高压直流输电控制保护系统的冗余可靠性研究

尹世超

摘 要：随着社会主义市场经济日益发展，科学技术水平的逐步提高，推动了电力产业相关技术的应用与推广的进步。但值得注意的是，由于社会发展的需要，对于电力产业有了更高的要求，高压直流输电控制保护系统的理论知识与技术水平需根据时代逐步改革创新，以适应时代大背景。本文意在，以高压直流输电控制与保护系统与冗余技术作为研究对象，分析其在实际应用中涉及到的具体的领域，并且对在操作过程中应遵循的具体原则加以阐述，对于保护系统装置的冗余技术提出相关完善措施，已达完善技术水平，提升技术应用安全性的最终目的。

关键词：高压直流输电；冗余性；分析；研究

时下，经济全球化已成为时代的趋势，不同国家地区、各个阵营间的竞争日益激烈，这不单纯是军事实力、经济实力的比拼，而是包含了科学技术、专业技術领域的科研水平等的综合国力的比拼。其中，电力产业作为我国国民经济的支柱型产业，直接关乎到我国生产力发展建设水平。而电力产业中传统的电力传输保护系统已无法满足日渐增长的社会经济需求，我国在高压直流输电控制保护系统的领域加强了科研手段与研发力度，意在研究常用的直流输电过程中起到控制与保护作用的冗余设备的实际应用情况，相应的提出相关建设性意见与建议。

1 冗余应用背景及冗余技术概念

高压/特高压直流输电应用由于电压等级高，传输功率大，对系统的可靠性要求极高。其中控制和保护系统要求实行全部冗余化设计，冗余的范围包括完整的信号输入、输出、通信回路和所有的控制和保护装置。在双极、极和阀组层都要按至少双重化、鼓励多重化原则来配置控制和保护装置。在双重化的控制和保护系统中，冗余子系统状态的转换不能影响到直流系统的正常运行，不应使传输的直流功率受到扰动或产生任何变化。控制和保护系统内部要具备有效的自诊断功能，利用软件和硬件措施，最大限度地发现控制和保护装置的故障，应该把由控制和保护系统引起的直流系统不可用率降到最低。冗余技术是可信计算应用的重要方面，用以保证系统的可用性。在冗余系统中一旦发生某些故障，将以损失一定的冗余度为代价换取整个系统的可靠性和安全性。在冗余的具体实施技术方面，根据不同因素存在许多策略。主动冗余和被动冗余就是冗余技术中的两个不同的策略。

2 主动冗余技术及直流输电控制系统冗余设计分析

2.1 带比较器的双机系统

这是一种较常用的主动冗余技术，以检测系统中存在的故障，并使系统得以恢复为其主要目标。双机系统的原理示意图见图1。双机系统设计简便、故障覆盖率较高。一个基本双机系统由两个相同的系统与一个比较器组成。模块M1和M2接受相同的输入，运行相同的任务，同时，将运行的结果输出到与之相连的比较器，并对两者进行比较。如果发现输出结果不一致，则报警或者停止整个系统的输出。从可靠性的观点来分析，双机系统是一个典型的串行系统。这是因为，双机系统的可靠性是-60-电力系统保护与控制建立在两个并行工作模块同时可靠的基础上的。假设，两个模块和比较器的可靠性分别为Rm1，Rm2和Rv，则双机系统的可靠性Rd是：Rd=Rm1×Rm2×Rv因此，双机系统的可靠性肯定不会比单机系统高，它的优点就在于可以及时地发现故障，从而避免更大范围的失效。基于上述分析，在直流输电中没有使用该技术。

2.2 备份系统及直流输电极控应用冗余可靠性分析

主动冗余中的第二种常用技术是备份系统。在备份系统中，一般有n个相同模块，由一个模块担任正常运行任务，并输出运行结果，其他的n-1个模块则作为备份。n模系统的原理示意见图2。系统的错误监测器用来检测运行模块的错误（故障）。一旦发现错误，则错误模块停止输出，由另外的模块来接替。而输出选择器随之将输出从原来的有故障的模块转换到另外一个正常模块。备份系统分为热备份和冷备份两种。所谓热备份系统是指系统在运行时，它所有的n个模块同时运行相同的任务，只是由输出选择器选择其中一个模块的输出作为系统输出。

3 被动冗余技术和直流输电保护系统冗余可靠性分析

被动冗余技术主要用来屏蔽系统中所发生的故障、错误，将故障屏蔽在一个允许的范围内，从而保证系统继续正常工作。使用的最广泛的例子当属于N模冗余技术。直流输电的保护系统采用了典型的3模冗余设计。

假设M1、M2和M3每个模块的可靠性分别是R1、R2和R3，则系统的可靠性为：R=R1R2（1-R3）+R2R3（1-R1）+R1R3（1-R3）+R1R2R3如果R1=R2=R3=Rm则上式可以改写成R=3R2m-2R3m则，

直流输电应用中冗余装置的设计方案对于直流输电保护系统，3套系统是完全一样的装置（包含硬件和应用软件），因此从装置设计层面与单机系统设计比较而言不需要有特殊的考虑。而对于控制系统采取的双机热备份技术，与单机设计相比则需要考虑较复杂的问题。

结束语

随着市场经济的突飞猛进以及社会经济对于传统电力产业的需求，高压直流输电控制过程中起到保护作用的冗余技术愈加重要并且已经广泛的运用到实际应用中。根据上文的数据分析与性能结果的对比，可以分析出在冗余技术中的双机热备技术能够在高压直流输电的多个环节中最大限度的发挥作用。在保障控制系统自身的安全性、稳定性的同时，还应适当的提升控制主机和比较器等设备的稳定性。被动冗余技术中的3-2TMR技术则可以在高压直流输电的保护系统中发挥出最优性能。值得注意的是，多数裁决器的自身性能也尤为重要，这关乎到保护系统能否安全稳定运行。根据上述具体条件作为设置冗余设备的重要前提，在系统安全合理运行的过程中，在一定程度上提升电力产业的整体实力，从而优化我国的电力产业的生产能力，以达到提升我国综合实力的最终目的。

参考文献

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