苏志龙
（中国南方电网超高压输电公司昆明局 昆明 650217）
摘要：±800kV普洱换流站，是云广Ⅱ特高压直流输电工程送端换流站，采用双12 脉动阀组串联接线方式。其中直流控制系统采用分级控制，阀组控制系统系统功能由SIMATIC TDC系统实现，阀组控制系统采用冗余配置且具有自动切换功能。每个阀组的控制系统由阀组控制系统1和阀组控制系统2及独立的系统选择切换模块组成。阀组控制系统1和阀组控制系统2完全独立，正常时一个系统工作，另一个系统热备用。当工作的系统故障时，可由系统选择切换模块快速切换到备用系统。本文基于一起阀组控制系统切换模块异常导致的阀组闭锁进行分析，通过异常重现试验，进行故障分析与研究，并针对当前隐患，提出优化措施，提高控制系统稳定性。
关键词：普洱换流站；特高压直流；阀组控制系统；阀组控制系统切换模块
±800kV云广Ⅱ特高压直流输电工程，是南方电网建设的第二条特高压直流输电工程。采用的是双12 脉动阀组串联接线方式，运行方式相对多且复杂，从而导致其控制保护系统的功能配置、硬件和软件以及冗余逻辑等相对以往常规直流工程更加的复杂。
±800kV普洱换流站直流控制保护系统采用完全冗余、分层分布式结构配置，分为双极控制层、极控制层和阀组控制层。以提高运行的可靠性，使任一控制环节故障所造成的影响和危害程度减到最小。对于阀组控制，±800kV普洱换流站单独设置了冗余的阀组控制系统，主要完成单阀组的高速闭环控制功能。同时阀组控制系统采用冗余配置且具有自动切换功能。每个阀组由两套具有相同功能的控制系统及系统选择切换模块（COL）组成。其中两套控制系统完全独立，正常时一套系统为有效系统，另一套系统热备用。当有效的系统故障时，系统选择切换模块将切换至备用系统。本文基于一起阀组控制系统切换模块电源空开异常跳开，阀组控制系统正常切换，仍导致阀组闭锁的事件进行分析，通过异常重现试验，进行故障分析与研究，提出优化措施，避免此类事件的再次发生，提高控制系统稳定性。
1 阀组控制系统选择切换逻辑
正常情况下阀组控制系统在自动系统选择模式下运行，阀组控制系统启动时默认系统1为主系统，系统2为备用系统。如果主系统故障，备用系统正常的话，将自动切换到备用系统运行；如果备用系统也有故障，将不能实现切换，此时，系统选择切换逻辑将发一个跳闸命令，并执行ESOF 顺序跳相应的阀组，使其转到备用状态；
阀组控制系统选择切换逻辑接收阀组控制系统和 VBE 系统的信号，以阀组控制系统1为例，只有阀组控制系统1和VBE 系统1同时正常时，阀组控制系统选择切换逻辑才会作出阀组控制系统1正常的判断，如果阀组控制系统1和 VBE 系统1二者之中有一个故障，将切换到阀组控制系统2运行。
2实例及故障原因分析
2.1 阀组控制系统屏内DC24V 供电回路及模块
如图，F312空开与电源空开F311均接至同一直流24V母线。F311空开电源回路实现对屏内两套阀组保护release信号节点供电，F312空开电源回路实现对屏内COL和LFM模块的供电。
图1阀组控制系统屏内DC24V 供电回路图
COL模块
COL模块的主要功能是监视两套冗余阀组控制系统的运行情况，并实行系统切换功能。每个系统中分别有1个COL模块。
LFM模块
LFM模块（LOGIC FUNCTION MODULE）为2取1逻辑功能模块，其内部为CPLD逻辑电路芯片。两套冗余阀组控制系统开出信号分别接入LFM模块，经LFM内部逻辑电路的判断，仅主系统信号能有效出口。LFM出口后，对相关信号出口继电器励磁，通过继电器辅助接点最终开出给其他控制保护设备。
2.2 阀组控制系统ESOF过程简述
故障过程如下，普洱换流站极I 高端阀组组控系统1 屏内F312 空开跳闸，极I 高端阀组组控系统1 控制主机产生ESOF信号（约2ms），SER信号显示“=11VG11+U1 ESOF BY GROUP CONTROL”，极I 高端阀组组控系统1 通过控制总线送出“合BPS 开关”状态信号至极I 高端阀组保护。极I 高端阀组保护82BPS 保护II 段动作，极Ⅰ双阀组由运行转闭锁。
图2 故障时刻组控发ESOF及组控系统切换录波
2.2闭锁原因分析
通过分析现场的SER 信息、录波波形、阀组控制软件及屏柜电气原理图，推断这次极1 闭锁的原因为：极1 高端阀组控制系统1 COL及LFM 供电支路出现故障，F312 开关动作跳开。在F312 开关跳开过程中，DC24V 电源电压出现短时波动，引起极1 高端阀组控制系统1的开关量输入“阀组保护系统OK”信号短时波动，该信号正常情况下是高电平，在电压的波动过程中出现短时低电平，极1 高端阀组控制系统1 判断极1 高端阀组保护系统1 和系统2 均故障，阀组控制系统1判断无阀组保护运行，发ESOF信号，并且通过控制总线送出“合BPS 开关”状态信号至极I 高端阀组保护。
F312 开关跳开后，极1 高端阀组控制系统1 切换逻辑模块检测到电源故障启动系统切换，极1 高端阀组控制系统1 切换到系统2运行，极1 高端阀组控制系统2 运行正常，接收到的“保护OK”信号正常。极1 高端阀组保护收到来自极1 高端阀组控制系统1 的“合BPS开关”状态信号后，启动82BPS 旁路开关保护，F312 开关跳开后，LFM逻辑功能模块失去工作电源，经LFM逻辑模块出口的旁路开关合闸命令无法送至断路器本体。旁路开关因LFM模块失电而无法合闸，极1 高端阀组控制系统1 启动的ESOF 顺序未执行，82BPS 保护II 段动作，极Ⅰ由运行转闭锁。
图4 旁路开关82BPS保护动作录波图
旁路开关保护（82BPS）2段（合闸失败）
保护定值：由组闭锁或组ESOF发的BPS合闸请求&ABS（IdBPS）<0.07p.u&IdCH>0.09p.u
出口时间：500ms
动作后果：闭锁双阀组
2现场故障重现试验
由于正常情况下，阀组控制系统1故障，将切换到阀组控制系统2运行，并不会导致阀组闭锁的发生，但普侨直流自投运来出现过两起同类事件，说明COL和LFM模块上级F312空开跳开，会有一定概率导致阀组ESOF，因而进行故障重现试验，优化相关功能。
3.1 故障重现方案
根据上述的极I 闭锁原因分析，为在现场重现本次“事件”的过程，为方便模拟两套阀组保护的“保护OK”信号消失，需要如图2 所示在极I 高端阀组控制系统1 的“保护OK”信号电源支路增加空开F313。通过断开极I 高端阀组控制系统1新增加的F313 空开模拟两套保护不OK 启动ESOF 的过程；通过断开极I 高端阀组控制系统1 的F312 空开来模拟系统切换过程。
为了监视现场试验时空开断开对直流24V 电源的影响，需要在如图2 所示位置将三段直流24V 母线电压接入示波器或便携式故障录波装置。在做空开F313、F312 和F311 跳闸时，将相应支路的电流接入示波器或便携式故障录波装置。
图3 现场试验时增加的电压监视点和空开的位置图
3.2 现场重现方案分析
3.2.1 空开F313 断开试验（即设置两套阀组保护系统的“保护OK”信号均消失）
试验目的：验证当两套阀组保护系统的“保护OK”信号均消失时，组控是否会发出ESOF 信号。
试验分析：
当断开空开F313 时，极1 高端阀组保护系统1 和系统2 的“保护OK”信号的DC24V 电源失电，极I 高端阀组控制系统1 判断极1高端阀组保护系统1 和系统2 均故障，产生ESOF 信号，并且通过控制总线送出“合BPS 开关”状态信号至极I 高端阀组保护。可以通过故障录波和后台监视到阀组控制系统发出的ESOF 信号，同时会有相应阀组保护不OK 的SER 信号产生。由于新增加的空开F313 没有接入屏柜电源故障信号回路，故断开空开F313 将不会发出屏柜电源故障信号，系统也不会进行切换。
3.2.2 空开F312 断开试验（即设置COL 模块、LFM 模块失电）
试验目的：验证COL 模块失电时，组控系统是否发出系统切换命令。
试验分析：
断开空开F312 时，COL 模块失电，极I 高端阀组控制系统1 将切换到极I 高端阀组控制系统2，不发出ESOF 信号。同时断开空开F312 时，由于空开F312 的辅助开关断开，屏柜通过SER 屏发出“屏柜电源故障”信号；LFM 模块失电，屏柜通过SER 屏发出“屏柜LFM模块故障”信号。
3.2.3 先断开空开F313，然后迅速断开空开F312 试验（即设置两套阀组保护系统的“保护OK”信号均消失，设置COL 模块、LFM 模块失电）
试验目的：验证两套阀组保护系统的“保护OK”信号均消失后，COL 模块、LFM 模块失电情况下，组控是否会发出ESOF 信号及控制系统的切换，即重现实例中的闭锁过程。
试验分析：
先断开空开F313 时，极1 高端阀组控制系统1 产生ESOF 信号，并且通过控制总线送出“合BPS 开关”状态信号至极I 高端阀组保护，可模拟4 月5 日事件的直流24V 电源扰动。断开空开F312，由于COL 模块电源故障，极1 高端阀组控制系统1 将切换到极1 高端阀组控制系统2，可模拟实例事件的系统切换过程。可以通过故障录波和后台监视到极1 高端阀组控制系统1 发出的ESOF 信号，同时会有相应阀组保护不OK，屏柜电源故障、屏柜LFM 模块故障、系统切换的SER 信号产生。
3.2.4 断开空开F311 试验
试验目的：
验证两套阀组保护系统的“保护OK”信号均消失，“屏柜电源故障”情况下，组控是否会发出ESOF 信号及控制系统的切换。
2) 试验分析：
根据图1可知，空开F311支路的负载为：屏柜开入继电器信号电源，DC24V信号电源OK，与VBE间的控制信号电源。所以断开空开F311时，极1高端阀组保护系统1和系统2的“保护OK”信号的DC24V电源失电，极I高端阀组控制系统1判断极1高端阀组保护系统1和系统2均故障，产生ESOF信号。由于空开F311的辅助开关接入了“屏柜电源故障”信号回路，所以断开空开F311时，COL模块接收到“屏柜电源故障”信号；同时由于与VBE间的控制信号电源丢失，VBE系统可能报“VBE 故障”信号，这两个信号均能使COL模块进行系统切换。通过断开空开F311模拟电源的扰动和系统切换过程，扰动和系统切换同时进行，检测实例中的闭锁过程。
2试验验证结果分析
通过实验和结果的验证，即通过在不同的故障条件下，阀组控制系统的动作后果，得到以下结论：
1）空开F313 断开时，即两套阀组保护系统的“保护OK”信号均消失时，可以通过故障录波和后台监视到阀组控制系统发出的ESOF 信号，同时会有相应阀组保护不OK 的SER 信号产生，阀组控制系统并不切换。
2）断开空开F312 时，COL 模块失电，极I 高端阀组控制系统1 将切换到极I 高端阀组控制系统2，不发出ESOF 信号。说明仅F312跳开无其他异常因素时，阀组控制系统将切换，不发出ESOF 信号。
3）先断开空开F313，然后迅速断开空开F312 试验，即两套阀组保护系统的“保护OK”信号均消失， COL 模块、LFM 模块失电情况下，组控发出ESOF 信号及控制系统的切换。与实例中支路故障引起闭锁的过程相同。故障录波和后台监视到阀组控制系统发出的ESOF 信号，“合BPS 开关”状态信号，阀组保护不OK信号，屏柜电源故障、屏柜LFM 模块故障、系统切换的SER 信号。
4）断开空开F311，即两套阀组保护系统的“保护OK”信号均消失，“屏柜电源故障”情况下，组控发出ESOF 信号及控制系统的切换。
3 总结
通过对本次闭锁事件异常过程分析以及开展实验论证可知，进一步检验了普侨直流阀组控制系统切换及发ESOF存在逻辑缺陷问题，当阀组控制系统F311，F312支路存在故障及扰动时，有一定概率发生闭锁。为降低此类事件造成的阀组闭锁概率，可行性的优化方案为：
1）在F311，F312的DC 24V母线增加上升沿防抖处理逻辑。可有效避免支路故障造成的电压短时跌落。
2）阀组控制系统收到两套保护不OK信号后，增加10ms延时逻辑。增加延时后能躲过信号电源短时扰动，避免出现直流闭锁，有效降低F311，F312支路故障空开跳开后阀组闭锁的概率。
参考文献
[1]糯扎渡电站送电广东±800kV 直流输电工程控制保护设计规范CSG/YGII/ED4.341.PJ-0.
[2]中国南方电网有限责任公司. ±800kV 直流输电技术研究[M]. 北京：中国电力出版社，2006.
[3]赵畹君. 高压直流输电工程[M]. 北京：中国电力出版社，2004.
[4]±800kV普洱换流站运行规程-V2.
作者简介
苏志龙（1988-），男，助理工程师，工学学士，主要从事特高压交直流并联系统运行维护工作。
论文作者:苏志龙
论文发表刊物:《电力设备》2016年第12期
论文发表时间:2016/8/26
标签：控制系统论文; 阀组论文; 信号论文; 系统论文; 故障论文; 模块论文; 电源论文; 《电力设备》2016年第12期论文;