三峽—常州±500kV直流輸電工程控制保護系統改造

李 林 王永平 黃志嶺 盧亞軍

三峽—常州±500kV直流輸電工程控制保護系統改造

李 林1王永平1黃志嶺1盧亞軍2

（1. 南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102； 2. 國網經濟技術研究院有限公司，北京 102209）

針對三峽—常州±500kV直流輸電工程控制保護主機掏屏改造、原位替換的局部改造需求，開發新一代控制保護平臺，具有體積小、性能強大、接口豐富等優點。為了兼容與已有外部設備的接口，開展主機外部接口設計，減少了中間轉發環節，提升了接口的性能；針對雙套控制主機均故障時的功率轉帶、線路故障降壓重啟時的過電壓、逆變側請求功率回降時不能準確執行等問題，優化了控制保護策略，提升了可靠性，同時大大縮短了程序執行周期，降低了換相失敗的風險。廠內聯調試驗和現場運行情況表明，上述設計方案行之有效，該方案的成功實施可為后續其他工程的改造提供參考。

高壓直流輸電；控制保護；改造方案；系統設計；主機替換

0 引言

三峽—常州±500kV直流工程（簡稱龍政直流）額定功率3 000MW，輸電距離860km，是三峽電力外送的第一條重要通道[1]，自投運以來已累計向華東地區送電2 064億kW?h，在優化東中部能源電力結構和保障電力供應、促進經濟社會協調發展等方面，發揮了重要作用，綜合效益顯著[2]。

三峽—常州直流工程原有控制保護系統（簡稱控保系統）由ABB公司于2000年設計制造，2003年6月投運，運行時間已超18年。目前主機處理器板及并行擴展（peripheral component interconnect, PCI）板卡部分芯片已停產，存在備品采購困難、主機板卡故障率升高、功能擴展困難等問題，影響龍政直流安全穩定運行。

改造方案有整體和局部兩種方案，受工期、資金等條件的限制，確定了主機替換、分階段的改造方案，改造范圍包括：直流控制保護、交流站控、交流濾波器控制保護、站用電控制、輔助系統控制等主機及監控系統，同時對部分測量設備進行改造。

以往直流工程控保系統的改造均為整體改造，比如天生橋—廣州直流控保系統改造、菲律賓Ormoc- Naga直流控保系統改造[3-5]。采用掏屏改造、主機原位替換的方案改造直流控保系統尚屬首次。主機原位替換后如何接入原有外部接口設備、如何確保控保功能的正確性，是需要解決的難題。

針對上述問題，首先分析原有控保系統的構成、原理、存在的問題等，進行控制保護平臺開發，實現主機小型化和高性能；其次開展主機外部接口設計，兼容與已有外部設備的接口；然后在控保主機功能方面，針對雙套控制主機均故障時的功率轉帶、線路故障降壓重啟時的過電壓、逆變側請求功率回降時不能準確執行等問題，開展分析研究，提出控制保護策略，以大大縮短觸發控制程序執行周期，降低換相失敗的風險；最后通過廠內聯調試驗和現場實際運行證明所設計方案的有效性。

1 新一代控制保護平臺設計

1.1 原有控制保護平臺

原有直流控制保護系統采用Mach2平臺，是20世紀90年代開發的，其控制保護的硬件系統以工控機作為主計算機[6]。通過PCI總線擴展卡與外部分布式輸入輸出（input output, IO）設備通信；通過控制器域網（controller area network, CAN）總線獲取開關量信號；通過時分多路復用（time division multiplexing, TDM）總線獲取模擬量信號。

1.2 原有平臺存在的主要問題

1）采用工控機作為控制保護主機，可靠性低，運行維護不方便，PCI總線已成為提升控保主機功能和性能的制約因素[7-9]。

2）信號采集、傳輸中間環節多，可靠性低。

3）兩套極保護采用一套值班另一套備用的運行方式，且沒有采用“啟動+動作”的動作邏輯，可靠性低，運行過程中多次出現保護誤動問題[10-12]。

4）極控和極保護功能在硬件實現上沒有完全分開，極控主機中包含部分保護功能，不符合保護規范要求[13-14]。

1.3 新一代控制保護平臺

嵌入式芯片和通信技術的不斷進步，為直流控制保護系統向更快、更強、更小型化的方向發展提供了技術支撐[15-16]。新一代直流控制保護平臺使用當今市場最先進的嵌入式多核處理器進行計算處理，采用大規模邏輯編程器件現場可編程門陣列（field programmable gate array, FPGA）實現硬件接口擴展和通信處理。

控保主機核心單元示意圖如圖1所示，直流控保主機的核心單元由一片多核異構處理器（system on chip, SOC）和FPGA組成，單個中央處理器（central processing unit, CPU）包含4個ARM處理器和8個浮點處理器（digital signal processing, DSP），ARM處理器負責裝置管理和人機通信，DSP處理器負責控制保護系統的實時任務，FPGA負責網絡通信、閥控接口等外設接口擴展，CPU與FPGA之間通過高速總線通信。

圖1 控保主機核心單元示意圖

DSP核直接運行控制保護程序，無操作系統。ARM核運行嵌入式Linux實時操作系統，在Linux內核的精準調度指揮下，可完成實時事件記錄、故障錄波、電力系統IEC 61850規約通信功能。

12核異構處理器為高性能并行分布式計算奠定基礎，單SOC處理器即可完成控制保護主機的全部功能，實現超高性能、超高密度的實時計算，計算耗時顯著降低，控制周期進一步縮短。

在外部接口方面，支持以太網、IEC 60044—8通信、CAN通信、高速鏈路（high-level data link control, HDLC）通信，具備良好兼容性。最多支持50個光口，含8個千兆高速口。

在結構設計方面，新一代直流控制保護平臺充分利用基于結構、熱、電磁多物理場仿真技術，對主機內部器件進行建模和仿真，合理布置光纖接口，實現了主機小型化。采用無風扇導冷方式實現最優散熱設計，控制主機內部熱量分布、溫升在合理范圍內，提高了主機壽命和長期運行可靠性。

新一代主機為嵌入式控制保護裝置，采用2U（1U=44.4mm）高度、19in（1in=25.4mm，19in= 482.6mm）標準機箱，相比原有的4U工控機，體積縮小一半，滿足現場安裝空間的要求。

基于新一代控制保護平臺開發了極控主機、極保護主機、交流站控主機、交流濾波器控制主機、站用電控制主機、輔助系統控制主機等，交流站控主機、交流濾波器控制主機、站用電控制主機、輔助系統控制主機主要實現測控功能[17-18]，控制邏輯較為簡單。受篇幅限制，本文重點介紹極控主機、極保護主機的接口與功能設計。

2 主機外部接口設計與改進

2.1 與閥控裝置的接口設計

極控主機與閥控裝置閥基電子設備（valve base electronics, VBE）系統之間交互的信號包括12路觸發/回報（control pulse/firing pulse, CP/FP）信號、值班信號[19-20]。

改造前后極控主機與閥控裝置之間的連接如圖2所示，改造前，極控主機與VBE系統之間連接的中間環節多，主機通過百芯線連接至轉接板卡，轉接板卡接至光電轉換板卡，再接至VBE。改造后，極控主機直接與VBE通過光纖連接，減少了中間環節，提升了可靠性。

圖2 改造前后極控主機與閥控裝置之間的連接

2.2 與直流場開關量采集設備的接口設計

直流場接口設備包括三套非電量信號接口、換流變信號接口、平抗信號接口、極區直流側開關接口、雙極區直流側開關接口。

改造前后極控主機與直流場開關量采集設備之間的連接如圖3所示，改造前，轉換環節多，先在接口屏柜將CAN轉換為HDLC，在極控屏柜將HDLC轉換為CAN后，再連接至轉接板，通過百芯線連接到主機；改造后，在接口屏柜將CAN轉換為HDLC，之后HDLC直接連接到主機，減少了中間環節。

圖3 改造前后極控主機與直流場開關量采集設備之間的連接

2.3 與直流場模擬量采集設備的接口設計

本工程常規電磁式CT、PT不改造，原采用PS860板卡對模擬量進行采樣并轉換成TDM協議，而新的控制主機使用IEC 60044—8協議，將PS860板卡原位替換為RS8601板卡，實現模擬量采樣并轉換成IEC 60044—8協議送出。

改造前，信號傳輸中間環節多，在極控屏柜先將光纖TDM轉換為電信號，再經十芯線連接至轉接板，之后經百芯線連接至主機；改造后，IEC 60044—8總線直接連至主機，無中間環節。

2.4 極間站間通信設計

通過極間、站間通信分別實現兩極、兩站的協調控制。改造前，極間、站間通信均采用HDLC協議實現，極控主機將值班信號以硬接點信號送至極間通信切換裝置，通信速率慢，可靠性低。

改造后，極間通信采用百兆光纖以太網通信，采用新開發的通信切換裝置，值班信號以軟報文形式送至切換裝置，切換速率快、抗干擾性強；站間通信方面，主機至通信切換裝置之間采用百兆光纖以太網通信，值班信號以軟報文形式送至切換 裝置。

3 控保主機功能設計與改進

3.1 完全雙重化設計

改造前，極控和極保護一體化設計，極控和極保護主機均采用一套值班另一套備用的運行方式，且保護功能沒有采用“啟動+動作”的防誤邏輯，某套保護裝置動作，首先切系統然后再出口，比如A套保護動作后（假設當前A系統值班），保護切換到B系統，若B系統仍檢測到故障，保護出口，由此避免因為A系統單一元件故障導致保護誤動。由于切換邏輯對保護冗余考慮不夠充分，曾多次出現保護系統誤動問題。

改造后極控和極保護各自獨立，兩套極控主機采用一套值班另一套備用的運行方式，兩套極保護主機均為值班，每套保護均采用“啟動+動作”防誤邏輯，并各自單獨出口，實現完全雙重化。

3.2 增加雙套極控主機均故障時的功率轉帶功能

極控主機冗余設計，正常運行時，一套值班，另一套備用。如一套主機在檢修時，值班主機發生死機或掉電等故障，極保護主機檢測到該極控主機故障后跳進線開關。本極主機故障后，本極的閉鎖等信號無法送至對極，對極無法進行功率轉帶。改造前的控制保護系統沒有考慮該故障情況，改造后增加了針對該故障情況的功率轉帶功能，從而提升功率輸送的可靠性。

健全極收不到故障極兩套極控主機的心跳信號，同時檢測到故障極直流電壓小于100kV，直流電流小于150A，則判斷為故障極發生雙套極控主機死機，健全極啟動功率轉帶。

3.3 增強交流系統故障時抵御換相失敗的能力

改造前的最小程序執行周期為75ms，換流閥觸發控制、換相失敗預測控制、最小換相裕度觸發控制等程序均在最小周期執行；改造后的最小程序執行周期為20ms，在逆變側交流系統發生故障時，更小的執行周期有利于更快檢測到故障，提前觸發，進而增強系統抵御換相失敗的能力，降低換相失敗發生的概率。

3.4 優化降壓再啟動策略

直流線路發生故障時，一般先進行原壓重啟，若不成功，再進行降壓重啟。通過廠內試驗發現，直流線路故障降壓再啟動時，出現直流電壓過高的情況，主要原因是此時的檔位未處于最低檔，并且整流側定電流控制器起作用導致觸發角指令下降過快。為解決此問題，提出優化策略如下：

1）檢測到降壓重啟時，取消整流側直流電壓參考值的補償量，待直流電壓穩定后再恢復補償量。

2）由于在直流電流為0時，直流電壓滿足

式中：d為直流電壓；di0為理想空載電壓；為觸發延遲角。

所以在直流降壓重啟過程中，直流電流未建立時，將直流電壓參考值和di0計算值代入式（1），計算出，作為整流側指令下限，從而避免整流側由于定電流控制器的作用不斷減小而導致直流電壓過高的問題。

3.5 優化逆變側絕對最小濾波器不滿足功率回降策略

逆變側絕對最小濾波器不滿足啟動功率回降時，首先將逆變側絕對最小濾波器所能支撐的功率折算為整流側的功率值，再送至整流側執行，從而確保整流側執行功率回降后，直流功率經過直流線路，最終送到逆變側的功率與預期值一致。

之前采用的功率損耗是當前功率的損耗，可能會出現整流側已經降至目標功率而逆變側仍不滿足絕對最小濾波器需求的情況，因此需要重新計算功率損耗。

回降后逆變側的功率滿足

式中：2為回降后逆變側的功率；R為整流側電壓；2為直流電流；為線路電阻。

進而計算出回降后的直流電流為

線路損耗為

整流側所能支撐的最大功率為

以下舉例說明，當前直流雙極全壓額定功率3 000MW（對應直流電壓500kV，直流電流3 000A）運行，直流線路電阻9.71W，逆變側交流濾波器母線保護動作跳閘，導致濾波器不滿足，最大可支撐的直流功率為1 600MW。按原有做法，采用當前電流計算出線路損耗，根據式（4）和式（5），折算至整流側的最大支撐功率為(1 600+3.0×3.0×9.71×2)MW= 1 774.78MW，若整流側功率回降至1 774.87MW，對應的逆變側功率為1 713.69MW，遠大于1 600MW，超出逆變側最大可支撐功率。采用優化后的計算方法，首先根據式（3）計算出回降后的電流為1 650A，折算至整流側的最大支撐功率為(1 600+1.65×1.65×9.71×2)MW=1 652.87MW，整流側按此功率回降，回降后逆變側的功率滿足最大可支撐功率。

3.6 其他控制功能的改進

1）優化安穩調制量分配策略

改造前，原有的安穩調制量分配策略較為簡單，僅將調制量平分到兩極，改造后考慮兩極控制模式、運行電壓等因素，分配策略更為合理，具體如下。

當一極為雙極功率控制、一極為非雙極功率控制時，優先提升/回降雙極功率控制極功率；兩極控制模式一致，或一極單極電流控制、一極單極功率控制時，優先按照電壓測量值分配功率調制量。若某極無法承擔全部功率提升/回降量時，則剩余提升/回降量由另一極承擔。

2）優化絕對最小濾波器不滿足直流功率回降量分配策略

絕對最小濾波器不滿足導致直流功率回降時，按回降前的功率比例分配兩極回降功率量，使回降后的接地極運行電流最小。計算公式為

式中：1_RB2_RB分別為極1、極2的功率回降量；1_POW2_POW分別為極1、極2的回降前功率；RB為總的回降量。

4 試驗驗證

4.1 模擬兩套極控主機同時故障

在實時數字仿真（real time digital simulation, RTDS）系統中啟雙極至最小功率，模擬整流側極1雙套極控主機均故障，仿真波形如圖4所示，極1控制主機故障后，由極1保護主機跳開進線開關，極1的電壓電流降至0，約100ms后，極2檢測到極1故障，轉帶了極1的功率。

4.2 模擬逆變側交流系統故障

在RTDS系統中啟極，模擬逆變側交流系統故障，仿真波形如圖5所示。交流系統發生故障導致交流電壓畸變，進而導致逆變側交流電壓跌落和逆變側直流電壓降低、直流電流上升，從而導致換相過程增加，此外，交流電壓畸變導致換相電壓過零點提前，最終導致換流閥的關斷角小于最小值，沒有恢復阻斷能力，仍在導通，最終造成換相失敗。改造后換相失敗預測控制功能及時動作，增加關斷角參考值，減小逆變側觸發角指令，進而實現提前觸發，避免換相失敗。

圖5 改造前后逆變側交流系統故障的仿真波形

4.3 模擬直流線路故障

在RTDS系統中啟極，模擬極1直流線路故障，故障時間700ms，保護系統檢測線路故障后，進線兩次全壓重啟和一次降壓重啟。極1線路故障后降壓重啟仿真波形如圖6所示，通過波形可以看出，降壓重啟后，沒有過電壓出現，相比改造前的控制效果有明顯改善。

圖6 極1線路故障后降壓重啟仿真波形

5 結論

本文針對在運直流工程控保主機掏屏改造的需求，分析了原有控保系統的組成、原理及存在的問題，開發了小型化、高性能的控制保護平臺，開展了控制保護主機接口設計，改進了控制保護功能，首次實現了主機原位替換、兼容外部設備接口的改造方案，提升了工程改造的效率，縮短了改造工期，具有推廣意義。改造后的控制保護系統在功能、性能、可靠性等方面均得到顯著提升，三峽—常州直流改造工程自再投運以來，運行穩定。

在國內采用同樣控保平臺的直流工程還有葛南直流、三峽—上海、三峽—惠州、呼倫貝爾—遼寧、德陽—寶雞、黑河背靠背、靈寶背靠背等直流工程，隨著運行年限的增加，這些直流工程的控保系統陸續進入改造階段，三峽—常州直流控保改造工程的成功實施可為今后類似改造提供參考。

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Refurbishment of control and protection system for Three Gorges-Changzhou HVDC project

LI Lin1WANG Yongping1HUANG Zhiling1LU Yajun2

(1. NR Electric Co., Ltd, Nanjing 210002;2. State Grid Economic and Technological Research Institute Co., Ltd, Beijing 102209)

A new generation of control and protection platform has been developed to meet the refurbishment needs of the Three Gorges Changzhou ±500kV HVDC project, such as screen removal transformation and in-situ replacement of the control and protection host. It has the advantages of small size, strong performance and rich interfaces. In order to be compatible with the interface with existing external devices, the host external interface is designed to reduce the intermediate forwarding link and improve the performance of the interface. Aiming at the problems such as power generation when both sets of control hosts fail, overvoltage when line fails to step down and restart, and failure to execute accurately when the inverter side requests power back down, the control and protection strategy is optimized to improve reliability, greatly shorten the program execution cycle, and reduce the risk of commutation failure. The joint commissioning test in the plant and the field operation show that the above design scheme is effective, and the successful implementation of this scheme can provide a reference for the subsequent transformation of other projects.

high voltage direct current (HVDC); control and protection; refurbishing scheme; system design; host replacement

國家電網公司總部科技項目（SGSXDK00SPJS2100509）

2022-08-10

2022-08-22

李 林（1980—），男，安徽太和人，高級工程師，主要從事特高壓直流輸電控制保護技術研發工作。