高压直流输电工程换流阀水冷系统模拟与分析

王辉 闰兴龙 王强 姜海波

摘 要：国内高压直流输电工程换流阀水冷系统模拟与分析研究滞后，本文以建立一个与实际运行相识的换流阀水冷模拟装置为目标，满足换流站运维人员现场模拟培训、离线或者实时运行数据分析，为换流阀水冷系统各种工况下故障诊断、性能预测、控制方式优化的研究创造一种应用环境。

关键词：水冷系统；模拟装置；分析；培训

随着高压直流输电工程规模的不断扩大，电压等级也越来越高，因此对直流输电工程中换流阀及其水冷设备要求也日渐严格，并且对其运行人员的知识技能也提出了更高的要求。但目前，国内高压直流换流阀纯水水冷系统模拟与分析研究滞后，因此，本文以建立一个与实际运行相识的高压直流输电工程换流阀水冷模拟装置为目标，开展模拟培训、数据分析，提升现场运维人员技术水平。

1 换流阀水冷系统介绍

国内直流±800kV直流輸电工程水冷系统通常采用的是ABB公司生产的水冷系统。以复龙换流站为例，每极高、低端换流阀各配置一套独立的水冷系统，全站共四套。该系统由两个水冷循环系统组成：一是内水冷循环系统，通过带含氧量的去离子水对换流阀晶闸管进行水冷；二是外水冷循环系统，通过水冷塔对内水冷进行水冷。外冷水经过软化单元和反渗透单元处理之后合格的水，方可进入平衡水池及水冷塔，且平衡水池安装有一套砂滤系统，对平衡水池内的外冷水实现24小时过滤。

内冷水系统主要由主循环泵、ACS800变频器、加热器、机械过滤器、精细过滤器、离子交换器、除气罐、高位膨胀水箱、补水箱、补水泵等组成。

外冷水系统主要由水冷塔、喷淋泵、电动阀等部分组成。外冷水水处理系统主要由软化单元、机械过滤单元、反渗透单元、砂滤单元、平衡水池等部分组成。

2 模拟装置总体构成

该模拟装置以换流阀水冷系统为研究对象，结合实际培训需求，建立模拟装置所需各关键参数的数学模型，保证了系统运行的真实性和准确性。

2.1 模型设计

换流阀水冷系统可以采用机理建模和统计建模两种方式开展研究，并通过相互数据交换不断优化模型参数，使其更能接近实际运行工况，具体实施方法如下所示：

（1）机理建模。换流阀水冷系统主要是由换流阀（晶闸管阀）、空气水冷器两部组成的循环系统。通常采用内部机理分析，建立机理模型。

（2）统计建模。根据跨区电网换流站实际运行工况，可以通过分析大量历史数据，如温度、流量、压力、电导率等，采用先进算法（神经网络、遗传算法、相关向量机等）建立数学仿真模型。

2.2 工况预测与故障预警

根据上述建立的换流阀水冷系统模型，以国内首个背靠背换流站换流阀水冷系统实际运行数据为研究背景，设计工况预测及故障预警专家系统，实现换流阀水冷系统各运行参数智能化判断、评估的功能。

2.3 阀水冷系统培训

在建立换流阀水冷系统建模及故障预警的框架下，建立一个与实际换流阀水冷系统相似的模拟装置，具有模拟正常运行操作、模拟故障处理功能，可以开展阀水冷系统运维人员技能培训等工作；依据高压直流输电换流阀水冷系统技术规范、运行规范、检修规范、状态评价导则等，建立“运维一体化”换流阀水冷系统培训模块，实现规范与操作的统一。

3 模拟装置硬件设计

该模拟装置主要包含两部分硬件系统，第一部分为物理仿真接口屏，主要用于模拟现场仪表数据变化触发的保护逻辑，第二部分为教学培训机组，主要用于教学培训、学员操作、学员考核。

物理仿真接口屏：物理仿真接口屏由一套SIMATIC S7-300的控制系统组成，嵌入了阀冷控制系统的主要逻辑，I/O包含了阀冷主要设备开关量信号以及阀冷所有仪表的模拟量信号。接口屏所处理的数据通过以太网接入服务器。接口屏的4-20mA模拟器可以仿真、验证现场进出阀温度、压力，流量，液位，电导率的保护逻辑以及相关泵、阀的动作逻辑，更全面的让培训人员、检修人员对阀冷现场逻辑的理解，同时也给现场故障的仿真推导提供了有力的依据。

教学培训机组主要由教员工作站、学员机、打印机等辅助设备组成，教员机以及学员机通过教学软件进行互动，教员通过教员机给学员示范切换操作、运行监视及控制操作，同时教员机可以授权给学员机进行相应的操作并进行考核。

4 模拟软件设计

模拟界面全部展现现场设备概貌，细化到管道方向、阀门等具有可操作的标识，能用动画的形式予以展示，比如管道水的流动性、阀门打开/关闭的状态显示、主泵的旋转方向、膨胀罐水位变化动态显示、风机动态显示等，为故障模拟仿真提供直接画面做好准备。包括工艺流程图和运行曲线两部分。

工艺流程图可以对组件（泵与开关等）进行双击操作，可以启动和停止（打开和关闭）组件状态，从而影响系统环境状态。当在显示故障模式下，可以清楚看到出现故障的组件设备，并且点击后可以查看相应的故障常规排查和处理方法。

5 结论

通过模拟装置应用于换流阀水冷系统，满足换流站运维人员现场模拟培训、离线或者实时运行数据分析，为换流阀水冷系统各种工况下故障诊断、性能预测、控制方式优化的研究创造一种应用环境。

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作者简介：王辉（1979-），男，本科，工程师，主要从事换流站运维技术工作。