特高压柔性直流换流阀启停过...阀控自检功能缺陷及优化方法_卢堃.pdf

特高压柔性直流换流阀启停过程阀控自检功能缺陷及优化方法卢堃，周世威（中国南方电网有限责任公司超高压输电公司柳州局，广西 柳州 ）摘要：在当今的输电技术中，柔性直流输电技术已经成为一种主流技术形式。而在柔性直流输电技术的具体应用中，柔性直流换流阀阀控是其核心部分。首先介绍了柔性直流换流阀阀控系统结构，然后针对阀控系统的全链路试验系统架构进行介绍，同时阐释了特高压柔性直流换流阀启停过程阀控自检功能及阀控旁路模块逻辑。通过开展柔性直流换流阀的阀控系统自检功能试验，验证阀控系统自检功能的正确性与可靠性，同时针对试验中所出现的问题，对阀控系统自检功能提出优化方案，从而实现阀控系统可靠性的提升。关键词：柔性直流输电技术；阀控系统；自检功能中图分类号：，（，）：，：；收稿日期：作者简 介：卢 堃（），从 事 高 压 直 流 运 维 工 作；周 世 威（），从事高压直流运维工作。引言基于模块化多电平换流器的高压直流输电（，）技术已成为高压直流输电发展趋势。根据国家“十三五”及南方电网“十三五”规划，云南昆北至广西柳州和广东龙门的多端混合直流工程（简称昆柳龙直流）已于 年建成投产，其输送容量为 ，是南方电网输送容量 最 大 的 直 流 工 程。昆 柳 龙 多 端 直 流 工 程 采 用 多端混合直流输电方案。其中，送端云南建设 、常 规 直 流 换 流 站（云 南 昆 北 换 流站），受端广东建设 、柔性直流换流站（广东龙门换流站），广西建设 、柔性直流换流站（广西柳州换流站），送电距离全长约 。目前，对柔性直流阀控的测试和试验方法已经有了大量研究。文献 针对厦门 柔性直流输电工程进行了阀控保护系统设计，详细描述了阀控的功能模块设计，并实现了工程应用。文献 提出了南方电网鲁西背靠背直流异步联网工程控制保护系统设计方案，并对控制保护功能及性能试验做了说明。但以上文献均未提及柔性直流阀控测试和试验的方法。文献 提出了柔性直流阀控全链路试验方案，详细描述了阀控架构、全链路试验系统架构及其主要的模拟功能、试验项目设计等，但只是从宏观的角度对阀控全链路的整套试验方案进行阐述，并未从微观角度提及换流阀的阀控自检功能。为此，本文对特高压柔性直流换流阀启停过程阀控自检功能进行重点研究。电工技术电力自动化柔性直流混合型结构 柳州换流站的混合型 由个桥臂构成，分别为 相上桥臂、相下桥臂 、相上桥臂、相 下 桥 臂 、相 上 桥 臂 、相 下 桥 臂。每个桥臂由 只功率模块串联组成，其中 只为全桥功率模块（包含 只冗余模块），只为半桥功率模块。混合型 拓扑如图所示。图混合型 电路柔性直流阀控系统 柔性直流阀控系统架构本文所述柔性直流换流阀阀控系统（）主要由面双重化冗余的阀控主机屏、面阀脉冲分配屏组成。其中，阀控主机屏主要完成顺控逻辑，并接收来自换流器控制保护系统（）的控制命令和数据，将 下发的电压调制信号转换为触发脉冲传送给脉冲分配屏，从而控制每个功率模块工作；同时阀控主机屏还实现冗余切换、环流抑制及故障保护等功能。脉冲分配屏主要用于接收上层阀控主机屏的控制保护命令，向上层阀控主机屏反馈换流阀的状态和故障信息；同时向下层功率模块控制板发送控制命令，并接收功率模块上传的状态和故障信息。阀控主机屏和脉冲分配屏采用交叉冗余连接方式，如图所示。图阀控交叉冗余架构 全链路试验系统架构本文所涉及的试验系统是基于“直流系统控制保护阀控功率模块单元控制实时数字仿真器”为架构的全链路试验系统，如图所示。该系统能够验证以往功能性试验动态性能试验（）无法覆盖的光纤分配、模块控制板卡等环节的逻辑功能，实现对光纤分配屏和高压柔 性 直 流 换 流 器 内 部 高 电 位 控 制 保 护 功 能 的 全 面测试。图全链路试验系统架构 阀控系统顺控逻辑阀控系统顺序控制主要有停运、不控充电、可控充电、解锁等状态，如图所示。图阀控系统顺序控制状态框图（）停运状态下，、建立通信连接，对 的所有软件与硬件故障信息进行检测。（）不控充电状态下，接收 下发的充电命令，交流侧断路器合闸对换流器进行充电。由于换流阀功率模块的控制板卡取电于换流阀，当模块电压大于 时控制板卡取能电源开始工作，因此根据换流阀功率模块控制板卡得电情况，可将该状态分为两个阶段，即功率模块电压小于 时控制板卡未得电与功率模块电压大于 时控制板卡得电。（）可控充电状态下，阀控通过执行自均压策略来实现功率模块电压的稳定。（）运行状态是指处于可控充电状态下的换流阀在收到 下发的解锁指令后进入运行状态。（）换流阀处于不控充电、可控充电及运行中的任何一个状态时，如果检测到故障，阀控就会将其转为停运状态。阀控系统模块旁路逻辑系统内部或外部发生扰动时，为了尽可能保证功率模块的安全，并避免整个系统因部分功率模块故障而停运，在出现故障功率模块时应能对其进行可靠旁路。功率模块是否允许旁路，取决于该功率模块所在桥臂是否允许旁路，即该桥臂的桥臂控制板接收到的由阀控主控板下发的“允许旁路信号”使能位是否有效（使能位为时有效，电力自动化电工技术 为时无效）。阀控主控板下发的“允许旁路信号”使能位有效的条件是功率模块上传至桥臂控制板的自检信息标志位为。其中，自检信息主要包含充电完成、配置完成和复位完成。如图所示，当功率模块的自检信息（配置完成、充电完成、复位完成）均满足时，该功率模块才能向桥臂控制板传递标志位，若三者中的任何一个不满足，则功率模块向桥臂控制板传递的标志位为。（）充电完成。功率模块电压达到 及以上时，模块控制板卡得电，即会给桥臂控制板反馈功率模块充电完成信号。（）配置完成。阀控主控板给桥臂控制板下发参数配置命令，功率模块收到桥臂控制板下发的配置命令和配置参数后，给桥臂控制板反馈配置完成信号。（）复位完成。桥臂控制板收到子模块反馈充电完成和配置完成的信号后下发复位命令，即把当前运行数据清零的操作信号。功率模块执行复位命令后，给桥臂控制板反馈复位完成信号。当桥臂控制板收到超过 只功率模块反馈回的充电完成、配置完成、复位完成信号时，阀控主控板下发至该桥臂的桥臂控制板“允许旁路信号”使能位有效。桥臂控制板“允许旁路信号”使能位有效下发后，若检测到该桥臂某功率模块故障（如上行通信故障、下行通信故障以及其他故障）时，则该功率模块旁路。以相上桥臂为例，功率模块旁路逻辑如图所示。图 桥臂控制板模块旁路逻辑框图 阀控冗余用尽保护的个桥臂中，每个桥臂有 个子模块，其中 个用作冗余。若某桥臂旁路模块数超过 个，则称该桥臂子模块冗余用尽，阀控系统中的冗余用尽保护会出口，使阀控系统退至停运状态。功率模块自检信息的传递功率模块自检信息主要包含充电完成、配置完成、复位完成。功率模块自检流程如下。（）功率模块上电后，模块控制板通过硬件实现信息自检，将自检信息上传到阀控系统。（）模块控制板完成自检后，上传自检信息到脉冲分配板，脉冲分配板对自检信息数据进行实时更新与锁存，再上传到切换板。（）桥臂控制板汇总整个桥臂的功率模块自检信息。（）桥臂控制板将功率模块自检信息反馈给主控板。（）桥臂控制板将命令字发送到脉冲分配板。（）脉冲分配板接收命令字并发送到模块控制板。（）模块控制板接收命令字。功率模块自检信息数据传递流程如图所示。图功率模块自检信息数据传递流程图功率模块启停过程自检功能试验仿真结果的分析验证 主回路参数根据昆柳龙直流系统结构与电气参数，在 中搭建一个 阀组单端系统的仿真模型。为了能够产生额定的直流电流，另一端以电流源代替。主回路参数见表。表 主回路参数参数数值单阀组电压 额定直流电流 桥臂功率模块数 个 （全桥模块 ，半桥模块）功率模块额定电压 功率模块电容 桥臂电抗器 变压器额定电压 启动电阻 全链路试验系统全链路试验系统是基于 的半实物仿真平台，主要包含以下几个部分：一套简化的换流器控制系统、一个阀组完整的阀控系统（套冗余配置）、全链路试验功率模块模拟与接口装置、仿真器。仿真平台配备功率模块接口装置 ，与实际控制装置的光纤连接，以及实现阀控的功率模块级控制保护逻辑。每台 模拟 个 功 率 模 块，每 个 阀 组 配 备 台 机箱。试验步骤为了确保阀控在不掉电或掉电后复电的情况下启动过程中均能准确进行自检，且不影响系统运行，开展了柔性直流换流阀阀控自检功能试验。柔性直流换流阀启动过程自检功能检验的试验步骤如下。步骤，按顺控流程将由停运操作至运行状态，电工技术电力自动化之后闭锁停运换流阀。步骤，将阀控的 套主机和光纤分配屏掉电，并将阀控的 套主机和光纤分配屏复电。步骤，按顺控流程将由停运操作至运行状态，之后闭锁停运换流阀。试验结果与分析 试验结果在执行试验步骤时，顺控流程正常操作至解锁，且闭锁也正常，无跳闸现象。进行试验步骤时，阀控无告警信息。进行试验步骤时，即将阀控的 套主机及 光纤分配屏复电后，将阀组由停运操作至不控充电时，在功率模块控制板卡未取电前，阀控检测到模块上行通信故障，、桥臂控制板立刻下发功率模块旁路命令（桥臂控制板未下发功率模块旁路命令），同时阀控子模块冗余用尽保护出口导致系统跳闸，试验失败。原因分析通过分析阀控的模块旁路使能在试验各阶段的信号，探究该试验失败的原因。在执行试验步骤时，各桥臂控制板收到的自检信号见表。其中，标志位为指该桥臂已超过 个换流阀模块的自检过程（充电完成、配置完成、复位完成）完成并满足运行要求，此时该桥臂的换流阀模块允许旁路；若标志位为，则该桥臂未收到超过 个功率模块自检完成信号，此时该桥臂的换流阀模块不允许旁路。表 执行步骤的自检信号换流阀启停过程 停运不控充电（模块自检完成前）不控充电（模块自检完成后）可控充电 运行 闭锁 停运 执行试验步骤、时，先将阀控的 套主机和 光纤分配屏掉电，然后将阀控的 套主机和 光纤分配屏复电，之后再进行完整的启停顺控操作。该过程桥臂控制板收到的自检信号见表。表 执行步骤、的自检信号换流阀启停过程 停运（阀控主机和光纤分配屏掉电后复电）不控充电（模块自检完成前）由表、表可以看出，在换流阀闭锁停运后，个桥臂控制板仍能收到标志位为的自检信号；而当对阀控的 套主机和光纤分配屏掉电、复电操作后，除了 桥臂的桥臂控制板收到标志位为的自检信号（该桥臂不允许模块旁路）外，其他个桥臂的桥臂控制板均收到标志位为的自检信号（桥臂允许模块旁路）。因此，在其他个桥臂的功率模块自检完成前，阀控检测到模块上行通信故障（功率模块控制板卡未得电，阀控主机掉电重启，模块接口装置与阀控的通信逻辑问题等多种因素综合导致），、桥臂控制板会立刻下发功率模块旁路命令，同时子模块冗余用尽保护出口导致系统跳闸，试验失败。分析阀控系统自检功能流程发现，在换流阀闭锁后，功率模块未清除自身的充电完成、配置完成、复位完成标志位，而脉冲分配板仍能接收到功率模块上传的自检信息数据并进行锁存，导致阀控桥臂控制板在功率模块失电后，依然能收到脉冲分配板锁存的自检信息为的标志位，此时桥臂允许模块旁路。功率模块自检信息数据传递流程如图所示。图 功率模块自检信息数据传递流程图（阀控优化前）在阀控的 套主机和光纤分配屏掉电、复电操作后，由于脉冲分配屏重启过，因此桥臂的桥臂控制板锁存的自检信号已经清零，当系统再次进入不控充电状态时，不满足功率模块旁路条件。而除桥臂外的其他个桥臂，由于功率模块不具备闭锁后将自检信号清零的功能，因此换流阀闭锁后脉冲分配板锁存的自检信号标志位一直为。当系统再次进入不控充电状态时，除桥臂外其他个桥臂均满足功率模块旁路条件。阀控优化方案及验证针对上述的结果分析，提出优化方案。功率模块在接收到闭锁停运命令后，其控制板卡需清除自身的充电完成、配置完成、复位完成标志位，从而实现脉冲分配板锁存的充电完成、配置完成、复位完成信号也在阀组停运前更新清除，同时将信号上传桥臂控制板，实现阀组闭锁停运后旁路使能条件不满足。优化方法如图所示。图功率模块自检信息数据传递流程图（阀控优化后）将优化方法更新至阀控系统后，重新进行试验。阀控优化后换流阀启停操作桥臂控制板收到的自检信号见表。执行试验步骤，将阀控的 套主机和 光纤分配屏掉电，并将阀控的 套主机和 光纤分配屏复电，之后执行试验步骤，进行完整的启停顺控操作，功率模块自检信号见表。电力自动化电工技术 表阀控优化后执行步骤的自检信号换流阀启停过程 停运不控充电（模块自检完成前）不控充电（模块自检完成后）可控充电 运行 闭锁停运表阀控优化后执行步骤、的自检信号换流阀启停过程 停运（阀控主机和光纤分配屏掉电后复电）不控充电（模块自检完成前）不控充电（模块自检完成后）可控充电 运行 闭锁停运由表、表可以看出，运行的阀组在收到闭锁命令后各桥臂的桥臂控制板收到的自检信息标志位均为，此时功率模块旁路条件不再满足。当再次对系统进行不控充电时，在模块取电成功前无论阀控系统是否检测到故障，功率模块旁路使能均无效。这从根本上解决了上述功率模块自检功能试验失败的问题。结语本文基于柔性直流阀控系统的全链路试验方案，通过实时仿真平台开展柔性直流换流阀自检功能试验，并对该试验结果进行分析。试验结果表明，该阀控系统自检功能的识别是可靠及正确的，然而在对阀控主机屏及脉冲分配屏进行掉电重启试验时，阀控系统也呈现出了逻辑上的漏洞，通过增加阀组闭锁时对功率模块控制板卡进行自检信号自清除的措施，使该逻辑漏洞得以补全，极大提升了阀控系统的可靠性及自适应性。参考文献 谢惠藩，付超，李诗旸，等 昆柳龙多端直流线路故障恢复及换流站在线退站的系统稳定特性分析 南方电网技术，（）：成慧雯，王渝红 混合型 单站带电投入运行的充电策略南方电网技术，（）：黄润鸿，陈俊，龚文明，等柔性直流阀控全链路试验方案及实时仿真南方电网技术，（）：杨卫刚，宗文志，姜喜瑞，等厦门 柔性直流输电换流阀及阀控制保护系统设计和工程应用智能电网，（）：刘涛，李婧靓，李明，等南方电网鲁西背靠背直流异步联网工程控制保护系统设计方案南方电网技术，（）：（上接第 页）远端故障。每个故障点均涵盖单相接地、相间故障、三相故障；故障类型包括金属性接地、高阻接地、相间经高阻、频率偏移等。故障前系统运行工况，按如下种工况设置。（）各站均设置为负荷，正常负荷时母联电流为。（）各站均设置为小系统，正常负荷时母联电流为。（）各站均设置为小系统，正常负荷时母联电流为。在上述故障前系统运行工况下，针对甲线、，丁线 、在不同故障类型下触发的故障状态，装置的故障方向判断结果均正确。结语基于故障点方向记忆及故障特征分级的故障方向判别方法，实现原理简单，可在一定程度上提高方向元件的准确性，提高方向元件对异常波动及 饱和等工况的适应性；通过故障特征分级筛选的方法，可充分发挥各方向元件的优点。本文论述的故障方向判别实现方法，对于解环装置等对方向判别要求重准确轻速度的工况，具有一定参考价值。参考文献 王彦国，余群兵，金震一种快速解环保护及合解环方案电工电气，（）：陈晓彬，孙旭，陆金凤，等基于母联功率方向的环网快速解列方法电气技术，（）：屈万龙，高树功，梁健，等双回线环网运行的快速解环装置研制 电力自动化，（）：张保会，尹项根 电力系统继电保护 版 北京：中国电力出版社，申志成，张慧媛，龚仁敏 反应全类型故障的改进零序方向元件 电力系统保护与控制，（）：谢俊，李勇，刘宏君，等线路纵联零序方向保护误动机理分析及对策研究 电力系统保护与控制，（）：武凯 饱和对方向元件的影响及应对措施济南：济南大学，电工技术电力自动化