高壓直流輸電控制保護系統(tǒng)的冗余可靠性研究

尹世超

摘 要：隨著社會主義市場經濟日益發(fā)展，科學技術水平的逐步提高，推動了電力產業(yè)相關技術的應用與推廣的進步。但值得注意的是，由于社會發(fā)展的需要，對于電力產業(yè)有了更高的要求，高壓直流輸電控制保護系統(tǒng)的理論知識與技術水平需根據時代逐步改革創(chuàng)新，以適應時代大背景。本文意在，以高壓直流輸電控制與保護系統(tǒng)與冗余技術作為研究對象，分析其在實際應用中涉及到的具體的領域，并且對在操作過程中應遵循的具體原則加以闡述，對于保護系統(tǒng)裝置的冗余技術提出相關完善措施，已達完善技術水平，提升技術應用安全性的最終目的。

關鍵詞：高壓直流輸電；冗余性；分析；研究

時下，經濟全球化已成為時代的趨勢，不同國家地區(qū)、各個陣營間的競爭日益激烈，這不單純是軍事實力、經濟實力的比拼，而是包含了科學技術、專業(yè)技術領域的科研水平等的綜合國力的比拼。其中，電力產業(yè)作為我國國民經濟的支柱型產業(yè)，直接關乎到我國生產力發(fā)展建設水平。而電力產業(yè)中傳統(tǒng)的電力傳輸保護系統(tǒng)已無法滿足日漸增長的社會經濟需求，我國在高壓直流輸電控制保護系統(tǒng)的領域加強了科研手段與研發(fā)力度，意在研究常用的直流輸電過程中起到控制與保護作用的冗余設備的實際應用情況，相應的提出相關建設性意見與建議。

1 冗余應用背景及冗余技術概念

高壓/特高壓直流輸電應用由于電壓等級高，傳輸功率大，對系統(tǒng)的可靠性要求極高。其中控制和保護系統(tǒng)要求實行全部冗余化設計，冗余的范圍包括完整的信號輸入、輸出、通信回路和所有的控制和保護裝置。在雙極、極和閥組層都要按至少雙重化、鼓勵多重化原則來配置控制和保護裝置。在雙重化的控制和保護系統(tǒng)中，冗余子系統(tǒng)狀態(tài)的轉換不能影響到直流系統(tǒng)的正常運行，不應使傳輸的直流功率受到擾動或產生任何變化。控制和保護系統(tǒng)內部要具備有效的自診斷功能，利用軟件和硬件措施，最大限度地發(fā)現控制和保護裝置的故障，應該把由控制和保護系統(tǒng)引起的直流系統(tǒng)不可用率降到最低。冗余技術是可信計算應用的重要方面，用以保證系統(tǒng)的可用性。在冗余系統(tǒng)中一旦發(fā)生某些故障，將以損失一定的冗余度為代價換取整個系統(tǒng)的可靠性和安全性。在冗余的具體實施技術方面，根據不同因素存在許多策略。主動冗余和被動冗余就是冗余技術中的兩個不同的策略。

2 主動冗余技術及直流輸電控制系統(tǒng)冗余設計分析

2.1 帶比較器的雙機系統(tǒng)

這是一種較常用的主動冗余技術，以檢測系統(tǒng)中存在的故障，并使系統(tǒng)得以恢復為其主要目標。雙機系統(tǒng)的原理示意圖見圖1。雙機系統(tǒng)設計簡便、故障覆蓋率較高。一個基本雙機系統(tǒng)由兩個相同的系統(tǒng)與一個比較器組成。模塊M1和M2接受相同的輸入，運行相同的任務，同時，將運行的結果輸出到與之相連的比較器，并對兩者進行比較。如果發(fā)現輸出結果不一致，則報警或者停止整個系統(tǒng)的輸出。從可靠性的觀點來分析，雙機系統(tǒng)是一個典型的串行系統(tǒng)。這是因為，雙機系統(tǒng)的可靠性是-60-電力系統(tǒng)保護與控制建立在兩個并行工作模塊同時可靠的基礎上的。假設，兩個模塊和比較器的可靠性分別為Rm1，Rm2和Rv，則雙機系統(tǒng)的可靠性Rd是：Rd=Rm1×Rm2×Rv因此，雙機系統(tǒng)的可靠性肯定不會比單機系統(tǒng)高，它的優(yōu)點就在于可以及時地發(fā)現故障，從而避免更大范圍的失效。基于上述分析，在直流輸電中沒有使用該技術。

2.2 備份系統(tǒng)及直流輸電極控應用冗余可靠性分析

主動冗余中的第二種常用技術是備份系統(tǒng)。在備份系統(tǒng)中，一般有n個相同模塊，由一個模塊擔任正常運行任務，并輸出運行結果，其他的n-1個模塊則作為備份。n模系統(tǒng)的原理示意見圖2。系統(tǒng)的錯誤監(jiān)測器用來檢測運行模塊的錯誤（故障）。一旦發(fā)現錯誤，則錯誤模塊停止輸出，由另外的模塊來接替。而輸出選擇器隨之將輸出從原來的有故障的模塊轉換到另外一個正常模塊。備份系統(tǒng)分為熱備份和冷備份兩種。所謂熱備份系統(tǒng)是指系統(tǒng)在運行時，它所有的n個模塊同時運行相同的任務，只是由輸出選擇器選擇其中一個模塊的輸出作為系統(tǒng)輸出。

3 被動冗余技術和直流輸電保護系統(tǒng)冗余可靠性分析

被動冗余技術主要用來屏蔽系統(tǒng)中所發(fā)生的故障、錯誤，將故障屏蔽在一個允許的范圍內，從而保證系統(tǒng)繼續(xù)正常工作。使用的最廣泛的例子當屬于N模冗余技術。直流輸電的保護系統(tǒng)采用了典型的3模冗余設計。

假設M1、M2和M3每個模塊的可靠性分別是R1、R2和R3，則系統(tǒng)的可靠性為：R=R1R2（1-R3）+R2R3（1-R1）+R1R3（1-R3）+R1R2R3如果R1=R2=R3=Rm則上式可以改寫成R=3R2m-2R3m則，

直流輸電應用中冗余裝置的設計方案對于直流輸電保護系統(tǒng)，3套系統(tǒng)是完全一樣的裝置（包含硬件和應用軟件），因此從裝置設計層面與單機系統(tǒng)設計比較而言不需要有特殊的考慮。而對于控制系統(tǒng)采取的雙機熱備份技術，與單機設計相比則需要考慮較復雜的問題。

結束語

隨著市場經濟的突飛猛進以及社會經濟對于傳統(tǒng)電力產業(yè)的需求，高壓直流輸電控制過程中起到保護作用的冗余技術愈加重要并且已經廣泛的運用到實際應用中。根據上文的數據分析與性能結果的對比，可以分析出在冗余技術中的雙機熱備技術能夠在高壓直流輸電的多個環(huán)節(jié)中最大限度的發(fā)揮作用。在保障控制系統(tǒng)自身的安全性、穩(wěn)定性的同時，還應適當的提升控制主機和比較器等設備的穩(wěn)定性。被動冗余技術中的3-2TMR技術則可以在高壓直流輸電的保護系統(tǒng)中發(fā)揮出最優(yōu)性能。值得注意的是，多數裁決器的自身性能也尤為重要，這關乎到保護系統(tǒng)能否安全穩(wěn)定運行。根據上述具體條件作為設置冗余設備的重要前提，在系統(tǒng)安全合理運行的過程中，在一定程度上提升電力產業(yè)的整體實力，從而優(yōu)化我國的電力產業(yè)的生產能力，以達到提升我國綜合實力的最終目的。

參考文獻

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