厦门柔性直流换流站保护系统信号回路改进方法研究

田存建

(国网福建电力有限公司检修分公司, 福建　厦门　330031)

2016年12月13日，厦门±320 kV柔性直流换流站进行控制保护系统及高压直流分压器合并单元冗余试验，试验工况为单极有功100 MW，无功25 Mvar。

断开浦园站(送端站)极ⅠC套电压合并单元设备电源后，极Ⅰ直流保护装置C(PPR C)告警：“电压测量装置单套电源故障或AD采样异常出现”，极Ⅰ直流测控装置A、B(PCP A、B)告警:“PPR C系统异常”。72 ms后，保护装置A、B分别发出“流低电压保护Ⅰ段(0.8 pu)保护动作”，“换流阀闭锁”，“交流开关跳开”，同时联跳对站。3套保护录波如图1、图2、图3所示。UV-L1、UV-L2、UV-L3分别为A、B、C三相桥臂电压；UdL为直流线电压;UdN为中性线电压；DCUVP-TR1为欠压保护跳闸出口信号。

由运维工作站(OWS)波形及当时各设备状态可知：一次系统未发生故障，极Ⅰ C套电压合并单元设备电源断开后，PPR C 检测到该合并单元故障，所有电压量保持故障前一时刻值不变(无效值)。

图1　PPR A故障录波

图2　PPR C故障录波

图3　PPR B故障录波

PPR A和B采样值也同时受到影响，所有电压值同时下降，约0.05 ms后，二者同时检测到直流低电压达到直流低电压保护I段动作定值，最终导致上述2套保护同时出口跳闸。

1　厦门柔直换流站直流保护系统

1.1　直流保护冗余配置

换流站直流保护通常采用“三取二”冗余配置，3套保护设备彼此相互独立，冗余配置逻辑图[1-3]如图4所示。

图4　直流保护配置

1.2　原直流分压器及其二次侧分压、采样与输出

直流分压器及其电压合并单元装置和直流控保系统间的配置逻辑[4-5]如图5所示。

图5　分压器及其合并单元配置

图5中：Ud为一次直流母线电压；Us为直流分压器低压臂输出电压；DC-DC电压转接盒配置在电压转接柜内，每台分压器对应1台电压转接盒。

电压合并单元A、B、C和PPR A、B、C间是一一对应关系。但3套合并单元装置的信号采样来源于同1台电压转接盒及分压器，由此可初步分析跳闸的原因可能是当合并单元C装置断电或因其他故障退出时，会对其上游(同轴电缆、DC-DC电压转接盒及其输出的3路模拟量)信号产生影响，进而干扰另外2套合并单元装置及其对应的控保系统采样信号，最终导致保护误动，出口跳闸。

经研究确认，分压器二次侧信号分压、分支采样原理如图6所示。

图6　分压器二次侧分压原理

由图6可知，3套电压合并单元采样回路之间均未采取任何隔离措施，当任一回路故障,采样负载值大幅变化(如单套断电退出时，其采样等效负载值变为正常时的5%)，导致整个二次分压阻值大幅变动，进而可影响另外两回路采样值(降为0.25 pu)。根据现场实际检测，对上述回路进行仿真如图7、图8所示。

图7、图8中，分压电阻配置在DC-DC电压转接盒内，数据采集单元为电压合并单元等效负载值，正常运行时为20 MΩ,失电时，降为11 kΩ，图8中数据采集单元3模拟合并单元C故障等效负载。

图7　正常投运情况下仿真

图8　合并单元C故障时仿真

仿真验证了该猜测，即当3套合并单元采样回路均正常投运时，3条回路采样正常，而当C套装置失电故障时，其采样负载值减小，导致二次分压值普遍减小，另外2套装置的采样电压降为0.246 pu。

因此，直流分压器二次侧该分压采样原理不满足换流站二次控保系统“三取二”冗余设计要求，此次跳闸事件完全由直流分压器二次侧分压设计不合理导致。

2　直流分压器二次分压改造方法

针对原直流分压器二次分压单纯依靠电阻串并联分压，各采样回路缺乏有效隔离的现状，在坚持分压器一次侧高低压分压臂、电压合并单元(光电信号转换)等设备原配置不变，同时尽可能减少技改工作量的基础上，提出如下3种改造方法。

2.1　变压器耦合法

变压器可以通过磁的耦合将信号从初级传递到次级，起到电气隔离的作用。但变压器只能变换交流信号，不能传递直流信号[6]。如果想采用变压器耦合法传递直流信号，设备需配置调制/解调回路，隔离放大器P27000正是采用此原理，成功实现了输入与输出间直流信号的成功隔离及传递。

根据其参数手册可知，其输入信号可选范围为电压±20 mV～±200 V，电流±0.1～100 mA，输出信号范围为电压0～±10 V，电流0～±20 mA，供电电源为交直流电压20～253 V，满足分压器二次侧及其合并单元输入信号要求，同时可直接采用站内200 V直流电源供电，无需额外配备直流电源。

改造原理如图9所示。保持直流分压器一次侧不变，经低压臂输出的100 V模拟信号经3块阻容分压板(在电压转接柜内)分别输出6 V模拟信号，再分别经隔离放大器(配置在合并单元柜内)隔离后输出，供对应的合并单元采样，转换为光信号供各自对应的直流控保及录波设备采用。

图9　基于P27000的二次分压采样原理图

上述3条分压-隔离回路配置完全相同，以第1套设备为例，设计电路如图10所示。

图10　隔离分压电路图

图10中，U12(100 V)为直流分压器低压臂电压输入端模拟信号，U13(6 V)为阻容分压板1输出端及P27000输入端模拟信号；R11、R12为误差<±1%的高精密电阻；R14为可调电阻，其作用是保证分压板上下分压臂RC时间参数一致及采样精度。C11、C12误差<±1%的无感高精密电容，P27000电源直接采用合并单元柜直流220 V电源；Rd为合并单元等效负载值。ST1闭合时，模拟合并单元整体故障(柜内所有配置装置全部失电或短路)，断开时设备正常运行；St1闭合时，模拟仅合并单元装置故障；柜内其他设备均正常，断开时，设备正常运行。同理模拟设备状态如下：ST2、St2和ST3、St3分别代表第2和第3套采样设备回路相应故障模拟开关。

建立上述电路仿真模型，设备运行状态如下。

当0 s8 s时，合并单元柜A整体故障，另外2套合并单元正常运行。合并单元C的仿真波形如图11所示。

由图11可知，当4 s

图11　合并单元C采样仿真波形

2.2　光电隔离法

相较于变压器耦合隔离法，光电隔离方式成本更低，而且通过合理设计同样可以实现高精度的信号隔离，是一种很实用的模拟信号隔离方式[7]。

HCNR201是目前被普遍使用的一款主流高精度线性光耦，其由HP公司推出，成本低，线性度、稳定性较高，高达1 MHz的带宽，配合不同的分立元件，最高可实现1 414 V电压隔离[8-11]。

输入信号经过电压-电流转换，当LED中流过电流IF时，其所发的光会在PD1和PD2中感应出正比于LED发光强度的光电流IPD1、IPD2，其中IF、IPD1、IPD2满足以下关系[12]:

IPD1=K1IF

(1)

IPD2=K2IF

(2)

(3)

式中：K1、K2分别为输入、输出光电二极管的电流传输比，其典型值约为0.5%。因为IF一般在1～20 mA之间，所以IPD1、IPD2一般在50 μA以下，K被定义为传输增益，K的典型值为1±0.05。

如图12所示，同样一次侧分压回路及电压合并单元装置保持不变，低压臂输出的100 V信号经3块阻容分压板(配置在电压转接柜内)分别输出3 V模拟信号，再分别经光电隔离-放大装置(配置在合并单元柜内)后输出，供对应的合并单元采样，转换为光信号后供各自对应的直流控保及录波设备采用。

图12　直流分压器二次侧隔离分压原理图

上述3条分压-光电隔离-放大回路配置完全相同，仍以第1套设备为例，设计电路如图13所示。

U12为直流分压器低压臂电压输出端模拟信号;U13为阻容分压板1输出端模拟信号，R11、R12为误差<±1%的精密电阻;C11、C12误差<±1%的无感电容。RC配置需满足R11×C11=R12×C12。

图13　阻容分压原理

光电隔离放大装置原理图如图14所示。图中运放A1配置于电压转接柜，电源由转接柜直流电源经DC-DC电源转换模块提供，A2配置于合并单元柜，电源由合并单元柜直流电源经DC-DC电源转换模块提供，VD1为2.4 V稳压管。

图14　光电隔离装置原理

Rd为合并单元正常运行时的等效负载值，STx和Stx(x=1,2,3)功能同图11。

根据运算放大器“虚短”和“虚断”原理，联立式(1)、(2)、(3)可得：

(4)

(5)

(6)

其中Uout1为合并单元A输入电压信号，同理：

(7)

设备仿真状态同方法2.1，合并单元C波形如图15所示。

图15　合并单元C采样仿真波形

由仿真可知，上述方案改造后，由于LED和PD1、PD2之间的光电隔离，完全阻断了隔离装置输入与输出端间的物理干扰途经，不论是单套或2套合并单元仅装置故障，还是合并单元柜整体故障，其他正常运行的设备均可测量到实际正常电压值，相互之间完全隔离、独立，互不影响，真正达到了“三取二”冗余配置的技术要求。

2.3　霍尔传感器隔离法

为便于柔直换流站设备日常维护维护，同时兼顾测量精度、性能及经济成本，选择LEM公司生产的LV100型闭环霍尔电压传感器，其可以测量任意波形的电流和电压，具有测量准确、精度高、安装方便的特点，其工作原理由文献[13-14]详细可知。

基于LV100的直流分压器二次分压采样原理如图16所示。

直流分压器低压臂输出100 V模拟信号，经3个相同的霍尔电压传隔离分压器(在电压转接柜中)采样，转化为3 V模拟信号，再分别经信号放大装置(在合并单元柜中)，转化为6 V模拟信号分别供对应的合并单元采样转化为光信号输出。

3条采样回路完全相同，仍以第1条采样回路为例，电路如图17所示。其中，R1为1%高精度可调电阻，与LV100内阻配合，将分压器低压臂输出U13电压信号转化为其典型电流值，LV100的±15 V由电压转接柜220 V直流电源转换所得。

图16　基于LV100的二次分压采样原理图

调节原副边线圈匝数比：

n=3∶1

(8)

则原边电流：

(9)

副边电流：

(10)

图17　基于LV100的隔离采样电路

由“虚短”和“虚断”原理可知：

UM=IsRM1

(11)

(12)

联立式(8)—(12)，可得：

Uout=6 V

(13)

开关STx、Stx(x=1,2,3)以及负载Rd同图14,开关S闭合时模拟LV100输入端故障，反之设备正常，t<10 s时仿真设备状态同方法2.1和2.2设置，t>10 s时，ST1和St1断开，S闭合，合并单元C采样电压仿真波形如图18所示。

图18　合并单元C采样仿真波形

由图18仿真波形可知，由于LV100霍尔传感器成功隔离了其输入、输出两端的采样回路，不论单套或2套合并单元仅采样装置本身故障，还是合并单元A整体故障，其他正常运行的合并单元采样值均不受其他异常设备的影响。同时，LV100原边线圈等效负载很小，可忽略不计，电压检测不受其影响，最大限度从源头截断了3套合并单元采样回路之间互相影响的路径，彻底实现了彼此间的物理隔离。

3　结论

a. 3种隔离方法均达到了单套或多套合并单元仅装置故障时，其他正常运行设备合并单元采样不受影响的设计要求。

b. 变压器耦合法中，由于采用的P27000隔离放大器本身有一定输入阻抗值[15]，且在正常和故障情况下对线路呈不同的负载值，导致当其所在合并单元柜整体故障时，其本身输入负载值变化较大，干扰了其他正常运行设备的采样值，因此设计上仍未完全满足直流保护系统“三取二”的冗余配置要求。

c. 光电隔离法和霍尔传感器隔离法仿真验证中，输入端信号又不受输出端负载的任何影响，实现了真正意义上传输路径的物理隔离，再加上线性光耦和霍尔传感器本身输入阻抗很小[16-19]，相对直流分压器低压臂输出端，其负载值可忽略不计，因此即使该隔离装置本身故障，也不会对其他正常运行设备造成实质性的影响。

d. 3种方案中核心隔离器件的电源需同合并单元装置电源同源、同检，且应共用电源空开为宜，否则，若隔离器件电源回路单独故障，合并单元装置及控保系统均无法检测到，若此时合并单元装置仍正常工作，输出给控保系统的电压信号为0，主备控制系统间将无法实现及时切换，而单套PPR 单纯低电压保护动作经三取二装置判断后不会出口跳闸，最终可能会导致误控，损坏换流阀等重要设备。

e. 考虑到投运工程现状及电网负荷压力、改造工期、经济成本等，本文从直流分压器二次回路着手，提出了控保系统冗余设备间的互相干扰问题的解决方案，为其他类似问题提供了借鉴。同时，今后新建工程可考虑从直流分压器一次侧着手进行改进。

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