±800kV特高壓直流輸電換流閥控制保護系統工作原理及其工程應用

王華鋒，陳龍龍，林志光，鄭林，湯廣福

(國網智能電網研究院，北京市 102209)

0 引言

錦屏—蘇南±800kV特高壓直流輸電工程送端為錦屏裕隆換流站，受端為同里換流站。額定容量為7200MW，額定電壓為±800kV，最高運行電壓為±816 kV，額定電流為 4500 A。送電距離約為2093.5 km［1-2］。

該工程是雙極直流系統，包括2個完整單極，分別為極Ⅰ和極Ⅱ。每個完整單極每端由高端和低端2個電壓相等的12脈動換流器串聯組成，其中極Ⅱ低端為中電普瑞電力工程有限公司自主研發A5000型換流閥。直流控制保護系統為ABB公司DCC800。

該工程于2012年6月24日—7月11日完成雙極低端系統調試，2012年7月12日投入試運行。在系統調試和試運行期間，極Ⅱ低端換流閥控制保護系統穩定可靠，沒有出現故障。本文將詳細描述裕隆換流站極Ⅱ低端換流閥控制保護系統工作原理和工程調試及運行情況。

1 換流閥控制保護系統工作原理

將直流輸電換流站和直流輸電線路的全部控制功能按等級分為若干層次而形成控制保護設備結構。采用分層結構，可以提高運行的可靠性，使任一環節故障所造成的影響和危害程度控制到最小，同時還可以提高運行操作、維護的方便性和靈活性。特高壓直流輸電控制保護設備一般設有6個層次等級［3］，原理如圖1所示。從高層次等級至低層次等級分別為:系統控制保護級、雙極控制保護級、極控制保護級、換流器控制保護級、單獨控制保護級或換流閥控制保護級。換流閥控制保護系統屬于最底層一級設備，實現換流閥觸發、監測和保護功能，為直流輸電控制保護系統的核心設備，控制保護對象為換流閥。

圖1 直流輸電控制保護設備分層結構Fig.1 Layered structure of HVDC control and protection equipment

1.1 原理概述

換流閥控制保護系統由閥基電子設備(valve base electronics equipment，VBE)、晶閘管觸發監測單元(thyristor trigger and monitor unit，TTM)、漏水檢測器和避雷器動作指示器組成［4-7］，其中VBE處于地電位，TTM、漏水檢測器和避雷器動作指示器處于高電位。換流閥控制保護系統原理如圖2所示。上層控制保護系統有換流器控制保護設備(convertor control protection，CCP)、數據采集與監控系統(supervisory control and data acquisition，SCADA)和 全球定位系統(global positioning system，GPS)，VBE 和 CCP采用光纖傳輸各種控制信號，提高抗干擾能力;VBE和SCADA系統通過Profibus通信傳輸事件信息;GPS將時鐘信號傳輸給VBE。VBE和高電位設備采用光纖傳輸，提高抗干擾能力和保證絕緣強度。

1.2 閥基電子設備

VBE主要由CCP信號處理模塊、SCADA系統通信模塊、自檢和保護模塊、換流閥觸發監測保護模塊等組成，VBE和外部設備連接原理如圖3所示。VBE為完全獨立的雙冗余系統，一套處于運行狀態，另一套處于熱備用狀態［8］。若運行系統出現故障，可無擾動切換到另一套系統運行，允許帶電檢修和在線更換電路板，具有完善的自檢和保護功能。

CCP信號處理模塊接收CCP下發的各種高頻調制控制命令，對高頻調制控制命令進行解調，實現換流閥控制操作，VBE對換流閥的監測和保護、自檢和保護信號經過CCP信號處理模塊高頻調制后發送給CCP。控制保護系統下發給VBE的信號有:ACTIVE/INACTIVE(主從選擇)、DEBLOCK/BLOCK(解鎖閉鎖)、BPPO(投旁通對)、TEST(低壓加壓)、UNDER_V(低電壓)、CBON(開關分合);CP(12個單閥的觸發脈沖);閥基電子設備上傳給控制保護系統的信號有FP(12個單閥的觸發反饋脈沖)、VBE ok(VBE是否良好)、TRIP(跳閘)、RFO(準備就緒)。

SCADA系統通信模塊將換流閥的狀態信息和閥基電子設備本身的狀態信息發送給后臺監控系統，供運行人員監視，并且能夠執行后臺監控系統下發的遠程操作指令。

VBE自檢和保護模塊實時檢測自身的運行狀態，若發現異常，根據故障的嚴重程度將采取相應的保護措施。VBE自檢到輕微故障，只把故障信息通過Profibus總線上傳至SCADA系統;自檢到嚴重故障，通過CCP信號處理模塊向上CCP發送請求切換信號，并且把故障信息通過 Profibus總線上傳至SCADA系統。

換流閥觸發監測保護模塊為換流閥控制保護系統核心部分，主要完成對換流閥晶閘管的觸發控制、對換流閥晶閘管狀態信息的采集和換流閥保護、監測換流閥閥塔漏水情況、監測避雷器動作情況。在直流輸電系統正常投入運行或者系統試驗需要時，換流閥觸發監測保護模塊根據 CCP解鎖換流閥［9］，接收CCP下發的換流閥觸發指令，并對該指令進行解碼和重新編碼后發送至位于換流閥上的TTM。直流輸電系統正常或者故障停運時，VBE按照CCP進行換流閥閉鎖和投旁通對操作，閉鎖換流閥后，停止向換流閥發送觸發脈沖;投旁通對時向CCP選定的單閥發送觸發脈沖。當換流變充電，并且換流變閥側電壓滿足換流閥TTM取能要求后，VBE實時監測換流閥每個晶閘管級的運行狀態。當檢測到異常狀態時，采取相應的保護措施。不影響換流閥安全運行的故障，只把故障信息通過局域網上傳至SCADA系統;影響換流閥安全運行的故障，如某個單閥中已損壞或者過電壓保護動作的晶閘管級數超過設定值，VBE向CCP發送請求跳閘信號，避免導致更嚴重的故障，并且把故障信息通過局域網上傳至SCADA系統。

1.3 晶閘管觸發監測單元

TTM主要功能包括:取能和儲能、光電和電光轉換、晶閘管正常觸發監測、電流斷續保護、晶閘管反向恢復保護、正向過電壓和dv/dt保護等［11］。

TTM位于高電位，其工作電源從所在的晶閘管級阻尼回路獲取，所取得的能量需要滿足晶閘管強觸發、運算和邏輯電路工作要求。在直流輸電系統正常和故障狀態下，特別是當交流系統發生單相對地故障、三相對地短路故障或三相對地金屬短路故障時，TTM在一定時間內能夠維持正常觸發，不會因儲能電路需要充電而造成恢復的延緩。

光電轉換電路將VBE下發的光信號脈沖編碼進行光電轉換，供TTM邏輯控制電路，TTM根據VBE命令進行觸發和監測晶閘管;同時，將TTM實時檢測到的晶閘管級狀態、各種保護觸發信號轉換成光脈沖編碼回傳給VBE，實現TTM與VBE之間晶閘管級狀態信息的光信號傳輸。

正常觸發監測電路將光電轉換后的VBE觸發指令進行解碼，并觸發對應的晶閘管。在高壓直流輸電換流閥中，每個單閥都由很多晶閘管串聯組成，由于觸發系統及晶閘管本身參數的分散性，會導致串聯閥中各個晶閘管的開通時刻不盡相同，造成閥中元件承受的電強度差別較大，元件本身固有的耐受過電壓能力脆弱、dv/dt和di/dt承受能力有限等特點，可能會造成閥中某個晶閘管的損壞，影響換流閥的可靠運行。所以，TTM的觸發脈沖必須具備較好的同時性、一定的前沿陡度和足夠的幅度，這樣才有利于串聯閥中晶閘管的同時導通，減輕單個晶閘管所承受的電強度，確保晶閘管的安全運行。

TTM實時監測該晶閘管級的狀態，如晶閘管是否損壞、TTM取能是否正常、光通道是否正常、正向過電壓和dv/dt保護觸發等，將上述狀態通過特定的編碼發送至VBE。

晶閘管觸發導通后，晶閘管陽極需要一定的維持電流使其處于開通狀態，當電流低于維持電流時，晶閘管可能關斷。每個晶閘管特性存在微小差異，所需的維持電流略有不同。在換流站啟停或者小功率送電時，直流電流小，在晶閘管應導通的期間內，其陽極電流可能低于維持電流導致關斷，出現電流斷續，影響直流輸電系統運行。為避免電流斷續造成影響，TTM在晶閘管應導通區間內，一旦檢測到晶閘管兩端承受的正向電壓超過保護水平時，自動觸發導通晶閘管。

如果在反向恢復期內晶閘管端間過早地出現了正向電壓，TTM將重新觸發晶閘管，避免破壞性的擊穿。

當正向電壓和dv/dt超出晶閘管耐受能力將使其破壞性擊穿，TTM對其采取相應的保護措施。TTM實時采集經過分壓以后的晶閘管兩端電壓，一旦正向電壓或dv/dt達到保護水平，TTM將觸發晶閘管并向VBE發送該保護動作信號，保護晶閘管的安全;保護水平能夠連續平滑調節，非常靈活。

1.4 漏水檢漏器

安裝于閥塔底部的漏水檢測器和VBE漏水監視器共同完成閥塔漏水的監測［10］。當閥漏水檢測開關投入時，VBE漏水監視器實時向漏水檢測器發送一定頻率的光脈沖，當閥塔不漏水時，漏水檢測器光路通暢，發送的光脈沖返回至VBE漏水監視器。當閥塔漏水時，漏水檢測器光路被阻擋，發送的光脈沖不能返回至VBE漏水監視器，算作1次漏水。在一定時間內記錄不能返回的光脈沖次數，用以判斷漏水的級別(分為滲漏和泄漏)，閥塔漏水報警通過Profibus總線上傳至SCADA系統。

1.5 避雷器動作指示器

避雷器動作指示器安裝在閥體避雷器底部，與VBE之間采用光纖連接。避雷器動作時指示器產生特定編碼的光脈沖信號通過光纖送至VBE機柜內的避雷器監視器，VBE根據接收的編碼計算避雷器動作次數，并將避雷器動作次數通過Profibus總線上傳至SCADA系統。

2 工程調試及運行情況

錦蘇工程先后進行了換流閥分系統調試、站系統調試和端對端系統調試。分系統調試主要為低壓加壓試驗;站系統調試主要包括換流變帶電試驗、換流器不帶線路開路試驗和換流器帶線路開路試驗;端對端系統調試主要包括雙極低端換流器低功率試驗、極Ⅱ低端換流器低功率試驗、直流線路故障試驗、雙極低端換流器低功率試驗、雙極低功率試驗、雙極運行錦屏側孤島接線方式試驗、接地極線路故障試驗、交流線路故障試驗、極Ⅱ低端換流器大功率試驗和雙極低端換流器大功率試驗等180多個試驗項目。換流閥控制保護系統一次性通過所有試驗，2012年7月12日投入試運行以來沒有出現任何故障。

典型試驗波形如圖4～7所示。圖4為換流閥閉鎖波形，VBE收到CCP閉鎖命令后，立即閉鎖換流閥，直流輸出電流迅速下降至0;圖5為正常運行中主從系統切換波形，VBE檢測到CCP主系統信號故障，通過VBE ok發送給CCP，CCP進行主從切換，切換過程直流輸出電壓電流平穩，沒有任何擾動;圖6為主系統某一個單閥觸發脈沖丟失試驗波形，CCP和VBE檢測到觸發脈沖丟失后，進行主從切換，切換成功后直流輸出電壓電流很快恢復正常;圖7為直流輸出線路對地短路故障試驗波形，在故障錄波的0.5 s時刻，直流線路輸出對地短路，直流電壓由額定值瞬間下降至0，對地短路電流高達4600 A，直流線路輸出對地短路200 ms后，直流輸電系統在200 ms以內恢復正常運行。

3 結論

中電普瑞電力工程有限公司自主研發A5000型換流閥控制保護系統經過一系列的功能調試、抗干擾能力調試，一次性通過試驗。換流閥控制保護系統能夠按照上層控制系統完成所有控制操作，很好地監測換流閥每個晶閘管級、閥避雷器動作情況、閥塔漏水情況，并采取相應的保護措施。該換流閥控制保護系統投入工程運行以來，運行情況良好、性能特別穩定;原理設計正確，硬件和軟件可靠性高。

［1］國家電網公司.錦屏—蘇南±800千伏特高壓直流輸電工程換流閥(裕隆站)技術協議［R］.北京:國家電網公司，2011.

［2］國家電網公司.錦屏—蘇南±800千伏特高壓直流輸電工程換流閥(同里站)技術協議［R］.北京:國家電網公司，2011.

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［11］廖敏，藍元良，楊曉楠，等.±660 kV直流輸電工程換流閥控制系統的工作原理及工程應用［J］.電力建設，2011，32(7):21-24.