自主可控特高壓直流控制保護系統(tǒng)設(shè)計與研發(fā)

沈天驕 仲 浩 王永平 周 強 鄒 強

自主可控特高壓直流控制保護系統(tǒng)設(shè)計與研發(fā)

沈天驕 仲 浩 王永平 周 強 鄒 強

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

針對特高壓直流輸電工程，本文設(shè)計并開發(fā)基于自主可控平臺的特高壓直流控制保護系統(tǒng)。首先，分別設(shè)計自主可控控制保護系統(tǒng)的軟、硬件平臺，并將平臺自身特點與特高壓直流輸電系統(tǒng)要求相結(jié)合，設(shè)計可靠的冗余通信方式和完備的主機狀態(tài)監(jiān)視功能。然后，在自主可控平臺上設(shè)計特高壓直流控制保護系統(tǒng)，并開發(fā)功能樣機。最后，在基于實際工程參數(shù)的實時仿真系統(tǒng)中，進行系統(tǒng)性能測試。試驗結(jié)果表明，該自主可控特高壓直流控制保護系統(tǒng)功能完善、性能優(yōu)良，具備工程化應用條件。

特高壓直流輸電；控制保護系統(tǒng)；自主可控；設(shè)計方案；實時數(shù)字仿真

0 引言

我國已建成多個特高壓直流輸電工程，在新能源外送、跨區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)等方面發(fā)揮了重要作用?！笆奈濉逼陂g，國家仍將規(guī)劃建設(shè)多個特高壓直流輸電工程[1-3]。經(jīng)過多年發(fā)展，特高壓直流工程成套設(shè)備已具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)[4-6]，但是直流控制保護系統(tǒng)的核心芯片大量使用進口產(chǎn)品，面臨供應鏈“卡脖子”風險。在當前復雜的國際形勢下，實現(xiàn)關(guān)鍵電力設(shè)備的自主可控對于保證電網(wǎng)安全、保障國民經(jīng)濟穩(wěn)定發(fā)展具有重要意義[7-8]。

近年來，國內(nèi)芯片半導體產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，陸續(xù)出現(xiàn)了能滿足電力設(shè)備使用需求的高性能芯片和元器件[9-11]，為研制自主可控控制保護平臺提供了條件。本文設(shè)計基于國產(chǎn)芯片的自主可控特高壓直流控制保護系統(tǒng)，并研制功能樣機。首先介紹自主可控控制保護平臺的軟、硬件架構(gòu)和平臺的特點，然后基于該平臺設(shè)計特高壓直流控制保護系統(tǒng)，最后在實時數(shù)字仿真系統(tǒng)（real-time digital simulation system, RTDS）中進行工程應用試驗，充分驗證系統(tǒng)的功能和性能。

1 自主可控特高壓直流控制保護平臺設(shè)計

自主可控特高壓直流控制保護平臺在已有統(tǒng)一先進控制保護平臺（unified advanced platforms for protection and control, UAPC）[12-13]的基礎(chǔ)上，按照軟件、硬件分層解耦的思路，實現(xiàn)軟、硬件全國產(chǎn)化替代和升級，做到完全自主可控，總體設(shè)計原則為：

1）在已有成熟平臺進行升級，沿用嵌入式、分布式的整體結(jié)構(gòu)，保持既有特高壓直流控制保護功能完整性和一致性。

2）硬件接口適配特高壓直流控制保護系統(tǒng)開發(fā)需求，充分考慮各類采樣和通信接口。

3）考慮芯片可替代性，硬件和軟件模塊化設(shè)計，應用軟件和底層驅(qū)動解耦設(shè)計。

4）冗余化設(shè)計，保持可靠性高、穩(wěn)定性強的特點，整體性能不降低。

自主可控特高壓直流控制保護平臺主要包括控制保護主機、I/O單元、通信裝置、監(jiān)控系統(tǒng)等，本文將重點介紹控制保護主機。

1.1 主機平臺硬件設(shè)計

各類具有自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)芯片已陸續(xù)應用在電力二次設(shè)備中，特高壓直流控制保護系統(tǒng)復雜、主機運算量大，對處理器芯片性能和穩(wěn)定性要求較高，一般國產(chǎn)處理器芯片難以滿足要求。

目前，國內(nèi)具備完全自主知識產(chǎn)權(quán)的高性能處理器芯片主要包括龍芯、飛騰、全志和麒麟等，應用較多的芯片及主要參數(shù)見表1。

表1 國內(nèi)主要處理器芯片

全志在語音處理、智能家居領(lǐng)域應用較為成熟，麒麟主要用于智能手機等智能終端設(shè)備，龍芯和飛騰則在高性能計算、工業(yè)控制領(lǐng)域應用較多，電力行業(yè)也有所應用。自主可控控制保護主機核心芯片選型需要綜合考慮：①芯片廠家技術(shù)自主性，采用自建架構(gòu)或永久授權(quán)架構(gòu)，關(guān)鍵技術(shù)不受制約；②處理器生態(tài)建設(shè)有所積累，技術(shù)支持完善，具有電力行業(yè)應用背景；③芯片相應開發(fā)工具功能完備、可靠，具備自主知識產(chǎn)權(quán)；④接口資源和運算負載率能滿足特高壓直流輸電應用場景需求；⑤工作溫度范圍寬，送端換流站一般自然環(huán)境較為惡劣；⑥具備內(nèi)存糾錯（error correcting code, ECC）功能，防止單bit出錯導致直流系統(tǒng)運行異常。本平臺主控芯片選取的某國產(chǎn)性能處理器芯片集成了4個64位高性能核，主頻超2GHz，工業(yè)級工作溫度范圍是-40℃～85℃，片內(nèi)、片外內(nèi)存均支持糾錯功能。

控制保護主機采用基于分布式通信的多處理器硬件架構(gòu)，插件配置為“CPU插件+數(shù)字信號處理（digital signal processing, DSP）插件+光纖擴展插件”的形式，自主可控平臺硬件示意圖如圖1所示。CPU插件負責實現(xiàn)配置管理、后臺通信等功能；DSP插件負責控制保護算法實現(xiàn)等功能；光纖擴展插件用于光纖接口的擴展。

圖1 自主可控平臺硬件示意圖

CPU插件采用“國產(chǎn)處理器+國產(chǎn)大容量現(xiàn)場可編程門陣列（field programmable gate array, FPGA）”的硬件方案，處理器與FPGA之間經(jīng)過吉比特介質(zhì)獨立接口（reduced gigabit media inde- pendent interface, RGMII）總線通信。核心DSP插件采用“國產(chǎn)高性能多核處理器+國產(chǎn)大容量FPGA”硬件方案，處理器與FPGA之間經(jīng)過高速串行擴展總線（peripheral component interconnect express, PCIE）通信。光纖擴展插件采用“國產(chǎn)微控單元（microcontroller unit, MCU）+國產(chǎn)大容量FPGA”硬件方案，MCU用于加載FPGA程序。

主機內(nèi)部板卡經(jīng)過背板總線，采用PCIE或RGMII總線及自主開發(fā)的多路復用高速串行（high performance time determinate multiplexed synchronous serial bus, HTM）總線進行數(shù)據(jù)交互。主機對外接口支持光纖以太網(wǎng)、控制器域網(wǎng)（controller area network, CAN）總線、高級數(shù)據(jù)鏈路控制（high-level data link control, HDLC）、IEC 6044—8等協(xié)議，并且預留豐富的協(xié)議拓展接口，可以根據(jù)不同的應用場景進行靈活配置。

1.2 主機平臺軟件設(shè)計

已成熟應用的UAPC平臺軟件具備完全自主知識產(chǎn)權(quán)，軟件為模塊化解耦設(shè)計，不依賴具體硬件，從底層驅(qū)動到上層應用均具備自主。自主可控主機平臺軟件在UAPC平臺的基礎(chǔ)上，針對國產(chǎn)化芯片進行功能調(diào)整和優(yōu)化。自主可控平臺軟件示意圖如圖2所示，自主可控控制保護主機平臺軟件由三個部分組成，從下到上依次為系統(tǒng)軟件、工具軟件和應用層軟件。

圖2 自主可控平臺軟件示意圖

系統(tǒng)軟件主要為插件的底層驅(qū)動，實現(xiàn)配置管理、任務調(diào)度、數(shù)據(jù)交換等功能，需要針對處理器芯片進行適配性開發(fā)。工具軟件是應用功能和系統(tǒng)軟件的接口，開發(fā)人員在工具軟件上進行控制保護功能的開發(fā)，對下屏蔽硬件和系統(tǒng)軟件差異。應用層軟件主要是控制保護邏輯程序、數(shù)據(jù)采樣處理程序、通信數(shù)據(jù)處理程序。自主可控平臺軟件設(shè)計時需要綜合考慮：①冗余性設(shè)計，將雙重化冗余的程序分散在不同插件、不同內(nèi)核；②負載分配，根據(jù)程序運算量將模塊化的程序平均調(diào)整至不同內(nèi)核；③數(shù)據(jù)交換量，聯(lián)系緊密的應用元件布置于同一內(nèi)核，減少總線的數(shù)據(jù)量。

平臺軟件整體采用面向?qū)ο蟮乃枷脒M行設(shè)計，以元件封裝的形式打包數(shù)據(jù)計算和邏輯處理過程，可以提升代碼的可靠性、可讀性和重用性。軟件開發(fā)工具采用可視化、圖形化編程模式，支持層次化設(shè)計，開發(fā)人員可以直觀地梳理數(shù)據(jù)流及設(shè)計功能邏輯。平臺軟件主要具備以下特點：

1）模塊化分層，面向?qū)ο?，結(jié)構(gòu)清晰。

2）系統(tǒng)程序統(tǒng)一管理，編程接口統(tǒng)一管理，后期維護方便。

3）控制保護功能和通信功能獨立配置，避免非核心進程影響核心邏輯運算。

1.3 主機監(jiān)視功能設(shè)計

特高壓直流控制保護系統(tǒng)中的裝置必須具備完善的自監(jiān)視功能，裝置內(nèi)部發(fā)生軟、硬件故障時，能及時檢測到異常并采取系統(tǒng)切換等措施，避免擴大故障影響范圍[14]。

傳統(tǒng)采用多層次混合結(jié)構(gòu)監(jiān)視方法，依賴某一插件監(jiān)視系統(tǒng)其他各插件的運行情況，在某些故障情況下較難區(qū)分是負責監(jiān)視的板卡異常還是被監(jiān)視板卡異常。自主可控平臺的控制保護主機根據(jù)平臺的軟、硬件特點，充分利用處理器多核的特性，采用“核內(nèi)自監(jiān)視+核間平行監(jiān)視”的方法，每一個核都會監(jiān)視其他核，同時也受到其他核監(jiān)視。自主可控主機監(jiān)視邏輯如圖3所示。

圖3 自主可控主機監(jiān)視邏輯

監(jiān)視對象可包括總線寄存器循環(huán)冗余校驗（cyclic redundancy check, CRC）錯誤統(tǒng)計、各核負載率、各級中斷負載、HTM總線數(shù)據(jù)校驗、中斷計數(shù)等，本主機監(jiān)測到某核出現(xiàn)異常時，根據(jù)特高壓直流系統(tǒng)主機三級故障劃分方法將異常主機置相應故障等級，退出值班運行狀態(tài)，冗余配置的對系統(tǒng)主機經(jīng)系統(tǒng)間通信獲取異常信息后，立即進行系統(tǒng)切換。

這種監(jiān)視方法主要具有以下優(yōu)點：

1）充分保證能夠及時準確地定位故障，沒有監(jiān)視盲點。

2）平行結(jié)構(gòu)檢測到異常時無需經(jīng)過第三方中轉(zhuǎn)異常信息。

3）主機運行異常時，能立即進行系統(tǒng)切換，有效縮短系統(tǒng)切換時間。

1.4 主機外部通信設(shè)計

特高壓直流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜，主機的外部通信模式多樣，站間、極間、主機間和系統(tǒng)間等通信必須快速、安全、可靠[15]。自主可控主機通信方式如圖4所示，自主可控系統(tǒng)的外部通信采用完全冗余的設(shè)計原則，將外部通道配置在不同的插件中，同時從硬件和軟件上防止單一元件故障導致的通信異常。

圖4 自主可控主機通信方式

主機通信鏈路、主機接口模塊、FPGA芯片、處理器芯片等外部結(jié)構(gòu)完全冗余，從而保證通信的物理鏈路完全獨立。同時，系統(tǒng)軟件保證兩路通信數(shù)據(jù)互為備用，兩路冗余數(shù)據(jù)在兩個插件之間通過PCIE總線進行數(shù)據(jù)交換。應用層程序處理兩路冗余數(shù)據(jù)時按照“同發(fā)同收”的原則，冗余數(shù)據(jù)同時經(jīng)兩個外部通道發(fā)送至外部設(shè)備，接收到的冗余數(shù)據(jù)則按照主通道和備用通道進行劃分，后續(xù)邏輯處理時優(yōu)先使用主通道接收到的數(shù)據(jù)，在檢測到主通道通信異常時，則切換至備用通道的數(shù)據(jù)，從而保證數(shù)據(jù)安全可靠。

1.5 自主可控平臺的特點

自主可控系統(tǒng)在保持既有UAPC平臺功能的基礎(chǔ)上，具備以下新的特點：

1）主機集成度高，數(shù)據(jù)處理和計算能力強，負載率可有效降低。

2）多核并行運算，可在不增加插件的條件下實現(xiàn)應用功能冗余設(shè)計。

3）主機通信實現(xiàn)完全冗余設(shè)計，充分保證通信數(shù)據(jù)可靠性。

4）利用處理器豐富的多核配置，具備更加完善的監(jiān)視功能。

5）運算速度提升，控制保護程序最快執(zhí)行周期從UAPC平臺的75ms提升至20ms，可提升觸發(fā)角控制、階躍響應、換相失敗預測控制[16]、鎖相環(huán)計算[17]等對實時性要求高的應用功能的執(zhí)行效果。

2 自主可控特高壓直流控制保護系統(tǒng)設(shè)計

2.1 總體架構(gòu)

自主可控特高壓直流控制保護系統(tǒng)在設(shè)計上采用分散、分布式結(jié)構(gòu)，設(shè)備之間通過各類總線進行數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)、穩(wěn)定運行。自主可控特高壓直流控制保護系統(tǒng)設(shè)計方案如圖5所示，以單極設(shè)備為例，系統(tǒng)自上而下分為站控層、設(shè)備層和現(xiàn)場I/O層，分別實現(xiàn)廠站級數(shù)據(jù)監(jiān)視與控制、控制保護功能、現(xiàn)場信號采集和傳遞等功能。

圖5 自主可控特高壓直流控制保護系統(tǒng)設(shè)計方案

設(shè)備層的控制保護主機與I/O層的測控裝置之間采用基于光纖介質(zhì)的現(xiàn)場總線進行通信，可完成模擬量和數(shù)字量的交換。測控裝置采集的模擬量經(jīng)IEC 60044—8標準總線協(xié)議上送至控制保護主機進行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理，數(shù)字量經(jīng)光纖以太網(wǎng)和控制保護主機進行數(shù)據(jù)交換?？刂票Ｗo主機間采用基于光纖介質(zhì)的高速以太網(wǎng)協(xié)議進行通信，通信高速、可靠、抗干擾能力強。控制保護主機和站控層的運行人員控制后臺之間采用IEC 61850協(xié)議進行通信，上送裝置運行數(shù)據(jù)至后臺，接收運行人員下發(fā)的指令。

在物理連接上，光纖以太網(wǎng)協(xié)議根據(jù)不同應用場景，支持交換機組網(wǎng)和光纖點對點的方式；IEC 60044—8總線采用光纖點對點的連接方式；IEC 61850協(xié)議的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)采用交換機組網(wǎng)的形式，統(tǒng)一組成站內(nèi)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控（supervisory control and data acquisition, SCADA）網(wǎng)。

2.2 控制保護設(shè)備配置方案

按照分層設(shè)計的思想，控制保護系統(tǒng)從上到下依次分為雙極層、極層和換流器層[18]。進行功能劃分時，應遵循將控制功能盡量下放至較低層級的原則，盡量減少雙極層設(shè)備的數(shù)量，防止單一設(shè)備故障的影響范圍擴大。因此，將雙極層的功能調(diào)整至極層設(shè)備中，極層設(shè)備通過比較兩極的功能狀態(tài)，選取狀態(tài)較好的極作為控制極，實現(xiàn)本極功能的同時也執(zhí)行雙極層的功能。極層設(shè)備主要包括極控制主機、極保護主機，換流器層設(shè)備主要包括換流器控制主機和換流器保護主機?？刂浦鳈C采取主備冗余配置，保護主機采取三取二冗余配置，進一步提升系統(tǒng)的可靠性。針對特高壓直流工程典型的雙極四閥組十二脈動拓撲結(jié)構(gòu)，兩個極分別配置極控制主機和極保護主機，四個閥組分別配置換流器控制主機和換流器保護主機。

極控制主機主要實現(xiàn)雙極區(qū)/極區(qū)的順序控制及聯(lián)鎖、雙極的功率/電流分配、本極的功率/電流指令計算、無功控制、安穩(wěn)控制等功能。換流器控制主機主要實現(xiàn)本閥組區(qū)域的順序控制及聯(lián)鎖、觸發(fā)脈沖的實時計算、換流變分接開關(guān)控制、閥冷設(shè)備控制等功能。

保護主機功能按照保護區(qū)域進行劃分，極保護主機保護范圍包括雙極區(qū)設(shè)備、極區(qū)設(shè)備和直流濾波器區(qū)設(shè)備，換流器保護主機保護范圍包括換流閥區(qū)設(shè)備和換流變區(qū)設(shè)備。

3 系統(tǒng)驗證

采用已投運的±800kV上海廟—山東特高壓直流輸電工程（下文簡稱上山工程）參數(shù)，在RTDS系統(tǒng)中對自主可控特高壓直流控制保護樣機進行了大量的測試，與已有的基于UAPC平臺的上山工程仿真系統(tǒng)試驗結(jié)果進行對比，受篇幅限制，本文選取部分試驗結(jié)果。

3.1 解鎖試驗

直流雙極全壓運行，功率模式為雙極功率控制，功率指令1 000MW，兩站極1起極波形如圖6所示，起極過程中電流、電壓穩(wěn)定，迅速達到目標值。與UAPC平臺的上山工程仿真系統(tǒng)相比，自主可控系統(tǒng)平臺直流起動過程中的電流、電壓響應過程基本一致，由于自主可控系統(tǒng)的程序執(zhí)行周期快，電流、電壓建立過程相對較快。同時，自主可控主機相比于UAPC平臺主機的最大負載率下降約15%。

3.2 閉鎖試驗

直流雙極全壓運行，功率1 000MW，模擬整流站極1發(fā)生極X閉鎖，兩站波形如圖7所示，故障發(fā)生后，整流站立即移相，電流迅速降為0，逆變站投旁通對后電壓降為0。與UAPC上山工程仿真系統(tǒng)相比，自主可控系統(tǒng)在閉鎖過程時序保持一致的前提下，同樣由于執(zhí)行周期的提升和優(yōu)化，閉鎖執(zhí)行過程相對較快。

圖6 起極過程

3.3 功率階躍試驗

極1單極功率控制，輸送功率500MW，功率階躍400MW，電流和功率響應如圖8所示，輸送功率迅速增加至900MW。與UAPC上山工程仿真系統(tǒng)相比，自主可控系統(tǒng)的功率階躍響應速度更快，階躍性能更好。

3.4 觸發(fā)脈沖準確度

整流側(cè)觸發(fā)角的指令值及測量值如圖9所示，觸發(fā)角的測量值跟隨指令值，且上下波動幅度最大只有0.05°左右。與UAPC上山工程仿真系統(tǒng)相比，在交流同步電壓一致的情況下，自主可控系統(tǒng)觸發(fā)角測量值波動幅度較小，觸發(fā)角控制更加精確。

圖7 整流站X閉鎖

3.5 主機狀態(tài)異常試驗

站2極1極控制主機A套在值班狀態(tài)，B套在備用狀態(tài)，模擬站1極1極控制主機A套DSP插件某核運行異常，試驗結(jié)果如圖10所示。從圖10可以看出，A套主機檢測到運行異常后，退出值班狀態(tài)，B套主機由備用狀態(tài)升至值班狀態(tài)，切換過程主機通信數(shù)據(jù)正常，直流運行正常，本文設(shè)計的主機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)功能完備。

圖8 電流和功率階躍響應

圖9 觸發(fā)脈沖測量

圖10 模擬主機運行異常

4 結(jié)論

本文設(shè)計并研發(fā)了基于國產(chǎn)芯片和元器件的自主可控特高壓直流控制保護系統(tǒng)，分別介紹了系統(tǒng)的軟、硬件平臺，并針對特高壓直流輸電工程進行了工程化的設(shè)計，最后在RTDS平臺進行大量的工程試驗，充分驗證了系統(tǒng)的功能和性能。自主可控特高壓直流控制保護系統(tǒng)在現(xiàn)有系統(tǒng)軟、硬件升級和優(yōu)化的基礎(chǔ)上，總體性能不低于現(xiàn)有系統(tǒng)。

本文研制的自主可控特高壓直流控制保護系統(tǒng)對于提高電網(wǎng)的安全性、解決關(guān)鍵領(lǐng)域“卡脖子”問題具有重要工程應用價值。

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Design and development of autonomous and controllable UHVDC control and protection system

SHEN Tianjiao ZHONG Hao WANG Yongping ZHOU Qiang ZOU Qiang

(NR Electric Co., Ltd, Nanjing 211102)

An autonomous and controllable control and protection system is designed and developed for UHVDC project. Firstly, the autonomous and controllable software and hardware platforms of control and protection system are designed. Considering the characteristics of the platform and the requirements of UHVDC transmission system, redundant communication method and reliable system-supervision function are designed. Then, the UHVDC control and protection system is designed on the autonomous and controllable platform, and the experimental prototypes are manufactured. Finally, the system is simulated and tested in RTDS, which is based on a practical UHVDC project. Results validate that the autonomous and controllable control and protection system for UHVDC has complete functions and good performance in application.

ultra-high voltage direct current (UHVDC) transmission; control and protection system; autonomous and controllable; design scheme; real-time digital simulation (RTDS)

2021-08-10

2021-09-22

沈天驕（1993—），男，碩士，工程師，從事直流輸電控制保護系統(tǒng)研發(fā)工作。

國家電網(wǎng)有限公司科技項目（202155031A）