我國已建成多個特高壓直流輸電工程，在新能源外送、跨區域電網互聯等方面發揮了重要作用。“十四五”期間，國家仍將規劃建設多個特高壓直流輸電工程。經過多年發展，特高壓直流工程成套設備已具有完全自主知識產權，但是直流控制保護系統的核心芯片大量使用進口產品，面臨供應鏈“卡脖子”風險。在當前復雜的國際形勢下，實現關鍵電力設備的自主可控對于保證電網安全、保障國民經濟穩定發展具有重要意義。

近年來，國內芯片半導體產業飛速發展，陸續出現了能滿足電力設備使用需求的高性能芯片和元器件，為研制自主可控控制保護平臺提供了條件。本文設計基于國產芯片的自主可控特高壓直流控制保護系統，并研制功能樣機。首先介紹自主可控控制保護平臺的軟、硬件架構和平臺的特點，然后基于該平臺設計特高壓直流控制保護系統，最后在實時數字仿真系統（real-time digital simulation system, RTDS）中進行工程應用試驗，充分驗證系統的功能和性能。

1 自主可控特高壓直流控制保護平臺設計

自主可控特高壓直流控制保護平臺在已有統一先進控制保護平臺（unified advanced platforms for protection and control, UAPC）的基礎上，按照軟件、硬件分層解耦的思路，實現軟、硬件全國產化替代和升級，做到完全自主可控，總體設計原則為：

1）在已有成熟平臺進行升級，沿用嵌入式、分布式的整體結構，保持既有特高壓直流控制保護功能完整性和一致性。

2）硬件接口適配特高壓直流控制保護系統開發需求，充分考慮各類采樣和通信接口。

3）考慮芯片可替代性，硬件和軟件模塊化設計，應用軟件和底層驅動解耦設計。

4）冗余化設計，保持可靠性高、穩定性強的特點，整體性能不降低。

自主可控特高壓直流控制保護平臺主要包括控制保護主機、I/O單元、通信裝置、監控系統等，本文將重點介紹控制保護主機。

1.1 主機平臺硬件設計

各類具有自主知識產權的國產芯片已陸續應用在電力二次設備中，特高壓直流控制保護系統復雜、主機運算量大，對處理器芯片性能和穩定性要求較高，一般國產處理器芯片難以滿足要求。

目前，國內具備完全自主知識產權的高性能處理器芯片主要包括龍芯、飛騰、全志和麒麟等，應用較多的芯片及主要參數見表1。

表1 國內主要處理器芯片

全志在語音處理、智能家居領域應用較為成熟，麒麟主要用于智能手機等智能終端設備，龍芯和飛騰則在高性能計算、工業控制領域應用較多，電力行業也有所應用。自主可控控制保護主機核心芯片選型需要綜合考慮：

①芯片廠家技術自主性，采用自建架構或永久授權架構，關鍵技術不受制約；②處理器生態建設有所積累，技術支持完善，具有電力行業應用背景；③芯片相應開發工具功能完備、可靠，具備自主知識產權；④接口資源和運算負載率能滿足特高壓直流輸電應用場景需求；⑤工作溫度范圍寬，送端換流站一般自然環境較為惡劣；⑥具備內存糾錯（error correcting code, ECC）功能，防止單bit出錯導致直流系統運行異常。

本平臺主控芯片選取的某國產性能處理器芯片集成了4個64位高性能核，主頻超2GHz，工業級工作溫度范圍是◆40℃～85℃，片內、片外內存均支持糾錯功能。

控制保護主機采用基于分布式通信的多處理器硬件架構，插件配置為“CPU插件+數字信號處理（digital signal processing, DSP）插件+光纖擴展插件”的形式，自主可控平臺硬件示意圖如圖1所示。CPU插件負責實現配置管理、后臺通信等功能；DSP插件負責控制保護算法實現等功能；光纖擴展插件用于光纖接口的擴展。

圖1 自主可控平臺硬件示意圖

CPU插件采用“國產處理器+國產大容量現場可編程門陣列（field programmable gate array, FPGA）”的硬件方案，處理器與FPGA之間經過吉比特介質獨立接口（reduced gigabit media inde- pendent interface, RGMII）總線通信。

核心DSP插件采用“國產高性能多核處理器+國產大容量FPGA”硬件方案，處理器與FPGA之間經過高速串行擴展總線（peripheral component interconnect express, PCIE）通信。光纖擴展插件采用“國產微控單元（microcontroller unit, MCU）+國產大容量FPGA”硬件方案，MCU用于加載FPGA程序。

主機內部板卡經過背板總線，采用PCIE或RGMII總線及自主開發的多路復用高速串行（high performance time determinate multiplexed synchronous serial bus, HTM）總線進行數據交互。主機對外接口支持光纖以太網、控制器域網（controller area network, CAN）總線、高級數據鏈路控制（high-level data link control, HDLC）、IEC 6044—8等協議，并且預留豐富的協議拓展接口，可以根據不同的應用場景進行靈活配置。

1.2 主機平臺軟件設計

已成熟應用的UAPC平臺軟件具備完全自主知識產權，軟件為模塊化解耦設計，不依賴具體硬件，從底層驅動到上層應用均具備自主。自主可控主機平臺軟件在UAPC平臺的基礎上，針對國產化芯片進行功能調整和優化。自主可控平臺軟件示意圖如圖2所示，自主可控控制保護主機平臺軟件由三個部分組成，從下到上依次為系統軟件、工具軟件和應用層軟件。

圖2 自主可控平臺軟件示意圖

系統軟件主要為插件的底層驅動，實現配置管理、任務調度、數據交換等功能，需要針對處理器芯片進行適配性開發。工具軟件是應用功能和系統軟件的接口，開發人員在工具軟件上進行控制保護功能的開發，對下屏蔽硬件和系統軟件差異。應用層軟件主要是控制保護邏輯程序、數據采樣處理程序、通信數據處理程序。

自主可控平臺軟件設計時需要綜合考慮：①冗余性設計，將雙重化冗余的程序分散在不同插件、不同內核；②負載分配，根據程序運算量將模塊化的程序平均調整至不同內核；③數據交換量，聯系緊密的應用元件布置于同一內核，減少總線的數據量。

平臺軟件整體采用面向對象的思想進行設計，以元件封裝的形式打包數據計算和邏輯處理過程，可以提升代碼的可靠性、可讀性和重用性。軟件開發工具采用可視化、圖形化編程模式，支持層次化設計，開發人員可以直觀地梳理數據流及設計功能邏輯。

平臺軟件主要具備以下特點：1）模塊化分層，面向對象，結構清晰；2）系統程序統一管理，編程接口統一管理，后期維護方便；3）控制保護功能和通信功能獨立配置，避免非核心進程影響核心邏輯運算。

1.3 主機監視功能設計

特高壓直流控制保護系統中的裝置必須具備完善的自監視功能，裝置內部發生軟、硬件故障時，能及時檢測到異常并采取系統切換等措施，避免擴大故障影響范圍。

傳統采用多層次混合結構監視方法，依賴某一插件監視系統其他各插件的運行情況，在某些故障情況下較難區分是負責監視的板卡異常還是被監視板卡異常。自主可控平臺的控制保護主機根據平臺的軟、硬件特點，充分利用處理器多核的特性，采用“核內自監視+核間平行監視”的方法，每一個核都會監視其他核，同時也受到其他核監視。自主可控主機監視邏輯如圖3所示。

圖3 自主可控主機監視邏輯

監視對象可包括總線寄存器循環冗余校驗（cyclic redundancy check, CRC）錯誤統計、各核負載率、各級中斷負載、HTM總線數據校驗、中斷計數等，本主機監測到某核出現異常時，根據特高壓直流系統主機三級故障劃分方法將異常主機置相應故障等級，退出值班運行狀態，冗余配置的對系統主機經系統間通信獲取異常信息后，立即進行系統切換。

這種監視方法主要具有以下優點：1）充分保證能夠及時準確地定位故障，沒有監視盲點；2）平行結構檢測到異常時無需經過第三方中轉異常信息；3）主機運行異常時，能立即進行系統切換，有效縮短系統切換時間。

1.4 主機外部通信設計

特高壓直流系統結構復雜，主機的外部通信模式多樣，站間、極間、主機間和系統間等通信必須快速、安全、可靠。自主可控主機通信方式如圖4所示，自主可控系統的外部通信采用完全冗余的設計原則，將外部通道配置在不同的插件中，同時從硬件和軟件上防止單一元件故障導致的通信異常。

圖4 自主可控主機通信方式

主機通信鏈路、主機接口模塊、FPGA芯片、處理器芯片等外部結構完全冗余，從而保證通信的物理鏈路完全獨立。同時，系統軟件保證兩路通信數據互為備用，兩路冗余數據在兩個插件之間通過PCIE總線進行數據交換。應用層程序處理兩路冗余數據時按照“同發同收”的原則，冗余數據同時經兩個外部通道發送至外部設備，接收到的冗余數據則按照主通道和備用通道進行劃分，后續邏輯處理時優先使用主通道接收到的數據，在檢測到主通道通信異常時，則切換至備用通道的數據，從而保證數據安全可靠。

1.5 自主可控平臺的特點

自主可控系統在保持既有UAPC平臺功能的基礎上，具備以下新的特點：

1）主機集成度高，數據處理和計算能力強，負載率可有效降低。

2）多核并行運算，可在不增加插件的條件下實現應用功能冗余設計。

3）主機通信實現完全冗余設計，充分保證通信數據可靠性。

4）利用處理器豐富的多核配置，具備更加完善的監視功能。

5）運算速度提升，控制保護程序最快執行周期從UAPC平臺的75μs提升至20μs，可提升觸發角控制、階躍響應、換相失敗預測控制、鎖相環計算等對實時性要求高的應用功能的執行效果。

2 自主可控特高壓直流控制保護系統設計

2.1 總體架構

自主可控特高壓直流控制保護系統在設計上采用分散、分布式結構，設備之間通過各類總線進行數據交互，實現系統的協調、穩定運行。自主可控特高壓直流控制保護系統設計方案如圖5所示，以單極設備為例，系統自上而下分為站控層、設備層和現場I/O層，分別實現廠站級數據監視與控制、控制保護功能、現場信號采集和傳遞等功能。

圖5 特高壓直流控制保護系統設計方案

設備層的控制保護主機與I/O層的測控裝置之間采用基于光纖介質的現場總線進行通信，可完成模擬量和數字量的交換。測控裝置采集的模擬量經IEC 60044—8標準總線協議上送至控制保護主機進行后續的數據處理，數字量經光纖以太網和控制保護主機進行數據交換。控制保護主機間采用基于光纖介質的高速以太網協議進行通信，通信高速、可靠、抗干擾能力強。控制保護主機和站控層的運行人員控制后臺之間采用IEC 61850協議進行通信，上送裝置運行數據至后臺，接收運行人員下發的指令。

在物理連接上，光纖以太網協議根據不同應用場景，支持交換機組網和光纖點對點的方式；IEC 60044—8總線采用光纖點對點的連接方式；IEC 61850協議的監控網絡采用交換機組網的形式，統一組成站內數據采集與監控（supervisory control and data acquisition, SCADA）網。

2.2 控制保護設備配置方案

按照分層設計的思想，控制保護系統從上到下依次分為雙極層、極層和換流器層。進行功能劃分時，應遵循將控制功能盡量下放至較低層級的原則，盡量減少雙極層設備的數量，防止單一設備故障的影響范圍擴大。因此，將雙極層的功能調整至極層設備中，極層設備通過比較兩極的功能狀態，選取狀態較好的極作為控制極，實現本極功能的同時也執行雙極層的功能。

極層設備主要包括極控制主機、極保護主機，換流器層設備主要包括換流器控制主機和換流器保護主機。控制主機采取主備冗余配置，保護主機采取三取二冗余配置，進一步提升系統的可靠性。針對特高壓直流工程典型的雙極四閥組十二脈動拓撲結構，兩個極分別配置極控制主機和極保護主機，四個閥組分別配置換流器控制主機和換流器保護主機。

極控制主機主要實現雙極區/極區的順序控制及聯鎖、雙極的功率/電流分配、本極的功率/電流指令計算、無功控制、安穩控制等功能。換流器控制主機主要實現本閥組區域的順序控制及聯鎖、觸發脈沖的實時計算、換流變分接開關控制、閥冷設備控制等功能。

保護主機功能按照保護區域進行劃分，極保護主機保護范圍包括雙極區設備、極區設備和直流濾波器區設備，換流器保護主機保護范圍包括換流閥區設備和換流變區設備。

3 系統驗證

采用已投運的 ±800kV上海廟—山東特高壓直流輸電工程（下文簡稱上山工程）參數，在RTDS系統中對自主可控特高壓直流控制保護樣機進行了大量的測試，與已有的基于UAPC平臺的上山工程仿真系統試驗結果進行對比，受篇幅限制，本文選取部分試驗結果。

3.1 解鎖試驗

直流雙極全壓運行，功率模式為雙極功率控制，功率指令1 000MW，兩站極1起極波形如圖6所示，起極過程中電流、電壓穩定，迅速達到目標值。與UAPC平臺的上山工程仿真系統相比，自主可控系統平臺直流起動過程中的電流、電壓響應過程基本一致，由于自主可控系統的程序執行周期快，電流、電壓建立過程相對較快。同時，自主可控主機相比于UAPC平臺主機的最大負載率下降約15%。

3.2 閉鎖試驗

直流雙極全壓運行，功率1 000MW，模擬整流站極1發生極X閉鎖，兩站波形如圖7所示，故障發生后，整流站立即移相，電流迅速降為0，逆變站投旁通對后電壓降為0。與UAPC上山工程仿真系統相比，自主可控系統在閉鎖過程時序保持一致的前提下，同樣由于執行周期的提升和優化，閉鎖執行過程相對較快。

圖6 起極過程

3.3 功率階躍試驗

極1單極功率控制，輸送功率500MW，功率階躍400MW，電流和功率響應如圖8所示，輸送功率迅速增加至900MW。與UAPC上山工程仿真系統相比，自主可控系統的功率階躍響應速度更快，階躍性能更好。

3.4 觸發脈沖準確度

整流側觸發角的指令值及測量值如圖9所示，觸發角的測量值跟隨指令值，且上下波動幅度最大只有0.05°左右。與UAPC上山工程仿真系統相比，在交流同步電壓一致的情況下，自主可控系統觸發角測量值波動幅度較小，觸發角控制更加精確。

圖7 整流站X閉鎖

3.5 主機狀態異常試驗

站2極1極控制主機A套在值班狀態，B套在備用狀態，模擬站1極1極控制主機A套DSP插件某核運行異常，試驗結果如圖10所示。從圖10可以看出，A套主機檢測到運行異常后，退出值班狀態，B套主機由備用狀態升至值班狀態，切換過程主機通信數據正常，直流運行正常，本文設計的主機狀態監測系統功能完備。

圖8 電流和功率階躍響應

圖9 觸發脈沖測量

圖10 模擬主機運行異常

4 結論

本文設計并研發了基于國產芯片和元器件的自主可控特高壓直流控制保護系統，分別介紹了系統的軟、硬件平臺，并針對特高壓直流輸電工程進行了工程化的設計，最后在RTDS平臺進行大量的工程試驗，充分驗證了系統的功能和性能。自主可控特高壓直流控制保護系統在現有系統軟、硬件升級和優化的基礎上，總體性能不低于現有系統。

本文研制的自主可控特高壓直流控制保護系統對于提高電網的安全性、解決關鍵領域“卡脖子”問題具有重要工程應用價值。

本文編自2022年第3期《電氣技術》，論文標題為“自主可控特高壓直流控制保護系統設計與研發”，作者為沈天驕、仲浩 等。