換流閥冷卻裝置控制保護系統的設計

溫玉婷　吳健超

摘 要：本文對高壓直流輸電換流閥冷卻裝置控制保護系統的控制策略進行了研究，以相互獨立、電氣隔離且全面冗余為設計原則，保證了各子系統的冗余，同時實現了硬件、軟件的冗余，能夠實時監測閥冷系統各參數的變化，并根據變化控制閥冷系統各元器件的單元動作，使在線參數穩定在設定范圍內，保證閥冷裝置正常運行。

關鍵詞：換流閥；冷卻裝置；控制保護；設計

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.15.154

0 概述

換流閥是換流站的核心設備[1]，其在運行過程中會產生大量的熱，需要配置冷卻系統，以保證閥內元件的正常使用和防止其老化，確保換流站的正常運行[2]。冷卻裝置由其控制系統進行控制，是閥冷系統安全、可靠、穩定運行的保障[3]，其關鍵技術包括純水冷卻系統的控制及監測、控制保護策略、監控和保護。本文針對高壓直流輸電換流閥冷卻裝置的控制保護系統設計進行介紹，重點研究了冷卻系統控制策略，冷卻系統的監控和保護設計，并通過系統的自控和保護試驗來驗證控制保護系統的設計要求。

1 控制保護系統總體設計

高壓直流輸電純水冷卻裝置控制保護系統涉及一次回路（動力部分）、二次回路（控制部分）等主要部分的設計[4]。純水冷卻系統智能控制部分PLC系統是閥內冷系統控制與保護的“大腦”，本系統選用的是西門子S7-400H系列PLC， CPU采用S7-400系列，CPU及其I/O單元件均為雙重化配置，兩個CPU使用同步光纜連接，實現兩對CPU硬件冗余。

2 一次回路控制系統

一次回路控制系統涉及內容包括：

（1）動力電源：包括兩路380VAC進線電源，其中一路電源接入P01主循環泵，另一路電源接入P02主循環泵，當其中某一路進線電源出現掉電、缺相等故障情況時能自動切換到另一路電源，保證一次回路的不間斷供電，使系統正常運行，其他電氣元器件的電源通過切換裝置接入。

（2）電源的監控：實時監控進線電源的狀況。當電源出現相間不平衡、缺相、掉電等狀況及當前工作電源回路的狀態信息都實時上傳。

（3）接地：為保障設備穩定的運行以及防止電磁干擾，控制系統屏柜需可靠接地；對總線屏蔽層需接地；24V直負端電源需接地。

（4）保護主設備：對水冷卻系統的關鍵元器件如主循環泵、補水泵和加熱器等，就地設置狀態指示燈，指示當前設備的運行狀態，同時提供對水泵的短路速斷和過熱等保護。

3 二次回路的控制系統

二次回路的控制采用冗余控制器（PLC）的控制保護系統。主要實現控制保護內容包括：

（1）對閥內冷系統的監控與保護；

（2）對閥外冷系統的遠程監控與保護；

（3）將閥內/外冷系統的工作狀況上傳給直流控制與保護系統[5]；

控制保護實施冗余設計，具體方式為分別設置兩個相對獨立的控制柜，分別控制A、B兩個系統，當A系統出現故障進行檢修時，B系統仍能正常保持運行。主要包括二次回路電源控制和二次回路系統控制。

3.1 二次回路電源控制

二次回路的電源控制也采用冗余配置，其中A控制系統接入兩路直流電源，B控制系統接入與A系統不同路的兩路直流電源，對不冗余的儀表、信號指示燈等元器件的用電由專用C路電源提供，同時實時監控進線電源狀況，對掉電故障、電源故障及當前工作電源回路工作狀態等信息都實時上傳。閥內冷系統的控制保護系統的工作電源除動力設備接觸器采用直流220V外，其他均為直流24V。

3.2 二次回路控制系統

二次回路控制系統總體也采用冗余控制， PLC是閥內冷系統控制與保護的核心元件。本文中選用的是西門子S7-400H系列PLC，CPU及I/O單元均為雙重化配置。CPU采用S7-400系列，兩個CPU配置同步光纜連接，實現兩對CPU硬件冗余。兩對S7-400H CPU為熱備用模式冗余原理，當單個CPU發生故障時，無擾動地自動切換，正常時兩個CPU都處于運行狀態，當CPU出現故障時，可自動切換到備用系統CPU運行[6]。

4 控制保護系統實施方案

換流閥冷卻裝置控制保護系統是由兩套獨立的S7-400H PLC系統組成，能夠實現以下功能：

（1）主機架電源、背板總線等冗余；

（2）PLC處理器的冗余；

（3）PROFIBUS現場總線網絡的冗余；

（4）ET200M站的通訊接口模塊IM153-2及所有I/O模塊的冗余[7]。

其主要組成原理如圖1所示：

4.1 主循環泵控制

主循環泵采用一用一備的配置方式，互為備用[8]，正常情況下，即使閥體退出運行，主泵也不會立即停運，閥內冷系統仍保持運行，除非產生泄漏或膨脹罐液位超低等請求停運報警。其主要控制條件與控制內容包括：

（1）主循環泵電機宜采用軟啟動，完成啟動后主泵電源切換到400V站用電供電，退出軟啟動裝置；

（2）當系統檢測到循環冷卻水主循環泵出水壓力低發出報警信號時，切換至備用泵運行；

（3）當系統檢測到工作泵故障/過熱時，切換至備用泵工頻運行；

（4）當主泵動力電源故障時，切換至備用泵運行。主循環泵切換后，仍然有流量低、壓力低、主泵過熱等報警，不再切換；

（5）當系統檢測到兩臺主循環泵同時故障，同時有進閥壓力低或冷卻水流量低報警時，發出跳閘信號；

（6）當工作泵連續運行168小時后自動切換至備用泵運行。

4.2 冷卻水溫度控制

溫度控制按照溫度的高低分為低溫控制、中溫控制和高溫控制。

（1）低溫控制。控制條件：冬季室外環境溫度較低，或者晶閘管閥處于低負荷運行時，冷卻水進閥溫度處入低溫控制狀態。

控制方式：全部關閉電動三通閥（保留設定的最小關限位），關閉室外空氣冷卻器，保證冷卻裝置散熱量最小。如果換流閥的進水溫度繼續下降，直至下降至啟動電加熱器定值時，啟動電加熱器，防止進水溫度過低導致沿程管路及換流閥的結凍損傷[9]-[10]。

（2）中溫控制。控制條件：正常運行時冷卻水進閥溫度處于中溫控制。

控制方式：通過控制電動三通閥改變冷卻系統的流量，從而改變系統的散熱量，最終使換流閥進水溫度穩定在電動三通閥工作溫度范圍內，此時風機會處于停運狀態。

（3）高溫控制。控制條件：夏季室外環境溫度較高，或者晶閘管閥處于大負荷運行時，冷卻水進閥溫度為高溫控制狀態。

控制方式：電動三通閥全開，冷卻介質全部流經室外空氣冷卻器，系統散熱量通過控制風機啟動數量結合風機變頻調速進行調節[9]-[10]。

4.3 流量壓力保護控制

換流閥內水冷系統主管道上至少需要裝兩個流量傳感器，在換流閥主循環泵前裝設三個壓力傳感器，在換流閥主循環泵后裝設兩個臺出閥壓力傳感器，配置兩臺流量傳感器按“二取一”原則判低、超低、高、超高，當出現冷卻水流量超低報警且進閥壓力低或高報警時，延時發跳閘請求，配置三臺流量傳感器按“三取二”原則判低、超低、高、超高，當出現超低報警且進閥壓力低或高報警時，延時發跳閘請求。

4.4 溫度保護控制

內水冷系統應裝設三重化的進閥溫度傳感器。進閥溫度保護按三取二原則出口，動作后閉鎖直流[11]。保護動作延時小于晶閘管換流閥過熱允許時間，延時定值取3～5秒。內水冷系統裝設雙重化的閥出水溫度傳感器，閥出水溫度保護按二取二的原則出口，保護動作后執行功率回降命令，不閉鎖直流。保護動作延時小于晶閘管換流閥過熱允許時間，延時定值取3～5秒。

4.5 液位保護控制

膨脹罐處裝設三重化電容式液位傳感器，用于液位保護和泄漏保護。當電容式液位傳感器測量的液位低于30%時液位保護延時5秒報警，低于10%時液位保護延時10秒跳閘。膨脹罐裝設可視的液位計或磁翻板式液位傳感器，便于巡視。

4.6 泄漏保護控制

泄漏保護采集裝設在膨脹罐中的三個電容式液位傳感器數值，按“三取二”原則動作，采樣和計算周期不應大于2s，在30s內，當檢測到膨脹罐液位持續下降速度超過換流閥泄漏允許值時，在收到換流閥閉鎖信號后延時5分鐘自動停止主循環泵。

4.7 與上位機通訊

閥冷卻系統所有運行線參數，信息量較大的通過Profibus-DP總線與上位機進行通訊，如流量、壓力、溫度、液位、電導率等實時數據通過總線上傳并保存，閥冷系統運行出現的報警信息，狀態信號也通過Profibus-DP總線上傳。對于換流閥保護相關的重要信號，通過硬接點/光調制信號上傳，如閥冷系統運行正常、預警、跳閘、請求停運、閥冷系統停運等信號[12]。水冷系統與上位機通訊的總線結構圖見圖2所示。

5 結論

通過對換流閥冷卻裝置控制保護系統進行設計，以相互冗余，彼此獨立為設計原則，既保證各子系統冗余，又實現了硬件、軟件的相互冗余，能夠實時監測流量、溫度、電導率等在線測量值及參數的變化，并根據變化值精準控制整套閥冷系統各動力設備的相關動作，保證系統穩定運行，達到了實時交互信息，等時同步控制的需求，保證了高壓直流換流閥冷卻系統的可靠性，縮小了事故的范圍，防止因閥冷系統故障導致換流閥的損壞，保障了換流站的安全、穩定、可靠的運行。

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“廣州市科技計劃項目-產業技術重大攻關計劃”（項目編號：201802010022）

作者簡介：溫玉婷（1984-），女，廣東廣州人，本科，助理工程師，主要從事電力電子行業水冷設備電氣研發工作。