換流站直流控制系統觸發角保護動作情況分析

廣東電網有限責任公司廣州供電局 林展濤

南方電網超高壓輸電公司 周翔勝 鄧光武 李金安 包 威 周登波

直流輸電系統通過改變換流變分接頭（粗調）和換流器觸發角（細調）來實現控制調節，其中后者能快速響應。其不僅能保證直流輸電的各種輸送方式，完善直流輸電系統本身的運行特性，而且還可改善兩端交流系統的運行性能[1]。

1 直流控制系統的分層結構

一般情況下，可將直流控制系統從高到低分為系統級、雙極級、極級、換流器級和閥級。當單極只有一個換流單元時，極級和換流器級合并為一個級；當只有一條雙極線路時，系統級和雙極級合并為一級。觸發角控制屬于換流器級控制。當直流輸電系統在解鎖狀態下接收功率指令后，發送直流電流指令給極控，極控經過控制運算后發送觸發角指令給各個換流閥控制單元[2]。如圖1所示。

圖1 換流器控制

2 直流控制系統的冗余配置

若只配置一套直流控制系統，當故障不可用時會導致直流系統跳閘。為提高能量可用率，直流控制系統實現雙重化配置，相互獨立，互為冗余。通過切換邏輯裝置，確保當前是其中一套系統作為主系統來控制，故障時自動實現無縫切換。所有的輸入信號同時輸入到主從兩套系統，主系統根據輸入信號來產生需要的觸發脈沖，從系統如果與主系統的狀態不一致，則自動跟隨主系統的運行狀態[3]。

3 觸發角保護

鑒于觸發角控制和換流器設備的重要性，控制系統內部對其設置了監控保護功能，保障直流輸電系統的穩定運行。

3.1 觸發角偏差保護

觸發角偏差檢測是對比兩套控制系統的觸發角，在有偏差的情況下切換控制系統時，會導致直流電流電壓突變，直流功率出現波動，經過本系統自身調節可能無法恢復正常，對直流的安全穩定運行存在較大的隱患[4]。所以，西門子程序設定當兩套控制系統觸發角偏差大于9°時閉鎖控制系統的手動切換邏輯，當偏差小于5.2°時返回，如圖2所示。出現觸發角偏差是由于從系統觸發角無法與主系統觸發角保持一致，可能是通訊故障、測量故障、板卡故障等原因造成的。

圖2 觸發角偏差保護

3.2 觸發角過大保護

換流器層控制能夠全面控制和監視換流器的運行狀態，進而達到對換流器保護系統的一種補充作用。當控制系統監測到換流器故障時，能夠迅速停運相應換流器，避免直流設備的損壞[5]。觸發角過大保護屬于換流器層控制系統的后備監視保護，用來保護換流器和閥阻尼電路，限制閥應力。在直流電流有流或換流器解鎖狀態下，控制系統若監測到觸發角保持在60°～120°，則經延時后發出跳閘指令，如圖3所示。保護定值單見表1。

表1 觸發角過大保護定值

圖3 特高壓控制系統觸發角過大保護

4 現場案例

4.1 廣州換流站

2007年9月11日18:47，監控系統報極1極控系統1觸發角偏差告警、系統1軟件故障，同時極1電壓測量出現異常（-199%），造成直流電壓波動。停電后檢查發現光PT傳感器故障，因此系統1的觸發角計算值與系統2的正常值出現偏差。經更換傳感器后測量恢復正常，極控系統1恢復正常。

4.2 肇慶換流站

2006年11月6日08:16，監控系統報極2極控系統觸發角偏差告警、極2極控系統告警、系統1軟件告警信號，現場手動復歸后恢復正常。懷疑極2極控系統1的測量輸入輸出板卡D06_IT42工作狀態不穩定。2006年11月19日18:06，監控系統報極2極控系統告警、極2極控系統觸發角偏差告警、系統1 SIMADYN D 裝置硬件故障信號，11s 后報系統1 CPU1、CPU2故障信號。檢查發現極2極控系統1的D05_P3（PM5）板卡中的flash 卡損壞導致系統程序無法載入運行。用新flash卡燒錄程序并替換后，極控系統1恢復正常。

4.3 寶安換流站

4.3.1 極1極控系統

2009年4月11日10:33，極1極控系統1為主系統時，監控系統報極1極控系統觸發角偏差告警、系統2軟件告警信號，對極1極控系統2斷電重啟后恢復正常。

2010年7月24日09:45，上述現象再次出現。09:53，極1極控系統2報軟件故障，同時檢查工作站發現極1功率和雙極功率值顯示異常。將極1停運后，檢修人員更換了極1極控系統1屏內D05_P3（PM6）板卡和D06_IT42板卡后恢復正常。

極1極控系統報觸發角偏差告警現象后來多次復發，檢修人員讀取極1極控系統2數據，發現軟件運行異常造成觸發角跳變導致告警，重啟后均能恢復正常。2013年大修期間，檢修人員對極1極控系統2程序及屏柜回路接線、繼電器進行了檢查與維護后，至今不再復發，確認異常原因為裝置板卡工作不穩定或屏柜回路接線存在端子松動。

4.3.2 極2極控系統

2010年6月8日00:33，極2極控系統1為主系統時，監控系統報極2極控系統1觸發角偏差告警、系統2軟件告警、系統2換相失敗告警信號，對極2極控系統2斷電重啟后恢復正常。

4.4 僑鄉換流站

2014年3月20日15:27，極2高端組控系統2為主系統，監控系統報系統2錄波板卡故障、系統2軟件告警信號。15:38，極2高端組控系統1發兩套LAN網至系統2通訊故障、觸發角偏差告警、TDC 機架故障信號。隨后，系統1發觸發角過大保護跳閘指令（從系統不出口）。

經檢查分析，懷疑錄波板卡和系統TDC 機架工作不穩定，導致主從系統間LAN 網通信故障。因此，系統1閉環控制參數不能與系統2保持同步，在電流測量偏差積分作用下觸發角開始下降，當與系統2觸發角相差9°后產生觸發角偏差告警，同時閉鎖主從系統切換功能。隨后，系統1觸發角下降到95°，且處于60°～120°超過20s，滿足觸發角過大保護動作條件，于是發跳閘報文、觸發錄波，如圖4所示。由于系統1是從系統，跳閘指令不出口。停電后，對相關設備進行更換后，極2高端組控系統間通訊恢復正常，兩套系統恢復正常運行。

圖4 組控系統1和2的觸發角

4.5 牛寨換流站

2014年4月28日22:36，牛從甲直流極1極控系統發系統間通訊故障、切換邏輯退出、兩系統觸發角指令偏差告警。22:41，極1極控系統B 大角度監視保護動作，牛從甲直流極1轉為備用狀態。

現場檢查分析如下：極1極控系統通訊板卡工作異常，導致系統間通訊故障，使兩套系統均處于值班狀態，且系統A 最后進入值班，故實際參與換流閥觸發控制脈沖由系統A 發出[6]。如圖5所示，當時系統A 觸發角在13.5°左右（正常），B 系統由于電流測量偏差積分作用導致觸發角指令緩慢增大至62.5°左右（異常），滿足大角度監視保護動作條件，B 系統出口跳閘指令。對極1極控系統間通訊板卡進行更換后，A/B 系統運行正常。

圖5 極控系統A 和B 的觸發角指令和測量值

5 運維建議

針對以上南方電網各換流站出現的案例，提出下列運維建議：一是出現控制系統觸發角偏差告警時，檢查設備運行情況、故障錄波和測量回路，有條件的讀取裝置內部數據，有助于定位故障點和確認故障類型；二是由于從系統裝置偶然性工作不穩定導致觸發角偏差告警，若手動無法復歸，則嘗試斷電重啟裝置恢復正常，避免控制系統失去冗余；三是若經檢查分析確認為傳感器、裝置或板卡等硬件故障，應馬上安排更換，必要時申請停電處理；四是當出現控制系統間通訊故障時，從系統觸發角偏差會逐漸發展成過大保護動作，存在跳閘信號誤出口的風險，應采取措施避免通訊雙通道同時故障。鑒于牛從直流控制系統（南瑞）的特殊性，建議修改策略，避免兩套系統同時處于值班狀態；五是在停電檢修期間對裝置、回路、繼電器等設備進行檢查維護，能提高設備運行穩定性。

6 結語

運維經驗表明，控制系統的穩定有助于提高直流輸電系統的能量可用率。鑒于觸發角控制和換流器設備的重要性，控制系統內部設置的保護功能，能保障直流輸電系統的安全可靠運行。本文對南方電網各換流站直流控制系統觸發角保護動作情況進行了分析，簡述了當時的處置措施，提出了針對性的運維建議，值得在已有或未來直流輸電工程中借鑒。