高壓直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)的冗余可靠性研究

尹世超

摘 要：隨著社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)日益發(fā)展，科學(xué)技術(shù)水平的逐步提高，推動(dòng)了電力產(chǎn)業(yè)相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用與推廣的進(jìn)步。但值得注意的是，由于社會(huì)發(fā)展的需要，對(duì)于電力產(chǎn)業(yè)有了更高的要求，高壓直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)的理論知識(shí)與技術(shù)水平需根據(jù)時(shí)代逐步改革創(chuàng)新，以適應(yīng)時(shí)代大背景。本文意在，以高壓直流輸電控制與保護(hù)系統(tǒng)與冗余技術(shù)作為研究對(duì)象，分析其在實(shí)際應(yīng)用中涉及到的具體的領(lǐng)域，并且對(duì)在操作過(guò)程中應(yīng)遵循的具體原則加以闡述，對(duì)于保護(hù)系統(tǒng)裝置的冗余技術(shù)提出相關(guān)完善措施，已達(dá)完善技術(shù)水平，提升技術(shù)應(yīng)用安全性的最終目的。

關(guān)鍵詞：高壓直流輸電；冗余性；分析；研究

時(shí)下，經(jīng)濟(jì)全球化已成為時(shí)代的趨勢(shì)，不同國(guó)家地區(qū)、各個(gè)陣營(yíng)間的競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，這不單純是軍事實(shí)力、經(jīng)濟(jì)實(shí)力的比拼，而是包含了科學(xué)技術(shù)、專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域的科研水平等的綜合國(guó)力的比拼。其中，電力產(chǎn)業(yè)作為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱型產(chǎn)業(yè)，直接關(guān)乎到我國(guó)生產(chǎn)力發(fā)展建設(shè)水平。而電力產(chǎn)業(yè)中傳統(tǒng)的電力傳輸保護(hù)系統(tǒng)已無(wú)法滿足日漸增長(zhǎng)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)需求，我國(guó)在高壓直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)的領(lǐng)域加強(qiáng)了科研手段與研發(fā)力度，意在研究常用的直流輸電過(guò)程中起到控制與保護(hù)作用的冗余設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用情況，相應(yīng)的提出相關(guān)建設(shè)性意見(jiàn)與建議。

1 冗余應(yīng)用背景及冗余技術(shù)概念

高壓/特高壓直流輸電應(yīng)用由于電壓等級(jí)高，傳輸功率大，對(duì)系統(tǒng)的可靠性要求極高。其中控制和保護(hù)系統(tǒng)要求實(shí)行全部冗余化設(shè)計(jì)，冗余的范圍包括完整的信號(hào)輸入、輸出、通信回路和所有的控制和保護(hù)裝置。在雙極、極和閥組層都要按至少雙重化、鼓勵(lì)多重化原則來(lái)配置控制和保護(hù)裝置。在雙重化的控制和保護(hù)系統(tǒng)中，冗余子系統(tǒng)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換不能影響到直流系統(tǒng)的正常運(yùn)行，不應(yīng)使傳輸?shù)闹绷鞴β适艿綌_動(dòng)或產(chǎn)生任何變化?？刂坪捅Ｗo(hù)系統(tǒng)內(nèi)部要具備有效的自診斷功能，利用軟件和硬件措施，最大限度地發(fā)現(xiàn)控制和保護(hù)裝置的故障，應(yīng)該把由控制和保護(hù)系統(tǒng)引起的直流系統(tǒng)不可用率降到最低。冗余技術(shù)是可信計(jì)算應(yīng)用的重要方面，用以保證系統(tǒng)的可用性。在冗余系統(tǒng)中一旦發(fā)生某些故障，將以損失一定的冗余度為代價(jià)換取整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和安全性。在冗余的具體實(shí)施技術(shù)方面，根據(jù)不同因素存在許多策略。主動(dòng)冗余和被動(dòng)冗余就是冗余技術(shù)中的兩個(gè)不同的策略。

2 主動(dòng)冗余技術(shù)及直流輸電控制系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)分析

2.1 帶比較器的雙機(jī)系統(tǒng)

這是一種較常用的主動(dòng)冗余技術(shù)，以檢測(cè)系統(tǒng)中存在的故障，并使系統(tǒng)得以恢復(fù)為其主要目標(biāo)。雙機(jī)系統(tǒng)的原理示意圖見(jiàn)圖1。雙機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便、故障覆蓋率較高。一個(gè)基本雙機(jī)系統(tǒng)由兩個(gè)相同的系統(tǒng)與一個(gè)比較器組成。模塊M1和M2接受相同的輸入，運(yùn)行相同的任務(wù)，同時(shí)，將運(yùn)行的結(jié)果輸出到與之相連的比較器，并對(duì)兩者進(jìn)行比較。如果發(fā)現(xiàn)輸出結(jié)果不一致，則報(bào)警或者停止整個(gè)系統(tǒng)的輸出。從可靠性的觀點(diǎn)來(lái)分析，雙機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)典型的串行系統(tǒng)。這是因?yàn)?，雙機(jī)系統(tǒng)的可靠性是-60-電力系統(tǒng)保護(hù)與控制建立在兩個(gè)并行工作模塊同時(shí)可靠的基礎(chǔ)上的。假設(shè)，兩個(gè)模塊和比較器的可靠性分別為Rm1，Rm2和Rv，則雙機(jī)系統(tǒng)的可靠性Rd是：Rd=Rm1×Rm2×Rv因此，雙機(jī)系統(tǒng)的可靠性肯定不會(huì)比單機(jī)系統(tǒng)高，它的優(yōu)點(diǎn)就在于可以及時(shí)地發(fā)現(xiàn)故障，從而避免更大范圍的失效。基于上述分析，在直流輸電中沒(méi)有使用該技術(shù)。

2.2 備份系統(tǒng)及直流輸電極控應(yīng)用冗余可靠性分析

主動(dòng)冗余中的第二種常用技術(shù)是備份系統(tǒng)。在備份系統(tǒng)中，一般有n個(gè)相同模塊，由一個(gè)模塊擔(dān)任正常運(yùn)行任務(wù)，并輸出運(yùn)行結(jié)果，其他的n-1個(gè)模塊則作為備份。n模系統(tǒng)的原理示意見(jiàn)圖2。系統(tǒng)的錯(cuò)誤監(jiān)測(cè)器用來(lái)檢測(cè)運(yùn)行模塊的錯(cuò)誤（故障）。一旦發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，則錯(cuò)誤模塊停止輸出，由另外的模塊來(lái)接替。而輸出選擇器隨之將輸出從原來(lái)的有故障的模塊轉(zhuǎn)換到另外一個(gè)正常模塊。備份系統(tǒng)分為熱備份和冷備份兩種。所謂熱備份系統(tǒng)是指系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，它所有的n個(gè)模塊同時(shí)運(yùn)行相同的任務(wù)，只是由輸出選擇器選擇其中一個(gè)模塊的輸出作為系統(tǒng)輸出。

3 被動(dòng)冗余技術(shù)和直流輸電保護(hù)系統(tǒng)冗余可靠性分析

被動(dòng)冗余技術(shù)主要用來(lái)屏蔽系統(tǒng)中所發(fā)生的故障、錯(cuò)誤，將故障屏蔽在一個(gè)允許的范圍內(nèi)，從而保證系統(tǒng)繼續(xù)正常工作。使用的最廣泛的例子當(dāng)屬于N模冗余技術(shù)。直流輸電的保護(hù)系統(tǒng)采用了典型的3模冗余設(shè)計(jì)。

假設(shè)M1、M2和M3每個(gè)模塊的可靠性分別是R1、R2和R3，則系統(tǒng)的可靠性為：R=R1R2（1-R3）+R2R3（1-R1）+R1R3（1-R3）+R1R2R3如果R1=R2=R3=Rm則上式可以改寫(xiě)成R=3R2m-2R3m則，

直流輸電應(yīng)用中冗余裝置的設(shè)計(jì)方案對(duì)于直流輸電保護(hù)系統(tǒng)，3套系統(tǒng)是完全一樣的裝置（包含硬件和應(yīng)用軟件），因此從裝置設(shè)計(jì)層面與單機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)比較而言不需要有特殊的考慮。而對(duì)于控制系統(tǒng)采取的雙機(jī)熱備份技術(shù)，與單機(jī)設(shè)計(jì)相比則需要考慮較復(fù)雜的問(wèn)題。

結(jié)束語(yǔ)

隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的突飛猛進(jìn)以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)對(duì)于傳統(tǒng)電力產(chǎn)業(yè)的需求，高壓直流輸電控制過(guò)程中起到保護(hù)作用的冗余技術(shù)愈加重要并且已經(jīng)廣泛的運(yùn)用到實(shí)際應(yīng)用中。根據(jù)上文的數(shù)據(jù)分析與性能結(jié)果的對(duì)比，可以分析出在冗余技術(shù)中的雙機(jī)熱備技術(shù)能夠在高壓直流輸電的多個(gè)環(huán)節(jié)中最大限度的發(fā)揮作用。在保障控制系統(tǒng)自身的安全性、穩(wěn)定性的同時(shí)，還應(yīng)適當(dāng)?shù)奶嵘刂浦鳈C(jī)和比較器等設(shè)備的穩(wěn)定性。被動(dòng)冗余技術(shù)中的3-2TMR技術(shù)則可以在高壓直流輸電的保護(hù)系統(tǒng)中發(fā)揮出最優(yōu)性能。值得注意的是，多數(shù)裁決器的自身性能也尤為重要，這關(guān)乎到保護(hù)系統(tǒng)能否安全穩(wěn)定運(yùn)行。根據(jù)上述具體條件作為設(shè)置冗余設(shè)備的重要前提，在系統(tǒng)安全合理運(yùn)行的過(guò)程中，在一定程度上提升電力產(chǎn)業(yè)的整體實(shí)力，從而優(yōu)化我國(guó)的電力產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)能力，以達(dá)到提升我國(guó)綜合實(shí)力的最終目的。

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