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(jí)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(huì)導(dǎo)致整個(gè)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(shí)地發(fā)現(xiàn)故障和必要的檢測(cè)手段就顯得非常重要，這使得電力電子設(shè)備的監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)系統(tǒng)的組成部分，主要功能是觸發(fā)與監(jiān)測(cè)。TE核心作用是觸發(fā)晶閘管的導(dǎo)通，同時(shí)監(jiān)測(cè)晶閘管的運(yùn)行狀態(tài)。晶閘管是晶體閘流管的簡(jiǎn)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(duì)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(shí)間后再重新投入使用時(shí)，需要對(duì)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(duì)性的低壓試驗(yàn)。

1 電力電子設(shè)備故障檢測(cè)

1）常用故障檢測(cè)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(cè)。

常用的故障檢測(cè)方法有：

• ①譜分析診斷法，即通過偵測(cè)電路信號(hào)，利用譜分析提取信號(hào)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(cè)電力電子關(guān)鍵功能單元的輸出波形，對(duì)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(shí)，對(duì)可能引起故障的原因進(jìn)行逐層逐個(gè)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(shí)采集的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，通過比對(duì)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(duì)系統(tǒng)的故障模式進(jìn)行分類，建立故障數(shù)據(jù)庫(kù)，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(cè)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(cè)、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(duì)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(gè)難題。

2）VBE、TE板及閥現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

在現(xiàn)場(chǎng)針對(duì)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(cè)，而VBE需要完備的控制信號(hào)方能滿足工作要求，這又要求測(cè)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(gè)電力電子驅(qū)動(dòng)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(hào)為脈沖編碼信息；從TE板回報(bào)到VBE的信號(hào)為晶閘管的狀態(tài)監(jiān)測(cè)信號(hào)。

（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(hào)為晶閘管的狀態(tài)信息、緊急觸發(fā)回路動(dòng)作信息、光發(fā)射電路的狀態(tài)信息、緊急合閘信號(hào)和VBE故障信號(hào)等；調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)送往VBE的信號(hào)為主回路晶閘管的觸發(fā)命令、電壓同步信號(hào)、閉鎖信號(hào)和主回路合閘信號(hào)。

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

本文提出一種“VBE控制信號(hào)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(hào)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(hào)，并接收回報(bào)監(jiān)測(cè)信息，目的是檢測(cè)VBE工作狀態(tài)；另一方面，VBE控制信號(hào)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(hào)，并接收TE板的狀態(tài)回報(bào)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)TE板和晶閘管的狀態(tài)檢測(cè)。

2 故障檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)

VBE控制信號(hào)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(hào)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(hào)、觸發(fā)角度控制等發(fā)送，VBE回報(bào)信號(hào)的接收和解析。VBE的模擬包括主從、檢測(cè)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(duì)VBE控制信號(hào)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(duì)比較容易實(shí)現(xiàn)，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理功能，包括VBE監(jiān)測(cè)信息接收和命令信號(hào)發(fā)送。VBE發(fā)送的監(jiān)測(cè)信息包括晶閘管的狀態(tài)信息、緊急觸發(fā)回路動(dòng)作信息、光電驅(qū)動(dòng)板上光發(fā)射電路的狀態(tài)信息、緊急跳閘信號(hào)和VBE故障信號(hào)等；發(fā)送到VBE的命令信號(hào)包括主回路晶閘管的觸發(fā)命令、電壓同步信號(hào)、閉鎖信號(hào)和主回路合閘信號(hào)。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(hào)生成電路

VBE控制信號(hào)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(cè)功能。VBE控制信號(hào)發(fā)生器的脈沖編碼信號(hào)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(hào)并生成脈沖編碼信號(hào)，時(shí)鐘電路為復(fù)雜可編程邏輯器件（complex programmable logic device, CPLD）提供工作時(shí)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(duì)應(yīng)AB相、BC相、CA相的編碼信號(hào)輸出。

2）回報(bào)檢測(cè)單元的實(shí)現(xiàn)

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

圖3 脈沖編碼信號(hào)的結(jié)構(gòu)框圖

圖4 回報(bào)檢測(cè)單元結(jié)構(gòu)框圖

（1）信號(hào)采集電路

信號(hào)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(hào)，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(hào)鎖存到不同的觸發(fā)器。在一個(gè)周波中，TE板會(huì)有5個(gè)不同的狀態(tài)回報(bào)信號(hào)，在可編程邏輯器件中設(shè)置有5個(gè)不同的觸發(fā)器與之一一對(duì)應(yīng)，用于鎖存不同類型的回報(bào)信號(hào)。

可編程邏輯器件3和4構(gòu)成一個(gè)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(hào)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(hào)分析處理電路中的微控制單元（micro controller unit,MCU）可以隨時(shí)讀取可編程邏輯器件3和4中的數(shù)據(jù)。

圖5 信號(hào)采集電路結(jié)構(gòu)圖

（2）信號(hào)分析處理電路

信號(hào)分析處理電路主要功能是將信號(hào)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(hào)分析處理電路主要是由MCU、程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)緩沖器和可編程邏輯陣列組成。對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行分區(qū)存儲(chǔ)：一部分用于存儲(chǔ)瞬時(shí)數(shù)據(jù)，是MCU從信號(hào)采集電路中讀到的信號(hào)；一部分用于存儲(chǔ)永久數(shù)據(jù)，是經(jīng)過MCU處理后的數(shù)據(jù)。每個(gè)存儲(chǔ)區(qū)分成5個(gè)部分，用于存儲(chǔ)緊急觸發(fā)回路動(dòng)作信號(hào)、負(fù)壓建立信號(hào)、dv/dt動(dòng)作信號(hào)、晶閘管狀態(tài)信號(hào)和光發(fā)射電路狀態(tài)信號(hào)。

圖6所示為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的分區(qū)存儲(chǔ)示意圖。存儲(chǔ)區(qū)的數(shù)據(jù)由VBE控制信號(hào)發(fā)生器的調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)模擬部分進(jìn)行監(jiān)測(cè)信息采集。

圖6 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分區(qū)存儲(chǔ)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(huì)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(huì)對(duì)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(cè)功能是否正常；②驗(yàn)證VBE機(jī)箱信號(hào)輸入、信號(hào)處理、信號(hào)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(hào)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(shí)給一對(duì)反并聯(lián)的晶閘管進(jìn)行低壓試驗(yàn)。此時(shí)VBE信號(hào)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(hào)與正常工作時(shí)VBE機(jī)箱發(fā)送的信號(hào)是相同的。

VBE信號(hào)發(fā)生器可以同時(shí)接收被試驗(yàn)的一對(duì)晶閘管的TE板回報(bào)信號(hào)，通過將此回報(bào)信號(hào)作為TE板及對(duì)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(hào)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(duì)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(shí)VBE信號(hào)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(hào)，主要有同步信號(hào)、觸發(fā)時(shí)刻信號(hào)等。而晶閘管的觸發(fā)信號(hào)是由VBE機(jī)箱發(fā)送給TE板的，TE板的回報(bào)信號(hào)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(duì)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(duì)較高，通常不需要試驗(yàn)檢測(cè)。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(hào)發(fā)生器實(shí)現(xiàn)方案。

VBE控制信號(hào)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(hào)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(cè)晶閘管和TE板的好壞；采用復(fù)合模式可以檢測(cè)VBE機(jī)箱的好壞。VBE信號(hào)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。