏，导致柔性直流工程建设过程缺少标准指导与约束。因此急需建立一套柔性直流输电可靠性标准体系满足柔性直流工程建设需求。

结合工程建设周期，柔性直流输电可靠性标准体系建设可以分3个阶段进行构建，3个阶段分别为规划设计阶段、工程建设阶段、工程运行阶段。

在规划设计阶段，柔性直流输电可靠性标准体系应建立系统/设备可靠性工作通用要求，并依据可靠性通用要求规划工程周期内重点的可靠性工作项目，制定可靠性工作计划，指导工程周期内承制方通过一系列的可靠性活动提升和保障可靠性水平，并通过一定的评价活动验证工程的可靠性水平。

工程建设阶段，柔性直流输电可靠性标准体系重点规划元器件、材料优选与控制，可靠性强化试验，可靠性摸底试验，可靠性综合评价，可靠性验收规范。在工程建设阶段，利用可靠性标准规范指导生产、制造，不断提升产品的可靠性水平，将可靠性制造到产品中。

工程运行阶段，柔性直流输电可靠性标准体系重点规划维修维护规程、使用可靠性评估指南、定寿延寿指南规范。在工程运行阶段，科学合理的维修维护，使得产品全寿命周期内能效比最优。

结合规划设计阶段、工程建设阶段、工程运行阶段可靠性工作，建立可靠性工作通用要求等顶层标准或规范，形成柔性直流输电领域可靠性标准技术体系。

5.2 技术需求

针对目前柔性直流输电领域电磁兼容试验等级选取缺乏依据、可靠性评价技术不适用等技术现状，急需制修订一批标准以满足柔性直流输电高质量发展的技术需求。因此建议按照产品结构维度分器件级、板卡级、设备系统级进行可靠性标准体系细化工作，具体建议如下。

器件级标准：IGBT、电容器、开关、母排、半导体分立器件、集成电路、电阻等器件级环境应力筛选、可靠性试验与评价标准或规程。

板卡级标准：通讯板、控制板、驱动板等二次板卡可靠性建模预计分配、有限元仿真、可靠性强化试验、可靠性评价、电磁兼容试验标准或规范。

设备系统级标准：功率模块、换流阀、换流变、联结变、桥臂电抗器等关键设备以及柔性直流输电系统工程可靠性试验与评价、软件可靠性、可靠性验收、使用与维修标准或规范。

5.3 产业发展

随着我国经济发展和人民生活水平不断提高，对电力的需求的不断增大，以及国家的高质量发展战略，给电网的性能和质量可靠性提出了更高的要求。现在对柔性直流输电工程寿命明确从原来的30 a提高到了40 a。

因此必须开展柔性直流输电领域质量可靠性技术攻关，借鉴常规直流输电标准，结合现有南澳、鲁西、乌东德等工程建设经验，形成可靠性标准体系，为柔性直流输电工程提供检测手段、试验技术、评估方法，以促进行业高质量发展。

6 柔性直流输电领域可靠性标准体系建设建议

通过上述调研与分析，我国亟需开展柔性直流换流阀可靠性标准体系建设，该体系框架的初步建设建议如表2所示。

1)建立可靠性工作通用要求，用以指导工程全寿命周期内各个阶段可靠性工作的开展。包括制定可靠性工作计划、可靠性管理、可靠性设计准则等。

2)建立可靠性设计与分析、可靠性试验与评价等相关标准，支撑柔性直流换流阀工程研制阶段的可靠性工作的开展，包括板级、设备级和系统级的可靠性分析、试验与评价，在研制、生产阶段保障工程的质量可靠性水平。同时为工程的使用方提供科学分析与评价手段，为工程竞标和验收提供统一的、有效的评价标准。

3)建立使用可靠性评估标准，为工程运行维护方案制订、可靠性改进、定延寿等工作开展提供重要支撑。

表2 柔性直流输电领域可靠性标准建议Tab.2 Reliability standard recommendations in the field of flexible DC transmission

7 结语

本文调研了国内柔性直流输电工程可靠性工作需求，分析了柔性直流输电设备标准现状及存在的问题，并借鉴其他相关领域可靠性标准现状，从工程建设、技术需求和产业发展3个方面提出中国柔性直流输电领域可靠性标准的制定方向，并对柔性直流输电领域可靠性标准体系提出建设建议。可为柔性直流输电系统工程论证、研制、生产、验收提供质量可靠性保障，同时为工程的使用和维修维护，甚至未来的工程“定延寿”提供科学的技术手段。