直流输电技术中三取二策略的实际应用与分析

摘要：为了保障直流系统运行的安全性，直流保护一般需要冗余配置，特高压换流站采取的是直流保护三重化和控制系统双重化配置方式。三取二装置实现了控保系统间的数据传输采集。为此，针对采用许继电氣HCM3000技术的泰州换流站直流保护系统，分析了三取二策略的原理及实际应用情况，对于换流站保护系统的可靠运行有着重要意义。

关键词：特高压直流输电;硬件三取二;软件三取二

0 引言

特高压直流输电具备很多传统交流输电所不具备的优点，诸如其可实现传输功率的精准调节，实现双端不同频率下的非同步连网，不受线路电容电流阻碍影响等。传统交流输变电设备一般配备2套完全冗余的交流主保护来快速切断故障源，在某一套主保护退出运行时，另一套主保护仍能保证设备的正常可靠运行。而直流保护由于其设备构成复杂，需要对其按被保护设备进行分区，并独立配置3套保护以保证其保护动作的可靠性，其中以三取二策略最为常用。

1 直流保护系统三取二策略简介

特高压换流站一般配置3套直流保护装置和2套直流控制系统，2套直流控制系统通过三取二装置或者软件获取3套保护的跳闸告警信号，经过逻辑处理后再动作出口，以保证其动作可靠性，既能防止保护拒动，又能防止其误动。泰州换流站采用许继电气HCM3000技术的直流系统保护也是如此配置，其中三取二策略按照其实现方式可分为“硬件三取二”和“软件三取二”。“硬件三取二”功能通过保护柜内的三取二装置来实现，“软件三取二”通过控制系统的程序逻辑来实现。正常运行时，保护装置优先选择“硬件三取二”动作出口、“软件三取二”动作不出口;当2套“三取二装置”均发生故障后，“软件三取二”作为后备功能代替硬件装置实现“三取二”功能。

直流极保护、阀组保护等设备采用许继电气基于快速控制总线构成的三取二装置，三取二装置配置在保护A柜和保护B柜中，每套三取二装置通过IFC快速通信总线采集3套保护的动作信号，利用可编程逻辑灵活配置出口矩阵。三取二装置的动作后果将通过硬接线经跳闸回路输出至对应断路器跳闸线圈，同时将动作结果通过IFC快速通信总线发送给2套控制系统。3套保护的动作信号将送至2套控制系统作为“软件三取二”的信号输入。三取二装置接线示意图如图1所示。

2 直流保护三取二策略的具体配置和应用情况

2.1    直流保护“硬件三取二”

三取二装置按冗余原则配置2套，分别安装在保护A柜和保护B柜中。泰州换流站采用的三取二装置型号为HPL100，前面板设置有测试把手和复归按钮，装置背板配备开关量板卡和IFC通信板卡。其中，通信板卡EPLM10通过IFC总线接受来自保护主机的动作后果，并且将三取二后的动作后果通过IFC总线发送至控制主机系统，数字量输出板卡EPLR20向NBS、NBGS、直流滤波器刀闸、阀组进线断路器等一次设备输出合闸与跳闸信号，面板两侧的2路电源模块采用XS891/3A模块，数字量输入板卡EPLI10通过硬接线输入来自3套保护主机的OK信号。

装置采集3套保护系统的OK信号，3套系统均工作正常时，按“三取二”逻辑出口，当一套保护退出或系统发生故障时，故障系统所发出的保护动作信号将不参与“三取二”装置的逻辑运算，按“二取一”逻辑出口。保护系统发出OK信号的条件：非测试模式、220 V信号电源OK、HCM3000机箱硬件OK、直流保护软件无故障等4个条件同时满足。

三取二切换装置显著提高了保护冗余装置串行光通道与极保护进行通信的速度，对控制信号输入和输出的抗电磁干扰能力强，控制逻辑状态切换时间快，具有光纤断线自动检测和CRC数据校验功能，有效保证了通信的可靠性，输入输出信号传输距离远。

2.2    直流保护“软件三取二”

控制系统通过IFC总线接收3套保护的保护动作信号，以极控屏PCP1A为例，槽位号为3的EPU10A板卡的下IFC10B插件的X1、X2、X3光纤接口获取PPR A/B/C的动作信息，经过程序IFCI模块初始化、ICBR2模块读取、输入DSW2模块进行信息判断。

当某套保护系统发生故障或与控制系统间IFC总线发生故障时，切换输入引脚置1，则输出动作信号全部置0，即该套保护所传输的保护动作信号将禁止输入“三取二”模块LFM、不参与“三取二”逻辑运算。

控制软件采集保护动作信号和保护系统OK后，输入到自定义组合逻辑模块LFM中进行“三取二”逻辑运算。LFM模块功能：将输入3套保护信息的每一位与保护系统OK信号进行与或逻辑运算，若1套或2套保护系统发生故障，则将其置0，输出其他的保护信息。

保护系统将输出的保护信息按其动作后果进行分类再传送给控制系统，保护动作后果（如切换极控系统、功率回降等）各占传送信息的一位，某一类动作后果，可能由多种保护启动，也就是控制系统自身无法识别哪种保护动作，而LFM接收到保护某位动作信号后，不判断哪个保护启动，仅负责三取二判断并出口对应的动作后果。

控制系统同时接收硬件三取二装置和软件三取二的动作后果，判断三取二装置电源与控制系统间IFC总线状态，以选择硬件或软件三取二动作出口。保护主机及IFC总线状态正常时，软件判断此套硬件三取二装置可用，选择硬件三取二动作出口。当2套三取二装置都不可用时，控制系统将选择软件三取二动作出口。

2.3    三取二策略的实际应用

当某一套硬件三取二装置发生故障时，现场运维实际过程中需要对该装置进行投退操作以便于检修，硬件三取二装置的投退主要是通过投退对应保护屏柜内三取二装置涉及的功能及出口压板来实现。

三取二装置将保护系统OK信号和保护信号传送给直流保护冗余功能实现装置，经过冗余功能转换后，该装置将保护跳闸信号输出至断路器执行机构和2套控制系统，因此要退出单套硬件三取二装置，需要退出该三取二装置动作出口压板以及功能压板（功能压板的作用是判断当前三取二装置对应的保护系统是否正常运行，并将该信号分别送往2套控制系统）;当需投入该三取二装置时，投入对应动作出口压板和功能压板。

软件三取二的投退则是通过保护程序中对应功能软压板的置位实现的，实际运行中应用较少。

3 结语

本文以泰州换流站直流保护的三取二配置为切入点，分析了三取二装置的实际运行原理。三取二装置只接受动作后果，不判断引起动作的保护，因此控制系统在三取二装置中不用获取保护动作情况直接出口动作，提高了控制系统的运行效率，降低了总线负载。本文以极控屏PCP1A为例，对软件三取二逻辑进行了介绍，在阀控中也存在三取二逻辑，功能类似极控，本文未做详细介绍。三取二装置是直流控保系统实现冗余功能的重要一环，是保护系统和控制系统数据交互的衔接装置，研究三取二装置及其策略对于研究换流站控保系统可靠性具有重要意义。

[参考文献]

[1] 赵畹君.高压直流输电工程技术[M].北京：中国电力出版社，2009.

收稿日期：2020-08-28

作者简介：阮海健（1992—），男，江苏扬州人，助理工程师，研究方向：直流输电换流站运维。