直流換流站換流閥控制技術比較分析

國網湖北省電力公司檢修公司 黃瑤玲 劉 潯 成 川 吳 萍 鄭 華 戴 迪

直流換流站換流閥控制技術比較分析

國網湖北省電力公司檢修公司 黃瑤玲 劉 潯 成 川 吳 萍 鄭 華 戴 迪

本文對國外換流閥生產廠家ABB、Siemens、ALSTOM三家公司換流閥閥控系統的硬件結構、軟件功能以及閥控與直流控制保護系統的接口進行了比較詳細的闡述，對直流輸電設備國產化后不同技術路線的直流控制保護系統與閥控系統的接口進行了說明，并提出相應的改進建議，希望能夠為規范國內直流控保與閥控系統通訊接口提供參考依據。

直流輸電；極控系統；閥控系統；國產化

1 引言

換流閥作為直流輸電的核心，換流閥的控制對直流輸電系統的安全穩定可靠運行顯得尤為重要。目前，國內的直流工程（包括特高壓直流）基本都采用ABB、Siemens、ALSTOM三家公司換流閥的閥控系統技術。三種技術路線在閥控原理及保護配置基本一致，但在硬件和總線結構上都有著各自的特點。但由于各自設計結構的不同，現場運行中也產生不同的問題，因此有必要對其進行比較分析，并提出合理的改進建議，為規范國內直流控保與閥控系統通訊接口提供參考依據。

2 ABB閥控技術

2.1 閥控系統與極控系統接口

極控系統PCP和閥控系統VCU均為冗余設計。其中VCU按照A、B、C三相分為VCA、VCB、VCC三塊屏，每塊屏又分為VCY和VCD兩個機架，分別觸發和監控一個極的6個閥塔。

極控系統PCPA/B與閥控系統VCUA/B采用單對單連接，即極控A與閥控A通訊，極控B與閥控B通訊。兩者之前完全采用光纖進行通訊。以一個系統為例，極控與閥控通訊示意圖如圖1所示。

圖1 極控與閥控之間通訊示意圖

VCU同時接收極控主、從系統的控制脈沖，而只有主系統控制脈沖有效，控制脈沖為并行傳輸，如圖1所示，VCU通過主/備狀態的選擇來確定控制脈沖。最后產生的點火脈沖返回到極控系統與控制脈沖相比較，如果不一致則報控制脈沖故障告警。THM用于監視換流閥系統的狀態和將相關告警信息送往運行人員工作站。

2.2 閥控系統與TCU接口

閥控系統與可控硅觸發單元TCU之間的通訊為非冗余配置，每塊觸發脈沖接口板PS906最多可以傳輸16路點火脈沖，同時最多接收16路TCU產生可控硅狀態指示信息。同時，由于每個閥塔都配置了漏水檢測裝置和閥避雷器動作次數計數器，VCU單元專門配置了一塊PS906板和漏水檢測通訊終端來分別記錄發避雷器的動作情況和漏水檢測情況。示意圖如圖2所示。

圖2 閥控與TCU之間通訊示意圖

3 Siemens公司換流閥控制技術

Siemens公司閥控系統也與其極控系統一體化設計，主要應用于南方電網公司所轄換流站，目前國家電網公司所轄換流站中在靈寶背靠背換流站和高嶺背靠背換流站有所應用。

3.1 極控系統與閥控系統接口

閥控系統VBE有A1、A2、A5、A6共4個機架，其中A1負責閥D1、D3、D5的觸發，A2負責閥D4、D6、D2的觸發，A5負責閥Y1、Y3、Y5的觸發，A6負責閥Y4、Y6、Y2的觸發。

其中，D1～D2為處理器板（MC板），B1～B6為光發射板（LE板），B7～B18為光接收板（LR板），D19為編程插件，B20～B21為反向恢復保護使能接口板。

極控系統與閥控VBE之間通訊主要采用硬件連接，觸發控制信號為并行通訊，示意圖如圖3所示。

圖3 極控與VBE系統接口示意圖

極控系統將12路觸發控制信號、CONV_CB_ON（換流變進線開關合）、UNDERVOLTAGE（低電壓）、 CONV_DBLK（換流閥解鎖）、BBYPACT（投旁通對）、極控系統主/備等信號送閥控系統VBE；VBE將12路EOC（End of current電流末端信號）反饋給極控系統。所有信號均為二進制信號，額定電壓為24VDC。

為了判定極控系統A、B哪個系統為主用系統，系統切換邏輯接收兩個VBE系統A、B的“VBE Ready”信號。送給VBE的兩個極控系統的主、被信號必須相反，兩個系統同為主或同為被的時間必須在10us以內，如果超過200us則VBE系統故障產生。

3.2 閥控系統與對時及總線接口

VBE與極控系統通過PROFIBUS總線進行通訊與數據交換，其中極控A與VBE A系統交換數據，極控B與VBE B系統交換數據。硬件通訊結構示意圖如圖4所示：

圖4 VBE與極控系統總線通訊示意圖

極控系統將換流閥測試狀態、VBE告警信息確認等通過PROFIBUS總線送VBE，分別用于換流閥狀態的測試以及VBE故障告警的確認。

VBE通過總線將VBE回報信號丟失、可控硅無冗余、回報信號不可用、BOD動作可控硅數超范圍、觸發脈沖丟失、閥檢測OK、VBE OK、可控硅監視暫停、換相模式、投旁通對、GPS不同步等信息送至極控系統，用于極控系統的判斷。

2.3 閥控系統與直流保護接口

Siemens極控系統與直流保護系統之間采用硬接線進行通訊，直流保護動作跳交流開關、閉鎖觸發脈沖等信息都不經極控系統直接到相關設備，因此直流保護與VBE有專用的接口。示意圖如下圖5所示：

圖5 直流保護與VBE系統接口示意圖

VBE系統同時接收直流保護A和直流保護B的“閉鎖觸發脈沖”信號，通常該信號用于防止閥短路而停止可控硅的觸發。任何一套直流保護發閉鎖觸發脈沖時，可控硅監視功能暫停以避免在此種工況下誤發可控硅故障信息。

VBE系統分別向保護接口屏A、B發送跳閘信號，當多于3個回報信號丟失或者同一支路有4個以上可控硅BOD動作時產生。跳閘信號僅主系統發出。

2.4 閥控系統與換流閥接口

Siemens采用的是光觸發的可控硅，因而其觸發硬件回路與ABB所采用的電觸發有所不同。觸發脈沖通過VBE上的光發射板傳輸到閥塔上的多模光纖星形耦合器MSC上，MSC將觸發脈沖分為11路分別送11個可控硅進行觸發。可控硅電壓監視模塊TVM監視可控硅的狀態信息并將回報信號送至VBE的光接收板。恢復性保護單元RPU用于在可控硅恢復期間對可控硅進行保護。示意圖如圖6所示：

圖6 換流閥與VBE系統接口示意圖

3 ALSTOM公司換流閥控制技術

目前國內尚未將ALSTOM公司控制系統引入，只在寧東直流工程中第一次引入了ALSTOM（AREVA）公司的換流閥及其換流閥控制系統，之后的林楓直流工程（團林換流站）和靈寶二期工程也引入了AREVA的換流閥及控制系統。極控系統采用的是許繼電氣公司在引進Siemens技術上自主開發的DPS2000系統。極控系統與閥控系統不是一體化設計，因而有其特殊性。

3.1 極控系統與閥控系統接口

團林換流站閥控系統VBE共有3塊屏VBE1、VBE2和VBE3，每個VBE有4層機箱，每層機箱負責一個閥的觸發。這樣，VBE1、VBE2和VBE3分別負責閥1～閥4、閥5～閥8和閥9～閥12的觸發。

圖7 VBE機箱布局圖

如圖7所示，S5005為中央處理器板，S5014為光纖觸發板。S5014為單系統配置，每個S5014負責8個可控硅的觸發和回報信息的收集；S5005為冗余配置，分A、B系統，負責將觸發脈沖信號轉化為點火脈沖；Reset Panel為復歸鑰匙，用于對處理器板卡S5005進行復位。

從圖8中可以看出，由于極控系統與VBE不是一體化設計，為此，許繼電氣公司專門設計了一個與VBE通訊的屏柜VBE接口柜。觸發字和熱字由VBE接口柜通過光纖送至閥基電子設備VBE；極控系統的主、從狀態由冗余切換邏輯COL模塊通過硬接線送到VBE；VBE 將VBE failure、VBE trip等信號送至極控和極保護系統，用于控制系統的切換和保護動作。

圖8 銀川東站直流控保系統與VBE接口示意圖

VBE接口設備就是將控制系統的觸發脈沖轉換成串行的觸發字（Firing Word）通過光纖發送到VBE；同時要把控制系統計算出的運行狀態對應的熱字信號（硬接點）轉換成串行的熱字（Thermal Word）送到VBE（不同閥對應各自特定的熱字）。

3.2 閥控系統與后臺通訊接口

由于VBE與極控系統交換的數據有限，VBE專門配置了RS232轉LAN網絡接口，用于將VBE各種狀態信息送往后臺，供運行人員監測與判斷。VBE內部有兩個完全獨立的數據處理系統，每個處理系統都可以檢測到換流閥的狀態和VBE自身的狀態，并且也通過兩個完全獨立的以太網發送給后臺工作站。圖9示出VBE后臺通信的接線方式。

圖9 VBE后臺通信鏈路示意圖

4 國外公司換流閥控制技術比較

將我國引進的國外三個公司ABB、Siemens、ALSTOM公司換流閥控制技術進行比較，各有優缺點，對于閥控系統的國產化具有重要的意義。

（1）對于傳輸的媒介，ABB采用光纖進行通訊；Siemens采用電纜進行通訊；ALSTOM增加了觸發脈沖接口屏，采用電信號轉為光信號的通訊模式進行通訊。采用電信號通訊需要較多的硬件接口，并且易受到外部信號的干擾，電源系統的擾動對通訊信號的傳輸存在較大的影響。因而，光纖通訊是較為安全和穩定的一種通訊模式。

（2）關于回報信號，ABB后臺報漏水告警、閥避雷器動作、可控硅故障、功能跳閘、保護性觸發動作等信號；而ALSTOM公司則需要向后臺報上述信號外，還有觸發字光信號超時、觸發字光信號錯誤、觸發字電信號超時、觸發字電信號錯誤、觸發字光信號奇偶校驗錯誤，以及熱字故障、重觸發、門極回報異常等信號，由于傳輸信號過多，當設備處于故障或這檢修試驗狀態時，系統會頻發相關閥的故障告警信息，對現場而言是較大的考驗，由于可控硅數量較多，對后臺的監視是一個較大的考驗，甚至會導致服務器的死機從而引起后臺人機監控系統的癱瘓。因而，對于閥控系統的后臺信息，越簡介明了越好。

（3）對于硬件的設計，ABB與ALSTOM基本相似，采用一塊板卡進行可控硅的觸發和回報信號的傳輸。Siemens由于采用的是光觸發的可控硅，觸發形式有所不同，MSC至VBE的回報光纖故障會導致直流閉鎖，很容易導致單一元件故障引起的直流閉鎖事故，在直流系統運行中存在較大的隱患。

（4）ALSTOM閥控系統5ms之內未收到極控系統主、備用信息會導致直流系統閉鎖，而ABB和Siemens則沒有這方面的要求，運行起來更加穩定。

5 換流閥及其控制系統設計上的幾點建議

可控硅的生產，國內廠家也比較多，西電集團、電科院、許繼電氣、株洲南車等公司都可以生產。隨著直流輸電工程設備國產化的進一步深入，將出現多家公司、不同技術的相互通訊與接口。但是國內目前還沒有提出直流控制保護系統與閥控系統的接口規范，對于換流閥塔以及閥控系統的設計也沒有相應的標準。在此提出幾點建議，希望能對新建直流換流站的安全穩定運行和日常運行維護工作起到一定的作用。