目前HCM3000、PCS9550兩種硬件平臺(tái)在國(guó)內(nèi)特高壓直流工程中應(yīng)用廣泛，其中HCM3000主要用于宜賓—金華、晉北—南京、錫盟—泰州等工程，PCS9550主要用于靈州—紹興、哈密—鄭州、扎魯特—青州等工程。HCM3000、PCS9550兩種技術(shù)路線的直流保護(hù)系統(tǒng)均采用三重化冗余配置，保護(hù)出口采用三取二邏輯，即至少兩套保護(hù)裝置同時(shí)動(dòng)作，保護(hù)信號(hào)才會(huì)最終出口，直流保護(hù)三取二邏輯通過硬件三取二裝置和控制主機(jī)三取二邏輯實(shí)現(xiàn)。

本文基于金華和紹興換流站對(duì)兩種不同技術(shù)路線的直流保護(hù)三取二功能邏輯及硬件配置進(jìn)行研究，兩者在功能策略、保護(hù)動(dòng)作出口方式上有顯著差異，同時(shí)針對(duì)HCM3000直流保護(hù)三取二出口配置的問題，進(jìn)行詳細(xì)分析。

1 HCM3000直流保護(hù)三取二功能原理

1.1 直流保護(hù)及硬件三取二配置

金華站雙極層和極層保護(hù)功能集成在極保護(hù)主機(jī)（PPR）中實(shí)現(xiàn)，閥組層保護(hù)功能在閥組保護(hù)主機(jī)（CPR）中實(shí)現(xiàn)，極保護(hù)主機(jī)與閥組保護(hù)主機(jī)均采用HCM3000保護(hù)裝置，采用三重化冗余配置，硬件三取二裝置型號(hào)為HPL100。以極保護(hù)為例，極保護(hù)系統(tǒng)配置如圖1所示。

圖1 金華站HCM3000極保護(hù)屏柜配置圖

1.2 硬件三取二出口邏輯

直流保護(hù)硬件三取二出口邏輯如圖2所示，三套直流保護(hù)主機(jī)保護(hù)動(dòng)作信號(hào)采用IFC總線分別送至兩套三取二裝置，保護(hù)動(dòng)作經(jīng)三取二邏輯判斷后，直接通過硬接線經(jīng)壓板接至進(jìn)線斷路器或旁路開關(guān)等一次設(shè)備的控制回路，執(zhí)行跳閘、重合開關(guān)等保護(hù)動(dòng)作命令。正常情況下，兩套三取二裝置同為值班狀態(tài)，任一套出口，對(duì)應(yīng)的開關(guān)即動(dòng)作。

圖2 金華站硬件三取二出口邏輯示意圖

1.3 軟件三取二功能及出口邏輯

1）閥組保護(hù)軟件三取二邏輯

閥組保護(hù)軟件三取二功能在閥組控制主機(jī)（CCP）中實(shí)現(xiàn)，三取二邏輯及保護(hù)動(dòng)作出口如圖3所示。

圖3 金華站閥組保護(hù)軟件三取二出口邏輯示意圖

在圖3中，三套直流保護(hù)主機(jī)保護(hù)動(dòng)作信號(hào)采用IFC總線分別送至兩套閥組控制主機(jī)，在閥組控制主機(jī)程序中配置了三取二選擇邏輯和系統(tǒng)監(jiān)視功能；當(dāng)軟件三取二檢測(cè)到閥組保護(hù)發(fā)出跳進(jìn)線斷路器信號(hào)（跳閘）并輸出后，系統(tǒng)監(jiān)視功能將其作為主機(jī)緊急故障信號(hào)輸出給閥組控制屏柜內(nèi)的冗余切換裝置，冗余切換裝置如果監(jiān)視到兩套閥組控制主機(jī)均故障，則同時(shí)發(fā)出跳閘和重合旁路開關(guān)命令，實(shí)現(xiàn)閥組的閉鎖和旁路。

閥組控制主機(jī)程序僅對(duì)軟件三取二輸出的“跳進(jìn)線斷路器”信號(hào)進(jìn)行處理，未對(duì)“重合BPS”“重合BPI”信號(hào)進(jìn)行響應(yīng)，將導(dǎo)致保護(hù)動(dòng)作結(jié)果僅包含“重合BPS”或“重合BPI”的保護(hù)類型無法出口，受影響的閥組保護(hù)包括旁通對(duì)過負(fù)荷保護(hù)、旁路開關(guān)保護(hù)。

2）極保護(hù)軟件三取二邏輯

極保護(hù)軟件三取二功能在極控主機(jī)（PCP）中實(shí)現(xiàn)，三取二及保護(hù)動(dòng)作出口邏輯如圖4所示。在圖4中，極保護(hù)跳閘出口邏輯與閥組保護(hù)相同，通過極控屏柜內(nèi)的冗余切換裝置輸出跳閘命令。

對(duì)于其他的極保護(hù)動(dòng)作信號(hào)“重合NBS開關(guān)”“重合NBGS開關(guān)”“打開直流濾波器高壓側(cè)刀閘”，極控主機(jī)完成三取二邏輯判斷后，通過IFC總線交叉輸送至直流站控主機(jī)，僅用于鎖定斷路器邏輯，未對(duì)“重合NBS開關(guān)”“重合NBGS開關(guān)”“打開直流濾波器高壓側(cè)刀閘”設(shè)計(jì)出口回路，導(dǎo)致相關(guān)極保護(hù)功能無法出口，受影響保護(hù)包括中性母線開關(guān)保護(hù)、站內(nèi)接地開關(guān)保護(hù)、接地極引線開路保護(hù)、直流濾波差動(dòng)保護(hù)、直流濾波器電抗器過負(fù)荷保護(hù)。

圖4 金華站極保護(hù)軟件三取二出口邏輯示意圖

1.4 三取二功能切換邏輯

正常情況下，當(dāng)直流保護(hù)硬件三取二裝置正常運(yùn)行時(shí)，其輸出有效，控制主機(jī)中軟件三取二功能為屏蔽狀態(tài)；當(dāng)控制主機(jī)檢測(cè)到兩套硬件三取二裝置均故障時(shí)（電源故障或通信總線故障），軟件三取二功能將自動(dòng)投入，切換邏輯如圖5所示。

2 PCS9550直流保護(hù)三取二功能原理

2.1 直流保護(hù)及三取二主機(jī)配置

紹興站直流保護(hù)系統(tǒng)采用PCS9550硬件平臺(tái)，分層結(jié)構(gòu)與金華站相同，由雙極層保護(hù)、極層保護(hù)和閥組層保護(hù)組成，通過極保護(hù)主機(jī)（PPR）和閥組保護(hù)主機(jī)（CPR）實(shí)現(xiàn)，其中三取二裝置采用單獨(dú)的PCS-9552裝置實(shí)現(xiàn)，與保護(hù)主機(jī)同硬件平臺(tái)。以紹興站極保護(hù)為例，保護(hù)與三取二主機(jī)配置如圖6所示。

圖5 金華站三取二邏輯功能切換示意圖

圖6 紹興站PCS9550極保護(hù)屏柜配置圖

采用PCS9550硬件平臺(tái)的直流極保護(hù)系統(tǒng)由三臺(tái)獨(dú)立保護(hù)主機(jī)與兩臺(tái)冗余的三取二主機(jī)構(gòu)成。通過三取二邏輯確保每套保護(hù)單一元件損壞時(shí)保護(hù)不誤動(dòng)，保證安全性；三套保護(hù)主機(jī)中有兩套相同類型保護(hù)動(dòng)作被判定為正確的動(dòng)作行為，才允許出口閉鎖或跳閘，保證可靠性。

2.2 三取二邏輯及出口回路

PCS9550直流保護(hù)三取二邏輯在獨(dú)立的“三取二主機(jī)”和“控制主機(jī)”中同時(shí)實(shí)現(xiàn)，功能配置及出口回路設(shè)計(jì)上，極層與閥組層保護(hù)原理相同。以極層保護(hù)為例，極保護(hù)主機(jī)、三取二主機(jī)、極控主機(jī)配置及出口回路如圖7所示。

圖7 紹興站極保護(hù)三取二邏輯圖

在各層控制系統(tǒng)主機(jī)程序中，均配置了與三取二主機(jī)相同的三取二邏輯，冗余的控制主機(jī)同時(shí)接收三套保護(hù)分類動(dòng)作信息，通過相同的三取二保護(hù)邏輯出口，實(shí)現(xiàn)閉鎖、極隔離、跳交流開關(guān)及重合BPS開關(guān)等功能。保護(hù)主機(jī)與三取二主機(jī)、控制主機(jī)之間通過CTRL LAN總線光纖進(jìn)行連接，傳輸經(jīng)校驗(yàn)的數(shù)字量信號(hào)，進(jìn)一步提高信號(hào)傳輸?shù)目煽啃院涂垢蓴_能力。

2.3 三取二主機(jī)與控制主機(jī)三取二功能配合策略

根據(jù)圖7所示，采用同一PCS9550硬件平臺(tái)的 三取二主機(jī)和控制主機(jī)中分別實(shí)現(xiàn)“三取二”功能，三取二主機(jī)實(shí)現(xiàn)跳換流變開關(guān)、重合BPS開關(guān)、重合NBGS開關(guān)及跳DCF高壓側(cè)隔刀等所有開關(guān)設(shè)備出口功能，控制主機(jī)三取二邏輯在實(shí)現(xiàn)上述開關(guān)設(shè)備出口功能外，同時(shí)完成直流閉鎖功能。

正常情況下在直流保護(hù)動(dòng)作后，三取二主機(jī)與控制主機(jī)三取二邏輯同時(shí)工作，相互獨(dú)立，如極端情況下冗余的三取二主機(jī)未能跳換流變開關(guān)，控制主機(jī)也可完成跳換流變開關(guān)動(dòng)作；如極端情況下冗余的控制主機(jī)未正確發(fā)出開關(guān)設(shè)備動(dòng)作命令，則由三取二主機(jī)完成保護(hù)出口。

3 HCM3000直流保護(hù)三取二動(dòng)作出口問題分析

根據(jù)前文1.4節(jié)的分析結(jié)論，基于HCM3000硬件平臺(tái)的直流保護(hù)系統(tǒng)在兩套冗余配置的硬件三取二裝置故障時(shí)，控制主機(jī)中的軟件三取二功能將自動(dòng)切換到有效輸出狀態(tài)，在此工況下，存在設(shè)備故障和直流閉鎖的風(fēng)險(xiǎn)隱患。

3.1 閥組保護(hù)動(dòng)作出口影響分析

由于閥組保護(hù)軟件三取二的出口回路設(shè)計(jì)上未充分考慮到“重合旁路開關(guān)”或“重合旁路刀閘”動(dòng)作情況，導(dǎo)致“旁路開關(guān)保護(hù)”“旁通對(duì)過負(fù)荷保護(hù)”無法正確動(dòng)作，存在一次設(shè)備過載運(yùn)行或無法重合旁路開關(guān)，引起設(shè)備故障、極閉鎖的風(fēng)險(xiǎn)隱患，閥組保護(hù)動(dòng)作對(duì)比及影響分析見表1。

表1 閥組保護(hù)動(dòng)作對(duì)比及影響分析

3.2 極保護(hù)動(dòng)作出口影響分析

由于極保護(hù)軟件三取二“重合NBS開關(guān)”“重合NBGS開關(guān)”“打開直流濾波器高壓側(cè)刀閘”未設(shè)計(jì)出口回路，導(dǎo)致極保護(hù)“中性母線開關(guān)保護(hù)”“站內(nèi)接地開關(guān)保護(hù)”“接地極引線開路保護(hù)”“直流濾波差動(dòng)保護(hù)”“直流濾波器電抗器過負(fù)荷保護(hù)”動(dòng)作無法出口，對(duì)直流系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行造成影響，存在直流閉鎖隱患。

3.3 改進(jìn)優(yōu)化措施

通過對(duì)比分析，HCM3000直流保護(hù)系統(tǒng)三取二出口邏輯上存在安全隱患，正常情況下僅硬件三取二裝置出口有效，控制主機(jī)軟件三取二為備用狀態(tài)，控制主機(jī)三取二邏輯在出口回路設(shè)計(jì)上存在問題。

針對(duì)HCM3000硬件輸出板卡進(jìn)行升級(jí)改造，增加DC110V開關(guān)量輸出板卡，同時(shí)借鑒采用PCS9550直流保護(hù)三取二裝置與控制主機(jī)的配合策略，進(jìn)一步增強(qiáng)保護(hù)系統(tǒng)的可靠性，在統(tǒng)一硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)上，提升現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的維護(hù)和操作效率。

結(jié)論

結(jié)合賓金直流金華站和靈紹直流紹興站，通過對(duì)HCM3000、PCS9550兩種不同硬件平臺(tái)在特高壓直流保護(hù)三取二邏輯的應(yīng)用進(jìn)行研究，深入分析了兩者在硬件配置、出口邏輯、切換功能上存在的差異，并得出如下結(jié)論：

• 1）PCS9550特高壓直流保護(hù)系統(tǒng)通過相同硬件平臺(tái)的三取二主機(jī)和控制主機(jī)分別實(shí)現(xiàn)兩種獨(dú)立的三取二功能，三取二主機(jī)和控制主機(jī)同時(shí)工作，三取二判斷邏輯相同，直流保護(hù)動(dòng)作后，均會(huì)發(fā)出開關(guān)設(shè)備的動(dòng)作命令，開關(guān)設(shè)備外的保護(hù)動(dòng)作信號(hào)由控制主機(jī)完成三取二判斷并執(zhí)行。
• 2）HCM3000閥組保護(hù)軟件三取二邏輯的“重合BPS”“重合BPI”信號(hào)未設(shè)計(jì)出口回路，當(dāng)閥組硬件三取二故障后，將導(dǎo)致閥組保護(hù)“旁路開關(guān)保護(hù)”“旁通對(duì)過負(fù)荷保護(hù)”重合閘動(dòng)作無法出口，存在導(dǎo)致設(shè)備異常隱患的風(fēng)險(xiǎn)。
• 3）HCM3000極保護(hù)軟件三取二邏輯的“重合NBS”“重合NBGS”“打開直流濾波器高壓側(cè)隔刀”信號(hào)未設(shè)計(jì)出口回路，當(dāng)硬件三取二故障后將導(dǎo)致極保護(hù)“中性母線開關(guān)保護(hù)”“站內(nèi)接地開關(guān)保護(hù)”“接地極引線開路保護(hù)”“直流濾波差動(dòng)保護(hù)”“直流濾波器電抗器過負(fù)荷保護(hù)”動(dòng)作命令無法出口，存在極閉鎖風(fēng)險(xiǎn)。
• 4）通過優(yōu)化改進(jìn)HCM3000硬件板卡設(shè)計(jì)，并借鑒PCS9550直流保護(hù)三取二功能配置策略，可有效解決當(dāng)前問題，提升賓金等工程直流保護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。