換流站控制保護(hù)系統(tǒng)冗余性研究及其可用性分析

俞曉冬，王麗麗，戴迪

(1．湖北省電力公司檢修分公司，湖北 武漢 430064;2．三峽電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

換流站控制保護(hù)系統(tǒng)冗余性研究及其可用性分析

俞曉冬1，王麗麗2，戴迪1

(1．湖北省電力公司檢修分公司，湖北 武漢 430064;2．三峽電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

全面分析了換流站的控制保護(hù)系統(tǒng)的冗余性結(jié)構(gòu)，并以三常直流所采用的MACH2系統(tǒng)為例，詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)控制保護(hù)的冗余結(jié)構(gòu)及其冗余特性的具體實(shí)現(xiàn)，最后通過建立合理的控制保護(hù)設(shè)備故障數(shù)學(xué)模型，計(jì)算出了冗余系統(tǒng)的可靠性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于非冗余的控制保護(hù)系統(tǒng)。

MACH2;冗余;故障

1 引言

MACH2(Modular advanced control HVDC＆SVC 2ndedition)系統(tǒng)稱為超高壓直流以及輸電以及靜態(tài)無功補(bǔ)償?shù)诙K化高級(jí)控制系統(tǒng)，是ABB公司開發(fā)的用于輸電工程的一種控制保護(hù)系統(tǒng)。MACH2系統(tǒng)是一種基于軟件和硬件的開發(fā)平臺(tái)，也是一種適用于直流輸電的控制保護(hù)系統(tǒng)。MACH2系統(tǒng)采用基于PC的技術(shù)方案，其硬件系統(tǒng)以多處理器的工業(yè)PC作為主計(jì)算機(jī)，通過PCI總線擴(kuò)展高性能外圍設(shè)備控制模板構(gòu)成。該方案具有處理速度高、功能強(qiáng)大和PC系列標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備易于功能擴(kuò)展，以及可以得到第三方豐富的資源支持等特點(diǎn)?？刂票Ｗo(hù)系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的接口采用光纖介質(zhì)的CAN、TDM和HDLC等高性能現(xiàn)場(chǎng)總線，使系統(tǒng)具有可靠性高、組態(tài)靈活，整個(gè)系統(tǒng)表現(xiàn)為基于網(wǎng)絡(luò)的分布式結(jié)構(gòu)。軟件采用圖形化編程和調(diào)試工具，界面友好、程序可讀性高，修改、調(diào)試和維護(hù)方便，效率高［1］。系統(tǒng)采用完全冗余配置并具有完備的自檢功能，極大地提高了系統(tǒng)的可靠性和可用率。

本文以三常直流為例詳細(xì)介紹三常直流的控制保護(hù)系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)，并以ABB公司的MACH2直流控制保護(hù)系統(tǒng)為例，對(duì)直流控制保護(hù)系統(tǒng)的冗余性做深入分析，并通過計(jì)算得出了這種分層設(shè)計(jì)的冗余控制保護(hù)系統(tǒng)可以顯著的提高直流控制保護(hù)系統(tǒng)的可靠性。

2 MACH2系統(tǒng)冗余性分析

MACH2系統(tǒng)包括冗余的ACP，AFP和PCP主機(jī)。對(duì)于用CAN和TDM總線相互連接的主機(jī)，分布式I/O和子系統(tǒng)，總線均采用冗余配置。下面將分別對(duì)這些MACH2系統(tǒng)的冗余特性展開深入探討。

2.1 分布式I/O系統(tǒng)的冗余

冗余的ACP，AFP，或PCP系統(tǒng)的接口是安放在獨(dú)立的屏柜內(nèi)的遠(yuǎn)方或分布式I/O系統(tǒng)，這些屏柜按距離和設(shè)計(jì)要求或靠近相關(guān)的主回路設(shè)備或在中央控制室里。為了避免任何可能的干擾，設(shè)備的不同層場(chǎng)總線連接采用光纜[2]。

分布式I/O系統(tǒng)包括交流場(chǎng)(ACP和AFT)I/O、直流場(chǎng)(DFT)I/O、交流濾波器保護(hù)(AFP)I/O、換流變壓器(TFT)I/O、平波電抗器(SRCI)I/O。分布式I/O系統(tǒng)完全冗余，且通過兩個(gè)雙重化現(xiàn)場(chǎng)總線連接到上一級(jí)層。不同于ACP、AFP或PCP系統(tǒng)，雙重分布式I/O系統(tǒng)總處于運(yùn)行狀態(tài)，即雙通道運(yùn)行。對(duì)I/O系統(tǒng)，所有主回路的測(cè)量傳感器這樣連接，即每個(gè)I/O系統(tǒng)從獨(dú)立的互感器線圈引入測(cè)量量。如果只有一個(gè)線圈，應(yīng)將它連接到兩個(gè)系統(tǒng)中，確保運(yùn)行時(shí)一個(gè)I/O系統(tǒng)的輸入回路出現(xiàn)問題時(shí)，不影響其他I/O系統(tǒng)的工作。

I/O的測(cè)量通道一直處于被監(jiān)測(cè)中。如果檢測(cè)到異常將發(fā)出報(bào)警，可能的話切換到另一系統(tǒng)(是否切換由故障嚴(yán)重程度決定)。

類似于測(cè)量通道，對(duì)分布式I/O系統(tǒng)，所有進(jìn)、出開關(guān)場(chǎng)的開關(guān)量均被聯(lián)接到兩個(gè)冗余系統(tǒng)中。從主設(shè)備出來，兩個(gè)I/O系統(tǒng)始終處于運(yùn)行狀態(tài)。例如，到斷路器的跳閘信號(hào)，正常時(shí)會(huì)被兩個(gè)系統(tǒng)同時(shí)執(zhí)行。

2.2 分布式子系統(tǒng)的冗余

分布式子系統(tǒng)與分布式I/O系統(tǒng)使用相同的硬件，唯一不同的是子系統(tǒng)有自己的控制或保護(hù)功能?？刂票Ｗo(hù)功能被下放到子系統(tǒng)中，就意味著在A、B子系統(tǒng)間必須有自己的切換邏輯和交叉的通訊通道。在這系統(tǒng)層進(jìn)行切換不會(huì)影響其它系統(tǒng)，如PCP系統(tǒng)。

分布式子系統(tǒng)通訊接口原理圖如圖1所示。

圖1 分布式子系統(tǒng)

由于系統(tǒng)間的距離很短，系統(tǒng)間交叉連接的現(xiàn)場(chǎng)總線采用電氣連接(CAN4)。CAN4是獨(dú)立的，并且不出柜體。它與I/O機(jī)箱背板的CAN1(和CAN2)電氣隔離。橋的功能在PS832板中用軟件實(shí)現(xiàn)。

2.3 CAN總線的冗余

在冗余的PCP，ACP和AFP系統(tǒng)中，CAN總線被用作I/O控制總線。這些總線彼此間完全隔離。PCP系統(tǒng)總線數(shù)據(jù)被冗余配置的雙CAN總線處理，見圖3。這種配置中，分布式I/O系統(tǒng)被聯(lián)接到各自控制柜［3］。這樣可以實(shí)現(xiàn)任何保護(hù)動(dòng)作的雙重跳閘通道。因此，在完成保護(hù)啟動(dòng)的切換后，雙跳閘通道總是有效。切換只在主計(jì)算機(jī)層產(chǎn)生，分布式I/O系統(tǒng)總處于運(yùn)行狀態(tài)。

圖2 PCPCAN網(wǎng)絡(luò)配置

在CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，任何一個(gè)應(yīng)用程序(CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的軟件功能)都能方便地與另一應(yīng)用程序通訊，只要簡(jiǎn)單使用信號(hào)發(fā)送和接受軟件功能塊。

現(xiàn)場(chǎng)總線的運(yùn)行情況也受故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)視，通過連續(xù)的讀寫系統(tǒng)中單獨(dú)的節(jié)點(diǎn)來發(fā)現(xiàn)故障。發(fā)現(xiàn)故障時(shí)，產(chǎn)生報(bào)警并切換到備用系統(tǒng)。

2.4 TDM總線的冗余

MACH2系統(tǒng)中的TDM總線是單向總線類型，用于高速傳輸測(cè)量信號(hào)。兩個(gè)數(shù)字處理器的端口按點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式聯(lián)接(DSP－DSP聯(lián)接)。類似于CAN總線一樣，該總線采用雙重化以實(shí)現(xiàn)冗余，見圖3。這里遠(yuǎn)方或分布式I/O的A和B相應(yīng)連接到A和B柜［4］。

圖3 TDM網(wǎng)絡(luò)配置

3 可靠性分析

對(duì)MACH2這樣一個(gè)復(fù)雜的HVDC控制保護(hù)系統(tǒng)做出完整的可用性分析是很困難的。為了完成可用性分析，需進(jìn)行一些假設(shè)，這些假設(shè)是建立在該領(lǐng)域的大量經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上。下面以三常直流為例通過計(jì)算來分析MACH2的冗余性配置對(duì)系統(tǒng)可靠運(yùn)行的意義。

3.1 故障模式可用分析

HVDC極控制保護(hù)設(shè)備可分為三個(gè)主要模塊:極控制和保護(hù)(PCP 柜)、閥控制(VCA，VCB，VCC)、分布式I/O系統(tǒng)(包括雙極相關(guān)I/O)。

(1)主極控制和保護(hù)

極控制和保護(hù)A和B是雙重柜。每個(gè)PCP有兩個(gè)主計(jì)算機(jī)?？刂坪捅Ｗo(hù)裝置1(P1)，保護(hù)裝置2(P2)。P1和P2柜通常啟動(dòng)切換作為第一操作。濾波器保護(hù)、換流變壓器中的一些保護(hù)，總是運(yùn)行狀態(tài)。

兩個(gè)PCP單元之一在運(yùn)行狀態(tài)，另一個(gè)備用。如果運(yùn)行系統(tǒng)出現(xiàn)故障，備用被切入。每個(gè)單元都有切換功能。無公用設(shè)備，除了兩單元之間的交叉聯(lián)接總線。如果這些總線故障，只失去備用系統(tǒng)，HVDC系統(tǒng)的運(yùn)行不受影響。

有些保護(hù)在兩個(gè)PCP系統(tǒng)中都運(yùn)行，它們獨(dú)立于兩個(gè)PCP系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。就是說對(duì)這些保護(hù)之一的測(cè)量系統(tǒng)故障，有理論上的誤跳閘風(fēng)險(xiǎn)。這種誤跳幾率從運(yùn)行實(shí)際中得到是小于0.4*10－6f/h，比如，從站運(yùn)行統(tǒng)計(jì)已有2，500，000運(yùn)行小時(shí)無誤跳紀(jì)錄［5］。

雙極設(shè)備的保護(hù)分布在極層，例如包括在P1的保護(hù)只跳自己極。就是說雙極保護(hù)對(duì)該種保護(hù)無誤跳風(fēng)險(xiǎn)(如果存在雙極)。

(2)閥控制

閥控制位于三個(gè)柜中，每個(gè)閥組有一個(gè)控制單元?？刂茊卧暮诵脑浑p重化，且和PCP的切換是統(tǒng)一的。光發(fā)送和接收，及一些供電設(shè)備無需雙重化，但他們滿足單元故障時(shí)不會(huì)影響運(yùn)行(單元指晶閘管和它的光發(fā)送和接收，及一些供電設(shè)備)。因此，在閥控的非雙重化部分，系統(tǒng)故障的概率按計(jì)算可減少到0.05*λ。

(3)I/O系統(tǒng)

在控制保護(hù)中，直流場(chǎng)終端(DFT)，變壓器保護(hù)的I/O、濾波器保護(hù)的I/O都是雙重化的冗余配置。

(4)未被發(fā)現(xiàn)的軟件錯(cuò)誤

盡管采取了種種措施，未被發(fā)現(xiàn)的軟件錯(cuò)誤不可避免?；谶\(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，并通過計(jì)算，可能最大的雙極跳閘概率是在試運(yùn)行后的第一個(gè)三年內(nèi)出現(xiàn)。軟件錯(cuò)誤只會(huì)發(fā)生一次，糾正后不再出現(xiàn)，因此造成的不可用性會(huì)逐年遞減。PCP系統(tǒng)未被發(fā)現(xiàn)的軟件錯(cuò)誤而導(dǎo)致強(qiáng)迫停運(yùn)的概率是0.33次跳閘/每年(37.7*10－6次/小時(shí))。

3.2 計(jì)算

下面將根據(jù)上面分析的MACH2系統(tǒng)冗余結(jié)構(gòu)來計(jì)算出這種冗余結(jié)構(gòu)的可靠性，為了方便計(jì)算事先對(duì)一些板卡及主機(jī)的故障率做出一些合理的假設(shè)，建立相應(yīng)的系統(tǒng)故障數(shù)學(xué)模型。下面將平均故障時(shí)間(MTBF)按回路和工控機(jī)的不同類型作出不同假設(shè)［6］。

表1 換流站控保設(shè)備平均故障時(shí)間表

根據(jù)表1假設(shè)，結(jié)合三常直流控制保護(hù)主機(jī)及I/O板卡的實(shí)際配置情況可以大致估算出每種不同設(shè)備的故障率，同時(shí)假設(shè)測(cè)量設(shè)備故障率是40%，則有表2:

表2 設(shè)備故障率

維修時(shí)間r=平均維修時(shí)間(MTTR)+維護(hù)時(shí)間=(1+2)h=3小時(shí)。

以上便建立了完整的換流站控制保護(hù)設(shè)備可靠性分析數(shù)學(xué)模型，根據(jù)以上模型下面將分別計(jì)算出單系統(tǒng)和冗余系統(tǒng)的可靠性，并做出分析比較。下面將分別以換流變或?yàn)V波器保護(hù)以及極控制保護(hù)為例來進(jìn)行可靠性計(jì)算。

(1)換流變保護(hù)及濾波器保護(hù)可用性分析

圖4 單系統(tǒng)換流變及濾波器保護(hù)可用條件關(guān)系圖

換流站的換流變保護(hù)及濾波器保護(hù)均配置在保護(hù)主機(jī)之內(nèi)，除保護(hù)主機(jī)內(nèi)部故障會(huì)導(dǎo)致保護(hù)不可用外，與保護(hù)主機(jī)相連的保護(hù)I/O板卡及保護(hù)主機(jī)上運(yùn)行的軟件發(fā)生故障均會(huì)導(dǎo)致?lián)Q流變保護(hù)及濾波器保護(hù)不可用，圖4為單系統(tǒng)換流變及濾波器保護(hù)可用的必備條件框圖。

由上圖及表2可以計(jì)算出但系統(tǒng)保護(hù)的故障率。

由故障率與維修時(shí)間可以推得單系統(tǒng)保護(hù)的年不可用時(shí)間為:

λTFP/AFP*r=0.45*3=13.5(小時(shí)/年)

圖5 冗余系統(tǒng)換流變及濾波器保護(hù)可用條件關(guān)系圖

圖5為雙系統(tǒng)冗余配置的換流變及濾波器保護(hù)，由上圖計(jì)算出的冗余配置保護(hù)的故障率為:

推得雙系統(tǒng)冗余配置的換流變及濾波器保護(hù)年不可用時(shí)間為:

λTFP/AFP*r=0.3302*3=0.9906(小時(shí)/年)

(2)極控制保護(hù)、閥控和I/O系統(tǒng)可用性分析

圖6 極控保護(hù)閥控及I/O系統(tǒng)可用條件關(guān)系圖

圖6是以三常直流控制保護(hù)的實(shí)際情況畫出的極控保護(hù)、閥控及I/O系統(tǒng)可用條件關(guān)系圖，通過該圖可以清晰的看到三常直流的控制保護(hù)系統(tǒng)是雙重化冗余配置的，根據(jù)上圖可以計(jì)算出該系統(tǒng)的可用性為:

若系統(tǒng)為單系統(tǒng)，即相當(dāng)于圖6中的B系統(tǒng)不可用則可計(jì)算出故障率為:

對(duì)上面的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行匯總見表3。

表3 單系統(tǒng)及冗余系統(tǒng)可用率對(duì)照表

表3可以看出雙系統(tǒng)控制保護(hù)相對(duì)于單系統(tǒng)控制保護(hù)的可靠性有了大幅提高，這對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行有著重要意義。

4 總結(jié)與展望

本文對(duì)三常直流的控制軟件中的冗余性進(jìn)行了分析，詳細(xì)介紹了整個(gè)控制保護(hù)系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)，并通過深入分析和計(jì)算證明了冗余系統(tǒng)的可靠性。

本文只是對(duì)控制保護(hù)設(shè)備的冗余配置做了簡(jiǎn)單的可靠性分析，控制保護(hù)系統(tǒng)僅僅以 ABB公司的MACH2系統(tǒng)為例，沒能全面的介紹目前直流系統(tǒng)所采用的控制保護(hù)系統(tǒng)，對(duì)整個(gè)MACH2系統(tǒng)的細(xì)節(jié)還介紹的不夠全面。因此，研究控制保護(hù)軟件的工作還要繼續(xù)深入。

［1］ 國家電網(wǎng)公司編．三峽－常州±500kV直流輸電工程－換流站［M］．中國電力出版社，2004．

［2］ K-G Danlelsson．Software Overview Diagram Zhengping Converter Station［E］．ABB Group，2001．

［3］ K-G Danlelsson．CAN Bus Overview Diagram Zhengping Converter Station［E］．ABB Group，2001．

［4］ K-G Danlelsson．TDM Bus Overview Diagram Zhengping Converter Station［E］．ABB Group，2001．

［5］ 任震，武娟，陳麗芳．高壓直流輸電可靠性性評(píng)估的等效模型．電力系統(tǒng)自動(dòng)化［J］，1999．

［6］ 陳永進(jìn)，任震，梁振升，等．高壓直流輸電系統(tǒng)可靠性評(píng)估容量模型研究［J］．

Research on the Redundancy in the Control and Protection System of the Converter Station

YU Xiao-dong，WANG Li-li，DANGDi
(1．Hubei Inspection Branch of Electril Pow Company，Wuhan 430064，China;2．Vocational and Technical School of Sanxia Power，Yichang 443002，China)

This paper presents the redundant structure of control and protection system for converter station．Taking the MACH2 system as an example，the paper introduces the redundant structure of the system and how to realize it．At last，it proved to be a bettermethod by establishing a appropriatemathematicalmodel．

MACH2;redundancy;fault

TM921

B

1004－289X(2013)04－0029－04

2012－08－06

俞曉冬(1976－)，工程師研究方向:直流輸電技術(shù);

戴迪(1983－)，碩士，研究方向:電力系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè);

王麗麗(1981)，碩士，研究方向:電力設(shè)備狀態(tài)檢修。