天中直流控制保护系统模拟量自检逻辑分析

张国华，王森，廖卉莲，廖文锋

(国家电网公司运行分公司，北京市 100052)



天中直流控制保护系统模拟量自检逻辑分析

张国华，王森，廖卉莲，廖文锋

(国家电网公司运行分公司，北京市 100052)

天中直流是第一条采用国产化直流控制保护技术路线的特高压直流输电系统，直流控制保护系统的运行可靠性对天中直流的安全稳定运行至关重要。模拟量是直流控制保护系统的源头，模拟量的准确性直接决定着控制和保护逻辑执行的正确性，影响着直流输电系统的运行可靠性。以天中直流中州换流站为例，详细分析了直流控制保护系统模拟量的自检逻辑，以期对后续特高压直流输电工程设计、建设和运维工作提供一定的参考依据。首先介绍了中州换流站直流控制保护系统模拟量的配置情况；接着分别对直流控制和直流保护用模拟量的自检逻辑进行了详细分析；然后根据工程调试存在的问题，指出了现有模拟量自检逻辑存在的不足之处；最后提出了进一步完善模拟量自检逻辑的建议和意见。

天中直流；控制保护系统；模拟量；自检逻辑

0 引 言

天中直流输电系统额定功率8 000 MW，额定电压±800 kV，额定电流5 000 A。工程西起新疆维吾尔自治区哈密地区天山换流站，东至河南省郑州市中州换流站，输电距离约2 210 km。该工程于2014年1月27日投入商业运行，是第一条承担“西电东送、疆电外送”的特高压直流输电工程，也是我国第一个“风火打捆”的直流送出工程，因此，确保天中直流输电系统安全稳定运行具有重要的战略意义[1-8]。该工程首次采用了南瑞自主研发的PCS-9550直流控制保护系统平台，也是国内首条采用国产化直流控制保护技术的特高压直流输电系统。

直流控制保护系统是直流输电工程的“大脑和神经中枢”，是直流输电系统安全、可靠、稳定运行最直接和最重要的保障[9-19]。模拟量是直流控制保护系统的“源头”，是体现直流控制保护系统能够适应于各种运行工况最直接的反映。模拟量测量的准确性和自检逻辑的完善性，直接决定着直流控制保护系统的运行可靠性。本文以中州换流站为例，介绍直流控制保护系统模拟量配置情况和自检逻辑；详细分析模拟量自检逻辑对直流控制和保护系统的影响；结合现场实例，指出天中直流模拟量自检逻辑存在的问题及完善建议；本文的分析对特高压直流控制保护系统的运维、设计具有一定的指导意义。

1 直流控制保护系统模拟量配置情况

1.1 直流控制保护系统模拟量回路

中州换流站直流控制保护系统中，直流控制主机(包括极控制主机PCP和阀组控制主机CCP)和保护主机(包括极保护主机PPR和阀组保护主机CPR)，模拟量测量回路如图1所示，其中箭头方向表示模拟量传输方向。

图1 直流控制保护系统模拟量回路图Fig.1 Analog circuit diagram of DC control and protection system

图1中各模块采集和传输模拟量具体情况为：阀组测量接口CMI负责采集换流变网侧和阀侧套管电流、换流变进线PT电压、换流变套管末屏电压；极测量接口PMI负责采集测量阀厅和直流光CT、零磁通CT、电磁式CT电流以及极母线和中性母线直流分压器电压。

1.2 模拟量测量装置自检方式

直流控制保护系统模拟量测量装置中，只有直流光CT和零磁通CT测量装置有自检逻辑，直流控制保护系统可以根据这些装置自检信号判断模拟量是否发生测量异常或者故障。

1.2.1 直流光CT测量装置自检方式

中州换流站阀厅内直流电流(包括IDCP、IDCN)、直流线路电流IDL、直流滤波器首端电流以及直流滤波器不平衡电流等共计18个电流量采用了直流光CT测量装置。直流光CT采用了ABB公司提供的基于DCC800主机的测量装置。DCC800主机可对测量数据进行自检，并采用TDM总线技术将测量值和自检结果传输给直流控制保护系统。按照技术协议，TDM信号组成如表1所示。

表1 TDM信号组成

Table 1 Signal form of TDM

根据表1中的信号数据，直流控制保护系统进行2类异常判断，具体如下。

(1)第一类测量异常：首先根据第4个信号数据“Output sending alive counter”判断是否发生DCC800主机死机或故障。

(2)第二类测量异常：若没有出现第一类测量异常，将根据第2～3个数据“Measurement OK”、“Measurement Alive”判断是否发生单个直流光CT电流测量异常。

1.2.2 零磁通CT测量装置自检方式

中州换流站极中性母线电流(IDNC)、极中性母线开关电流(IDNE)、站内接地极电流(IDGND)、接地极电流(IDEL)、金属回线电流(IDME)等8个电流量采用了零磁通测量装置。

以极中性母线电流IDNC为例，说明零磁通CT的自检原理。零磁通CT输出的自检信号(IDNCOK)是24 V的电压信号。按照技术协议，若IDNCOK信号低于额定值的40%，直流控制保护系统判断发生测量异常。鉴于零磁通CT输出的模拟量测量值和自检信号均是24 V以下的电压信号，且采用电缆传输，为保证测量精度、避免信号干扰，测量装置和接口装置应放置在同一个继电器小室。

2 直流保护系统用模拟量自检逻辑及影响分析

2.1 直流光CT和零磁通CT模拟量自检逻辑

直流光CT和零磁通CT测量装置具有自检逻辑，直流保护系统会依据装置自检结果判断是否发生测量异常。

对于直流光CT，直流保护会判断直流光CT送来的自检信号，若判断为第一类测量异常，则保护主机会产生紧急故障，并闭锁本主机所有保护；若仅出现第二类测量异常，则直流保护主机会产生轻微故障，仅闭锁使用该直流光CT模拟量的相关保护。对于零磁通CT，直流保护判断零磁通CT送来的自检信号，若发生测量异常，则闭锁使用该零磁通CT模拟量的相关保护。

2.2 其他模拟量自检逻辑

交流电压和电流(包括换流变套管电流和末屏电压、换流变进线PT电压)测量装置没有自检信号，采用各相电压或电流分别与参考值进行比较的方法，若相对参考值出现偏差，则相应保护主机产生轻微故障。对于直流电压，利用阻抗特性计算直流电压，然后同实测值相比较，偏差如果超过参考值，则相应保护主机产生轻微故障。

3 直流控制系统用模拟量自检逻辑及影响分析

3.1 直流光CT和零磁通CT模拟量自检逻辑

对于直流光CT和零磁通CT，直流控制系统中的自检逻辑分成2部分。

(1)对自检信号进行判断后，根据模拟量的重要程度，主机产生的故障等级也不同：因直流中性母线电流IDNC参与功率控制逻辑，因此若IDNC的自检信号异常，主机将产生严重故障，会在1 ms内切换到备用系统；其他模拟量的自检信号若有异常，主机均产生轻微故障，并延时10 s切换到备用系统。

(2)利用2套冗余控制系统的测量值、计算值进行对比，判断是否发生测量异常。例如：对于直流中性母线电流IDNC，则利用2套冗余控制系统的IDNC测量值，以及极中性母线开关电流IDNE进行比较判断；对于站内接地极电流IDGND，则利用2套冗余控制系统的IDGND测量值与通过直流电流回路计算得到的IDGND进行对比判断。

此外，阀组控制主机中，换流阀高压侧和低压侧电流和自检信号分别取自3套保护主机，提高了测量的可靠性。对于其他直流光CT来说，控制主机仅进行了第二类异常判断，没有进行第一类异常判断，也就不能很好地检测到主机死机等故障导致的测量异常问题。虽然保护主机对直流光CT的第一类和第二类异常均进行了判断，一旦发生第一类异常判断，保护主机会产生紧急故障，但因为2套控制主机与3套保护主机均有连接，因此，控制主机只是检测到保护主机异常，并不会产生故障。因此，控制主机也有必要对直流光CT进行完整的2类异常判断。

3.2 其他模拟量自检逻辑

对于换流变套管电流和末屏电压、换流变进线PT电压、直流电压，控制主机中的自检方法同保护主机中类似。因为极母线直流电压UDL参与功率控制和计算，为防止UDL测量异常导致功率波动，若UDL自检异常，控制主机将产生严重故障，立即切换系统；换流阀解锁模式下，若换流变进线PT电压测量异常，控制主机也会产生严重故障；其他模拟量若发生测量异常，控制主机只会产生轻微故障。

4 模拟量自检逻辑存在问题分析

4.1 直流控制模拟量校验问题分析

4.1.1 问题简述

2014年01月03日，天中直流系统调试期间进行自动功率曲线试验，极1处于单极功率控制，功率为400 MW；极2处于双极功率控制。18:19:03按照自动功率曲线设定速率(15 MW/min)和功率定值(880 MW)开始由820 MW升功率；18:20:07后台发出功率升降停止命令，但极2功率仍在继续上升；最后极2功率上升至约600 MW(直流电流为750 A)，双极功率上升至1 000 MW。现场故障录波见图2。

图2 IDCN电流异常波形图Fig.2 Abormal current waveform of IDCN

4.1.2 原因分析

经检查发现，整流站极2高端换流阀低压侧电流IDCN持续减小，直到最后基本输出为0；但该直流光CT测量装置一直未向保护主机发送测量异常信号(该模拟量由直流测量接口PMI通过阀组保护主机传给控制主机)，导致控制主机选择了错误的电流控制目标值，从而不断减小触发角，导致实际电流增大至750 A左右。正常运行方式下，直流中性母线电流IDNC、换流阀高压侧电流IDCP、换流阀低压侧电流IDCN、换流变阀侧套管电流包络线值应该相等，但从图2中可以看出，IDCN明显测量异常。该故障最直接的反映就是直流光CT测量故障；但同时也反映了阀控制主机模拟量自检逻辑不完善。图3所示为直流控制保护系统中电力控制放大器CCA对模拟量的处理逻辑图。

图3 电流控制放大器CCA控制逻辑图Fig.3 Control logic diagram of current control amplifier CCA

对图3中逻辑进一步分析如下。极控制主机中的功率控制模块将电流指令发给阀组控制主机，由电流控制放大器CCA转化成触发角度，同时利用实测直流电流来跟随功率控制指令。实测电流的计算逻辑如下：(1)假设阀组控制主机CCPA处于值班状态，CCPA首先对IDCP和IDCN进行自检，以IDCP为例：CCPA收到3套阀组保护主机CPRA、CPRB、CPRC送来的IDCP(A)、IDCP(B)、IDCP(C)后，若CPRA测量正常，IDCP默认选择IDCP(A)；若CPRA测量异常，则选择IDCP(C)；若CPRC也测量异常，则选择CPR(B)；IDCN的计算逻辑类似。(2)IDCP和IDCN确定后，取二者最小值ID_V，传给CCA模块。(3)ID_V首先同IDNC比较，取最小值，然后再同换流变阀侧电流包络线(实际上是包络线值的0.95倍减去250 A)，最后确定参与功率控制的直流电流。本例中，因为CPRA送来的IDCN(A)不断减小且CPRA没有测量异常信号，因此导致电流选择器一直选择了错误的电流指令值。此外，阀组控制系统要保持直流系统最小电流值即500 A，因此，实际电流最大上升为750 A左右。

4.1.3 现场处理结果

现场修改程序后，增加同一保护主机送来2个值的自检逻辑，以保护主机CPRA为例，当IDCP(A)与IDCN(A)的差值超过200 A，判断CPRA主机测量异常，从而选择另一套保护主机的测量值进行计算。

4.1.4 后续处理建议

(1)虽然利用差值计算方法增加了对同一个保护主机内模拟量IDCP和IDCN的自检，但按照当前的差值，一旦发生IDCP或IDCN同类型测量异常，仍会导致直流功率异常增加，发生异常极的直流电流会比实际指令电流增加200 A左右。

(2)极中性母线电流IDNC使用的是零磁通CT，控制主机中利用差值方法对IDNC进行自检。因此，若IDNC发生类似测量异常，同样会导致该极直流电流会最多增加200 A左右。

(3)按照天中直流控制策略，天中直流线路若发生故障，故障极功率在2 000 MW以上可原压再启动2次，去游离时间最长达200 ms，不影响两端电网的安全稳定运行。对比天中直流线路重启动策略，若模拟量发生测量异常导致功率波动时，不会影响两端电网安全稳定运行，但是不满足直流电流控制要求，存在缺陷。

综上分析，控制系统中利用3套保护的模拟量进行自检，增加了控制系统的可靠性；但利用差值自检的方法存在一定缺陷，若发生测量异常可能导致直流功率错误升降，不满足直流电流控制要求。因此，建议如下：对于IDCP、IDCN、IDNC这几个重要的模拟量，可以首先判断主机测量OK信号，若测量OK信号为高电平(即模拟量测量正常)，则可以取3个模拟量的中间值作为控制量；若该主机测量OK信号为低电平，则依次选择下一个主机。利用此种方法可有效提高直流控制保护系统执行策略的准确性。

4.2 直流保护模拟量校验问题分析

4.2.1 问题简述

2013年3月5日，龙泉站双极中性母线差动保护动作跳闸，双极相继闭锁，事后检查发现双极中性线避雷器泄露电流IANE测量板卡测量异常。

4.2.2 天中直流保护模拟量自检存在的问题

天中直流保护系统中，极中性母线电容器电流ICN、极中性母线避雷器泄漏电流IAN、双极中性母线避雷器泄漏电流IANE以及直流滤波器避雷器电流IAZ在参与保护逻辑运算之前均没有进行自检。究其原因，一方面，正常运行方式下，这些模拟量基本为0，无法进行差值校验；另一方面，这3个模拟量只参与保护逻辑，而3套保护回路相互独立，无法在保护主机中使用比较的方法进行校验。

但是IAN和ICN参与中性母线差动保护、IANE参与双极中性母线保护、IAZ参与直流滤波器差动保护逻辑，因此这些模拟量的测量异常可能导致极闭锁或者双极闭锁。

4.2.3 后续处理建议

鉴于上述分析，建议有必要增加自检逻辑，便于运行人员提前发现测量异常问题：利用极控制主机同3套极保护主机之间的连接关系，将3套极保护中的测量值分别送给极控制主机，在极控制主机中对3个模拟量进行自检，若有测量异常则报警，便于提前发现故障。

5 结论与建议

本文以天中直流中州换流站为例，介绍了中州换流站直流控制保护系统模拟量配置情况；详细分析了模拟量测量装置的自检方法、直流控制保护系统的自检逻辑；结合工程实例，指出了现有自检逻辑存在的不足之处，并提出了进一步完善的建议和意见。

(1)直流光CT和零磁通CT测量装置应尽可能提供完善的自检信号，直流控制保护系统应全面判断测量装置的自检信号，只有装置自检信号正常后，才能参与直流控制和保护逻辑计算。

(2)直流控制主机选择3套保护主机的测量值进行校验，可以提高直流控制系统的可靠性。

(3)利用差值校验的方法可以定量判断模拟量是否发生测量异常，但是差值门槛值的选择应同保护定值和控制策略相匹配。

(4)阀组控制主机中IDCP、IDCN、IDNC3个模拟量的自检方式存在一定缺陷，在发生单一元件测量异常的情况下，有可能导致功率控制异常，建议进一步完善上述3个重要模拟量的自检逻辑。

(5)建议在极控制主机中增加IAN、ICN、IANE、IAZ等模拟量的自检逻辑，避免因测量异常导致极中性母线差动保护、双极中性母线差动保护或者直流滤波器差动保护误动。

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(编辑:张媛媛)

Analog Self-Checking Logic in Control and Protection System for Tianzhong UHVDC

ZHANG Guohua, WANG Sen, LIAO Huilian, LIAO Wenfeng

(Grid Operation Branch Office, State Grid Corporation of China, Beijing 100052, China)

Tianzhong UHVDC project is the first UHVDC transmission system with using domestic DC control and protection technology. The operation reliability of DC control and protection system is very important to the safe and stable operation of the UHVDC project. Analog is the source of DC control and protection system, its correctness determines the correctness of control and protection logic implementation and affects the operation reliability of DC transmission system. Taking Zhongzhou converter station in Tianzhong UHVDC project as an example, the self-checking logic of DC control and protection system was analyzed in detail in order to provide references for the design, construction and maintenance of the UHVDC transmission project. Firstly, the analog configuration of DC control and protection system in Zhongzhou converter station was introduced. Secondly, the self-checking logic of analog using in DC control or DC protection was respectively analyzed in detail. Then, according to the engineering debugging problems, this paper pointed the shortcomings of the self-checking logic for existing analog. Finally the suggestions and comments were proposed to improve the self-checking logic of analog.

Tianzhong UHVDC project; control and protection system; analog; self-checking logic

TM 862

A

1000-7229(2015)05-0078-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.05.013

2015-02-04

2015-04-03

张国华(1979)，男，博士，高级工程师，从事直流输电系统运维工作;

王森(1984)，男，硕士，工程师，从事直流输电控制保护系统检修工作；

廖卉莲(1982)，女，本科，高级工程师，从事直流输电系统运维工作；

廖文锋(1975)，男，硕士，高级工程师，从事直流输电系统运维工作。