直流控制保護(hù)系統(tǒng)總線故障診斷研究

三峽電力職業(yè)學(xué)院　王麗麗

0　引言

目前國內(nèi)在運(yùn)的換流站中，采用MACH2系統(tǒng)的現(xiàn)場通信總線主要有CAN總線和TDM總線兩種，其中CAN總線用于實(shí)現(xiàn)數(shù)字量信號的傳輸，是MACH2系統(tǒng)中設(shè)備數(shù)據(jù)交換的基礎(chǔ)之一[1]。在這些直流工程中，CAN總線故障通常表現(xiàn)為主機(jī)誤發(fā)信號、板卡不明原因stall、瞬發(fā)性CAN總線通信故障等，極易造成單套控制保護(hù)系統(tǒng)退出運(yùn)行，嚴(yán)重時甚至造成開關(guān)偷跳、直流閉鎖等后果，嚴(yán)重威脅跨區(qū)電網(wǎng)[2]安全穩(wěn)定運(yùn)行。CAN總線故障通常不易確定故障原因，長期以來困擾著一線直流控制保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)維人員。

1　應(yīng)用背景

某公司2015年以來，所轄A換流站（整流站）和B換流站（整流站）換流變接口屏TFT頻繁出現(xiàn)PS860板卡stall現(xiàn)象。每次出現(xiàn)故障時，后臺事件記錄均報“緊急故障”、“CAN TFT故障”、“DSP/TDM PCI板故障”等告警，現(xiàn)場TFT屏內(nèi)PS860板卡stall紅燈亮。表1是2017年A換流站與B換流站TFT屏內(nèi)PS860板卡stall情況的統(tǒng)計。

表1　A換流站、B換流站TFT屏內(nèi)PS860板卡stall故障情況統(tǒng)計表Tab.1　The statistics table of PS860 board stall failure in TFT cabinet at A converter station and B converter station

從表1中看出，TFT屏內(nèi)的B4/H5.13位置的PS860板反復(fù)出現(xiàn)stall故障，且更換新板卡后依然無法解決問題。2017年以來兩站TFT屏B4/H5.13位置的PS860板卡共發(fā)生了18次故障，每次故障均會導(dǎo)致直流極控單系統(tǒng)退出，若此時另一系統(tǒng)發(fā)生緊急故障，會造成直流單極閉鎖，給電網(wǎng)造成巨大影響，對此急需找到故障原因來消除該重大隱患。

2　常規(guī)故障診斷手段存在的問題

為了消除A換流站、B換流站TFT屏內(nèi)B4/H5.13位置的PS860板反復(fù)stall故障，該公司組織運(yùn)維人員對PS860故障問題進(jìn)行了長期跟蹤分析。前期主要采取的方法為對板卡程序源代碼進(jìn)行分析和外接超級終端捕捉故障信息，這兩種方法縮小了故障范圍，但對故障處理方法并未有實(shí)質(zhì)性指導(dǎo)意義，仍然采用的是重啟或者更換板卡的方法來臨時解決問題。

2.1　板卡程序源代碼分析

運(yùn)維人員依據(jù)現(xiàn)場報警報文和故障情況，在對PS860板卡DSP程序的C語言源代碼進(jìn)行研究后，判斷導(dǎo)致PS860出現(xiàn)DSP/TDM故障的可能原因共有4種，分別為：板卡硬件故障、C167要求DSP停運(yùn)、DSP過載、DSP自停止。對板卡程序源代碼分析僅將故障可能的原因縮小范圍，無法明確具體故障原因。

2.2　外接筆記本電腦捕捉故障信息

2017年2月28日，B換流站再次發(fā)生PS860故障，運(yùn)維人員在現(xiàn)場通過外接筆記本電腦，捕捉到了PS860板卡故障瞬間的串口打印信息。如圖1所示。

圖1　2017年2月28日B換流站PS860板故障信息Fig.1　The fault information of PS860 board in B converter station on February 28,2017

由以上信息可判斷PS860板卡故障原因?yàn)槌绦虺霈F(xiàn)過載。正常運(yùn)行時PS860板卡負(fù)載維持在較低水平，但仍然出現(xiàn)程序過載，極可能由于PS860板負(fù)載出現(xiàn)突變而導(dǎo)致程序過載，板卡程序停止運(yùn)行，發(fā)出過載報警。

通過外接筆記本電腦捕捉到了PS860板的故障信息，初步分析認(rèn)為PS860板卡負(fù)載出現(xiàn)突變，但對于負(fù)載突變的原因仍不能明確，無法徹底解決PS860板頻繁故障的隱患。

3　CAN總線分析儀的故障診斷應(yīng)用

該公司經(jīng)過多方研究探討，首次嘗試在換流站引入CAN總線分析儀進(jìn)行故障診斷。經(jīng)過不懈努力，終于找到了PS860板負(fù)載突變的原因，徹底解決了TFT屏PS860板頻繁stall的重大隱患。

3.1　故障診斷原理

使用CAN總線分析儀進(jìn)行故障診斷的原理是將其接入控制保護(hù)系統(tǒng)CAN網(wǎng)中，通過捕捉CAN總線報文并對報文進(jìn)行解析，用于故障原因分析。[3]由于現(xiàn)場TFT屏I/O機(jī)箱內(nèi)已無端口用于直接接入CAN總線分析儀，因此可采用在原有I/O機(jī)箱備用插槽位置新增PS8761板卡后與CAN總線分析儀連接的方式，不影響現(xiàn)有控制保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備正常運(yùn)行，不改變其運(yùn)行方式。以本文案例為例，可按如圖2所示方法將CAN總線分析儀接入控制保護(hù)系統(tǒng)。（1）在控制保護(hù)系統(tǒng)I/O機(jī)箱內(nèi)備用插槽上安裝一塊PS8761板卡；（2）將CAN總線分析儀與筆記本電腦通過USB電纜連接；（3）啟動筆記本電腦上的CAN總線分析軟件，設(shè)置其為只聽狀態(tài)（不會向CAN網(wǎng)發(fā)送報文）；

圖2　CAN總線分析儀接入控制保護(hù)系統(tǒng)方法Fig.2　The method of CAN bus analyzer accessing control and protection system

（4）將CAN總線分析儀與PS8761板卡通過CAN總線電纜測試夾頭連接。

3.2　監(jiān)視報文流量

2017年7月29日，運(yùn)維人員在B換流站現(xiàn)場通過CAN總線分析儀監(jiān)視TFT柜內(nèi)CAN總線報文，發(fā)現(xiàn)CAN總線報文流量不均勻，存在尖峰。若尖峰持續(xù)時間較長，足以導(dǎo)致PS860出現(xiàn)過載故障。如圖3所示。

圖3　CAN報文流量統(tǒng)計Fig.3　The traffic statistics of CAN message

2017年8月3日12點(diǎn)，B換流站極1TFT屏B系統(tǒng)的PS860板再次發(fā)生故障，由CAN總線分析儀捕捉到的報文可以看出，PS860板最后一幀心跳報文（08100083）發(fā)出時間為12:22:44，此后經(jīng)過一個持續(xù)時間較長的CAN流量報文尖峰后，再未發(fā)出心跳報文，由此判斷PS860故障是由CAN總線流量突然增大導(dǎo)致過載引起。如圖4所示。

圖4　PS860板卡經(jīng)過CAN報文流量尖峰后過載故障Fig.4　The overload fault ofPS860 board after CAN packet traffic spikes

3.3　報文解析

2017年8月4日，運(yùn)維人員對流量尖峰處的報文進(jìn)行解析，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致CAN報文流量出現(xiàn)尖峰的原因是由于水冷系統(tǒng)PS830板卡報文重復(fù)發(fā)送所致。如圖5所示。

圖5　CAN報文流量尖峰處放大后的情況Fig.5　The enlarging of CAN message fl ow spikes

在整個報文捕捉過程中，所有導(dǎo)致CAN總線利用率[4]大于10%的尖峰都是由幀ID為 0x06017404的報文造成。這類報文是極控制保護(hù)主機(jī)內(nèi)PCIB板卡應(yīng)答水冷系統(tǒng)PS830板卡事件的報文。如圖6所示。

圖6　來自PCIB板卡的水冷系統(tǒng)事件應(yīng)答報文Fig.6　The responsive message from PCIB board of cooling system

檢查應(yīng)答報文內(nèi)容，發(fā)現(xiàn)水冷系統(tǒng)的事件均被重復(fù)應(yīng)答兩次，由此推斷站內(nèi)水冷系統(tǒng)報文存在重復(fù)發(fā)送的異常現(xiàn)象。由于MACH2系統(tǒng)事件報文的背景更新機(jī)制，無論是否有報文產(chǎn)生，均會周期性發(fā)送背景更新事件。B換流站水冷系統(tǒng)兩塊PS830板卡共有120多個事件，若同時發(fā)送且重復(fù)發(fā)送兩遍，會在CAN總線上集中產(chǎn)生240幀報文，誘發(fā)PS860過載故障。

2017年8月4日，現(xiàn)場臨時修改水冷系統(tǒng)程序，消除水冷系統(tǒng)事件重發(fā)異常。程序修改完成后，B換流站TFT屏內(nèi)最高CAN總線利用率從12%下降到6%，效果明顯。如圖7和圖8所示。

圖7　水冷系統(tǒng)程序修改前B換流站CAN總線報文流量Fig.7 The CAN bus message fl ow of B converter station before modifing the cooling system program

圖8　水冷系統(tǒng)程序修改后B換流站CAN總線報文流量Fig.8 The CAN bus message fl ow of B converter station after modifing the cooling system program

4　結(jié)論

在經(jīng)過長期的跟蹤檢查并引入CAN總線分析儀進(jìn)行故障診斷后，A換流站、B換流站TFT屏PS860板卡頻繁故障的問題得以徹底解決。故障原因?yàn)樗湎到y(tǒng)事件報文重復(fù)發(fā)送，導(dǎo)致極控主機(jī)PCIB板卡重復(fù)應(yīng)答，大幅增加CAN總線報文流量，造成報文分布不均，出現(xiàn)大量高流量尖峰，一旦PS860板卡自身負(fù)載短時增加或CAN網(wǎng)上其他報文同時發(fā)送，就會引起PS860板卡過載故障。

（1）通過板卡程序源代碼分析、外接筆記本電腦捕捉故障信息等方法僅能作為一般故障診斷手段，對故障處理無實(shí)質(zhì)性指導(dǎo)意義，不能準(zhǔn)確定位故障點(diǎn)，無法深入分析故障原因。

（2）使用CAN總線分析儀可以迅速定位故障原因，極大地縮短故障診斷時間，尤其是對頻繁出現(xiàn)的、原因不明的控制保護(hù)設(shè)備故障，故障處理方案明確，優(yōu)勢明顯。

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