高压直流输电控制保护装置

站控工作通道负责交、直流场的开关操作，构成直流及交流滤波器的各种连接方式。备用站控通道跟随工作通道的控制状态。

为了保证故障的工作通道正确退出运行，备用通道立即转为工作，控制系统通道，需要有完善的自检功能。至少包括： 7〕供电电源监视 8〕硬件监视 9〕软件监视

a) 存储器周期检查 b) 外围模块周期检查 c) 检测通讯通道中的故障 d) 检测后备电池的故障 10〕 点火角不一致测量

11〕 用户程序和检测的故障及报警

a) 直流电流监视(换流器直流侧与交流侧电流之差) b) 直流功率监视(交流功率与直流功率之差) c) 同步电压监视

d) 电流过零点监视(例如,熄弧角小于3o) e) 电压过零点监视(例如,熄弧角大于18o) f) 电流互感器的光连接监视 12〕 非正常运行范围监视 13〕 现场总线和局域网监视

这些监视发现故障,将通过通道切换逻辑进行通道转换。从检测故障到通道切换完成的时间将影响系统的可靠性。即，当故障控制信息输出时间短于通道转换时间，将失去系统冗余作用，引起系统扰动或进入错误控制状态；只有这个转换时间足够小，系统才将起到并联冗余作用。

由于控制设备故障是多样的、随机的，故障检测和通道转换需要时间；而且，控制系统的各种误差不允许控制的冗余像保护那样，两个系统同时起作用；因此，控制系统的冗余设计只能尽可能减少控制设备故障影响。

为了提高控制系统的可靠性，可以采用以下冗余方式：

其一，采用三套硬件和软件功能相同的控制通道，同时工作；开关量输出三取二，模拟量输出取中间值。一个通道退出运行，开关量输出二取一，模拟量输出取最大或最小值。这种方法没有通道切换回路，可以避免由转换时间造成的错误；但是，需要独立的、复杂的输出选择逻辑电路和增加一个控制通道的投资。目前，此方式还没有使用经验。

其二，常用冗余方案的完善。采用二套硬件和软件功能相同的控制通道，一套工作，一套热备用，由自检功能进行通道切换。模拟量输出始终取工作通道；开关量输出相与（二取二），当通道故障或检修，不仅变成备用通道，而且通过安全设计，使开关量输出置逻辑“1”，系统输出变成一取一。这种方法可以避免由于转换时间造成的控制状态错误；但是，不能完全避免自检功能不完善而造成的系统扰动。

2.2 控制系统的可靠性

由于常用的两个通道热备用冗余方式的直流控制系统，系统的不可用率与通道切换的时间有关，所以从可靠性分析，那些检测不到或来不及转换就造成影响

的设备的不可用率，与设备和元件的故障率有直接关系，在元件老化达到设备寿命时，会引起系统的不可用率明显增加。其他在通道切换前不造成影响的设备故障，控制系统的不可用率相当于两套系统并联冗余（二取二）。

三取中及三取二冗余方式，系统的可靠性明显增加。对常用冗余方式的完善，其可靠性也有很大改善，尤其在接近设备的使用寿命期间，但是，由于目前性能价格比还不好，没有应用的实例。

2.3 不同直流工程控制的冗余方式

目前，中国引进的直流输电工程，直流控制的冗余方式原理都是相同的，两套相同配置的控制通道，一个工作，一个热备用。

葛南的换流器控制每套控制有自己独立的设备柜，柜中有专门的电源模块，输入/输出模块、CPU模块及触发系统。冗余控制系统的工作通道，通过光纤将触发脉冲送到阀基电路。葛南线的站控系统，它的主站安置在设备间，通过两条互为备用的串行P13总线，与控制室的模拟盘、中央告警系统、RTU通讯等设备子站，与辅助电源、直流开关场控制、交流滤波器母线控制等就地站，交换控制及状态显示信息。每个极的阀控两个系统与相应的站控主站的两个自动控制系统，通过专门的串联总线相连，经过自动控制计算处理后再与P13总线相连；控制台的控制显示信息通过站控主站的两个顺序系统计算处理后与P13总线相连。冗余 通道切换由安置在每个极直流保护柜中的电路执行。

通过葛南线十多年的运行发现，没有采取冗余的设备容易造成系统停运，像控制柜至阀基电路的光纤回路，曾发生间断丢失脉冲故障。最近发生的换流器控制通道切换仍然造成系统停运故障说明，一些芯片及信息传输故障在冗余通道转换前已经造成不良影响。另外，一个极换流器控制系统全部停电后，再加电会造成运行的另一个极停运，说明冗余的极换流器控制与冗余的站控制配合存在问题。

天广线的直流换流器控制两个通道分别放在两个独立的机柜中，测量量通过光纤直接取自一次回路，柜中有专门的电源模块，输入/输出模块、CPU模块，通道转换电路安放在一个控制柜中，但每个柜都有操作、显示功能，并向转换回路提供电源。每个通道的触发脉冲输出到阀基电路也是冗余的，与控制通道一同切换，最后工作通道的脉冲送出。 站控冗余系统的开关量输出，像紧急停运，采用二取一，送到换流器控制及其它设备。

天广直流系统调试，通过不断修改阀基电路软件，才使冗余系统切换成功。 通过联合设计了解，龙政直流线直流控制的冗余通道分别安置在两个设备柜中，每个通道与相应直流保护安置在一个设备柜中。目前，此系统还没有运行。

3．

辅助设备控制保护的冗余配置

3.1 辅助设备的冗余方式

为了保证主系统安全稳定运行，直流系统的阀冷却系统、换流变压器冷却系统、交/直流滤波器及站用电等辅助设备，一般采取容量、元件的冗余或一个设备工作，另一个相同设备备用，自动切换的冗余方式。

辅助系统的控制保护设备通常在被服务的设备就地安置，随着科学技术的发

展一些辅助设备的控制和保护功能逐渐被集中到直流系统控制保护中。这些控制和保护功能有着紧密的关系，而且与系统控制保护有着密切关系。它们接受系统的命令，对设备进行自动控制，当保护动作，首先进行冗余设备切换；然后，通知系统控制保护采取减功率及停运等措施。为了避免设备故障和送给系统主控制保护的信息通道故障引起拒动，都采用双重化设计，因此输出逻辑也为“二取一”。

3.2 冗余与可靠性的关系

辅助设备控制保护系统采用“二取一”逻辑输出，符合宁可误动也不拒动的原则；即，从可靠性分析，这种冗余增加了误动率，减少拒动率。

3.3 实际直流工程辅助系统控制保护的冗余

我国引进的直流输电工程辅助系统的控制保护冗余情况如下： 阀冷却系统，内循环水主泵一般采用冷备用，有定期转换和故障转换两种方式。定期转换是按运行时间自动切换，故障转换可由冷却水压力，水泵供电电压等检测自动启动。并且，根据冷却水温投切冷却塔不同的风扇台数或改变风扇转速，这些都是被控设备的冗余。而控制保护设备一般也相应采用两套。天广调试发现，如果主水泵的切换与冷却水压力保护的时间配合不当，会引起直流系统停运。葛南线也曾因冷却水主泵切换程序有问题，使直流系统停运。

变压器冷却系统控制和保护可以是两个分系统。变压器冷却系统控制按油温自动增、减风扇。变压器保护是变压器本体保护和电气保护组成，也可用两套功能相同的系统冗余配置。前期引进的“葛南”和“天广”直流输电工程的变压器保护是独立配置的分系统。目前，ABB公司将此保护与直流控制保护系统结合在一起，任何一套直流保护中的该保护动作都直接出口停运直流，这将影响直流保护的冗余配置。如果直流保护系统采用三取二配置，将变压器保护融合在每一套直流保护装置中，这才是较佳的设计。

交流滤波器根据直流站控的命令投切。投切断路器的命令采用双通道传送。交流滤波器保护各个直流工程不同，葛南线采用一些传统的交流保护元件构成；而天广线和龙政线每个交流滤波器大组由两套相同的微机保护构成。交流滤波器保护动作，仅切除所保护的一小组或一大组滤波器，由控制系统判断投入备用滤波器或限制直流系统的输送功率，一般不应造成直流系统停运。因此，采用两套保护“二取一”逻辑输出，当一套交流滤波器保护设备故障，切除一大组交流滤波器，不会直接影响直流系统的可靠性。如果将一个继电器室中的三大组交流滤波器的控制保护集中冗余配置，采用“三取二”配置，不仅可以减少保护的硬件和资金，而且可以提高交流滤波器运行的可靠性。

直流滤波器的控制保护冗余应同交流滤波器一样。

站用电系统对直流系统可靠性影响很大。因此，换流站的站用电一般都设置2个以上的电源，但是为了减少来自电网不同地点的电压相差造成的环流，通常采用冷备用自动切换冗余方式。但是，切换的时间配合要恰当，否则会造成换流器和换流变压器的冷却系统辅机停运，可能引起直流系统双极停运；天广调试就发生过站用电切换，引起直流系统停运；这个系统的控制主要防止拒动。除此之外，为了保证给控制保护装置可靠地供电，控制楼设置了不同直流电压的蓄电器组。因此，站用电控制可以采用“二取一”的冗余配置。

另外，一些辅助系统保护需要通过两条通道，送给直流保护系统的两条跳闸总线停运直流，也相当于二取一输出逻辑，通道上任何继电器误动或干扰就会停

运直流，葛南直流的运行碰到许多这种原因不明的故障。解决的方法是，将辅助系统保护的监视信号，送到完全冗余的“三取二”直流保护系统进行计算判别，减少跳闸信号的传送环节。

四、结论

本文从我国电力系统保护装置的设计原则入手，结合自直流输电技术投入商业运行后,出现的微机保护特点，对“葛南”直流输电系统、“天广”直流输电系统，以及“龙政”直流输电系统三个高压直流输电系统的控制保护装置的冗余配置进行了评价。

本文认为，“三取二”配置是微机保护的最佳基本配置，因为它能有效地解决保护装置为防止本身电子元件故障造成的误动与拒动之间的矛盾。

两个完全相同的系统，一个工作，另一个跟随的充分冗余（热备用）方式，一般仅适用于控制系统；并且，在这种控制系统中尽可能减少能引起系统停运的保护功能，相应的解、闭锁功能等输出采用与自检功能配合的“二取二”逻辑。

辅助设备的控制保护，输出逻辑“二取一”配置，是目前造成直流系统误动停运的主要原因之一；它们与主设备控制保护之间的联系也是影响系统可靠性的薄弱环节。因此，应寻找最佳的冗余方案，例如交直流滤波器的保护采用三取二配置，减少跳闸回路的中间环节等。

电子设备采用完全冗余的方式是为了防止设备的电子元件故障，造成设备错误动作。“龙政”及“三广”直流，将直流两个互为冗余的控制通道，分别各放置两套相同的直流保护，以及任何一套保护的阀短路或变压器保护动作，将直接出口停运直流的设计，违背了冗余的原理。当任何一套保护设备故障，特别是在电子元件老化出现故障时，不论自检系统多么完善，错误信息都有可能出口，造成直流系统停运。

本文对各种系统冗余方式优、缺点进行的论述，可供直流输电系统及电力系统控制保护装置设计和运行参考。

作者简介：王明新,男，中国电力科学研究院系统所，电力系统仿真中心付主任，高级工程师，直流输电硕士，1954年2月出生于广东省广州市。自1977年以来，一直从事高压直流输电技术的研究工作，参与和负责了我国全部直流输电研究和直流输电工程的仿真试验，以及直流工程的部分前期研究、调试和运行服务工作。具有丰富的直流输电技术仿真试验和直流工程服务的经验。

The Redundancy of the Device of Control and Protection in HVDC

Author: Wang Mingxin EPRI of China

Address: Number 15 of Xiaoying east road, Qinghe town, Haidian, Beijing Post: 100085

Abstract

This paper is a evaluate the redundancy of the device of control and protection in “Ge-Nan” and “Tian-Guang” and “Long-Zheng” HVDC link according to the feature of microcomputer control device and refer to the arrange principle of AC protection. It think that the three selected two is the best arrange in DC protection device. The reliability of the different redundancy ways is analyzed. The advantage and weak of redundancy at the different HVDC link in the China were being present. The evaluate will be referred by other HVDC link and AC system protection designs.

Keyword: Reliability of System, Redundancy of Electronic device, Arrange of control and protection