柔直系統(tǒng)閥冷主泵邏輯分析與改進措施研究

南網(wǎng)超高壓輸電公司天生橋局 金濤

柔性直流作為當今最新的直流技術，其優(yōu)點眾多，具有非常大的應用前景。云南電網(wǎng)與南網(wǎng)主網(wǎng)異步聯(lián)網(wǎng)工程——魯西背靠背換流站作為世界首個高壓大容量的柔性直流工程，其成功運行為后續(xù)工程提供了許多寶貴經(jīng)驗。換流閥冷卻設備作為換流閥的換熱設備，在高壓直流輸電系統(tǒng)中尤為重要，換流閥冷卻系統(tǒng)的穩(wěn)定運行是直流輸電工程正常工作的前提和保證。主泵作為冷卻系統(tǒng)核心組成部分，主要提供用于散熱的水循環(huán)動力。為了提高閥冷設備的穩(wěn)定運行水平，主泵的控制設計就成為了首要的研究課題。

魯西柔性直流輸電閥冷主泵控制設計方案

主泵電源回路配置

魯西換流站柔性直流閥冷系統(tǒng)共配置四臺主泵。四臺主泵分別接入400伏站用電兩段母線上，1號電源接入P01 主泵和P03 主泵，2號電源接入P02 主泵和P04 主泵，每臺主泵設置軟啟回路和工頻回路，軟啟回路用于主泵啟動，主泵啟動完成后轉(zhuǎn)入工頻運行。主泵一次回路配置如圖1所示。

主泵控制設計方案

四臺主泵為P01 主泵、P02 主泵、P03 主泵、P04 主泵。正常工作時，兩臺主泵運行，兩臺主泵備用。每周切換一次。主泵的切換由閥冷系統(tǒng)西門子S7-400 系列PLC 控制器控制，正常啟動先啟一臺主泵軟啟，啟動3 秒后工頻啟動，軟啟和工頻維持5 秒后，軟啟退出，維持工頻運行；第一臺啟動3 秒后啟第二臺軟啟，軟啟和工頻維持5 秒后，軟啟退出，維持工頻運行。當運行中的主泵出現(xiàn)故障時，將會切換至備用泵運行。

主泵采用軟啟動器啟動切換工頻運行，既可解決啟動過程中大沖擊電流問題，也可以避免采用變頻器控制時變頻投切工頻相位角不一致情況的發(fā)生。通過軟啟動器控制主泵，能使電機啟動電壓以恒定的斜率平穩(wěn)上升，啟動電流小，對電網(wǎng)無沖擊，可減少閥冷系統(tǒng)管路和水泵的機械沖擊。圖2為電機的直接啟動、星/三角啟動、軟啟動三種啟動方式啟動時的電壓和電流的對比。

圖1 主泵一次回路圖

圖2 電機啟動方式?jīng)_擊比較

（1）四臺主泵周期性切換

四臺主泵，一共有六種組合，分別為P01 與P02、P01 與P03、P01 與P04、P02與P03、P02 與P04、P03 與P04。其中P01 與P03 在1號母線上，P02 與P04在2號母線上，為了減輕上級電源的負荷和增加系統(tǒng)的可靠性，每次水冷系統(tǒng)啟動時優(yōu)先啟動不同母線上的兩臺泵，優(yōu)先啟動P01 與P02 或者P03 與P04。采用順序間隔3 秒啟動，間隔3 秒，是為了防止兩臺泵同時啟動形成的沖擊。

P01 與P02 一起運行，P01 主泵連續(xù)無故障工頻運行168 小時后，自動切換至P03 主泵。P03 主泵軟啟投入延時3 秒轉(zhuǎn)入工頻運行，同時P01 主泵停止。P02 主泵連續(xù)無故障工頻運行168小時后，自動切換至P04 主泵。P04 主泵軟啟投入延時3 秒轉(zhuǎn)入工頻運行，同時P02 主泵停止。

圖3 主泵切換失敗回切邏輯

（2）閥冷系統(tǒng)故障切泵

主泵故障切換邏輯：

1）每臺主泵分三個備用切換優(yōu)先級：

a.優(yōu)先級1（第一優(yōu)先級，備用泵完全沒故障）；

b.優(yōu)先級2（第二優(yōu)先級，備用泵僅工頻故障）；

c.優(yōu)先級3（第三優(yōu)先級，備用泵僅軟啟故障）。

2）切換原則：

運行主泵出現(xiàn)相故障需要切泵時，優(yōu)先選擇切至優(yōu)先級1 條件的備用泵，如果都沒有優(yōu)先級1 備用泵，選擇切換至優(yōu)先級2 的備用泵，如果都沒有優(yōu)先級2 的備用泵，選擇切換至優(yōu)先級3 的備用泵，如果還沒有，說明其他備用泵也均故障，保護原泵運行。

3）故障情況包括：

a.系統(tǒng)壓力低報警：閥冷系統(tǒng)主泵出口設置兩臺壓力變送器，進閥壓力變送器設置三臺，冗余儀表主泵出水壓力變送器低報警采用“二取一”邏輯進行判斷，三重化儀表閥壓力變送器低報警采用“三取二取一”邏輯進行判斷，當主泵出水壓力變送器低報警與進閥壓力變送器低報警都出現(xiàn)時，延時3 秒后，切換主泵，同時控制系統(tǒng)報出“主泵出水壓力低”+“進閥壓力低”和“主泵建壓失敗”報警。

b.主泵故障報警：主泵軟啟回路設置斷路器保護，軟啟動器自身保護，當斷路器脫扣或軟啟故障報警時，延時500 毫秒后，控制系統(tǒng)報出“主泵軟啟回路故障”；主泵工頻回路設置斷路器保護和熱繼電器保護，當斷路器脫扣或熱繼電器動作時，延時500 毫秒后，控制系統(tǒng)報出“主泵工頻回路故障”。

c.站用電400 伏電源故障：P01 主泵接在I 段母線上，P02 主泵接在II 段母線上，P01 主泵運行，同時I 段母線電源失電，延時2500 毫秒后，控制系統(tǒng)報出“1號交流電源故障”同時主泵切換至備用泵運行。

（3）主泵切換失敗回切

P01 主泵連續(xù)工頻運行168 小時后需要自動切換至P02 主泵運行，當控制系統(tǒng)切換至P02 主泵運行失敗時，控制系統(tǒng)檢測出“主泵出水壓力低”+“進閥壓力低”+“P02 主泵建壓失敗”報警或者“P02 主泵電源故障”或者“P02 主泵工頻回路故障”后回切到P01 主泵運行，切換邏輯見圖3。

閥冷主泵切換工況分析

理論切泵工況分析

項目閥冷最不利切換工況為兩臺運行主泵同時切換至兩臺備用主泵，以初始P01 和P03 主泵運行為例進行分析如下：

閥冷系統(tǒng)P01 和P03 主泵工頻運行狀態(tài)下——400 伏站用電I 段失電——控制系統(tǒng)啟動故障切泵邏輯——P01 和P03 主泵停止、P02 和P04 主泵軟啟運行、在線物理量（流量、壓力）會有所下降——3 秒后P02 和P04 主泵由軟啟切換到工頻運行——流量、壓力逐漸恢復，閥冷系統(tǒng)恢復正常運行，在線物理量正常。

主泵切換過程中，流量、壓力會有所下降（該過程只持續(xù)3～6 秒，遠小于流量保護動作延時15 秒），隨著主泵切換完成，流量、壓力會快速恢復正常，不會引起閥冷系統(tǒng)冷卻水流量和進閥壓力聯(lián)合跳閘保護動作，即閥冷切泵動作不會引起保護出口。

現(xiàn)場切泵測試分析

以廣西側P01 和P02 主泵運行時手動切換至P03 和P04 主泵運行為例進行分析：閥冷系統(tǒng)P01 和P02 主泵正常運行，在流量約220 升/秒、壓力約0.55 兆帕工況下——在HMI 手動執(zhí)行“選擇P03、P04 主泵運行”操作——P01和P02 主泵停止，P03 和P04 主泵軟啟轉(zhuǎn)工頻運行，壓力由0.55 兆帕經(jīng)2 秒下降至最低約0.15 兆帕、再經(jīng)3 秒恢復至壓力低保護值0.34 兆帕以上，流量由220 升/秒經(jīng)3 秒下降至最低約180 升/秒、再經(jīng)3 秒恢復至流量低保護值216升/秒以上——系統(tǒng)恢復正常運行工況。

閥冷主泵相關隱患分析及建議措施

主泵電源故障切換邏輯優(yōu)化

（1）隱患描述

柔直閥冷系統(tǒng)P01、P02 主泵運行工況下，當400 伏站用電I 段電源瞬時失電（持續(xù)時間約500 毫秒）時，引起柔直閥冷系統(tǒng)主泵由P01、P02 主泵運行切換至P03、P04 主泵運行。切換動作延時效果與閥冷系統(tǒng)保護定值單內(nèi)的“主泵電源故障切換延時2.0 秒”不符。即柔直閥冷主泵電源故障切換邏輯不能躲避400 毫秒站用電電壓瞬時波動，存在每次400 毫秒站用電電壓瞬時波動均會引起柔直閥冷主泵不必要的切換情況。

（2）優(yōu)化措施

將各臺主泵電源故障切換條件由原錯誤使用相應主泵的“動力電源故障”條件，修改為正確使用“動力電源故障延時”條件，解決控制系統(tǒng)檢測到相應主泵動力電源故障時不經(jīng)延時而過早執(zhí)行主泵切換邏輯問題。

主泵壓力異常切換邏輯優(yōu)化

（1）隱患描述

原兩臺運行主泵壓力異常切換的條件為，主泵出水壓力低（PT01/PT02）+進閥壓力低（PT03/PT04/PT05）。當控制系統(tǒng)檢測并報警“主泵出水壓力低”+“進閥壓力低”時，執(zhí)行主泵切換，系統(tǒng)由兩臺運行主泵切換至另外兩臺備用主泵。存在現(xiàn)象：系統(tǒng)兩臺運行主泵中實際只有一臺主泵出水壓力異常，但會導致兩臺運行主泵切換至另外兩臺備用主泵，實際情況是原兩臺運行主泵中有一臺主泵工況是正常的，可以不需要切換，由于主泵壓力異常切換的其中一個條件“主泵出水壓力低”信號來自于四臺主泵出水公共主管道上的PT01/PT02，故存在壓力異常切換主泵時，導致其中一臺正常運行的主泵需要同時切換，邏輯不合理。

（2）優(yōu)化措施

分別以四臺主泵的單泵出水壓力（P01 主泵出水壓力PT21/PT25、P02 主泵出水壓力PT22/PT26、P03 主泵出水壓力PT23/PT27、P04 主泵出水壓力PT24/PT28）作為相應主泵壓力異常切換的條件之一。

優(yōu)化效果示例：

邏輯優(yōu)化前，P01、P02 主泵運行時，由于P01 主泵異常，導致系統(tǒng)出現(xiàn)主泵出水壓力低（PT01/PT02）+進閥壓力低（PT03/PT04/PT05），引起P01、P02主泵執(zhí)行壓力異常切換邏輯切換至P03、P04 主泵運行。即使此時P02 主泵無異常，也進行了切換。系統(tǒng)工況由P01、P02 主泵運行變化為P03、P04 主泵運行。

邏輯優(yōu)化后，P01、P02 主泵運行時，由于P01 主泵異常，導致系統(tǒng)出現(xiàn)P01 主泵單泵出水壓力低（PT21/PT25）+進閥壓力低（PT03/PT04/PT05），引起P01 主泵執(zhí)行壓力異常切換邏輯切換至P03 主泵運行。此時P02 主泵無異常，不進行切換，保持運行。系統(tǒng)工況由P01、P02 主泵運行變化為P02、P03 主泵運行。

主泵啟停切換邏輯優(yōu)化

（1）隱患描述

系統(tǒng)啟動選擇P01、P02 主泵運行后系統(tǒng)停止，系統(tǒng)再次啟動時仍然選擇P01、P02 主泵運行，沒有切換至P03、P04主泵啟動運行。即主泵沒有啟停切換邏輯，每次系統(tǒng)啟動會優(yōu)先選擇P01、P02主泵運行，該邏輯長時間會造成四臺主泵運行時間不均衡，P01、P02 主泵的累計運行時間會明顯大于P03、P04 主泵，造成P01、P02 主泵電機檢修周期縮短。

（2）優(yōu)化措施

現(xiàn)場調(diào)試優(yōu)化修改了柔直閥冷控制系統(tǒng)邏輯，增加了四臺（兩組）主泵執(zhí)行主泵啟停切換邏輯功能：備用泵無異常情況下，本次啟動兩臺運行泵停止后，下次系統(tǒng)再啟動時將選擇另外兩臺備用泵運行，以達到各臺主泵運行時間相對均衡的效果。

主泵切換周期時間優(yōu)化

（1）隱患描述

系統(tǒng)正常啟動時，是兩臺主泵同時啟動運行，即兩臺運行主泵的運行時間相等，存在當主泵運行時間達到切換周期（10080分鐘/168 小時）時，出現(xiàn)兩臺運行主泵同時切換至備用主泵情況，由于兩臺運行主泵同時停止并切換至另外兩臺備用主泵啟動建壓過程中，系統(tǒng)流量、壓力重新建立至額定工況時間較長，可能引起流量、壓力保護報警，存在系統(tǒng)流量壓力聯(lián)合保護誤動風險。

（2）優(yōu)化措施

現(xiàn)場調(diào)試優(yōu)化修改了柔直閥冷控制系統(tǒng)邏輯，躲避主泵周期切換時兩臺運行主泵同時切換工況，優(yōu)化了各泵切換實際周期：P01 主泵以主泵切換周期設定值（10080分鐘）為實際切換周期，P02 主泵以主泵切換周期設定值+1分鐘（10081分鐘）為實際切換周期，P03主泵以主泵切換周期設定值+2分鐘（10082分鐘）為實際切換周期，P04 主泵以主泵切換周期設定值+3分鐘（10083分鐘）為實際切換周期，合理錯開同時運行的兩臺主泵的切換時間，即兩臺運行主泵在達到主泵切換周期（10080分鐘）后的3分鐘內(nèi)，其中一臺主泵先執(zhí)行切換，1分鐘后另一臺主泵才執(zhí)行切換。以躲避“由于兩臺運行主泵同時停止并切換至另外兩臺備用主泵啟動建壓過程中，系統(tǒng)流量、壓力重新建立至額定工況時間較長，可能引起流量、壓力保護報警，存在系統(tǒng)流量壓力聯(lián)合保護誤動風險”。

主泵配電回路排查整改

（1）隱患描述

當400 伏站用電I 段電源失電時，柔直閥冷控制系統(tǒng)報“AP1 柜1號動力電源故障”“AP2 柜2號動力電源故障”（即P01 主泵和P02 主泵動力電源故障）；當400 伏站用電II 段電源失電時，柔直閥冷控制系統(tǒng)報“AP3 柜3號動力電源故障”“AP4 柜4號動力電源故障”（即P03 主泵和P04 主泵動力電源故障）。

（2）改進措施

對柔直閥冷四臺主泵外部電源配電回路的正確性進行排查和試驗確認，將400 伏站用電I 段電源接入P01 主泵和P03 主泵，II 段電源接入P02 主泵和P04 主泵。

主泵定期切換邏輯優(yōu)化

（1）隱患描述

柔直閥冷系統(tǒng)初始P01、P03 主泵運行工況，在連續(xù)無故障運行168 小時切換時，P01 主泵切換至P04 主泵運行；但隨后P03 主泵切換至P01 主泵運行，而沒有切換至P02 主泵運行。即P01、P03 主泵運行達到周期切換時切換至P01、P04 主泵運行，而不是切換至P02、P04 主泵運行。存在P01 主泵繼續(xù)運行，而P02 主泵仍處備用狀態(tài)的情況。

（2）建議措施

優(yōu)化柔直閥冷系統(tǒng)主泵周期切換控制邏輯，更改原“為了減輕上級電源的負荷和增加系統(tǒng)的可靠性，每次水冷系統(tǒng)啟動時優(yōu)先啟動不同母線上的兩臺泵”原則，優(yōu)先考慮均衡各主泵運行時間，實現(xiàn)兩臺運行主泵在周期切換時，可以切換至另兩臺無故障的備用泵運行，令各主泵運行時間相對均衡。

結語

本文列出了魯西換流站柔性直流工程閥冷系統(tǒng)的一些主泵切換邏輯方面存在的問題，并提出了相應的改進措施，確保了柔性直流閥冷系統(tǒng)的正常運行，保障了柔性直流工程的正常運行，對其他類似工程提供了一定的運行維護參考。