一种直流输电换流阀控制保护系统及其控制保护方法

摘要

本发明涉及直流输电领域，具体涉及一种直流输电换流阀控制保护系统及其控制保护方法。控制保护系统由互为冗余的运行系统和热备用系统构成；所述运行系统和热备用系统均包括极控系统以及与其进行通信的阀基电子设备；所述运行系统和热备用系统分别通过光纤与晶闸管触发监测子系统连接；所述晶闸管触发监测子系统包括晶闸管以及与其匹配设置的晶闸管触发监测单元。所述保护方法的保护对象包括换流阀保护和阀基电子设备自身故障保护；保护方法的动作结果包括报警、请求切换和请求跳闸；本发明大大提高了直流输电系统运行的稳定性，大大降低了直流输电系统的停运时间和检修时间，使直流输电系统的经济效益优势得到充分发挥。

说明书

技术领域

本发明涉及直流输电领域，具体涉及一种直流输电换流阀控制保护系统及其控制保护方 法。

背景技术

传统的换流阀控制保护系统的冗余设计并不完善，仅有一个系统可以接收到来自换流阀 的回报信息，并且主从系统切换时间较长，对直流输电系统造成很大的冲击。有的换流阀控 制保护系统为了减少触发光纤的数量在高压侧采用分光器设计，但分光器的可靠性较差，增 加了系统的不稳定因素。并且传统的直流换流阀触发与监测单元存在被动监视、编码复杂、 无快速取能等问题，都对系统的稳定运行造成影响。

换流阀是直流输电系统的核心设备，其工作的稳定性和可靠性对直流输电系统正常运行 起着极为重要的作用。目前直流换流阀均采用多级晶闸管串联的方式提高换流阀的耐压水平， 同时采用水冷却系统对换流阀及其阻尼回路进行冷却，因此换流阀控制保护系统要能及时可 靠的实现对多晶闸管串联的直流换流阀进行控制和保护。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种直流输电换流阀控制保护系统，另一目 的是提供一种直流输电换流阀控制保护方法，本发明通过极控系统、阀基电子设备（VBE）、 晶闸管触发监测单元（TTM）、晶闸管阻尼回路和水冷系统的协同配合可以高效准确的完成换 流阀在直流输电系统运行工况下的控制和保护功能。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

一种直流输电换流阀控制保护系统，其改进之处在于，所述控制保护系统由互为冗余的 运行系统和热备用系统构成；所述运行系统和热备用系统均包括极控系统以及与其进行通信 的阀基电子设备；所述运行系统和热备用系统分别通过光纤与晶闸管触发监测子系统连接；

所述晶闸管触发监测子系统包括晶闸管以及与其匹配设置的晶闸管触发监测单元。

优选的，所述运行系统和热备用系统同时接收来自换流阀的状态回报信息并进行处理， 若运行系统出现故障或检测到换流阀故障时切换到热备用系统，实现无延时切换。

优选的，所述阀基电子设备通过一组光纤与晶闸管触发监测单元进行通信，光纤组数与 单个换流阀的晶闸管级数一一对应；

所述阀基电子设备按照极控系统发出的触发时序脉冲触发晶闸管，并对故障晶闸管进行 定位。

较优选的，所述阀基电子设备包括通信控制机箱和触发检测机箱；所述通信控制机箱接 收来自极控系统的控制指令并将其分别发送给触发监测机箱，同时接收来至触发监测机箱发 送的换流阀和阀基电子设备状态信息，将信息汇总处理后转发给极控系统，所述极控系统根 据阀基电子设备的反馈信息执行相应保护动作和下发触发脉冲；

所述触发监测机箱完成接收触发命令CP后经过编码成触发脉冲，发送给晶闸管触发监 测单元，并接收晶闸管触发监测单元的回报脉冲，判断换流阀状态，并定时通过总线通信上 传晶闸管状态信息，当换流阀出现故障时给出报警或者跳闸请求。

较优选的，所述通信控制机箱用于完成下行信号的采集处理、VBE上行信号的发出和事 件的通信，以及工程现场的调试；包括通信板、输出和输入板，电源板、检测板和调试板；

所述触发监测机箱包括阀避雷器动作计数器、漏水检测器和GPS时钟；所述阀避雷器动 作计数器对阀避雷器的动作次数进行计数；所述漏水检测器对水冷系统是否漏水进行检测； 所述GPS时钟记录并上报换流阀状态、阀避雷器动作情况和水冷系统的漏水情况。

较优选的，所述一组光纤中包括触发光纤和回报光纤；单个换流阀的晶闸管级数≤144。

优选的，所述晶闸管触发监测单元用于实现晶闸管触发与监测、晶闸管正向过电压保护、 晶闸管dv/dt保护、正向过电压保护动作后的自动调低保护水平、晶闸管反向恢复保护、电 流断续保护、并将晶闸管级状态和保护动作情况通过光纤发送至阀基电子设备；当晶闸管触 发监测单元处于高电位，其工作能量从晶闸管阻尼回路获取。

优选的，所述控制保护系统包括水冷系统和晶闸管阻尼回路，所述水冷系统和晶闸管阻 尼回路分别与晶闸管连接；水冷系统和晶闸管阻尼回路的个数分别与晶闸管级一一对应。

本发明基于另一目的提供的一种直流输电换流阀控制保护方法，其改进之处在于，所述 保护方法的保护对象包括换流阀保护和阀基电子设备自身故障保护；保护方法的动作结果包 括报警、请求切换和请求跳闸；所述保护方法包括：

（1）当运行系统和热备用系统的阀基电子设备都正常工作时，控制保护系统收到运行系 统的跳闸信号后，进行运行系统和热备用系统切换，若切换后的运行系统收到跳闸信号，则 进行跳闸操作；

（2）当只有1套阀基电子设备正常工作、另一套阀基电子设备故障时，控制保护系统收 到正常工作的阀基电子设备请求跳闸指令，进行闭锁换流阀跳闸操作；

（3）当故障阀基电子设备发送请求跳闸时，控制保护系统不进行跳闸操作；

（4）阀基电子设备根据晶闸管触发监测单元和漏水检测器回报的信息实时判断换流阀状 态。

优选的，换流阀的保护措施包括：

A、单换流阀内损坏的晶闸管级数≤冗余级数（冗余级数指备用晶闸管的数量，当损坏数 量不超过冗余数时，系统仍可以正常工作），控制保护系统报警；

B、在单次触发过程中，若单换流阀内发生过电压保护触发的晶闸管级数≤冗余级数+2， 控制保护系统报警；

C、水冷系统渗漏，控制保护系统报警；

D、水冷系统泄漏，控制保护系统报警；

E、单换流阀内损坏的晶闸管级数>冗余级数，阀基电子设备请求跳闸；

F、在单次触发过程中，若单阀内发生过电压保护触发的晶闸管级数>设定值（设定值可 以任意设定，根据实际工况来设定），阀基电子设备请求跳闸；

G、阀避雷器动作，阀基电子设备上报动作次数。

与现有技术比，本发明达到的有益效果是：

1、本发明采用完全冗余的换流阀控制保护系统、多种工作模式兼容的阀基电子设备、智 能化的触发与监测单元和VBE触发回报光纤与晶闸管一一对应的设计方法，可以实现主从系 统的无延时切换、VBE多种工作模式选择、换流阀的智能控制保护和远程总线通信等一系列 先进功能，大大提高了直流输电系统运行的稳定性，大大降低了直流输电系统的停运时间和 检修时间，使直流输电系统的经济效益优势得到充分发挥。

2、晶闸管触发监测单元功能完善，智能化水平较高。

3、阀基电子设备VBE可以兼容最多144级晶闸管，可以在多种电压等级的工程中应用， 灵活可靠。

附图说明

图1是本发明提供的换流阀控制保护系统原理图；

图2是本发明提供的阀基电子设备的功能示意图；

图3是本发明提供的阀基电子设备的机柜正面视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本发明提供的换流阀控制保护系统原理图如图1所示，换流阀控制保护系统主要由晶闸 管触发监测单元（TTM）、阀基电子设备（VBE）、极控系统和连接光纤等部分组成，其中极 控系统和阀基电子设备VBE都为完全独立的双冗余系统，分别定义成极控系统A和极控系 统B；VBE-A和VBE-B。原理如图1所示，极控系统A和VBE-A组成一套独立的系统、极 控系统B和VBE-B组成一套独立的系统，正常运行时其中一套为主系统（运行系统）、另外 一套为从系统（热备用），两套系统同时接收来自换流阀的状态回报信息并进行处理，若某一 套系统出现故障或检测到换流阀严重故障时可迅速切换到热备用系统，由于无需重新启动系 统和诊断故障，因此可以实现无延时切换。主系统（运行系统）和从系统（热备用）分别通 过光纤与晶闸管触发监测子系统连接；晶闸管触发监测子系统包括晶闸管以及与其匹配设置 的晶闸管触发监测单元TTM。图1中极控系统A和VBE-A之间的信号包括：

CBON：开关开合信号；bypass：投旁通对信号；cp：触发脉冲信号；low-voltage test： 低压加压测试信号；un80：低电压信号；deblock：解闭锁信号；active：主从选择信号；trip： 跳闸输出信号；rfo：解锁信号，VBEok：VBE正常信号；fp：CP回复信号；profibus：总线 通信信号。

VBE与TTM之间的触发和回报信号通过两根高压光纤（触发光纤和回报光纤）连接， 光纤组数与晶闸管级为一一对应关系，可以准确的按照极控系统发出的触发时序触发晶闸管， 同时可以准确的对故障晶闸管进行定位。VBE还包含阀避雷器动作计数器、漏水检测器和 GPS时钟校时功能，阀避雷器动作计数器对阀避雷器的动作次数进行计数；漏水检测器对水 冷系统是否漏水进行检测；GPS时钟记录并上报换流阀状态、阀避雷器动作情况和水冷系统 的漏水情况等信息。本发明提供的阀基电子设备的功能示意图如图2所示。

晶闸管触发监测单元（TTM）主要实现晶闸管触发与监测、晶闸管正向过电压保护和 dv/dt保护、正向过电压保护动作一定时间（由检测动作次数决定，根据实际工况设定）后 自动调低保护水平、晶闸管反向恢复保护、电流断续保护、并将晶闸管级状态和保护动作情 况通过高压光纤发送至VBE；TTM处于高电位，其工作所需的能量从晶闸管阻尼回路获取。

控制保护系统包括水冷系统和晶闸管阻尼回路，水冷系统和晶闸管阻尼回路分别与晶闸 管连接；水冷系统和晶闸管阻尼回路的个数分别与晶闸管级一一对应。

其中阀基电子设备（VBE）是极控制保护系统实现对换流阀的控制和保护功能的核心设 备，VBE包括两种功能机箱，如图2所示，触发与监测机箱和通信控制机箱，通信控制机箱 主要是接收来自极控系统的多种指令并将其分别发送给各个触发监测机箱，同时接收来至触 发监测机箱发送的换流阀和VBE状态信息并汇总处理后转发给极控系统，极控系统根据VBE 的相关反馈信息执行相应保护动作和下发触发脉冲。所述通信控制机箱用于完成下行信号的 采集处理、VBE上行信号的发出和事件的通信，以及工程现场的调试；包括通信板、输出和 输入板，电源板、检测板和调试板。

触发监测机箱主要完成接收触发命令CP后经过编码成触发脉冲，发送给各个晶闸管触 发监测单元（TTM），并接收TTM的回报脉冲，判断换流阀状态，并定时通过总线通信上传 晶闸管状态信息，当换流阀出现故障时给出报警或者跳闸请求。VBE具有很强的兼容性，可 以满足单阀最多144级晶闸管的触发与监测，即每个触发监测机箱可以同时监控1个单阀、2 个单阀或4个单阀，同时具有5种完善的工作模式和双冗余配置可以高效准确的完成换流阀 的控制保护功能。阀基电子设备VBE的5种工作模式包括上电自检模式，换流阀预巡检模式、 正常工作模式，单级测试模式和低压加压模式。

本发明提供的阀基电子设备的机柜正面视图如图3所示，在VBE的功能机箱上还包括空 气开关、电源滤波和电源照明装置，使得VBE的功能更加完善。

本发明还提供了一种直流输电换流阀控制保护方法，按照保护对象划分可分为换流阀保 护、VBE自身故障保护。保护的动作结果分为报警、请求切换（主从系统）和请求跳闸三种 类型。保护方法包括下述几种情况：

当主、从系统VBE都正常工作时，控制保护系统收到主系统的跳闸信号后，进行系统切 换，若切换后的主系统依然收到跳闸信号，则进行跳闸操作。当只有1套VBE正常工作、另 一套VBE故障时，控制保护系统收到正常工作的VBE请求跳闸指令，立即进行闭锁换流阀 跳闸操作。当故障VBE发送请求跳闸时，控制保护系统不进行跳闸操作。VBE根据TTM和 漏水检测器回报的信息实时判断换流阀状态，根据换流阀不同状态处理事件，换流阀保护措 施如表1所示。

表1换流阀保护措施

本发明提供的换流阀控制保护系统及其控制保护方法，通过极控系统、阀基电子设备 （VBE）、晶闸管触发监测单元（TTM）、晶闸管阻尼回路和水冷系统的协同配合可以高效准 确的完成换流阀在直流输电系统运行工况下的控制和保护功能。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照 上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本 发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等 同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。