賓金特高壓直流保護(hù)三取二配置策略及優(yōu)化研究

賈軒濤，朱玉婷，陳劍飛，薛鑫新，黃 華

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司檢修分公司，杭州 311232）

賓金特高壓直流輸電工程于2014 年7 月建成投運(yùn)，額定電壓±800 kV，額定輸送功率800萬(wàn)kW，直流控制保護(hù)采用HCM3000 硬件平臺(tái)，直流保護(hù)采用三重化冗余配置，保護(hù)出口采用三取二邏輯，即至少2 套保護(hù)裝置同時(shí)動(dòng)作，保護(hù)信號(hào)才會(huì)最終出口[1-2]。直流保護(hù)三取二邏輯通過(guò)硬件三取二裝置和軟件三取二實(shí)現(xiàn)，正常情況下硬件三取二輸出有效，當(dāng)硬件三取二裝置全部故障時(shí)軟件三取二輸出有效。以金華站為例，研究了軟件三取二輸出有效時(shí)，由于軟件三取二功能設(shè)計(jì)不完善，存在閥組保護(hù)與極保護(hù)的部分保護(hù)功能無(wú)法出口，導(dǎo)致設(shè)備故障和影響直流系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的隱患。

針對(duì)設(shè)計(jì)缺陷，結(jié)合其他工程案例，提出了相應(yīng)的解決措施，可為提升賓金特高壓直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定和可靠性提供參考。

1 直流保護(hù)三取二配置及原理

1.1 硬件三取二配置及設(shè)計(jì)原理

金華站直流保護(hù)系統(tǒng)分為雙極層保護(hù)、極層保護(hù)和閥組層保護(hù)，其中雙極層和極層保護(hù)集成在極保護(hù)主機(jī)中，閥組層保護(hù)配置在閥組保護(hù)主機(jī)中[3-4]。直流保護(hù)主機(jī)全部采用HCM3000 硬件平臺(tái)，采用三重化冗余配置，硬件三取二裝置型號(hào)為HPL100。以閥組保護(hù)系統(tǒng)為例，三重化冗余配置如圖1 所示，三面閥組保護(hù)屏柜配置了相同的HCM3000 保護(hù)主機(jī)，HPL100 三取二裝置分別安裝于保護(hù)系統(tǒng)A，B 屏柜內(nèi)，任何一套屏柜退出值班運(yùn)行，均不影響閥組保護(hù)的動(dòng)作出口。

圖1 閥組保護(hù)屏柜配置

1.2 硬件三取二出口邏輯

直流保護(hù)硬件三取二出口邏輯如圖2 所示，3 套直流保護(hù)主機(jī)保護(hù)動(dòng)作信號(hào)采用IFC 總線(xiàn)分別送至2 套三取二裝置，保護(hù)動(dòng)作經(jīng)三取二邏輯判斷后，直接通過(guò)硬接線(xiàn)經(jīng)壓板接至進(jìn)線(xiàn)斷路器或旁路開(kāi)關(guān)等一次設(shè)備的控制回路，完成跳閘、重合開(kāi)關(guān)等保護(hù)動(dòng)作命令。正常情況下，2 套三取二裝置同為值班狀態(tài)，任一套三取二裝置保護(hù)信號(hào)出口，對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)即動(dòng)作（分閘或合閘）[5]。

圖2 金華站硬件三取二出口邏輯示意

1.3 軟件三取二功能原理及出口邏輯

1.3.1 閥組保護(hù)軟件三取二配置原理及缺陷分析

閥組保護(hù)的軟件三取二邏輯功能通過(guò)閥組控制主機(jī)的軟件實(shí)現(xiàn)，軟件三取二選擇邏輯及保護(hù)動(dòng)作出口如圖3 所示。

圖3 金華站閥組保護(hù)軟件三取二出口邏輯示意

在圖3 中，3 套直流保護(hù)主機(jī)保護(hù)動(dòng)作信號(hào)采用IFC 總線(xiàn)分別送至2 套閥組控制主機(jī)，在閥組控制主機(jī)程序中配置了三取二選擇邏輯和系統(tǒng)監(jiān)視功能；當(dāng)軟件三取二檢測(cè)到閥組保護(hù)發(fā)出跳進(jìn)線(xiàn)斷路器信號(hào)（跳閘）并輸出后，系統(tǒng)監(jiān)視功能將其作為主機(jī)緊急故障信號(hào)輸出給閥組控制屏柜內(nèi)的冗余切換裝置，冗余切換裝置如果監(jiān)視到2套閥組控制主機(jī)均故障，則同時(shí)發(fā)出跳閘和重合旁路開(kāi)關(guān)命令，實(shí)現(xiàn)閥組的閉鎖和旁路[6-7]。

在圖3 中，閥組控制主機(jī)程序僅對(duì)軟件三取二輸出的“跳進(jìn)線(xiàn)斷路器”信號(hào)進(jìn)行處理，未對(duì)重合BPS、重合BPI 信號(hào)進(jìn)行響應(yīng)，將導(dǎo)致保護(hù)動(dòng)作結(jié)果僅包含重合BPS 或重合BPI 的保護(hù)類(lèi)型無(wú)法出口。受影響的閥組保護(hù)包括旁通對(duì)過(guò)負(fù)荷保護(hù)和旁路開(kāi)關(guān)保護(hù)。

1.3.2 極保護(hù)軟件三取二配置原理及缺陷分析

極保護(hù)軟件三取二功能在PCP（極控主機(jī)）中實(shí)現(xiàn)，三取二及保護(hù)動(dòng)作出口邏輯如圖4 所示。

圖4 金華站極保護(hù)軟件三取二出口邏輯示意

在圖4 中，極保護(hù)跳閘出口邏輯與閥組保護(hù)相同，通過(guò)極控屏柜內(nèi)的冗余切換裝置輸出跳閘命令。對(duì)于其他的極保護(hù)動(dòng)作信號(hào)重合NBS 開(kāi)關(guān)、重合NBGS 開(kāi)關(guān)和打開(kāi)直流濾波器高壓側(cè)刀閘，極控主機(jī)完成三取二邏輯判斷后，通過(guò)IFC總線(xiàn)交叉輸送至直流站控主機(jī)，僅用于鎖定斷路器邏輯，未對(duì)重合NBS 開(kāi)關(guān)、重合NBGS 開(kāi)關(guān)和打開(kāi)直流濾波器高壓側(cè)刀閘設(shè)計(jì)出口回路，導(dǎo)致相關(guān)極保護(hù)功能無(wú)法出口。受影響保護(hù)包括中性母線(xiàn)開(kāi)關(guān)保護(hù)、站內(nèi)接地開(kāi)關(guān)保護(hù)、接地極引線(xiàn)開(kāi)路保護(hù)、直流濾波差動(dòng)保護(hù)和直流濾波器電抗器過(guò)負(fù)荷保護(hù)。

2 直流輸電系統(tǒng)影響分析

2.1 直流保護(hù)三取二功能切換邏輯

正常情況下，當(dāng)直流保護(hù)硬件三取二裝置正常運(yùn)行時(shí)，其輸出有效，控制主機(jī)中軟件三取二功能為屏蔽狀態(tài)；當(dāng)控制主機(jī)檢測(cè)到2 套硬件三取二裝置均故障時(shí)（電源故障或通信總線(xiàn)故障），軟件三取二功能將自動(dòng)投入，切換邏輯如圖5 所示。

圖5 金華站軟件三取二功能切換示意

當(dāng)金華站在2 套冗余配置的硬件三取二裝置出現(xiàn)故障時(shí)，控制主機(jī)中的軟件三取二功能將自動(dòng)切換到有效輸出狀態(tài)，在此工況下，直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)存在設(shè)備故障和直流閉鎖的隱患。

2.2 閥組保護(hù)動(dòng)作出口影響

由于閥組保護(hù)軟件三取二的出口回路設(shè)計(jì)上未充分考慮到“重合旁路開(kāi)關(guān)”或“重合旁路刀閘”動(dòng)作情況，導(dǎo)致旁路開(kāi)關(guān)保護(hù)、旁通對(duì)過(guò)負(fù)荷保護(hù)無(wú)法正確動(dòng)作，存在一次設(shè)備過(guò)載運(yùn)行或無(wú)法重合旁路開(kāi)關(guān)，引起設(shè)備故障、極閉鎖的風(fēng)險(xiǎn)[8-9]。受影響保護(hù)動(dòng)作結(jié)果對(duì)比如表1 所示。

2.3 極保護(hù)動(dòng)作出口影響分析

由于極保護(hù)軟件三取二重合NBS 開(kāi)關(guān)、重合NBGS 開(kāi)關(guān)和打開(kāi)直流濾波器高壓側(cè)刀閘未設(shè)計(jì)出口回路，導(dǎo)致極保護(hù)中性母線(xiàn)開(kāi)關(guān)保護(hù)、站內(nèi)接地開(kāi)關(guān)保護(hù)、接地極引線(xiàn)開(kāi)路保護(hù)、直流濾波差動(dòng)保護(hù)和直流濾波器電抗器過(guò)負(fù)荷保護(hù)重合動(dòng)作無(wú)法出口，對(duì)直流系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行造成影響，存在直流閉鎖隱患[9-10]。保護(hù)動(dòng)作結(jié)果對(duì)比如表2所示。

表1 閥組保護(hù)動(dòng)作對(duì)比及影響分析

3 優(yōu)化改進(jìn)措施

借鑒紹興站直流保護(hù)系統(tǒng)采用的PCS9550硬件平臺(tái)，分層結(jié)構(gòu)與金華站相同，由雙極層保護(hù)、極層保護(hù)和閥組層保護(hù)組成，直流保護(hù)通過(guò)極保護(hù)主機(jī)和閥組保護(hù)主機(jī)實(shí)現(xiàn)，其中三取二裝置采用單獨(dú)的PCS-9552 裝置實(shí)現(xiàn)，與保護(hù)主機(jī)采用相同的硬件平臺(tái)[11-13]。以紹興站極保護(hù)為例，保護(hù)與三取二主機(jī)配置如圖6 所示。

圖6 紹興站極保護(hù)屏柜配置

表2 極保護(hù)動(dòng)作對(duì)比及影響分析

采用PCS9550 硬件平臺(tái)的直流極保護(hù)系統(tǒng)由3 臺(tái)獨(dú)立保護(hù)主機(jī)與2 臺(tái)冗余的三取二主機(jī)構(gòu)成。通過(guò)三取二邏輯確保每套保護(hù)單一元件損壞時(shí)保護(hù)不誤動(dòng)，保證安全性；3 套保護(hù)主機(jī)中有2 套相同類(lèi)型保護(hù)動(dòng)作被判定為正確的動(dòng)作行為，才允許出口閉鎖或跳閘，保證可靠性。

3.1 三取二邏輯及出口回路

PCS9550 直流保護(hù)三取二邏輯在獨(dú)立的“三取二主機(jī)”和“控制主機(jī)”中同時(shí)實(shí)現(xiàn)，功能配置及出口回路設(shè)計(jì)上，極層與閥組層保護(hù)原理相同。以極層保護(hù)為例，極保護(hù)主機(jī)、三取二主機(jī)、極控主機(jī)配置及出口回路如圖7 所示。

在各層控制系統(tǒng)主機(jī)程序中，均配置了與三取二主機(jī)相同的三取二邏輯，冗余的控制主機(jī)同時(shí)接收3 套保護(hù)分類(lèi)動(dòng)作信息，通過(guò)相同的三取二保護(hù)邏輯出口，實(shí)現(xiàn)閉鎖、極隔離、跳交流開(kāi)關(guān)和重合BPS 開(kāi)關(guān)等功能。保護(hù)主機(jī)與三取二主機(jī)、控制主機(jī)之間通過(guò)CTRL LAN 總線(xiàn)光纖進(jìn)行連接，傳輸經(jīng)校驗(yàn)的數(shù)字量信號(hào)，進(jìn)一步提高信號(hào)傳輸?shù)目煽啃院涂垢蓴_能力。

3.2 三取二主機(jī)與控制主機(jī)三取二功能配合策略

如圖7 所示，采用同一PCS9550 硬件平臺(tái)的三取二主機(jī)和控制主機(jī)中分別實(shí)現(xiàn)“三取二”功能，三取二主機(jī)實(shí)現(xiàn)跳換流變開(kāi)關(guān)、重合BPS 開(kāi)關(guān)、重合NBGS 開(kāi)關(guān)、跳DCF 高壓側(cè)隔刀等所有開(kāi)關(guān)設(shè)備出口功能，控制主機(jī)三取二邏輯在實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)設(shè)備出口功能的同時(shí)，完成直流閉鎖功能。

正常情況下，在直流保護(hù)動(dòng)作后，三取二主機(jī)與控制主機(jī)三取二邏輯同時(shí)工作，相互獨(dú)立，如極端情況下冗余的三取二主機(jī)未能跳換流變開(kāi)關(guān)，控制主機(jī)也可完成跳換流變開(kāi)關(guān)動(dòng)作；如極端情況下冗余的控制主機(jī)未正確發(fā)出開(kāi)關(guān)設(shè)備動(dòng)作命令，則由三取二主機(jī)完成保護(hù)出口。

圖7 紹興站極保護(hù)三取二邏輯

4 結(jié)論

通過(guò)研究賓金特高壓HCM3000 直流保護(hù)三取二出口策略配置，分析了硬件三取二故障后軟件三取二功能的設(shè)計(jì)缺陷，并借鑒靈紹特高壓直流PCS9550 直流保護(hù)設(shè)計(jì)原理進(jìn)行對(duì)比分析，得出如下結(jié)論：

（1）金華站HCM3000 閥組保護(hù)軟件三取二邏輯的重合BPS、重合BPI 信號(hào)未設(shè)計(jì)出口回路，導(dǎo)致閥組保護(hù)旁路開(kāi)關(guān)保護(hù)、旁通對(duì)過(guò)負(fù)荷保護(hù)重合動(dòng)作無(wú)法出口。

（2）金華站HCM300 極保護(hù)軟件三取二邏輯的重合NBS、重合NBGS 和打開(kāi)直流濾波器高壓側(cè)隔刀信號(hào)未設(shè)計(jì)出口回路，導(dǎo)致極保護(hù)中性母線(xiàn)開(kāi)關(guān)保護(hù)、站內(nèi)接地開(kāi)關(guān)保護(hù)、接地極引線(xiàn)開(kāi)

（3）通過(guò)完善HCM3000 直流保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，借鑒同類(lèi)工程進(jìn)行優(yōu)化改造，可進(jìn)一步提升直流輸電系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。