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)，直流線路長約1118.5km，雙極直流線路1回，每極2組12脈動換流器串聯(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特高壓直流輸電工程，對晉煤外運(yùn)，推動山西和江蘇地區(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。冗余的控制系統(tǒng)可由運(yùn)行人員在工作站起動，也可由屏上的切換邏輯實現(xiàn)手動切換。

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)動工作站的LAN通信，與就地測控系統(tǒng)的現(xiàn)場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號站用電變壓器（簡稱站用變），6月2日21:41:57:861，運(yùn)行人員在后臺手動下發(fā)51A3斷路器合閘命令，隨后產(chǎn)生的事件見表1。根據(jù)51A3斷路器現(xiàn)場分合狀態(tài)與后臺事件時間相對應(yīng)可知，在合閘過程中由于保護(hù)動作，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發(fā)的HCM3000系統(tǒng)，包括底層測控裝置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)生的跳閘出口信號會通過硬接線方式送到DFU410測控裝置用于起動斷路器鎖定。在站控系統(tǒng)中，使用這些保護(hù)動作信號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，此時后臺即使有手動合閘命令也不會執(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類型模塊是判斷斷路器鎖定信號的模塊，其中，Q2_LOCK模塊輸入LK1引腳連接的是中開關(guān)聯(lián)鎖邏輯起動鎖定回路信號，輸入LK2引腳連接的是非全相跳閘信號，輸出LCK引腳即開出斷路器鎖定信號，若斷路器鎖定信號為1，則該斷路器沒有操作允許位。

而Q3模塊只有輸入LK2引腳連接了非全相跳閘信號，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來起動鎖定回路，以及中開關(guān)還使用了中開關(guān)聯(lián)鎖邏輯起動鎖定回路。而此次斷路器跳閘是開關(guān)本體的保護(hù)動作，因此斷路器沒有被鎖定，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

對斷路器合閘命令的程序進(jìn)行梳理，如圖2所示。后臺下發(fā)斷路器手動合閘命令后，站控系統(tǒng)會產(chǎn)生1s的命令脈沖，同時斷路器處于遠(yuǎn)方控制位置，且合位狀態(tài)消失，且無故障，該命令脈沖才會真正出口。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)動作跳開斷路器，合位狀態(tài)消失，該命令脈沖就會再次出口，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)動作時，起動防跳繼電器，以其觸點將合閘回路斷開，斷路器就無法合閘，一直保持在跳閘位置，不會發(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，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)動作，保護(hù)出口節(jié)點TJ閉合，此時防跳繼電器TBJ的電流線圈起動，同時斷路器跳閘，TBJ的常閉接點斷開合閘回路，另一對常開接點接通電壓線圈。

若此時SK 5_8或HJ接點不能返回而繼續(xù)發(fā)出合閘命令，則持續(xù)的合閘信號將使電壓線圈自保持，由于合閘回路已被斷開，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，在后臺下發(fā)斷路器手動合閘命令后合上斷路器，在1s的合閘命令脈沖時間內(nèi)斷路器失靈裝置保護(hù)動作，跳開了斷路器，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，且此時合閘命令的脈沖仍然存在，所以導(dǎo)致短時間內(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)化與試驗驗證

3.1 軟件優(yōu)化

針對以上情況，提出兩條優(yōu)化意見：①硬件方面，增加信號電纜，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)動作信號；②軟件方面，使合閘命令在一定時間內(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)動作跳開后能夠快速、準(zhǔn)確被鎖定，修改交流站控程序，添加指定的保護(hù)動作信號去起動斷路器鎖定回路。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固定時間為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)場試驗驗證

根據(jù)以上軟件優(yōu)化方案，于2018年6月8日在雁門關(guān)換流站修改軟件并進(jìn)行現(xiàn)場試驗驗證。現(xiàn)場試驗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。

分別針對交流場、交流濾波器場和站用電3個區(qū)域的斷路器，進(jìn)行了4項現(xiàn)場試驗，分別記為試驗1、試驗2、試驗3和試驗4。

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

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

圖7 5051斷路器保護(hù)動作結(jié)果波形

圖8 50B1斷路器保護(hù)動作結(jié)果波形

圖9 310斷路器保護(hù)動作結(jié)果波形

圖10 5641斷路器保護(hù)動作結(jié)果波形

在試驗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)動作，5051斷路器由合位狀態(tài)轉(zhuǎn)為分位狀態(tài)，之后沒有出現(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)時間為150ms，且只有一次，保護(hù)動作的過程中合閘命令脈沖也始終保持高電平，需要說明的是，由于第5串配置有同期功能，DFU410測控裝置將接收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，之后沒有出現(xiàn)合位，動作正確，試驗成功。

在試驗2、試驗3和試驗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)動作跳閘后，斷路器由合位狀態(tài)轉(zhuǎn)為分位狀態(tài)，之后沒有出現(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。

后臺下發(fā)斷路器合閘命令無變位，命令持續(xù)時間為1s，且只有一次，跳閘過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，之后沒有出現(xiàn)合位，動作正確，試驗成功。

總結(jié)

通過現(xiàn)場試驗可知，無論是交流場、直流濾波器場，還是站用電的站控程序，經(jīng)過優(yōu)化升級后，即使在斷路器合閘過程中出現(xiàn)保護(hù)動作產(chǎn)生跳閘命令，也均可以快速準(zhǔn)確跳開斷路器，并且保證合閘命令不會再次出口，不會出現(xiàn)斷路器反復(fù)分合情況。經(jīng)過升級程序，晉南工程在實際運(yùn)行中，也再未出現(xiàn)過斷路器重復(fù)合閘的情況，保證了系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定運(yùn)行。