大型電力電子設備的低壓試驗新方法

電力系統常見的大型電力電子設備包括靜止無功補償裝置、固定融冰裝置、可控串補裝置、可控高抗裝置等，其日常停電檢修、設備投運試驗是保證設備和系統安全的重要方面。通常檢測方法無法滿足重新投入使用前試驗的需要。

雲南電網有限責任公司昭通供電局的研究人員陳宏，在2020年第10期《電氣技術》雜誌上撰文，針對大型電力電子設備的關鍵部件閥基電子設備、晶閘管電子板及閥的低壓試驗方法進行了深入探討，提出了閥基電子設備控制信號發生器的實現思路。閥基電子設備控制信號發生器具備閥基電子設備的功能和部分調節控制器的功能。

作者具體論述了閥基電子設備控制信號發生器的調節控制系統模擬功能和閥基電子設備模擬功能的實現方法，提出了使用閥基電子設備控制信號發生器，通過單獨模式和複合模式兩種低壓試驗方法，實現閥基電子設備、晶閘管電子板及閥的低壓試驗。

隨著電力電子技術的進步和廣泛應用，電力電子設備的複雜程度越來越高，電壓等級和容量越來越大，其發生故障的概率也越來越高。閥基電子設備（valve base electronics, VBE）、高電位的晶閘管電子板（thyristor electronics, TE）、晶閘管是電力電子設備的核心部分，這些部件發生故障會導致整個系統故障，進而退出運行，造成較為嚴重的後果。

因此保證電力電子設備的可靠性與安全性，及時地發現故障和必要的檢測手段就顯得非常重要，這使得電力電子設備的監測方法和試驗手段越來越受到業內人士的重視。

VBE主要由觸發迴路和監測迴路構成，位於地電位，是高壓晶閘管閥光電觸發與在線監測系統的組成部分，主要功能是觸發與監測。TE核心作用是觸發晶閘管的導通，同時監測晶閘管的運行狀態。晶閘管是晶體閘流管的簡稱，它是一種大功率開關型半導體器件，在大型電力電子設備上通常是成對反並聯使用。

通常大型電力電子設備在退出運行一段時間後再重新投入使用時，需要對VBE、高電位的TE、晶閘管進行低壓試驗，未經低壓試驗將電力電子設備投入使用風險是很大的。但是鑑於大型電力電子設備這部分功能過於複雜，非生產技術單位很難開展針對性的低壓試驗。

1 電力電子設備故障檢測

1）常用故障檢測方法

電力系統常見的大型電力電子設備包括靜止無功補償（static var compensator, SVC）裝置、固定融冰裝置、可控串補裝置、可控高抗裝置等，其功率比較大，控制保護功能複雜，電力電子器件過載能力弱，故障存在周期短，因此常規的應用於電子電路的故障診斷方法無法應用於電力電子設備的檢測。

常用的故障檢測方法有：

①譜分析診斷法，即通過偵測電路信號，利用譜分析提取信號中的噪聲，根據噪聲的特徵定位故障；②波形分析診斷法，即通過偵測電力電子關鍵功能單元的輸出波形，對非正常波形提取其特徵狀態，進而進行故障定位；③故障樹診斷法，即在電力電子設備發生故障時，對可能引起故障的原因進行逐層逐個查找，直到找到故障點為止；④參數模型診斷法，即利用電力電子設備實時採集的設備運行狀態參數，通過比對的方法判定故障的類型、故障的影響和產生原因；⑤人工智慧法，即對系統的故障模式進行分類，建立故障資料庫，通過智能算法實現故障診斷。上述故障診斷方法多是採用在線監測方式實現故障診斷，部分方法已經集成於電力電子設備的控制保護系統，實際電力電子設備的控制保護系統已經具備了監測、告警、保護功能，可以很好地保護系統健康運行。然而，對大型電力電子設備的日常停電檢修、設備投運試驗還是一個難題。

2）VBE、TE板及閥現場檢測

在現場針對VBE、TE板及晶閘管的試驗中，需要VBE進行晶閘管的觸發及檢測，而VBE需要完備的控制信號方能滿足工作要求，這又要求測量、調節系統全部正常工作，在多數情況下上述條件難以具備。VBE在整個電力電子驅動控制部分中起著承上啟下的作用，其與TE板和調節控制系統之間的連接關係如圖1所示。

圖1 VBE、TE板及調節控制系統連接關係

（1）VBE與TE板間的連接關係：由VBE發送到TE板的信號為脈衝編碼信息；從TE板回報到VBE的信號為晶閘管的狀態監測信號。

（2）VBE與調節控制系統間的連接關係：由VBE發送到調節控制系統的信號為晶閘管的狀態信息、緊急觸發迴路動作信息、光發射電路的狀態信息、緊急合閘信號和VBE故障信號等；調節控制系統送往VBE的信號為主迴路晶閘管的觸發命令、電壓同步信號、閉鎖信號和主迴路合閘信號。

對VBE、TE板和晶閘管進行現場試驗核心是模擬VBE和調節控制器的信號發送和接收功能。

本文提出一種「VBE控制信號發生器」具備VBE的功能和部分調節控制器的功能：一方面，VBE控制信號發生器模擬調節控制系統功能，向VBE發送控制信號，並接收回報監測信息，目的是檢測VBE工作狀態；另一方面，VBE控制信號發生器模擬VBE的功能，試驗中替換VBE的位置，通過光纖連接TE板，發送脈衝編碼信號，並接收TE板的狀態回報信號，實現TE板和晶閘管的狀態檢測。

2 故障檢測關鍵技術

VBE控制信號發生器核心是模擬VBE機箱和調節控制系統的信號收發功能。調節控制系統模擬部分主要是實現觸發命令、同步信號、觸發角度控制等發送，VBE回報信號的接收和解析。VBE的模擬包括主從、檢測允許、晶閘管保護型串聯補償（thyristor protected series compensation, TPSC）模式、固定串聯補償（fixed series compensation, FSC）模式、晶閘管投切電抗器（thyristor switched reactor, TSR）模式、正向觸發區間、反向觸發區間、電流同步脈衝、電壓同步脈衝等。

下面對VBE控制信號發生器的關鍵技術及其實現方法進行詳細說明。

2.1 調節控制系統模擬

模擬調節控制系統相對比較容易實現，主要實現數位訊號處理功能，包括VBE監測信息接收和命令信號發送。VBE發送的監測信息包括晶閘管的狀態信息、緊急觸發迴路動作信息、光電驅動板上光發射電路的狀態信息、緊急跳閘信號和VBE故障信號等；發送到VBE的命令信號包括主迴路晶閘管的觸發命令、電壓同步信號、閉鎖信號和主迴路合閘信號。調節控制系統模擬結構框圖如圖2所示。

圖2 調節控制系統模擬結構框圖

2.2 VBE模擬

1）脈衝編碼信號生成電路

VBE控制信號發生器模擬VBE生成脈衝編碼發送至TE板，目的是實現晶閘管的觸發和角度控制的檢測功能。VBE控制信號發生器的脈衝編碼信號的結構框圖如圖3所示。

脈衝編碼生成電路主要由可編程邏輯器件接收輸入信號並生成脈衝編碼信號，時鐘電路為複雜可編程邏輯器件（complex programmable logic device, CPLD）提供工作。這裡採用3片VANTIS公司的可編程邏輯器件MACH211、3片可編程邏輯器件分別對應AB相、BC相、CA相的編碼信號輸出。

2）回報檢測單元的實現

回報檢測單元主要用來接收TE板返回的狀態回報信號，包括信號輸入輸出通道、信號採集電路、信號分析處理電路和通信迴路。圖4所示為回報檢測單元結構框圖。

圖3 脈衝編碼信號的結構框圖

圖4 回報檢測單元結構框圖

（1）信號採集電路

信號採集電路採用的可編程邏輯器件是VANTIS公司的MACH-192，主要用來採集TE板返回的回報信號，如圖5所示，可編程邏輯器件1和2構成觸發器陣列，根據晶閘管工作所處的不同狀態，把TE板的回報信號鎖存到不同的觸發器。在一個周波中，TE板會有5個不同的狀態回報信號，在可編程邏輯器件中設置有5個不同的觸發器與之一一對應，用於鎖存不同類型的回報信號。

可編程邏輯器件3和4構成一個多路選擇器，可以把可編程邏輯器件1、2中鎖存的回報信號有選擇地呈現在可編程邏輯器件3、4的輸出端。BUFFER1—BUFFER4用於數據緩衝器，數據緩衝的作用是為了實現信號分析處理電路中的微控制單元（micro controller unit,MCU）可以隨時讀取可編程邏輯器件3和4中的數據。

圖5 信號採集電路結構圖

（2）信號分析處理電路

信號分析處理電路主要功能是將信號採集電路採集到的TE板回報信息進行歸類處理。並把這些狀態信息通過通信迴路發送到調節控制系統。

信號分析處理電路主要是由MCU、程序存儲器、數據存儲器、數據緩衝器和可編程邏輯陣列組成。對數據存儲器進行分區存儲：一部分用於存儲瞬時數據，是MCU從信號採集電路中讀到的信號；一部分用於存儲永久數據，是經過MCU處理後的數據。每個存儲區分成5個部分，用於存儲緊急觸發迴路動作信號、負壓建立信號、dv/dt動作信號、晶閘管狀態信號和光發射電路狀態信號。

圖6所示為數據存儲器的分區存儲示意圖。存儲區的數據由VBE控制信號發生器的調節控制系統模擬部分進行監測信息採集。

圖6 數據存儲器分區存儲示意圖

3 電力電子設備試驗方法

晶閘管閥組和VBE機箱在投入使用前必須要進行低壓試驗，低壓試驗通過之後，方可高壓帶電，否則會發生難以預料的事故。試驗在電壓為AC 80～400V、電流為1～5A的低電壓條件下進行，不會對晶閘管閥組和VBE箱體產生任何不利影響。

低壓試驗核心目的是：①驗證晶閘管閥組在低壓下的觸發、角度控制和監測功能是否正常；②驗證VBE機箱信號輸入、信號處理、信號輸出等是否正常。低壓試驗主要包括單獨模式和複合模式兩種。

1）單獨模式（只使用VBE信號發生器）

圖7 單獨模式試驗接線示意圖

單獨模式下可同時給一對反並聯的晶閘管進行低壓試驗。此時VBE信號發生器功能是模擬電力電子裝置控制系統的VBE機箱，發送的脈衝信號與正常工作時VBE機箱發送的信號是相同的。

VBE信號發生器可以同時接收被試驗的一對晶閘管的TE板回報信號，通過將此回報信號作為TE板及對應的晶閘管是否正常的判據。

2）複合模式（採用VBE信號發生器+VBE機箱）

圖8 複合模式試驗接線示意圖

複合模式下在晶閘管閥組高壓試驗之前，對晶閘管閥組先逐層進行低壓試驗來驗證VBE機箱的好壞。此時VBE信號發生器的功能是模擬調節控制系統的控制器輸入輸出信號，主要有同步信號、觸發時刻信號等。而晶閘管的觸發信號是由VBE機箱發送給TE板的，TE板的回報信號接到VBE機箱上，由VBE機箱通過控制器區域網（controller area network, CAN）發送給工作站顯示出來。

4 結論

對於大型的電力電子設備，控制系統通常採用雙系統運行，可靠性相對較高，通常不需要試驗檢測。而晶閘管閥組、TE板、VBE機箱，冗餘少，其發生故障容易引發重大事故，每次上電前必須進行低壓試驗。本文提出一種VBE信號發生器實現方案。

VBE控制信號發生器核心功能是模擬VBE機箱和調節控制系統的信號收發功能。試驗在低壓條件下進行，採用單獨模式可以檢測晶閘管和TE板的好壞；採用複合模式可以檢測VBE機箱的好壞。VBE信號發生器可以應用於SVC、融冰裝置、可控串補裝置等大型電力電子設備的日常停電檢修、設備投運試驗等方面。