超高压换流站控制保护系统独立方案设计

王冬伟，郑卫红，刘建国，胡学兵

（国网湖北省电力有限公司检修公司，湖北 武汉 430050）

0 引言

我国直流输电的发展始于上世纪八十年代，最初的直流控制保护系统从设备到软件都依赖进口，如目前广泛使用的MACH2控制保护技术和SIMENS控制保护技术[1]。 直流控制保护作为直流输电系统的核心，其安全稳定运行是直流输电工程安全稳定运行的前提。而目前国内对直流控制保护系统的研究都还处在学习摸索阶段，只是按照国外厂家的要求进行日常维护和检修，无法发现其存在的问题。

随着直流输电在国内的普及，以及由控保系统故障导致直流系统停运事故的频繁发生，如何使直流控制保护系统的功能更完善，运行更合理是当前面临的最大问题。为此，在借鉴换流站交流控制保护系统保护与控制独立设计的设计方式和交流微机保护的设计结构特点基础上，本文提出在换流站设计中将直流保护独立于控制系统设计的设计思路，即直流保护与控制独立设计，直流保护采用交流微机保护的“启动+动作”出口动作逻辑或者“三取二”逻辑原理设计。

1 国内微机交流保护的结构及特点

随着微机继电保护中处理速度和保护算法的要求越来越严格，同时伴随着微型计算机及其应用技术的发展，采用以DSP为核心处理器的双CPU(保护CPU和监控CPU)模式的微机继电保护装置在国内应用也越来越广泛。

在软件方面，整个保护程序包括主程序和定时中断程序两部分。主程序完成整个保护装置的基本功能,包括保护装置的初始化、自检、数值处理、故障判断、出口动作等模块；中断服务子程序包括定时采样A/D转换、电气量计算、相关数据记录、键盘中断及串行通信中断等模块。其中，双CPU各自完成各自的功能，保护CPU完成保护工作，监控CPU则完成监控与通信工作[2]。

而且，国内交流保护在防误动作方面采取了很多措施：

（1）保护自检闭锁保护装置。保护装置实时检测设备自身某种故障,当故障影响设备运行时自动闭锁保护装置防止保护装置的误动作并向后台发报警信息。

（2）TA/TA断线逻辑。对于保护装置采用的电流量或者电压量异常时闭锁相关保护，防止保护误动作，并向后台发报警信息。

（3）保护采用“启动+动作”的逻辑设计思路。保护装置在系统有干扰时电流电压量的变化量作为启动判据，只有在保护启动后才能进入故障程序的计算，否则将恢复系统的正常运行，以此方式来防止保护的误动作。

2 直流保护与控制独立设计的设计思路

综合以上因素，在借鉴换流站交流控制保护系统保护与控制独立设计的设计方式和交流微机保护的设计结构特点基础上，提出在换流站设计中将直流保护独立于控制系统设计的设计思路，即直流保护与控制独立设计，直流保护采用双重化配置，每套保护采用的“启动+动作”出口动作逻辑或者直流保护采用三重化配置，保护采用“三取而二”出口逻辑。

2.1 直流保护与控制独立设计

换流站极控制保护系统由原来的控制与保护共用主机，改为控制、保护功能分别由不同的主机完成。控制和保护主机均完全双重化配置，控制、保护主机IO独立，冗余。保护与控制独立设计方案如图1所示。

图1 保护与控制独立设计结构Fig.1 Separate design sketch of the control and protection

2.2 直流保护设计的可靠性措施

保护与控制独立设计方案必须对保护提出更高的可靠性和安全性要求。一方面，要求每套保护采取措施保证单一元件损坏本套保护不误动，保证可靠性；另一方面，要求两套保护同时运行，任意一套动作可出口，保证安全性。为保证直流保护的可靠性，在设计上采用两种方式。

其一，每套直流保护采用交流微机保护的“启动+动作”出口动作逻辑。每一重直流极保护在模拟量输入和计算环节均又采用了双重化配置。这个双重化环节分为保护计算环节和保护启动计算环节。这两个环节都有独立的模拟量输入硬件（I/O机箱）和保护计算硬件（PS801板）。直流极保护系统中的任何一个直流保护功能都会通过保护计算环节和保护启动环节分别进行故障计算，只有两个环节都计算出故障后，该保护才会动作出口。通过这种设计就能够避免因单一的模拟量输入硬件（I/O机箱）故障或保护计算硬件（PS801板）故障导致保护误动作的情况发生。这种设计方法与南瑞公司的交流保护装置原理类似，与ABB设计的直流极保护系统原理不一样[3]。其硬件结构如图2所示。

图2 直流保护的硬件结构Fig.2 Hardware design of the DC protection

换言之，直流保护的保护计算功能通过直流保护主机中的主CPU及PCI板（PS801板）实现。典型的直流保护计算流程如图3所示。

图3 典型的直流保护计算流程Fig.3 The typical caculation process of the DC protection

环节①为外部模拟量和数字量信号送到PCP主机的PCIA板；环节②为PCIA板将外部模拟量和数字量信号处理后送到主CPU；环节③为外部模拟量和数字量信号送到PCP主机的PCIB板进行计算，最终得到一个保护启动信号；环节④为PCIB板将计算出来的保护启动信号送到主CPU；环节⑤为主CPU将保护程序的动作跳闸指令送到PCIA板（在主CPU中，保护程序将环节②送过来的信号进行计算，得出一个保护动作信号。如果此时主CPU通过环节④收到了同一保护的启动信号，那么判断该保护动作。主CPU发出该保护的动作跳闸指令）；环节⑥为PCIA板卡将跳闸出口指令发送到I/O板卡或其它控制系统进行动作跳闸。

其二，直流保护采用三重化配置，保护采用“三取而二”出口逻辑。每极配置功能完全相同的三套直流极保护，分别为极1直流极保护A、B、C和极2直流极保护A、B、C。每一套直流极保护系统具有独立的电源回路，测量互感器的二次线圈，信号输入、输出回路，具有完整的硬件配置和软件配置，任意一套保护因故障、检修或其他原因退出时，不影响另外两套保护。三套保护同时运行，通过双重化的三取二选择逻辑电路输出保护动作信号，至少两套保护动作才能出口跳闸。有一套直流保护系统内部故障时，自动闭锁本套保护的出口，出口逻辑由三取二自动改为二取一。“三取二”设计原理如图4所示。

图4 直流保护“三取二”设计原理图Fig.4 Design of the DC protecion with two out of three logic implementation

3 直流保护与控制独立设计方案

以葛洲坝换流站为例，提供直流保护与控制独立设计的设计方案，方案如下：

直流控制保护系统采用控制与保护完全独立设计，控制与保护回路相互独立，控制功能由PCP主机完成，而直流保护系统则分为4个部分实现，分别是极保护（PPR）、换流变保护（TRP）、交流滤波器保护（AFP）和直流滤波器保护（DFP）。极控制和保护均双重化配置。极控制系统PCP集成在MACH2系统中，两套系统存在切换逻辑，由主用的系统发出有效指令；极保护(PPR)、换流变保护(TRP)、交流滤波器保护（AFP）和直流滤波器保护（DFP）两套系统共同运行，同时出口，不存在切换逻辑，为保证保护的可靠性，均采用了“启动+动作”出口逻辑。其中极保护集成在MACH2系统中，其他三个保护以独立保护的形式实现，分别为RCS-977C型换流变压器保护、RCS-976AG交流滤波器保护、RCS-976D直流滤波器保护。

各保护装置保护的范围分别为[4]：

（1）直流保护：保护范围为换流阀区、极母线、极中性母线区、双极以及接地极线连接区、接地极线路区、直流线路区、金属回线区；

（2）换流变保护：保护范围为换流变区；

（3）交流滤波器保护：保护范围为交流滤波器区；

（4）直流滤波器保护：保护范围为直流滤波器区。

3.1 换流变保护独立控制设计方案

葛洲坝站的换流变保护功能以独立保护的形式实现，每个极配置了两套RCS-977C换流变电量保护和两套RCS-974FG换流变非电量保护装置，两套电量保护和非电量保护是完全双重化配置，相互独立，任何一套保护动作后均直接出口跳闸。

RCS-977C换流变电量保护是南瑞公司生产的换流变成套微机保护装置，其保护配置如图5所示。RCS-974FG换流变非电量保护是南瑞公司生产的变压器非电量及辅助保护装置，其非电量保护原理是：接收从换流变本体来的分相非电量信号（如瓦斯信号等），经过装置重起动后给出中央信号、远方信号、事件记录三组接点，同时装置本身的CPU也可以记录非电量动作情况[5]。对于需要延时跳闸的非电量信号，由装置经过定值设定的延时起动装置的跳闸继电器，而直接跳闸的非电量信号直接起动装置的跳闸继电器。葛洲坝换流站的换流变非电量保护跳闸信号都是直接跳闸信号。目前，换流变压器非电量保护均改为“三取二”跳闸出口方式。 RCS-977C保护的配置表如表1所示

图5 RCS-977C保护的配置Fig.5 Configuration of the RCS-977C protection

表1 RCS-977C保护的配置表Tab.1 Configuration table of RCS-977C protection

3.2 直流滤波器保护独立于控制设计方案

葛洲坝站的交流滤波器保护功能以独立保护的形式实现。葛洲坝站每组交流滤波器配置了两套RCS-976AG交流滤波器保护装置。RCS-976D直流滤波器保护是南瑞公司生产的直流滤波器成套微机保护装置。RCS-976D保护的配置图如图6所示。

图6 RCS-976D保护配置Fig.6 Configuration of the RCS-976D protection

RCS-976D保护的配置表如表2所示。

表2 RCS-976D保护配置表Tab.2 Configuration table of RCS-976D protection

3.3 交流滤波器保护独立于控制设计方案

葛洲坝站的交流滤波器保护功能以独立保护的形式实现。每组交流滤波器配置了两套RCS-976AG交流滤波器保护装置。交流滤波器保护采用完全双重化配置，相互独立。任何一套保护动作后均直接出口跳闸。RCS-976AG交流滤波器保护是南瑞公司生产的交流滤波器成套微机保护装置。RCS-976AG保护的配置图如图7和表3所示，RCS-976AG保护的配置如表3所示。

表3 RCS-976AG保护配置表Tab.3 Configuration table of RCS-976AG protection

图7 RCS-976AG保护配置图Fig.7 Configuration of the RCS-976AG protection

4 结语

本文以ABB MACH2控制保护系统为例，借鉴换流站中交流控制保护系统的设计方式和交流微机保护的设计原理，提出将直流保护独立与控制系统设计的设计方案，并通过实际方案充分证明了将直流保护独立于控制系统设计的合理性和可行性。采用这个方案能从根本上解决很多困扰直流输电的难题，极大提高了直流输电系统的安全稳定性。

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