王华锋，陈龙龙，林志光，郑林，汤广福

(国网智能电网研究院，北京市 102209)

0 引言

锦屏—苏南±800kV特高压直流输电工程送端为锦屏裕隆换流站，受端为同里换流站。额定容量为7200MW，额定电压为±800kV，最高运行电压为±816 kV，额定电流为 4500 A。送电距离约为2093.5 km［1-2］。

该工程是双极直流系统，包括2个完整单极，分别为极Ⅰ和极Ⅱ。每个完整单极每端由高端和低端2个电压相等的12脉动换流器串联组成，其中极Ⅱ低端为中电普瑞电力工程有限公司自主研发A5000型换流阀。直流控制保护系统为ABB公司DCC800。

该工程于2012年6月24日—7月11日完成双极低端系统调试，2012年7月12日投入试运行。在系统调试和试运行期间，极Ⅱ低端换流阀控制保护系统稳定可靠，没有出现故障。本文将详细描述裕隆换流站极Ⅱ低端换流阀控制保护系统工作原理和工程调试及运行情况。

1 换流阀控制保护系统工作原理

将直流输电换流站和直流输电线路的全部控制功能按等级分为若干层次而形成控制保护设备结构。采用分层结构，可以提高运行的可靠性，使任一环节故障所造成的影响和危害程度控制到最小，同时还可以提高运行操作、维护的方便性和灵活性。特高压直流输电控制保护设备一般设有6个层次等级［3］，原理如图1所示。从高层次等级至低层次等级分别为:系统控制保护级、双极控制保护级、极控制保护级、换流器控制保护级、单独控制保护级或换流阀控制保护级。换流阀控制保护系统属于最底层一级设备，实现换流阀触发、监测和保护功能，为直流输电控制保护系统的核心设备，控制保护对象为换流阀。

图1 直流输电控制保护设备分层结构Fig.1 Layered structure of HVDC control and protection equipment

1.1 原理概述

换流阀控制保护系统由阀基电子设备(valve base electronics equipment，VBE)、晶闸管触发监测单元(thyristor trigger and monitor unit，TTM)、漏水检测器和避雷器动作指示器组成［4-7］，其中VBE处于地电位，TTM、漏水检测器和避雷器动作指示器处于高电位。换流阀控制保护系统原理如图2所示。上层控制保护系统有换流器控制保护设备(convertor control protection，CCP)、数据采集与监控系统(supervisory control and data acquisition，SCADA)和 全球定位系统(global positioning system，GPS)，VBE 和 CCP采用光纤传输各种控制信号，提高抗干扰能力;VBE和SCADA系统通过Profibus通信传输事件信息;GPS将时钟信号传输给VBE。VBE和高电位设备采用光纤传输，提高抗干扰能力和保证绝缘强度。

1.2 阀基电子设备

VBE主要由CCP信号处理模块、SCADA系统通信模块、自检和保护模块、换流阀触发监测保护模块等组成，VBE和外部设备连接原理如图3所示。VBE为完全独立的双冗余系统，一套处于运行状态，另一套处于热备用状态［8］。若运行系统出现故障，可无扰动切换到另一套系统运行，允许带电检修和在线更换电路板，具有完善的自检和保护功能。

CCP信号处理模块接收CCP下发的各种高频调制控制命令，对高频调制控制命令进行解调，实现换流阀控制操作，VBE对换流阀的监测和保护、自检和保护信号经过CCP信号处理模块高频调制后发送给CCP。控制保护系统下发给VBE的信号有:ACTIVE/INACTIVE(主从选择)、DEBLOCK/BLOCK(解锁闭锁)、BPPO(投旁通对)、TEST(低压加压)、UNDER_V(低电压)、CBON(开关分合);CP(12个单阀的触发脉冲);阀基电子设备上传给控制保护系统的信号有FP(12个单阀的触发反馈脉冲)、VBE ok(VBE是否良好)、TRIP(跳闸)、RFO(准备就绪)。

SCADA系统通信模块将换流阀的状态信息和阀基电子设备本身的状态信息发送给后台监控系统，供运行人员监视，并且能够执行后台监控系统下发的远程操作指令。

VBE自检和保护模块实时检测自身的运行状态，若发现异常，根据故障的严重程度将采取相应的保护措施。VBE自检到轻微故障，只把故障信息通过Profibus总线上传至SCADA系统;自检到严重故障，通过CCP信号处理模块向上CCP发送请求切换信号，并且把故障信息通过 Profibus总线上传至SCADA系统。

换流阀触发监测保护模块为换流阀控制保护系统核心部分，主要完成对换流阀晶闸管的触发控制、对换流阀晶闸管状态信息的采集和换流阀保护、监测换流阀阀塔漏水情况、监测避雷器动作情况。在直流输电系统正常投入运行或者系统试验需要时，换流阀触发监测保护模块根据 CCP解锁换流阀［9］，接收CCP下发的换流阀触发指令，并对该指令进行解码和重新编码后发送至位于换流阀上的TTM。直流输电系统正常或者故障停运时，VBE按照CCP进行换流阀闭锁和投旁通对操作，闭锁换流阀后，停止向换流阀发送触发脉冲;投旁通对时向CCP选定的单阀发送触发脉冲。当换流变充电，并且换流变阀侧电压满足换流阀TTM取能要求后，VBE实时监测换流阀每个晶闸管级的运行状态。当检测到异常状态时，采取相应的保护措施。不影响换流阀安全运行的故障，只把故障信息通过局域网上传至SCADA系统;影响换流阀安全运行的故障，如某个单阀中已损坏或者过电压保护动作的晶闸管级数超过设定值，VBE向CCP发送请求跳闸信号，避免导致更严重的故障，并且把故障信息通过局域网上传至SCADA系统。

1.3 晶闸管触发监测单元

TTM主要功能包括:取能和储能、光电和电光转换、晶闸管正常触发监测、电流断续保护、晶闸管反向恢复保护、正向过电压和dv/dt保护等［11］。

TTM位于高电位，其工作电源从所在的晶闸管级阻尼回路获取，所取得的能量需要满足晶闸管强触发、运算和逻辑电路工作要求。在直流输电系统正常和故障状态下，特别是当交流系统发生单相对地故障、三相对地短路故障或三相对地金属短路故障时，TTM在一定时间内能够维持正常触发，不会因储能电路需要充电而造成恢复的延缓。

光电转换电路将VBE下发的光信号脉冲编码进行光电转换，供TTM逻辑控制电路，TTM根据VBE命令进行触发和监测晶闸管;同时，将TTM实时检测到的晶闸管级状态、各种保护触发信号转换成光脉冲编码回传给VBE，实现TTM与VBE之间晶闸管级状态信息的光信号传输。

正常触发监测电路将光电转换后的VBE触发指令进行解码，并触发对应的晶闸管。在高压直流输电换流阀中，每个单阀都由很多晶闸管串联组成，由于触发系统及晶闸管本身参数的分散性，会导致串联阀中各个晶闸管的开通时刻不尽相同，造成阀中元件承受的电强度差别较大，元件本身固有的耐受过电压能力脆弱、dv/dt和di/dt承受能力有限等特点，可能会造成阀中某个晶闸管的损坏，影响换流阀的可靠运行。所以，TTM的触发脉冲必须具备较好的同时性、一定的前沿陡度和足够的幅度，这样才有利于串联阀中晶闸管的同时导通，减轻单个晶闸管所承受的电强度，确保晶闸管的安全运行。

TTM实时监测该晶闸管级的状态，如晶闸管是否损坏、TTM取能是否正常、光通道是否正常、正向过电压和dv/dt保护触发等，将上述状态通过特定的编码发送至VBE。

晶闸管触发导通后，晶闸管阳极需要一定的维持电流使其处于开通状态，当电流低于维持电流时，晶闸管可能关断。每个晶闸管特性存在微小差异，所需的维持电流略有不同。在换流站启停或者小功率送电时，直流电流小，在晶闸管应导通的期间内，其阳极电流可能低于维持电流导致关断，出现电流断续，影响直流输电系统运行。为避免电流断续造成影响，TTM在晶闸管应导通区间内，一旦检测到晶闸管两端承受的正向电压超过保护水平时，自动触发导通晶闸管。

如果在反向恢复期内晶闸管端间过早地出现了正向电压，TTM将重新触发晶闸管，避免破坏性的击穿。

当正向电压和dv/dt超出晶闸管耐受能力将使其破坏性击穿，TTM对其采取相应的保护措施。TTM实时采集经过分压以后的晶闸管两端电压，一旦正向电压或dv/dt达到保护水平，TTM将触发晶闸管并向VBE发送该保护动作信号，保护晶闸管的安全;保护水平能够连续平滑调节，非常灵活。

1.4 漏水检漏器

安装于阀塔底部的漏水检测器和VBE漏水监视器共同完成阀塔漏水的监测［10］。当阀漏水检测开关投入时，VBE漏水监视器实时向漏水检测器发送一定频率的光脉冲，当阀塔不漏水时，漏水检测器光路通畅，发送的光脉冲返回至VBE漏水监视器。当阀塔漏水时，漏水检测器光路被阻挡，发送的光脉冲不能返回至VBE漏水监视器，算作1次漏水。在一定时间内记录不能返回的光脉冲次数，用以判断漏水的级别(分为渗漏和泄漏)，阀塔漏水报警通过Profibus总线上传至SCADA系统。

1.5 避雷器动作指示器

避雷器动作指示器安装在阀体避雷器底部，与VBE之间采用光纤连接。避雷器动作时指示器产生特定编码的光脉冲信号通过光纤送至VBE机柜内的避雷器监视器，VBE根据接收的编码计算避雷器动作次数，并将避雷器动作次数通过Profibus总线上传至SCADA系统。

2 工程调试及运行情况

锦苏工程先后进行了换流阀分系统调试、站系统调试和端对端系统调试。分系统调试主要为低压加压试验;站系统调试主要包括换流变带电试验、换流器不带线路开路试验和换流器带线路开路试验;端对端系统调试主要包括双极低端换流器低功率试验、极Ⅱ低端换流器低功率试验、直流线路故障试验、双极低端换流器低功率试验、双极低功率试验、双极运行锦屏侧孤岛接线方式试验、接地极线路故障试验、交流线路故障试验、极Ⅱ低端换流器大功率试验和双极低端换流器大功率试验等180多个试验项目。换流阀控制保护系统一次性通过所有试验，2012年7月12日投入试运行以来没有出现任何故障。

典型试验波形如图4～7所示。图4为换流阀闭锁波形，VBE收到CCP闭锁命令后，立即闭锁换流阀，直流输出电流迅速下降至0;图5为正常运行中主从系统切换波形，VBE检测到CCP主系统信号故障，通过VBE ok发送给CCP，CCP进行主从切换，切换过程直流输出电压电流平稳，没有任何扰动;图6为主系统某一个单阀触发脉冲丢失试验波形，CCP和VBE检测到触发脉冲丢失后，进行主从切换，切换成功后直流输出电压电流很快恢复正常;图7为直流输出线路对地短路故障试验波形，在故障录波的0.5 s时刻，直流线路输出对地短路，直流电压由额定值瞬间下降至0，对地短路电流高达4600 A，直流线路输出对地短路200 ms后，直流输电系统在200 ms以内恢复正常运行。

3 结论

中电普瑞电力工程有限公司自主研发A5000型换流阀控制保护系统经过一系列的功能调试、抗干扰能力调试，一次性通过试验。换流阀控制保护系统能够按照上层控制系统完成所有控制操作，很好地监测换流阀每个晶闸管级、阀避雷器动作情况、阀塔漏水情况，并采取相应的保护措施。该换流阀控制保护系统投入工程运行以来，运行情况良好、性能特别稳定;原理设计正确，硬件和软件可靠性高。

［1］国家电网公司.锦屏—苏南±800千伏特高压直流输电工程换流阀(裕隆站)技术协议［R］.北京:国家电网公司，2011.

［2］国家电网公司.锦屏—苏南±800千伏特高压直流输电工程换流阀(同里站)技术协议［R］.北京:国家电网公司，2011.

［3］赵婉君.高压直流输电工程技术［M］.北京:中国电力出版社，2004.

［4］袁清云.HVDC换流阀及其触发与在线监测系统［M］.北京:中国电力出版社，1998.

［5］黄舜，李胜，徐永海，等.静止无功补偿器光电触发与监测系统设计与仿真［J］.现代电力，2006，29(1):29-33.

［6］刘飞，卢志良，刘燕，等.用于TCR的晶闸管光电触发与监测系统［J］.高电压技术，2007，33(6):123-128.

［7］李宏.阀基电子设备的研究［J］.科技成果管理与研究，2011(5):63-65.

［8］刘振亚.特高压直流输电技术研究成果专辑(2006年)［M］.北京:中国电力出版社，2008.

［9］李兴源.高压直流输电系统的运行和控制［M］.北京:科学出版社，1998.

［10］杨晓楠，郑林，蓝元良，等.±660 kV直流输电工程换流阀控制保护接口技术［J］.电力建设，2011，32(7):25-28.

［11］廖敏，蓝元良，杨晓楠，等.±660 kV直流输电工程换流阀控制系统的工作原理及工程应用［J］.电力建设，2011，32(7):21-24.