賓金特高壓直流保護三取二配置策略及優(yōu)化研究

賈軒濤，朱玉婷，陳劍飛，薛鑫新，黃 華

（國網浙江省電力有限公司檢修分公司，杭州 311232）

賓金特高壓直流輸電工程于2014 年7 月建成投運，額定電壓±800 kV，額定輸送功率800萬kW，直流控制保護采用HCM3000 硬件平臺，直流保護采用三重化冗余配置，保護出口采用三取二邏輯，即至少2 套保護裝置同時動作，保護信號才會最終出口[1-2]。直流保護三取二邏輯通過硬件三取二裝置和軟件三取二實現(xiàn)，正常情況下硬件三取二輸出有效，當硬件三取二裝置全部故障時軟件三取二輸出有效。以金華站為例，研究了軟件三取二輸出有效時，由于軟件三取二功能設計不完善，存在閥組保護與極保護的部分保護功能無法出口，導致設備故障和影響直流系統(tǒng)穩(wěn)定運行的隱患。

針對設計缺陷，結合其他工程案例，提出了相應的解決措施，可為提升賓金特高壓直流輸電系統(tǒng)運行的穩(wěn)定和可靠性提供參考。

1 直流保護三取二配置及原理

1.1 硬件三取二配置及設計原理

金華站直流保護系統(tǒng)分為雙極層保護、極層保護和閥組層保護，其中雙極層和極層保護集成在極保護主機中，閥組層保護配置在閥組保護主機中[3-4]。直流保護主機全部采用HCM3000 硬件平臺，采用三重化冗余配置，硬件三取二裝置型號為HPL100。以閥組保護系統(tǒng)為例，三重化冗余配置如圖1 所示，三面閥組保護屏柜配置了相同的HCM3000 保護主機，HPL100 三取二裝置分別安裝于保護系統(tǒng)A，B 屏柜內，任何一套屏柜退出值班運行，均不影響閥組保護的動作出口。

圖1 閥組保護屏柜配置

1.2 硬件三取二出口邏輯

直流保護硬件三取二出口邏輯如圖2 所示，3 套直流保護主機保護動作信號采用IFC 總線分別送至2 套三取二裝置，保護動作經三取二邏輯判斷后，直接通過硬接線經壓板接至進線斷路器或旁路開關等一次設備的控制回路，完成跳閘、重合開關等保護動作命令。正常情況下，2 套三取二裝置同為值班狀態(tài)，任一套三取二裝置保護信號出口，對應的開關即動作（分閘或合閘）[5]。

圖2 金華站硬件三取二出口邏輯示意

1.3 軟件三取二功能原理及出口邏輯

1.3.1 閥組保護軟件三取二配置原理及缺陷分析

閥組保護的軟件三取二邏輯功能通過閥組控制主機的軟件實現(xiàn)，軟件三取二選擇邏輯及保護動作出口如圖3 所示。

圖3 金華站閥組保護軟件三取二出口邏輯示意

在圖3 中，3 套直流保護主機保護動作信號采用IFC 總線分別送至2 套閥組控制主機，在閥組控制主機程序中配置了三取二選擇邏輯和系統(tǒng)監(jiān)視功能；當軟件三取二檢測到閥組保護發(fā)出跳進線斷路器信號（跳閘）并輸出后，系統(tǒng)監(jiān)視功能將其作為主機緊急故障信號輸出給閥組控制屏柜內的冗余切換裝置，冗余切換裝置如果監(jiān)視到2套閥組控制主機均故障，則同時發(fā)出跳閘和重合旁路開關命令，實現(xiàn)閥組的閉鎖和旁路[6-7]。

在圖3 中，閥組控制主機程序僅對軟件三取二輸出的“跳進線斷路器”信號進行處理，未對重合BPS、重合BPI 信號進行響應，將導致保護動作結果僅包含重合BPS 或重合BPI 的保護類型無法出口。受影響的閥組保護包括旁通對過負荷保護和旁路開關保護。

1.3.2 極保護軟件三取二配置原理及缺陷分析

極保護軟件三取二功能在PCP（極控主機）中實現(xiàn)，三取二及保護動作出口邏輯如圖4 所示。

圖4 金華站極保護軟件三取二出口邏輯示意

在圖4 中，極保護跳閘出口邏輯與閥組保護相同，通過極控屏柜內的冗余切換裝置輸出跳閘命令。對于其他的極保護動作信號重合NBS 開關、重合NBGS 開關和打開直流濾波器高壓側刀閘，極控主機完成三取二邏輯判斷后，通過IFC總線交叉輸送至直流站控主機，僅用于鎖定斷路器邏輯，未對重合NBS 開關、重合NBGS 開關和打開直流濾波器高壓側刀閘設計出口回路，導致相關極保護功能無法出口。受影響保護包括中性母線開關保護、站內接地開關保護、接地極引線開路保護、直流濾波差動保護和直流濾波器電抗器過負荷保護。

2 直流輸電系統(tǒng)影響分析

2.1 直流保護三取二功能切換邏輯

正常情況下，當直流保護硬件三取二裝置正常運行時，其輸出有效，控制主機中軟件三取二功能為屏蔽狀態(tài)；當控制主機檢測到2 套硬件三取二裝置均故障時（電源故障或通信總線故障），軟件三取二功能將自動投入，切換邏輯如圖5 所示。

圖5 金華站軟件三取二功能切換示意

當金華站在2 套冗余配置的硬件三取二裝置出現(xiàn)故障時，控制主機中的軟件三取二功能將自動切換到有效輸出狀態(tài)，在此工況下，直流輸電系統(tǒng)運行時存在設備故障和直流閉鎖的隱患。

2.2 閥組保護動作出口影響

由于閥組保護軟件三取二的出口回路設計上未充分考慮到“重合旁路開關”或“重合旁路刀閘”動作情況，導致旁路開關保護、旁通對過負荷保護無法正確動作，存在一次設備過載運行或無法重合旁路開關，引起設備故障、極閉鎖的風險[8-9]。受影響保護動作結果對比如表1 所示。

2.3 極保護動作出口影響分析

由于極保護軟件三取二重合NBS 開關、重合NBGS 開關和打開直流濾波器高壓側刀閘未設計出口回路，導致極保護中性母線開關保護、站內接地開關保護、接地極引線開路保護、直流濾波差動保護和直流濾波器電抗器過負荷保護重合動作無法出口，對直流系統(tǒng)穩(wěn)定運行造成影響，存在直流閉鎖隱患[9-10]。保護動作結果對比如表2所示。

表1 閥組保護動作對比及影響分析

3 優(yōu)化改進措施

借鑒紹興站直流保護系統(tǒng)采用的PCS9550硬件平臺，分層結構與金華站相同，由雙極層保護、極層保護和閥組層保護組成，直流保護通過極保護主機和閥組保護主機實現(xiàn)，其中三取二裝置采用單獨的PCS-9552 裝置實現(xiàn)，與保護主機采用相同的硬件平臺[11-13]。以紹興站極保護為例，保護與三取二主機配置如圖6 所示。

圖6 紹興站極保護屏柜配置

表2 極保護動作對比及影響分析

采用PCS9550 硬件平臺的直流極保護系統(tǒng)由3 臺獨立保護主機與2 臺冗余的三取二主機構成。通過三取二邏輯確保每套保護單一元件損壞時保護不誤動，保證安全性；3 套保護主機中有2 套相同類型保護動作被判定為正確的動作行為，才允許出口閉鎖或跳閘，保證可靠性。

3.1 三取二邏輯及出口回路

PCS9550 直流保護三取二邏輯在獨立的“三取二主機”和“控制主機”中同時實現(xiàn)，功能配置及出口回路設計上，極層與閥組層保護原理相同。以極層保護為例，極保護主機、三取二主機、極控主機配置及出口回路如圖7 所示。

在各層控制系統(tǒng)主機程序中，均配置了與三取二主機相同的三取二邏輯，冗余的控制主機同時接收3 套保護分類動作信息，通過相同的三取二保護邏輯出口，實現(xiàn)閉鎖、極隔離、跳交流開關和重合BPS 開關等功能。保護主機與三取二主機、控制主機之間通過CTRL LAN 總線光纖進行連接，傳輸經校驗的數(shù)字量信號，進一步提高信號傳輸?shù)目煽啃院涂垢蓴_能力。

3.2 三取二主機與控制主機三取二功能配合策略

如圖7 所示，采用同一PCS9550 硬件平臺的三取二主機和控制主機中分別實現(xiàn)“三取二”功能，三取二主機實現(xiàn)跳換流變開關、重合BPS 開關、重合NBGS 開關、跳DCF 高壓側隔刀等所有開關設備出口功能，控制主機三取二邏輯在實現(xiàn)開關設備出口功能的同時，完成直流閉鎖功能。

正常情況下，在直流保護動作后，三取二主機與控制主機三取二邏輯同時工作，相互獨立，如極端情況下冗余的三取二主機未能跳換流變開關，控制主機也可完成跳換流變開關動作；如極端情況下冗余的控制主機未正確發(fā)出開關設備動作命令，則由三取二主機完成保護出口。

圖7 紹興站極保護三取二邏輯

4 結論

通過研究賓金特高壓HCM3000 直流保護三取二出口策略配置，分析了硬件三取二故障后軟件三取二功能的設計缺陷，并借鑒靈紹特高壓直流PCS9550 直流保護設計原理進行對比分析，得出如下結論：

（1）金華站HCM3000 閥組保護軟件三取二邏輯的重合BPS、重合BPI 信號未設計出口回路，導致閥組保護旁路開關保護、旁通對過負荷保護重合動作無法出口。

（2）金華站HCM300 極保護軟件三取二邏輯的重合NBS、重合NBGS 和打開直流濾波器高壓側隔刀信號未設計出口回路，導致極保護中性母線開關保護、站內接地開關保護、接地極引線開

（3）通過完善HCM3000 直流保護系統(tǒng)設計，借鑒同類工程進行優(yōu)化改造，可進一步提升直流輸電系統(tǒng)的運行可靠性。