直流换流站换流阀控制技术比较分析

国网湖北省电力公司检修公司 黄瑶玲 刘 浔 成 川 吴 萍 郑 华 戴 迪

直流换流站换流阀控制技术比较分析

国网湖北省电力公司检修公司 黄瑶玲 刘 浔 成 川 吴 萍 郑 华 戴 迪

本文对国外换流阀生产厂家ABB、Siemens、ALSTOM三家公司换流阀阀控系统的硬件结构、软件功能以及阀控与直流控制保护系统的接口进行了比较详细的阐述，对直流输电设备国产化后不同技术路线的直流控制保护系统与阀控系统的接口进行了说明，并提出相应的改进建议，希望能够为规范国内直流控保与阀控系统通讯接口提供参考依据。

直流输电；极控系统；阀控系统；国产化

1 引言

换流阀作为直流输电的核心，换流阀的控制对直流输电系统的安全稳定可靠运行显得尤为重要。目前，国内的直流工程（包括特高压直流）基本都采用ABB、Siemens、ALSTOM三家公司换流阀的阀控系统技术。三种技术路线在阀控原理及保护配置基本一致，但在硬件和总线结构上都有着各自的特点。但由于各自设计结构的不同，现场运行中也产生不同的问题，因此有必要对其进行比较分析，并提出合理的改进建议，为规范国内直流控保与阀控系统通讯接口提供参考依据。

2 ABB阀控技术

2.1 阀控系统与极控系统接口

极控系统PCP和阀控系统VCU均为冗余设计。其中VCU按照A、B、C三相分为VCA、VCB、VCC三块屏，每块屏又分为VCY和VCD两个机架，分别触发和监控一个极的6个阀塔。

极控系统PCPA/B与阀控系统VCUA/B采用单对单连接，即极控A与阀控A通讯，极控B与阀控B通讯。两者之前完全采用光纤进行通讯。以一个系统为例，极控与阀控通讯示意图如图1所示。

图1 极控与阀控之间通讯示意图

VCU同时接收极控主、从系统的控制脉冲，而只有主系统控制脉冲有效，控制脉冲为并行传输，如图1所示，VCU通过主/备状态的选择来确定控制脉冲。最后产生的点火脉冲返回到极控系统与控制脉冲相比较，如果不一致则报控制脉冲故障告警。THM用于监视换流阀系统的状态和将相关告警信息送往运行人员工作站。

2.2 阀控系统与TCU接口

阀控系统与可控硅触发单元TCU之间的通讯为非冗余配置，每块触发脉冲接口板PS906最多可以传输16路点火脉冲，同时最多接收16路TCU产生可控硅状态指示信息。同时，由于每个阀塔都配置了漏水检测装置和阀避雷器动作次数计数器，VCU单元专门配置了一块PS906板和漏水检测通讯终端来分别记录发避雷器的动作情况和漏水检测情况。示意图如图2所示。

图2 阀控与TCU之间通讯示意图

3 Siemens公司换流阀控制技术

Siemens公司阀控系统也与其极控系统一体化设计，主要应用于南方电网公司所辖换流站，目前国家电网公司所辖换流站中在灵宝背靠背换流站和高岭背靠背换流站有所应用。

3.1 极控系统与阀控系统接口

阀控系统VBE有A1、A2、A5、A6共4个机架，其中A1负责阀D1、D3、D5的触发，A2负责阀D4、D6、D2的触发，A5负责阀Y1、Y3、Y5的触发，A6负责阀Y4、Y6、Y2的触发。

其中，D1～D2为处理器板（MC板），B1～B6为光发射板（LE板），B7～B18为光接收板（LR板），D19为编程插件，B20～B21为反向恢复保护使能接口板。

极控系统与阀控VBE之间通讯主要采用硬件连接，触发控制信号为并行通讯，示意图如图3所示。

图3 极控与VBE系统接口示意图

极控系统将12路触发控制信号、CONV_CB_ON（换流变进线开关合）、UNDERVOLTAGE（低电压）、 CONV_DBLK（换流阀解锁）、BBYPACT（投旁通对）、极控系统主/备等信号送阀控系统VBE；VBE将12路EOC（End of current电流末端信号）反馈给极控系统。所有信号均为二进制信号，额定电压为24VDC。

为了判定极控系统A、B哪个系统为主用系统，系统切换逻辑接收两个VBE系统A、B的“VBE Ready”信号。送给VBE的两个极控系统的主、被信号必须相反，两个系统同为主或同为被的时间必须在10us以内，如果超过200us则VBE系统故障产生。

3.2 阀控系统与对时及总线接口

VBE与极控系统通过PROFIBUS总线进行通讯与数据交换，其中极控A与VBE A系统交换数据，极控B与VBE B系统交换数据。硬件通讯结构示意图如图4所示：

图4 VBE与极控系统总线通讯示意图

极控系统将换流阀测试状态、VBE告警信息确认等通过PROFIBUS总线送VBE，分别用于换流阀状态的测试以及VBE故障告警的确认。

VBE通过总线将VBE回报信号丢失、可控硅无冗余、回报信号不可用、BOD动作可控硅数超范围、触发脉冲丢失、阀检测OK、VBE OK、可控硅监视暂停、换相模式、投旁通对、GPS不同步等信息送至极控系统，用于极控系统的判断。

2.3 阀控系统与直流保护接口

Siemens极控系统与直流保护系统之间采用硬接线进行通讯，直流保护动作跳交流开关、闭锁触发脉冲等信息都不经极控系统直接到相关设备，因此直流保护与VBE有专用的接口。示意图如下图5所示：

图5 直流保护与VBE系统接口示意图

VBE系统同时接收直流保护A和直流保护B的“闭锁触发脉冲”信号，通常该信号用于防止阀短路而停止可控硅的触发。任何一套直流保护发闭锁触发脉冲时，可控硅监视功能暂停以避免在此种工况下误发可控硅故障信息。

VBE系统分别向保护接口屏A、B发送跳闸信号，当多于3个回报信号丢失或者同一支路有4个以上可控硅BOD动作时产生。跳闸信号仅主系统发出。

2.4 阀控系统与换流阀接口

Siemens采用的是光触发的可控硅，因而其触发硬件回路与ABB所采用的电触发有所不同。触发脉冲通过VBE上的光发射板传输到阀塔上的多模光纤星形耦合器MSC上，MSC将触发脉冲分为11路分别送11个可控硅进行触发。可控硅电压监视模块TVM监视可控硅的状态信息并将回报信号送至VBE的光接收板。恢复性保护单元RPU用于在可控硅恢复期间对可控硅进行保护。示意图如图6所示：

图6 换流阀与VBE系统接口示意图

3 ALSTOM公司换流阀控制技术

目前国内尚未将ALSTOM公司控制系统引入，只在宁东直流工程中第一次引入了ALSTOM（AREVA）公司的换流阀及其换流阀控制系统，之后的林枫直流工程（团林换流站）和灵宝二期工程也引入了AREVA的换流阀及控制系统。极控系统采用的是许继电气公司在引进Siemens技术上自主开发的DPS2000系统。极控系统与阀控系统不是一体化设计，因而有其特殊性。

3.1 极控系统与阀控系统接口

团林换流站阀控系统VBE共有3块屏VBE1、VBE2和VBE3，每个VBE有4层机箱，每层机箱负责一个阀的触发。这样，VBE1、VBE2和VBE3分别负责阀1～阀4、阀5～阀8和阀9～阀12的触发。

图7 VBE机箱布局图

如图7所示，S5005为中央处理器板，S5014为光纤触发板。S5014为单系统配置，每个S5014负责8个可控硅的触发和回报信息的收集；S5005为冗余配置，分A、B系统，负责将触发脉冲信号转化为点火脉冲；Reset Panel为复归钥匙，用于对处理器板卡S5005进行复位。

从图8中可以看出，由于极控系统与VBE不是一体化设计，为此，许继电气公司专门设计了一个与VBE通讯的屏柜VBE接口柜。触发字和热字由VBE接口柜通过光纤送至阀基电子设备VBE；极控系统的主、从状态由冗余切换逻辑COL模块通过硬接线送到VBE；VBE 将VBE failure、VBE trip等信号送至极控和极保护系统，用于控制系统的切换和保护动作。

图8 银川东站直流控保系统与VBE接口示意图

VBE接口设备就是将控制系统的触发脉冲转换成串行的触发字（Firing Word）通过光纤发送到VBE；同时要把控制系统计算出的运行状态对应的热字信号（硬接点）转换成串行的热字（Thermal Word）送到VBE（不同阀对应各自特定的热字）。

3.2 阀控系统与后台通讯接口

由于VBE与极控系统交换的数据有限，VBE专门配置了RS232转LAN网络接口，用于将VBE各种状态信息送往后台，供运行人员监测与判断。VBE内部有两个完全独立的数据处理系统，每个处理系统都可以检测到换流阀的状态和VBE自身的状态，并且也通过两个完全独立的以太网发送给后台工作站。图9示出VBE后台通信的接线方式。

图9 VBE后台通信链路示意图

4 国外公司换流阀控制技术比较

将我国引进的国外三个公司ABB、Siemens、ALSTOM公司换流阀控制技术进行比较，各有优缺点，对于阀控系统的国产化具有重要的意义。

（1）对于传输的媒介，ABB采用光纤进行通讯；Siemens采用电缆进行通讯；ALSTOM增加了触发脉冲接口屏，采用电信号转为光信号的通讯模式进行通讯。采用电信号通讯需要较多的硬件接口，并且易受到外部信号的干扰，电源系统的扰动对通讯信号的传输存在较大的影响。因而，光纤通讯是较为安全和稳定的一种通讯模式。

（2）关于回报信号，ABB后台报漏水告警、阀避雷器动作、可控硅故障、功能跳闸、保护性触发动作等信号；而ALSTOM公司则需要向后台报上述信号外，还有触发字光信号超时、触发字光信号错误、触发字电信号超时、触发字电信号错误、触发字光信号奇偶校验错误，以及热字故障、重触发、门极回报异常等信号，由于传输信号过多，当设备处于故障或这检修试验状态时，系统会频发相关阀的故障告警信息，对现场而言是较大的考验，由于可控硅数量较多，对后台的监视是一个较大的考验，甚至会导致服务器的死机从而引起后台人机监控系统的瘫痪。因而，对于阀控系统的后台信息，越简介明了越好。

（3）对于硬件的设计，ABB与ALSTOM基本相似，采用一块板卡进行可控硅的触发和回报信号的传输。Siemens由于采用的是光触发的可控硅，触发形式有所不同，MSC至VBE的回报光纤故障会导致直流闭锁，很容易导致单一元件故障引起的直流闭锁事故，在直流系统运行中存在较大的隐患。

（4）ALSTOM阀控系统5ms之内未收到极控系统主、备用信息会导致直流系统闭锁，而ABB和Siemens则没有这方面的要求，运行起来更加稳定。

5 换流阀及其控制系统设计上的几点建议

可控硅的生产，国内厂家也比较多，西电集团、电科院、许继电气、株洲南车等公司都可以生产。随着直流输电工程设备国产化的进一步深入，将出现多家公司、不同技术的相互通讯与接口。但是国内目前还没有提出直流控制保护系统与阀控系统的接口规范，对于换流阀塔以及阀控系统的设计也没有相应的标准。在此提出几点建议，希望能对新建直流换流站的安全稳定运行和日常运行维护工作起到一定的作用。