特高壓直流工程保護系統定值管理實現方案

張 健,劉威鵬,曾麗麗,李躍鵬,羅 磊

(許繼電氣股份有限公司,河南 許昌 461000)

0 引言

近年來,特高壓直流輸電以其輸電距離遠、傳輸容量大、控制靈活等特點在我國得到迅速發展[1]。直流輸電的控制保護系統是特高壓直流輸電系統的重要組成部分,其可控性高,快速調整潮流分布能力強,對于提高系統暫態和動態穩定性具有重要作用[2]。保護定值與直流保護動作策略密切相關,是決定保護系統能否準確可靠反映電網各類故障的重要參數。隨著電網運行方式的變化,保護定值需要做出相應調整,以最大限度地滿足直流保護的可靠性、快速性、選擇性及靈敏度[3-8]。

目前,直流輸電控制保護面臨新的挑戰,直流控制保護系統的標準化程度低,工程差異化大,軟件版本缺乏有效技術管控手段,存在較大安全隱患[9]。直流保護系統并未構建起全網一體化整定與在線校核平臺。以±800 kV特高壓直流工程為例,保護系統通過應用程序配置保護初始定值,系統運行過程中,位于現場控制層的測控裝置實時采集現場數據[10],保護系統在電網變化時,對初始定值進行綜合分析與判斷,實時調整保護定值。目前,直流輸電保護裝置修改定值主要通過工程人員手動修改圖形化應用程序中配置的定值項并重新編譯,然后退出保護,下載應用程序并重啟保護裝置使定值生效。這種定值修改方法會造成軟件版本難以定版,不利于保護裝置的標準化,同時工作量大,增加運行成本。因此,根據直流保護系統特征及其組成架構,開發合適的定值管理系統,對實現全網整定計算業務與流程的規范化及直流保護的標準化具有重要意義。

本文提出了一種基于HCM5000的高壓直流輸電保護系統定值管理方案,該方案可以根據應用需求靈活配置,實現遠程在線修改、校核定值等功能,為開展一體化整定與在線校核工作提供標準化軟件平臺。

1 HCM5000平臺

高壓直流輸電控制保護設備的硬件平臺一般由工控機或嵌入式設備構成[11]。

HCM5000是許繼電氣股份有限公司最新自主研發的標準化緊湊型直流保護系統平臺,繼承了HCM3000平臺的諸多優點,如安全可靠的運行系統、裝置板卡可靈活組態、多種總線接口、多CPU并行處理、CFC圖形化編程工具、種類豐富的功能塊庫、可快速實現二次應用組態等[12-13]。

與HCM3000平臺對比,HCM5000在系統構架、背板總線構架、主處理器板卡總體性能、接口速度、總線速度、裝置結構、裝置功耗、裝置可維護性等方面均取得較大的技術提升,不僅可以應用于常規直流輸電工程,還可以應用于實時性極高的柔性直流輸電、超高速保護等工程。 HCM5000主機外觀如圖1所示。

圖1 HCM5000主機外觀

2 HCM5000定值管理系統總體設計方案

特高壓直流控制保護系統可分為運行控制層、控制保護層、現場測量層3個層次,保護裝置位于核心層——控制保護層,主要完成檢測和清除直流側區域內發生的故障,確保直流系統發生故障時快速、準確地切除故障。保護裝置的保護動作通過3取2邏輯進行裁決和控制。控制保護層與運行控制層通過LAN網通信,裝置快速通信板卡實現控制保護層裝置間通信,保護裝置高速背板總線保證裝置內數據傳輸[14-15]。

保護裝置背板為PCIE高速總線,支持CPU間傳輸數據。針對以上特點,可以根據應用需求,在保護裝置中設定一個定值管理CPU,由該CPU完成與EWS工程師站通信、定值報文的解析等工作,然后通過背板將整裝置的保護定值傳輸給其他CPU,實現保護裝置CPU間定值共享。包含定值管理功能的標準化直流保護系統結構如圖2所示。

圖2 標準化直流保護系統結構

基于以上分析,構建如圖2所示的標準化直流保護系統,紅色線路為保護定值傳遞線路,定值管理系統總體技術方案可分2個環節。

a. 基于以太網實現保護裝置與EWS工程師站通信,完成定值報文通信、報文解析、定值保存。

b. 基于PCIE背板總線實現保護裝置內CPU間定值傳輸與保存。

該設計方案以直流保護系統結構為依據,充分利用系統硬件資源,可以準確高效地完成定值管理功能。

3 設計原則

直流保護定值的整定功能可以由多種方案實現,不同系統實現的方案也不相同。定值管理系統需要根據保護系統配置結構并結合HCM5000平臺的特征進行開發設計。

保護裝置的首要功能是保證直流系統安全運行,定值管理系統的增加應當在不影響保護裝置的主體功能前提下進行合理設計。

保護裝置定值管理CPU與EWS工程師站間的通信采用TCP/IP以太網層協議,需要根據TCP協議的傳輸機制和應用需求制定嚴謹的通信規約,準確合理進行封包與解包。

HCM5000的軟件平臺是一個基于優先級搶占機制的多任務運行系統,CFC圖形化編程工具為用戶提供了8個可選擇中斷源的中斷任務和5個周期可配置的周期任務,中斷任務由外部中斷源觸發,優先級高于周期任務,如果中斷任務負荷較大,會頻繁打斷周期任務,造成系統整體負荷增加,因此,要合理劃分定值管理功能的執行時間,盡可能少占用用戶任務,特別是不能占用中斷任務的執行時間。

裝置接收到保護定值后,需要進行多個環節的拷貝、校核等操作,最終將最新的保護定值以文件方式保存在裝置文件系統中,其中任何一個環節出錯,將會影響保護系統的正常運行,因此,必須設計合理的定值校驗與保存機制,確保裝置最終生效的定值與下發的定值單中的定值一致。

HCM5000保護裝置是一個多CPU串行總線架構系統,系統一般會配置多個CPU,每個CPU均運行有應用程序,理論上各個CPU均可添加定值管理功能。為簡化工程應用,本方案通過定值管理CPU與EWS工程師站通信,完成定值接收,并通過裝置背板總線傳遞定值到其他CPU。因此,需要根據保護裝置的結構特征設計合理的方案,實現保護裝置內所有CPU準確及時獲取最新有效定值。

4 主要功能設計

根據設計原則,結合標準化緊湊型直流保護系統總體結構特點,完成具體功能設計。

4.1 基于以太網的定值通信功能設計

通信雙方采用TCP/IP以太網層協議,保護裝置作為服務器,EWS工程師站作為客戶端,通信流程如圖3所示。

a. EWS工程師站發送定值長度報文,告知保護裝置將要下發的保護定值的長度;

b. 保護裝置接收、保存定值長度,并回應狀態報文;

c. EWS工程師站接收到狀態報文后,下發定值數據報文;

d. 保護裝置接收并解析定值數據報文,并回應狀態報文;

e. EWS工程師站接收到狀態報文后,下發“執行/取消”命令報文;

f. 保護裝置接收并解析命令報文,如果接收到“執行”命令報文,則啟動定值文件寫任務,將定值數據以bin文件形式保存到文件系統中;如果接收到“取消”命令報文,則不進行后續定值保存操作。

保護系統運行過程中,EWS工程師站可以通過下發召回報文,獲取保護裝置中正在執行的保護定值,校核定值數據的正確性。

4.2 多核CPU定值管理功能設計

圖4為多核CPU定值管理結構,系統由多個功能模塊組成。主核(CORE0)負責與EWS工程師站通信,接收并保存定值文件到文件系統中,然后執行一次定值文件,將定值數據讀取到預先設定的核間共享內存區,之后觸發核間中斷,通知從核(CORE1～COREn)響應核間中斷,更新定值數據。

圖4 多核CPU定值管理結構

HCM5000平臺負責定值管理的多核CPU采用非對稱多處理(AMP)方式,每個核均有運行時系統。平臺的軟件功能以圖形化功能塊的形式提供給用戶。因此,定值管理系統采用功能塊的形式進行開發,包括網絡建立、定值下發、解析、存儲、讀取、回讀等多個功能模塊,各模塊的主要功能如下。

定值收發模塊:完成以太網服務器創建、申請定值接收與發送緩存區等網絡初始化工作。當EWS工程師站通過以太網發起連接請求時,建立保護裝置與EWS工程師站之間的以太網連接,完成報文接收和發送工作。

報文解析模塊:完成定值報文的解析和報文正確性的校驗工作。接收到下發的定值報文后,由該模塊按照報文規約解析定值報文數據,校驗定值數據的正確性,如果校核正確,則將定值數據拷貝到臨時存儲區,并釋放文件寫任務信號量。

定值保存模塊:完成定值文件寫任務創建和有效定值數據的存儲工作。初始化模式下,創建優先級低于軟件平臺的用戶可配置任務的定值文件寫任務(ProFileTask),并通過信號量進行調度。運行過程中,當ProFileTask獲取信號量時,完成定值數據的存儲及存儲校驗工作,并將定值數據寫入核間共享內存中。文件系統中保存有3個定值相關文件,分別為定值文件、冗余定值文件、舊版定值文件。更新定值文件前,首先將定值文件重命名為舊版定值文件,如果定值文件保存過程出現文件損壞、寫入出錯等狀況,系統會刪除錯誤文件,并將舊版定值文件重命名為定值文件,同時發出告警信號,通知系統查找錯誤原因。定值文件保存成功后,拷貝一份作為冗余定值文件,當定值文件損壞或讀取失敗時,裝置臨時讀取冗余定值文件,并發出告警。

定值讀取模塊:完成裝置初始定值的讀取及新下發定值的更新讀取工作。系統上電后,主核首先從系統存儲的定值文件中讀取保護定值到核間共享內存區間,然后各個核的定值讀取模塊拷貝定值數據到其定值緩存區,作為裝置的定值數據;運行過程中,如果有新的有效定值,則該模塊將完成一次定值數據拷貝操作,將核間共享內存中的定值數拷貝到定值緩存區,保證保護裝置使用的是最新的有效定值數據。

定值回讀模塊:完成定值的回讀校驗工作。當EWS工程師站下發定值回讀命令時,該模塊從定值區緩存中讀取保護定值上送到EWS工程師站。

信號解析模塊:該模塊位于核中,完成核間中斷的初始化掛接和使能工作。當核間中斷信號到來時,響應中斷并獲取主核定值更新標志、定值長度等信息。

4.3 定值在線更新流程

HCM5000系統初始化時,驅動程序遍歷處于PCIE交換機拓撲結構中的設備,并為設備分配外設空間,拓撲結構中的設備可以通過PCIE總線相互訪問外設空間。因此,可以指定一個外設空間作為定值共享空間,定值管理CPU將接收到的最新有效定值寫入共享空間,其他CPU從中讀取定值。

定值管理系統在線更新定值流程如圖5所示,工程應用人員根據定值單編寫EXCEL定值表,EWS工程師站通過EXCEL定值表修改當前定值并校核定值上下限,然后通過以太網下發定值報文,定值管理CPU接收并根據報文規約解析出最新有效定值,一方面,由定值保存模塊將最新有效定值保存為定值文件,并讀取最新有效定值到核間共享內存中,然后觸發核間中斷通知從核更新定值數據;另一方面,定值管理CPU更新外設共享內存中的定值數據,并通過PCIE總線向其他CPU發送內存寫請求,觸發MSI中斷,其他CPU響應中斷,啟動中斷服務程序,讀取外設共享內存的最新有效定值,并保存為定值文件,從而實現整裝置保護定值的在線更新。

圖5 保護定值在線更新流程

5 應用例程實現

5.1 保護裝置應用例程

基于以上設計原理開發的VIGET圖形化功能塊如圖6所示,其中EPI和HPSD為以太網通信及報文處理功能塊,PRFF將定值文件讀取到定值緩存區,PSDO解析定值緩存區的定值,PTD 輸出管腳輸出目標定值基地址,由DRD讀地址功能塊輸出定值。

圖6 定值管理應用樣例

5.2 EWS工程師站

圖7為通過QT編寫的EWS工程師站,工程人員根據定值單錄入定值名稱、初始定值、定值單位、上下限、數據類型等信息,修改定值時首先對定值的上下限校核,然后配合保護裝置完成定值在線整定、查詢、校核等功能。可通過“下載”實現在線整定,通過“查詢”召回保護裝置中運行的定值,然后“校驗”對比整定值與運行值。

圖7 EWS工程師站

系統包括登錄頁面、定值模板管理、定值工程管理和通信告警等頁面,并提供有詳細的系統日志,用于記錄工程師站與保護裝置間報文通信的報文類型、操作時間、報文返回狀態等信息,方便用戶追溯定值操作。

6 結語

定值管理功能可根據應用程序靈活配置到指定的CPU中,實現保護定值在線修改、查詢、校核等功能,無需通過更改應用程序來修改定值,保證了應用程序的標準化。為開展保護定值在線校核和預警技術業務與流程提供了系統化、規范化的定值管理系統,有助于提升直流保護系統運行、管理水平。