廈門柔性直流換流站保護系統信號回路改進方法研究

田存建

(國網福建電力有限公司檢修分公司, 福建　廈門　330031)

2016年12月13日，廈門±320 kV柔性直流換流站進行控制保護系統及高壓直流分壓器合并單元冗余試驗，試驗工況為單極有功100 MW，無功25 Mvar。

斷開浦園站(送端站)極ⅠC套電壓合并單元設備電源后，極Ⅰ直流保護裝置C(PPR C)告警：“電壓測量裝置單套電源故障或AD采樣異常出現”，極Ⅰ直流測控裝置A、B(PCP A、B)告警:“PPR C系統異?！?。72 ms后，保護裝置A、B分別發出“流低電壓保護Ⅰ段(0.8 pu)保護動作”，“換流閥閉鎖”，“交流開關跳開”，同時聯跳對站。3套保護錄波如圖1、圖2、圖3所示。UV-L1、UV-L2、UV-L3分別為A、B、C三相橋臂電壓；UdL為直流線電壓;UdN為中性線電壓；DCUVP-TR1為欠壓保護跳閘出口信號。

由運維工作站(OWS)波形及當時各設備狀態可知：一次系統未發生故障，極Ⅰ C套電壓合并單元設備電源斷開后，PPR C 檢測到該合并單元故障，所有電壓量保持故障前一時刻值不變(無效值)。

圖1　PPR A故障錄波

圖2　PPR C故障錄波

圖3　PPR B故障錄波

PPR A和B采樣值也同時受到影響，所有電壓值同時下降，約0.05 ms后，二者同時檢測到直流低電壓達到直流低電壓保護I段動作定值，最終導致上述2套保護同時出口跳閘。

1　廈門柔直換流站直流保護系統

1.1　直流保護冗余配置

換流站直流保護通常采用“三取二”冗余配置，3套保護設備彼此相互獨立，冗余配置邏輯圖[1-3]如圖4所示。

圖4　直流保護配置

1.2　原直流分壓器及其二次側分壓、采樣與輸出

直流分壓器及其電壓合并單元裝置和直流控保系統間的配置邏輯[4-5]如圖5所示。

圖5　分壓器及其合并單元配置

圖5中：Ud為一次直流母線電壓；Us為直流分壓器低壓臂輸出電壓；DC-DC電壓轉接盒配置在電壓轉接柜內，每臺分壓器對應1臺電壓轉接盒。

電壓合并單元A、B、C和PPR A、B、C間是一一對應關系。但3套合并單元裝置的信號采樣來源于同1臺電壓轉接盒及分壓器，由此可初步分析跳閘的原因可能是當合并單元C裝置斷電或因其他故障退出時，會對其上游(同軸電纜、DC-DC電壓轉接盒及其輸出的3路模擬量)信號產生影響，進而干擾另外2套合并單元裝置及其對應的控保系統采樣信號，最終導致保護誤動，出口跳閘。

經研究確認，分壓器二次側信號分壓、分支采樣原理如圖6所示。

圖6　分壓器二次側分壓原理

由圖6可知，3套電壓合并單元采樣回路之間均未采取任何隔離措施，當任一回路故障,采樣負載值大幅變化(如單套斷電退出時，其采樣等效負載值變為正常時的5%)，導致整個二次分壓阻值大幅變動，進而可影響另外兩回路采樣值(降為0.25 pu)。根據現場實際檢測，對上述回路進行仿真如圖7、圖8所示。

圖7、圖8中，分壓電阻配置在DC-DC電壓轉接盒內，數據采集單元為電壓合并單元等效負載值，正常運行時為20 MΩ,失電時，降為11 kΩ，圖8中數據采集單元3模擬合并單元C故障等效負載。

圖7　正常投運情況下仿真

圖8　合并單元C故障時仿真

仿真驗證了該猜測，即當3套合并單元采樣回路均正常投運時，3條回路采樣正常，而當C套裝置失電故障時，其采樣負載值減小，導致二次分壓值普遍減小，另外2套裝置的采樣電壓降為0.246 pu。

因此，直流分壓器二次側該分壓采樣原理不滿足換流站二次控保系統“三取二”冗余設計要求，此次跳閘事件完全由直流分壓器二次側分壓設計不合理導致。

2　直流分壓器二次分壓改造方法

針對原直流分壓器二次分壓單純依靠電阻串并聯分壓，各采樣回路缺乏有效隔離的現狀，在堅持分壓器一次側高低壓分壓臂、電壓合并單元(光電信號轉換)等設備原配置不變，同時盡可能減少技改工作量的基礎上，提出如下3種改造方法。

2.1　變壓器耦合法

變壓器可以通過磁的耦合將信號從初級傳遞到次級，起到電氣隔離的作用。但變壓器只能變換交流信號，不能傳遞直流信號[6]。如果想采用變壓器耦合法傳遞直流信號，設備需配置調制/解調回路，隔離放大器P27000正是采用此原理，成功實現了輸入與輸出間直流信號的成功隔離及傳遞。

根據其參數手冊可知，其輸入信號可選范圍為電壓±20 mV～±200 V，電流±0.1～100 mA，輸出信號范圍為電壓0～±10 V，電流0～±20 mA，供電電源為交直流電壓20～253 V，滿足分壓器二次側及其合并單元輸入信號要求，同時可直接采用站內200 V直流電源供電，無需額外配備直流電源。

改造原理如圖9所示。保持直流分壓器一次側不變，經低壓臂輸出的100 V模擬信號經3塊阻容分壓板(在電壓轉接柜內)分別輸出6 V模擬信號，再分別經隔離放大器(配置在合并單元柜內)隔離后輸出，供對應的合并單元采樣，轉換為光信號供各自對應的直流控保及錄波設備采用。

圖9　基于P27000的二次分壓采樣原理圖

上述3條分壓-隔離回路配置完全相同，以第1套設備為例，設計電路如圖10所示。

圖10　隔離分壓電路圖

圖10中，U12(100 V)為直流分壓器低壓臂電壓輸入端模擬信號，U13(6 V)為阻容分壓板1輸出端及P27000輸入端模擬信號；R11、R12為誤差<±1%的高精密電阻；R14為可調電阻，其作用是保證分壓板上下分壓臂RC時間參數一致及采樣精度。C11、C12誤差<±1%的無感高精密電容，P27000電源直接采用合并單元柜直流220 V電源；Rd為合并單元等效負載值。ST1閉合時，模擬合并單元整體故障(柜內所有配置裝置全部失電或短路)，斷開時設備正常運行；St1閉合時，模擬僅合并單元裝置故障；柜內其他設備均正常，斷開時，設備正常運行。同理模擬設備狀態如下：ST2、St2和ST3、St3分別代表第2和第3套采樣設備回路相應故障模擬開關。

建立上述電路仿真模型，設備運行狀態如下。

當0 s8 s時，合并單元柜A整體故障，另外2套合并單元正常運行。合并單元C的仿真波形如圖11所示。

由圖11可知，當4 s

圖11　合并單元C采樣仿真波形

2.2　光電隔離法

相較于變壓器耦合隔離法，光電隔離方式成本更低，而且通過合理設計同樣可以實現高精度的信號隔離，是一種很實用的模擬信號隔離方式[7]。

HCNR201是目前被普遍使用的一款主流高精度線性光耦，其由HP公司推出，成本低，線性度、穩定性較高，高達1 MHz的帶寬，配合不同的分立元件，最高可實現1 414 V電壓隔離[8-11]。

輸入信號經過電壓-電流轉換，當LED中流過電流IF時，其所發的光會在PD1和PD2中感應出正比于LED發光強度的光電流IPD1、IPD2，其中IF、IPD1、IPD2滿足以下關系[12]:

IPD1=K1IF

(1)

IPD2=K2IF

(2)

(3)

式中：K1、K2分別為輸入、輸出光電二極管的電流傳輸比，其典型值約為0.5%。因為IF一般在1～20 mA之間，所以IPD1、IPD2一般在50 μA以下，K被定義為傳輸增益，K的典型值為1±0.05。

如圖12所示，同樣一次側分壓回路及電壓合并單元裝置保持不變，低壓臂輸出的100 V信號經3塊阻容分壓板(配置在電壓轉接柜內)分別輸出3 V模擬信號，再分別經光電隔離-放大裝置(配置在合并單元柜內)后輸出，供對應的合并單元采樣，轉換為光信號后供各自對應的直流控保及錄波設備采用。

圖12　直流分壓器二次側隔離分壓原理圖

上述3條分壓-光電隔離-放大回路配置完全相同，仍以第1套設備為例，設計電路如圖13所示。

U12為直流分壓器低壓臂電壓輸出端模擬信號;U13為阻容分壓板1輸出端模擬信號，R11、R12為誤差<±1%的精密電阻;C11、C12誤差<±1%的無感電容。RC配置需滿足R11×C11=R12×C12。

圖13　阻容分壓原理

光電隔離放大裝置原理圖如圖14所示。圖中運放A1配置于電壓轉接柜，電源由轉接柜直流電源經DC-DC電源轉換模塊提供，A2配置于合并單元柜，電源由合并單元柜直流電源經DC-DC電源轉換模塊提供，VD1為2.4 V穩壓管。

圖14　光電隔離裝置原理

Rd為合并單元正常運行時的等效負載值，STx和Stx(x=1,2,3)功能同圖11。

根據運算放大器“虛短”和“虛斷”原理，聯立式(1)、(2)、(3)可得：

(4)

(5)

(6)

其中Uout1為合并單元A輸入電壓信號，同理：

(7)

設備仿真狀態同方法2.1，合并單元C波形如圖15所示。

圖15　合并單元C采樣仿真波形

由仿真可知，上述方案改造后，由于LED和PD1、PD2之間的光電隔離，完全阻斷了隔離裝置輸入與輸出端間的物理干擾途經，不論是單套或2套合并單元僅裝置故障，還是合并單元柜整體故障，其他正常運行的設備均可測量到實際正常電壓值，相互之間完全隔離、獨立，互不影響，真正達到了“三取二”冗余配置的技術要求。

2.3　霍爾傳感器隔離法

為便于柔直換流站設備日常維護維護，同時兼顧測量精度、性能及經濟成本，選擇LEM公司生產的LV100型閉環霍爾電壓傳感器，其可以測量任意波形的電流和電壓，具有測量準確、精度高、安裝方便的特點，其工作原理由文獻[13-14]詳細可知。

基于LV100的直流分壓器二次分壓采樣原理如圖16所示。

直流分壓器低壓臂輸出100 V模擬信號，經3個相同的霍爾電壓傳隔離分壓器(在電壓轉接柜中)采樣，轉化為3 V模擬信號，再分別經信號放大裝置(在合并單元柜中)，轉化為6 V模擬信號分別供對應的合并單元采樣轉化為光信號輸出。

3條采樣回路完全相同，仍以第1條采樣回路為例，電路如圖17所示。其中，R1為1%高精度可調電阻，與LV100內阻配合，將分壓器低壓臂輸出U13電壓信號轉化為其典型電流值，LV100的±15 V由電壓轉接柜220 V直流電源轉換所得。

圖16　基于LV100的二次分壓采樣原理圖

調節原副邊線圈匝數比：

n=3∶1

(8)

則原邊電流：

(9)

副邊電流：

(10)

圖17　基于LV100的隔離采樣電路

由“虛短”和“虛斷”原理可知：

UM=IsRM1

(11)

(12)

聯立式(8)—(12)，可得：

Uout=6 V

(13)

開關STx、Stx(x=1,2,3)以及負載Rd同圖14,開關S閉合時模擬LV100輸入端故障，反之設備正常，t<10 s時仿真設備狀態同方法2.1和2.2設置，t>10 s時，ST1和St1斷開，S閉合，合并單元C采樣電壓仿真波形如圖18所示。

圖18　合并單元C采樣仿真波形

由圖18仿真波形可知，由于LV100霍爾傳感器成功隔離了其輸入、輸出兩端的采樣回路，不論單套或2套合并單元僅采樣裝置本身故障，還是合并單元A整體故障，其他正常運行的合并單元采樣值均不受其他異常設備的影響。同時，LV100原邊線圈等效負載很小，可忽略不計，電壓檢測不受其影響，最大限度從源頭截斷了3套合并單元采樣回路之間互相影響的路徑，徹底實現了彼此間的物理隔離。

3　結論

a. 3種隔離方法均達到了單套或多套合并單元僅裝置故障時，其他正常運行設備合并單元采樣不受影響的設計要求。

b. 變壓器耦合法中，由于采用的P27000隔離放大器本身有一定輸入阻抗值[15]，且在正常和故障情況下對線路呈不同的負載值，導致當其所在合并單元柜整體故障時，其本身輸入負載值變化較大，干擾了其他正常運行設備的采樣值，因此設計上仍未完全滿足直流保護系統“三取二”的冗余配置要求。

c. 光電隔離法和霍爾傳感器隔離法仿真驗證中，輸入端信號又不受輸出端負載的任何影響，實現了真正意義上傳輸路徑的物理隔離，再加上線性光耦和霍爾傳感器本身輸入阻抗很小[16-19]，相對直流分壓器低壓臂輸出端，其負載值可忽略不計，因此即使該隔離裝置本身故障，也不會對其他正常運行設備造成實質性的影響。

d. 3種方案中核心隔離器件的電源需同合并單元裝置電源同源、同檢，且應共用電源空開為宜，否則，若隔離器件電源回路單獨故障，合并單元裝置及控保系統均無法檢測到，若此時合并單元裝置仍正常工作，輸出給控保系統的電壓信號為0，主備控制系統間將無法實現及時切換，而單套PPR 單純低電壓保護動作經三取二裝置判斷后不會出口跳閘，最終可能會導致誤控，損壞換流閥等重要設備。

e. 考慮到投運工程現狀及電網負荷壓力、改造工期、經濟成本等，本文從直流分壓器二次回路著手，提出了控保系統冗余設備間的互相干擾問題的解決方案，為其他類似問題提供了借鑒。同時，今后新建工程可考慮從直流分壓器一次側著手進行改進。

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