SIMADYN D保护装置TRACE接入故障录波系统可行性研究

黄华，甘卿忠，王坤，徐晟

（南方电网超高压输电公司广州局，广东 广州 510000）

0 引言

目前，南方电网贵广I、II回直流输电工程控制保护系统均采用西门子公司的SIMADYN D平台，当直流系统发生故障导致保护动作时，需要使用专用的PG连接SIMADYN D装置读取TRACE录波进行故障分析。随着直流输电工程运行年限的增加，多数配套的专用PG已经老化，市面已淘汰类似产品，无法购买备品，一旦损坏将无法修复[1-2]；读取TRACE录波时，为防止保护误动，需要退出本套保护装置，同时要求工作人员具备必要的专业技能，工作耗时长；特别是使用PG连接SIMADYN D保护装置的过程中装置可能报通讯故障，此时需要对装置进行断电重启，重启后装置TRACE录波丢失，无法利用TRACE录波进行分析。

本文通过对SIMADYN D保护装置TRACE录波功能、I/O接口传输方式及相关传感器的工作原理进行研究，提出了一种将SIMADYN D保护装置TRACE录波接入站内故障录波系统的方法。该方法的实施可在SIMADYN D保护装置动作后，TRACE录波自动存储到站内故障录波系统，不需使用PG连接到保护装置读取TRACE录波，不需退出相关保护，不要求工作人员有很好的专业技能，可以快速地从站内故障录波系统中导出TRACE录波进行分析，提高对事故的快速分析及处理。

1 TRACE录波功能介绍

SIMADYN D保护装置保护程序固化在EP31板卡[3]中，根据保护功能的不同，一套SIMADYN D保护装置可配置多个EP31板卡。在每个EP31板卡中均内置TRACE录波功能，用于记录系统故障时刻的故障录波信息。

保护程序内实现TRACE录波功能的模块为TRI.B[4]，其功能示意图如图1所示。LNG为录波长度设置管脚，管脚值为采样点数，采样点数乘以TRI模块运行一个周期的时间即是TRI模块的录波长度时间。X为录波输入管脚，TRI模块存储的TRACE录波为该管脚输入的模拟量数值。IR为TRI模块触发管脚，系统无故障时，管脚置0，TRI模块不启动录波功能；系统发生故障时，保护动作出口将IR管脚置1，TRI模块启动录波功能，根据LNG设定好的采样点数按一个运行周期一个点数将X管脚的模拟量数值按时间顺序记录并保存。利用专用PG连接保护装置即可将TRI.B模块保存的录波数据导出，使用录波分析软件对TRACE录波进行分析。

图1 TRI模块示意图Fig.1 Schematic diagram of the TRI block

由于SIMADYN D保护装置无人机交互界面，动作时若想读取TRI.B模块内存储的TRACE录波，必须退出该保护装置，作业人员需具备必要的专业技能，使用专用PG通过交叉串口线连接至装置将TRI.B模块存储的TRACE录波导出，如图2所示。随着直流系统运行年限的增加，多数配套的专用PG已经老化，市面已淘汰类似产品，无法购买合适的备品，PG一旦损坏将无法修复；特别是在使用PG连接SIMADYN D保护装置的过程中可能发生装置通讯故障，需要对装置进行断电重启，重启后装置内TRI.B模块存储的TRACE录波会丢失，无法获取TRACE录波进行分析。

图2 SIMADYN D保护装置TRCAE录波读取原理图Fig.2 Schematic diagram of reading TRACE recording built in protection devices of SIMADYN D

针对SIMADYN D保护装置TRACE录波功能在事故处理方面的局限性，本文从SIMADYN D保护装置相关板卡传输接口的研究入手，通过对EP31板卡内部的软件逻辑程序进行编程，将TRACE录波从保护装置内输出，经ATR YM12传感器和光耦的隔离和放大后，接入站内故障录波系统，实现TRACE录波可以简便从站内故障录波系统导出分析，极大地提高了事故处理响应的速度。

2 SIMADYN D保护装置数据接口研究

SIMADYN D保护装置硬件由不同的板卡组成，一套SIMADYN D保护装置可以选择不同的硬件板卡类型和数量用以实现不同的功能[3-6]。南方电网贵广I、II回直流输电工程SIMADYN D保护装置主要使用EP31和IM31板卡[5]实现保护的逻辑功能，EP31板卡均配有IM31板卡，EP31用于完成保护逻辑的运算，IM31板卡用于完成模拟量输入、开关量输入和输出功能。

2.1 EP31板卡X7（analog outputs）接口研究

EP31是SIMADYN D系统中的处理器板卡,适用于快速闭环控制和数字计算，以及与直流输电系统的换流器有关的特殊控制功能，包括门控单元和快速模拟信号处理等[3]。EP31板卡有一个具备模拟量输出的接口X7，可完成8路模拟量的输出，其管脚定义如表1所示。

为实现EP31板卡内部模拟量的输出，保护程序设置一个与X7接口对应的数模转换模块DA8.B（Digital/Analog Converter），该模块具有8个模拟量输入管脚，分别对应EP31板卡的8路模拟量输出通道，DA8.B功能块如图3所示，管脚输入的数值以百分数形式显示，经DA8.B模块的转换后变成X7接口的电压量，其转换关系如下：±200%=+10V。

表1 EP31板卡X7接口管脚定义Table 1 Definitions of X7 interface pins in the board of EP31

图3 DA8.B模块示意图Fig.3 Schematic diagram of the DA8.B block

在现有的直流输电工程中，EP31板卡的模拟量输出接口均未使用，可将接入TRACE模块的模拟量通过编程接入DA8.B模块，经DA8.B模块转换成模拟量输出接口的电压量，实现TRACE录波模拟量的输出。

2.2 IM31板卡X4（Binary outputs）接口研究

IM31是配合EP31使用的专用板卡，具有9路模拟量输入通道，16路开关量输入通道，16路开关量输出通道。IM31与EP31配合使用完成模拟量输入、开关量输入、开关量输出、过零点检测、熄弧角测量、通信、诊断等功能[5]，其16路开关量输出通道管脚定义如表2所示。

表2 IM31板卡X4接口管脚定义Table 2 Definitions of X4 interface pins in the board of IM31

为实现EP31板卡内部开关量经IM31板卡的输出，保护程序设置一个与IM31板卡X4接口对应的16位开关量输出模块BA16.B（16 Bit Binary Output via IM1 Plug-On Card），该模块具有16个开关量输入管脚，分别对应IM31板卡的16路开关量输出通道，BA16.B功能块如图4所示。BA16.B模块的AD管脚为硬件地址管脚，将该管脚值设置为IM31板卡X4接口的开关量输出接口地址后，当BA16.B模块开关量输入管脚置1时，可在IM31板卡开关量输出通道的相应管脚测量到开关量输出电平。

图4 BA16.B模块示意图Fig.4 Schematic diagram of the BA16.B block

在现有的直流输电工程中，EP31板卡内保护逻辑动作或者告警信号，如紧急停运、闭锁换流器、闭锁点火脉冲、软件告警等，都经IM31板卡的开关量输出接口输出保护装置。TRACE录波启动量可参考保护逻辑动作信号的传输方式，在保护程序内通过编程，利用BA16.B模块的备用管脚，将TRACE录波启动量经IM31板卡的开关量输出接口输出，实现TRACE录波启动量的输出。

3 软件逻辑编程研究

上文研究确定了TRACE录波的传输路径，还需对EP31保护程序进行编程，才能实现逻辑程序数字量到接口电压模拟量的转换[7-8]，完成TRACE录波的的输出。南方电网贵广I、II回直流输电工程SIMADYN D保护装置内每个EP31板卡TRACE模块存储的模拟量录波不同，但所有模拟量数据传输形式一致，接口传输路径一致，故本文基于贵广II回直流输电工程SIMADYN D保护装置现场的程序，以直流线路电流IdH模拟量为例进行编程，实现IdH模拟量的输出。

直流线路电流IdH在保护软件逻辑程序内进行数据转换后，分别接入极差动保护（87DCM）、

阀组差动保护（87CG）、星侧短路保护（87CSY）、角侧短路保护（87CSD）用于保护逻辑判断，同时接入TRACE录波模块TRI.B，保护动作信号经或门模块OR_4.B启动TRI.B模块进行录波，逻辑图如图5所示。为完成TRACE录波的的输出，在图5中，通过编程将直流线路电流IdH接入数模转换模块DA8.B的X2管脚，经DA8.B模块将IdH电流量转换成EP31板第二个模拟量输出通道的电压；将保护动作启动TRACE录波的启动信号接入M31板卡16位开关量输出模块BA16.B的备用管脚I6，经BA16.B模块转换成M31板卡第六个开关量输出通道的电压。

4 外部接线实现方式研究

SIMADYN D保护装置与站内故障录波系统使用不用的电源系统，保证系统之间数据传输准确性的同时，还需做好系统之间的隔离。因此采用ATR YM12传感器完成系统之间模拟量的传输，采用光耦完成系统之间开关量的传输。

ATR YM12是一种双通道差分放大器（Differential Amplifier 2 Channel）， 其 工 作原理如图6所示。分别为ATR YM12的两个电压输入通道，Vout为输出电压，对于完全对称的差分放大器来说，输出电压可以表示为，Ad为差模增益。根据ATR YM12传感器的工作原理可知，ATR YM12传感器即可以很好的起到隔离作用，同时又保证了TRACE录波的传输准确性。

图5 软件逻辑优化图Fig.5 Optimization diagram of the software logical

图6 差分放大器电路图Fig.6 Circuit diagram of differential amplifier

5 系统简图

根据上文的研究，得出SIMADYN D保护装置TRACE接入站内故障录波系统的简图如图7所示。SIMADYN D保护装置采集外部输入的模拟量，经滤波模块的运算后接入保护逻辑用于逻辑判断，接入TRACE进行录波，同时通过编程接入EP31板卡的模拟量输出接口转换成相应电压量后，经ART YM12传感器接入站内故障录波系统。保护信号接入TRACE启动录波的同时，通过编程另接入IM31板卡开关量输出接口转换成电压启动信号，经光耦隔离后接入站内故障录波系统用于启动录波。系统正常运行时，保护不启动，TRACE及站内故障录波系统不录波；当系统发生故障时，保护动作同时启动TRACE及站内故障录波系统，两个系统在同一时刻进行录波。

图7 TRACE接入故障录波系统简图Fig.7 Schematic diagram of TRACE recording access to the transient fault record system

6 验证试验

仿真验证试验使用RTDS仿真平台和贵广II回直流控制保护仿真系统，模拟逆变侧换流器接地故障，分别读取SIMADYN D保护装置TRACE录波及站内故障录波系统录波进行分析比较。RTDS仿真平台输出的直流线路电流IdH如图8所示，IdH电流波形以一次值显示；读取的TRCACE录波如图9所示，IdH电流波形以百分数形式显示；读取的站内故障录波系统录波如图10所示，IdH电流波形以ATR YM12传感器输出的电压形式显示。

在RTDS系统输出的IdH电流波形中，系统故障前IdH电流值为3000A，故障发生后电流最大值达到5151A，保护动作后70ms电流降为0。在TRACE录波中，电流以9000A为基准值，IdH电流一次值除以基准值后以百分数形式显示，由TRACE波形图可知，故障前IdH电流为33.33%，故障发生后电流最大值为63.3%，保护动作后70ms电流降为0，按基准值换算成一次电流后，基本与RTDS录波的电流一致。在站内故障录波系统中，得到的是经ATR YM12传感器输出的电压波形，该电压波形由数模转换模块DA8.B和EP31模拟量输出接口将IdH电流值转换而成，故障前电压为1.66V，故障发生后电压最大值为3.17V，保护动作后电压在约75ms后降到0，按EP31板卡模拟量输出接口电压电流转换关系换算后得到的电流百分值一致。在站内故障录波系统中，在相应模拟量通道设置合适的变比即可将ATR YM12传感器输出的电压波形按比例放大转换成系统一次电流波形。

图8 RTDS仿真平台IdH电流波形图Fig.8 Waveform diagram of IdH current of RTDS simulation platform

图9 TRACE录波IdH电流波形图Fig.9 Waveform diagram of IdH current of TRACE Recorder

图10 故障录波系统IdH电流波形图Fig.10 Waveform diagram of IdH current of transient fault record system

以上分析可知，系统故障时TRACE录波和站内故障录波系统读取的IdH电流波形与RTDS系统输出的波形在同一时刻保持一致，只需导出站内故障录波系统录波即可对故障进行分析。从而验证了本文提出的SIMADYN D保护装置TRACE接入故障录波系统的方法是可行的。

7 结论

本文指出了SIMADYN D保护TRACE录波功能在事故处理方面的局限性，针对这一问题，研究了SIMADYN D保护装置内TRACE录波功能、I/O接口传输方式以及相关传感器的工作原理，提出将TRACE录波模拟量经EP31板卡模拟量输出接口输出SIMADYN D保护装置，通过ATR YM12传感器转换后接入站内故障录波系统，同时将TRACE录波启动量经IM31板卡开关量输出接口输出SIMADYN D保护装置，经光耦隔离后接入站内故障录波系统，实现将TRACE录波接入站内故障录波系统的方法。仿真实验表明，该方法可以实现在故障发生SIMADYN D保护装置动作后，将装置内TRACE录波自动存储到站内故障录波系统，无需开展TRACE录波读取工作，避免退出相关保护，提高事故分析及处理的速度。不仅为南网贵广I、II回直流输电工程控制保护系统提供有力的运行维护技术支撑，而且为将来我国高压直流输电技术进一步发展积累经验。