背靠背直流单元控制系统故障研究分析

桂辉阳 江海 褚海洋 宋海彬 包也

摘要：背靠背直流单元控制系统包括常规直流的极控制和换流器控制，是常规直流控制核心，主要实现换流站触发控制（CFC）、电压控制（Voltage Control）、换流变分接头（TCC）等控制，以及大角度监视（HAS）、阀丢脉冲检测（VMP）等监视。本文以鲁西换流站常规直流背靠背单元为载体，研究单元控制系统故障引起的直流闭锁事件。

关键词：背靠背;单元控制系统;鲁西换流站

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

直流单元控制系统按双重化冗余结构配置，即从采样单元、传送数据总线、主设备到控制出口按完全双重化原则配置，确保任何单一设备故障不影响直流系统的正常运行。背靠背换流单元的整流侧和逆变侧控制系统统一设计，两侧控制系统共用主机。本文以鲁西换流站常规直流为载体，并根据鲁西换流站一起因控制系统双OFF故障引起的直流闭锁事件为依托，深入分析直流跳闸原因及控制系统在电力系统中的重要作用。

1、控制系统基本功能配置及原理

1.1单元控制配置及原理

常规背靠背换流站整流侧和逆变侧的控制系统统一设计，整流侧和逆变侧的控制软件配置在同一台控制器内。常规直流单元控制系统从硬件结构上可分为两部分：常规直流单元控制主机，完成直流控制系统的各项控制功能，完成与阀控接口装置（VBC）接口，以及实现与站LAN网、故障录波、直流系统保护、主时钟和测量系统的接口。I/O接口设备，完成常规直流单元控制系统所需要的各种模拟量和状态量的采集，实现与阀冷却控制保护子系统（CCP）、换流变就地控制设备、以及阀厅接口。控制功能根据背靠背两侧系统情况配置相应的控制参数，既能运行在功率正送方式，也能运行在功率倒送方式。其配置的主要功能如图1。

正常工况下，整流侧通过快速调节Alpha角来保持直流电流恒定;逆变侧用Gamma角控制来控制直流电压恒定。额定Alpha角为15°，Gamma角最低限制为17°。与快速控制相配合的换流变抽头的慢速控制策略为：正常工况下，整流侧抽头控制Alpha角为（15°±2.5°），逆变侧抽头控制Gamma为（19.5°±2°）。控制系统中设有过电压限幅环节对过高的直流电压进行限幅，避免直流设备承受过应力而损坏。两侧的电流闭环控制器协调配合，使得在正常运行工况下，整流侧控制电流，逆变侧确定电压。在交流电压异常的情况下，逆变侧可能获得电流控制权。此时，整流侧运行在Alpha Min控制，逆变侧的闭环电流调节器控制电流。在背靠背换流站中，整流侧和逆变侧配置独立的12脉动阀组控制。两侧的阀组控制根据系统情况配置不同的控制参数。无论是云南侧还是广西侧的阀组控制均能适用于整流运行和逆变运行。根据基本控制策略，阀组控制包括以下三个基本控制器：

（1）闭环电流调节器;

（2）电压调节器;

（3）修正的Gamma控制器。

在阀组控制中对整流和逆变运行配置不同的参数，使得在实际运行中整流侧和逆变侧由不同的调节器起作用，从而实现希望的Ud/Id特性曲线。

1.2阀控配置及原理

控制保护设备（PCP）和阀控设备（VCE）A、B系统之間采用一对一光纤连接，即PCP 系统A对应VCE系统A，PCP 系统B对应VCE系统B，信号连接如图2。

阀控故障（VCE_REDAY）产生条件：

输入到阀控装置的控制信号异常，包括：Energized、DBLK、ACTIVE信号;

（1）FCS信号丢失时间≥60ms;

（2）阀控机箱板卡异常;

（3）内部机箱通信和状态信号异常。

主备重叠报警产生原理：

阀控系统在换流变充电后（Energized信号为有效），且主、备信号无异常时，对主、备信号有效状态进行监视。当主备信号同时为主或同时为备超过1ms，阀控系统产生报警事件。

1.3单元控制系统常见故障

直流单元控制系统故障等级定义为轻微故障，严重故障和紧急故障。其中，轻微故障是不会对正常功率输送产生危害的故障，因此轻微故障不会引起任何控制功能的不可用。发生严重故障的系统在另一系统可用的情况下退出运行，若另一系统不可用，则该系统还可以继续维持运行。发生紧急故障的系统将无法继续控制系统的正常运行。单元控制系统常见故障如表1。

1）轻微故障处理：当ACTIVE系统发生轻微故障时，而另一系统处于STANDBY状态，并且无轻微故障，则系统切换;当STANDBY系统发生轻微故障时，系统不切换。

2）严重故障的处理：当ACTIVE系统发生严重故障时，如果另一系统处于STANDBY状态，则系统切换。当ACTIVE系统发生严重故障时，而另一系统不可用时，则当前系统继续运行，并发出告警;当STANDBY系统发生严重故障时，STANDBY系统应退出STANDBY状态，进入OFF状态，等待检修;

3）紧急故障处理：当ACTIVE系统发生紧急故障时，如果另一系统处于STANDBY状态，则系统切换，先前的ACTIVE系统进入OFF状态，等待检修。当ACTIVE系统发生紧急故障时，如果另一系统不可用，则闭锁功能，跳断路器。当STANDBY系统发生紧急故障时，STANDBY系统退出STANDBY状态，进入OFF状态，等待检修。

2、控制系统故障导致直流闭锁原因分析

2.1故障过程

阀控设备A系统报“5号机箱插件异常”，直流系统紧急故障，控制系统A退出运行，切换B系统为值班系统。切换系统10秒后，控制系统再次监测到云南侧阀控设备B系统VCE_REDAY信号无效，直流系统紧急闭锁。闭锁过程中阀控产生 “极控主备信号重叠过长”报警事件。

2.2故障分析

2.2.1系统切换问题分析

通过分析控制系统切换时刻，控制系统和阀控录波，观察阀控状态，可确认系统切换是由于阀控插件异常引起。分析控制系统切换时刻控制系统波形，系统切换前后，一次设备运行正常未出现过压、过流、换流阀触发异常现象，过程详见图3。

分析控制系统切换时刻控制逻辑时序，时序为：控制系统A监视到阀控A系统VCE_READY信号无效，置控制系统为off状态，并退出值班状态运行。如图4。

分析阀控A5机箱A系统切换时刻录波数据，如图5所示。观察到阀控产生VCE_READY信号无效后，系统退出值班状态。故障现象与控制系统录波一致。分析后台OWS事件，系统切换时云南侧阀控设备A系统报 “5号机箱插件异常”。基于以上分析，可确认单元二14时59分01秒系统切换，是由于阀控A5机箱B15位置LR板A系统故障导致。

2.2.2 系统闭锁问题分析

分析14时59分11秒控制系统闭锁时刻，控制系统、阀控录波和OWS事件信息，结合阀控系统VCE_REDAY信号产生原理，可确认系统闭锁是由于切换为主运的B套阀控输出VCE_REDAY信号异常导致。

系统闭锁时控制系统B系统录波如图6所示。通过波形可观察到，当控制系统监视到云南侧阀控B系統VCE_REDAY信号无效时，由于A系统为OFF状态，启动了系统紧急闭锁。

闭锁时序为：控制系统监视到阀控VCE_REDAY信号无效，控制阀控接口单元为OFF状态，并控制云南侧和广西侧系统退出值班状态、解锁信号DEBLOCK信号无效、50ms后置换流变充电Energized信号无效。

分析阀控所有机箱系统闭锁时刻（14时59分11秒）录波数据，观察到A5机箱B系统VCE_REDAY信号存在瞬时性波动（该信号为阀控机箱B系统MC板输出），其他机箱无异常。阀控控制时序与控制系统闭锁时序一致，于云南侧阀控A5机箱B系统输出VCE_REDAY信号异常，导致系统紧急闭锁。在此期间，由于阀控接收到A、B系统同为备达到50ms，因此阀控报“极控主备信号重叠过长”报警事件。

对云南侧阀控A5机箱板卡进行检查，发现B15 LR板A系统电源串联电感损坏，导致输入电源断开，如图7。检查其他板未发现异常。对故障LR板进行更换，更换后A套系统故障恢复正常。

阀控和系统录波显示，控制系统闭锁前，直流系统闭锁时序正常，一次设备未出现过压、过流、换流阀未触发现象。阀控系统未监视到控制信号Energized、DBLK、ACTIVE无效，FCS信号丢失，触发脉冲输出正常;可确定闭锁前未出现控制信号、FCS信号丢失。观察OWS事件信息和阀控运行状态，闭锁时阀控B系统未上报插件异常和机箱通讯异常事件。可确定闭锁前阀控未监测到插件异常和机箱通讯异常。观察闭锁时阀控录波，观察到阀控MC板输出的VCE_REDAY信号存在大量扰动信号，信号无效时刻与系统闭锁时刻一致。基于以上分析，此次系统闭锁为阀控B系统的输出状态信号异常导致。

A套阀控系统和B套阀控系统的光接收回路为同一块光接收板卡，两个光接收硬件回路上的电感元件距离较近，故障时刻A套阀控电感元件的外绝缘透明护套被烧融，烧融后高温物质落在B套阀控电感元件上，引起电子元器件及回路工作异常，导致B套系统输出的“Ready OK”高电平丢失。B套系统输出的“Ready OK”高电平出现瞬时（μs级）丢失的现象，由装置逻辑判断异常并输出低电平的时间应该在ms级，因此可能存在B套系统输出“Ready OK”的MC控制板硬件回路异常所致。从故障录波来看，跳闸后该板卡输出的“Ready OK”信号又恢复正常，应为瞬时异常

3 结论及建议

通过以上问题分析与定位，阀控A5机箱B15位置LR板电源故障导致直流系统A系统退出运行，控制系统切换逻辑正常，切换后10秒内直流系统运行稳定，但由于阀控A5机箱B系统MC板VCE_REDAY信号输出异常导致直流系统紧急闭锁。针对以上问题建议对可能存在异常的阀控系统A5机箱MC控制板进行更换，设计阀控机箱LR控接收板时A、B套电感元件应保留一定的距离，避免单个故障影响另一套电感原件。

单元控制系统是背靠背直流系统的核心组成部分，其安全稳定运行决定了直流系统可靠性，本文根据鲁西背靠背直流工程运行过程中出现过的故障，重点分析了单元控制系统双套故障导致直流单元闭锁过程及原因，为提高背靠背直流安全稳定运行、确保直流系统可用率打下基础，对其他类似故障提供了一定的运行维护参考。

参考文献

[1]鲁西换流站运行规程[M]. 兴义：南方电网超高压输电公司天生桥局，2020.

[2]鲁西换流站单元控制系统技术规范[M]. 兴义：许继柔性输电系统公司，2016.

[3]石岩.徐玲铃.陶瑜， 曾南超背靠背换流站极控系统的研究[J].北京：高电压技术.2004.

作者简介：桂辉阳（1993），男，工程师，工学学士，变电运维、调度运行。