特高壓DCC800直流控制保護(hù)系統(tǒng)監(jiān)視策略和切換邏輯的研究

賈軒濤 馮 雷 周玉勇 劉星星 宋延濤

（許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000）

在遠(yuǎn)距離、大功率輸電方式中，特高壓直流輸電具有顯著的特點(diǎn)和優(yōu)越性。目前國(guó)內(nèi)已有數(shù)個(gè)特高壓直流輸電工程投入正式運(yùn)行，其中向家壩-上?！?00kV 特高壓直流輸電工程（向上工程）和錦屏-蘇南±800kV 特高壓直流輸電工程（錦蘇工程）中直流控制保護(hù)系統(tǒng)采用ABB 公司最新一級(jí)的硬件平臺(tái)——DCC800 系統(tǒng)。

DCC800 采用先進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)的微處理器和數(shù)字信號(hào)處理器構(gòu)成的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，用于特高壓直流輸電的直流控制和直流保護(hù)系統(tǒng)。為了進(jìn)一步提高特高壓直流輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，直流控制系統(tǒng)采用冗余配置，一主一備；直流保護(hù)系統(tǒng)采用三重化，保護(hù)出口為三取二邏輯[1-2]。

在特高壓直流輸電工程中，控制保護(hù)系統(tǒng)分為三個(gè)層次，分別為：Bipole Control and Protection 雙極層控制保護(hù)（BCPA、BCPB、BPC）、Pole Control and Protection 極層控制保護(hù)（PCPA、PCPB、PCPC）、Converter Control and Protection 閥組層控制保護(hù)（CCPA、CCPB、CPC）。控制保護(hù)主機(jī)通過(guò)ETDM總線與其測(cè)量系統(tǒng)I/O 單元和開(kāi)關(guān)接口I/O 單元進(jìn)行通信，以雙極層控制保護(hù)系統(tǒng)為例，DCC800 主機(jī)配置如圖1所示。

圖1 雙極層DCC800 主機(jī)配置示意圖

DCC800 控制保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)有強(qiáng)大的自檢功能。系統(tǒng)所有重要的功能模塊都實(shí)時(shí)受到監(jiān)測(cè)，相應(yīng)的故障時(shí)會(huì)發(fā)送至SCADA（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)），所有的報(bào)警都會(huì)出現(xiàn)在OWS（運(yùn)行人員工作站）顯示屏幕上，清晰的報(bào)告控制保護(hù)系統(tǒng)的哪一部分發(fā)出的報(bào)警。當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，根據(jù)其嚴(yán)重等級(jí)，控制保護(hù)系統(tǒng)會(huì)及時(shí)進(jìn)行響應(yīng)，在最大程度上保證特高壓直流輸電的安全運(yùn)行[3]。

1 監(jiān)視策略

DCC800 系統(tǒng)監(jiān)視的目的是對(duì)控制保護(hù)系統(tǒng)內(nèi)的所有硬件模塊進(jìn)行跟蹤監(jiān)視，在故障發(fā)生時(shí)產(chǎn)生報(bào)警并根據(jù)其故障等級(jí)引起系統(tǒng)切換等動(dòng)作響應(yīng)。在某些情況下，系統(tǒng)監(jiān)視也會(huì)對(duì)與硬件密切相關(guān)的一些軟件模塊進(jìn)行監(jiān)視。從根本上來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)監(jiān)視與保護(hù)的功能是不同的，系統(tǒng)監(jiān)視也不會(huì)去處理保護(hù)產(chǎn)生的信號(hào)。系統(tǒng)監(jiān)視只會(huì)監(jiān)視控制保護(hù)系統(tǒng)本身，不會(huì)去監(jiān)視一次設(shè)備。

系統(tǒng)監(jiān)視的很大一部分工作是對(duì)DCC800 主機(jī)自身硬件進(jìn)行監(jiān)視，包括主CPU、PCI 板卡、主機(jī)溫度、主機(jī)風(fēng)扇運(yùn)行狀況和主機(jī)通信狀況等。其中對(duì)主機(jī)CPU 運(yùn)行的監(jiān)視功能位于PCIA 板卡（板卡名稱為PS803）內(nèi)的MPC8245 處理器，該處理器連續(xù)檢查CPU 寫(xiě)進(jìn)數(shù)據(jù)的狀態(tài)（包括MPC564 處理器狀態(tài)、MPC8245 處理器狀態(tài)和主程序各個(gè)線程運(yùn)行狀態(tài)）。一旦檢測(cè)到有死機(jī)狀況，則發(fā)出切換或后備跳閘信號(hào)起動(dòng)。

eTDM 總線（ABB 公司DCC800 系統(tǒng)間的一種專用通信總線）的應(yīng)用是向上、錦蘇特高壓工程中的一大特點(diǎn)，其主要用途是提供DCC800 主機(jī)間以及DCC800 主機(jī)與其分布式I/O（輸入/輸出裝置）的數(shù)據(jù)交換通道。系統(tǒng)監(jiān)視功能包含對(duì)eTDM 總線的監(jiān)視。eTDM 是一種高速，單芯，光纖數(shù)據(jù)通道，用于傳輸模擬量和開(kāi)關(guān)量。由于通道的高速特性，可以把來(lái)自于I/O 的二進(jìn)制CAN 數(shù)據(jù)疊加在eTDM總線上一起傳輸。eTDM 總線具有數(shù)據(jù)傳輸容量大，低傳輸周期，無(wú)節(jié)點(diǎn)運(yùn)行的特點(diǎn)。這在給特高壓直流輸電控制系統(tǒng)提供高帶寬的測(cè)量信號(hào)時(shí)顯得很有必要。每個(gè)eTDM 總線每秒可以傳輸超過(guò)300000個(gè)采樣值（每3μs 一個(gè)采樣值）?？刂坪捅Ｗo(hù)系統(tǒng)中接收eTDM 的節(jié)點(diǎn)會(huì)對(duì)該總線進(jìn)行監(jiān)視，檢測(cè)到故障后將會(huì)產(chǎn)生報(bào)警并切換到備用系統(tǒng)。在需要雙向傳輸?shù)牡胤剑枰渲脙筛鵨TDM 光纖，分別用于傳輸一個(gè)方向的數(shù)據(jù)[4-5]。

在直流控制和保護(hù)系統(tǒng)中，測(cè)量回路所提供的精確采樣信號(hào)，是閉環(huán)控制和保護(hù)動(dòng)作的主要依據(jù)。因此，對(duì)控制保護(hù)系統(tǒng)內(nèi)測(cè)量元件監(jiān)視功能也顯得尤為重要。對(duì)于常規(guī)交流CT 的測(cè)量監(jiān)視，測(cè)量板卡采集3 相電流和1 路零序電流，通過(guò)所采集到的3 相電流值計(jì)算出零序電流后與實(shí)際零序電流相比較，當(dāng)差值大于設(shè)定值后即判斷出該測(cè)量板卡故障；直流場(chǎng)的直流分壓器和直流CT（零磁通）最終轉(zhuǎn)換為直流電壓信號(hào)接入相應(yīng)的測(cè)量元件，通過(guò)一塊測(cè)量板卡的兩個(gè)通道同時(shí)采集一路直流信號(hào)源進(jìn)行比較，如果該差值大于設(shè)定值后即判斷出相應(yīng)的測(cè)量元件故障。

也有相當(dāng)數(shù)量的一些設(shè)備的監(jiān)視是由其他監(jiān)視系統(tǒng)來(lái)完成的，比如電源模塊。這些監(jiān)視系統(tǒng)隨著模塊和設(shè)備的不同而有所區(qū)別。

所有監(jiān)視到的故障被分為三個(gè)級(jí)別，輕微、嚴(yán)重和緊急。每個(gè)級(jí)別產(chǎn)生的系統(tǒng)響應(yīng)也不一致，有的引起系統(tǒng)切換，有的引起報(bào)警。控制系統(tǒng)間的切換邏輯確保兩個(gè)系統(tǒng)間的最完好系統(tǒng)處于 Active（值班）狀態(tài)。處于Active 狀態(tài)的保護(hù)系統(tǒng)，根據(jù)不同級(jí)別的故障，發(fā)出告警信息或者退出Active 狀態(tài)，從而降低了保護(hù)誤動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)[6]。

1）輕微故障

典型的輕微故障包括：主機(jī)中的溫度報(bào)警或者風(fēng)扇故障、自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)報(bào)警、冗余電源故障、不關(guān)鍵通信路徑故障等。

2）嚴(yán)重故障

典型的嚴(yán)重故障包括：CAN 節(jié)點(diǎn)故障、雙電源模塊故障、光接口板激光功率故障等。

3）緊急故障

典型的緊急故障包括：PCI 板卡上的486 停止工作、CFC（換流器觸發(fā)控制）故障、閥控故障、主CPU 停止工作、eTDM 總線故障、重要模擬量的測(cè)量回路故障等。

2 切換邏輯

直流控制系統(tǒng)中，負(fù)責(zé)系統(tǒng)切換的有效備用邏輯位于PS932 板卡中。在該板卡上，兩個(gè)系統(tǒng)通過(guò)全雙工的通道實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間的通信。兩系統(tǒng)的狀態(tài)信號(hào)相互交換，以滿足需要時(shí)的系統(tǒng)間的快速安全切換的要求。這一邏輯保證任何時(shí)候只有一個(gè)系統(tǒng)處于值班狀態(tài)。由于系統(tǒng)間采用冗余的通信通道，即使失去一路系統(tǒng)間的通信通道也不會(huì)影響切換邏輯。這一原則如圖2所示。

圖2 直流控制冗余系統(tǒng)監(jiān)視示意圖

2.1 備用系統(tǒng)監(jiān)視（STM）

備用系統(tǒng)監(jiān)視的主要任務(wù)包括下述內(nèi)容：

1）確保值班和備用系統(tǒng)間的安全切換。

2）在非值班的故障系統(tǒng)中復(fù)位備用。

3）更新某些在系統(tǒng)切換過(guò)程中對(duì)于維持直流系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行非常重要的信號(hào)。值班系統(tǒng)總會(huì)通過(guò)冗余的系統(tǒng)間通信通道更新備用系統(tǒng)，更新的信號(hào)主要包含一些狀態(tài)信號(hào)和一些積分器的輸出。備用系統(tǒng)通過(guò)這些信號(hào)獲得正確的初始值，從而確保系統(tǒng)切換后，運(yùn)行中的直流系統(tǒng)不產(chǎn)生大的波動(dòng)。

4）來(lái)自值班系統(tǒng)的一些重要信號(hào)會(huì)和備用系統(tǒng)的相應(yīng)信號(hào)作比較，如果兩者相差太大，會(huì)產(chǎn)生復(fù)位備用系統(tǒng)的操作。這一操作會(huì)在備用系統(tǒng)中完成，以來(lái)自值班系統(tǒng)的信號(hào)作為參考值[7-8]。

STM（備用系統(tǒng)監(jiān)視）功能在備用系統(tǒng)中值班。它會(huì)比較值班和備用系統(tǒng)中重要的信號(hào)，保持備用系統(tǒng)始終跟隨值班系統(tǒng)，隨時(shí)準(zhǔn)備獲得對(duì)直流系統(tǒng)的控制。這一措施是為了保證系統(tǒng)切換時(shí)對(duì)一次運(yùn)行系統(tǒng)不產(chǎn)生擾動(dòng)。STM 比較兩系統(tǒng)的某些值，如點(diǎn)火角指令和直流指令，發(fā)現(xiàn)較大的差異后，會(huì)復(fù)位備用系統(tǒng)。通過(guò)這種方式可以檢測(cè)到備用系統(tǒng)中的異常情況，使得切換到故障系統(tǒng)的幾率降低到最小。

2.2 控制保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)及手動(dòng)切換

控制保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)包括值班（Active），熱備用（Standby），退出（Off）和測(cè)試（Test）四種狀態(tài)，控制保護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和不同運(yùn)行狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換如圖3所示。根據(jù)系統(tǒng)監(jiān)視中不同的故障等級(jí)控制保護(hù)系統(tǒng)產(chǎn)生系統(tǒng)切換，保證最健全的系統(tǒng)為主系統(tǒng)，此時(shí)外部的保護(hù)系統(tǒng)用來(lái)產(chǎn)生相應(yīng)的事件，而不是用來(lái)起動(dòng)控制系統(tǒng)切換。

1）控制系統(tǒng)狀態(tài)（MC1）

控制系統(tǒng)主機(jī)在退出狀態(tài)時(shí)，控制系統(tǒng)讀入輸入信號(hào)，但沒(méi)有任何輸出。在備用狀態(tài)，控制系統(tǒng)的一些重要的控制值由值班系統(tǒng)隨時(shí)更新，在值班系統(tǒng)故障時(shí)備用系統(tǒng)能夠立刻接管對(duì)一次設(shè)備的控制。在值班狀態(tài)，控制系統(tǒng)是真正起控制作用的系統(tǒng)。如果MC1 中有一些保護(hù)功能，則同樣只有處于ACTIVE 狀態(tài)的主機(jī)中的保護(hù)才能起作用。

圖3 直流控制保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)切換示意圖

2）保護(hù)系統(tǒng)狀態(tài)（MC2）

保護(hù)系統(tǒng)主機(jī)存在三個(gè)狀態(tài)，分別是值班（ACTIVE），退出（OFF）和測(cè)試（TEST）。在退出狀態(tài)，保護(hù)系統(tǒng)讀入輸入信號(hào)，但沒(méi)有任何輸出。在值班狀態(tài)，保護(hù)的輸入和輸出均有效，隨時(shí)可以對(duì)出現(xiàn)的故障產(chǎn)生動(dòng)作。

3）屏柜狀態(tài)

測(cè)試狀態(tài)可以看成是屏柜狀態(tài)。測(cè)試狀態(tài)的前提是MC1 和MC2 均處于退出狀態(tài)。當(dāng)MC1 和MC2進(jìn)入測(cè)試狀態(tài)后，整個(gè)屏柜即和其他系統(tǒng)隔離開(kāi)。如果MC1 或者M(jìn)C2 斷電，則另外一臺(tái)主機(jī)可以切入TEST 狀態(tài)。同一面屏柜內(nèi)的控制和保護(hù)系統(tǒng)不能分別設(shè)為TEST 狀態(tài)，為了避免維護(hù)過(guò)程中預(yù)想不到的誤操作，整個(gè)系統(tǒng)要一起設(shè)為TEST。

4）運(yùn)行人員起動(dòng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換

OWS 是發(fā)出控制保護(hù)系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換命令的主要途徑。每個(gè)主機(jī)上也有一個(gè)狀態(tài)指示面板（SIP），可在特別情況下用于狀態(tài)轉(zhuǎn)換。當(dāng)MC1 和MC2 均處于OFF 狀態(tài)，可以通過(guò)OWS 或MC1 或MC2 上狀態(tài)指示面板上的TEST 按鈕，發(fā)出切換到TEST狀態(tài)的命令。任何情況下，控制和保護(hù)均切換到了TEST 狀態(tài)。以控制主機(jī)為例，運(yùn)行人員可以實(shí)現(xiàn)下表中的主機(jī)狀態(tài)切換。

表1 控制保護(hù)主機(jī)狀態(tài)切換表

2.3 控制保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的自動(dòng)切換

DCC800 控制保護(hù)系統(tǒng)具有完善的系統(tǒng)監(jiān)視功能，根據(jù)所監(jiān)視到的故障等級(jí)會(huì)引起相應(yīng)的控制保護(hù)主機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)切換。

輕微故障是指不會(huì)危及直流輸電系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行的故障。輕微故障不會(huì)影響任何重要的控制或者保護(hù)功能。值班系統(tǒng)中出現(xiàn)輕微故障會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)切換，如果另一系統(tǒng)可用，且無(wú)輕微故障。先前的值班系統(tǒng)將退到備用狀態(tài)，即輕微故障不會(huì)導(dǎo)致該系統(tǒng)退出備用狀態(tài)，以保證新的值班系統(tǒng)中出現(xiàn)更加嚴(yán)重的故障時(shí)可以切換回來(lái)。

嚴(yán)重故障將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)切換或者退出備用，這將取決于出現(xiàn)嚴(yán)重故障的系統(tǒng)處于值班還是備用。如果此時(shí)備用系統(tǒng)不可用，則將會(huì)僅僅發(fā)出報(bào)警，直流輸電系統(tǒng)會(huì)繼續(xù)運(yùn)行。

緊急故障首先會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)退出備用或者系統(tǒng)切換，取決于故障系統(tǒng)先前是處于備用還是值班狀態(tài)。如果另一系統(tǒng)不能切換到值班或者有同樣故障，將會(huì)采取以下措施[9-11]：

1）閉鎖換流器，逆變側(cè)如果故障是在觸發(fā)回路中，將會(huì)緊急觸發(fā)旁通對(duì)。

2）跳開(kāi)交流斷路器。

DCC800 的系統(tǒng)監(jiān)視功能覆蓋了所有的硬件單元，包括其分布式I/O 單元。以閥組層控制保護(hù)系統(tǒng)為例，見(jiàn)圖4，當(dāng)控制系統(tǒng)和保護(hù)系統(tǒng)共用部分CMI（閥組測(cè)量接口屏）測(cè)量單元發(fā)生嚴(yán)重或者緊急故障時(shí)，運(yùn)行狀態(tài)會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的切換。

當(dāng)閥組測(cè)量接口屏A 系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重或者緊急故障時(shí)，CCPA 系統(tǒng)中的控制主機(jī)MC1 和保護(hù)主機(jī)MC2 將自動(dòng)切換到OFF 狀態(tài)（所有的輸出都被禁止了），CCPB 系統(tǒng)中的控制主機(jī)MC1 將自動(dòng)切換到值班狀態(tài)。控制和保護(hù)系統(tǒng)共用部分嚴(yán)重或者緊急故障時(shí)的狀態(tài)如下圖，故障發(fā)生在CMI 中，這個(gè)接口用于兩個(gè)系統(tǒng)。當(dāng)故障消失后，CCPA 控制系統(tǒng)自動(dòng)返回到備用狀態(tài)，保護(hù)系統(tǒng)自動(dòng)返回到值班狀態(tài)。

圖4 閥組層控制保護(hù)系統(tǒng)（CCP）測(cè)量單元故障示意圖

2.4 后備跳閘

后備跳閘作為最后一項(xiàng)安全措施，當(dāng)閥組層或極層的控制主機(jī)A 和B 系統(tǒng)中的重要部分同時(shí)出故障時(shí)，即兩個(gè)系統(tǒng)的OK 信號(hào)均變低電平時(shí)，備用跳閘將會(huì)動(dòng)作，跳開(kāi)換流變交流進(jìn)線開(kāi)關(guān)、旁通故障閥組。

這是通過(guò)利用來(lái)自各系統(tǒng)的PS932 板卡的OK信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。備份跳閘功能位于CCPA（B）和PCPA（B）中，如圖5所示。

圖5 控制保護(hù)系統(tǒng)（CCP）后備跳閘示意圖

3 結(jié)論

本文對(duì)向上、錦蘇特高壓直流輸電工程DCC800 控制保護(hù)系統(tǒng)中的系統(tǒng)監(jiān)視功能和運(yùn)行狀態(tài)切換邏輯進(jìn)行了詳細(xì)的描述，并提出了自己的分析和總結(jié)。根據(jù)這兩個(gè)工程投入運(yùn)行后實(shí)際驗(yàn)證，證明采用文中所闡述系統(tǒng)監(jiān)視功能和運(yùn)行狀態(tài)切換邏輯的DCC800 直流控制保護(hù)系統(tǒng)是穩(wěn)定、可靠的。

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