高壓直流輸電換流閥晶閘管級(jí)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)

王華鋒，魏曉光，鄭林，郝長(zhǎng)城，張海峰，林志光

(全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院，北京市 102209)

高壓直流輸電換流閥晶閘管級(jí)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)

王華鋒，魏曉光，鄭林，郝長(zhǎng)城，張海峰，林志光

(全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院，北京市 102209)

中國(guó)在運(yùn)和在建的高壓直流輸電工程多達(dá)29個(gè)。直流輸電工程在電網(wǎng)中具有重要地位，換流閥是其核心裝置，其性能很大程度影響了直流輸電工程的可靠性。首先給出了現(xiàn)有的各種高壓直流輸電換流閥監(jiān)測(cè)技術(shù)原理，并總結(jié)了現(xiàn)有換流閥監(jiān)測(cè)技術(shù)的局限性，之后提出了晶閘管級(jí)阻尼回路和直流均壓回路參數(shù)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)方法，完善了晶閘管觸發(fā)監(jiān)測(cè)單元(thyristor trigger and monitor unit,TTM)自檢功能，最后通過(guò)仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證了所提出的監(jiān)測(cè)方法的有效性。使用該方法可使換流閥的年度定期檢修變?yōu)闋顟B(tài)檢修，實(shí)現(xiàn)換流閥在運(yùn)行中免維護(hù)，提高了設(shè)備可用率和可靠性。

換流閥；晶閘管觸發(fā)監(jiān)測(cè)單元(TTM)；閥基電子設(shè)備(VBE)；在線監(jiān)測(cè)；狀態(tài)檢修；可靠性

0 引 言

高壓直流輸電是目前世界上解決高電壓、大容量、遠(yuǎn)距離送電和電網(wǎng)互聯(lián)的一個(gè)重要手段。目前 ±800 kV特高壓直流輸電工程的額定容量已經(jīng)達(dá)到 8 000 MW，換流閥是直流輸電的核心設(shè)備[1-3]，是影響工程可靠性的主要因素之一。目前在國(guó)內(nèi)已經(jīng)投運(yùn)的高壓直流輸電工程有22個(gè)，在建的高壓直流輸電工程有7個(gè)，未來(lái)還會(huì)建設(shè)更多的高壓直流輸電工程。

針對(duì)目前國(guó)內(nèi)的高壓直流輸電工程應(yīng)用的幾種換流閥，換流閥晶閘管級(jí)監(jiān)測(cè)技術(shù)大致相同。換流閥監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由晶閘管觸發(fā)監(jiān)測(cè)單元(thyristor trigger and monitor unit, TTM)、閥基電子設(shè)備(valve base electronics, VBE)及其通信光纖組成[4-6]，能夠監(jiān)測(cè)晶閘管狀態(tài)和保護(hù)動(dòng)作結(jié)果?，F(xiàn)有的換流閥監(jiān)測(cè)系統(tǒng)目前只能夠在計(jì)劃的年度檢修時(shí)測(cè)量阻尼回路、靜態(tài)均壓回路阻抗，同時(shí)測(cè)試觸發(fā)監(jiān)測(cè)板功能是否正常，但是并未實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并聯(lián)在晶閘管兩端的阻尼回路、靜態(tài)均壓回路參數(shù)，觸發(fā)監(jiān)測(cè)板自檢功能不夠完善。

電力系統(tǒng)中電力設(shè)備在運(yùn)行一段時(shí)間以后需要計(jì)劃?rùn)z修[7-8]。計(jì)劃?rùn)z修降低了設(shè)備可用率，同時(shí)存在臨時(shí)性維修頻繁、維修計(jì)劃不足或維修計(jì)劃過(guò)剩、維修缺乏針對(duì)性等問(wèn)題[9-10]?，F(xiàn)有的換流閥監(jiān)測(cè)技術(shù)不夠完善，使設(shè)備存在一定安全隱患。本文提出的晶閘管級(jí)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，通過(guò)采集晶閘管級(jí)回路關(guān)鍵點(diǎn)電壓、電流，可實(shí)時(shí)計(jì)算阻尼回路和靜態(tài)均壓回路元件參數(shù)；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)晶閘管狀態(tài)和各種保護(hù)動(dòng)作結(jié)果，完善TTM自檢功能；并通過(guò)仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證監(jiān)測(cè)方法的有效性。本文提出的換流閥晶閘管級(jí)監(jiān)測(cè)方法對(duì)換流閥晶閘管級(jí)所有元件和板卡進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可根據(jù)換流閥狀態(tài)實(shí)行狀態(tài)檢修。狀態(tài)檢修依靠先進(jìn)檢測(cè)手段和試驗(yàn)技術(shù)采集電氣設(shè)備各種數(shù)據(jù)信息，并根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和運(yùn)行工況綜合分析判斷，之后確定設(shè)備檢修周期和項(xiàng)目[11]。狀態(tài)檢修的優(yōu)越性主要體現(xiàn)在：能適時(shí)檢修缺陷，預(yù)防事故發(fā)生，提高運(yùn)行的安全可靠性；可以延長(zhǎng)檢修間隔周期，提高設(shè)備利用率[12]。狀態(tài)檢修提高了設(shè)備可用率和可靠性，實(shí)現(xiàn)換流閥在運(yùn)行中免維護(hù)。在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)和推廣工作對(duì)提升電網(wǎng)智能化水平、實(shí)現(xiàn)變電設(shè)備狀態(tài)運(yùn)行管理具有積極而深遠(yuǎn)的意義[13]。

1 換流閥晶閘管級(jí)原理

高壓直流輸電換流閥中的每個(gè)單閥一般由幾十個(gè)甚至上百個(gè)相同的晶閘管串聯(lián)構(gòu)成。每個(gè)晶閘管需要并聯(lián)1個(gè)阻尼電路和1個(gè)靜態(tài)均壓電路。阻尼電路用來(lái)緩沖晶閘管關(guān)斷電壓過(guò)沖，并使串聯(lián)電壓線性化分布，解決動(dòng)態(tài)均壓?jiǎn)栴}。在晶閘管關(guān)斷狀態(tài)，靜態(tài)均壓電路使晶閘管級(jí)間電壓分布均勻。

A5000型換流閥晶閘管級(jí)原理圖如圖1所示，每個(gè)晶閘管級(jí)配備一塊TTM板。當(dāng)換流閥需要觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)，VBE通過(guò)光纖向晶閘管TTM傳輸觸發(fā)脈沖編碼，TTM解碼后觸發(fā)晶閘管。TTM為晶閘管提供過(guò)電壓保護(hù)、反向恢復(fù)期保護(hù)、電流斷續(xù)保護(hù)。在保護(hù)動(dòng)作時(shí)，TTM觸發(fā)晶閘管，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)晶閘管狀態(tài)是否良好，并通過(guò)光纖向VBE傳輸過(guò)電壓保護(hù)動(dòng)作信息和晶閘管狀態(tài)信息。

TTM工作所需的能量從阻尼電路和靜態(tài)均壓電路獲取。當(dāng)交流系統(tǒng)出現(xiàn)三相對(duì)地金屬短路時(shí)，三相電壓降至0 V，持續(xù)時(shí)間至少為0.7 s。在這類(lèi)故障的清除及換相電壓的恢復(fù)過(guò)程中，TTM應(yīng)有足夠的儲(chǔ)能以安全地觸發(fā)晶閘管元件，不允許因儲(chǔ)能電路需要充電而造成恢復(fù)的延緩。TTM中的大容量?jī)?chǔ)能電路從阻尼電路電阻Rd獲取能量。當(dāng)在晶閘管中出現(xiàn)任何一種沖擊過(guò)電壓時(shí)，TTM中的儲(chǔ)能電路從取能支路電阻Rx快速獲取能量，使得保護(hù)電路能夠快速觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通。

圖1 A5000型換流閥晶閘管原理圖

2 現(xiàn)有的晶閘管級(jí)監(jiān)測(cè)技術(shù)

A5000型換流閥的TTM、VBE及其通信光纖組成換流閥在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。TTM將每個(gè)晶閘管級(jí)回路的部分狀態(tài)通過(guò)光纖傳輸至VBE。TTM可以判斷晶閘管狀態(tài)和識(shí)別各種保護(hù)動(dòng)作結(jié)果，并通過(guò)脈沖編碼方式由光纖傳輸至VBE。VBE根據(jù)單閥中所有晶閘管狀態(tài)和各種保護(hù)動(dòng)作結(jié)果采取相應(yīng)的保護(hù)措施，并將事件信息通過(guò)Profibus總線通信傳輸至后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)。

國(guó)內(nèi)在運(yùn)的特高壓直流輸電工程中換流閥運(yùn)行過(guò)程中，并未實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)晶閘管級(jí)的阻尼電容、阻尼電阻和靜態(tài)均壓電阻值。當(dāng)上述參數(shù)值超出誤差范圍時(shí)，將影響均壓效果，并可能使該晶閘管內(nèi)部出現(xiàn)過(guò)電壓導(dǎo)致元部件損壞。若阻尼回路和靜態(tài)均壓回路元件損壞，TTM將無(wú)法取得工作所需能量，進(jìn)而也不能測(cè)量晶閘管級(jí)電壓，導(dǎo)致正常觸發(fā)和過(guò)電壓保護(hù)觸發(fā)功能徹底失效，使該晶閘管被過(guò)電壓擊穿損壞，故障范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。目前，只能夠在計(jì)劃的年度檢修時(shí)采用閥測(cè)試設(shè)備測(cè)量阻尼回路和靜態(tài)均壓回路阻抗誤差是否在允許范圍內(nèi)。

計(jì)劃?rùn)z修是以時(shí)間為基礎(chǔ)的設(shè)備定期維修制度。維修工作存在一定盲目性，通常一個(gè)換流站停電進(jìn)行換流閥檢修，對(duì)每個(gè)晶閘管級(jí)測(cè)試至少需要15天時(shí)間，檢修周期一般為每年1次。檢修是在離線停電狀態(tài)下進(jìn)行的。離線停電測(cè)試狀態(tài)下，晶閘管級(jí)所承受的電壓、電流應(yīng)力遠(yuǎn)小于實(shí)際運(yùn)行工況，并且測(cè)試時(shí)的環(huán)境溫度也比實(shí)際運(yùn)行時(shí)低。這使得離線停電狀態(tài)下的檢修很可能無(wú)法發(fā)現(xiàn)晶閘管級(jí)元件潛在的故障。

3 晶閘管級(jí)在線監(jiān)測(cè)原理

在直流輸電系統(tǒng)正常運(yùn)行工況下，相鄰橋的換流閥換相使本橋(6脈動(dòng)換流器)所有未導(dǎo)通閥的電壓產(chǎn)生畸變，即出現(xiàn)“附加換相齒”。 如圖2所示，晶閘管級(jí)電壓波形和阻尼回路電流波形不是正弦波。常規(guī)的電阻值、電容值在線監(jiān)測(cè)方法為：實(shí)時(shí)采集電阻、電容一個(gè)工頻周期電壓、電流瞬時(shí)值，并計(jì)算其有效值，進(jìn)而得到電阻、電容值。換流閥晶閘管級(jí)電壓波形有多個(gè)換相齒。出現(xiàn)換相齒時(shí)，晶閘管級(jí)電壓、電流有較大的突變，無(wú)法采用常規(guī)在線監(jiān)測(cè)方法，需要研究一種新的電阻、電容值在線監(jiān)測(cè)方法。

圖2 晶閘管級(jí)電壓和阻尼回路電流波形

3.1 晶閘管級(jí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

晶閘管級(jí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理如圖3所示。由處于換流閥高電位的TTM實(shí)時(shí)采集晶閘管級(jí)元件電壓、電流波形后計(jì)算阻尼回路和靜態(tài)均壓回路參數(shù)值；TTM實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)晶閘管狀態(tài)和各種保護(hù)動(dòng)作情況，TTM實(shí)時(shí)自檢工作電源、觸發(fā)電路、保護(hù)電路等關(guān)鍵點(diǎn)的狀態(tài)，并將上述監(jiān)測(cè)的信號(hào)采用HDLC通信協(xié)議通過(guò)光纖傳輸至VBE。VBE收集換流閥晶閘管級(jí)在線監(jiān)測(cè)結(jié)果，綜合判斷換流閥狀態(tài)，提出故障預(yù)警和動(dòng)態(tài)檢修計(jì)劃。

智能變電站是堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的建設(shè)基礎(chǔ)和重要組成部分[14]。IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的正式頒布為智能變電站的建設(shè)鋪平了道路。IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)為數(shù)字化一次設(shè)備和二次智能裝置按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)建模及通信奠定了基礎(chǔ)[15]。為了適應(yīng)未來(lái)智能變電站或者換流站需要，VBE將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的每個(gè)晶閘管級(jí)元件參數(shù)信息、換流閥狀態(tài)信息和動(dòng)態(tài)檢修計(jì)劃通過(guò)基于IEC 61850協(xié)議的以太網(wǎng)通信方式傳輸至換流站后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)，并在人機(jī)界面顯示。

圖3 晶閘管級(jí)回路在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理圖

3.2 阻尼電阻在線監(jiān)測(cè)

阻尼電阻在線監(jiān)測(cè)原理如圖4所示，Rd為阻尼電阻。通過(guò)采集同一時(shí)刻的電阻兩端電壓和電流，可以計(jì)算出電阻值。TTM工作所需的能量從阻尼回路獲取，阻尼電阻Rd先接入TTM的儲(chǔ)能電路后，再連接至晶閘管陰極，TTM地電位是主回路晶閘管的陰極電位。

圖4 阻尼電阻在線監(jiān)測(cè)原理圖

采用全頻響應(yīng)的阻容分壓器測(cè)量Rd兩端的電壓U1。分壓器的高壓臂由R3、C3組成，低壓臂由R4、C4組成。分壓器的分壓比k為

(1)

(2)

從式(2)可知，當(dāng)R3C3=R4C4時(shí)，分壓比和電壓頻率無(wú)關(guān)。該分壓器具有良好的高、低頻性能，工作頻帶寬，且不易產(chǎn)生振蕩。根據(jù)被測(cè)點(diǎn)電壓范圍和模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入電壓要求，確定分壓器參數(shù)為：R3=7.8 MΩ、C3=39 pF、R4=39 kΩ、C4=7.8 nF，分壓比k=201。采用PSPICE軟件仿真了分壓器測(cè)量誤差的頻率特性，結(jié)果如圖5所示。分壓器高壓臂輸入電壓峰值為1 kV，頻率范圍50 Hz～1 MHz，分壓器低壓臂輸出電壓峰值范圍為4.915～ 4.975 V，最大測(cè)量誤差為-1.21 %，精度滿足測(cè)量要求。

圖5 分壓器測(cè)量誤差的頻率特性

3.3 阻尼電容在線監(jiān)測(cè)

電容值可以由其兩端電壓、電流計(jì)算:

(3)

將求解電容值的連續(xù)微分方程進(jìn)行離散化，根據(jù)離散的電容電壓、電容電流采樣值計(jì)算電容值。將式(3)離散化為

(4)

(5)

將連續(xù)的微分方程離散化后，會(huì)降低計(jì)算結(jié)果精度。因此，可通過(guò)減小公式(5)中的Δt的方法提高計(jì)算精度。在實(shí)際應(yīng)用中，可使用高速采樣器及數(shù)字處理芯片將Δt減小到μs級(jí)。

采用PSPICE軟件對(duì)阻尼電容值為1.5 μF時(shí)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行仿真驗(yàn)證。阻尼電容值計(jì)算仿真波形如圖6所示。選取換流閥晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通后間隔10 μs采集t1=29.96 ms、t2=29.97 ms時(shí)刻的電壓、電流。t1時(shí)刻，電容電壓、電流值分別為-608.297 V、-16.135 A；t2時(shí)刻，電容電壓、電流值分別為-510.693 V、-13.446 A。由式(5)計(jì)算得到電容值C=1.515 μF，誤差為1.02 %。計(jì)算精度滿足要求。

圖6 阻尼電容值計(jì)算仿真波形

3.4 靜態(tài)均壓電路在線監(jiān)測(cè)

TTM實(shí)時(shí)測(cè)量晶閘管級(jí)過(guò)電壓保護(hù)、反向恢復(fù)保護(hù)和電流斷續(xù)保護(hù)所需的晶閘管級(jí)電壓。TTM電阻Rt和靜態(tài)均壓電阻串聯(lián)，組成晶閘管級(jí)電壓測(cè)量回路。TTM采集Rt電壓便可以計(jì)算出靜態(tài)均壓電阻電流。在晶閘管觸發(fā)前1 ms內(nèi)，晶閘管級(jí)電壓波形為標(biāo)準(zhǔn)的正弦波。在此期間，根據(jù)晶閘管級(jí)電壓和靜態(tài)均壓電阻電流即可計(jì)算出靜態(tài)均壓電阻值。

上層控制保護(hù)設(shè)備將換流變閥側(cè)交流電壓信號(hào)傳輸至VBE。VBE計(jì)算出單個(gè)晶閘管級(jí)電壓后，將電壓信號(hào)通過(guò)光纖傳輸至TTM，TTM采集晶閘管觸發(fā)前500 μs內(nèi)的5個(gè)點(diǎn)的Rt電壓值，計(jì)算得到靜態(tài)均壓電阻電流值，TTM根據(jù)晶閘管級(jí)電壓和靜態(tài)均壓電阻電流計(jì)算得到靜態(tài)均壓電阻值。

3.5 晶閘管狀態(tài)和保護(hù)動(dòng)作在線監(jiān)測(cè)

晶閘管失效后會(huì)處于擊穿導(dǎo)通狀態(tài)。在換流閥正常工作狀態(tài)下，TTM實(shí)時(shí)采集晶閘管級(jí)電壓。若在1個(gè)工頻周期20 ms內(nèi)晶閘管級(jí)電壓持續(xù)為0，則判定晶閘管失效，并將判定信息傳輸至VBE。VBE根據(jù)換流變閥側(cè)電壓確定換流變是否帶電。若換流變帶電，VBE接收到晶閘管失效信號(hào)后，判定此故障為“真實(shí)”狀態(tài)。此時(shí)，VBE將向后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送該晶閘管級(jí)故障事件信息。與此同時(shí)，VBE實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)單閥中其他晶閘管級(jí)狀態(tài)，若單閥中出現(xiàn)晶閘管級(jí)故障數(shù)量超過(guò)設(shè)定值，則請(qǐng)求跳閘。

TTM實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)晶閘管級(jí)過(guò)電壓保護(hù)、電流斷續(xù)保護(hù)和反向恢復(fù)保護(hù)信息，并將保護(hù)信息傳輸至VBE。若VBE監(jiān)測(cè)到單閥中晶閘管級(jí)過(guò)電壓保護(hù)數(shù)量超過(guò)設(shè)定值，則請(qǐng)求跳閘。若VBE收到電流斷續(xù)保護(hù)和反向恢復(fù)保護(hù)信息，只需向后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送報(bào)文。

4 晶閘管級(jí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)

TTM原理如圖7所示。核心控制芯片為Cyclone Ⅲ EPC3C16型FPGA，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D7606采集阻尼電容、阻尼電阻的電壓、電流以及靜態(tài)均壓電阻電流。FPGA通過(guò)有限狀態(tài)機(jī)程序控制A/D7606完成模擬量的轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)存取。FPGA和A/D7606接口原理如圖8所示。A/D7606的PAR/SER為串、并聯(lián)模式選擇端子; CONVST為接收轉(zhuǎn)換命令的端子; BUSY為標(biāo)志模數(shù)轉(zhuǎn)換器忙、閑狀態(tài)的端子; CS為片選端子; RD為讀取命令端子; FSTDATA數(shù)字量輸出端子; DB(15:0)為并行輸出端子。

圖7 TTM原理圖

圖8 FPGA和A/D7606接口原理圖

有限狀態(tài)機(jī)輪轉(zhuǎn)狀態(tài)圖如圖9所示，圖中S0是空閑狀態(tài)。此時(shí)，CS為高電平，RD為高電平。通過(guò)邊沿檢測(cè)BUSY端子電位。若為高電平，則進(jìn)入S1狀態(tài)，否則等待。由于等待CS穩(wěn)定，需要插上延時(shí)狀態(tài)S2，到S3穩(wěn)定，在S4、S5狀態(tài)將RD拉低，讀取第1個(gè)通道V1的轉(zhuǎn)換結(jié)果。之后依次重復(fù)3個(gè)脈沖序列，S7、S12、S17為延時(shí)狀態(tài)，在S9、S10狀態(tài)將RD拉低，讀取第2個(gè)通道V2的轉(zhuǎn)換結(jié)果；同理，在S14、S15狀態(tài)讀取第3個(gè)通道V3的轉(zhuǎn)換結(jié)果，在S19、S20狀態(tài)讀取第4個(gè)通道V4的轉(zhuǎn)換結(jié)果，經(jīng)過(guò)延時(shí)狀態(tài)S21、S22狀態(tài)后返回至空閑狀態(tài)S0，等待下一次數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換?？墒笰/D7606的4個(gè)通道轉(zhuǎn)換結(jié)果依次輸出到并行總線DB[15:0]上，供FPGA讀取。

在晶閘管觸發(fā)延時(shí)20 μs后，每隔10 μs開(kāi)始采集同一時(shí)刻阻尼電容、阻尼電阻的電壓、電流值，共采集5次數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在FPGA的雙口RAM上。FPGA根據(jù)上述算法計(jì)算出5組阻尼電容值和阻尼電阻值，求出5組數(shù)據(jù)的平均值，作為最終計(jì)算值。采用類(lèi)似方法計(jì)算直流均壓電阻值。

圖9 狀態(tài)機(jī)輪轉(zhuǎn)狀態(tài)圖

FPGA由晶閘管電壓監(jiān)測(cè)電路判斷晶閘管狀態(tài)。反向恢復(fù)保護(hù)電路、過(guò)電壓保護(hù)電路和電流斷續(xù)保護(hù)電路將保護(hù)結(jié)果信息輸入至FPGA。FPGA將晶閘管狀態(tài)、各種保護(hù)動(dòng)作結(jié)果、阻尼電容值、阻尼電阻值和靜態(tài)均壓電阻值等通過(guò)HDLC協(xié)議傳輸至VBE。VBE將觸發(fā)命令、晶閘管級(jí)電壓峰值和觸發(fā)角等信息通過(guò)HDLC協(xié)議傳輸至TTM。

HDLC協(xié)議以幀作為傳輸?shù)幕締挝?。其中，“F”為幀同步標(biāo)志，幀頭、幀尾相同，均為二進(jìn)制碼“01111110”[16-17]；“C”為控制碼；“Info”為有效數(shù)據(jù)，為 8 bit的整數(shù)倍，共40位數(shù)據(jù)，bit0～bit7為阻尼電阻Rd值、bit8～bit15為阻尼電阻Rx值、bit16～bit23為阻尼電容值、bit24～bit31為直流均壓電阻值、bit32～bit39為晶閘管狀態(tài)和保護(hù)動(dòng)作信息；“FCS”為幀校驗(yàn)序列，檢驗(yàn)區(qū)間包括接收站地址、控制命令和有效數(shù)據(jù)部分，校驗(yàn)方式采用的是循環(huán)冗余校驗(yàn)(cyclical redundancy check，CRC)。為防止數(shù)據(jù)被判為幀同步標(biāo)志，協(xié)議規(guī)定，在發(fā)送時(shí)，當(dāng)除了幀同步標(biāo)志外的比特流中連續(xù)出現(xiàn)5個(gè)“1”碼時(shí)，在第5個(gè)“1”碼后面自動(dòng)插入一個(gè)“0”碼；在接收時(shí)，當(dāng)除幀同步標(biāo)志外的比特流中連續(xù)出現(xiàn)5個(gè)“1”時(shí)，自動(dòng)剔除第5個(gè)“1”碼后面的“0”碼。

TTM和VBE的HDLC通信編碼程序編碼發(fā)送和接收譯碼模塊如圖10所示，編碼發(fā)送模塊包括標(biāo)志字產(chǎn)生、數(shù)據(jù)(來(lái)自雙口RAM)的并串轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)發(fā)送、CRC校驗(yàn)、數(shù)據(jù)緩存、插“0”等功能；而對(duì)于接收譯碼模塊，對(duì)應(yīng)有標(biāo)志字檢測(cè)、刪“0”、數(shù)據(jù)緩存、CRC二次校驗(yàn)、數(shù)據(jù)串并轉(zhuǎn)換(存儲(chǔ)至RAM)等功能。

圖10 HDLC通信編碼發(fā)送和接收譯碼模塊

VBE收到各個(gè)晶閘管級(jí)這些信息后綜合判斷換流閥狀態(tài)，并自動(dòng)將換流閥狀態(tài)分成正常、基本正常、輕度異常和重大異常等[18]，根據(jù)其狀態(tài)制定動(dòng)態(tài)檢修計(jì)劃，不再需要每年定期停電檢修。特高壓直流輸電主接線如圖11所示。特高壓直流輸電工程采用雙極直流系統(tǒng)。系統(tǒng)包括2個(gè)完整單極。每個(gè)完整單極(極Ⅰ、極Ⅱ)由2個(gè)12脈動(dòng)換流單元串聯(lián)組成。換流閥是換流單元的核心設(shè)備，同一極由高端和低端換流閥串聯(lián)組成。直流控制系統(tǒng)由極控制和雙極控制系統(tǒng)組成。直流輸送功率由極控制和雙極控制系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。極Ⅰ、極Ⅱ之間可以進(jìn)行功率轉(zhuǎn)移。同一極的高端和低端之間也可以進(jìn)行功率轉(zhuǎn)移。

極控系統(tǒng)將每個(gè)極和每個(gè)換流單元輸送的功率傳輸至VBE。當(dāng)VBE監(jiān)測(cè)到某換流閥存在晶閘管級(jí)故障時(shí)，若單閥中故障的晶閘管級(jí)數(shù)沒(méi)有超過(guò)設(shè)定

圖11 特高壓直流輸電主接線圖

值，不發(fā)送跳閘請(qǐng)求。VBE根據(jù)換流閥故障嚴(yán)重程度和每個(gè)極、每個(gè)換流單元輸送的功率情況綜合制定檢修計(jì)劃，當(dāng)可以將功率轉(zhuǎn)移至其他換流閥時(shí)，則將故障換流閥的功率轉(zhuǎn)移后停電檢修。在直流輸電系統(tǒng)壽命周期內(nèi)可以不進(jìn)行計(jì)劃?rùn)z修，最大程度提高設(shè)備可用率和可靠性。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

將直流控制保護(hù)、VBE和換流閥組成完整系統(tǒng)。晶閘管級(jí)回路主要參數(shù)為：阻尼電容值為1.5 μF、阻尼電阻Rd值為36 Ω，靜態(tài)均壓電阻值為102 kΩ。對(duì)晶閘管級(jí)施加有效值為380 V的工頻交流電壓，在每個(gè)工頻周期的30°觸發(fā)晶閘管。TTM實(shí)時(shí)計(jì)算的阻尼電容值誤差范圍為0%～+1%，阻尼電阻Rd值誤差范圍為-1.5%～0%，靜態(tài)均壓電阻值誤差范圍為0%～+2%。TTM能夠準(zhǔn)確判斷晶閘管故障、各種保護(hù)動(dòng)作。

TTM將晶閘管故障信息、各種保護(hù)動(dòng)作信息、實(shí)時(shí)計(jì)算的靜態(tài)均壓電阻值、阻尼電阻和電容值采用HDLC協(xié)議通過(guò)光纖傳輸至VBE。TTM和VBE通信錄波波形如圖12所示。VBE將TTM傳來(lái)的數(shù)據(jù)

圖12 TTM和VBE基于HDLC通信錄波波形

通過(guò)基于IEC 61850協(xié)議的以太網(wǎng)通信傳輸至后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)，后臺(tái)錄波軟件顯示TTM實(shí)時(shí)計(jì)算的靜態(tài)均壓電阻值、阻尼電阻值和電容值波形。實(shí)時(shí)計(jì)算的電容值波形如圖13所示。VBE接收到晶閘管故障信息和各種保護(hù)動(dòng)作信息后，能夠執(zhí)行相應(yīng)的保護(hù)策略，并制定動(dòng)態(tài)檢修計(jì)劃。

圖13 TTM實(shí)時(shí)計(jì)算的阻尼電容值波形

6 結(jié) 論

所研制的TTM能夠?qū)崟r(shí)計(jì)算晶閘管級(jí)回路參數(shù)，并能夠準(zhǔn)確判斷晶閘管狀態(tài)、TTM狀態(tài)和各種保護(hù)動(dòng)作結(jié)果，并通過(guò)光纖可靠地傳輸至VBE，VBE能夠根據(jù)TTM傳輸?shù)男盘?hào)判斷晶閘管級(jí)和換流閥的狀態(tài)，執(zhí)行相應(yīng)的保護(hù)策略和制定合理的動(dòng)態(tài)檢修計(jì)劃，無(wú)需每年定期停電檢修換流閥，避免了定期檢修的盲目性，提高了直流輸電系統(tǒng)的可用率，經(jīng)濟(jì)效益可觀。使用本文方法提高了換流閥設(shè)備可靠性，使運(yùn)行人員更加直觀監(jiān)測(cè)到每個(gè)晶閘管級(jí)的實(shí)時(shí)狀態(tài)，具備在高壓直流輸電工程推廣應(yīng)用的價(jià)值。

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(實(shí)習(xí)編輯 郭文瑞)

Online Monitoring Technology of Thyristor Level of HVDC Converter Valve

WANG Huafeng, WEI Xiaoguang,ZHENG Lin, HAO Changcheng,ZHANG Haifeng,LIN Zhiguang

(Global Energy Interconnection Research Institute, Beijing 102209, China)

Currently there are up to 29 HVDC transmission projects in operation or under construction in China, which are playing an important role in power grid. The converter valve is the core unit of HVDC transmission, whose performance largely influences the reliability of HVDC transmission project. This paper firstly analyzes the principles and shortages of existing monitoring technologies of HVDC converter valve. Then, this paper proposes a real-time online monitoring method for the parameters of thyristor-level damping circuit and DC grading circuit, and improves the self-check of thyristor trigger and monitoring unit (TTM). Finally, this paper verifies the effectiveness of the proposed monitoring method through simulation and experiment. As a result the annual preventive maintenance of converter valve is replaced by condition based maintenance, which can realize the maintenance free of converter valve in operation and improve the equipment’s availability and reliability.

converter valve; thyristor trigger and monitoring unit (TTM); valve base electronics(VBE); on-line monitoring; condition based maintenance； reliability

國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(SGRIZLKJ[2015]189)

TM 407

A

1000-7229(2016)10-0061-08

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.10.009

2016-05-12

王華鋒(1978)，男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)楦邏褐绷鬏旊?、電力電子技術(shù)等；

魏曉光(1976)，男，教授級(jí)高級(jí)工程師，研究方向?yàn)楦邏褐绷鬏旊姟㈦娏﹄娮蛹夹g(shù)等；

鄭林(1982)，男，工程師，研究方向?yàn)楦邏褐绷鬏旊?、電力電子技術(shù)等；

郝長(zhǎng)城(1983)，男，工程師，研究方向?yàn)楦邏褐绷鬏旊?、電力電子技術(shù)等；

張海峰(1987)，男，工程師，研究方向?yàn)楦邏褐绷鬏旊姟㈦娏﹄娮蛹夹g(shù)等；

林志光(1985)，男，工程師，研究方向?yàn)楦邏褐绷鬏旊?、電力電子技術(shù)等。