山西晉北-江蘇南京±800kV直流輸電工程起于山西省平魯?shù)貐^(qū)，止于江蘇省南京地區(qū)，直流線路長(zhǎng)約1118.5km，雙極直流線路1回，每極2組12脈動(dòng)換流器串聯(lián)。額定電壓為±800kV，直流輸電容量為8000MW，直流額定電流為5000A。本工程為山西省首個(gè)特高壓直流輸電工程，對(duì)晉煤外運(yùn)，推動(dòng)山西和江蘇地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到重要作用。

在晉南工程的換流站控制系統(tǒng)中，站控系統(tǒng)設(shè)計(jì)為冗余的控制系統(tǒng)。從中央控制單元、局域網(wǎng)（local area network, LAN）通信，到與冗余的就地I/O單元的profibus通信，均為冗余設(shè)計(jì)。冗余的控制系統(tǒng)可由運(yùn)行人員在工作站起動(dòng)，也可由屏上的切換邏輯實(shí)現(xiàn)手動(dòng)切換。

站控系統(tǒng)的主要功能包括：站內(nèi)斷路器、刀閘、地刀的控制與監(jiān)視，相關(guān)設(shè)備操作聯(lián)鎖，與換流單元控制系統(tǒng)、服務(wù)器以及遠(yuǎn)動(dòng)工作站的LAN通信，與就地測(cè)控系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線通信和上傳事件順序記錄（sequence of event recording, SER）功能。站控系統(tǒng)的安全可靠對(duì)于特高壓直流輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行作用重大。

1 事件介紹

2018年6月2日，晉南工程年度綜合檢修，站用電系統(tǒng)進(jìn)行倒閘操作投入1號(hào)站用電變壓器（簡(jiǎn)稱(chēng)站用變），6月2日21:41:57:861，運(yùn)行人員在后臺(tái)手動(dòng)下發(fā)51A3斷路器合閘命令，隨后產(chǎn)生的事件見(jiàn)表1。根據(jù)51A3斷路器現(xiàn)場(chǎng)分合狀態(tài)與后臺(tái)事件時(shí)間相對(duì)應(yīng)可知，在合閘過(guò)程中由于保護(hù)動(dòng)作，造成了斷路器反復(fù)分合，存在一定的安全隱患，亟待重視。

表1 51A3斷路器事件列表

2 異常原因分析

晉南工程的控制保護(hù)系統(tǒng)使用的是許繼直流輸電公司完全自主開(kāi)發(fā)的HCM3000系統(tǒng)，包括底層測(cè)控裝置DFU410、控制保護(hù)裝置HCM3000機(jī)箱、圖形化編程工具ViGET以及裝置之間的接口通信系統(tǒng)，構(gòu)成了極閥控、交/直流站控以及直流保護(hù)等二次直流控保設(shè)備。

在HCM3000系統(tǒng)中，斷路器保護(hù)產(chǎn)生的跳閘出口信號(hào)會(huì)通過(guò)硬接線方式送到DFU410測(cè)控裝置用于起動(dòng)斷路器鎖定。在站控系統(tǒng)中，使用這些保護(hù)動(dòng)作信號(hào)和斷路器的分合狀態(tài)進(jìn)行斷路器的鎖定和控制邏輯。在斷路器被鎖定后，斷路器的聯(lián)鎖釋放條件就不滿足，此時(shí)后臺(tái)即使有手動(dòng)合閘命令也不會(huì)執(zhí)行。

在晉南工程的站控程序中，斷路器鎖定邏輯如圖1所示。LOCKOUT類(lèi)型模塊是判斷斷路器鎖定信號(hào)的模塊，其中，Q2_LOCK模塊輸入LK1引腳連接的是中開(kāi)關(guān)聯(lián)鎖邏輯起動(dòng)鎖定回路信號(hào)，輸入LK2引腳連接的是非全相跳閘信號(hào)，輸出LCK引腳即開(kāi)出斷路器鎖定信號(hào)，若斷路器鎖定信號(hào)為1，則該斷路器沒(méi)有操作允許位。

而Q3模塊只有輸入LK2引腳連接了非全相跳閘信號(hào)，因此，斷路器的鎖定邏輯僅使用本斷路器的非全相跳閘信號(hào)來(lái)起動(dòng)鎖定回路，以及中開(kāi)關(guān)還使用了中開(kāi)關(guān)聯(lián)鎖邏輯起動(dòng)鎖定回路。而此次斷路器跳閘是開(kāi)關(guān)本體的保護(hù)動(dòng)作，因此斷路器沒(méi)有被鎖定，合閘命令就有了重復(fù)執(zhí)行的可能。

圖1 斷路器鎖定邏輯

對(duì)斷路器合閘命令的程序進(jìn)行梳理，如圖2所示。后臺(tái)下發(fā)斷路器手動(dòng)合閘命令后，站控系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生1s的命令脈沖，同時(shí)斷路器處于遠(yuǎn)方控制位置，且合位狀態(tài)消失，且無(wú)故障，該命令脈沖才會(huì)真正出口。在命令脈沖出口、合閘成功、斷路器的合位狀態(tài)產(chǎn)生后，命令脈沖的出口即被屏蔽，但后臺(tái)下發(fā)的命令脈沖在1s內(nèi)仍然為高電平。如果在此1s內(nèi)由于保護(hù)動(dòng)作跳開(kāi)斷路器，合位狀態(tài)消失，該命令脈沖就會(huì)再次出口，這就造成在1s內(nèi)合閘命令反復(fù)出口。

圖2 斷路器合閘命令邏輯

當(dāng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)，起動(dòng)防跳繼電器，以其觸點(diǎn)將合閘回路斷開(kāi)，斷路器就無(wú)法合閘，一直保持在跳閘位置，不會(huì)發(fā)生斷路器跳躍現(xiàn)象，這是斷路器防跳的基本原理。斷路器機(jī)構(gòu)防跳回路如圖3所示。

防跳繼電器TBJ由電流起動(dòng)，該線圈被串聯(lián)在斷路器的跳閘回路中，電壓保持線圈與斷路器的合閘線圈并聯(lián)。若合閘到故障線路或設(shè)備上，則繼電保護(hù)動(dòng)作，保護(hù)出口節(jié)點(diǎn)TJ閉合，此時(shí)防跳繼電器TBJ的電流線圈起動(dòng)，同時(shí)斷路器跳閘，TBJ的常閉接點(diǎn)斷開(kāi)合閘回路，另一對(duì)常開(kāi)接點(diǎn)接通電壓線圈。

若此時(shí)SK 5_8或HJ接點(diǎn)不能返回而繼續(xù)發(fā)出合閘命令，則持續(xù)的合閘信號(hào)將使電壓線圈自保持，由于合閘回路已被斷開(kāi)，斷路器不能合閘，從而達(dá)到了防跳目的，因此，防跳回路必須在合閘命令一直出口的情況下才有效。

圖3 斷路器機(jī)構(gòu)防跳回路

綜合以上分析，在后臺(tái)下發(fā)斷路器手動(dòng)合閘命令后合上斷路器，在1s的合閘命令脈沖時(shí)間內(nèi)斷路器失靈裝置保護(hù)動(dòng)作，跳開(kāi)了斷路器，導(dǎo)致合閘命令出口→消失→再次出口，斷路器重復(fù)合閘脈沖如圖4所示。合閘命令的反復(fù)出口造成斷路器防跳回路失效，由于斷路器本體保護(hù)跳閘未能鎖定斷路器，且此時(shí)合閘命令的脈沖仍然存在，所以導(dǎo)致短時(shí)間內(nèi)斷路器重復(fù)合閘。

圖4 斷路器重復(fù)合閘脈沖

3 軟件優(yōu)化與試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 軟件優(yōu)化

針對(duì)以上情況，提出兩條優(yōu)化意見(jiàn)：①硬件方面，增加信號(hào)電纜，在與換流變壓器、交流濾波器相連的交流串?dāng)嗦菲鞯逆i定邏輯中增加斷路器本體的所有保護(hù)動(dòng)作信號(hào)；②軟件方面，使合閘命令在一定時(shí)間內(nèi)保持高電平，以保證斷路器防跳回路有效。

為了確保斷路器在保護(hù)動(dòng)作跳開(kāi)后能夠快速、準(zhǔn)確被鎖定，修改交流站控程序，添加指定的保護(hù)動(dòng)作信號(hào)去起動(dòng)斷路器鎖定回路。修改后的斷路器鎖定邏輯如圖5所示。

圖5 修改后的斷路器鎖定邏輯

由于斷路器合閘脈沖命令要與防跳回路配合，而防跳回路要求合閘命令是一段持續(xù)的脈沖，因此修改站控程序，在斷路器的合閘命令出口添加一個(gè)固定時(shí)間為1s的脈沖觸發(fā)器，以確保合閘命令脈沖在1s內(nèi)不會(huì)中斷，使防跳回路發(fā)揮作用。修改后的斷路器合閘命令邏輯如圖6所示。

圖6 修改后的斷路器合閘命令邏輯

3.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)以上軟件優(yōu)化方案，于2018年6月8日在雁門(mén)關(guān)換流站修改軟件并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)為雙極功率全壓大地回線，接地極接地運(yùn)行，雙極功率為0，站間通信正常。

分別針對(duì)交流場(chǎng)、交流濾波器場(chǎng)和站用電3個(gè)區(qū)域的斷路器，進(jìn)行了4項(xiàng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，分別記為試驗(yàn)1、試驗(yàn)2、試驗(yàn)3和試驗(yàn)4。

• 試驗(yàn)1：模擬W05交流串5051斷路器起動(dòng)合閘時(shí)，線路保護(hù)動(dòng)作后防重合邏輯驗(yàn)證。
• 試驗(yàn)2：模擬W13交流串50B1斷路器起動(dòng)合閘時(shí)，斷路器保護(hù)動(dòng)作后防重合邏輯驗(yàn)證。
• 試驗(yàn)3：模擬1#站用變低壓側(cè)310斷路器起動(dòng)合閘時(shí)，斷路器保護(hù)動(dòng)作后防重合邏輯驗(yàn)證。
• 試驗(yàn)4：模擬交流濾波器場(chǎng)第4大組第1小組5641斷路器起動(dòng)合閘時(shí)，交流濾波器保護(hù)動(dòng)作后防重合邏輯驗(yàn)證。

以上4種試驗(yàn)的斷路器保護(hù)動(dòng)作結(jié)果波形分別如圖7至圖10所示。

圖7 5051斷路器保護(hù)動(dòng)作結(jié)果波形

圖8 50B1斷路器保護(hù)動(dòng)作結(jié)果波形

圖9 310斷路器保護(hù)動(dòng)作結(jié)果波形

圖10 5641斷路器保護(hù)動(dòng)作結(jié)果波形

在試驗(yàn)1中，運(yùn)行人員下發(fā)合閘命令后，5051斷路器由分位狀態(tài)轉(zhuǎn)為合位狀態(tài)，線路保護(hù)動(dòng)作，5051斷路器由合位狀態(tài)轉(zhuǎn)為分位狀態(tài)，之后沒(méi)有出現(xiàn)合位狀態(tài)。在示波器中抓取波形，如圖7所示。

交流站控主機(jī)下發(fā)斷路器合閘命令，命令持續(xù)時(shí)間為150ms，且只有一次，保護(hù)動(dòng)作的過(guò)程中合閘命令脈沖也始終保持高電平，需要說(shuō)明的是，由于第5串配置有同期功能，DFU410測(cè)控裝置將接收1s的脈沖命令轉(zhuǎn)換為150ms左右的脈沖命令開(kāi)出。在外置故障錄波的波形中，5051斷路器狀態(tài)由合位轉(zhuǎn)為分位，之后沒(méi)有出現(xiàn)合位，動(dòng)作正確，試驗(yàn)成功。

在試驗(yàn)2、試驗(yàn)3和試驗(yàn)4中，運(yùn)行人員下發(fā)合閘命令后，斷路器由分位狀態(tài)轉(zhuǎn)為合位狀態(tài)，斷路器本體保護(hù)動(dòng)作跳閘后，斷路器由合位狀態(tài)轉(zhuǎn)為分位狀態(tài)，之后沒(méi)有出現(xiàn)合位狀態(tài)。在示波器中抓取波形，分別如圖8至圖10所示。

后臺(tái)下發(fā)斷路器合閘命令無(wú)變位，命令持續(xù)時(shí)間為1s，且只有一次，跳閘過(guò)程中合閘命令脈沖也始終保持高電平。在外置故障錄波的波形中，斷路器狀態(tài)由合位轉(zhuǎn)為分位，之后沒(méi)有出現(xiàn)合位，動(dòng)作正確，試驗(yàn)成功。

總結(jié)

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)可知，無(wú)論是交流場(chǎng)、直流濾波器場(chǎng)，還是站用電的站控程序，經(jīng)過(guò)優(yōu)化升級(jí)后，即使在斷路器合閘過(guò)程中出現(xiàn)保護(hù)動(dòng)作產(chǎn)生跳閘命令，也均可以快速準(zhǔn)確跳開(kāi)斷路器，并且保證合閘命令不會(huì)再次出口，不會(huì)出現(xiàn)斷路器反復(fù)分合情況。經(jīng)過(guò)升級(jí)程序，晉南工程在實(shí)際運(yùn)行中，也再未出現(xiàn)過(guò)斷路器重復(fù)合閘的情況，保證了系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定運(yùn)行。