高压直流输电换流阀冷却系统内外冷通信优化方案

高压直流输电换流阀冷却系统内外冷通信优化方案

赵旭龙 李延钊

国网蒙东检修公司伊敏换流站 内蒙古呼伦贝尔 021000

摘要：近年来，我国对电能的需求不断增加，高压直流输电行业也有了很大进展。为防止因设备故障、外力破坏等因素造成内外冷控制系统之间通信中断，进而导致换流阀因阀冷系统失去冷却能力而闭锁的严重故障，给出一种适用于内外冷控制系统之间通信故障的优化解决方案。其在外冷控制系统中设置通信故障检测回路和快速响应控制回路，并通过PLC软件对通信状态进行实时检测与控制。当通信故障检测回路检测到内外冷控制系统通信中断时，可通过快速响应控制回路迅速作出响应，进而控制中间继电器启动外冷系统的换热设备。该方案不仅能够保持阀冷系统的正常冷却能力，还可有效提高阀冷系统的可靠性。

关键词：高压直流输电;阀冷系统;光纤通信;通信中断;通信故障检测

引言

直流换流站换流阀在运行中会产生大量热量，换流阀冷却系统是换流阀的重要组成部分，它将晶闸管阀上元件的功耗发热量排放到阀厅外，保证晶闸管运行温度在正常范围。换流阀冷却系统出现故障时，往往会造成相关主设备运行工况恶化，进而导致跳闸事件。本文将分析换流站运行中典型的阀冷问题，并提出相关改进措施。

1换流阀冷却系统的结构组成

换流阀是换流站的核心设备，目前在运的换流站中，换流阀额定电流最高达4500A。正常运行时，大电流通过换流阀产生大量热量，导致晶闸管、电抗器等元件温度急剧上升，为了防止这些元件因温度过高而损坏，需配置阀冷却系统对换流阀进行冷却。目前，阀冷却系统包括阀内冷系统和阀外冷系统2部分。阀内冷系统是一个密闭的循环系统，它通过冷却介质(通常采用去离子水)的流动带走大电流通过换流阀时产生的热量。阀外冷系统根据冷却方式的不同可分为水冷和风冷2种方式。阀外水冷系统是一个开放式的水循环系统，用经过软化处理的水通过冷却塔持续对阀内水冷系统管道进行冷却，以降低阀内冷却水温度；部分换流站由于受地区环境的影响也会采用阀外风冷系统。

2换流阀冷却系统仿真模型设计

（1）机理建模。换流阀冷却系统主要是由换流阀（晶闸管阀）和空气冷却器两部组成的循环系统，根据能量守恒原理，首先对阀冷却系统内部机理进行分析，获取模型结构，并在此基础上增加模型阶次，然后使用智能辨识算法对模型参数进行在线辨识。（2）统计建模。根据跨区电网换流站实际运行工况，可以通过分析大量历史数据，如温度、流量、压力、电导率等，采用先进算法（神经网络、遗传算法、相关向量机等）建立数学仿真模型。3内外冷控制系统通信易出现故障点分析由上述部分可知，在阀冷控制系统中，内外冷控制系统通过冗余光纤实现实时数据交互。其中，内冷A控制系统与外冷A控制系统通过光纤A进行数据交互，内冷B控制系统与外冷B控制系统通过光纤B进行数据交互。阀冷控制系统的数据交互环节可分为上传送和下发环节，其上送和下发环节数据流具体如下。上送:外冷控制系统→外冷光电通信模块→光纤→内冷光电通信模块→CPU。下发:CPU→内冷光电通信模块→光纤→外冷光电通信模块→外冷控制系统。在不考虑冗余配置CPU故障的情况下，影响内外冷控制系统之间通信可靠性的设备因素主要为光电通信模块和光纤。因此，当出现以下任意一种工况时，均会导致内外冷控制系统之间通信中断。①内外冷控制系统通信的冗余光纤均发生断裂或故障。②内冷控制系统的光电通信模块均出现失电、供电扰动或本体故障等现象。③外冷控制系统的光电通信模块均出现失电、供电扰动或本体故障等现象。④A控制系统的通信光纤发生断裂或故障，且B控制系统的光电通信模块出现失电、供电扰动或本体故障等现象。⑤B控制系统的通信光纤发生断裂或故障，且A控制系统的光电通信模块失电或出现故障。在上述5种易导致通信故障的工况中，换流站曾发生通信光纤故障和光电通信模块故障的现象，导致外冷系统换热设备停运，给换流阀的安全运行带来重大隐患。

4内外冷控制系统通信优化方案

4.1通信故障检测回路

为有效检测内外冷控制系统之间的光纤通信是否正常，本文在冗余配置的A与B控制系统的外冷控制系统中，均配置有光纤通信故障检测KSA和KSB，且该继电器由外冷控制系统的开出模块进行驱动。阀冷控制系统运行时，其实时且不间断地检测内外冷控制系统之间的光纤通信状况。对于A和B控制系统，当两者的内外冷控制系统之间光纤通信均正常时，开出模块DOA与DOB对应的输出均有效，故障检测继电器KSA和KSB均带电闭合(A控制系统对应KSA，B控制系统对应KSB)，且与之对应的输出常闭接点均断开，通信故障快速响应控制回路将不动作。当出现内外冷控制系统之间光纤通信故障时，开出模块DOA或DOB对应的输出无效，且对应故障检测继电器KSA或KSB将失电断开，然后与之对应的输出常闭接点将闭合。

4.2仿真培训系统

（1）参数设定。参数设定主要由四大功能组成，分别是系统设置，预警设置，故障设置和数据状态设置。参数设定包括切换仿真模拟或导入的数据库、数据导入、手动设置故障与手动设置数据状态，从而对系统进行多方面因素模拟。（2）事件信息。事件信息用于查询仿真时所产生的预警信息，可与实际冷却系统产生预警信息进行对比。它包括事件记录和故障报文两部分。（3）运行模块。学员在仿真培训系统进行倒闸操作，调用操作票模块进行开票操作，生成标准操作票并返回到仿真培训系统中，操作票专家系统对学员操作是否正确做出判断或提供帮助的依据。操作票专家系统是换流阀冷却系统使用的倒闸操作票智能处理系统，它按照电力系统对防误操作要求和设备的状态，根据冷却系统运行规程和“五防”闭锁规则等进行判断，利用自动开票的功能提供准确的操作序列，开出完全实用的倒闸操作票。仿真培训系统除了可以在正常情况下开票，还应在异常情况下也具备开票功能，所以学员不仅能在正常情况下进行培训，异常情况下也能进行相关的操作指导。

4.3软件控制功能实现

为实现内外冷控制系统之间通信故障检测回路和通信故障快速响应控制回路动作的有效性和及时性，在阀冷控制系统的PLC软件中进行了如下配置。首先，在西门子S7-400H系列PLC的冗余CPU中配置光纤通信故障检测的周期中断函数块OB32，且配置中断周期为10ms(可设置)。通过该操作，可实现光纤通信故障检测的及时性。在OB32组织模块中，调用设计的通信故障检测功能块FC125，且将内外冷控制系统之间实时的光纤通信状态存放在DB101数据块中。当检测到有内外冷控制系统之间光纤通信出现故障时，将对应的故障检测继电器KSA或KSB闭合。当KSA和KSB均闭合时，将驱动通信故障快速响应控制回路动作。如此操作，可实现通信故障检测和响应回路的有效性与及时性。

结语

综上所述，本文提出的优化方案能够实时且快速地检测内外冷控制系统之间光纤通信状态。当A、B控制系统均发生内外冷光纤通信故障时，通信故障检测继电器将迅速作出动作且驱动中间继电器控制外冷换热设备及供电电源，从而保证外冷系统的正常运行。如此操作，可从根本上解决阀内外冷控制系统之间的光纤通信故障导致外冷系统失去冷却能力的问题，进而避免了换流阀停运造成的直接经济损失。

参考文献

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