靈紹特高壓直流控制系統冗余切換邏輯的研究

富銀芳 喬 敏 曹力潭 黃 智 賈軒濤

（1. 國網浙江省電力公司檢修分公司，杭州 310018；2. 國網浙江省電力公司運檢部，杭州 310000）

靈紹特高壓直流控制系統冗余切換邏輯的研究

富銀芳1喬 敏2曹力潭1黃 智1賈軒濤1

（1. 國網浙江省電力公司檢修分公司，杭州 310018；2. 國網浙江省電力公司運檢部，杭州 310000）

本文基于靈紹特高壓直流輸電工程對南瑞PCS9550控制系統的冗余切換邏輯和原理進行分析，研究了兩套冗余控制主機之間值班、備用的切換過程，以及不同工況下控制系統出現輕微、嚴重和緊急故障后冗余切換邏輯的響應策略。研究結果表明，兩套控制系統的冗余切換首先由備用系統發起，即備用系統首先切換為值班后，原值班系統退出值班狀態，在切換過程中短時出現兩套控制系統同為值班的狀態。該研究結果為類似工程的設計提供了參考和借鑒價值。

特高壓直流輸電；冗余切換；值班；備用；輕微故障；嚴重故障；緊急故障

為了貫徹國家“西部大開發戰略”，擴大“西電東送”規模，進一步加強霧霾及大氣污染防治工作，國家能源局批準建設寧東—浙江、晉北—江蘇、錫盟—泰州、上海廟—山東4條特高壓直流線路，其中寧東—浙江即靈紹（寧夏靈州—浙江紹興）特高壓直流輸電工程已于2016年10月投入運行，功率輸送能力為8000MW。

在特高壓直流輸電工程中直流控制保護系統作為整個輸電系統的核心和“大腦”，要完成交、直流功率轉換和直流功率輸送的全過程控制，并確保直流系統的安全和穩定運行，因此，高穩定性和高可靠性是直流輸電控制保護系統的關鍵。靈紹特高壓直流工程控制保護系統采用南瑞 PCS9550技術平臺，控制主機采用完全雙重化冗余的兩套系統，每一套系統均具備完善的自檢功能，在檢測到故障后會及時進行冗余系統切換，已確保始終由完好的一套系統處于值班狀態[1-5]。

本文基于靈紹工程，對PCS9550直流控制系統的冗余切換邏輯進行詳細分析和深入研究，包括硬件配置、故障監視、切換響應邏輯等。研究結果可為類似工程提供借鑒和參考。

1 靈紹工程控制系統總體設計

1.1 硬件組成

靈紹特高壓直流工程控制系統主要包括極控系統、閥控系統、交流控制系統、交流濾波器控制系統、站用電控制系統等；控制系統均為100%雙重化冗余配置，包括控制主機、I/O機箱、采樣單元和通信總線等。PCS9550控制系統冗余切換功能在主機的NR1139板卡中實現，NR1139板卡為高性能DSP板，可通過光纖以太網通信實現兩套控制主機間的數據交換。如圖1所示，為了保證兩套主機間通信可靠性，采用了兩路STM BUS光纖以太網完成數據傳輸，兩路總線可互為備用[6-9]。

圖1 靈紹工程控制系統冗余切換硬件配置圖

1.2 控制主機故障監視

在控制系統正常工作時，控制主機對自身的硬件設備實時監控，包括屏柜電源、處理器板卡、通信總線、測量裝置等，檢測到故障發生后會及時發送告警信息，并根據嚴重程度對故障信息進行分類匯總；故障監視功能在上述 NR1139板卡中實現，故障等級分為輕微、嚴重、緊急3級，嚴重程度依次遞增。以極控主機為例，3級故障分類見表1[10]。

1.3 控制系統運行狀態

靈紹工程控制系統的冗余結構保證了硬件裝置在設備維修、直流系統的調試、試驗、運行過程中有高度的靈活性，能把由控制系統引起的直流系統不可用率降到最低。控制主機在正常運行時分為值班（ACTIVE）、備用（STANDBY）、工作（SERVICE）和測試（TEST）狀態，通過判斷兩套冗余系統的故障等級自動完成冗余切換，始終保證運行狀態較完好的主機工作在值班模式[11]。

控制主機上電后自動進入TEST狀態，在TEST狀態的主機，可由運行人員通過工作站下發命令，將控制主機切換SERVICE狀態；在SERVICE狀態下的控制主機根據以下兩個條件自動完成后續的狀態切換。

表1 極控主機故障等級表

條件1：如果已切換到SERVICE狀態的主機檢測到另一套冗余控制主機未在值班狀態，那么無論該主機自檢邏輯是否檢測到緊急、嚴重、輕微故障，均在10s中后自動切換到STANDBY狀態；如果該主機有緊急故障并且另一系統未啟機（系統間通信全部故障），那么主機停滯至STANDBY狀態，否則10s后自動切換到ACTIVE狀態。

條件2：如果已切換到SERVICE狀態的主機檢測到另一套冗余控制主機已在值班狀態，那么當自檢邏輯檢測到緊急、嚴重故障時，禁止切換到STANDBY狀態；如果無緊急、嚴重故障，就在10s中后自動切換到STANDBY狀態。

2 控制主機冗余切換邏輯

2.1 控制主機間通信信息

在靈紹特高壓直流系統正常運行過程中，為了實現始終保證運行狀態較好的控制主機工作在值班模式，兩套控制主機需相互監視對方的運行狀態和故障，并通過冗余切換邏輯完成值班、備用狀態的自動切換[12-16]。

控制主機系統間用于冗余切換邏輯的監視信號見表2。

表2 控制主機系統間監視信號表

2.2 有備用系統時，值班系統緊急、嚴重故障后的響應

在兩套控制主機均無故障且正常運行時，值班主機與備用主機的ACTIVE切換邏輯運行狀態如圖2和圖3所示。

圖2 值班系統故障前，值班系統邏輯圖

圖3 值班系統故障前，備用系統邏輯圖

在值班系統出現緊急、嚴重故障后，SYS_OK信號由“1”變為“0”，該信號通過系統間通信總線送至備用控制主機；在備用控制主機的切換邏輯圖4中，對應的O_SYS_OK（另一系統OK）信號由“1”變為“0”，在系統間通信正常時ACTIVE狀態由“0”轉換為“1”，即備用系統切換為值班系統。

圖4 值班系統故障后，備用系統邏輯圖

在上述切換完成后，原值班系統在檢測到另一系統切換為值班狀態時，在圖5中O_SYS_ACTV（另一系統值班狀態）由“0”變為“1”，值班狀態也隨之切換為備用狀態。

通過對上述切換過程進行分析可得：在兩套控制主機進行值班備用切換時，首先是原備用主機切換為值班狀態，然后是原值班主機切換為備用狀態，切換過程中存在短時兩套主機均為值班狀態。

圖5 值班系統故障后，值班系統邏輯圖

2.3 有備用系統時，值班系統輕微故障后的響應

根據圖6所示，如果在系統間通信正常情況下，備用系統無輕微、嚴重和緊急故障，當值班系統僅出現輕微故障時，延時 5s，當前值班控制主機中SET_SYS_NOT_OK輸出 1，則 SYS_OK信號將被置為 0；兩套控制系統的值班、備用狀態切換過程與2.2節相同。

圖6 值班系統輕微故障邏輯圖

2.4 無備用系統時，值班系統輕微、嚴重故障后的響應

根據圖2所示，在無備用系統工況下，如果值班系統出現輕微、嚴重故障，值班主機切換邏輯中O_SYS_ACTV信號始終為0，則值班系統繼續保持值班狀態。

2.5 無備用系統時，值班系統緊急故障后的響應

根據圖2所示，無備用系統情況下，如果值班系統出現緊急故障，值班主機切換邏輯中信號EMERGENCY_FAULT由“0”變為“1”，根據圖7所示，EMERGENCY_FAULT信號在狀態變化后，控制主機將會退出值班狀態。

2.6 備用系統故障后的響應

在正常工況下，兩套控制系統中備用主機STANDBY狀態邏輯如圖8所示。

圖7 無備用系統，值班主機緊急故障切換邏輯圖

圖8 正常工況下，備用系統邏輯圖

當備用主機發生輕微、嚴重、緊急故障時響應如下。

1）當備用主機出現輕微故障時，根據圖8邏輯，控制主機繼續保持備用狀態運行。

2）當備用系統出現嚴重或緊急故障時，如圖9所示，SEVERE_FAULT和 EMERGENCY_FAULT將由“0”變為“1”，控制主機退出備用狀態；如故障消失，需運行人員手動下發命令，才能返回備用狀態。

3 結論

通過對靈紹特高壓直流工程 PCS-9550控制系統冗余切換邏輯的深入研究和分析，得出以下結論：

圖9 嚴重或緊急故障后，備用系統邏輯圖

1）正常運行時，兩套控制主機分別工作在值班和備用狀態，在主機發生故障時，控制系統冗余切換功能可以實現較為完好的主機在值班狀態。

2）在無備用主機運行工況下，僅有的一套值班主機發生嚴重或輕微故障時，控制主機一直保持值班運行狀態。

3）在無備用主機運行工況下，僅有的一套值班主機發生緊急故障時，控制主機自動退出值班運行狀態。

4）備用狀態下的控制主機出現嚴重或緊急故障時，控制主機自動退出備用狀態，故障消失后需手動切換到備用狀態。

5）兩套控制主機在切換過程中，存在同為值班狀態的運行工況。

根據靈紹工程投運以來的運行情況，PCS-9550控制系統的冗余切換功能可以實現系統間的快速切換，在切換過程中直流系統運行平穩。

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Study on the Redundancy Switching Logic of the UHVDC Control Systems based on Lingshao Project

Fu Yinfang1Qiao Min2Cao Litan1Huang Zhi1Jia Xuantao1
(1. Maintenance Company of State Grid Zhejiang Electric Power Company, Hangzhou 310018;2. State Grid Zhejiang Electric Power Company, Hangzhou 310000)

The NARI's PCS9550 is used as DC control systems in Lingshao UHVDC project, the switching logic and principle of the control system are analyzed in this paper, the active and standby switching process between the two redundant control systems is studied, and the response strategy of redundant switching logic in different fault levels is studied too. The results show that the redundant switching is initiated by the standby system first, the standby system switched to active mode first, then the original active system out of active mode, the two control systems worked on active mode together in a short time during the switching processes. The research results provide reference for similar engineering design.

UHVDC; redundancy switching; active; standby; minor fault; severe fault; emergency fault

富銀芳（1984-），男，本科，工程師，研究方向為特高壓換流站設備運維。