宾金特高压直流保护三取二配置策略及优化研究

贾轩涛，朱玉婷，陈剑飞，薛鑫新，黄 华

（国网浙江省电力有限公司检修分公司，杭州 311232）

宾金特高压直流输电工程于2014 年7 月建成投运，额定电压±800 kV，额定输送功率800万kW，直流控制保护采用HCM3000 硬件平台，直流保护采用三重化冗余配置，保护出口采用三取二逻辑，即至少2 套保护装置同时动作，保护信号才会最终出口[1-2]。直流保护三取二逻辑通过硬件三取二装置和软件三取二实现，正常情况下硬件三取二输出有效，当硬件三取二装置全部故障时软件三取二输出有效。以金华站为例，研究了软件三取二输出有效时，由于软件三取二功能设计不完善，存在阀组保护与极保护的部分保护功能无法出口，导致设备故障和影响直流系统稳定运行的隐患。

针对设计缺陷，结合其他工程案例，提出了相应的解决措施，可为提升宾金特高压直流输电系统运行的稳定和可靠性提供参考。

1 直流保护三取二配置及原理

1.1 硬件三取二配置及设计原理

金华站直流保护系统分为双极层保护、极层保护和阀组层保护，其中双极层和极层保护集成在极保护主机中，阀组层保护配置在阀组保护主机中[3-4]。直流保护主机全部采用HCM3000 硬件平台，采用三重化冗余配置，硬件三取二装置型号为HPL100。以阀组保护系统为例，三重化冗余配置如图1 所示，三面阀组保护屏柜配置了相同的HCM3000 保护主机，HPL100 三取二装置分别安装于保护系统A，B 屏柜内，任何一套屏柜退出值班运行，均不影响阀组保护的动作出口。

图1 阀组保护屏柜配置

1.2 硬件三取二出口逻辑

直流保护硬件三取二出口逻辑如图2 所示，3 套直流保护主机保护动作信号采用IFC 总线分别送至2 套三取二装置，保护动作经三取二逻辑判断后，直接通过硬接线经压板接至进线断路器或旁路开关等一次设备的控制回路，完成跳闸、重合开关等保护动作命令。正常情况下，2 套三取二装置同为值班状态，任一套三取二装置保护信号出口，对应的开关即动作（分闸或合闸）[5]。

图2 金华站硬件三取二出口逻辑示意

1.3 软件三取二功能原理及出口逻辑

1.3.1 阀组保护软件三取二配置原理及缺陷分析

阀组保护的软件三取二逻辑功能通过阀组控制主机的软件实现，软件三取二选择逻辑及保护动作出口如图3 所示。

图3 金华站阀组保护软件三取二出口逻辑示意

在图3 中，3 套直流保护主机保护动作信号采用IFC 总线分别送至2 套阀组控制主机，在阀组控制主机程序中配置了三取二选择逻辑和系统监视功能；当软件三取二检测到阀组保护发出跳进线断路器信号（跳闸）并输出后，系统监视功能将其作为主机紧急故障信号输出给阀组控制屏柜内的冗余切换装置，冗余切换装置如果监视到2套阀组控制主机均故障，则同时发出跳闸和重合旁路开关命令，实现阀组的闭锁和旁路[6-7]。

在图3 中，阀组控制主机程序仅对软件三取二输出的“跳进线断路器”信号进行处理，未对重合BPS、重合BPI 信号进行响应，将导致保护动作结果仅包含重合BPS 或重合BPI 的保护类型无法出口。受影响的阀组保护包括旁通对过负荷保护和旁路开关保护。

1.3.2 极保护软件三取二配置原理及缺陷分析

极保护软件三取二功能在PCP（极控主机）中实现，三取二及保护动作出口逻辑如图4 所示。

图4 金华站极保护软件三取二出口逻辑示意

在图4 中，极保护跳闸出口逻辑与阀组保护相同，通过极控屏柜内的冗余切换装置输出跳闸命令。对于其他的极保护动作信号重合NBS 开关、重合NBGS 开关和打开直流滤波器高压侧刀闸，极控主机完成三取二逻辑判断后，通过IFC总线交叉输送至直流站控主机，仅用于锁定断路器逻辑，未对重合NBS 开关、重合NBGS 开关和打开直流滤波器高压侧刀闸设计出口回路，导致相关极保护功能无法出口。受影响保护包括中性母线开关保护、站内接地开关保护、接地极引线开路保护、直流滤波差动保护和直流滤波器电抗器过负荷保护。

2 直流输电系统影响分析

2.1 直流保护三取二功能切换逻辑

正常情况下，当直流保护硬件三取二装置正常运行时，其输出有效，控制主机中软件三取二功能为屏蔽状态；当控制主机检测到2 套硬件三取二装置均故障时（电源故障或通信总线故障），软件三取二功能将自动投入，切换逻辑如图5 所示。

图5 金华站软件三取二功能切换示意

当金华站在2 套冗余配置的硬件三取二装置出现故障时，控制主机中的软件三取二功能将自动切换到有效输出状态，在此工况下，直流输电系统运行时存在设备故障和直流闭锁的隐患。

2.2 阀组保护动作出口影响

由于阀组保护软件三取二的出口回路设计上未充分考虑到“重合旁路开关”或“重合旁路刀闸”动作情况，导致旁路开关保护、旁通对过负荷保护无法正确动作，存在一次设备过载运行或无法重合旁路开关，引起设备故障、极闭锁的风险[8-9]。受影响保护动作结果对比如表1 所示。

2.3 极保护动作出口影响分析

由于极保护软件三取二重合NBS 开关、重合NBGS 开关和打开直流滤波器高压侧刀闸未设计出口回路，导致极保护中性母线开关保护、站内接地开关保护、接地极引线开路保护、直流滤波差动保护和直流滤波器电抗器过负荷保护重合动作无法出口，对直流系统稳定运行造成影响，存在直流闭锁隐患[9-10]。保护动作结果对比如表2所示。

表1 阀组保护动作对比及影响分析

3 优化改进措施

借鉴绍兴站直流保护系统采用的PCS9550硬件平台，分层结构与金华站相同，由双极层保护、极层保护和阀组层保护组成，直流保护通过极保护主机和阀组保护主机实现，其中三取二装置采用单独的PCS-9552 装置实现，与保护主机采用相同的硬件平台[11-13]。以绍兴站极保护为例，保护与三取二主机配置如图6 所示。

图6 绍兴站极保护屏柜配置

表2 极保护动作对比及影响分析

采用PCS9550 硬件平台的直流极保护系统由3 台独立保护主机与2 台冗余的三取二主机构成。通过三取二逻辑确保每套保护单一元件损坏时保护不误动，保证安全性；3 套保护主机中有2 套相同类型保护动作被判定为正确的动作行为，才允许出口闭锁或跳闸，保证可靠性。

3.1 三取二逻辑及出口回路

PCS9550 直流保护三取二逻辑在独立的“三取二主机”和“控制主机”中同时实现，功能配置及出口回路设计上，极层与阀组层保护原理相同。以极层保护为例，极保护主机、三取二主机、极控主机配置及出口回路如图7 所示。

在各层控制系统主机程序中，均配置了与三取二主机相同的三取二逻辑，冗余的控制主机同时接收3 套保护分类动作信息，通过相同的三取二保护逻辑出口，实现闭锁、极隔离、跳交流开关和重合BPS 开关等功能。保护主机与三取二主机、控制主机之间通过CTRL LAN 总线光纤进行连接，传输经校验的数字量信号，进一步提高信号传输的可靠性和抗干扰能力。

3.2 三取二主机与控制主机三取二功能配合策略

如图7 所示，采用同一PCS9550 硬件平台的三取二主机和控制主机中分别实现“三取二”功能，三取二主机实现跳换流变开关、重合BPS 开关、重合NBGS 开关、跳DCF 高压侧隔刀等所有开关设备出口功能，控制主机三取二逻辑在实现开关设备出口功能的同时，完成直流闭锁功能。

正常情况下，在直流保护动作后，三取二主机与控制主机三取二逻辑同时工作，相互独立，如极端情况下冗余的三取二主机未能跳换流变开关，控制主机也可完成跳换流变开关动作；如极端情况下冗余的控制主机未正确发出开关设备动作命令，则由三取二主机完成保护出口。

图7 绍兴站极保护三取二逻辑

4 结论

通过研究宾金特高压HCM3000 直流保护三取二出口策略配置，分析了硬件三取二故障后软件三取二功能的设计缺陷，并借鉴灵绍特高压直流PCS9550 直流保护设计原理进行对比分析，得出如下结论：

（1）金华站HCM3000 阀组保护软件三取二逻辑的重合BPS、重合BPI 信号未设计出口回路，导致阀组保护旁路开关保护、旁通对过负荷保护重合动作无法出口。

（2）金华站HCM300 极保护软件三取二逻辑的重合NBS、重合NBGS 和打开直流滤波器高压侧隔刀信号未设计出口回路，导致极保护中性母线开关保护、站内接地开关保护、接地极引线开

（3）通过完善HCM3000 直流保护系统设计，借鉴同类工程进行优化改造，可进一步提升直流输电系统的运行可靠性。