柔性直流输电换流阀运行状态在线监测系统设计

吉攀攀，胡四全，廖志军，俎立峰，胡亮，杨青波

（1．许继集团有限公司，河南许昌　461000；2．许继电气股份有限公司，河南许昌　461000；3．国网江西省电力公司，江西南昌　330077）

柔性直流输电换流阀运行状态在线监测系统设计

吉攀攀1，2，胡四全1，2，廖志军3，俎立峰1，2，胡亮1，2，杨青波1，2

（1．许继集团有限公司，河南许昌461000；2．许继电气股份有限公司，河南许昌461000；3．国网江西省电力公司，江西南昌330077）

设计了一套柔性直流输电换流阀运行状态在线监测系统，通过对换流阀子模块的电容电压、IGBT开关频率、温度以及阀冷、阀控等运行参数的在线监测，实时分析并预测换流阀的运行状态。提出了一种基于专家数据库的故障预测方法，可根据在线监测到的换流阀运行参数来提前预测其异常发展趋势，有利于故障的及早发现和预防。完成了在线监测系统的软硬件设计，并搭建了小容量的柔性直流输电物理动模试验平台进行了测试验证，测试结果表明，该系统可实现对柔性直流输电换流阀运行参数的在线监测和分析，为换流阀可靠运行提供了一种有效的监测手段。

柔性直流输电；换流阀；在线监测；故障预测

柔性直流输电是采用全控型开关器件和电压源换流器技术的新一代直流输电技术，在新能源并网、孤岛供电等领域具有广泛应用前途［1-2］。

换流阀是直流输电系统中完成交直流能量转换的核心设备，其运行状态关系整个直流工程的可靠性。柔性直流输电换流阀由上千个功率子模块组成，每个功率子模块都需要独立控制，因此，柔性直流输电换流阀运行状态的表征数据量巨大且分析处理复杂［3］。当前对柔性直流输电换流阀状态监测功能只是局限在子模块电容和IGBT的故障后检测及处理、以及阀塔的漏水监视上，不具备对阀组件其余关键元器件的监视功能，尤其对于运行中的子模块缺少在线分析手段［4-6］。

本文设计了一套在线监测系统，可实现换流阀运行参数的数据采集、数据分析和处理、故障特征提取、数据缓存、人机交换等功能，并提出了一种子模块故障预警方法，根据在线监测到的运行参数对模块故障进行提前预测。

1　监测对象介绍

实际应用中，柔性直流输电工程一般采用模块化多电平换流器（MMC），桥臂由功率子模块串联组成，每个桥臂串联模块个数达到数百个，整个换流站的子模块个数将达到数千个。

图1所示为三相模块化多电平换流器（MMC）主电路拓扑结构示意图，包含6个桥臂，每个桥臂由n个子模块（SM）及一个换流电抗器串联组成。在当前技术水平下，单个子模块承受的电压一般不超过3 000 V，工程用柔性直流输电换流阀每桥臂串联的子模块个数一般在数百个，以±200 kV舟山多端柔性直流输电示范工程为例，每桥臂子模块个数约270个（包括约20个冗余配置），随着直流电压等级的提高，单桥臂串联的子模块数量会更多。

图1　三相MMC主电路拓扑结构示意图Fig.1　Topological structure of three-phase MMC main circuit

工程应用中一般采用半H桥结构的子模块，其结构如图2所示。电力电子开关器件一般采用绝缘栅双极晶体管（IGBT），也有采用IEGT或IGCT的，本文以IGBT子模块为例。IGBT两端并联一个直流电容，2个IGBT构成一个半H桥，每个IGBT反并联一个二极管。通过改变子模块中IGBT的门极控制信号T1、T2可以实现子模块不同工作状态的切换。此外每个子模块的进线端设有晶闸管和旁路开关S，用于模块故障后的旁路保护。电阻R称为均压电阻，换流阀充电时，R可使得各模块之间的阻值基本一致，实现模块间的电压均衡。

图2　子模块拓扑结构Fig.2　Topological structure of sub-module

除主要电气元件外，功率子模块还包括：IGBT驱动板卡、子模块控制保护装置、高压取能电源（用于给驱动和控制装置供电）、冷却水路等。

功率子模块的运行可靠性直接关系整个输电系统的稳定性，常见的子模块故障有以下几种：

1）直流电容过压/欠压。

2）IGBT驱动故障：包括IGBT驱动控制故障或驱动反馈故障。IGBT驱动控制故障指子模块控制器发出投入或切除指令，但IGBT无响应；IGBT驱动反馈故障指IGBT能够正确执行子模块控制器发出的投入或切除指令，但IGBT反馈信号与实际状态不符。

3）IGBT直通故障：指IGBT击穿短路，或IGBT上下管直通。

4）取能电源故障：子模块控制器（SMC）需要通过取能电源从电容取电，当取能电源的输出电压不能满足SMC正常工作需要时，认为取能电源故障。

5）通信故障：指子模块与阀控阀控之间的光纤通信故障。

6）旁路开关误动或拒动。

7）子模块IGBT温度过高。

2　在线监测装置设计

2.1总体设计

本文设计的在线监测装置主要包括：数据采集单元、中央处理器、存储单元、DA转换单元、监控后台等。系统架构如图3所示。

图3　在线监测系统原理框图Fig.3　Principle diagram of the on-line monitoring system

数据采集单元完成换流阀的运行参数实时采集，采样频率大于10 kHz，为防止换流阀上的高电压对信号干扰，在线监测系统通过光纤接口连接换流阀的控制系统、水冷系统、阀塔环境监测系统等。数据处理单元完成对所采集数据的特征提取、状态诊断、存储格式转换等处理，依据后台命令将运行参数写入人机交互系统并显示输出。

2.2硬件实现

柔直换流阀在线监测系统要求采样频率高、数据量大、处理速度快，因此需要多个处理器协同配合才能完成。一般采用FPGA+CPU的方式来实现，利用FPGA并行处理的优势，完成数据采集，同时采用高性能CPU芯片完成数据处理和算法实现。ZYNQ系列是Xilinx推出的行业第一个处理器片上系统（SoC），将CPU内核和FPGA内核集成在一个芯片中，片内采用高速AXI总线进行内核之间的数据交换，极大提高了FPGA和CPU核之间数据交互的速度，同时也有利于板卡的硬件布局。本文采用的ZYNQ7030型SOC处理器在一个芯片内集成了两个ARM Cortex-A9和一个28 nm高密度可编程逻辑FPGA核，具有强大的数据处理能力。本文设计的在线监测系统硬件架构如图4所示。

图4　硬件框图Fig.4　Hardware block diagram

在线监测系统包括模拟量输入和数字量输入接口，其中模拟量输入采用电气量接口直接测量电压信号，数字量输入采用高速光纤通信接口，速度达2.5G bit/s。输出接口包括模拟量输出接口和以太网接口，其中模拟量输出接口通过DA转换，将高速光纤接口采集到的数字量经运算后通过模拟量形式实时输出，以太网接口用来连接人机交互系统，实现输出信息的调阅查看。ZYNQ内核与外设接口之间配置有光电转换、模/数转换、电平转换等信号转换器件，完成信号匹配和驱动放大功能。由于ZYNQ芯片内部存储空间有限，所监测的换流阀运行状态数据量庞大，因此硬件上配置专用的大容量存储器，用于监测数据的临时缓存。

2.3软件流程

2.3.1子模块状态监测软件流程

对所有子模块的电容电压、IGBT开关频率、温度、通信状态进行实时监测，采样周期达10 kHz，可实时记录子模块状态变化的暂态过程。通过实时监测子模块状态的异常变化，可对子模块故障发展进行预警。

软件实时计算每桥臂所有子模块监测量的平均值，并对监测量按大小进行排序，选取最低的5个监测值和最高的5个监测值，实时发送到人机交换系统，供运行人员调取查看。状态监测的软件流程如图5所示。

图5　子模块状态在线监测软件流程Fig.5　On-line monitoring software process of sub-module state

2.3.2故障预测软件流程

通过柔性直流输电系统进行数学建模，可计算出换流阀运行参数的理论数据，在数据建模基础上，搭建柔性直流输电系统仿真模型，对各种运行工况进行仿真分析，可验证并校正理论计算的参数［7］。同时，通过长期对工程现场的换流阀的运行参数进行跟踪监测，并进行分析统计，可对柔性直流输电换流阀专家数据库系统进行完善补充。专家数据库的建立过程如图6所示。

图6　专家数据库建立过程Fig.6　Establishing process of the expert database

数据处理单元对采集到的各种信息进行故障特征提取，然后将子模块及阀控实时状态与专家数据库进行比对，若子模块及阀控实时状态符合故障特征库中某个条件，则预测该模块或阀控将会发生故障，通过人机交换系统输出故障预警信号。运行人员可根据预警信号进行提前人工干预或准备相关故障预案。

故障预测软件对参数的变化速率也进行实时计算和诊断，当连续一定时间的变化速率过高时，也预测该参数所表征的运行状态异常。故障预测的软件处理流程如图7所示。

图7　故障预测软件流程图Fig.7　Software flow chart for fault prediction

3　试验验证

本文设计了一套柔性直流输电换流阀在线监测装置以及监控后台等辅助工具，并搭建了小容量的物理动态模拟系统，对所设计的在线监测装置进行了验证。如图8所示，物理动态模拟系统主要由换流阀等一次设备、阀控设备、MMC控制保护设备、子模块接口设备等组成。

物理动模试验系统主要指标如下：

1）每桥臂60个子模块，共360个

2）额定直流电压2 400 V

3）额定容量21 kV·A

4）子模块电容额定电压40 V

图8　物理动模测试系统示意图Fig.8　Diagram of physical dynamic model test system

图9　在线监视后台主界面Fig.9　Main interface of the online monitor background

5）采样频率10 kHz

试验中，动模试验系统运行在STATCOM（动态无功补偿）模式，向电网发出或吸收无功功率，换流阀的运行状态与现场运行时保持一致。通过人为制造换流阀的故障，观察在线监测系统对换流阀各种运行参数异常的监测和处理结果。

图9是在线监测系统后台的主界面，图10是子模块电压在线监测的结果，图11是子模块异常时，各类报警事件的历史记录。试验结果表明，所设计的在线监测装置可实现对换流阀运行参数的在线监测和分析，并可以提前预测换流阀的故障，满足设计要求。

图10　子模块电压在线监视截图Fig.10　Sub module voltage interface of the online monitor background

图11　事件信息截图Fig.11　Event interface

4　结语

本文设计了一套柔性直流输电换流阀在线监测系统，并搭建了物理动模试验平台对其进行了实际验证，试验结果表明，所设计的监测系统能够对换流阀关键运行参数进行在线监测和故障预警，对运行人员及时发现设备异常，提高运行可靠性具有一定的参考意义。

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Design of an on-Line Monitoring System for HVDC Flexible Valve

JI Panpan1，2，HU Siquan1，2，LIAO Zhijun3，ZU Lifeng1，2，HU Liang1，2，YANG Qingbo1，2
（1．XJ Group Corporation，Xuchang 461000，Henan，China；2．XJ Electric Limited Corporation，Xuchang 461000，Henan，China；3．State Grid Jiangxi Electric Company，Nanchang 330077，Jiangxi，China）

An on-line monitoring system for the modular multi-level converter HVDC flexible valve is designed in this paper.The system can monitor on-line the capacitor voltage of sub-modules，IGBT switching frequency，temperature of submodules，cooling system and control system of the converter valve and get the real-time analysis and prediction of the operating state of converter valve.A failure prediction method is proposed based on expert database，which is in favor of early detection and prevention of failures.This paper completes the software and hardware design of the on-line monitoring system，and builds a small-capacity physical dynamic simulation platform of flexible HVDC to test the on-line monitoring system.The testing result shows that the system can realize the on-line monitoring and analysis for the operation parameters of the flexible HVDC converter valve.

HVDC flexible；converter valve；on-line monitoring；failure prediction

1674-3814（2015）12-0068-05

TM72

A

2015-08-12。

吉攀攀（1984—），男，硕士，工程师，从事柔性直流输电、STATCOM等高压大容量电力电子控制技术研究和设计工作。

（编辑李沈）

国家电网公司科技项目（5292C0140146）。

Project Supported by Science and Technology Project of the China State Grid Corp（5292C0140146）.