一起換流站直流容量改變直流功率參考值告警的處理與思考

蘇麗倩，陳鐵敏，黃致遠，閆全全，左 威

(國網上海市電力公司檢修公司，上海 200063)

直流輸電是如今保證清潔能源在大范圍內高效匯集、靈活傳遞、分散消納的重要手段[1]，其靈活性往往取決于換流站內控制保護系統的工作性能。極控的控制模式主要有兩種，定功率控制和定電流控制，一般情況下選擇前者。當雙極外部設備運行工況一致時，一般將控制系統設定為雙極功率控制模式[2]。在該模式下，兩個極的直流電壓對稱，單極直流功率為雙極總容量的一半，使得流過接地極的電流最小[3]。在雙極功率控制模式中，期望的終點功率參考值由運行人員手動整定或通過自動功率曲線獲取。調節功率過程中的實時參考值由斜坡發生器動態跟隨。

本文從±500 kV某換流站極控系統(PCP)發出的“直流容量改變直流功率參考值”告警為出發點，首先從軟件層面，搜尋引起該告警的一些重要程序變量，確定對極解鎖狀態誤判是中間因素，對極電流采集丟失是關鍵因素。其次是從硬件層面，分析對極電流的傳輸途徑，提供檢修處理的具體步驟和定位故障點的方法，找到告警事件的根源在于測量屏內發送端的EtherCAT光電轉換模塊出現故障。最后基于整個告警事件的分析與處理過程，提出一些關于不足與改進的思考。

1 直流容量告警

1.1 告警事件概況

某日，±500 kV某換流站在執行手動升功率操作后，OWS監視后臺頻發“極2極控B(從)系統，直流容量改變直流功率參考值——產生”告警信號，瞬時復歸，該報警約每20 s發一次。在告警發生前，該換流站作為逆變站與主控站運行，采用雙極手動功率控制模式，雙極直流系統、交流系統運行正常；告警后檢查各極控、極保護系統，未見明顯異常現象。

1.2 告警影響

該告警信號的設置是為了提醒運行人員，當前實際直流容量與控制系統通過斜坡計算所得直流功率參考值存在較大偏差，需進一步確認直流運行情況與功率參考值設定的正確性。

但現場設備運行正常，在手動升功率后實際直流功率與參考值一致，且極2極控A(主)系統未發類似告警，由此可初判為單一控制系統的告警誤報。在直流輸電中，雖然直流功率參考值的手動設置由主控站負責[4]，但真正實現直流功率控制[5]功能的往往是整流站。若主控站為逆變站，則逆變站通過站間通信將手動設置的直流功率參考值傳至整流站。因此逆變站出現的“直流容量改變直流功率參考值”告警，對實際功率輸送的影響不大。但在潮流反轉時，逆變站將以整流模式運行[6]，若再出現此告警，則影響較大。

2 告警信號的軟件排查

2.1 告警信號的板卡定位

±500 kV某換流站的直流控保系統采用基于西門子SIMADYN D開發的HCM200系統平臺，其核心處理器硬件主要有基于UNIX系統的PM6板和基于Windows XP系統的EP3.1板。

根據后臺發出的事件列表，可找到相應事件編號與產生告警的軟件位置。現場用可視化調試軟件STRUC G在線Debug極2極控系統B第一塊CPU PM6板的子功能程序ENUM，實時讀取變量C_FMAX(指令頻率達到最大設定值)為1，該值在雙極正常運行時應為0，變位異常。指令頻率達到上限，說明極控系統判斷經過斜坡計算的功率參考值與實際輸送功率差距過大，實際直流容量已達到上限，無法滿足參考目標。

2.2 直流容量改變功率參考值的判據

尋找變量C_FMAX的產生源頭，可發現SBPP_Cap(直流容量改變雙極功率參考值)、SBPP_Lim(功率限制改變雙極功率參考值)、SET_CLim(電流限制改變功率斜度變化量)任一個量為1，均可導致C_FMAX變位為1。現場Debug發現，僅有SBPP_Cap=1，而SBPP_Lim與SET_CLim均為0。

根據直流容量改變功率參考值指令發出的判據可以發現，SBPP_Cap變位為1是源于功能塊PL140判定雙極直流容量實際值BPPcap小于直流功率在斜坡變化中的參考值Pramp。在雙極平衡運行方式下，極控邏輯會為每個極分配相同直流功率。但現場Debug功能塊PL40的輸入端，得到Pramp的值約為70%，而BPPcap的數值僅約為Pramp的一半。

再分別對功能塊PL130B的兩個輸入端監視，發現本極功率Pcap數值正常，而對極功率P_Cap_op的數值為0%。進一步Debug功能塊PL130C的輸入端，發現對極解鎖信號op_dblk異常，零值與當前運行工況不符。

2.3 對極解鎖狀態的判斷

查找op_dblk的出處，發現該信號是跨CPU板、跨操作系統傳輸的信號，由第五塊CPU EP3.1板經第三塊CPU PM6板再傳到第一塊CPU PM6板，如圖4所示。

在第五塊CPU EP3.1板中，分別用EP3 IBS調試軟件Debug 子功能程序CC_T3的對極換流器解鎖信號oP Cdebd、對極解鎖狀態信號OP_dblk，以及子功能程序CC_T1的對極電流IdH_oP，分別得到1、0、0.276 11%的數值。分析數據知，該極控接收oP Cdebd信號正常，而對極電流IdH_oP在當時運行工況下，應為在70%附近，但極控實際采集到的數值接近0%，證明采集異常。極控在確認對極解鎖狀態時，由于不滿足oP Cdebd=1且IdH_oP>8%的條件，故判定對極是未解鎖狀態。

綜上可知，極控之所以發出“直流容量改變功率參考值”的告警，是因為對極電流采集丟失。因此下一步工作是從硬件層面排查對極電流的模擬量傳輸路徑。

3 對極電流采集丟失的硬件排查

3.1 板卡間的聯系

雖然極控系統的第五塊CPU EP3.1板參與對極電流的計算，但其模擬量輸入管理由其附屬專用插件IM3.1板實現。兩塊板卡在物理上的卡槽相近，板間數據交換通過L總線完成。

3.2 對極電流的傳輸

對極電流的采集回路如圖1所示，極1閥廳中性線電流IDNC1的二次模擬電流量進入極1零磁通[7]屏B，在屏內先完成電流量到電壓量的轉換，轉換公式如式(1)所示，再經過EtherCAT[8]光電轉換模塊，轉換成光信號后送至極2極控屏B。換流站內兩極的測量屏與控制屏之間在物理上距離有近十米，且電流轉換成的電壓信號數值很小，為降低傳輸的干擾影響，故采用極間光纖通信。

圖1 對極電流采集回路

(1)

式中Uidnc1——極1閥廳中性線電流IDNC1經過變換后對應的電壓量，其大小受電流采集單元的控制，額定值為1.667 V，最大值為10 V。

在極2極控屏內，承載對極電流信息的光信號先經光電轉換模塊EtherCAT逆轉為小電壓信號，再經過隔離放大器進入IM3.1板卡。

3.3 故障點排查

在整個電流采集回路中，方便測量的位置有隔離放大器、兩個屏的EtherCAT和電流采集單元三個器件的輸入、輸出端。具體的排查如下：

(1)用萬用表測量極1零磁通屏B的EtherCAT輸入端電壓，為1.17 V；

(2)用萬用表測量極2 PCPB屏的EtherCAT輸出端電壓，為0 V；

(3)用光功率計測量極2 PCPB屏的EtherCAT接收光纖，無光功率；

(4)仔細檢查極1零磁通屏B的EtherCAT的外觀，發現指示燈Link/Act不亮，而在正常通信時，該燈應為閃爍狀態。

由此，可判斷測量與控制之間的跨小室光纖通信存在故障。現場用備用光纖替換原有從測量屏到控制屏的發送光纖，但通信仍中斷。因此可判定，故障點在極1零磁通屏B的EtherCAT光電轉換模塊。由于它發送光信號異常，導致極2 PCPB屏的接收不到對極電流信號，無法正確判斷對極的解鎖狀態，從而誤發“直流容量改變直流功率參考值”的告警。1

4 結語

本次告警由逆變站的備用控制系統發出，若是整流站的主控制系統發生此類告警，則會引起實際功率控制的調整，影響較大。本次告警的根源是極控系統的對極電流采集故障。在基于HCM200平臺的換流站中，極保護系統也會采集對極電流，傳輸過程與極控系統一致，均需經過EtherCAT光電轉換模塊的光纖通信。當極保護的對極電流采集丟失時，將會導致某些以對極電流為判據的保護誤動。

當前處理方式：在不停電的情況下，將發告警的極控系統設置為測試狀態，更換故障的EtherCAT模塊。

存在的問題：在零磁通屏內，分別連接極控、極保護的EtherCAT模塊在物理上距離很近，不停電更換模塊存在誤動、誤碰的風險。在更換模塊期間，極控為單系統運行，降低了直流輸電的可靠性。隨著換流站運行年限的增加，此類EtherCAT模塊故障還會經常出現，成為了待排隱患。

改進處理方式：盡可能改善EtherCAT模塊的工作環境，減少高溫加速老化的影響。結合換流站檢修的停電機會，根據備品情況，提前更換有隱患的EtherCAT模塊。剛開始，可先將針對故障元件個體的事故搶修，轉變為針對同類元件群體的計劃檢修。之后，再運用先進在線監測、診斷與分析技術，綜合考慮穩定性、安全性與經濟性等條件，逐步轉變為可滿足個體差異化的狀態檢修。