SIMADYN D保護裝置TRACE接入故障錄波系統可行性研究

黃華，甘卿忠，王坤，徐晟

（南方電網超高壓輸電公司廣州局，廣東 廣州 510000）

0 引言

目前，南方電網貴廣I、II回直流輸電工程控制保護系統均采用西門子公司的SIMADYN D平臺，當直流系統發(fā)生故障導致保護動作時，需要使用專用的PG連接SIMADYN D裝置讀取TRACE錄波進行故障分析。隨著直流輸電工程運行年限的增加，多數配套的專用PG已經老化，市面已淘汰類似產品，無法購買備品，一旦損壞將無法修復[1-2]；讀取TRACE錄波時，為防止保護誤動，需要退出本套保護裝置，同時要求工作人員具備必要的專業(yè)技能，工作耗時長；特別是使用PG連接SIMADYN D保護裝置的過程中裝置可能報通訊故障，此時需要對裝置進行斷電重啟，重啟后裝置TRACE錄波丟失，無法利用TRACE錄波進行分析。

本文通過對SIMADYN D保護裝置TRACE錄波功能、I/O接口傳輸方式及相關傳感器的工作原理進行研究，提出了一種將SIMADYN D保護裝置TRACE錄波接入站內故障錄波系統的方法。該方法的實施可在SIMADYN D保護裝置動作后，TRACE錄波自動存儲到站內故障錄波系統，不需使用PG連接到保護裝置讀取TRACE錄波，不需退出相關保護，不要求工作人員有很好的專業(yè)技能，可以快速地從站內故障錄波系統中導出TRACE錄波進行分析，提高對事故的快速分析及處理。

1 TRACE錄波功能介紹

SIMADYN D保護裝置保護程序固化在EP31板卡[3]中，根據保護功能的不同，一套SIMADYN D保護裝置可配置多個EP31板卡。在每個EP31板卡中均內置TRACE錄波功能，用于記錄系統故障時刻的故障錄波信息。

保護程序內實現TRACE錄波功能的模塊為TRI.B[4]，其功能示意圖如圖1所示。LNG為錄波長度設置管腳，管腳值為采樣點數，采樣點數乘以TRI模塊運行一個周期的時間即是TRI模塊的錄波長度時間。X為錄波輸入管腳，TRI模塊存儲的TRACE錄波為該管腳輸入的模擬量數值。IR為TRI模塊觸發(fā)管腳，系統無故障時，管腳置0，TRI模塊不啟動錄波功能；系統發(fā)生故障時，保護動作出口將IR管腳置1，TRI模塊啟動錄波功能，根據LNG設定好的采樣點數按一個運行周期一個點數將X管腳的模擬量數值按時間順序記錄并保存。利用專用PG連接保護裝置即可將TRI.B模塊保存的錄波數據導出，使用錄波分析軟件對TRACE錄波進行分析。

圖1 TRI模塊示意圖Fig.1 Schematic diagram of the TRI block

由于SIMADYN D保護裝置無人機交互界面，動作時若想讀取TRI.B模塊內存儲的TRACE錄波，必須退出該保護裝置，作業(yè)人員需具備必要的專業(yè)技能，使用專用PG通過交叉串口線連接至裝置將TRI.B模塊存儲的TRACE錄波導出，如圖2所示。隨著直流系統運行年限的增加，多數配套的專用PG已經老化，市面已淘汰類似產品，無法購買合適的備品，PG一旦損壞將無法修復；特別是在使用PG連接SIMADYN D保護裝置的過程中可能發(fā)生裝置通訊故障，需要對裝置進行斷電重啟，重啟后裝置內TRI.B模塊存儲的TRACE錄波會丟失，無法獲取TRACE錄波進行分析。

圖2 SIMADYN D保護裝置TRCAE錄波讀取原理圖Fig.2 Schematic diagram of reading TRACE recording built in protection devices of SIMADYN D

針對SIMADYN D保護裝置TRACE錄波功能在事故處理方面的局限性，本文從SIMADYN D保護裝置相關板卡傳輸接口的研究入手，通過對EP31板卡內部的軟件邏輯程序進行編程，將TRACE錄波從保護裝置內輸出，經ATR YM12傳感器和光耦的隔離和放大后，接入站內故障錄波系統，實現TRACE錄波可以簡便從站內故障錄波系統導出分析，極大地提高了事故處理響應的速度。

2 SIMADYN D保護裝置數據接口研究

SIMADYN D保護裝置硬件由不同的板卡組成，一套SIMADYN D保護裝置可以選擇不同的硬件板卡類型和數量用以實現不同的功能[3-6]。南方電網貴廣I、II回直流輸電工程SIMADYN D保護裝置主要使用EP31和IM31板卡[5]實現保護的邏輯功能，EP31板卡均配有IM31板卡，EP31用于完成保護邏輯的運算，IM31板卡用于完成模擬量輸入、開關量輸入和輸出功能。

2.1 EP31板卡X7（analog outputs）接口研究

EP31是SIMADYN D系統中的處理器板卡,適用于快速閉環(huán)控制和數字計算，以及與直流輸電系統的換流器有關的特殊控制功能，包括門控單元和快速模擬信號處理等[3]。EP31板卡有一個具備模擬量輸出的接口X7，可完成8路模擬量的輸出，其管腳定義如表1所示。

為實現EP31板卡內部模擬量的輸出，保護程序設置一個與X7接口對應的數模轉換模塊DA8.B（Digital/Analog Converter），該模塊具有8個模擬量輸入管腳，分別對應EP31板卡的8路模擬量輸出通道，DA8.B功能塊如圖3所示，管腳輸入的數值以百分數形式顯示，經DA8.B模塊的轉換后變成X7接口的電壓量，其轉換關系如下：±200%=+10V。

表1 EP31板卡X7接口管腳定義Table 1 Definitions of X7 interface pins in the board of EP31

圖3 DA8.B模塊示意圖Fig.3 Schematic diagram of the DA8.B block

在現有的直流輸電工程中，EP31板卡的模擬量輸出接口均未使用，可將接入TRACE模塊的模擬量通過編程接入DA8.B模塊，經DA8.B模塊轉換成模擬量輸出接口的電壓量，實現TRACE錄波模擬量的輸出。

2.2 IM31板卡X4（Binary outputs）接口研究

IM31是配合EP31使用的專用板卡，具有9路模擬量輸入通道，16路開關量輸入通道，16路開關量輸出通道。IM31與EP31配合使用完成模擬量輸入、開關量輸入、開關量輸出、過零點檢測、熄弧角測量、通信、診斷等功能[5]，其16路開關量輸出通道管腳定義如表2所示。

表2 IM31板卡X4接口管腳定義Table 2 Definitions of X4 interface pins in the board of IM31

為實現EP31板卡內部開關量經IM31板卡的輸出，保護程序設置一個與IM31板卡X4接口對應的16位開關量輸出模塊BA16.B（16 Bit Binary Output via IM1 Plug-On Card），該模塊具有16個開關量輸入管腳，分別對應IM31板卡的16路開關量輸出通道，BA16.B功能塊如圖4所示。BA16.B模塊的AD管腳為硬件地址管腳，將該管腳值設置為IM31板卡X4接口的開關量輸出接口地址后，當BA16.B模塊開關量輸入管腳置1時，可在IM31板卡開關量輸出通道的相應管腳測量到開關量輸出電平。

圖4 BA16.B模塊示意圖Fig.4 Schematic diagram of the BA16.B block

在現有的直流輸電工程中，EP31板卡內保護邏輯動作或者告警信號，如緊急停運、閉鎖換流器、閉鎖點火脈沖、軟件告警等，都經IM31板卡的開關量輸出接口輸出保護裝置。TRACE錄波啟動量可參考保護邏輯動作信號的傳輸方式，在保護程序內通過編程，利用BA16.B模塊的備用管腳，將TRACE錄波啟動量經IM31板卡的開關量輸出接口輸出，實現TRACE錄波啟動量的輸出。

3 軟件邏輯編程研究

上文研究確定了TRACE錄波的傳輸路徑，還需對EP31保護程序進行編程，才能實現邏輯程序數字量到接口電壓模擬量的轉換[7-8]，完成TRACE錄波的的輸出。南方電網貴廣I、II回直流輸電工程SIMADYN D保護裝置內每個EP31板卡TRACE模塊存儲的模擬量錄波不同，但所有模擬量數據傳輸形式一致，接口傳輸路徑一致，故本文基于貴廣II回直流輸電工程SIMADYN D保護裝置現場的程序，以直流線路電流IdH模擬量為例進行編程，實現IdH模擬量的輸出。

直流線路電流IdH在保護軟件邏輯程序內進行數據轉換后，分別接入極差動保護（87DCM）、

閥組差動保護（87CG）、星側短路保護（87CSY）、角側短路保護（87CSD）用于保護邏輯判斷，同時接入TRACE錄波模塊TRI.B，保護動作信號經或門模塊OR_4.B啟動TRI.B模塊進行錄波，邏輯圖如圖5所示。為完成TRACE錄波的的輸出，在圖5中，通過編程將直流線路電流IdH接入數模轉換模塊DA8.B的X2管腳，經DA8.B模塊將IdH電流量轉換成EP31板第二個模擬量輸出通道的電壓；將保護動作啟動TRACE錄波的啟動信號接入M31板卡16位開關量輸出模塊BA16.B的備用管腳I6，經BA16.B模塊轉換成M31板卡第六個開關量輸出通道的電壓。

4 外部接線實現方式研究

SIMADYN D保護裝置與站內故障錄波系統使用不用的電源系統，保證系統之間數據傳輸準確性的同時，還需做好系統之間的隔離。因此采用ATR YM12傳感器完成系統之間模擬量的傳輸，采用光耦完成系統之間開關量的傳輸。

ATR YM12是一種雙通道差分放大器（Differential Amplifier 2 Channel）， 其 工 作原理如圖6所示。分別為ATR YM12的兩個電壓輸入通道，Vout為輸出電壓，對于完全對稱的差分放大器來說，輸出電壓可以表示為，Ad為差模增益。根據ATR YM12傳感器的工作原理可知，ATR YM12傳感器即可以很好的起到隔離作用，同時又保證了TRACE錄波的傳輸準確性。

圖5 軟件邏輯優(yōu)化圖Fig.5 Optimization diagram of the software logical

圖6 差分放大器電路圖Fig.6 Circuit diagram of differential amplifier

5 系統簡圖

根據上文的研究，得出SIMADYN D保護裝置TRACE接入站內故障錄波系統的簡圖如圖7所示。SIMADYN D保護裝置采集外部輸入的模擬量，經濾波模塊的運算后接入保護邏輯用于邏輯判斷，接入TRACE進行錄波，同時通過編程接入EP31板卡的模擬量輸出接口轉換成相應電壓量后，經ART YM12傳感器接入站內故障錄波系統。保護信號接入TRACE啟動錄波的同時，通過編程另接入IM31板卡開關量輸出接口轉換成電壓啟動信號，經光耦隔離后接入站內故障錄波系統用于啟動錄波。系統正常運行時，保護不啟動，TRACE及站內故障錄波系統不錄波；當系統發(fā)生故障時，保護動作同時啟動TRACE及站內故障錄波系統，兩個系統在同一時刻進行錄波。

圖7 TRACE接入故障錄波系統簡圖Fig.7 Schematic diagram of TRACE recording access to the transient fault record system

6 驗證試驗

仿真驗證試驗使用RTDS仿真平臺和貴廣II回直流控制保護仿真系統，模擬逆變側換流器接地故障，分別讀取SIMADYN D保護裝置TRACE錄波及站內故障錄波系統錄波進行分析比較。RTDS仿真平臺輸出的直流線路電流IdH如圖8所示，IdH電流波形以一次值顯示；讀取的TRCACE錄波如圖9所示，IdH電流波形以百分數形式顯示；讀取的站內故障錄波系統錄波如圖10所示，IdH電流波形以ATR YM12傳感器輸出的電壓形式顯示。

在RTDS系統輸出的IdH電流波形中，系統故障前IdH電流值為3000A，故障發(fā)生后電流最大值達到5151A，保護動作后70ms電流降為0。在TRACE錄波中，電流以9000A為基準值，IdH電流一次值除以基準值后以百分數形式顯示，由TRACE波形圖可知，故障前IdH電流為33.33%，故障發(fā)生后電流最大值為63.3%，保護動作后70ms電流降為0，按基準值換算成一次電流后，基本與RTDS錄波的電流一致。在站內故障錄波系統中，得到的是經ATR YM12傳感器輸出的電壓波形，該電壓波形由數模轉換模塊DA8.B和EP31模擬量輸出接口將IdH電流值轉換而成，故障前電壓為1.66V，故障發(fā)生后電壓最大值為3.17V，保護動作后電壓在約75ms后降到0，按EP31板卡模擬量輸出接口電壓電流轉換關系換算后得到的電流百分值一致。在站內故障錄波系統中，在相應模擬量通道設置合適的變比即可將ATR YM12傳感器輸出的電壓波形按比例放大轉換成系統一次電流波形。

圖8 RTDS仿真平臺IdH電流波形圖Fig.8 Waveform diagram of IdH current of RTDS simulation platform

圖9 TRACE錄波IdH電流波形圖Fig.9 Waveform diagram of IdH current of TRACE Recorder

圖10 故障錄波系統IdH電流波形圖Fig.10 Waveform diagram of IdH current of transient fault record system

以上分析可知，系統故障時TRACE錄波和站內故障錄波系統讀取的IdH電流波形與RTDS系統輸出的波形在同一時刻保持一致，只需導出站內故障錄波系統錄波即可對故障進行分析。從而驗證了本文提出的SIMADYN D保護裝置TRACE接入故障錄波系統的方法是可行的。

7 結論

本文指出了SIMADYN D保護TRACE錄波功能在事故處理方面的局限性，針對這一問題，研究了SIMADYN D保護裝置內TRACE錄波功能、I/O接口傳輸方式以及相關傳感器的工作原理，提出將TRACE錄波模擬量經EP31板卡模擬量輸出接口輸出SIMADYN D保護裝置，通過ATR YM12傳感器轉換后接入站內故障錄波系統，同時將TRACE錄波啟動量經IM31板卡開關量輸出接口輸出SIMADYN D保護裝置，經光耦隔離后接入站內故障錄波系統，實現將TRACE錄波接入站內故障錄波系統的方法。仿真實驗表明，該方法可以實現在故障發(fā)生SIMADYN D保護裝置動作后，將裝置內TRACE錄波自動存儲到站內故障錄波系統，無需開展TRACE錄波讀取工作，避免退出相關保護，提高事故分析及處理的速度。不僅為南網貴廣I、II回直流輸電工程控制保護系統提供有力的運行維護技術支撐，而且為將來我國高壓直流輸電技術進一步發(fā)展積累經驗。