摘要：针对换流变冷却系统的PLC控制器故障后，出现直流输电系统过负荷能力受限及顺控无法自动进行的问题，提出了PLC控制回路的优化方案。该方案利用油流继电器触点和电压继电器触点共同判定换流变冷却系统是否正常运行，实现了在PLC控制器故障的情况下直流输电系统不受限制，有利于直流输电系统的稳定运行。
关键词：换流变；冷却系统；PLC；控制回路；优化
PLC Control Circuit Analysis and Optimization ofConverter Cooling System
Sichengzhi,Lizhangyong,Xingchao
1.Yunnan Power Grid Co of Wenshan Power Supply Bureau,Yunnan Wenshan 663000
2.Yunnan Electric Power Research Institute,YunnanKunming 650217
Abstract:Aiming at the problem that the overload capacity of HVDC transmission system is limited and the direct control cannot be carried out automatically after the failure of PLC controller of the converter cooling system, the optimization scheme of PLC control circuit is proposed. In this scheme,the oil-flow relay contact and the voltage relay contact are used together to determine whether the converter cooling system is in normal operation, thus realizing the unrestricted HVDC transmission system in the case of PLC controller failure, which is conducive to the stable operation of the HVDC transmission system.
Keywords:converter;cooling system;PLC; control circuit.;optimization
0 前言
换流变压器将电能从交流系统传输给一个或多个换流桥，或者相反传输，它利用两侧的磁耦合传输功率，实现交流系统与直流系统之间的电绝缘与隔离。在高压直流输电系统中，换流变是最重要的设备之一，它是交流与直流相互变换的核心，换流变与换流阀协同工作，实现交流与直流之间的相互转换[1]。换流变能否安全运行对于直流输电有着重要影响，其中换流变冷却系统的正常运行对于换流变又有着至关重要的作用。冷却系统的投切主要取决于直流系统的解闭锁、绕组温度、顶部油面温度和直流负载[2-5]，由于PLC的可靠性和强大功能，PLC常用于实现对冷却系统的控制[6]。控制的复杂性也导致PLC故障的多样性，因此提升PLC控制系统故障处理水平需要总结经验，同时还要选用有效的改善方式，使用正确的解决方法[7]。在实际生产中，换流变冷却系统的PLC控制回路在设计上存在的缺陷会影响冷却系统的可靠运行，因此需要对其进行一定的优化和修改。大多数换流变的冷却系统都基于相同的原理和技术，因此本文以±500kV富宁换流站的换流变冷却系统为例进行说明。
1 概况
换流变压器的冷却系统每相有四组冷却器，每组由一个循环油泵和四个冷却风扇组成。其中一组冷却器为备用，第四组在其他三组中存在一组故障时投入运行。冷却器正常运行为自动模式，由风冷控制箱内部的PLC根据油温、绕温、负荷水平的情况进行实时的冷却器启停及冷却器转速的控制。当控制箱内部PLC发生故障时，冷却器会由“自动”控制模式切换到“手动”运行模式，以确保冷却器系统的正常散热功能。但由于PLC控制回路在设计上存在缺陷，如出现PLC宕机情况，在手动控制模式下，也会导致由PLC输出的“冷却系统运行信号”和“冷却系统冗余可用信号”不能上送至直流控制系统。此时就算冷却系统正常运行，也将导致顺序控制的操作受到影响、直流输电系统过负荷能力受到限制。
2 PLC控制回路存在的缺陷
2.1冷却系统运行信号的缺陷分析
换流变冷却器运行信号影响着顺序控制中对于闭锁、解锁状态的逻辑判定，是直流输电系统顺序控制中的关键条件之一。
冷却系统运行的判定信号由Y/y及Y/d换流变A、B、C三相冷却器运行的6个信号经过“与”门后输出为换流变冷却系统的运行信号，并上送至控制系统，逻辑框图如下图1所示。
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图1 冷却系统运行信号逻辑框图
换流变每相的冷却系统运行信号由K3继电器输出，如下图2所示。当PLC宕机后，K3继电器失电不励磁，常开触点处断开状态，不能输出冷却系统运行信号，如下图3所示。所以当PLC宕机后，换流变冷却器运行信号无法上送至控制系统，将导致直流系统状态未定义，不能执行顺序控制操作，影响直流输电的稳定运行。
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图2 换流变冷却系统PLC原理图
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图3 冷却系统运行信号PLC输出回路
2.2冷却系统冗余可用信号的缺陷分析
冷却能力与过负荷限制功能有着直接的配合[7]，换流变冷却系统冗余可用信号影响直流系统的过负荷能力，与直流系统故障恢复的能力密切相关。直流系统过负荷运行对环境因素及系统辅助系统要求较高，故一般情况下不使用其过负荷能力。在系统特殊情况需要时，可暂时安排其过负荷运行[8-9]。冷却系统冗余是否可用对于直流系统影响的对比表1所示。
表1 冷却系统各条件下的过负荷能力
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从表中数据可以看出，无冷却器冗余可用时直流系统过负荷能力受到明显限制。
冷却系统冗余可用的判定信号由Y/y及Y/d换流变A、B、C三相冷却系统冗余可用的6个信号经过“与”门后输出为换流变冷却系统冗余可用信号，并上送控制系统，逻辑框图如下图4所示。
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图4 冷却系统冗余可用信号逻辑框图
换流变每相的冷却系统运行信号由K31继电器输出，如图2中所示。当PLC宕机后，K31继电器失电不励磁，常开触点处断开状态，不能输出冷却系统冗余可用信号，如下图5所示。所以当PLC宕机后，换流变冷却器冗余可用信号不能上送至控制系统，控制系统直接判断为系统无冗余冷却器可用，此时并不是冷却器真正故障[10-11]，但仍会导致直流系统过负荷能力受到限制。
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图5 冷却系统冗余可用信号PLC输出回路
3 PLC控制回路优化
换流变PLC控制器故障后，换流变冷却器在手动控制模式下，前3组冷却器工频启动。为保证冷却器噪声水平，冷却器风扇以650转/分运转，第4组冷却器则在温度达到现场油面温度表或绕组温度表的节点2设定值时（油温节点2设定值为60℃，绕温节点2设定值为70℃），或前3组冷却器有一组冷却器油流出现故障时候启动，启动后风扇以650转/分的转速运转。当油面温度低于油面温度表节点1设定值且绕组温度低于绕组温度表节点1设定值的情况下（油温节点1设定值为50℃，绕温节点1设定值为60℃），第4组冷却器停止运行。根据冷却系统手动运行时的情况对PLC控制回路进行优化。
3.1冷却系统运行信号的回路优化
K3继电器的动作条件为有一组冷却器和油泵启动，PLC的内部逻辑如下图6所示。
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图6PLC冷却系统运行信号内部逻辑图
K28继电器为换流变冷却系统投入OK的信号继电器，动作条件为冷却器或油泵至少一只运行，根据K3、K28及冷却系统手动控制模式下的特点，对PLC控制回路进行优化，增加一组辅助回路，优化后的回路如图7所示。
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图7 冷却系统运行信号优化回路图
K29继电器为换流变冷却系统自动控制的信号继电器，取K29继电器2对空的常闭触点与K28继电器2对空的常开触点串接后，并接在K3继电器两对常开触点上。即在PLC控制器宕机后，换流变冷却系统为手动控制模式，K29自动控制信号继电器失磁、常闭触点导通，K28冷却系统投入正常的信号继电器励磁、常开触点导通，优化后的回路在PLC控制器故障后，仍能向控制系统发出换流变冷却器运行的信号。
3.2冷却系统冗余可用信号的回路优化
换流变PLC控制器故障后，换流变冷却器在手动控制模式下，前3组冷却器工频启动。此时前三组冷却系统正常运行，第四组冷却系统为冗余，根据此特点对冷却系统冗余可用信号的回路进行优化，增加一组辅助回路，优化后的回路如图8所示。
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图8 冷却系统冗余可用信号优化回路图
KB1为1号冷却器油泵运行的交流接触器辅助触点，KF1和KF2为1号冷却器风机运行的交流接触器辅助触点；KB2为2号冷却器油泵运行的交流接触器辅助触点，KF3和KF4为2号冷却器风机运行的交流接触器辅助触点；KB3为3号冷却器油泵运行的交流接触器辅助触点，KF5和KF6为3号冷却器风机运行的交流接触器辅助触点；K16为4号冷却器油流故障的信号继电器。
将KB1、KF1、KF2、KB2、KF3、KF4、KB3、KF5、KF6的常开触点、K16的常闭触点串接后并接到K31的常开触点上，优化回路的原理为：当冷却器控制箱内PLC宕机后K29继电器失电，冷却器运行模式转为手动模式，手动模式下启动冷却器控制逻辑为工频转速启动1、2、3号冷却器，4号冷却器为备用组，当PLC宕机转到手动模式后第1、2、3号冷却器风机工频转速启动正常，4号冷却器没有油流故障，即发出冷却系统冗余可用信号。这套辅助回路能够有效保证PLC发生故障时，仍能向控制系统发出换流变冷却系统冗余可用的信号，及时上送关键信号，避免发生故障[12-13]。
4 结论
本文提出的基于换流变冷却系统的PLC控制回路分析与优化，分析了目前换流变冷却系统PLC控制回路存在的缺陷，且通过利用现有空触点增加辅助回路的方法，增加了冷却系统的稳定性并提高了PLC控制器故障后的运行可靠性，为换流变冷却系统PLC的运行提供一种辅助手段。同时，换流变冷却系统在电网中普遍存在本文中分析的缺陷。因此，本文提出基于换流变冷却系统的PLC控制回路分析与优化，针对现有问题提出解决方法，为换流变冷却系统的回路改造提供借鉴。
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作者简介：
司成志（1990--），男，工程师，主要从事±500kV富宁换流站控制保护设备运维及研究工作。
李章勇（1991--），男，助理工程师，主要从事±500kV富宁换流站控制保护设备运维工作。
邢超（1986--），男，硕士研究生,高级工程师，主要从事直流输电方面研究工作。
论文作者:司成志,李章勇,邢超
论文发表刊物:《电力设备》2019年第24期
论文发表时间:2020/5/6