特高壓DCC800直流控制保護系統監視策略和切換邏輯的研究

賈軒濤 馮 雷 周玉勇 劉星星 宋延濤

（許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000）

在遠距離、大功率輸電方式中，特高壓直流輸電具有顯著的特點和優越性。目前國內已有數個特高壓直流輸電工程投入正式運行，其中向家壩-上海±800kV 特高壓直流輸電工程（向上工程）和錦屏-蘇南±800kV 特高壓直流輸電工程（錦蘇工程）中直流控制保護系統采用ABB 公司最新一級的硬件平臺——DCC800 系統。

DCC800 采用先進的標準的微處理器和數字信號處理器構成的工業控制計算機，用于特高壓直流輸電的直流控制和直流保護系統。為了進一步提高特高壓直流輸電系統的穩定性，直流控制系統采用冗余配置，一主一備；直流保護系統采用三重化，保護出口為三取二邏輯[1-2]。

在特高壓直流輸電工程中，控制保護系統分為三個層次，分別為：Bipole Control and Protection 雙極層控制保護（BCPA、BCPB、BPC）、Pole Control and Protection 極層控制保護（PCPA、PCPB、PCPC）、Converter Control and Protection 閥組層控制保護（CCPA、CCPB、CPC）。控制保護主機通過ETDM總線與其測量系統I/O 單元和開關接口I/O 單元進行通信，以雙極層控制保護系統為例，DCC800 主機配置如圖1所示。

圖1 雙極層DCC800 主機配置示意圖

DCC800 控制保護系統設計有強大的自檢功能。系統所有重要的功能模塊都實時受到監測，相應的故障時會發送至SCADA（數據采集與監視控制系統），所有的報警都會出現在OWS（運行人員工作站）顯示屏幕上，清晰的報告控制保護系統的哪一部分發出的報警。當故障發生時，根據其嚴重等級，控制保護系統會及時進行響應，在最大程度上保證特高壓直流輸電的安全運行[3]。

1 監視策略

DCC800 系統監視的目的是對控制保護系統內的所有硬件模塊進行跟蹤監視，在故障發生時產生報警并根據其故障等級引起系統切換等動作響應。在某些情況下，系統監視也會對與硬件密切相關的一些軟件模塊進行監視。從根本上來說，系統監視與保護的功能是不同的，系統監視也不會去處理保護產生的信號。系統監視只會監視控制保護系統本身，不會去監視一次設備。

系統監視的很大一部分工作是對DCC800 主機自身硬件進行監視，包括主CPU、PCI 板卡、主機溫度、主機風扇運行狀況和主機通信狀況等。其中對主機CPU 運行的監視功能位于PCIA 板卡（板卡名稱為PS803）內的MPC8245 處理器，該處理器連續檢查CPU 寫進數據的狀態（包括MPC564 處理器狀態、MPC8245 處理器狀態和主程序各個線程運行狀態）。一旦檢測到有死機狀況，則發出切換或后備跳閘信號起動。

eTDM 總線（ABB 公司DCC800 系統間的一種專用通信總線）的應用是向上、錦蘇特高壓工程中的一大特點，其主要用途是提供DCC800 主機間以及DCC800 主機與其分布式I/O（輸入/輸出裝置）的數據交換通道。系統監視功能包含對eTDM 總線的監視。eTDM 是一種高速，單芯，光纖數據通道，用于傳輸模擬量和開關量。由于通道的高速特性，可以把來自于I/O 的二進制CAN 數據疊加在eTDM總線上一起傳輸。eTDM 總線具有數據傳輸容量大，低傳輸周期，無節點運行的特點。這在給特高壓直流輸電控制系統提供高帶寬的測量信號時顯得很有必要。每個eTDM 總線每秒可以傳輸超過300000個采樣值（每3μs 一個采樣值）。控制和保護系統中接收eTDM 的節點會對該總線進行監視，檢測到故障后將會產生報警并切換到備用系統。在需要雙向傳輸的地方，需要配置兩根eTDM 光纖，分別用于傳輸一個方向的數據[4-5]。

在直流控制和保護系統中，測量回路所提供的精確采樣信號，是閉環控制和保護動作的主要依據。因此，對控制保護系統內測量元件監視功能也顯得尤為重要。對于常規交流CT 的測量監視，測量板卡采集3 相電流和1 路零序電流，通過所采集到的3 相電流值計算出零序電流后與實際零序電流相比較，當差值大于設定值后即判斷出該測量板卡故障；直流場的直流分壓器和直流CT（零磁通）最終轉換為直流電壓信號接入相應的測量元件，通過一塊測量板卡的兩個通道同時采集一路直流信號源進行比較，如果該差值大于設定值后即判斷出相應的測量元件故障。

也有相當數量的一些設備的監視是由其他監視系統來完成的，比如電源模塊。這些監視系統隨著模塊和設備的不同而有所區別。

所有監視到的故障被分為三個級別，輕微、嚴重和緊急。每個級別產生的系統響應也不一致，有的引起系統切換，有的引起報警。控制系統間的切換邏輯確保兩個系統間的最完好系統處于 Active（值班）狀態。處于Active 狀態的保護系統，根據不同級別的故障，發出告警信息或者退出Active 狀態，從而降低了保護誤動的風險[6]。

1）輕微故障

典型的輕微故障包括：主機中的溫度報警或者風扇故障、自動監測系統報警、冗余電源故障、不關鍵通信路徑故障等。

2）嚴重故障

典型的嚴重故障包括：CAN 節點故障、雙電源模塊故障、光接口板激光功率故障等。

3）緊急故障

典型的緊急故障包括：PCI 板卡上的486 停止工作、CFC（換流器觸發控制）故障、閥控故障、主CPU 停止工作、eTDM 總線故障、重要模擬量的測量回路故障等。

2 切換邏輯

直流控制系統中，負責系統切換的有效備用邏輯位于PS932 板卡中。在該板卡上，兩個系統通過全雙工的通道實現系統間的通信。兩系統的狀態信號相互交換，以滿足需要時的系統間的快速安全切換的要求。這一邏輯保證任何時候只有一個系統處于值班狀態。由于系統間采用冗余的通信通道，即使失去一路系統間的通信通道也不會影響切換邏輯。這一原則如圖2所示。

圖2 直流控制冗余系統監視示意圖

2.1 備用系統監視（STM）

備用系統監視的主要任務包括下述內容：

1）確保值班和備用系統間的安全切換。

2）在非值班的故障系統中復位備用。

3）更新某些在系統切換過程中對于維持直流系統的穩定運行非常重要的信號。值班系統總會通過冗余的系統間通信通道更新備用系統，更新的信號主要包含一些狀態信號和一些積分器的輸出。備用系統通過這些信號獲得正確的初始值，從而確保系統切換后，運行中的直流系統不產生大的波動。

4）來自值班系統的一些重要信號會和備用系統的相應信號作比較，如果兩者相差太大，會產生復位備用系統的操作。這一操作會在備用系統中完成，以來自值班系統的信號作為參考值[7-8]。

STM（備用系統監視）功能在備用系統中值班。它會比較值班和備用系統中重要的信號，保持備用系統始終跟隨值班系統，隨時準備獲得對直流系統的控制。這一措施是為了保證系統切換時對一次運行系統不產生擾動。STM 比較兩系統的某些值，如點火角指令和直流指令，發現較大的差異后，會復位備用系統。通過這種方式可以檢測到備用系統中的異常情況，使得切換到故障系統的幾率降低到最小。

2.2 控制保護系統運行狀態及手動切換

控制保護系統運行狀態包括值班（Active），熱備用（Standby），退出（Off）和測試（Test）四種狀態，控制保護系統的運行狀態和不同運行狀態之間的轉換如圖3所示。根據系統監視中不同的故障等級控制保護系統產生系統切換，保證最健全的系統為主系統，此時外部的保護系統用來產生相應的事件，而不是用來起動控制系統切換。

1）控制系統狀態（MC1）

控制系統主機在退出狀態時，控制系統讀入輸入信號，但沒有任何輸出。在備用狀態，控制系統的一些重要的控制值由值班系統隨時更新，在值班系統故障時備用系統能夠立刻接管對一次設備的控制。在值班狀態，控制系統是真正起控制作用的系統。如果MC1 中有一些保護功能，則同樣只有處于ACTIVE 狀態的主機中的保護才能起作用。

圖3 直流控制保護系統運行狀態切換示意圖

2）保護系統狀態（MC2）

保護系統主機存在三個狀態，分別是值班（ACTIVE），退出（OFF）和測試（TEST）。在退出狀態，保護系統讀入輸入信號，但沒有任何輸出。在值班狀態，保護的輸入和輸出均有效，隨時可以對出現的故障產生動作。

3）屏柜狀態

測試狀態可以看成是屏柜狀態。測試狀態的前提是MC1 和MC2 均處于退出狀態。當MC1 和MC2進入測試狀態后，整個屏柜即和其他系統隔離開。如果MC1 或者MC2 斷電，則另外一臺主機可以切入TEST 狀態。同一面屏柜內的控制和保護系統不能分別設為TEST 狀態，為了避免維護過程中預想不到的誤操作，整個系統要一起設為TEST。

4）運行人員起動的狀態轉換

OWS 是發出控制保護系統狀態轉換命令的主要途徑。每個主機上也有一個狀態指示面板（SIP），可在特別情況下用于狀態轉換。當MC1 和MC2 均處于OFF 狀態，可以通過OWS 或MC1 或MC2 上狀態指示面板上的TEST 按鈕，發出切換到TEST狀態的命令。任何情況下，控制和保護均切換到了TEST 狀態。以控制主機為例，運行人員可以實現下表中的主機狀態切換。

表1 控制保護主機狀態切換表

2.3 控制保護系統運行狀態的自動切換

DCC800 控制保護系統具有完善的系統監視功能，根據所監視到的故障等級會引起相應的控制保護主機的運行狀態進行自動切換。

輕微故障是指不會危及直流輸電系統繼續運行的故障。輕微故障不會影響任何重要的控制或者保護功能。值班系統中出現輕微故障會導致系統切換，如果另一系統可用，且無輕微故障。先前的值班系統將退到備用狀態，即輕微故障不會導致該系統退出備用狀態，以保證新的值班系統中出現更加嚴重的故障時可以切換回來。

嚴重故障將會導致系統切換或者退出備用，這將取決于出現嚴重故障的系統處于值班還是備用。如果此時備用系統不可用，則將會僅僅發出報警，直流輸電系統會繼續運行。

緊急故障首先會導致系統退出備用或者系統切換，取決于故障系統先前是處于備用還是值班狀態。如果另一系統不能切換到值班或者有同樣故障，將會采取以下措施[9-11]：

1）閉鎖換流器，逆變側如果故障是在觸發回路中，將會緊急觸發旁通對。

2）跳開交流斷路器。

DCC800 的系統監視功能覆蓋了所有的硬件單元，包括其分布式I/O 單元。以閥組層控制保護系統為例，見圖4，當控制系統和保護系統共用部分CMI（閥組測量接口屏）測量單元發生嚴重或者緊急故障時，運行狀態會進行相應的切換。

當閥組測量接口屏A 系統發生嚴重或者緊急故障時，CCPA 系統中的控制主機MC1 和保護主機MC2 將自動切換到OFF 狀態（所有的輸出都被禁止了），CCPB 系統中的控制主機MC1 將自動切換到值班狀態。控制和保護系統共用部分嚴重或者緊急故障時的狀態如下圖，故障發生在CMI 中，這個接口用于兩個系統。當故障消失后，CCPA 控制系統自動返回到備用狀態，保護系統自動返回到值班狀態。

圖4 閥組層控制保護系統（CCP）測量單元故障示意圖

2.4 后備跳閘

后備跳閘作為最后一項安全措施，當閥組層或極層的控制主機A 和B 系統中的重要部分同時出故障時，即兩個系統的OK 信號均變低電平時，備用跳閘將會動作，跳開換流變交流進線開關、旁通故障閥組。

這是通過利用來自各系統的PS932 板卡的OK信號來實現的。備份跳閘功能位于CCPA（B）和PCPA（B）中，如圖5所示。

圖5 控制保護系統（CCP）后備跳閘示意圖

3 結論

本文對向上、錦蘇特高壓直流輸電工程DCC800 控制保護系統中的系統監視功能和運行狀態切換邏輯進行了詳細的描述，并提出了自己的分析和總結。根據這兩個工程投入運行后實際驗證，證明采用文中所闡述系統監視功能和運行狀態切換邏輯的DCC800 直流控制保護系統是穩定、可靠的。

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