超高壓換流站控制保護系統(tǒng)獨立方案設(shè)計

王冬偉，鄭衛(wèi)紅，劉建國，胡學(xué)兵

（國網(wǎng)湖北省電力有限公司檢修公司，湖北 武漢 430050）

0 引言

我國直流輸電的發(fā)展始于上世紀八十年代，最初的直流控制保護系統(tǒng)從設(shè)備到軟件都依賴進口，如目前廣泛使用的MACH2控制保護技術(shù)和SIMENS控制保護技術(shù)[1]。 直流控制保護作為直流輸電系統(tǒng)的核心，其安全穩(wěn)定運行是直流輸電工程安全穩(wěn)定運行的前提。而目前國內(nèi)對直流控制保護系統(tǒng)的研究都還處在學(xué)習(xí)摸索階段，只是按照國外廠家的要求進行日常維護和檢修，無法發(fā)現(xiàn)其存在的問題。

隨著直流輸電在國內(nèi)的普及，以及由控保系統(tǒng)故障導(dǎo)致直流系統(tǒng)停運事故的頻繁發(fā)生，如何使直流控制保護系統(tǒng)的功能更完善，運行更合理是當前面臨的最大問題。為此，在借鑒換流站交流控制保護系統(tǒng)保護與控制獨立設(shè)計的設(shè)計方式和交流微機保護的設(shè)計結(jié)構(gòu)特點基礎(chǔ)上，本文提出在換流站設(shè)計中將直流保護獨立于控制系統(tǒng)設(shè)計的設(shè)計思路，即直流保護與控制獨立設(shè)計，直流保護采用交流微機保護的“啟動+動作”出口動作邏輯或者“三取二”邏輯原理設(shè)計。

1 國內(nèi)微機交流保護的結(jié)構(gòu)及特點

隨著微機繼電保護中處理速度和保護算法的要求越來越嚴格，同時伴隨著微型計算機及其應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，采用以DSP為核心處理器的雙CPU(保護CPU和監(jiān)控CPU)模式的微機繼電保護裝置在國內(nèi)應(yīng)用也越來越廣泛。

在軟件方面，整個保護程序包括主程序和定時中斷程序兩部分。主程序完成整個保護裝置的基本功能,包括保護裝置的初始化、自檢、數(shù)值處理、故障判斷、出口動作等模塊；中斷服務(wù)子程序包括定時采樣A/D轉(zhuǎn)換、電氣量計算、相關(guān)數(shù)據(jù)記錄、鍵盤中斷及串行通信中斷等模塊。其中，雙CPU各自完成各自的功能，保護CPU完成保護工作，監(jiān)控CPU則完成監(jiān)控與通信工作[2]。

而且，國內(nèi)交流保護在防誤動作方面采取了很多措施：

（1）保護自檢閉鎖保護裝置。保護裝置實時檢測設(shè)備自身某種故障,當故障影響設(shè)備運行時自動閉鎖保護裝置防止保護裝置的誤動作并向后臺發(fā)報警信息。

（2）TA/TA斷線邏輯。對于保護裝置采用的電流量或者電壓量異常時閉鎖相關(guān)保護，防止保護誤動作，并向后臺發(fā)報警信息。

（3）保護采用“啟動+動作”的邏輯設(shè)計思路。保護裝置在系統(tǒng)有干擾時電流電壓量的變化量作為啟動判據(jù)，只有在保護啟動后才能進入故障程序的計算，否則將恢復(fù)系統(tǒng)的正常運行，以此方式來防止保護的誤動作。

2 直流保護與控制獨立設(shè)計的設(shè)計思路

綜合以上因素，在借鑒換流站交流控制保護系統(tǒng)保護與控制獨立設(shè)計的設(shè)計方式和交流微機保護的設(shè)計結(jié)構(gòu)特點基礎(chǔ)上，提出在換流站設(shè)計中將直流保護獨立于控制系統(tǒng)設(shè)計的設(shè)計思路，即直流保護與控制獨立設(shè)計，直流保護采用雙重化配置，每套保護采用的“啟動+動作”出口動作邏輯或者直流保護采用三重化配置，保護采用“三取而二”出口邏輯。

2.1 直流保護與控制獨立設(shè)計

換流站極控制保護系統(tǒng)由原來的控制與保護共用主機，改為控制、保護功能分別由不同的主機完成。控制和保護主機均完全雙重化配置，控制、保護主機IO獨立，冗余。保護與控制獨立設(shè)計方案如圖1所示。

圖1 保護與控制獨立設(shè)計結(jié)構(gòu)Fig.1 Separate design sketch of the control and protection

2.2 直流保護設(shè)計的可靠性措施

保護與控制獨立設(shè)計方案必須對保護提出更高的可靠性和安全性要求。一方面，要求每套保護采取措施保證單一元件損壞本套保護不誤動，保證可靠性；另一方面，要求兩套保護同時運行，任意一套動作可出口，保證安全性。為保證直流保護的可靠性，在設(shè)計上采用兩種方式。

其一，每套直流保護采用交流微機保護的“啟動+動作”出口動作邏輯。每一重直流極保護在模擬量輸入和計算環(huán)節(jié)均又采用了雙重化配置。這個雙重化環(huán)節(jié)分為保護計算環(huán)節(jié)和保護啟動計算環(huán)節(jié)。這兩個環(huán)節(jié)都有獨立的模擬量輸入硬件（I/O機箱）和保護計算硬件（PS801板）。直流極保護系統(tǒng)中的任何一個直流保護功能都會通過保護計算環(huán)節(jié)和保護啟動環(huán)節(jié)分別進行故障計算，只有兩個環(huán)節(jié)都計算出故障后，該保護才會動作出口。通過這種設(shè)計就能夠避免因單一的模擬量輸入硬件（I/O機箱）故障或保護計算硬件（PS801板）故障導(dǎo)致保護誤動作的情況發(fā)生。這種設(shè)計方法與南瑞公司的交流保護裝置原理類似，與ABB設(shè)計的直流極保護系統(tǒng)原理不一樣[3]。其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 直流保護的硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Hardware design of the DC protection

換言之，直流保護的保護計算功能通過直流保護主機中的主CPU及PCI板（PS801板）實現(xiàn)。典型的直流保護計算流程如圖3所示。

圖3 典型的直流保護計算流程Fig.3 The typical caculation process of the DC protection

環(huán)節(jié)①為外部模擬量和數(shù)字量信號送到PCP主機的PCIA板；環(huán)節(jié)②為PCIA板將外部模擬量和數(shù)字量信號處理后送到主CPU；環(huán)節(jié)③為外部模擬量和數(shù)字量信號送到PCP主機的PCIB板進行計算，最終得到一個保護啟動信號；環(huán)節(jié)④為PCIB板將計算出來的保護啟動信號送到主CPU；環(huán)節(jié)⑤為主CPU將保護程序的動作跳閘指令送到PCIA板（在主CPU中，保護程序?qū)h(huán)節(jié)②送過來的信號進行計算，得出一個保護動作信號。如果此時主CPU通過環(huán)節(jié)④收到了同一保護的啟動信號，那么判斷該保護動作。主CPU發(fā)出該保護的動作跳閘指令）；環(huán)節(jié)⑥為PCIA板卡將跳閘出口指令發(fā)送到I/O板卡或其它控制系統(tǒng)進行動作跳閘。

其二，直流保護采用三重化配置，保護采用“三取而二”出口邏輯。每極配置功能完全相同的三套直流極保護，分別為極1直流極保護A、B、C和極2直流極保護A、B、C。每一套直流極保護系統(tǒng)具有獨立的電源回路，測量互感器的二次線圈，信號輸入、輸出回路，具有完整的硬件配置和軟件配置，任意一套保護因故障、檢修或其他原因退出時，不影響另外兩套保護。三套保護同時運行，通過雙重化的三取二選擇邏輯電路輸出保護動作信號，至少兩套保護動作才能出口跳閘。有一套直流保護系統(tǒng)內(nèi)部故障時，自動閉鎖本套保護的出口，出口邏輯由三取二自動改為二取一?！叭《痹O(shè)計原理如圖4所示。

圖4 直流保護“三取二”設(shè)計原理圖Fig.4 Design of the DC protecion with two out of three logic implementation

3 直流保護與控制獨立設(shè)計方案

以葛洲壩換流站為例，提供直流保護與控制獨立設(shè)計的設(shè)計方案，方案如下：

直流控制保護系統(tǒng)采用控制與保護完全獨立設(shè)計，控制與保護回路相互獨立，控制功能由PCP主機完成，而直流保護系統(tǒng)則分為4個部分實現(xiàn)，分別是極保護（PPR）、換流變保護（TRP）、交流濾波器保護（AFP）和直流濾波器保護（DFP）。極控制和保護均雙重化配置。極控制系統(tǒng)PCP集成在MACH2系統(tǒng)中，兩套系統(tǒng)存在切換邏輯，由主用的系統(tǒng)發(fā)出有效指令；極保護(PPR)、換流變保護(TRP)、交流濾波器保護（AFP）和直流濾波器保護（DFP）兩套系統(tǒng)共同運行，同時出口，不存在切換邏輯，為保證保護的可靠性，均采用了“啟動+動作”出口邏輯。其中極保護集成在MACH2系統(tǒng)中，其他三個保護以獨立保護的形式實現(xiàn)，分別為RCS-977C型換流變壓器保護、RCS-976AG交流濾波器保護、RCS-976D直流濾波器保護。

各保護裝置保護的范圍分別為[4]：

（1）直流保護：保護范圍為換流閥區(qū)、極母線、極中性母線區(qū)、雙極以及接地極線連接區(qū)、接地極線路區(qū)、直流線路區(qū)、金屬回線區(qū)；

（2）換流變保護：保護范圍為換流變區(qū)；

（3）交流濾波器保護：保護范圍為交流濾波器區(qū)；

（4）直流濾波器保護：保護范圍為直流濾波器區(qū)。

3.1 換流變保護獨立控制設(shè)計方案

葛洲壩站的換流變保護功能以獨立保護的形式實現(xiàn)，每個極配置了兩套RCS-977C換流變電量保護和兩套RCS-974FG換流變非電量保護裝置，兩套電量保護和非電量保護是完全雙重化配置，相互獨立，任何一套保護動作后均直接出口跳閘。

RCS-977C換流變電量保護是南瑞公司生產(chǎn)的換流變成套微機保護裝置，其保護配置如圖5所示。RCS-974FG換流變非電量保護是南瑞公司生產(chǎn)的變壓器非電量及輔助保護裝置，其非電量保護原理是：接收從換流變本體來的分相非電量信號（如瓦斯信號等），經(jīng)過裝置重起動后給出中央信號、遠方信號、事件記錄三組接點，同時裝置本身的CPU也可以記錄非電量動作情況[5]。對于需要延時跳閘的非電量信號，由裝置經(jīng)過定值設(shè)定的延時起動裝置的跳閘繼電器，而直接跳閘的非電量信號直接起動裝置的跳閘繼電器。葛洲壩換流站的換流變非電量保護跳閘信號都是直接跳閘信號。目前，換流變壓器非電量保護均改為“三取二”跳閘出口方式。 RCS-977C保護的配置表如表1所示

圖5 RCS-977C保護的配置Fig.5 Configuration of the RCS-977C protection

表1 RCS-977C保護的配置表Tab.1 Configuration table of RCS-977C protection

3.2 直流濾波器保護獨立于控制設(shè)計方案

葛洲壩站的交流濾波器保護功能以獨立保護的形式實現(xiàn)。葛洲壩站每組交流濾波器配置了兩套RCS-976AG交流濾波器保護裝置。RCS-976D直流濾波器保護是南瑞公司生產(chǎn)的直流濾波器成套微機保護裝置。RCS-976D保護的配置圖如圖6所示。

圖6 RCS-976D保護配置Fig.6 Configuration of the RCS-976D protection

RCS-976D保護的配置表如表2所示。

表2 RCS-976D保護配置表Tab.2 Configuration table of RCS-976D protection

3.3 交流濾波器保護獨立于控制設(shè)計方案

葛洲壩站的交流濾波器保護功能以獨立保護的形式實現(xiàn)。每組交流濾波器配置了兩套RCS-976AG交流濾波器保護裝置。交流濾波器保護采用完全雙重化配置，相互獨立。任何一套保護動作后均直接出口跳閘。RCS-976AG交流濾波器保護是南瑞公司生產(chǎn)的交流濾波器成套微機保護裝置。RCS-976AG保護的配置圖如圖7和表3所示，RCS-976AG保護的配置如表3所示。

表3 RCS-976AG保護配置表Tab.3 Configuration table of RCS-976AG protection

圖7 RCS-976AG保護配置圖Fig.7 Configuration of the RCS-976AG protection

4 結(jié)語

本文以ABB MACH2控制保護系統(tǒng)為例，借鑒換流站中交流控制保護系統(tǒng)的設(shè)計方式和交流微機保護的設(shè)計原理，提出將直流保護獨立與控制系統(tǒng)設(shè)計的設(shè)計方案，并通過實際方案充分證明了將直流保護獨立于控制系統(tǒng)設(shè)計的合理性和可行性。采用這個方案能從根本上解決很多困擾直流輸電的難題，極大提高了直流輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。

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