特高压直流控制系统与阀控系统的接口及试验

张云晓，李存军， 蒲莹，丁一工，马玉龙，卢亚军

(1.国网北京经济技术研究院，北京市 102209；2. 舟山市质量技术监督检测研究院，浙江省舟山市 316000; 3.国家电网公司，北京市 100031)



特高压直流控制系统与阀控系统的接口及试验

张云晓1，李存军2， 蒲莹1，丁一工3，马玉龙1，卢亚军1

(1.国网北京经济技术研究院，北京市 102209；2. 舟山市质量技术监督检测研究院，浙江省舟山市 316000; 3.国家电网公司，北京市 100031)

换流阀阀控设备是直流输电二次系统中的核心元件，是连接换流阀与直流控制系统的接口设备，是实现对换流阀进行控制和保护的重要环节。依托哈郑工程，详细介绍了特高压直流控制系统与换流阀阀控系统的总体结构、直流控制系统与技术路线不同的换流阀阀控系统的接口形式和接口信号。针对哈郑工程阀控系统接口具有较大的差异性和复杂性等特点，设计了完备的阀控接口试验方案。基于阀控接口试验以及在试验过程中遇到的问题，提出了直流控制系统和阀控系统接口的优化改进建议，以降低后续工程中阀控系统接口的复杂性，便于阀控设备的标准化运行和维护。

特高压直流；直流控制系统；换流阀阀控系统；接口试验

0 引 言

哈密—郑州±800 kV特高压直流输电工程(以下简称哈郑工程)是“疆电外送”的第1条特高压直流输电工程，也是我国第1个“风火打捆”直流输电工程。工程额定功率8 000 MW，额定电压± 800 kV，额定电流5 000 A。工程西起新疆维吾尔自治区哈密地区天山换流站，东至河南省郑州市中州换流站，输电距离约2 210 km[1],该工程于2014年1月双极投运。

哈郑工程直流控制保护系统采用南京南瑞继保电气有限公司的PCS9550技术。两站的换流阀及阀控系统采用4种技术路线不同的设备，包含了国内外换流阀阀控系统的主流技术。这些阀控系统均首次与PCS9550系统接口，接口具有较大的差异性和复杂性。本文以哈郑工程为背景，设计针对性的接口联调试验方案，检验直流控制系统与不同阀控系统之间的接口特性，并基于试验，提出直流控制系统和阀控系统接口的优化改进建议。

1 直流控制系统与换流阀阀控系统的总体结构

哈郑工程直流控制系统分为双极控制层，极控制层和换流器控制层，其中双极控制功能配置在极控系统中实现，不设单独的双极控制设备。控制系统以12脉动换流阀为单元进行配置，当单个12脉动阀组因故障退出运行后，另一个12脉动阀组可以继续运行。直流控制系统中的换流器控制层实现12脉动阀组运行所需的控制和阀触发功能，与换流阀阀控系统进行接口通信，实现对换流阀的触发控制、状态监测与保护。

换流阀阀控系统是直流输电二次系统中的核心元件，是换流阀与直流控制系统间的连接设备，接收控制系统的命令并触发和监视阀的运行状态。哈郑工程直流控制系统与换流阀阀控系统的总体结构如图1所示。直流控制系统下发各种控制命令，通过阀控系统实现对换流阀的控制操作，阀控系统接收直流控制系统的触发命令，将其生成触发脉冲，发送给换流阀。另一方面，阀控系统接收回报脉冲，判断换流阀状态，并通过通信网上传到控制保护后台，供运行人员监视。阀控系统自检和保护模块实时检测自身的运行状态，若发现异常，将根据故障的严重程度采取相应的保护措施，如输出报警或者请求跳闸等指令给直流控制系统，同时将故障信息上传至控制保护后台[2-6]。

图1 直流控制系统与阀控系统总体结构

2 直流控制系统与换流阀阀控系统的接口

2.1 冗余化系统的接口方式

特高压直流控制系统和换流阀阀控系统均采用双重化冗余设计，直流控制系统与阀控冗余系统之间的连接采用一一对应的连接方式，即控制保护系统A与阀控系统A连接，控制保护系统B与阀控系统B连接[7-8]，如图2所示。

2.2 接口信号

哈郑工程控制保护系统采用南京南瑞继保电气有限公司的PCS9550系统，两站的换流阀阀控系统采用了4种技术路线不同的设备。直流控制系统与阀控系统之间的接口有的采用光纤通信，有的采用电缆通信，且传输的接口信号也存在很大差异，归纳起来，直流控制系统与阀控系统间的接口信号主要有以下几类[9]。

图2 直流控制系统与阀控系统的接口方式

2.2.1 直流控制系统发送到阀控系统的信号

CP——触发控制脉冲，直流控制系统根据12脉动换流阀电压状态和触发角度，输出12路触发控制信号CP到阀控系统，每一路信号对应1个阀臂的触发控制。ACTIVE——值班信号，当此信号有效时，对应控制系统处于值班状态。CB_ON——换流变进线断路器合位信号，表示换流变进线断路器已经合位，换流阀已经充电，晶闸管控制和监视功能开始有效。DEBLOCK——换流阀解锁信号，阀控系统收到此信号后，根据CP信号输出触发脉冲到换流阀。UNDERVOLTAGE——交流低电压信号，当加在换流阀上的三相线电压低于70%时，低电压信号有效，阀控系统接收到低电压信号后暂停阀控系统监视功能。BPPO——旁通信号，当旁通信号有效时，阀控系统根据旁通阀CP信号输出触发脉冲信号到对应换流阀。在此信号有效期间，阀控系统暂停系统状态监视功能，极控系统不能对其余阀发出触发控制信号。REC_START——录波启动信号，当控制系统需要启动录波时，置录波启动信号REC_START有效，进行控制信号和阀控状态信号录波。

2.2.2 阀控系统发送到直流控制系统的信号

FP——阀控触发反馈信号，阀控系统输出12路FP信号到控制保护系统，每路信号表示对应阀臂的触发状态。VBE_RDY——阀控准备就绪信号，是指阀控系统主备系统ACTIVE信号无重叠、阀控系统插件运行正常、阀控系统电源和内部通讯等均处于正常状态，标志阀控系统已准备就绪，具备解锁条件。ALARM——阀控系统报警信号，当阀控系统检测到换流阀上的晶闸管存在故障，或BOD报警达到一定数量，或漏水检测达到报警条件，或主备系统ACTIVE信号重叠时，VBE发出ALARM报警信号。TRIP——阀控系统跳闸请求信号，当阀控系统检测到换流阀上的晶闸管故障数量达到跳闸条件，或BOD报警的数量达到跳闸条件时，阀控系统发出跳闸请求信号。

3 接口试验

直流控制系统和换流阀阀控系统的接口往往是现场调试和运行过程中比较容易出现问题的薄弱环节，针对哈郑工程阀控系统接口具有较大的差异性和复杂性等特点，为了保证工程的顺利投运和安全运行，在国家能源局特高压直流输电成套设计研发(实验)中心开展了哈郑工程阀控系统接口联调试验。对各厂家阀控系统接口进行仿真试验验证，对保证整个工程现场调试进度，提高工程运行可靠性具有十分重要的意义。

3.1 试验环境

利用实时数字仿真器( real-time digital simulator，RTDS)搭建仿真试验模型，包括交流系统等值网络、换流阀、换流变压器、交流滤波器、直流滤波器、平波电抗器、中性母线电容器、直流线路、接地极、交流场低压电抗器等元件。将RTDS与实际工程的控制保护系统及阀控设备连接，建立了RTDS、控制保护系统和阀控系统闭环试验平台，如图3所示。因为阀控系统发出的触发命令是光信号，为了对RTDS 仿真模型中建立的换流阀进行触发，专门配备

图3 接口试验原理图

了光电转换设备，把阀控系统发出的光信号转换成12个5 V，120°(工频)宽的电信号发送到RTDS的数字量输入板卡上。同时RTDS的数字量输出板卡将模拟阀正向电压建立的信号发送给阀控系统光电转换装置，用于表示换流阀已经建立正向电压[10-11]。

3.2 试验方案

制定合理的试验方案，对直流控制保护系统和换流阀阀控系统的接口进行全面深入的仿真试验，对关键技术问题进行深入研究。试验主要包括以下几类：

(1)接口信号测试。利用万用表、试验平台录波器等工具，检测直流控制系统与阀控系统之间的接口信号是否满足要求。这是进行整个接口试验的基础和前提，只有这些接口信号符合要求，系统才具备解锁运行条件。试验内容包括：1)直流控制系统发送到阀控系统的信号测试；2)阀控系统发送到直流控制系统的信号测试；3)正常解闭锁工况下的信号时序验证。

(2)扰动性试验。通过手动拔光纤、切断装置电源等方式，模拟运行过程中可能会遇到的各种扰动工况，检验控制系统能否快速识别和切换，而不引起功率的较大扰动。试验内容包括：1)手动切换系统；2)拔光纤切换系统；3)断电切换系统。

(3)控制和保护功能试验。进行基本的控制功能和故障模拟试验，包括动态性能试验、投退阀组以及不同区域的故障模拟等，检测阀控设备能否在各种工况下正常运行。试验内容包括：1)空载加压试验；2)动态响应试验；3)投退阀组试验；4)阀区故障模拟试验；5)极区故障模拟试验；6)双极区故障模拟试验；7)交流故障模拟试验。

3.3 解决的主要问题

通过上述试验项目，可以发现和解决许多问题，这些问题涉及到程序软件、硬件配置及接口协议等多方面，下面从中选取几个典型问题予以分析。

(1)由于信号频率与技术协议的要求不一致，控制保护系统不能正常识别阀控系统的返回脉冲，造成阀丢脉冲保护动作。经过修改直流控制系统的接口程序，使之能够正确识别阀控返回脉冲。

(2)逆变站投旁通对闭锁时，由于出现负压，UD-block指令会暂停投旁通对。但是在试验过程中发现，当UD-block指令产生后，有的阀控依然继续投旁通对，不利于负压的消除。经过修改阀控接口程序，当UD-block信号产生后，不再向换流阀发送触发脉冲。

(3)投旁通对时，出现旁通对投入的阀与控制保护所选阀不一致的现象。经过修改阀控旁通对识别逻辑后问题解决。

(4)由于换流器保护系统(converter protection system，CPR)对换流器控制系统(converter control system，CCP)的监视逻辑不合理，在模拟阀控请求系统切换试验时，导致2套CCP与3套CPR失去联系，系统紧急停运。经过修改CPR对CCP的监视逻辑，系统切换成功。

(5)阀控备用系统通信接口机箱断电再恢复供电后，会导致值班系统丢脉冲。原因是，备用系统通信接口机箱和阀控机箱电源采用同一电源并联，上电初会对屏柜内的阀控机箱电源有影响。经过增加插件对控制信号的处理，同时将通讯接口机箱的电源和阀控机箱的电源分开，避免串扰，问题得以解决。

试验过程中，针对出现的各种问题，多次召开技术讨论会，查找问题、分析原因并反复验证，为阀控设备的顺利投产扫除了技术障碍。

4 优化建议

为了降低后续工程中阀控系统接口的复杂性，便于标准化运行和维护，对直流控制系统与阀控系统的接口提出以下优化建议。

(1)阀控系统发送跳闸信号后，建议直流控制系统应允许进行系统切换。当阀控系统产生跳闸信号后，有的换流阀要求控制系统先进行切换，若切换后仍有跳闸信号则闭锁，而有的换流阀不允许系统切换，直接闭锁。从防止误闭锁，提高系统运行可靠性的角度出发，建议对这一功能进行统一，当阀控系统发送跳闸信号后，直流控制系统应该允许进行系统切换。

(2)目前仅有1个厂家的阀控系统配置了紧急投旁通对功能，当失去冗余的直流控制主机时阀控设备自发投入旁通对，提供直流通路，释放直流系统的能量，保护设备的安全。这一功能对于处于逆变侧的换流阀尤为重要，如图4所示，当具有紧急旁通对功能的情况下发生紧急闭锁时，直流系统的能量通过逆变侧的旁通对构成的回路进行释放。而同样的工况下，若没有紧急旁通对功能，则直流系统的能量会通过逆变侧的交流网进行释放，造成逆变侧直流/交流系统过电压、两相短路、形成较大的短路电流等不良后果，如图5所示。因此，建议其他阀控系统也增加该功能，完善各种工况下的控制与保护功能。

(3)建议统一CB_ON信号的判断依据。对于阀控系统来讲，CB_ON信号有效，表示换流变进线断路器已经合位，换流阀已经充电，晶闸管控制和监视功能开启。在复奉、锦苏工程中，CB_ON信号根据开关位置判定，而哈郑工程中依据交流电压判定。两者各有利弊，建议后续工程统一CB_ON信号的判断依据，使得CB_ON信号能够正确可靠反映换流变的充电状态。

图4 有紧急旁通功能下的闭锁波形

图5 无紧急旁通功能下的闭锁波形

5 结 语

阀控系统是直流输电中十分关键的组成部分，其与直流控制系统接口的可靠性将直接影响换流阀设备以及整个直流输电系统的安全稳定运行。本文基于哈郑工程，全面介绍了特高压直流控制系统与不同技术路线的换流阀阀控系统的接口技术和接口试验，并基于试验，提出了优化建议，对进一步完善直流控制系统与阀控系统之间的接口设计，提高直流系统安全运行水平具有重要作用。

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(编辑： 张小飞)

Interface and Test of UHVDC Control System and Valve Control System

ZHANG Yunxiao1, LI Cunjun2， PU Ying1, DING Yigong3, MA Yulong1, LU Yajun1

(1. State Power Economic Research Institute, Beijing 102209, China; 2. Zhoushan Institute ofCalibration and Testing for Quality and Technology Supervision, Zhoushan 316000, Zhejiang Province, China; 3. State Grid Corporation of China, Beijing 100031, China)

Converter valve equipment is the core element in the secondary system of DC transmission, the interface device between converter valve and DC control system, as well as the important part in the control and protection of converter valve. Based on Hazheng project, the overall structures of UHVDC control system and converter valve control system were introduced in detail, as well as the interface mode and signal between DC control system and converter valve control system with different technical route. A perfect interface test program was designed in view of the diversity and complexity of valve control system in Hazheng project. Based on the interface test and problems encountered during the test, some optimized suggestions were proposed for the interface between DC control system and converter valve control system, which could reduce the complexity and facilitate the standardization of operation and maintenance of converter valve system in the follow-up projects .

UHVDC; DC control system; valve control system of converter valve; interface test

TM 721.1

A

1000-7229(2015)09-0078-05

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.09.013

2015-06-22

2015-07-21

张云晓(1985)，女，硕士，工程师，主要从事高压/特高压直流工程的成套设计及仿真分析方面的工作；

李存军(1966)，男，高级工程师，主要从事设备技术检测管理方面的工作；

蒲莹(1973)，女，博士，高级工程师，主要从事高压直流输电成套设计及仿真分析方面的工作;

丁一工(1965)，男，本科，高级工程师，主要从事特高压直流工程的建设管理方面的工作;

马玉龙(1975)，男，博士，高级工程师，主要从事高压直流输电成套设计及试验研究方面的工作;

卢亚军(1982)，男，硕士，工程师，主要从事高压/特高压直流工程的成套设计及仿真分析方面的工作。