超高壓換流站控制保護系統獨立方案設計

王冬偉，鄭衛紅，劉建國，胡學兵

（國網湖北省電力有限公司檢修公司，湖北 武漢 430050）

0 引言

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

隨著直流輸電在國內的普及，以及由控保系統故障導致直流系統停運事故的頻繁發生，如何使直流控制保護系統的功能更完善，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保護與控制獨立設計的設計方式和交流微機保護的設計結構特點基礎上，本文提出在換流站設計中將直流保護獨立于控制系統設計的設計思路，即直流保護與控制獨立設計，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”邏輯原理設計。

1 國內微機交流保護的結構及特點

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用技術的發展，采用以DSP為核心處理器的雙CPU(保護CPU和監控CPU)模式的微機繼電保護裝置在國內應用也越來越廣泛。

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、數值處理、故障判斷、出口動作等模塊；中斷服務子程序包括定時采樣A/D轉換、電氣量計算、相關數據記錄、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，監控CPU則完成監控與通信工作[2]。

而且，國內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備自身某種故障,當故障影響設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保護，防止保護誤動作，并向后臺發報警信息。

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

2 直流保護與控制獨立設計的設計思路

綜合以上因素，在借鑒換流站交流控制保護系統保護與控制獨立設計的設計方式和交流微機保護的設計結構特點基礎上，提出在換流站設計中將直流保護獨立于控制系統設計的設計思路，即直流保護與控制獨立設計，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計

換流站極控制保護系統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。保護與控制獨立設計方案如圖1所示。

圖1 保護與控制獨立設計結構Fig.1 Separate design sketch of the control and protection

2.2 直流保護設計的可靠性措施

保護與控制獨立設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節均又采用了雙重化配置。這個雙重化環節分為保護計算環節和保護啟動計算環節。這兩個環節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）。直流極保護系統中的任何一個直流保護功能都會通過保護計算環節和保護啟動環節分別進行故障計算，只有兩個環節都計算出故障后，該保護才會動作出口。通過這種設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）故障導致保護誤動作的情況發生。這種設計方法與南瑞公司的交流保護裝置原理類似，與ABB設計的直流極保護系統原理不一樣[3]。其硬件結構如圖2所示。

圖2 直流保護的硬件結構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。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

環節①為外部模擬量和數字量信號送到PCP主機的PCIA板；環節②為PCIA板將外部模擬量和數字量信號處理后送到主CPU；環節③為外部模擬量和數字量信號送到PCP主機的PCIB板進行計算，最終得到一個保護啟動信號；環節④為PCIB板將計算出來的保護啟動信號送到主CPU；環節⑤為主CPU將保護程序的動作跳閘指令送到PCIA板（在主CPU中，保護程序將環節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通過環節④收到了同一保護的啟動信號，那么判斷該保護動作。主CPU發出該保護的動作跳閘指令）；環節⑥為PCIA板卡將跳閘出口指令發送到I/O板卡或其它控制系統進行動作跳閘。

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內部故障時，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。“三取二”設計原理如圖4所示。

圖4 直流保護“三取二”設計原理圖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計方案

以葛洲壩換流站為例，提供直流保護與控制獨立設計的設計方案，方案如下：

直流控制保護系統采用控制與保護完全獨立設計，控制與保護回路相互獨立，控制功能由PCP主機完成，而直流保護系統則分為4個部分實現，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PCP集成在MACH2系統中，兩套系統存在切換邏輯，由主用的系統發出有效指令；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系統中，其他三個保護以獨立保護的形式實現，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、極母線、極中性母線區、雙極以及接地極線連接區、接地極線路區、直流線路區、金屬回線區；

（2）換流變保護：保護范圍為換流變區；

（3）交流濾波器保護：保護范圍為交流濾波器區；

（4）直流濾波器保護：保護范圍為直流濾波器區。

3.1 換流變保護獨立控制設計方案

葛洲壩站的換流變保護功能以獨立保護的形式實現，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，由裝置經過定值設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。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。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 結語

本文以ABB MACH2控制保護系統為例，借鑒換流站中交流控制保護系統的設計方式和交流微機保護的設計原理，提出將直流保護獨立與控制系統設計的設計方案，并通過實際方案充分證明了將直流保護獨立于控制系統設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的安全穩定性。

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[2]陳飛,劉潯,黃瑤玲.宜都換流站直流光電流互感器故障分析[J].湖北電力,2014,38(06)：30-33.CHAN Fei,LIU Xun,HUANG Yaoling.Fault analysis of DC optical current transformer in Yidu converter station[J].Hubei Electric Power,2014,38(06)：30-33.

[3]戴迪,劉建國,王麗麗,等.直流換流站MACH2主機DPM數據交換過程分析及改進方法研究[J].湖北電力,2015,39(02)：25-28.DAI Di,LIU Jianguo,WANG Lili,et al.DPM data exchange procedure analysis and research of modification method for MACH2 Host in DC converter station[J].Hubei Electric Power,湖北電力,2015,39(02)：25-28.

[4]趙畹君.高壓直流輸電工程技術[M].北京：中國電力出版社,2004.ZHAO Wanjun.HVDC engineeringtechnology[M].Beijing：China Electric Power Press,2004.

[5]胡寶,李國斌,張統一,等.微機型繼電保護產品自檢功能的實現與規范[J].繼電器,2003,(09)：81-83.HU Bao,LI Guobin,ZHANG Tongyi,et al.Realization&standardization of self-check function of microcomputer-based relaying prouducts[J].Power System Protection and Control，2003,(09)：81-83.