背靠背直流單元控制系統故障研究分析

桂輝陽 江海 褚海洋 宋海彬 包也

摘要：背靠背直流單元控制系統包括常規直流的極控制和換流器控制，是常規直流控制核心，主要實現換流站觸發控制（CFC）、電壓控制（Voltage Control）、換流變分接頭（TCC）等控制，以及大角度監視（HAS）、閥丟脈沖檢測（VMP）等監視。本文以魯西換流站常規直流背靠背單元為載體，研究單元控制系統故障引起的直流閉鎖事件。

關鍵詞：背靠背;單元控制系統;魯西換流站

Abstract： the back-to-back DC unit control system includes the pole control and converter control of conventional DC， which is the core of conventional DC control. It mainly realizes the control of converter station trigger control （CFC）， voltage control （voltage control）， converter tap （TCC）， as well as large angle monitoring （has）， valve loss pulse detection （VMP）. This paper takes the conventional DC back-to-back unit of Luxi converter station as the carrier to study the DC blocking event caused by unit control system fault.

Key words：back to back; unit control system; Luxi converter station

直流單元控制系統按雙重化冗余結構配置，即從采樣單元、傳送數據總線、主設備到控制出口按完全雙重化原則配置，確保任何單一設備故障不影響直流系統的正常運行。背靠背換流單元的整流側和逆變側控制系統統一設計，兩側控制系統共用主機。本文以魯西換流站常規直流為載體，并根據魯西換流站一起因控制系統雙OFF故障引起的直流閉鎖事件為依托，深入分析直流跳閘原因及控制系統在電力系統中的重要作用。

1、控制系統基本功能配置及原理

1.1單元控制配置及原理

常規背靠背換流站整流側和逆變側的控制系統統一設計，整流側和逆變側的控制軟件配置在同一臺控制器內。常規直流單元控制系統從硬件結構上可分為兩部分：常規直流單元控制主機，完成直流控制系統的各項控制功能，完成與閥控接口裝置（VBC）接口，以及實現與站LAN網、故障錄波、直流系統保護、主時鐘和測量系統的接口。I/O接口設備，完成常規直流單元控制系統所需要的各種模擬量和狀態量的采集，實現與閥冷卻控制保護子系統（CCP）、換流變就地控制設備、以及閥廳接口。控制功能根據背靠背兩側系統情況配置相應的控制參數，既能運行在功率正送方式，也能運行在功率倒送方式。其配置的主要功能如圖1。

正常工況下，整流側通過快速調節Alpha角來保持直流電流恒定;逆變側用Gamma角控制來控制直流電壓恒定。額定Alpha角為15°，Gamma角最低限制為17°。與快速控制相配合的換流變抽頭的慢速控制策略為：正常工況下，整流側抽頭控制Alpha角為（15°±2.5°），逆變側抽頭控制Gamma為（19.5°±2°）。控制系統中設有過電壓限幅環節對過高的直流電壓進行限幅，避免直流設備承受過應力而損壞。兩側的電流閉環控制器協調配合，使得在正常運行工況下，整流側控制電流，逆變側確定電壓。在交流電壓異常的情況下，逆變側可能獲得電流控制權。此時，整流側運行在Alpha Min控制，逆變側的閉環電流調節器控制電流。在背靠背換流站中，整流側和逆變側配置獨立的12脈動閥組控制。兩側的閥組控制根據系統情況配置不同的控制參數。無論是云南側還是廣西側的閥組控制均能適用于整流運行和逆變運行。根據基本控制策略，閥組控制包括以下三個基本控制器：

（1）閉環電流調節器;

（2）電壓調節器;

（3）修正的Gamma控制器。

在閥組控制中對整流和逆變運行配置不同的參數，使得在實際運行中整流側和逆變側由不同的調節器起作用，從而實現希望的Ud/Id特性曲線。

1.2閥控配置及原理

控制保護設備（PCP）和閥控設備（VCE）A、B系統之間采用一對一光纖連接，即PCP 系統A對應VCE系統A，PCP 系統B對應VCE系統B，信號連接如圖2。

閥控故障（VCE_REDAY）產生條件：

輸入到閥控裝置的控制信號異常，包括：Energized、DBLK、ACTIVE信號;

（1）FCS信號丟失時間≥60ms;

（2）閥控機箱板卡異常;

（3）內部機箱通信和狀態信號異常。

主備重疊報警產生原理：

閥控系統在換流變充電后（Energized信號為有效），且主、備信號無異常時，對主、備信號有效狀態進行監視。當主備信號同時為主或同時為備超過1ms，閥控系統產生報警事件。

1.3單元控制系統常見故障

直流單元控制系統故障等級定義為輕微故障，嚴重故障和緊急故障。其中，輕微故障是不會對正常功率輸送產生危害的故障，因此輕微故障不會引起任何控制功能的不可用。發生嚴重故障的系統在另一系統可用的情況下退出運行，若另一系統不可用，則該系統還可以繼續維持運行。發生緊急故障的系統將無法繼續控制系統的正常運行。單元控制系統常見故障如表1。

1）輕微故障處理：當ACTIVE系統發生輕微故障時，而另一系統處于STANDBY狀態，并且無輕微故障，則系統切換;當STANDBY系統發生輕微故障時，系統不切換。

2）嚴重故障的處理：當ACTIVE系統發生嚴重故障時，如果另一系統處于STANDBY狀態，則系統切換。當ACTIVE系統發生嚴重故障時，而另一系統不可用時，則當前系統繼續運行，并發出告警;當STANDBY系統發生嚴重故障時，STANDBY系統應退出STANDBY狀態，進入OFF狀態，等待檢修;

3）緊急故障處理：當ACTIVE系統發生緊急故障時，如果另一系統處于STANDBY狀態，則系統切換，先前的ACTIVE系統進入OFF狀態，等待檢修。當ACTIVE系統發生緊急故障時，如果另一系統不可用，則閉鎖功能，跳斷路器。當STANDBY系統發生緊急故障時，STANDBY系統退出STANDBY狀態，進入OFF狀態，等待檢修。

2、控制系統故障導致直流閉鎖原因分析

2.1故障過程

閥控設備A系統報“5號機箱插件異常”，直流系統緊急故障，控制系統A退出運行，切換B系統為值班系統。切換系統10秒后，控制系統再次監測到云南側閥控設備B系統VCE_REDAY信號無效，直流系統緊急閉鎖。閉鎖過程中閥控產生 “極控主備信號重疊過長”報警事件。

2.2故障分析

2.2.1系統切換問題分析

通過分析控制系統切換時刻，控制系統和閥控錄波，觀察閥控狀態，可確認系統切換是由于閥控插件異常引起。分析控制系統切換時刻控制系統波形，系統切換前后，一次設備運行正常未出現過壓、過流、換流閥觸發異常現象，過程詳見圖3。

分析控制系統切換時刻控制邏輯時序，時序為：控制系統A監視到閥控A系統VCE_READY信號無效，置控制系統為off狀態，并退出值班狀態運行。如圖4。

分析閥控A5機箱A系統切換時刻錄波數據，如圖5所示。觀察到閥控產生VCE_READY信號無效后，系統退出值班狀態。故障現象與控制系統錄波一致。分析后臺OWS事件，系統切換時云南側閥控設備A系統報 “5號機箱插件異常”。基于以上分析，可確認單元二14時59分01秒系統切換，是由于閥控A5機箱B15位置LR板A系統故障導致。

2.2.2 系統閉鎖問題分析

分析14時59分11秒控制系統閉鎖時刻，控制系統、閥控錄波和OWS事件信息，結合閥控系統VCE_REDAY信號產生原理，可確認系統閉鎖是由于切換為主運的B套閥控輸出VCE_REDAY信號異常導致。

系統閉鎖時控制系統B系統錄波如圖6所示。通過波形可觀察到，當控制系統監視到云南側閥控B系統VCE_REDAY信號無效時，由于A系統為OFF狀態，啟動了系統緊急閉鎖。

閉鎖時序為：控制系統監視到閥控VCE_REDAY信號無效，控制閥控接口單元為OFF狀態，并控制云南側和廣西側系統退出值班狀態、解鎖信號DEBLOCK信號無效、50ms后置換流變充電Energized信號無效。

分析閥控所有機箱系統閉鎖時刻（14時59分11秒）錄波數據，觀察到A5機箱B系統VCE_REDAY信號存在瞬時性波動（該信號為閥控機箱B系統MC板輸出），其他機箱無異常。閥控控制時序與控制系統閉鎖時序一致，于云南側閥控A5機箱B系統輸出VCE_REDAY信號異常，導致系統緊急閉鎖。在此期間，由于閥控接收到A、B系統同為備達到50ms，因此閥控報“極控主備信號重疊過長”報警事件。

對云南側閥控A5機箱板卡進行檢查，發現B15 LR板A系統電源串聯電感損壞，導致輸入電源斷開，如圖7。檢查其他板未發現異常。對故障LR板進行更換，更換后A套系統故障恢復正常。

閥控和系統錄波顯示，控制系統閉鎖前，直流系統閉鎖時序正常，一次設備未出現過壓、過流、換流閥未觸發現象。閥控系統未監視到控制信號Energized、DBLK、ACTIVE無效，FCS信號丟失，觸發脈沖輸出正常;可確定閉鎖前未出現控制信號、FCS信號丟失。觀察OWS事件信息和閥控運行狀態，閉鎖時閥控B系統未上報插件異常和機箱通訊異常事件。可確定閉鎖前閥控未監測到插件異常和機箱通訊異常。觀察閉鎖時閥控錄波，觀察到閥控MC板輸出的VCE_REDAY信號存在大量擾動信號，信號無效時刻與系統閉鎖時刻一致。基于以上分析，此次系統閉鎖為閥控B系統的輸出狀態信號異常導致。

A套閥控系統和B套閥控系統的光接收回路為同一塊光接收板卡，兩個光接收硬件回路上的電感元件距離較近，故障時刻A套閥控電感元件的外絕緣透明護套被燒融，燒融后高溫物質落在B套閥控電感元件上，引起電子元器件及回路工作異常，導致B套系統輸出的“Ready OK”高電平丟失。B套系統輸出的“Ready OK”高電平出現瞬時（μs級）丟失的現象，由裝置邏輯判斷異常并輸出低電平的時間應該在ms級，因此可能存在B套系統輸出“Ready OK”的MC控制板硬件回路異常所致。從故障錄波來看，跳閘后該板卡輸出的“Ready OK”信號又恢復正常，應為瞬時異常

3 結論及建議

通過以上問題分析與定位，閥控A5機箱B15位置LR板電源故障導致直流系統A系統退出運行，控制系統切換邏輯正常，切換后10秒內直流系統運行穩定，但由于閥控A5機箱B系統MC板VCE_REDAY信號輸出異常導致直流系統緊急閉鎖。針對以上問題建議對可能存在異常的閥控系統A5機箱MC控制板進行更換，設計閥控機箱LR控接收板時A、B套電感元件應保留一定的距離，避免單個故障影響另一套電感原件。

單元控制系統是背靠背直流系統的核心組成部分，其安全穩定運行決定了直流系統可靠性，本文根據魯西背靠背直流工程運行過程中出現過的故障，重點分析了單元控制系統雙套故障導致直流單元閉鎖過程及原因，為提高背靠背直流安全穩定運行、確保直流系統可用率打下基礎，對其他類似故障提供了一定的運行維護參考。

參考文獻

[1]魯西換流站運行規程[M]. 興義：南方電網超高壓輸電公司天生橋局，2020.

[2]魯西換流站單元控制系統技術規范[M]. 興義：許繼柔性輸電系統公司，2016.

[3]石巖.徐玲鈴.陶瑜， 曾南超背靠背換流站極控系統的研究[J].北京：高電壓技術.2004.

作者簡介：桂輝陽（1993），男，工程師，工學學士，變電運維、調度運行。