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高壓直流輸電控製保護多重化分析


摘要: 介紹了高壓直流輸電控製保護雙重化及三重化的概念及實現原理, 列舉了當前運行直流係 統中單元件故障出口可能導致閉鎖的保護。針對保護雙重化配置和傳感器等單元件的配置情況, 對比了 A BB 公司和南瑞公司為防止因單元件故障導致閉鎖采取的解決方案。還對 3 起因測量裝 置或傳感器沒有完全雙重化而造成停運的事故進行了分析, 並介紹了高嶺換流站三重化保護存在 的問題及解決方案。對直流輸電現存的雙重化方麵的缺陷給出了建議, 提出了從根本上解決一套 係統維修、另一套係統異常時導致跳閘等問題的方法就是信號接點和控製保護全部三重化。選用" 三取二 邏輯的保護設備時, 應選用具有 3 個及以上通道的一次設備, 避免單個元件或板卡故障引 發直流閉鎖。

0 引言

為了達到高壓直流( H V DC) 工程所要求的可用 率及可靠性指標, H V D C 輸電控製係統全都采用多 重化設計[ 1] 。通常采用雙通道設計, 其中一個通道 工作時, 另一個通道處於熱備用狀態。當工作中的 通道發生故障時, 切換邏輯將其退出工作, 處於熱備 用狀態的通道則自動切換到工作狀態[ 2] 。為了防止 H V DC 保護裝置本身的故障而造成運行可 靠性降 低, H V D C 輸電保護裝置也采用了冗餘配置。

本文首先介紹了控製保護冗餘配置的概念及實現原理, 分析了現有 H V D C 工程中沒有完全冗餘配 置的元件及存在問題, 結合近幾次相關停運事故, 提 出了改進建議。本文還對高嶺換流站在三重化保護過程中遇到的問題進行了分析, 指出了三重化是測 量裝置、信號傳輸裝置以及控製保護裝置的完全三 重化, 在硬件和電源上完全獨立。保護出口采用" 三 選二 方式, 可以避免任何一套保護裝置本身故障造 成的保護設備誤動和拒動。

1 直流控製保護雙重化

1. 1 MACH2 係統雙重化簡介

為了 使 H V DC 輸 電 係 統 達 到 高 利 用 率, 將H V DC 控 製 保 護 係 統 進 行 雙 重 化 非 常 必 要。M A CH 2 ( M odu lar A d vanced Cont ro l S yst em f or H V DC an d SV C 2 nd Edit ion ) 係統的可用率 設計 標準為 100% , 單點故障不允 許中斷運行, 因此, 控製保護係統各方麵都必須冗餘, 雙重化的範圍包括 從輸入/ 輸出回路到數據采集與監控( S CA D A ) 、局 域網( L A N ) 係統中的所有部分[ 3-4] 。

1. 2 分布 I/ O 係統的雙重化

分布式輸入/ 輸出 ( I/ O ) 係統包括 如下組成部分[ 5 ] : ! 交流場的交流保護( A CP) 和交流現場終端( A F T ) I/ O; ∀ 直流場的直流現場終端( DF T ) I/ O;# 交流濾波器保護 ( A F P) I/ O ; ∃換流變壓器的變壓器控製接口( T CI) 或變壓器現場終端( T F T ) I/ O;% 平波電抗器的控製接口( SR CI) I/ O; &水冷及閥廳( C& V ) I/ O 。

分布 I/ O 係 統獨立於 A CP , A FP 或極 控和保 護( PCP) 係統之外, 而且通道雙重化, 正常時 2 個通 道都在運行。一次回路中所有的傳感器都接至 I/ O係統, 2 個 I/ O 係統分別連接傳感器 2 個獨立線圈。 當主回路隻有 1 個傳感器時, 這個傳感器就與 2 個I/ O 係統相連, 連接後能夠實現在運行期間代替一 個 I/ O 係統的輸入回路, 同時不影響另一個 I/ O 係統的運行。I/ O 係統 連續監測 I/ O 測量通 道的運 行, 檢測到偏移即發出報警, 並根據故障的嚴重程度 決定是否切換至備用係統。

來、去交 流場的 所有 數字信 號都 送到 I/ O 係統。與測量通道一樣, 數字 I/ O 係統通道也接至冗 餘的 2 個係統, 但是 2 個通道的信號都送給主回路 設備, 例如開關的跳閘信號。

1. 3 分布子係統的雙重化

分布子係 統與 分布 I/ O 有 相同 的硬 件特 性。 隻有一點不同, 就是子係統有它自己的控製保護功 能。也就是說, 對於係統 A 和 B, 子係統有它自己的切換邏輯和通信通道。因此, 這一層切換到冗餘係統不會引起 P CP 係統的切換, 反之亦然。雙重化的子係統有: ! 水冷控製保護( CCP) 係統; ∀ 換流變 壓器的變壓器電子控製係 統( ET CS ) ; # 平波 電抗 器的平抗電子控製係統( ERCS ) 。

1. 4 DOCT 和 DCOCT 接口的雙重化

主設 備 中 帶 有 直 流 光 電 式 電 流 互 感 器( DCO CT ) 和數字光電流變送器( D OCT ) 的遠方接 口[ 6-7] 。低壓側的 接 口是 一 個外 設部 件 互連 接 口 ( PCI) 板, 直接裝在 P CP 和 A FP 櫃的主機中。每一個測量設備和測量通道都實現了雙重化, 一個 A 係 統、一個 B 係統。D OCT 測量值通過 6 通道單光纖 信號接口板 S G1 01 傳送至主機, D COCT 測量值通 過雙通道雙光纖信號接口板 S G1 02 傳送至主機。

1. 5 CAN 總線和 TDM 母線的雙重化

控製器局域網( CA N ) 總線通常作為冗餘 A CP,A FP , PCP 係統的控製總線。這些係統總線彼此完 全獨立。PCP 係統的總線由雙重 CA N 總線控製。 這種布置下分布式 I/ O 係統接到每一個控製櫃, 這樣所有保護功能都可以實現雙重跳閘回路。因此, 保護發出切換到冗餘係統之後, 雙重跳閘回路都可 用。

M A CH 2 係統中的時 分多路複用( T DM ) 母線 是單向母線, 並使用高速測量信號。2 個數 字信號 處理器 以 點 對點 方 式 串聯。與 CA N 母 線 一樣, T DM 母線也是雙重化冗餘布置。

2 直流控製保護三重化

三重化冗餘控製技術在航空航天、軍事、鐵路、 石油、化工、電力等要求高可靠性的行業得到了廣泛 應用[ 8] 。為提高 H V D C 輸電控製保護的安全性、可 靠性和可用性, 保證 H V D C 係統安全、可靠、減少誤 閉鎖, 將保護實現 三重化是一種較 好的技術措施。 以高嶺換流站為例, H V DC 保護係統共配置 A , B, C 這 3 套極保護。3 套保護采用" 三取二 保護邏輯出口: 2 套保護動作, 極保護邏輯跳閘; 單套保護動作。極保護不 跳閘[ 9] 。三重 化保護動作邏 輯如圖 1 所 示。" 三取二 邏輯可完全由軟件實現, 不會增加誤 動或拒動的概率。高嶺站的控 製係統仍是雙 重化 的, 配置了 2 個" 三取二 邏輯來實現保護與雙重化 控製係統的接口。3 套保護設備的所有與控製係統 的接口信號, 分別接入 2 個" 三取二 邏輯單元, 形成2 路接口信號與控製係統對應連接。在一重及以上保護動作時, 若處於運行( A ct ive) 狀態的控 製係統 檢測到接收到的電壓、電流信號測量異常, 將進行控 製係統的切換, 並閉鎖或退出使用異常測量信號的保護, 以避免測量異常時保護誤動。

3 無雙重化造成的事故及應對措施

3. 1 葛洲壩站中性線壓變測量異常導致雙極停運 事故

葛洲壩 ∋ 南橋( 以 下簡稱葛南) H V D C 係統的 中性線電壓測量裝置安裝在雙極中性母線區域, 其 測量量既用於極 ( 保護, 也用於極 )保護。2 009 年8 月 12 日, 當葛洲壩站中性線電壓測量裝置發生異常時導致雙極相繼閉鎖。在葛南 H V DC 係統之後 建設的龍政、江城和宜華等 H V DC 輸電係統, 設計進行了改進, 極 ( 和極 )分別設獨立的中性線電壓 測量裝置, 單一設備故障不會造成雙極閉鎖。在下 一步葛南 H V DC 綜合改造中擬增加中性線電壓突變以及中性線電壓測量裝置功放報警信號啟動錄波 的功能, 以便 及時發現測量異常, 並 將葛南 H V DC 係統中性線電壓測量裝置改造為極 ( 和極 )相互獨 立。

3. 2 政平站換流變網側 A 套管 SF6 壓力監測裝置 事故

20 08 年 5 月 27 日 1 3 時 55 分, 政平站因雷雨天氣導致站用電波動, 進而導致極 ( C 相 Y, y 接線 換流變網側 A 套管 S F6 壓力監測裝置發壓力低信 號, 極 ( 閉鎖, 後將壓力監測裝置電源改接於站內不間斷電源( U PS ) 屏, 故障消除。建議對 S F6 壓力監測裝置進行雙重化以減少誤動。

3. 3 南橋站內冷水分支流量低的事故

20 07 年 6 月 23 日, 南橋站發生了由於極 ( 內 冷水 3B 分支流量低導致極 ( 直流閉鎖 事件[ 11-12] 。 該分支流量計為單元件配置, 同時接入水冷 A / B 係 統, 由於流量計發生瞬時故障, 導致極 ( 直流閉鎖。 針對此次閉鎖所采取的反事故措施為: ! 取消分支 流量跳閘功能, 更換南橋站所有分支流量計。 ∀ 進 行單雙極閉鎖隱患清查, 對所有可能引起閉鎖的保 護所涉及的單元件配置傳感器進行設備改造, 使傳感器單元件配置變為傳感器雙重化配置。 # 修改部 分保護程序, 涉及雙重化傳感器的保護都執行先切換係統再出口跳閘的順序, 保證動作的可靠性。

4 傳感器多重化分析

4. 1 保護雙重化配置, 傳感器單元件配置

各換流站或多或少存在保護是雙重化配置而部 分傳感器是單元件配置的情況, 這種配置大大降低 了直流運行的可靠性。這種配置方式下發生傳感器 故障, 無論控製保護是雙重化配置還是三重化配置, 都可能造成誤動, 第 3 節的 3 個事例均屬於此類。

換流變、平抗等設備本體保護單元件單接點配置的 非電 量 保護 有:1、極 穿牆 套 管 S F 6 壓 力低;2、 換流變本體油溫跳閘; 3、換流變閥側套管 1 SF 6壓力低跳閘; 4、換流變閥側套管 2 SF 6 壓力低跳閘;5、平抗本體油溫跳閘;6、、平抗閥側套管 1 S F6 壓力低跳閘; 7、平抗閥側套管 2 S F6 壓力低跳閘。

換流變、平抗單元件雙接點配置的非電量保護有: 1、換流變本體瓦斯繼電器跳閘; 2、分接開關油流 繼電器跳閘;3、平抗本體瓦斯繼電器跳閘。

上述非電量保護無論是單元件單接點還是單元 件雙接點, 都是任一副接點動作都會導致直流閉鎖,就廠家設計原則來看, 是寧願保護誤動, 不願保護拒 動損壞設備。換流站內多台換流變、平抗同時運行, 眾多跳閘點導致了較大的誤閉鎖風險。針對單元件 單接點非電量保護, 建議將其跳閘信號與報警信號相" 與 , 僅當 2 個條件同時滿足時, 保護才出口。

上述處理辦法可以降低非電量保護誤動概率,但同樣提高了拒動概率, 例如: 報警信號接點 故障 時, 可能導致跳閘接點無法出口跳閘, 損壞設備。所 以, 是否采用這種修改, 還取決於運行單位是傾向於 防誤動還是防拒動, 如何在兩者之間平衡取舍。對 於換流變和平抗的本體瓦斯而言, 由於輕瓦斯和重 瓦斯動作原理不同, 並不適用這種修改方法。

以後的工程可以考慮用 2 副告警接點並聯再與 跳閘接點串聯使用, 這樣既防止因單個跳閘接點絕 緣降低而引起直流係統閉鎖, 又防止因單個告警接 點絕緣降低而導致拒動。若要保護三重化, 要求一 次設備上所有的本體保護出口繼電器均提供 3 副硬接點, 保護係統采取" 三取二 邏輯, 從而有效避免換 流變和平抗單元件故障導致的直流閉鎖。

4. 2 保護和傳感器均雙重化配置, 單一傳感器故障對策

4. 2. 1 A BB 公司

A BB 公司直流極保護按雙重化配置。每一係統具有全部的保護功能, 同時每重保護具有獨立的、完整的硬件配置和軟件配置, 並與另一重保護之間 在物理上和電氣上完全獨立。保護正常運行時, 係 統 A 和 B, 一 個 在 A ctive 狀 態, 另 一 個 在 備 用( S t and by ) 狀態。當 A ct iv e 係統監測到故障 時, 首 先進行係統切換。如果另一係統也檢測到故障, 保 護才動作出口。此方法避免了一套保護裝置本身故 障或單個傳感器故障時的誤出口。


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4. 2. 2 南瑞公司

       南瑞公司直流極保護也按雙重化配置。直流極保護有各自獨立的電源回路、測量互感器的二次線 圈、信號 I/ O 回路、通信回路、主機, 以 及二次線圈 與主機之間的所有相關通道、裝置和接口。任意一套保護因故障、檢修或其他原因而完全退出時, 不影 響另外一套保護的正常運行, 並對整個係統的正常 運行沒有影響。

保護正常運行時係統 A 和 B 都在 A ct ive 狀態。2 套保護同時運行, 任意一套動作可出口, 保證安全 性。當單一元件故障時, 每套保護采取一定的措施 保證單一元件損壞時本套保護不誤動, 從而保證可靠性, 並 不進行切換。例如, 對於中性母線差動保 護, 首先判斷傳感器( 電流互感器回路) 是否正常, 若 異常則閉鎖保護。

4. 2. 3 兩種方式的比較

對於 A BB 公司的保護而言, 避免單元件故障導 致閉鎖的方法是通過保護切換, 使非故障係統進入 運行狀態, 從而達到閉鎖保護出口的目的。它沒有采用國內已普遍使用的當測量元件故障時閉鎖本係 統保護的理念。龍政 直流( 完全采用 A BB 公司技 術) 有些快速電氣量保護, 如換流器保護、交流母線 和換流變保護等, 並不進行係統的切換, 若其測量回 路上的板卡發生故障, 由於沒有單元件故障閉鎖保 護措施, 有可能導致其測量值出現極大偏差, 直接導 致保護誤動而 引起直流 閉鎖。例 如, 2008 年 7 月9 日, 龍泉站因極 ( 控製保護 B 係統 P S 801 板卡故 障導致換流變大差動保護動作, 極 ( 閉鎖。

4. 3 傳感器單元多重配置

傳感器多重化配置時, 多路測量值信號可以相 互比較, 若差別超出允許範圍則判為測量異常。有 些傳感器可以根據正常的測量值範圍來判斷其是否 正常工作。例如, 當閥溫度計測溫高於 80 . 0 + 或者 低於- 20. 0 + , 可以確定為測量異常。若保護檢測 到測量異常或裝置故障時可閉鎖或退出本保護。若 保護為三重化配置, 動作策略由" 三取二 變為" 二取 一 , 若再有一套保護閉鎖或退出時, 動作策略則變 為 " 一取一 。若保護為雙重化配置, 退出一套保護後, 另一套可以單獨出口。當處於 A ct ive 狀態的控製係統檢測到 測量異 常或 係統 故障時, 則 切換 至 S tan db y 狀態。原來處於 S t and by 狀態的控製係統 則轉為 A ct ive 狀態。

控製保護本身板卡或其他內部故障, 通常隻能 由該係統自檢來發現, 需要每套係統有完善的自檢 功能, 一旦檢測出來則進行控製係統切換或保護閉 鎖, H V D C 輸電係統可以正常運行。

5 高嶺站保護三重化過程中遇到的問題

高嶺換流站單元 1, 2 直流正負極母線分別配置 組合式直流電流/ 電壓互感器, 用來測量直流極母線 的直流電壓和電流, 分別供每個單元的 2 套直流極 控製、3 套極保護係統 和直流故障錄 波裝置使用。 由於高嶺換流站直流極母線電流、電壓值隻能由配 置的 2 個傳感器測量, 無法通過其他量計算, 因此直 流電流/ 電壓傳感器的可靠性直接關係到直流係統 的安全穩定運行。

組合型直流電流/ 電壓傳感器通過其內部遠程模塊 IX9 001, 將一次側直流極母線電流和電壓轉換 為光信號傳送給直流電流/ 電壓變換器( curr en t an d volt age t ran sf ormer fo r d irect curr en t , DCCT ) 接口屏內的數據模塊 IX 9004 。由 IX9 004 將來自多個遠 程模塊 IX 9001 的數據 信息組合為光 串口信號, 並 通過光纖 分線 器 連接 發 送到 2 個 模 擬輸 出 模 塊 IX 9006 中。IX9 006 接收來自 IX900 4 的光學數據, 並將這些數據轉換為模擬電壓信號輸出。以閥廳為 例, 高嶺站改造前電流電壓信號傳輸路徑如圖 2 所示。

由圖 2 分析可知, 單元 1 的 IX90 04 故障或數據 模塊到光纖分線器間光纖損壞時, 單元 1 極控製係統屏 A 、單元 1 極保護屏 A 、單元 1 極保護屏 C 接收到單元 1 閥廳正負極母線的電流、電壓信號將同時 故障; 同時, 單元 2 極控製係統屏 A 、單元 2 極保護 屏 A 、單元 2 極保護屏 C 接收到單元 2 閥廳內正、負極母線的直流電流、電壓信號也同時出現故障, 將會 出現雙單元閉鎖的嚴重後果。

針對以上分析, 提出如下改造方案: 1、增加直流電流/ 電壓輸出回路, 2 個換流單元的 3 套極保護完全獨立; 2、 組合式直流電流/ 電壓傳感器端部增加遠 程數據模塊, 將每 個傳感器獨立 輸出 3 路 模擬量;3、 每個 單 元 新 增 一麵 D CCT 屏 ( 屏 內 包 括 2 個 IX9 004 和 1 個 IX90 06) , 用來接收傳感器端部新增 遠程數據模塊發出的電壓、電流信號。

6 相關建議

1) 對於保護雙重化配置, 傳感器單元件配置及 換流變、平抗等設備本體保護單元件故障誤出口等 問題, 在後續的直流工程中, 要減少或杜絕單元件配 置情況, 做到控製保護所有回路的完全雙重化, 提高 H V D C 輸電各項指標。對於要求高可靠性的工程, 例如核電送出工程, 建議將控製保護三重化。

2) 從 防 止 誤 動 的 角 度 上 考 慮, 建 議 對 龍 政

H V D C 係統( A BB 技術) 等引 入宜華 H V D C 係統 ( 南瑞技術) 保護設計理念, 修改相關軟件, 對於一些 快速的且不需要進行係統切換的電氣量保護, 在其電氣量發送的 PS 860 板卡內設計遙測量檢測程序。 若檢測到遙測量出現極大偏差或板卡故障, 則應立 即發出遙測量不可用信號, 從而快速閉鎖保護, 避免 保護誤動作。目前比較可行的方法是修改軟件, 一 旦 P CP 係統檢測到板卡故障, 就用此檢測所得的故 障信號先行將相應保護閉鎖, 這樣也間接達到了避 免測量板卡故障所導致的保護誤動作或直流誤閉鎖 的目的。

3) 在 H V DC 控製保護係統單係統進行維護和 板卡更換工作時, 工作過程中無法保證運行係統的 冗餘性, 由於當前 係統處於" 測試( T ES T ) 不可用 狀態, 若此時另一係統也發生緊急故障, 則會由於無 可用係統而導致直流閉鎖。預控措施是: 1、加強維 護人員對係統的熟悉和培訓, 提高維護人員的維護 技能水平, 盡量縮短作業時間。 2、 定期清查備品, 確 保關鍵設備的備品足夠。3、對於部分庫存不足的關 鍵備品盡快聯係購貨渠道, 並購買落實。 4、有些換 流站極控 M C2( M ain Comp ut er 2 ) 主機沒有獨立的 鍵盤、鼠標及監視器, 給搶修工作帶來不便, 這一方 麵延長了工作時間, 另一方麵需要來回拔插線纜, 可 能誤碰光纖。建議對 PCP 屏櫃加裝多計算機切換器( K V M ) , 即能夠實現用一套鍵盤、顯示器、鼠標來 控製多台設備, 這樣可以方便維護, 縮短作業時間。5、對換流站所有的備用板卡( 如 PS 900 板卡等) 預 先裝載好程序, 完成所有參數設置, 故障處理時做到 即插即用。

解決此問題比較徹底的方法是將控製保護係統 完全三重化, 這樣在一套係統維護時, 即使有一套係 統由於發生緊急故障而退出運行, 這時" 二取一 動 作策略變為" 一取一 , H V D C 輸電係統可以繼續運 行。

4) 在後續的 H V D C 工程中, 推薦 將保護三 重 化。換流變或平抗的招標文件上, 建議要求其一次 設備上所有的本體保護出口繼電器均提供 3 副硬接 點, 保護係統則采取" 三取二 邏輯, 這樣既可防止本 體保護誤動, 也可防止本體保護拒動, 從而有效避免 了換流變和平抗單元件故障所導致的直流誤閉鎖。

7 結語

本文介紹了 H V DC 輸電控製保護雙重化及三 重化的概念及實現原理, 分析了 3 起因測量裝置或 傳感器沒有完全雙重化而造成停運的事故, 比較了 A BB 公司和南瑞公司的避免單一元件故障 造成停 運的解決方案。在此基礎上, 建議對采用 A BB 技術 的換流站引入測量板卡故障時 閉鎖相應保護 的理 念。對於保護雙重化配置, 傳感器單元件配置及換 流變、平抗等設備本體保護單元件故障誤出口等問 題, 提出後續工程盡量做到控製保護所有回路的雙 重化, 減少 H V D C 輸電非計劃停運次數。

對高嶺換流站保護三重化過程中遇到的問題及 解決方案進行了較深入的研究, 指出目前" 三取二 保護邏輯應用並不普遍, 一次設備往往隻考慮滿足2 套保護配置的要求。在將" 三取二 保護邏輯接入 為 2 套保護提供輸入/ 輸出的一次設備時, 存在單一 元件故障導致直流閉鎖的隱患, 從而降低 H V DC 係 統可用率。建議後續工程一次設備上所有的本體保 護出口繼電器均提供 3 副硬接點。

本文對現有換流站的停運隱患分析及控製保護 改造方向有一定的指導意義和參考價值。

參 考 文 獻

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