隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步和廣泛應(yīng)用，電力電子設(shè)備的復(fù)雜程度越來越高，電壓等級和容量越來越大，其發(fā)生故障的概率也越來越高。閥基電子設(shè)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(shè)備的核心部分，這些部件發(fā)生故障會導(dǎo)致整個系統(tǒng)故障，進(jìn)而退出運(yùn)行，造成較為嚴(yán)重的后果。

因此保證電力電子設(shè)備的可靠性與安全性，及時地發(fā)現(xiàn)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(shè)備的監(jiān)測方法和試驗(yàn)手段越來越受到業(yè)內(nèi)人士的重視。

VBE主要由觸發(fā)回路和監(jiān)測回路構(gòu)成，位于地電位，是高壓晶閘管閥光電觸發(fā)與在線監(jiān)測系統(tǒng)的組成部分，主要功能是觸發(fā)與監(jiān)測。TE核心作用是觸發(fā)晶閘管的導(dǎo)通，同時監(jiān)測晶閘管的運(yùn)行狀態(tài)。晶閘管是晶體閘流管的簡稱，它是一種大功率開關(guān)型半導(dǎo)體器件，在大型電力電子設(shè)備上通常是成對反并聯(lián)使用。

通常大型電力電子設(shè)備在退出運(yùn)行一段時間后再重新投入使用時，需要對VBE、高電位的TE、晶閘管進(jìn)行低壓試驗(yàn)，未經(jīng)低壓試驗(yàn)將電力電子設(shè)備投入使用風(fēng)險(xiǎn)是很大的。但是鑒于大型電力電子設(shè)備這部分功能過于復(fù)雜，非生產(chǎn)技術(shù)單位很難開展針對性的低壓試驗(yàn)。

1 電力電子設(shè)備故障檢測

1）常用故障檢測方法

電力系統(tǒng)常見的大型電力電子設(shè)備包括靜止無功補(bǔ)償（static var compensator, SVC）裝置、固定融冰裝置、可控串補(bǔ)裝置、可控高抗裝置等，其功率比較大，控制保護(hù)功能復(fù)雜，電力電子器件過載能力弱，故障存在周期短，因此常規(guī)的應(yīng)用于電子電路的故障診斷方法無法應(yīng)用于電力電子設(shè)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(jù)噪聲的特征定位故障；
• ②波形分析診斷法，即通過偵測電力電子關(guān)鍵功能單元的輸出波形，對非正常波形提取其特征狀態(tài)，進(jìn)而進(jìn)行故障定位；
• ③故障樹診斷法，即在電力電子設(shè)備發(fā)生故障時，對可能引起故障的原因進(jìn)行逐層逐個查找，直到找到故障點(diǎn)為止；
• ④參數(shù)模型診斷法，即利用電力電子設(shè)備實(shí)時采集的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，通過比對的方法判定故障的類型、故障的影響和產(chǎn)生原因；
• ⑤人工智能法，即對系統(tǒng)的故障模式進(jìn)行分類，建立故障數(shù)據(jù)庫，通過智能算法實(shí)現(xiàn)故障診斷。

上述故障診斷方法多是采用在線監(jiān)測方式實(shí)現(xiàn)故障診斷，部分方法已經(jīng)集成于電力電子設(shè)備的控制保護(hù)系統(tǒng)，實(shí)際電力電子設(shè)備的控制保護(hù)系統(tǒng)已經(jīng)具備了監(jiān)測、告警、保護(hù)功能，可以很好地保護(hù)系統(tǒng)健康運(yùn)行。然而，對大型電力電子設(shè)備的日常停電檢修、設(shè)備投運(yùn)試驗(yàn)還是一個難題。

2）VBE、TE板及閥現(xiàn)場檢測

在現(xiàn)場針對VBE、TE板及晶閘管的試驗(yàn)中，需要VBE進(jìn)行晶閘管的觸發(fā)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(diào)節(jié)系統(tǒng)全部正常工作，在多數(shù)情況下上述條件難以具備。VBE在整個電力電子驅(qū)動控制部分中起著承上啟下的作用，其與TE板和調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)之間的連接關(guān)系如圖1所示。

圖1 VBE、TE板及調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)連接關(guān)系圖

（1）VBE與TE板間的連接關(guān)系：由VBE發(fā)送到TE板的信號為脈沖編碼信息；從TE板回報(bào)到VBE的信號為晶閘管的狀態(tài)監(jiān)測信號。

（2）VBE與調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)間的連接關(guān)系：由VBE發(fā)送到調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的信號為晶閘管的狀態(tài)信息、緊急觸發(fā)回路動作信息、光發(fā)射電路的狀態(tài)信息、緊急合閘信號和VBE故障信號等；調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)送往VBE的信號為主回路晶閘管的觸發(fā)命令、電壓同步信號、閉鎖信號和主回路合閘信號。

對VBE、TE板和晶閘管進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)核心是模擬VBE和調(diào)節(jié)控制器的信號發(fā)送和接收功能。

本文提出一種“VBE控制信號發(fā)生器”具備VBE的功能和部分調(diào)節(jié)控制器的功能：一方面，VBE控制信號發(fā)生器模擬調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)功能，向VBE發(fā)送控制信號，并接收回報(bào)監(jiān)測信息，目的是檢測VBE工作狀態(tài)；另一方面，VBE控制信號發(fā)生器模擬VBE的功能，試驗(yàn)中替換VBE的位置，通過光纖連接TE板，發(fā)送脈沖編碼信號，并接收TE板的狀態(tài)回報(bào)信號，實(shí)現(xiàn)TE板和晶閘管的狀態(tài)檢測。

2 故障檢測關(guān)鍵技術(shù)

VBE控制信號發(fā)生器核心是模擬VBE機(jī)箱和調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的信號收發(fā)功能。調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)模擬部分主要是實(shí)現(xiàn)觸發(fā)命令、同步信號、觸發(fā)角度控制等發(fā)送，VBE回報(bào)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(hù)型串聯(lián)補(bǔ)償（thyristor protected series compensation, TPSC）模式、固定串聯(lián)補(bǔ)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(fā)區(qū)間、反向觸發(fā)區(qū)間、電流同步脈沖、電壓同步脈沖等。

下面對VBE控制信號發(fā)生器的關(guān)鍵技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行詳細(xì)說明。

2.1 調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)模擬

模擬調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)相對比較容易實(shí)現(xiàn)，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號處理功能，包括VBE監(jiān)測信息接收和命令信號發(fā)送。VBE發(fā)送的監(jiān)測信息包括晶閘管的狀態(tài)信息、緊急觸發(fā)回路動作信息、光電驅(qū)動板上光發(fā)射電路的狀態(tài)信息、緊急跳閘信號和VBE故障信號等；發(fā)送到VBE的命令信號包括主回路晶閘管的觸發(fā)命令、電壓同步信號、閉鎖信號和主回路合閘信號。調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)模擬結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)模擬結(jié)構(gòu)框圖

2.2 VBE模擬

1）脈沖編碼信號生成電路

VBE控制信號發(fā)生器模擬VBE生成脈沖編碼發(fā)送至TE板，目的是實(shí)現(xiàn)晶閘管的觸發(fā)和角度控制的檢測功能。VBE控制信號發(fā)生器的脈沖編碼信號的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

脈沖編碼生成電路主要由可編程邏輯器件接收輸入信號并生成脈沖編碼信號，時鐘電路為復(fù)雜可編程邏輯器件（complex programmable logic device, CPLD）提供工作時鐘。這里采用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(yīng)AB相、BC相、CA相的編碼信號輸出。

2）回報(bào)檢測單元的實(shí)現(xiàn)

回報(bào)檢測單元主要用來接收TE板返回的狀態(tài)回報(bào)信號，包括信號輸入輸出通道、信號采集電路、信號分析處理電路和通信回路。圖4所示為回報(bào)檢測單元結(jié)構(gòu)框圖。

圖3 脈沖編碼信號的結(jié)構(gòu)框圖

圖4 回報(bào)檢測單元結(jié)構(gòu)框圖

（1）信號采集電路

信號采集電路采用的可編程邏輯器件是VANTIS公司的MACH-192，主要用來采集TE板返回的回報(bào)信號，如圖5所示，可編程邏輯器件1和2構(gòu)成觸發(fā)器陣列，根據(jù)晶閘管工作所處的不同狀態(tài)，把TE板的回報(bào)信號鎖存到不同的觸發(fā)器。在一個周波中，TE板會有5個不同的狀態(tài)回報(bào)信號，在可編程邏輯器件中設(shè)置有5個不同的觸發(fā)器與之一一對應(yīng)，用于鎖存不同類型的回報(bào)信號。

可編程邏輯器件3和4構(gòu)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(bào)信號有選擇地呈現(xiàn)在可編程邏輯器件3、4的輸出端。BUFFER1—BUFFER4用于數(shù)據(jù)緩沖器，數(shù)據(jù)緩沖的作用是為了實(shí)現(xiàn)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(shù)據(jù)。

圖5 信號采集電路結(jié)構(gòu)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采集電路采集到的TE板回報(bào)信息進(jìn)行歸類處理。并把這些狀態(tài)信息通過通信回路發(fā)送到調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)。

信號分析處理電路主要是由MCU、程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、數(shù)據(jù)緩沖器和可編程邏輯陣列組成。對數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行分區(qū)存儲：一部分用于存儲瞬時數(shù)據(jù)，是MCU從信號采集電路中讀到的信號；一部分用于存儲永久數(shù)據(jù)，是經(jīng)過MCU處理后的數(shù)據(jù)。每個存儲區(qū)分成5個部分，用于存儲緊急觸發(fā)回路動作信號、負(fù)壓建立信號、dv/dt動作信號、晶閘管狀態(tài)信號和光發(fā)射電路狀態(tài)信號。

圖6所示為數(shù)據(jù)存儲器的分區(qū)存儲示意圖。存儲區(qū)的數(shù)據(jù)由VBE控制信號發(fā)生器的調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)模擬部分進(jìn)行監(jiān)測信息采集。

圖6 數(shù)據(jù)存儲器分區(qū)存儲示意圖

3 電力電子設(shè)備試驗(yàn)方法

晶閘管閥組和VBE機(jī)箱在投入使用前必須要進(jìn)行低壓試驗(yàn)，低壓試驗(yàn)通過之后，方可高壓帶電，否則會發(fā)生難以預(yù)料的事故。試驗(yàn)在電壓為AC 80～400V、電流為1～5A的低電壓條件下進(jìn)行，不會對晶閘管閥組和VBE箱體產(chǎn)生任何不利影響。

低壓試驗(yàn)核心目的是：①驗(yàn)證晶閘管閥組在低壓下的觸發(fā)、角度控制和監(jiān)測功能是否正常；②驗(yàn)證VBE機(jī)箱信號輸入、信號處理、信號輸出等是否正常。低壓試驗(yàn)主要包括單獨(dú)模式和復(fù)合模式兩種。

1）單獨(dú)模式（只使用VBE信號發(fā)生器）

圖7 單獨(dú)模式試驗(yàn)接線示意圖

單獨(dú)模式下可同時給一對反并聯(lián)的晶閘管進(jìn)行低壓試驗(yàn)。此時VBE信號發(fā)生器功能是模擬電力電子裝置控制系統(tǒng)的VBE機(jī)箱，發(fā)送的脈沖信號與正常工作時VBE機(jī)箱發(fā)送的信號是相同的。

VBE信號發(fā)生器可以同時接收被試驗(yàn)的一對晶閘管的TE板回報(bào)信號，通過將此回報(bào)信號作為TE板及對應(yīng)的晶閘管是否正常的判據(jù)。

2）復(fù)合模式（采用VBE信號發(fā)生器+VBE機(jī)箱）

圖8 復(fù)合模式試驗(yàn)接線示意圖

復(fù)合模式下在晶閘管閥組高壓試驗(yàn)之前，對晶閘管閥組先逐層進(jìn)行低壓試驗(yàn)來驗(yàn)證VBE機(jī)箱的好壞。此時VBE信號發(fā)生器的功能是模擬調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的控制器輸入輸出信號，主要有同步信號、觸發(fā)時刻信號等。而晶閘管的觸發(fā)信號是由VBE機(jī)箱發(fā)送給TE板的，TE板的回報(bào)信號接到VBE機(jī)箱上，由VBE機(jī)箱通過控制器局域網(wǎng)（controller area network, CAN）發(fā)送給工作站顯示出來。

4 結(jié)論

對于大型的電力電子設(shè)備，控制系統(tǒng)通常采用雙系統(tǒng)運(yùn)行，可靠性相對較高，通常不需要試驗(yàn)檢測。而晶閘管閥組、TE板、VBE機(jī)箱，冗余少，其發(fā)生故障容易引發(fā)重大事故，每次上電前必須進(jìn)行低壓試驗(yàn)。本文提出一種VBE信號發(fā)生器實(shí)現(xiàn)方案。

VBE控制信號發(fā)生器核心功能是模擬VBE機(jī)箱和調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的信號收發(fā)功能。試驗(yàn)在低壓條件下進(jìn)行，采用單獨(dú)模式可以檢測晶閘管和TE板的好壞；采用復(fù)合模式可以檢測VBE機(jī)箱的好壞。VBE信號發(fā)生器可以應(yīng)用于SVC、融冰裝置、可控串補(bǔ)裝置等大型電力電子設(shè)備的日常停電檢修、設(shè)備投運(yùn)試驗(yàn)等方面。