基于PCS—9550直流控制保護平臺的板卡檢測系統(tǒng)研制

唐 俊 王楊正 王永平 鄒 強

基于PCS—9550直流控制保護平臺的板卡檢測系統(tǒng)研制

唐 俊 王楊正 王永平 鄒 強

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

針對現(xiàn)有板卡檢測系統(tǒng)的不足，本文設計開發(fā)一種基于PCS—9550直流控制保護平臺的板卡檢測系統(tǒng)。以降低造價、節(jié)約空間為約束條件，對控制保護主機單元、分布式IO單元和電子式互感器測量單元三部分裝置所含板卡進行歸類，給出每類板卡的檢測原理并開發(fā)檢測軟硬件。最后以某±800kV特高壓直流輸電工程的典型板卡為例進行試驗，結果表明，該系統(tǒng)能快速準確地檢測該工程中基于PCS—9550平臺的各類型板卡，可以為換流站現(xiàn)場的運維工作和科研單位的仿真系統(tǒng)提供支撐。

直流輸電；板卡檢測；PCS—9550平臺；控制保護系統(tǒng)

0 引言

隨著電力設備制造技術的進步和控制理論的發(fā)展，直流輸電成為高電壓遠距離電能輸送的主要方式[1-4]。我國早期直流輸電工程的控制保護設備完全依賴于西門子、ABB等國外公司的產(chǎn)品，經(jīng)過二十多年的發(fā)展，逐步實現(xiàn)了自主化[5-7]。

板卡檢測系統(tǒng)作為直流輸電系統(tǒng)中的重要設備，主要有兩大功能，一是對板卡的故障部件進行檢測定位，二是確保備件板卡的完好性。

文獻[8]研究了控制保護主機板卡的自動檢測流程，分析了主機板卡的失效預測方法，但對于系統(tǒng)設計和測試方法的研究不夠深入。文獻[9]提出了基于ABB公司MACH2硬件平臺的測試系統(tǒng)方案，可以實現(xiàn)對IO單元的模擬量采集板卡進行檢測，但并未提出主機等其他設備的板卡檢測方案。文獻[10]針對政平換流站MACH2平臺的IO板卡開發(fā)了一套離線化檢測系統(tǒng)，并對部分故障IO板卡進行了檢測試驗。

可以看到，現(xiàn)有板卡檢測系統(tǒng)僅能對IO單元中的少量板卡進行檢測，存在可檢測板卡種類少、檢測功能單一、檢測結果展示粗糙等問題，對現(xiàn)場板卡維護工作起不到全面有效的支撐。

針對以上問題，本文對直流換流站內(nèi)控制保護系統(tǒng)中所含板卡進行全面梳理和功能歸類，以覆蓋所有類型板卡為目標，設計檢測系統(tǒng)設備單元的整體硬件結構?？紤]到各板卡的功能差異，提出板卡間互聯(lián)互測的方法，實現(xiàn)對系統(tǒng)內(nèi)每一塊板卡的 有效檢測。

1 總體方案

PCS—9550直流控制保護系統(tǒng)廣泛應用于國家電網(wǎng)公司和南方電網(wǎng)公司的直流輸電工程中[11-13]，主要包含控制保護主機單元、分布式IO單元和電子式互感器測量單元等部分。

為降低設備造價，節(jié)約占地空間，對板卡檢測系統(tǒng)進行緊湊化設計，整體結構如圖1所示。IO單元和合并單元將各自采集到的信號送給主機單元，主機單元完成檢測主邏輯后將結果送至運行人員工作站（operator work station, OWS），最終通過上位機監(jiān)控軟件將檢測報告呈現(xiàn)到界面上。

圖1 板卡檢測系統(tǒng)整體結構

2 硬件設計

板卡檢測系統(tǒng)應盡量將工程現(xiàn)場控制保護系統(tǒng)中所有使用到的板卡都涵蓋進來，只有做到“應檢盡檢”，才能在最大程度上發(fā)現(xiàn)故障板卡，保證直流輸電系統(tǒng)的可靠運行。以國內(nèi)某±800kV特高壓直流工程為例，現(xiàn)場所使用的PCS—9550直流控制保護系統(tǒng)的各部分硬件配置及主要功能見表1。

可以看到，控制保護主機單元、分布式IO單元和電子式互感器測量單元這三大類設備中包含多種不同的裝置和相應的板卡。統(tǒng)計換流站現(xiàn)場每一類裝置單元的板卡取并集以后再進行集成化精簡設計，得到板卡檢測系統(tǒng)的設備單元，設計原則示意圖如圖2所示。

表1 某直流輸電工程中PCS—9550系統(tǒng)硬件功能

圖2 板卡檢測系統(tǒng)設備單元設計原則示意圖

2.1 主機單元設計

控制保護系統(tǒng)的主機分為控制和保護兩大類，經(jīng)統(tǒng)計，其板卡包括電源板卡1、管理CPU板卡、邏輯數(shù)字信號處理器（digital signal processor, DSP）板卡1、邏輯DSP板卡2、通信DSP板卡1、通信DSP板卡2、通信DSP板卡3、開出板卡1、開出板卡2。板卡檢測系統(tǒng)主機單元配置如圖3所示，包含上述所有板卡，可以實現(xiàn)檢測全覆蓋。

圖3 板卡檢測系統(tǒng)主機單元配置

2.2 IO單元設計

現(xiàn)場IO單元采集的信號繁多，所使用的板卡種類也各不相同。經(jīng)統(tǒng)計，包括電源板卡2、電源板卡3、總線接口板卡、模擬量通信板卡1、模擬量通信板卡2、交流板卡1～6、開關量通信板卡、直流小信號采樣板卡、開入板卡、開入開出板卡1、開入開出板卡2。

板卡檢測系統(tǒng)IO單元配置如圖4所示，包括兩臺IO設備單元，其中IO1為長背板機箱，可以實現(xiàn)電源板卡2、總線接口板卡、模擬量通信板卡1～2、交流板卡1～4的檢測；IO2為短背板機箱，可以實現(xiàn)電源板卡3、交流板卡5～6、開關量通信板卡、直流小信號采樣板卡、開入板卡、開入開出板卡1～2的檢測。

圖4 板卡檢測系統(tǒng)IO單元配置

2.3 電子式互感器測量單元設計

電子式互感器測量系統(tǒng)包括一次測量線圈、電阻盒、遠端模塊和合并單元四大部分。一次測量線圈的檢測校核由專門的設備完成，本系統(tǒng)的電子式互感器測量單元僅包括后級的電阻盒、遠端模塊和合并單元三部分。

工程現(xiàn)場有三種不同類型的遠端模塊和配套的電阻盒，檢測系統(tǒng)配置一臺合并單元，可為三種遠端模塊提供激光能量，同時將三路數(shù)據(jù)采集匯總后上送給主機單元。板卡檢測系統(tǒng)電子式互感器測量單元結構如圖5所示。

圖5 板卡檢測系統(tǒng)電子式互感器測量單元結構

3 檢測原理與結構設計

按照分塊采集，再統(tǒng)一整合的思路進行軟件設計。檢測主程序配置在檢測主機中，可以完成主機、IO及電子式互感器單元各個板卡的檢測，主程序流程如圖6所示。

圖6 板卡檢測主程序流程

開機后首先進行系統(tǒng)自檢，確保各裝置單元運行正常；準備就緒后，檢測人員從OWS系統(tǒng)下發(fā)檢測命令開始檢測；檢測完成后可以選擇生成并打印相應的報告。以下對幾種核心板卡的檢測方案進行詳細說明。

3.1 通信類板卡檢測

系統(tǒng)中具備通信功能的板卡包括主機CPU板卡、DSP板卡、IO單元通信板卡、合并單元通信板卡等，這些板卡配置有多路光口，完成裝置間的數(shù)據(jù)交互功能。

通信類板卡采用板卡互聯(lián)的方式進行檢測。將IO單元和合并單元的通信板卡通過光纖、CAN線等傳輸介質連接到主機板卡的相應端口上，在檢測主程序控制下進行板卡間的數(shù)據(jù)交互測試，該方式可同時完成對IO單元、合并單元及主機板卡相應端口的檢測。對于主機的其他板卡或端口，采用同機板卡互聯(lián)，即主機板卡1的端口按順序接到主機板卡2的端口，在檢測主程序的控制下，通過板卡間互發(fā)數(shù)據(jù)的方式完成檢測。通信類板卡的檢測結構如圖7所示。

圖7 通信類板卡檢測結構

3.2 開入開出類板卡檢測

主機和IO單元中均包含開入開出類板卡，采用互聯(lián)方式進行檢測。將主機開出板卡的開出接點依次接入IO單元開入板卡的開入接點；將IO單元兩塊開入開出板卡的開入開出接點交叉互聯(lián)，即將板卡1的開出接點接到板卡2的開入接點上，板卡2的開出接點接到板卡1的開入接點上。

通過設定檢測主程序，按序依次對相應板卡進行開出操作，結合接收到的開入狀態(tài)，即可得知待檢板卡的接點故障情況。開入開出類板卡的檢測結構如圖8所示。

圖8 開入開出類板卡檢測結構

3.3 常規(guī)模擬量采集類板卡檢測

常規(guī)模擬量采集類板卡包含IO裝置中的模擬量采集板卡、模擬量通信板卡和主機中的邏輯DSP板卡1。模擬量采集板卡采集到電磁式互感器和零磁通互感器的電壓、電流后，通過模擬量通信板卡以標準的IEC 60044-8協(xié)議上送到主機單元的邏輯DSP板卡1中。

考慮到上述過程，將模擬量通信板卡的多路發(fā)送光口與邏輯DSP板卡1的相應接收光口相連，即可實現(xiàn)對鏈路上所有相關板卡的檢測。

常規(guī)模擬量采集類板卡的檢測需要標準模擬量信號源的配合，在屏柜端子排給對應的模擬量采集板卡加入電壓或電流信號，經(jīng)過全鏈路采集傳輸后，在檢測界面可以看到實際采集到的模擬量值，通過和所施加的標準模擬量值對比，可以判斷出鏈路中待檢板卡的功能完整性和測量精度。常規(guī)模擬量采集類板卡檢測結構如圖9所示。

圖9 常規(guī)模擬量采集類板卡檢測結構

3.4 電子式互感器測量類板卡檢測

根據(jù)2.3節(jié)所述，本系統(tǒng)只對電阻盒、遠端模塊和合并單元進行檢測，實際一次線圈的輸出由標準信號源來模擬。

合并單元的光功率插件給遠端模塊供能，多路遠端模塊將采集到的數(shù)據(jù)送給合并單元，再由合并單元將測量數(shù)據(jù)打包后送至檢測主機處理。

類似3.3節(jié)的方式，將合并單元通信板卡的多路發(fā)送光口與邏輯DSP板卡1的相應接收光口相連，即可實現(xiàn)對鏈路上所有相關板卡的功能和精度檢測。電子式互感器測量單元檢測結構如圖10所示。

圖10 電子式互感器測量單元檢測結構

4 系統(tǒng)開發(fā)與試驗

4.1 系統(tǒng)開發(fā)

根據(jù)以上設計，開發(fā)了圖11所示板卡檢測系統(tǒng)。IO單元和檢測主機配備了換流站現(xiàn)場IO單元和控制保護單元的所有類型板卡；AC-DC電源模塊可將220V市電轉換為系統(tǒng)各設備所需的標準220V直流電源，解決某些單位無配套直流電源的問題；電阻盒、遠端模塊和合并單元一起實現(xiàn)對電子式互感器核心二次部件的檢測；此外，考慮到合并單元溫升問題，配置了風扇單元增加散熱。

圖11 板卡檢測系統(tǒng)實物屏柜

4.2 測試實例

對某±800kV換流站使用的所有類型板卡進行了檢測試驗，其中四種典型板卡的測試結果如下。

1）通信類板卡NR1139A

NR1139A型DSP板卡主要用于控制裝置的核心邏輯運算和主機間通信功能，具有6路高速光口和2路CAN通信口。

NR1139A的6路光口與IO單元開關量通信板卡NR1136D的6路光口相連，2路CAN口與IO單元總線接口板卡NR1201B的CAN口相連。開始檢測后，NR1139A板卡每一個通信口給IO裝置發(fā)送既定測試信號，IO裝置接收到這些信號后，再返回給NR1139A板卡，在檢測主程序中經(jīng)過收發(fā)一致性判斷，便可得出各個通道的故障情況。NR1139A型邏輯DSP板卡的檢測結果如圖12所示。

2）開入開出板卡NR1520A

NR1520A型開入開出板卡用于開關的位置采集及分合遙控控制，具有8路開入，10路開出。NR1520A板卡的檢測需要和同機箱的另一種11路開入、5路開出的板卡NR1530A配合。

圖12 NR1139A型邏輯DSP板卡檢測結果

NR1520A板卡的開出接點1～9分別與NR1530A板卡的開入接點1～9相連，開出接點10與NR1530A板卡的開入接點10、11相連；NR1520A板卡的開入接點1～4分別與NR1530A的開出接點1～4相連，開入接點5～8與NR1530A的開出接點5相連。在端子排上挑開待檢NR1520A板卡的開出6、8、9、10接線端子和開入6、8接線端子以模擬故障。系統(tǒng)按順序依次給NR1520A和NR1530A板卡的每一個開出通道發(fā)出開出指令，由于上述端子開路，收不到相應開入信號，故判斷出NR1520A板卡的接點故障。NR1520A型開入開出板卡檢測結果如圖13所示。

圖13 NR1520A型開入開出板卡檢測結果

3）常規(guī)交流電流采集板卡NR1405A

NR1405A型6輸入交流電流板卡用于電流采集，通道額定電流1A，對應現(xiàn)場一次5 000A電流。

在屏柜端子排上給NR1405A板卡的通道1接入1A交流電流源后，在界面輸入所加電流的標幺值1.00p.u.，點擊開始檢測，系統(tǒng)即可給出當前實測采樣值5 003.705A和測量誤差值0.074 1%。NR1405A型交流板卡檢測結果如圖14所示。

圖14 NR1405A型交流板卡檢測結果

4）電子式互感器測量單元遠端模塊NR1458B

NR1458B型遠端模塊與NR1466A型電阻盒配套使用，用于采集直流電壓。

在屏柜端子排上給NR1466A型電阻盒接入5V直流電壓源后，在界面輸入所加電壓實際值5.00V，系統(tǒng)即可給出當前實測采樣值5.000 6V和測量誤差值0.012 0%。NR1458B型遠端模塊檢測結果如圖15所示。

圖15 NR1458B型遠端模塊檢測結果

5 結論

本文針對現(xiàn)有板卡檢測系統(tǒng)可檢測板卡種類少、檢測功能單一、檢測結果展示粗略等問題，對現(xiàn)場用到的控制保護主機單元、IO單元和電子式互感器測量單元等相關設備所有類型的板卡進行了分類統(tǒng)計，通過對裝置單元配置、系統(tǒng)整體結構、板卡測試原理等方面的設計研究，采用板卡互聯(lián)、裝置互通的方式，開發(fā)出了一種基于PCS—9550硬件平臺的新型板卡檢測系統(tǒng)。

通過國內(nèi)某直流輸電工程實際板卡的檢測試驗證明，本系統(tǒng)可支持檢測的板卡種類全、范圍廣，配備的上位機軟件界面清楚簡單，操作方便，檢測報告完整清晰。此外，系統(tǒng)的板卡離線整定功能支持待更換備品備件的程序下載、參數(shù)整定等工作，避免了直接在運行的直流控制保護系統(tǒng)上操作帶來的安全隱患。

本系統(tǒng)可以為換流站日常運維檢修工作中的定位板卡故障部件提供技術保障，為現(xiàn)場備品備件的可靠檢測提供全面支撐，為電力科研單位仿真系統(tǒng)的板卡日常維護提供檢測手段，同時也為其他類似的檢測系統(tǒng)提供了一種新的設計思路。

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Development of board detection system based on PCS—9550 HVDC control and protection platform

TANG Jun WANG Yangzheng WANG Yongping ZOU Qiang

(NR Electric Co., Ltd, Nanjing 211102)

In view of the shortcomings of the existing board detection system, a board detection system based on the PCS—9550 HVDC control and protection platform is designed and developed. In this paper, with the constraints of reducing the cost and saving space, the boards in the control and protection host unit, distributed IO unit and electronic transformer measurement unit are classified, the detection principle of each kind of board is proposed, and the software and hardware are developed. Finally, typical boards of a ±800kV UHVDC transmission project are tested. The results show that the system can detect different types of boards based on PCS—9550 HVDC control and protection system quickly and accurately, as well as provide support for the operation and maintenance work of the converter station and the simulation system of the scientific research unit.

high voltage direct current (HVDC) transmission; board detection; PCS—9550 platform; control and protection system

2021-07-13

2021-08-11

唐 俊（1987—），男，重慶人，碩士，工程師，主要從事直流輸電控制保護系統(tǒng)相關的研究和開發(fā)工作。