靈紹特高壓直流控制系統(tǒng)冗余切換邏輯的研究

富銀芳 喬 敏 曹力潭 黃 智 賈軒濤

（1. 國網(wǎng)浙江省電力公司檢修分公司，杭州 310018；2. 國網(wǎng)浙江省電力公司運(yùn)檢部，杭州 310000）

靈紹特高壓直流控制系統(tǒng)冗余切換邏輯的研究

富銀芳1喬 敏2曹力潭1黃 智1賈軒濤1

（1. 國網(wǎng)浙江省電力公司檢修分公司，杭州 310018；2. 國網(wǎng)浙江省電力公司運(yùn)檢部，杭州 310000）

本文基于靈紹特高壓直流輸電工程對南瑞PCS9550控制系統(tǒng)的冗余切換邏輯和原理進(jìn)行分析，研究了兩套冗余控制主機(jī)之間值班、備用的切換過程，以及不同工況下控制系統(tǒng)出現(xiàn)輕微、嚴(yán)重和緊急故障后冗余切換邏輯的響應(yīng)策略。研究結(jié)果表明，兩套控制系統(tǒng)的冗余切換首先由備用系統(tǒng)發(fā)起，即備用系統(tǒng)首先切換為值班后，原值班系統(tǒng)退出值班狀態(tài)，在切換過程中短時出現(xiàn)兩套控制系統(tǒng)同為值班的狀態(tài)。該研究結(jié)果為類似工程的設(shè)計提供了參考和借鑒價值。

特高壓直流輸電；冗余切換；值班；備用；輕微故障；嚴(yán)重故障；緊急故障

為了貫徹國家“西部大開發(fā)戰(zhàn)略”，擴(kuò)大“西電東送”規(guī)模，進(jìn)一步加強(qiáng)霧霾及大氣污染防治工作，國家能源局批準(zhǔn)建設(shè)寧東—浙江、晉北—江蘇、錫盟—泰州、上海廟—山東4條特高壓直流線路，其中寧東—浙江即靈紹（寧夏靈州—浙江紹興）特高壓直流輸電工程已于2016年10月投入運(yùn)行，功率輸送能力為8000MW。

在特高壓直流輸電工程中直流控制保護(hù)系統(tǒng)作為整個輸電系統(tǒng)的核心和“大腦”，要完成交、直流功率轉(zhuǎn)換和直流功率輸送的全過程控制，并確保直流系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定運(yùn)行，因此，高穩(wěn)定性和高可靠性是直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)的關(guān)鍵。靈紹特高壓直流工程控制保護(hù)系統(tǒng)采用南瑞 PCS9550技術(shù)平臺，控制主機(jī)采用完全雙重化冗余的兩套系統(tǒng)，每一套系統(tǒng)均具備完善的自檢功能，在檢測到故障后會及時進(jìn)行冗余系統(tǒng)切換，已確保始終由完好的一套系統(tǒng)處于值班狀態(tài)[1-5]。

本文基于靈紹工程，對PCS9550直流控制系統(tǒng)的冗余切換邏輯進(jìn)行詳細(xì)分析和深入研究，包括硬件配置、故障監(jiān)視、切換響應(yīng)邏輯等。研究結(jié)果可為類似工程提供借鑒和參考。

1 靈紹工程控制系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 硬件組成

靈紹特高壓直流工程控制系統(tǒng)主要包括極控系統(tǒng)、閥控系統(tǒng)、交流控制系統(tǒng)、交流濾波器控制系統(tǒng)、站用電控制系統(tǒng)等；控制系統(tǒng)均為100%雙重化冗余配置，包括控制主機(jī)、I/O機(jī)箱、采樣單元和通信總線等。PCS9550控制系統(tǒng)冗余切換功能在主機(jī)的NR1139板卡中實(shí)現(xiàn)，NR1139板卡為高性能DSP板，可通過光纖以太網(wǎng)通信實(shí)現(xiàn)兩套控制主機(jī)間的數(shù)據(jù)交換。如圖1所示，為了保證兩套主機(jī)間通信可靠性，采用了兩路STM BUS光纖以太網(wǎng)完成數(shù)據(jù)傳輸，兩路總線可互為備用[6-9]。

圖1 靈紹工程控制系統(tǒng)冗余切換硬件配置圖

1.2 控制主機(jī)故障監(jiān)視

在控制系統(tǒng)正常工作時，控制主機(jī)對自身的硬件設(shè)備實(shí)時監(jiān)控，包括屏柜電源、處理器板卡、通信總線、測量裝置等，檢測到故障發(fā)生后會及時發(fā)送告警信息，并根據(jù)嚴(yán)重程度對故障信息進(jìn)行分類匯總；故障監(jiān)視功能在上述 NR1139板卡中實(shí)現(xiàn)，故障等級分為輕微、嚴(yán)重、緊急3級，嚴(yán)重程度依次遞增。以極控主機(jī)為例，3級故障分類見表1[10]。

1.3 控制系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)

靈紹工程控制系統(tǒng)的冗余結(jié)構(gòu)保證了硬件裝置在設(shè)備維修、直流系統(tǒng)的調(diào)試、試驗(yàn)、運(yùn)行過程中有高度的靈活性，能把由控制系統(tǒng)引起的直流系統(tǒng)不可用率降到最低?？刂浦鳈C(jī)在正常運(yùn)行時分為值班（ACTIVE）、備用（STANDBY）、工作（SERVICE）和測試（TEST）狀態(tài)，通過判斷兩套冗余系統(tǒng)的故障等級自動完成冗余切換，始終保證運(yùn)行狀態(tài)較完好的主機(jī)工作在值班模式[11]。

控制主機(jī)上電后自動進(jìn)入TEST狀態(tài)，在TEST狀態(tài)的主機(jī)，可由運(yùn)行人員通過工作站下發(fā)命令，將控制主機(jī)切換SERVICE狀態(tài)；在SERVICE狀態(tài)下的控制主機(jī)根據(jù)以下兩個條件自動完成后續(xù)的狀態(tài)切換。

表1 極控主機(jī)故障等級表

條件1：如果已切換到SERVICE狀態(tài)的主機(jī)檢測到另一套冗余控制主機(jī)未在值班狀態(tài)，那么無論該主機(jī)自檢邏輯是否檢測到緊急、嚴(yán)重、輕微故障，均在10s中后自動切換到STANDBY狀態(tài)；如果該主機(jī)有緊急故障并且另一系統(tǒng)未啟機(jī)（系統(tǒng)間通信全部故障），那么主機(jī)停滯至STANDBY狀態(tài)，否則10s后自動切換到ACTIVE狀態(tài)。

條件2：如果已切換到SERVICE狀態(tài)的主機(jī)檢測到另一套冗余控制主機(jī)已在值班狀態(tài)，那么當(dāng)自檢邏輯檢測到緊急、嚴(yán)重故障時，禁止切換到STANDBY狀態(tài)；如果無緊急、嚴(yán)重故障，就在10s中后自動切換到STANDBY狀態(tài)。

2 控制主機(jī)冗余切換邏輯

2.1 控制主機(jī)間通信信息

在靈紹特高壓直流系統(tǒng)正常運(yùn)行過程中，為了實(shí)現(xiàn)始終保證運(yùn)行狀態(tài)較好的控制主機(jī)工作在值班模式，兩套控制主機(jī)需相互監(jiān)視對方的運(yùn)行狀態(tài)和故障，并通過冗余切換邏輯完成值班、備用狀態(tài)的自動切換[12-16]。

控制主機(jī)系統(tǒng)間用于冗余切換邏輯的監(jiān)視信號見表2。

表2 控制主機(jī)系統(tǒng)間監(jiān)視信號表

2.2 有備用系統(tǒng)時，值班系統(tǒng)緊急、嚴(yán)重故障后的響應(yīng)

在兩套控制主機(jī)均無故障且正常運(yùn)行時，值班主機(jī)與備用主機(jī)的ACTIVE切換邏輯運(yùn)行狀態(tài)如圖2和圖3所示。

圖2 值班系統(tǒng)故障前，值班系統(tǒng)邏輯圖

圖3 值班系統(tǒng)故障前，備用系統(tǒng)邏輯圖

在值班系統(tǒng)出現(xiàn)緊急、嚴(yán)重故障后，SYS_OK信號由“1”變?yōu)椤?”，該信號通過系統(tǒng)間通信總線送至備用控制主機(jī)；在備用控制主機(jī)的切換邏輯圖4中，對應(yīng)的O_SYS_OK（另一系統(tǒng)OK）信號由“1”變?yōu)椤?”，在系統(tǒng)間通信正常時ACTIVE狀態(tài)由“0”轉(zhuǎn)換為“1”，即備用系統(tǒng)切換為值班系統(tǒng)。

圖4 值班系統(tǒng)故障后，備用系統(tǒng)邏輯圖

在上述切換完成后，原值班系統(tǒng)在檢測到另一系統(tǒng)切換為值班狀態(tài)時，在圖5中O_SYS_ACTV（另一系統(tǒng)值班狀態(tài)）由“0”變?yōu)椤?”，值班狀態(tài)也隨之切換為備用狀態(tài)。

通過對上述切換過程進(jìn)行分析可得：在兩套控制主機(jī)進(jìn)行值班備用切換時，首先是原備用主機(jī)切換為值班狀態(tài)，然后是原值班主機(jī)切換為備用狀態(tài)，切換過程中存在短時兩套主機(jī)均為值班狀態(tài)。

圖5 值班系統(tǒng)故障后，值班系統(tǒng)邏輯圖

2.3 有備用系統(tǒng)時，值班系統(tǒng)輕微故障后的響應(yīng)

根據(jù)圖6所示，如果在系統(tǒng)間通信正常情況下，備用系統(tǒng)無輕微、嚴(yán)重和緊急故障，當(dāng)值班系統(tǒng)僅出現(xiàn)輕微故障時，延時 5s，當(dāng)前值班控制主機(jī)中SET_SYS_NOT_OK輸出 1，則 SYS_OK信號將被置為 0；兩套控制系統(tǒng)的值班、備用狀態(tài)切換過程與2.2節(jié)相同。

圖6 值班系統(tǒng)輕微故障邏輯圖

2.4 無備用系統(tǒng)時，值班系統(tǒng)輕微、嚴(yán)重故障后的響應(yīng)

根據(jù)圖2所示，在無備用系統(tǒng)工況下，如果值班系統(tǒng)出現(xiàn)輕微、嚴(yán)重故障，值班主機(jī)切換邏輯中O_SYS_ACTV信號始終為0，則值班系統(tǒng)繼續(xù)保持值班狀態(tài)。

2.5 無備用系統(tǒng)時，值班系統(tǒng)緊急故障后的響應(yīng)

根據(jù)圖2所示，無備用系統(tǒng)情況下，如果值班系統(tǒng)出現(xiàn)緊急故障，值班主機(jī)切換邏輯中信號EMERGENCY_FAULT由“0”變?yōu)椤?”，根據(jù)圖7所示，EMERGENCY_FAULT信號在狀態(tài)變化后，控制主機(jī)將會退出值班狀態(tài)。

2.6 備用系統(tǒng)故障后的響應(yīng)

在正常工況下，兩套控制系統(tǒng)中備用主機(jī)STANDBY狀態(tài)邏輯如圖8所示。

圖7 無備用系統(tǒng)，值班主機(jī)緊急故障切換邏輯圖

圖8 正常工況下，備用系統(tǒng)邏輯圖

當(dāng)備用主機(jī)發(fā)生輕微、嚴(yán)重、緊急故障時響應(yīng)如下。

1）當(dāng)備用主機(jī)出現(xiàn)輕微故障時，根據(jù)圖8邏輯，控制主機(jī)繼續(xù)保持備用狀態(tài)運(yùn)行。

2）當(dāng)備用系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重或緊急故障時，如圖9所示，SEVERE_FAULT和 EMERGENCY_FAULT將由“0”變?yōu)椤?”，控制主機(jī)退出備用狀態(tài)；如故障消失，需運(yùn)行人員手動下發(fā)命令，才能返回備用狀態(tài)。

3 結(jié)論

通過對靈紹特高壓直流工程 PCS-9550控制系統(tǒng)冗余切換邏輯的深入研究和分析，得出以下結(jié)論：

圖9 嚴(yán)重或緊急故障后，備用系統(tǒng)邏輯圖

1）正常運(yùn)行時，兩套控制主機(jī)分別工作在值班和備用狀態(tài)，在主機(jī)發(fā)生故障時，控制系統(tǒng)冗余切換功能可以實(shí)現(xiàn)較為完好的主機(jī)在值班狀態(tài)。

2）在無備用主機(jī)運(yùn)行工況下，僅有的一套值班主機(jī)發(fā)生嚴(yán)重或輕微故障時，控制主機(jī)一直保持值班運(yùn)行狀態(tài)。

3）在無備用主機(jī)運(yùn)行工況下，僅有的一套值班主機(jī)發(fā)生緊急故障時，控制主機(jī)自動退出值班運(yùn)行狀態(tài)。

4）備用狀態(tài)下的控制主機(jī)出現(xiàn)嚴(yán)重或緊急故障時，控制主機(jī)自動退出備用狀態(tài)，故障消失后需手動切換到備用狀態(tài)。

5）兩套控制主機(jī)在切換過程中，存在同為值班狀態(tài)的運(yùn)行工況。

根據(jù)靈紹工程投運(yùn)以來的運(yùn)行情況，PCS-9550控制系統(tǒng)的冗余切換功能可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間的快速切換，在切換過程中直流系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)。

[1] 李興源, 趙睿, 劉天琪, 等. 傳統(tǒng)高壓直流輸電系統(tǒng)穩(wěn)定性分析和控制綜述[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2013,28(10)： 288-300.

[2] 徐殿國, 劉瑜超, 武健. 多端直流輸電系統(tǒng)控制研究綜述[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2015, 30(17)： 1-12.

[3] 曾慶禹. 特高壓交直流輸電系統(tǒng)可靠性分析[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2013, 37(10)： 2681-2688.

[4] 李峰, 李興源. 特高壓直流輸電相關(guān)問題的綜述[J].四川電力技術(shù), 2006, 29(6)： 13-19.

[5] 湯廣福, 劉澤洪. 2010年國際大電網(wǎng)會議系列報道高壓直流輸電和電力電子技術(shù)[J]. 電力系統(tǒng)自動化,2011, 35(5)： 1-4.

[6] 艾紅杰, 嚴(yán)兵, 賈軒濤, 等. 基于 DPS-3000平臺的±800kV特高壓直流輸電工程控制保護(hù)配合邏輯分析[J]. 電氣技術(shù), 2016, 17(4)： 101-104.

[7] 胡銘, 田杰, 曹冬明, 等. 特高壓直流輸電控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置分析[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2008, 32(24)：88-92.

[8] 杜旭, 韓民曉, 田春箏, 等. ±1100kV 特高壓多端饋入直流系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2016,31(S1)： 176-183.

[9] 宋秭霖, 程玲. 特高壓直流一次設(shè)備運(yùn)行可靠性分析[J]. 電氣技術(shù), 2015, 16(6)： 110-112, 118.

[10] 陳小軍, 何露芽, 孫楊, 等. ±800kV 特高壓直流與±500kV常規(guī)直流控制保護(hù)系統(tǒng)比較分析[J]. 華東電力, 2012, 40(3)： 462-466.

[11] 賈軒濤, 馮雷, 周玉勇, 等. 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[J]. 電氣技術(shù), 2015, 16(6)： 79-83.

[12] 羅磊, 盛琰, 王清堅, 等. 特高壓直流輸電系統(tǒng)順序控制的研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2011, 39(23)：30-33, 38.

[13] 李新年, 李濤, 呂鵬飛, 等. 向家壩至上海特高壓直流輸電工程換流器的投退策略分析[J]. 高電壓技術(shù),2011, 37(5)： 1232-1238.

[14] 周曉風(fēng), 吳彥維, 李乾, 等. 特高壓直流輸電線路故障重啟策略優(yōu)化研究[J]. 電氣技術(shù), 2016, 17(7)： 36-40.

[15] 李響, 劉國偉, 馮亞東, 等. 新一代控制保護(hù)系統(tǒng)通用硬件平臺設(shè)計與應(yīng)用[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2012,36(14)： 52-55.

[16] 陸曉楠, 孫凱, Guerrero J, 等. 適用于交直流混合微電網(wǎng)的直流分層控制系統(tǒng)[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2013,28(4)： 35-42.

Study on the Redundancy Switching Logic of the UHVDC Control Systems based on Lingshao Project

Fu Yinfang1Qiao Min2Cao Litan1Huang Zhi1Jia Xuantao1
(1. Maintenance Company of State Grid Zhejiang Electric Power Company, Hangzhou 310018;2. State Grid Zhejiang Electric Power Company, Hangzhou 310000)

The NARI's PCS9550 is used as DC control systems in Lingshao UHVDC project, the switching logic and principle of the control system are analyzed in this paper, the active and standby switching process between the two redundant control systems is studied, and the response strategy of redundant switching logic in different fault levels is studied too. The results show that the redundant switching is initiated by the standby system first, the standby system switched to active mode first, then the original active system out of active mode, the two control systems worked on active mode together in a short time during the switching processes. The research results provide reference for similar engineering design.

UHVDC; redundancy switching; active; standby; minor fault; severe fault; emergency fault

富銀芳（1984-），男，本科，工程師，研究方向?yàn)樘馗邏簱Q流站設(shè)備運(yùn)維。