張國華,王森,廖卉蓮,廖文鋒
(國家電網(wǎng)公司運(yùn)行分公司,北京市 100052)
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天中直流控制保護(hù)系統(tǒng)模擬量自檢邏輯分析
張國華,王森,廖卉蓮,廖文鋒
(國家電網(wǎng)公司運(yùn)行分公司,北京市 100052)
天中直流是第一條采用國產(chǎn)化直流控制保護(hù)技術(shù)路線的特高壓直流輸電系統(tǒng),直流控制保護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性對(duì)天中直流的安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。模擬量是直流控制保護(hù)系統(tǒng)的源頭,模擬量的準(zhǔn)確性直接決定著控制和保護(hù)邏輯執(zhí)行的正確性,影響著直流輸電系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。以天中直流中州換流站為例,詳細(xì)分析了直流控制保護(hù)系統(tǒng)模擬量的自檢邏輯,以期對(duì)后續(xù)特高壓直流輸電工程設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)維工作提供一定的參考依據(jù)。首先介紹了中州換流站直流控制保護(hù)系統(tǒng)模擬量的配置情況;接著分別對(duì)直流控制和直流保護(hù)用模擬量的自檢邏輯進(jìn)行了詳細(xì)分析;然后根據(jù)工程調(diào)試存在的問題,指出了現(xiàn)有模擬量自檢邏輯存在的不足之處;最后提出了進(jìn)一步完善模擬量自檢邏輯的建議和意見。
天中直流;控制保護(hù)系統(tǒng);模擬量;自檢邏輯
天中直流輸電系統(tǒng)額定功率8 000 MW,額定電壓±800 kV,額定電流5 000 A。工程西起新疆維吾爾自治區(qū)哈密地區(qū)天山換流站,東至河南省鄭州市中州換流站,輸電距離約2 210 km。該工程于2014年1月27日投入商業(yè)運(yùn)行,是第一條承擔(dān)“西電東送、疆電外送”的特高壓直流輸電工程,也是我國第一個(gè)“風(fēng)火打捆”的直流送出工程,因此,確保天中直流輸電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的戰(zhàn)略意義[1-8]。該工程首次采用了南瑞自主研發(fā)的PCS-9550直流控制保護(hù)系統(tǒng)平臺(tái),也是國內(nèi)首條采用國產(chǎn)化直流控制保護(hù)技術(shù)的特高壓直流輸電系統(tǒng)。
直流控制保護(hù)系統(tǒng)是直流輸電工程的“大腦和神經(jīng)中樞”,是直流輸電系統(tǒng)安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行最直接和最重要的保障[9-19]。模擬量是直流控制保護(hù)系統(tǒng)的“源頭”,是體現(xiàn)直流控制保護(hù)系統(tǒng)能夠適應(yīng)于各種運(yùn)行工況最直接的反映。模擬量測(cè)量的準(zhǔn)確性和自檢邏輯的完善性,直接決定著直流控制保護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。本文以中州換流站為例,介紹直流控制保護(hù)系統(tǒng)模擬量配置情況和自檢邏輯;詳細(xì)分析模擬量自檢邏輯對(duì)直流控制和保護(hù)系統(tǒng)的影響;結(jié)合現(xiàn)場實(shí)例,指出天中直流模擬量自檢邏輯存在的問題及完善建議;本文的分析對(duì)特高壓直流控制保護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)維、設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。
1.1 直流控制保護(hù)系統(tǒng)模擬量回路
中州換流站直流控制保護(hù)系統(tǒng)中,直流控制主機(jī)(包括極控制主機(jī)PCP和閥組控制主機(jī)CCP)和保護(hù)主機(jī)(包括極保護(hù)主機(jī)PPR和閥組保護(hù)主機(jī)CPR),模擬量測(cè)量回路如圖1所示,其中箭頭方向表示模擬量傳輸方向。
圖1 直流控制保護(hù)系統(tǒng)模擬量回路圖Fig.1 Analog circuit diagram of DC control and protection system
圖1中各模塊采集和傳輸模擬量具體情況為:閥組測(cè)量接口CMI負(fù)責(zé)采集換流變網(wǎng)側(cè)和閥側(cè)套管電流、換流變進(jìn)線PT電壓、換流變套管末屏電壓;極測(cè)量接口PMI負(fù)責(zé)采集測(cè)量閥廳和直流光CT、零磁通CT、電磁式CT電流以及極母線和中性母線直流分壓器電壓。
1.2 模擬量測(cè)量裝置自檢方式
直流控制保護(hù)系統(tǒng)模擬量測(cè)量裝置中,只有直流光CT和零磁通CT測(cè)量裝置有自檢邏輯,直流控制保護(hù)系統(tǒng)可以根據(jù)這些裝置自檢信號(hào)判斷模擬量是否發(fā)生測(cè)量異?;蛘吖收?。
1.2.1 直流光CT測(cè)量裝置自檢方式
中州換流站閥廳內(nèi)直流電流(包括IDCP、IDCN)、直流線路電流IDL、直流濾波器首端電流以及直流濾波器不平衡電流等共計(jì)18個(gè)電流量采用了直流光CT測(cè)量裝置。直流光CT采用了ABB公司提供的基于DCC800主機(jī)的測(cè)量裝置。DCC800主機(jī)可對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行自檢,并采用TDM總線技術(shù)將測(cè)量值和自檢結(jié)果傳輸給直流控制保護(hù)系統(tǒng)。按照技術(shù)協(xié)議,TDM信號(hào)組成如表1所示。
表1 TDM信號(hào)組成
Table 1 Signal form of TDM
根據(jù)表1中的信號(hào)數(shù)據(jù),直流控制保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行2類異常判斷,具體如下。
(1)第一類測(cè)量異常:首先根據(jù)第4個(gè)信號(hào)數(shù)據(jù)“Output sending alive counter”判斷是否發(fā)生DCC800主機(jī)死機(jī)或故障。
(2)第二類測(cè)量異常:若沒有出現(xiàn)第一類測(cè)量異常,將根據(jù)第2~3個(gè)數(shù)據(jù)“Measurement OK”、“Measurement Alive”判斷是否發(fā)生單個(gè)直流光CT電流測(cè)量異常。
1.2.2 零磁通CT測(cè)量裝置自檢方式
中州換流站極中性母線電流(IDNC)、極中性母線開關(guān)電流(IDNE)、站內(nèi)接地極電流(IDGND)、接地極電流(IDEL)、金屬回線電流(IDME)等8個(gè)電流量采用了零磁通測(cè)量裝置。
以極中性母線電流IDNC為例,說明零磁通CT的自檢原理。零磁通CT輸出的自檢信號(hào)(IDNCOK)是24 V的電壓信號(hào)。按照技術(shù)協(xié)議,若IDNCOK信號(hào)低于額定值的40%,直流控制保護(hù)系統(tǒng)判斷發(fā)生測(cè)量異常。鑒于零磁通CT輸出的模擬量測(cè)量值和自檢信號(hào)均是24 V以下的電壓信號(hào),且采用電纜傳輸,為保證測(cè)量精度、避免信號(hào)干擾,測(cè)量裝置和接口裝置應(yīng)放置在同一個(gè)繼電器小室。
2.1 直流光CT和零磁通CT模擬量自檢邏輯
直流光CT和零磁通CT測(cè)量裝置具有自檢邏輯,直流保護(hù)系統(tǒng)會(huì)依據(jù)裝置自檢結(jié)果判斷是否發(fā)生測(cè)量異常。
對(duì)于直流光CT,直流保護(hù)會(huì)判斷直流光CT送來的自檢信號(hào),若判斷為第一類測(cè)量異常,則保護(hù)主機(jī)會(huì)產(chǎn)生緊急故障,并閉鎖本主機(jī)所有保護(hù);若僅出現(xiàn)第二類測(cè)量異常,則直流保護(hù)主機(jī)會(huì)產(chǎn)生輕微故障,僅閉鎖使用該直流光CT模擬量的相關(guān)保護(hù)。對(duì)于零磁通CT,直流保護(hù)判斷零磁通CT送來的自檢信號(hào),若發(fā)生測(cè)量異常,則閉鎖使用該零磁通CT模擬量的相關(guān)保護(hù)。
2.2 其他模擬量自檢邏輯
交流電壓和電流(包括換流變套管電流和末屏電壓、換流變進(jìn)線PT電壓)測(cè)量裝置沒有自檢信號(hào),采用各相電壓或電流分別與參考值進(jìn)行比較的方法,若相對(duì)參考值出現(xiàn)偏差,則相應(yīng)保護(hù)主機(jī)產(chǎn)生輕微故障。對(duì)于直流電壓,利用阻抗特性計(jì)算直流電壓,然后同實(shí)測(cè)值相比較,偏差如果超過參考值,則相應(yīng)保護(hù)主機(jī)產(chǎn)生輕微故障。
3.1 直流光CT和零磁通CT模擬量自檢邏輯
對(duì)于直流光CT和零磁通CT,直流控制系統(tǒng)中的自檢邏輯分成2部分。
(1)對(duì)自檢信號(hào)進(jìn)行判斷后,根據(jù)模擬量的重要程度,主機(jī)產(chǎn)生的故障等級(jí)也不同:因直流中性母線電流IDNC參與功率控制邏輯,因此若IDNC的自檢信號(hào)異常,主機(jī)將產(chǎn)生嚴(yán)重故障,會(huì)在1 ms內(nèi)切換到備用系統(tǒng);其他模擬量的自檢信號(hào)若有異常,主機(jī)均產(chǎn)生輕微故障,并延時(shí)10 s切換到備用系統(tǒng)。
(2)利用2套冗余控制系統(tǒng)的測(cè)量值、計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比,判斷是否發(fā)生測(cè)量異常。例如:對(duì)于直流中性母線電流IDNC,則利用2套冗余控制系統(tǒng)的IDNC測(cè)量值,以及極中性母線開關(guān)電流IDNE進(jìn)行比較判斷;對(duì)于站內(nèi)接地極電流IDGND,則利用2套冗余控制系統(tǒng)的IDGND測(cè)量值與通過直流電流回路計(jì)算得到的IDGND進(jìn)行對(duì)比判斷。
此外,閥組控制主機(jī)中,換流閥高壓側(cè)和低壓側(cè)電流和自檢信號(hào)分別取自3套保護(hù)主機(jī),提高了測(cè)量的可靠性。對(duì)于其他直流光CT來說,控制主機(jī)僅進(jìn)行了第二類異常判斷,沒有進(jìn)行第一類異常判斷,也就不能很好地檢測(cè)到主機(jī)死機(jī)等故障導(dǎo)致的測(cè)量異常問題。雖然保護(hù)主機(jī)對(duì)直流光CT的第一類和第二類異常均進(jìn)行了判斷,一旦發(fā)生第一類異常判斷,保護(hù)主機(jī)會(huì)產(chǎn)生緊急故障,但因?yàn)?套控制主機(jī)與3套保護(hù)主機(jī)均有連接,因此,控制主機(jī)只是檢測(cè)到保護(hù)主機(jī)異常,并不會(huì)產(chǎn)生故障。因此,控制主機(jī)也有必要對(duì)直流光CT進(jìn)行完整的2類異常判斷。
3.2 其他模擬量自檢邏輯
對(duì)于換流變套管電流和末屏電壓、換流變進(jìn)線PT電壓、直流電壓,控制主機(jī)中的自檢方法同保護(hù)主機(jī)中類似。因?yàn)闃O母線直流電壓UDL參與功率控制和計(jì)算,為防止UDL測(cè)量異常導(dǎo)致功率波動(dòng),若UDL自檢異常,控制主機(jī)將產(chǎn)生嚴(yán)重故障,立即切換系統(tǒng);換流閥解鎖模式下,若換流變進(jìn)線PT電壓測(cè)量異常,控制主機(jī)也會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重故障;其他模擬量若發(fā)生測(cè)量異常,控制主機(jī)只會(huì)產(chǎn)生輕微故障。
4.1 直流控制模擬量校驗(yàn)問題分析
4.1.1 問題簡述
2014年01月03日,天中直流系統(tǒng)調(diào)試期間進(jìn)行自動(dòng)功率曲線試驗(yàn),極1處于單極功率控制,功率為400 MW;極2處于雙極功率控制。18:19:03按照自動(dòng)功率曲線設(shè)定速率(15 MW/min)和功率定值(880 MW)開始由820 MW升功率;18:20:07后臺(tái)發(fā)出功率升降停止命令,但極2功率仍在繼續(xù)上升;最后極2功率上升至約600 MW(直流電流為750 A),雙極功率上升至1 000 MW?,F(xiàn)場故障錄波見圖2。
圖2 IDCN電流異常波形圖Fig.2 Abormal current waveform of IDCN
4.1.2 原因分析
經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn),整流站極2高端換流閥低壓側(cè)電流IDCN持續(xù)減小,直到最后基本輸出為0;但該直流光CT測(cè)量裝置一直未向保護(hù)主機(jī)發(fā)送測(cè)量異常信號(hào)(該模擬量由直流測(cè)量接口PMI通過閥組保護(hù)主機(jī)傳給控制主機(jī)),導(dǎo)致控制主機(jī)選擇了錯(cuò)誤的電流控制目標(biāo)值,從而不斷減小觸發(fā)角,導(dǎo)致實(shí)際電流增大至750 A左右。正常運(yùn)行方式下,直流中性母線電流IDNC、換流閥高壓側(cè)電流IDCP、換流閥低壓側(cè)電流IDCN、換流變閥側(cè)套管電流包絡(luò)線值應(yīng)該相等,但從圖2中可以看出,IDCN明顯測(cè)量異常。該故障最直接的反映就是直流光CT測(cè)量故障;但同時(shí)也反映了閥控制主機(jī)模擬量自檢邏輯不完善。圖3所示為直流控制保護(hù)系統(tǒng)中電力控制放大器CCA對(duì)模擬量的處理邏輯圖。
圖3 電流控制放大器CCA控制邏輯圖Fig.3 Control logic diagram of current control amplifier CCA
對(duì)圖3中邏輯進(jìn)一步分析如下。極控制主機(jī)中的功率控制模塊將電流指令發(fā)給閥組控制主機(jī),由電流控制放大器CCA轉(zhuǎn)化成觸發(fā)角度,同時(shí)利用實(shí)測(cè)直流電流來跟隨功率控制指令。實(shí)測(cè)電流的計(jì)算邏輯如下:(1)假設(shè)閥組控制主機(jī)CCPA處于值班狀態(tài),CCPA首先對(duì)IDCP和IDCN進(jìn)行自檢,以IDCP為例:CCPA收到3套閥組保護(hù)主機(jī)CPRA、CPRB、CPRC送來的IDCP(A)、IDCP(B)、IDCP(C)后,若CPRA測(cè)量正常,IDCP默認(rèn)選擇IDCP(A);若CPRA測(cè)量異常,則選擇IDCP(C);若CPRC也測(cè)量異常,則選擇CPR(B);IDCN的計(jì)算邏輯類似。(2)IDCP和IDCN確定后,取二者最小值ID_V,傳給CCA模塊。(3)ID_V首先同IDNC比較,取最小值,然后再同換流變閥側(cè)電流包絡(luò)線(實(shí)際上是包絡(luò)線值的0.95倍減去250 A),最后確定參與功率控制的直流電流。本例中,因?yàn)镃PRA送來的IDCN(A)不斷減小且CPRA沒有測(cè)量異常信號(hào),因此導(dǎo)致電流選擇器一直選擇了錯(cuò)誤的電流指令值。此外,閥組控制系統(tǒng)要保持直流系統(tǒng)最小電流值即500 A,因此,實(shí)際電流最大上升為750 A左右。
4.1.3 現(xiàn)場處理結(jié)果
現(xiàn)場修改程序后,增加同一保護(hù)主機(jī)送來2個(gè)值的自檢邏輯,以保護(hù)主機(jī)CPRA為例,當(dāng)IDCP(A)與IDCN(A)的差值超過200 A,判斷CPRA主機(jī)測(cè)量異常,從而選擇另一套保護(hù)主機(jī)的測(cè)量值進(jìn)行計(jì)算。
4.1.4 后續(xù)處理建議
(1)雖然利用差值計(jì)算方法增加了對(duì)同一個(gè)保護(hù)主機(jī)內(nèi)模擬量IDCP和IDCN的自檢,但按照當(dāng)前的差值,一旦發(fā)生IDCP或IDCN同類型測(cè)量異常,仍會(huì)導(dǎo)致直流功率異常增加,發(fā)生異常極的直流電流會(huì)比實(shí)際指令電流增加200 A左右。
(2)極中性母線電流IDNC使用的是零磁通CT,控制主機(jī)中利用差值方法對(duì)IDNC進(jìn)行自檢。因此,若IDNC發(fā)生類似測(cè)量異常,同樣會(huì)導(dǎo)致該極直流電流會(huì)最多增加200 A左右。
(3)按照天中直流控制策略,天中直流線路若發(fā)生故障,故障極功率在2 000 MW以上可原壓再啟動(dòng)2次,去游離時(shí)間最長達(dá)200 ms,不影響兩端電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。對(duì)比天中直流線路重啟動(dòng)策略,若模擬量發(fā)生測(cè)量異常導(dǎo)致功率波動(dòng)時(shí),不會(huì)影響兩端電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行,但是不滿足直流電流控制要求,存在缺陷。
綜上分析,控制系統(tǒng)中利用3套保護(hù)的模擬量進(jìn)行自檢,增加了控制系統(tǒng)的可靠性;但利用差值自檢的方法存在一定缺陷,若發(fā)生測(cè)量異??赡軐?dǎo)致直流功率錯(cuò)誤升降,不滿足直流電流控制要求。因此,建議如下:對(duì)于IDCP、IDCN、IDNC這幾個(gè)重要的模擬量,可以首先判斷主機(jī)測(cè)量OK信號(hào),若測(cè)量OK信號(hào)為高電平(即模擬量測(cè)量正常),則可以取3個(gè)模擬量的中間值作為控制量;若該主機(jī)測(cè)量OK信號(hào)為低電平,則依次選擇下一個(gè)主機(jī)。利用此種方法可有效提高直流控制保護(hù)系統(tǒng)執(zhí)行策略的準(zhǔn)確性。
4.2 直流保護(hù)模擬量校驗(yàn)問題分析
4.2.1 問題簡述
2013年3月5日,龍泉站雙極中性母線差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作跳閘,雙極相繼閉鎖,事后檢查發(fā)現(xiàn)雙極中性線避雷器泄露電流IANE測(cè)量板卡測(cè)量異常。
4.2.2 天中直流保護(hù)模擬量自檢存在的問題
天中直流保護(hù)系統(tǒng)中,極中性母線電容器電流ICN、極中性母線避雷器泄漏電流IAN、雙極中性母線避雷器泄漏電流IANE以及直流濾波器避雷器電流IAZ在參與保護(hù)邏輯運(yùn)算之前均沒有進(jìn)行自檢。究其原因,一方面,正常運(yùn)行方式下,這些模擬量基本為0,無法進(jìn)行差值校驗(yàn);另一方面,這3個(gè)模擬量只參與保護(hù)邏輯,而3套保護(hù)回路相互獨(dú)立,無法在保護(hù)主機(jī)中使用比較的方法進(jìn)行校驗(yàn)。
但是IAN和ICN參與中性母線差動(dòng)保護(hù)、IANE參與雙極中性母線保護(hù)、IAZ參與直流濾波器差動(dòng)保護(hù)邏輯,因此這些模擬量的測(cè)量異常可能導(dǎo)致極閉鎖或者雙極閉鎖。
4.2.3 后續(xù)處理建議
鑒于上述分析,建議有必要增加自檢邏輯,便于運(yùn)行人員提前發(fā)現(xiàn)測(cè)量異常問題:利用極控制主機(jī)同3套極保護(hù)主機(jī)之間的連接關(guān)系,將3套極保護(hù)中的測(cè)量值分別送給極控制主機(jī),在極控制主機(jī)中對(duì)3個(gè)模擬量進(jìn)行自檢,若有測(cè)量異常則報(bào)警,便于提前發(fā)現(xiàn)故障。
本文以天中直流中州換流站為例,介紹了中州換流站直流控制保護(hù)系統(tǒng)模擬量配置情況;詳細(xì)分析了模擬量測(cè)量裝置的自檢方法、直流控制保護(hù)系統(tǒng)的自檢邏輯;結(jié)合工程實(shí)例,指出了現(xiàn)有自檢邏輯存在的不足之處,并提出了進(jìn)一步完善的建議和意見。
(1)直流光CT和零磁通CT測(cè)量裝置應(yīng)盡可能提供完善的自檢信號(hào),直流控制保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)全面判斷測(cè)量裝置的自檢信號(hào),只有裝置自檢信號(hào)正常后,才能參與直流控制和保護(hù)邏輯計(jì)算。
(2)直流控制主機(jī)選擇3套保護(hù)主機(jī)的測(cè)量值進(jìn)行校驗(yàn),可以提高直流控制系統(tǒng)的可靠性。
(3)利用差值校驗(yàn)的方法可以定量判斷模擬量是否發(fā)生測(cè)量異常,但是差值門檻值的選擇應(yīng)同保護(hù)定值和控制策略相匹配。
(4)閥組控制主機(jī)中IDCP、IDCN、IDNC3個(gè)模擬量的自檢方式存在一定缺陷,在發(fā)生單一元件測(cè)量異常的情況下,有可能導(dǎo)致功率控制異常,建議進(jìn)一步完善上述3個(gè)重要模擬量的自檢邏輯。
(5)建議在極控制主機(jī)中增加IAN、ICN、IANE、IAZ等模擬量的自檢邏輯,避免因測(cè)量異常導(dǎo)致極中性母線差動(dòng)保護(hù)、雙極中性母線差動(dòng)保護(hù)或者直流濾波器差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)。
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(編輯:張媛媛)
Analog Self-Checking Logic in Control and Protection System for Tianzhong UHVDC
ZHANG Guohua, WANG Sen, LIAO Huilian, LIAO Wenfeng
(Grid Operation Branch Office, State Grid Corporation of China, Beijing 100052, China)
Tianzhong UHVDC project is the first UHVDC transmission system with using domestic DC control and protection technology. The operation reliability of DC control and protection system is very important to the safe and stable operation of the UHVDC project. Analog is the source of DC control and protection system, its correctness determines the correctness of control and protection logic implementation and affects the operation reliability of DC transmission system. Taking Zhongzhou converter station in Tianzhong UHVDC project as an example, the self-checking logic of DC control and protection system was analyzed in detail in order to provide references for the design, construction and maintenance of the UHVDC transmission project. Firstly, the analog configuration of DC control and protection system in Zhongzhou converter station was introduced. Secondly, the self-checking logic of analog using in DC control or DC protection was respectively analyzed in detail. Then, according to the engineering debugging problems, this paper pointed the shortcomings of the self-checking logic for existing analog. Finally the suggestions and comments were proposed to improve the self-checking logic of analog.
Tianzhong UHVDC project; control and protection system; analog; self-checking logic
TM 862
A
1000-7229(2015)05-0078-06
10.3969/j.issn.1000-7229.2015.05.013
2015-02-04
2015-04-03
張國華(1979),男,博士,高級(jí)工程師,從事直流輸電系統(tǒng)運(yùn)維工作;
王森(1984),男,碩士,工程師,從事直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)檢修工作;
廖卉蓮(1982),女,本科,高級(jí)工程師,從事直流輸電系統(tǒng)運(yùn)維工作;
廖文鋒(1975),男,碩士,高級(jí)工程師,從事直流輸電系統(tǒng)運(yùn)維工作。