±500 kV高壓直流換流站閥控技術對比分析

劉 潯，向 權，姚其新，韓情濤，張正茂

（國網湖北省電力有限公司檢修公司，湖北 武漢 430050）

1 換流閥及閥控技術

1.1 ABB公司閥控技術

ABB公司閥控系統主要應用于國家電網公司所轄換流站，其極控系統（PCP）和閥控系統（VCU）均為冗余設計。其中VCU按照A、B、C三相分為閥控A(VCA)、閥控 B(VCB)、閥控 C(VCC)三塊屏，每塊屏又分為Y/Y相（VCY）和Y/D相（VCD）兩個機架，分別觸發和監控一個極的6個閥塔。ABB公司極控系統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[1]。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，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。

圖1 極控與閥控之間通訊示意圖Fig.1 Communication between control and valve control diagram

1.2 Siemens公司換流閥控制技術

Siemens公司閥控系統與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。

Siemens公司閥控系統（又稱為閥基電子設備：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。VBE與極控系統通過PROFIBUS總線（西門子專用工業總線）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。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。

圖2 VBE屏一層機架圖Fig.2 A layer of VBE screen frame diagram

1.3 ALSTOM公司換流閥控制技術

目前國內尚未將ALSTOM公司極控制系統引入，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[2]。

銀川東換流站閥控系統（又稱為閥基電子設備：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。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3 銀川東站直流控保系統與VBE接口示意圖Fig.3 Yinchuan station DC control system and VBE interface diagram

2 換流閥及閥控技術對比

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傳輸存在較大影響。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、晶閘管故障、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[3]。由于傳輸信號過多，當設備處于故障或者檢修試驗狀態時，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，由于晶閘管數量較多，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，越簡潔明了越好。

（3）對于硬件的設計，ABB與ALSTOM基本相似，采用一塊板卡進行晶閘管的觸發和回報信號的傳輸。Siemens由于采用的是光觸發的晶閘管，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，相對而言，單一板卡進行同一晶閘管的觸發和回報信號的傳輸較為可靠。

（4）ALSTOM閥控系統5 ms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。

3 換流閥及閥控技術存在的問題

目前在運的直流換流站，直流控制保護系統大體上基于兩種技術路線：一種是基于ABB開發的模塊化控制保護系統MACH2系統，±800 kV特高壓直流工程中將該系統升級為DCC800直流控制保護系統；一種是基于Siemens開發的SIMADYN D模塊化控制保護系統，升級后的新系統為SIMATIC TDC控制保護系統。MACH2系統和SIMADYN D系統通過技術轉讓的方式由國內的南瑞繼保、許繼電氣、北京四方公司初步實現了國產化。在此基礎上，控制保護系統的軟、硬件設計國內已經都可以實現，可以滿足各個直流輸電工程的需要；但是，對于核心的技術，如換流閥控制技術，國外廠家在軟件中進行了封裝，并沒有開放這部分程序，這就直接導致國內消化吸收的程度有限，無法擺脫國外廠家的影響而真正建立獨立自主的軟硬件系統，實現真正的國產化。而且一旦國外廠家進行了技術升級，國內產品就處在了落后的位置，導致國產軟硬件系統設計始終要受制于人，因此建立完全獨立自主的軟硬件直流系統開發平臺具有相當重要的意義[4]。

結合上述幾次重大事件以及歷年來日常運行維護和檢修過程中發現的問題，進行了統計與分析，換流閥及閥控技術主要存在如下幾個方面的問題。

3.1 閥塔施工質量問題

由于換流閥塔涉及到的元器件相當多，并且對安裝工藝具有較高的要求，安裝不到位的缺陷可能在短時間無法暴露出來，它可能成為日后影響直流系統安全穩定運行的重大隱患。

3.2 閥控系統接口問題

同一廠家生產的極控系統與閥控系統，或者采用同一廠家技術路線的極控與閥控系統，如極控和閥控統一采用ABB技術路線或Siemens技術路線，基本上不存在接口與通訊問題，接口問題主要集中在ABB極控與Siemens閥控的接口、ABB閥控與Siemens極控的接口以及Siemens極控與ALSTOM閥控的接口。

不同技術路線的接口主要存在的問題有：信息交換不夠完善，有些閥控系統的重要信息無法及時上送到運行人員工作站；信息定義不明確，后臺報文與實際故障存在差異；信息過濾與檢測機制存在一定的隱患，會出現虛報事件的情況；信息通訊接口比較復雜，需要經過多種協議的轉換，還需要配置專門的通訊設備，如寧東直流閥控信息送后臺時需要通過RS232串口轉為光纖，再由光纖轉串口送專用的輔助系統接口屏，然后再由網絡通過輔助系統接口屏送服務器，由服務器將相關監視信息送運行人員工作站；觸發脈沖接口設備工作不穩定，受外部電源或信號干擾比較大，嚴重情況下可能導致極控系統切換甚至直流閉鎖，如2005年6月20日葛洲壩極Ⅱ觸發脈沖異常導致的閉鎖，以及2011年7月12日靈寶換流站單元Ⅱ換流閥PSU單元故障后無法準確定位等。

3.3 觸發脈沖傳輸問題

目前在運直流工程中，觸發脈沖傳輸模式不同廠家各有不同，ABB閥控系統與Siemens閥控系統采用的是并行傳輸的模式，其中ABB閥控系統采用的是光纖并行傳輸模式，Siemens閥控系統采用的是通訊電纜并行傳輸模式；而ALSTOM閥控系統采用的是光纖串行傳輸的模式。觸發脈沖采用并行傳輸模式時，如果丟失觸發脈沖，僅僅只丟失了一個閥的觸發脈沖；而觸發脈沖如果采用并行傳輸，若丟失觸發脈沖，則所有閥觸發脈沖全部丟失，對直流系統影響較大。另一方面，電信號觸發脈沖的傳輸，易受到外部電源或信號干擾的影響，銀川東換流站觸發脈沖由極控通過屏蔽電纜送VBE接口屏然后轉光纖送至VBE，曾經多次由于外部交流系統的擾動導致觸發脈沖故障引起極控系統的切換[5]。

3.4 原廠家設計上存在的問題

由于設計理念上的不同或者設備的改進程度不同，對各個廠家在設計上進行比較，結合現場運行維護經驗，不難發現設計上的優劣之處。

以ALSTOM換流閥及其閥控系統與ABB公司相比，可以發現：

（1）在閥控屏柜的設計與布局上，ABB公司更加清晰簡潔。ABB公司設計了三面屏，分別是VCA、VCB、VCC，負責A、B、C三相換流閥的觸發和監視，其中每面屏有兩層機架，分別負責Y/Y、Y/D閥塔的觸發和監視，分層分區非常清晰明確。ALSTOM閥控屏柜也設計了三面屏，分別是VBE1、VBE2、VBE3，負責閥1～閥4、閥5～閥8、閥9～閥12換流閥的觸發和監視，每面屏有四層機架，每個機架負責一個單閥的控制，相對來講分層較為復雜，并且換流閥側觸發順序與換流變連接方式有關，施工時易造成接線錯誤。

（2）在換流閥塔的設計上，ALSTOM采用緊湊型設計，以±660 kV銀川東換流站為例，每個閥塔分10層，層間距較小，一方面節省了材料，縮短了閥塔自身的高度，同時也降低了閥廳的高度；但另一方面，由于空間比較狹小，設備維護起來比較吃力，非常不方便。龍政直流工程及以后的工程中，ABB設計的換流閥塔作了較大的改進，閥塔上面有專用的檢修通道，層與層之間也有上下通道，工作人員可以在上面方便地行走，維護與檢修工作非常方便。

（3）在晶閘管觸發板的設計上，ALSTOM設計了兩塊板卡：門極板GU單元和分壓板，二者之間通過排線連接，并且二者都裸露在外面，時間長了積灰會比較嚴重，易老化，對其工作性能也有較大影響。ABB的設計中，對TE板設計進行了優化，生產出的全封裝TCU板可以阻止粉塵的侵擾，同時也大大減小了電磁干擾的影響。龍政直流工程運行近10年，還未發生過TCU板故障的情況。

（4）ALSTOM公司VBE設計上存在一個問題：如果VBE存在瞬時故障，故障消失后VBE故障告警不能自動復歸，需要人為手動進行復歸才能使得VBE恢復正常運行。該設計理念為故障告警后需要得到運行人員的確認，以防止運行人員忽略。而實際上這種設計存在較大的潛在風險，即如果是由于系統擾動造成的瞬時故障，有可能在兩個系統之間交替產生，倘若不自動復歸可能會導致無極控系統可用，從而引起直流系統閉鎖。如2010年1月9日高嶺換流站單元Ⅰ直流閉鎖事件。ABB的設計不存在這種問題。

3.5 廠家提供的硬件質量不合格

部分廠家提供的硬件質量不合格。寧東直流工程、林楓直流工程以及靈寶背靠背二期工程，都是采用的AREVA公司的換流閥，自運行以來，多次發“門極回報異常”、“晶閘管故障”、“門極充電故障”等告警信息，給直流換流站的運行帶來了很大的困擾，檢查發現存在板卡虛焊、漏焊、電容漏液、針腳彎曲等現象，運行以來更換了大量的門極觸發板、分壓板和S5014光纖接口板。

4 換流閥及閥控技術設計上的建議

目前直流控制保護系統已經實現了國產化，南瑞繼保、許繼電氣和北京四方公司均掌握了直流控制保護的核心技術。南瑞繼保在消化吸收ABB技術的基礎上開發了自己的直流控制保護系統PCS-9550，在青藏直流工程中投入了使用。許繼電氣也在完全獨立自主開發自己的直流控制保護系統。晶閘管的生產，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。

4.1 閥控與極控硬件接口

目前在運的國產化設備，直流控制保護系統和閥控系統接口不統一，如靈寶、高嶺背靠背換流站，直流控保與閥控系統的接口設備由許繼電氣、南瑞繼保等直流控保廠家提供；而德寶直流工程中，則由直流控保廠家南瑞繼保和閥控廠家中國西電集團分別生產各自的接口設備；寧東直流工程由許繼電氣提供接口設備。由于沒有統一硬件生產標準和要求，涉及到多個廠家，出現問題之后對原因的查找和分析帶來了較大的難度，甚至會出現各廠家之間互相推卸責任的現象。因此接口設備統一由控保生產廠家生產是比較可行的方案。

4.2 閥控與極控軟件接口

在運的國產化設備，不同廠家之間的通訊情況比較復雜，以寧東直流工程為例，有光纖通訊、串口通訊、硬接線通訊、網絡通訊等，涉及到的通訊協議和相關硬件較多，易造成信號的丟失和堵塞。銀川東換流站就多次出現過換流閥信息響應慢、不刷新的情況。尤其是對于觸發脈沖的傳輸，建議采用并行通訊的方式，避免出現所有脈沖全部丟失的情況。在以后的通訊模式設計上，應盡量簡單，采用光纖通訊；對于相關告警、時間的定義要明確清晰地反映換流閥系統的狀態，避免出現歧義和表義不明的情況；最好在后臺專門為閥制定一個監控平臺，更好地監視和統計換流閥相關信息。對于瞬時性的故障，在故障消失后VBE應能自動恢復到正常工作狀態。

4.3 閥控與后臺通訊接口

Siemens閥控系統和AREVA閥控系統均與后臺有專門的通訊接口。特別是AREVA閥控與后臺的通訊，多次出現單系統誤報故障信息的情況。分析原因是為了滿足大量信息傳輸的需要，VBE系統采用了高頻歸零脈寬調制技術，通信脈沖的幅度和寬度要求非常嚴格，光收發板（S5014）和中央處理器板（S5005）間電信號的幅值和脈沖寬度不匹配是造成該現象的根本原因。通過更改相關的通訊機制是可以有效避免類似情況再次出現的。另外，盡量減少閥控與后臺通訊的硬件接口，防止中間環節過多造成信息丟失。

5 結語

對于3個生產廠家的換流閥及閥控系統來說，既各有所長，也同時存在一些缺點。通過對3個生產廠家產品技術的比較和分析，可以為未來國產換流閥及閥控系統的設計和運維提供一些改進思路。吸納各家的設計優點，避免已有的缺陷，為提高換流閥設備的運行可靠性打好堅實基礎。

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