（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

0 引言

基于模塊化多電平換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的柔性直流輸電系統(tǒng)具有控制方式多樣、功率調(diào)節(jié)靈活等技術(shù)優(yōu)勢(shì)。柔性直流輸電系統(tǒng)在大規(guī)模新能源接入、交流系統(tǒng)互聯(lián)、孤島供電以及城市配電網(wǎng)等方面已得到廣泛應(yīng)用。

我國(guó)已陸續(xù)投運(yùn)了舟山±200 kV 五端柔性直流工程、廈門±320 kV 柔性直流工程、魯西±350 kV 背靠背直流異步聯(lián)網(wǎng)工程、渝鄂±420 kV 背靠背柔性直流工程[1-6]。近年來正在建設(shè)張北±500 kV 柔性直流電網(wǎng)工程和烏東德±800 kV 混合多端直流輸電工程，高電壓、大容量柔性直流控制系統(tǒng)在控制策略、保護(hù)配置以及安全穩(wěn)定運(yùn)行等方面有著更高的技術(shù)要求[7-10]。

柔性直流工程的功率振蕩事件廣受關(guān)注，文獻(xiàn)[11]介紹了國(guó)內(nèi)外多次柔性直流輸電系統(tǒng)典型的功率振蕩事件，并對(duì)其相關(guān)振蕩的研究難點(diǎn)和未來方向予以展望。

柔性直流工程的功率振蕩事件和控制系統(tǒng)的鏈路延時(shí)之間有高度相關(guān)性，減少鏈路延時(shí)可以改善柔性直流輸電系統(tǒng)的阻抗特性。文獻(xiàn)[12]以魯西背靠背異步聯(lián)網(wǎng)工程為例，針對(duì)中高頻諧振問題建立柔性直流輸電系統(tǒng)的精確阻抗模型，并分析其阻抗特性，提出了通過硬件優(yōu)化升級(jí)，減小系統(tǒng)延時(shí)改善系統(tǒng)阻抗特性。文獻(xiàn)[13]分析了柔性直流與交流系統(tǒng)高頻諧振機(jī)理，高頻振蕩對(duì)控制參數(shù)變化不敏感，與控制鏈路延時(shí)、前饋策略相關(guān)性高。柔性直流輸出阻抗與控制鏈路延時(shí)高度相關(guān)，工程設(shè)計(jì)應(yīng)嚴(yán)格控制各控制環(huán)節(jié)延時(shí)時(shí)間。

減少控制系統(tǒng)的鏈路延時(shí)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)和故障穿越同樣具有重要意義。文獻(xiàn)[14]提出了大幅增加控制系統(tǒng)鏈路延時(shí)會(huì)降低系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和交流故障穿越能力的觀點(diǎn)，基于魯西背靠背異步聯(lián)網(wǎng)工程仿真試驗(yàn)分析了相位校正方法對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，通過相位校正補(bǔ)償可有效改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。文獻(xiàn)[15]提出了柔性直流閥控系統(tǒng)性能的提升方法，通過減小控制器的控制周期可以減少閥控系統(tǒng)控制和保護(hù)的整體延時(shí)，有利于直流雙極短路等嚴(yán)重故障的快速保護(hù)和交流側(cè)故障的穿越。

控制系統(tǒng)的鏈路延時(shí)測(cè)量已成為柔性直流工程實(shí)施的重要測(cè)試項(xiàng)目。文獻(xiàn)[16]提出了一種閥控系統(tǒng)延時(shí)測(cè)試方法，基于烏東德工程柳北換流站的閥控系統(tǒng)分析了延時(shí)的組成，在模塊控制板上通過調(diào)試軟件抓取測(cè)量信號(hào)，測(cè)試方法較復(fù)雜并且依賴于特定的硬件板卡。

綜上所述，優(yōu)化控制系統(tǒng)的鏈路延時(shí)對(duì)直流輸電系統(tǒng)的阻抗特性、系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)和故障穿越有著重要意義。而控制系統(tǒng)的鏈路延時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量方法將為優(yōu)化鏈路延時(shí)提供重要參考依據(jù)。

本文基于柔性直流仿真控制系統(tǒng)分析了控制系統(tǒng)下行鏈路延時(shí)環(huán)節(jié)，明確了控制系統(tǒng)下行鏈路延時(shí)定義，選取模擬量信號(hào)的過零點(diǎn)作為特征信號(hào)，將控制系統(tǒng)作為整體被測(cè)對(duì)象接入第三方裝置，提出一種準(zhǔn)確客觀、操作方便并且對(duì)控制系統(tǒng)無擾的下行鏈路延時(shí)測(cè)量方法。

1 控制系統(tǒng)下行鏈路環(huán)節(jié)分析

柔性直流控制系統(tǒng)由極控系統(tǒng)和閥控系統(tǒng)兩部分組成，主要包括以下控制設(shè)備：IO（輸入-輸出采樣）裝置、PCP（極控制）裝置、VCP（閥控制保護(hù)）裝置、VBC（閥基控制）裝置和子模塊的SMC板卡。

PCP 裝置主要負(fù)責(zé)極功率控制、直流電壓控制、調(diào)制波計(jì)算和順控聯(lián)鎖等功能。IO 裝置主要負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)的模擬量電壓和電流信號(hào)進(jìn)行采樣轉(zhuǎn)換。PCP 裝置的PLL 鎖相等控制算法依賴于IO裝置的采樣數(shù)據(jù)。VCP 裝置主要負(fù)責(zé)控制信號(hào)分發(fā)、主動(dòng)充電、環(huán)流抑制和子模塊投入個(gè)數(shù)計(jì)算等功能。VBC 裝置主要負(fù)責(zé)子模塊命令計(jì)算和子模塊故障處理等功能。

柔性直流控制系統(tǒng)的下行鏈路是整個(gè)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵鏈路，而上行鏈路主要用于系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視信號(hào)和緩變模擬量信號(hào)（比如子模塊平均電壓）上送，對(duì)控制性能影響較小[17]。如圖1 所示，整個(gè)柔性直流控制系統(tǒng)的下行鏈路環(huán)節(jié)如下：

（1）IO 裝置交流頭插件接入經(jīng)一次設(shè)備TV/TA 過來的模擬量信號(hào)，周期觸發(fā)AD 采樣并轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字量采樣碼值。

（2）PCP 裝置接收采樣碼值，經(jīng)控制策略處理計(jì)算生成調(diào)制波。

（3）VCP 裝置接收調(diào)制波，經(jīng)轉(zhuǎn)換計(jì)算生成六個(gè)橋臂的子模塊投入個(gè)數(shù)。

（4）VBC 裝置接收對(duì)應(yīng)橋臂的子模塊投入個(gè)數(shù)，計(jì)算生成每個(gè)子模塊的IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）命令。

（5）子模塊的SMC 板卡接收IGBT 命令，驅(qū)動(dòng)子模塊投入或切除。

柔性直流控制系統(tǒng)的下行鏈路是整個(gè)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵鏈路。

圖1 柔性直流控制系統(tǒng)下行鏈路環(huán)節(jié)

2 控制系統(tǒng)下行鏈路延時(shí)定義

2.1 下行鏈路延時(shí)

PCP 至VCP 裝置的光纖通信傳輸環(huán)節(jié)是極控系統(tǒng)和閥控系統(tǒng)的接口點(diǎn)，這個(gè)環(huán)節(jié)鏈路耗時(shí)屬于極控系統(tǒng)的下行鏈路延時(shí)。

極控系統(tǒng)的下行鏈路延時(shí)起點(diǎn)和終點(diǎn)分別為IO 裝置接入模擬量信號(hào)和PCP 裝置發(fā)送完光纖通信數(shù)據(jù)幀。

閥控系統(tǒng)的下行鏈路延時(shí)起點(diǎn)和終點(diǎn)分別為VCP 裝置收到完整光纖通信數(shù)據(jù)幀和SMC 板卡的IGBT 驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

整個(gè)控制系統(tǒng)的下行鏈路延時(shí)等于上述極控系統(tǒng)和閥控系統(tǒng)的下行鏈路延時(shí)之和。

2.2 控制系統(tǒng)同步說明

極控系統(tǒng)的PCP 裝置是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心設(shè)備，其他裝置均具有同步功能，整個(gè)控制系統(tǒng)是同步系統(tǒng)。

以VCP 裝置跟隨PCP 裝置同步為例，如圖2所示，發(fā)送主機(jī)通過設(shè)置合適的光纖通信定時(shí)發(fā)送時(shí)間，保證光纖數(shù)據(jù)幀的發(fā)送間隔穩(wěn)定。

圖2 光纖通信定時(shí)發(fā)送和同步

如圖2 所示，接收主機(jī)中斷任務(wù)起始時(shí)刻始終跟隨發(fā)送主機(jī)的光纖數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)刻，VCP 裝置通過微調(diào)本地中斷快慢，實(shí)現(xiàn)中斷任務(wù)始終跟隨PCP 裝置，在接收完光纖數(shù)據(jù)幀后緊接著進(jìn)入中斷任務(wù)，實(shí)現(xiàn)裝置之間保持同步功能。

發(fā)送主機(jī)采用定時(shí)發(fā)送方式，接收主機(jī)采用調(diào)同步功能，實(shí)現(xiàn)整個(gè)控制系統(tǒng)是同步系統(tǒng)，即從模擬量采樣開始到子模塊IGBT 動(dòng)作的鏈路延時(shí)是穩(wěn)定數(shù)據(jù)。

3 下行鏈路延時(shí)測(cè)量準(zhǔn)備

3.1 模擬量過零點(diǎn)檢測(cè)

實(shí)際系統(tǒng)的原始模擬量信號(hào)存在工頻和高頻分量，IO 裝置通過設(shè)置合適濾波參數(shù)和采樣周期可以采集到工頻和大部分高頻模擬量信號(hào)。控制系統(tǒng)的鏈路延時(shí)是穩(wěn)定數(shù)據(jù)，為方便測(cè)量觀察，選取原始模擬量信號(hào)的過零點(diǎn)作為特征信號(hào)，PCP 裝置接收采樣碼值并檢測(cè)過零點(diǎn)信號(hào)。以上升沿過零點(diǎn)為例，如圖3 所示，在采樣碼值由負(fù)變正過程中，只有落在檢測(cè)范圍（比如-1～1），才認(rèn)為檢測(cè)到上升沿過零點(diǎn)信號(hào)。設(shè)置合理較小的檢測(cè)范圍以提高過零點(diǎn)檢測(cè)精度，在測(cè)量過程中通過示波器觸發(fā)方式獲取過零點(diǎn)相關(guān)信號(hào)。

圖3 過零點(diǎn)檢測(cè)示意

3.2 延時(shí)測(cè)量程序

PCP，VCP 和VBC 裝置需要增加下行鏈路延時(shí)測(cè)量相關(guān)應(yīng)用程序，通過置數(shù)開啟下行鏈路延時(shí)測(cè)量功能。

如圖4 所示，PCP 裝置檢測(cè)上升沿過零點(diǎn)信號(hào)，當(dāng)判斷出過零點(diǎn)信號(hào)后輸出1 ms 展寬的方波調(diào)制波信號(hào)。VCP 裝置根據(jù)方波調(diào)制信號(hào)生成子模塊投入個(gè)數(shù)。VBC 裝置收到子模塊投入個(gè)數(shù)產(chǎn)生每個(gè)子模塊命令信號(hào)。

圖4 控制系統(tǒng)鏈路延時(shí)示意

整個(gè)控制系統(tǒng)的下行鏈路延時(shí)可分為T1—T4 時(shí)間，從模擬量信號(hào)開始，依次經(jīng)過IO 裝置、PCP 裝置、VCP 裝置、VBC 裝置，最后到達(dá)子模塊IGBT。從PCP 裝置輸出信號(hào)到子模塊IGBT 驅(qū)動(dòng)信號(hào)均為1 ms 展寬信號(hào)。

3.3 第三方裝置

下行鏈路延時(shí)測(cè)量需要實(shí)現(xiàn)客觀準(zhǔn)確、操作方便并且對(duì)控制系統(tǒng)無干擾等目標(biāo)。將控制系統(tǒng)作為整體被測(cè)對(duì)象，其輸入和輸出信號(hào)復(fù)制接入第三方裝置。

如圖5 所示，光纖數(shù)據(jù)幀可通過發(fā)送裝置復(fù)制發(fā)送或分光器接入第三方裝置。PCP 至VCP 裝置的光纖通信傳輸耗時(shí)作為極控系統(tǒng)下行鏈路延時(shí)的一部分，通信接口采用IEC 60044-8 協(xié)議，鏈路層符合1EC 60870-5-1 的FT3 格式，波特率為20 M，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為16 個(gè)字節(jié)。

圖5 鏈路延時(shí)測(cè)量示意

第三方裝置通過FPGA 芯片（具有硬件實(shí)時(shí)特性）解析光纖數(shù)據(jù)幀并輸出測(cè)點(diǎn)電平信號(hào)。最后通過示波器觀察模擬量信號(hào)、第三方裝置測(cè)點(diǎn)信號(hào)以及SMC 板卡的IGBT 驅(qū)動(dòng)信號(hào)，獲取控制系統(tǒng)的下行鏈路延時(shí)數(shù)據(jù)。

4 下行鏈路延時(shí)測(cè)量過程

基于柔性直流仿真控制系統(tǒng)測(cè)量控制系統(tǒng)的下行鏈路延時(shí)，測(cè)試過程只需要少量硬件設(shè)備，主要包括一臺(tái)模擬量輸出儀器、一臺(tái)示波器、一臺(tái)第三方裝置、一塊子模塊SMC 板卡。測(cè)量過程具體如下：

（1）在IO 裝置施加50 Hz 正弦波模擬量電壓（有效值57.74 V），經(jīng)采樣轉(zhuǎn)換為碼值并發(fā)送至PCP 裝置。

（2）PCP 裝置檢測(cè)上升沿過零點(diǎn)信號(hào)，當(dāng)判出過零點(diǎn)信號(hào)后輸出1 ms 展寬的方波調(diào)制波信號(hào)（高電平為1，低電平為0），發(fā)送至VCP裝置和第三方裝置。

（3）VCP 裝置根據(jù)方波調(diào)制波信號(hào)生成子模塊投入個(gè)數(shù)（高電平對(duì)應(yīng)子模塊控制總個(gè)數(shù)，低電平對(duì)應(yīng)子模塊個(gè)數(shù)為0）。

（4）VBC 裝置收到子模塊投入個(gè)數(shù)產(chǎn)生每個(gè)子模塊命令信號(hào)，SMC 板卡收到子模塊命令信號(hào)生成IGBT 驅(qū)動(dòng)電平信號(hào)（高電平對(duì)應(yīng)投入子模塊，低電平對(duì)應(yīng)切除子模塊）。

（5）第三方裝置解析PCP 裝置發(fā)送的光纖通信數(shù)據(jù)幀并輸出測(cè)點(diǎn)電平信號(hào)。示波器采用上升沿通道觸發(fā)模式，如圖6 所示，通道1 是施加的模擬量信號(hào)（有效值57.74 V），通道2是第三方裝置解析PCP 裝置發(fā)送光纖數(shù)據(jù)幀的測(cè)點(diǎn)信號(hào)（0～5 V 電平信號(hào)），通道3 是子模塊SMC 板卡的IGBT 驅(qū)動(dòng)電平信號(hào)（-15～15 V 電平信號(hào)）。

圖6 鏈路延時(shí)測(cè)量示波器通道波形

（6）調(diào)整放大示波器顯示并觀察測(cè)量結(jié)果，如圖7 所示，通道1 顯示穿越零電平線時(shí)刻對(duì)應(yīng)模擬量信號(hào)過零點(diǎn)，通道2 過零時(shí)刻和通道2 上升沿時(shí)刻之差是極控系統(tǒng)下行鏈路延時(shí)。通道2 上升沿時(shí)刻和通道3 上升沿時(shí)刻之差是閥控系統(tǒng)下行鏈路延時(shí)。

圖7 鏈路延時(shí)測(cè)量示波器波形

5 結(jié)語

本文分析了柔性直流控制系統(tǒng)的下行鏈路延時(shí)環(huán)節(jié)，明確了控制系統(tǒng)下行鏈路延時(shí)定義，選取模擬量信號(hào)的過零點(diǎn)作為特征信號(hào)，將控制系統(tǒng)作為整體被測(cè)對(duì)象接入第三方裝置，提出了一種準(zhǔn)確客觀、操作方便并且對(duì)控制系統(tǒng)無擾的下行鏈路延時(shí)測(cè)量方法。該測(cè)量方法已在張北柔性直流電網(wǎng)工程和烏東德混合多端直流輸電工程上實(shí)施應(yīng)用，為控制系統(tǒng)的性能評(píng)估以及改進(jìn)提供參考依據(jù)，具有較好的工程應(yīng)用價(jià)值。