大型电力电子设备低压试验技术研究

电力系统常见的大型电力电子设备包括静止无功补偿装置、固定融冰装置、可控串补装置、可控高抗装置等，其日常停电检修、设备投运试验是保证设备和系统安全的重要方面。通常检测方法无法满足重新投入使用前试验的需要。

云南电网有限责任公司昭通供电局的研究人员陈宏，在2020年第10期《电气技术》杂志上撰文，针对大型电力电子设备的关键部件阀基电子设备、晶闸管电子板及阀的低压试验方法进行了深入探讨，提出了阀基电子设备控制信号发生器的实现思路。阀基电子设备控制信号发生器具备阀基电子设备的功能和部分调节控制器的功能。

作者具体论述了阀基电子设备控制信号发生器的调节控制系统模拟功能和阀基电子设备模拟功能的实现方法，提出了使用阀基电子设备控制信号发生器，通过单独模式和复合模式两种低压试验方法，实现阀基电子设备、晶闸管电子板及阀的低压试验。

随着电力电子技术的进步和广泛应用，电力电子设备的复杂程度越来越高，电压等级和容量越来越大，其发生故障的概率也越来越高。阀基电子设备（valve base electronics, VBE）、高电位的晶闸管电子板（thyristor electronics, TE）、晶闸管是电力电子设备的核心部分，这些部件发生故障会导致整个系统故障，进而退出运行，造成较为严重的后果。因此保证电力电子设备的可靠性与安全性，及时地发现故障和必要的检测手段就显得非常重要，这使得电力电子设备的监测方法和试验手段越来越受到业内人士的重视。

VBE主要由触发回路和监测回路构成，位于地电位，是高压晶闸管阀光电触发与在线监测系统的组成部分，主要功能是触发与监测。TE核心作用是触发晶闸管的导通，同时监测晶闸管的运行状态。晶闸管是晶体闸流管的简称，它是一种大功率开关型半导体器件，在大型电力电子设备上通常是成对反并联使用。

通常大型电力电子设备在退出运行一段时间后再重新投入使用时，需要对VBE、高电位的TE、晶闸管进行低压试验，未经低压试验将电力电子设备投入使用风险是很大的。但是鉴于大型电力电子设备这部分功能过于复杂，非生产技术单位很难开展针对性的低压试验。

1  电力电子设备故障检测

1）常用故障检测方法

电力系统常见的大型电力电子设备包括静止无功补偿（static var compensator, SVC）装置、固定融冰装置、可控串补装置、可控高抗装置等，其功率比较大，控制保护功能复杂，电力电子器件过载能力弱，故障存在周期短，因此常规的应用于电子电路的故障诊断方法无法应用于电力电子设备的检测。

常用的故障检测方法有：①谱分析诊断法，即通过侦测电路信号，利用谱分析提取信号中的噪声，根据噪声的特征定位故障；②波形分析诊断法，即通过侦测电力电子关键功能单元的输出波形，对非正常波形提取其特征状态，进而进行故障定位；③故障树诊断法，即在电力电子设备发生故障时，对可能引起故障的原因进行逐层逐个查找，直到找到故障点为止；④参数模型诊断法，即利用电力电子设备实时采集的设备运行状态参数，通过比对的方法判定故障的类型、故障的影响和产生原因；⑤人工智能法，即对系统的故障模式进行分类，建立故障数据库，通过智能算法实现故障诊断。

上述故障诊断方法多是采用在线监测方式实现故障诊断，部分方法已经集成于电力电子设备的控制保护系统，实际电力电子设备的控制保护系统已经具备了监测、告警、保护功能，可以很好地保护系统健康运行。然而，对大型电力电子设备的日常停电检修、设备投运试验还是一个难题。

2）VBE、TE板及阀现场检测

在现场针对VBE、TE板及晶闸管的试验中，需要VBE进行晶闸管的触发及检测，而VBE需要完备的控制信号方能满足工作要求，这又要求测量、调节系统全部正常工作，在多数情况下上述条件难以具备。VBE在整个电力电子驱动控制部分中起着承上启下的作用，其与TE板和调节控制系统之间的连接关系如图1所示。

图1  VBE、TE板及调节控制系统连接关系图

（1）VBE与TE板间的连接关系：由VBE发送到TE板的信号为脉冲编码信息；从TE板回报到VBE的信号为晶闸管的状态监测信号。

（2）VBE与调节控制系统间的连接关系：由VBE发送到调节控制系统的信号为晶闸管的状态信息、紧急触发回路动作信息、光发射电路的状态信息、紧急合闸信号和VBE故障信号等；调节控制系统送往VBE的信号为主回路晶闸管的触发命令、电压同步信号、闭锁信号和主回路合闸信号。

对VBE、TE板和晶闸管进行现场试验核心是模拟VBE和调节控制器的信号发送和接收功能。

本文提出一种“VBE控制信号发生器”具备VBE的功能和部分调节控制器的功能：一方面，VBE控制信号发生器模拟调节控制系统功能，向VBE发送控制信号，并接收回报监测信息，目的是检测VBE工作状态；另一方面，VBE控制信号发生器模拟VBE的功能，试验中替换VBE的位置，通过光纤连接TE板，发送脉冲编码信号，并接收TE板的状态回报信号，实现TE板和晶闸管的状态检测。

2  故障检测关键技术

VBE控制信号发生器核心是模拟VBE机箱和调节控制系统的信号收发功能。调节控制系统模拟部分主要是实现触发命令、同步信号、触发角度控制等发送，VBE回报信号的接收和解析。VBE的模拟包括主从、检测允许、晶闸管保护型串联补偿（thyristor protected series compensation, TPSC）模式、固定串联补偿（fixed series compensation, FSC）模式、晶闸管投切电抗器（thyristor switched reactor, TSR）模式、正向触发区间、反向触发区间、电流同步脉冲、电压同步脉冲等。

下面对VBE控制信号发生器的关键技术及其实现方法进行详细说明。

2.1  调节控制系统模拟

模拟调节控制系统相对比较容易实现，主要实现数字信号处理功能，包括VBE监测信息接收和命令信号发送。VBE发送的监测信息包括晶闸管的状态信息、紧急触发回路动作信息、光电驱动板上光发射电路的状态信息、紧急跳闸信号和VBE故障信号等；发送到VBE的命令信号包括主回路晶闸管的触发命令、电压同步信号、闭锁信号和主回路合闸信号。调节控制系统模拟结构框图如图2所示。

图2  调节控制系统模拟结构框图

2.2  VBE模拟

1）脉冲编码信号生成电路

VBE控制信号发生器模拟VBE生成脉冲编码发送至TE板，目的是实现晶闸管的触发和角度控制的检测功能。VBE控制信号发生器的脉冲编码信号的结构框图如图3所示。

脉冲编码生成电路主要由可编程逻辑器件接收输入信号并生成脉冲编码信号，时钟电路为复杂可编程逻辑器件（complex programmable logic device, CPLD）提供工作时钟。这里采用3片VANTIS公司的可编程逻辑器件MACH211、3片可编程逻辑器件分别对应AB相、BC相、CA相的编码信号输出。

2）回报检测单元的实现

回报检测单元主要用来接收TE板返回的状态回报信号，包括信号输入输出通道、信号采集电路、信号分析处理电路和通信回路。图4所示为回报检测单元结构框图。

图3  脉冲编码信号的结构框图

图4  回报检测单元结构框图

（1）信号采集电路

信号采集电路采用的可编程逻辑器件是VANTIS公司的MACH-192，主要用来采集TE板返回的回报信号，如图5所示，可编程逻辑器件1和2构成触发器阵列，根据晶闸管工作所处的不同状态，把TE板的回报信号锁存到不同的触发器。在一个周波中，TE板会有5个不同的状态回报信号，在可编程逻辑器件中设置有5个不同的触发器与之一一对应，用于锁存不同类型的回报信号。

可编程逻辑器件3和4构成一个多路选择器，可以把可编程逻辑器件1、2中锁存的回报信号有选择地呈现在可编程逻辑器件3、4的输出端。BUFFER1—BUFFER4用于数据缓冲器，数据缓冲的作用是为了实现信号分析处理电路中的微控制单元（micro controller unit,MCU）可以随时读取可编程逻辑器件3和4中的数据。

图5  信号采集电路结构图

（2）信号分析处理电路

信号分析处理电路主要功能是将信号采集电路采集到的TE板回报信息进行归类处理。并把这些状态信息通过通信回路发送到调节控制系统。

信号分析处理电路主要是由MCU、程序存储器、数据存储器、数据缓冲器和可编程逻辑阵列组成。对数据存储器进行分区存储：一部分用于存储瞬时数据，是MCU从信号采集电路中读到的信号；一部分用于存储永久数据，是经过MCU处理后的数据。每个存储区分成5个部分，用于存储紧急触发回路动作信号、负压建立信号、dv/dt动作信号、晶闸管状态信号和光发射电路状态信号。

图6所示为数据存储器的分区存储示意图。存储区的数据由VBE控制信号发生器的调节控制系统模拟部分进行监测信息采集。

图6  数据存储器分区存储示意图

3  电力电子设备试验方法

晶闸管阀组和VBE机箱在投入使用前必须要进行低压试验，低压试验通过之后，方可高压带电，否则会发生难以预料的事故。试验在电压为AC 80～400V、电流为1～5A的低电压条件下进行，不会对晶闸管阀组和VBE箱体产生任何不利影响。

低压试验核心目的是：①验证晶闸管阀组在低压下的触发、角度控制和监测功能是否正常；②验证VBE机箱信号输入、信号处理、信号输出等是否正常。低压试验主要包括单独模式和复合模式两种。

1）单独模式（只使用VBE信号发生器）

图7  单独模式试验接线示意图

单独模式下可同时给一对反并联的晶闸管进行低压试验。此时VBE信号发生器功能是模拟电力电子装置控制系统的VBE机箱，发送的脉冲信号与正常工作时VBE机箱发送的信号是相同的。

VBE信号发生器可以同时接收被试验的一对晶闸管的TE板回报信号，通过将此回报信号作为TE板及对应的晶闸管是否正常的判据。

2）复合模式（采用VBE信号发生器+VBE机箱）

图8  复合模式试验接线示意图

复合模式下在晶闸管阀组高压试验之前，对晶闸管阀组先逐层进行低压试验来验证VBE机箱的好坏。此时VBE信号发生器的功能是模拟调节控制系统的控制器输入输出信号，主要有同步信号、触发时刻信号等。而晶闸管的触发信号是由VBE机箱发送给TE板的，TE板的回报信号接到VBE机箱上，由VBE机箱通过控制器局域网（controller area network, CAN）发送给工作站显示出来。

4  结论

对于大型的电力电子设备，控制系统通常采用双系统运行，可靠性相对较高，通常不需要试验检测。而晶闸管阀组、TE板、VBE机箱，冗余少，其发生故障容易引发重大事故，每次上电前必须进行低压试验。本文提出一种VBE信号发生器实现方案。

VBE控制信号发生器核心功能是模拟VBE机箱和调节控制系统的信号收发功能。试验在低压条件下进行，采用单独模式可以检测晶闸管和TE板的好坏；采用复合模式可以检测VBE机箱的好坏。VBE信号发生器可以应用于SVC、融冰装置、可控串补装置等大型电力电子设备的日常停电检修、设备投运试验等方面。

本文编自《电气技术》，标题为“大型电力电子设备低压试验技术研究”，作者为陈宏。