某換流站直流遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)故障分析

王興善

(國網(wǎng)青海省電力公司檢修公司,青海 西寧 810000)

關(guān)鍵字：高壓直流系統(tǒng)； 直流控保系統(tǒng)； 遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)； 站間通信。

0 引言

目前隨著直流系統(tǒng)不斷發(fā)展，各類技術(shù)不斷提高，對(duì)高壓直流系統(tǒng)站間通訊提出更高的要求，之前不被引起注意的站間通訊問題逐漸暴露出存在問題，尤其是多次出現(xiàn)因站間通訊故障引起直流系統(tǒng)異常，逐漸引起設(shè)計(jì)及設(shè)備運(yùn)維單位重視。

1 直流遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)概述

1.1 直流遠(yuǎn)動(dòng)功能

直流遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)是指為兩站間控制保護(hù)系統(tǒng)提供信息傳輸和處理的系統(tǒng)。所提供的高壓直流遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)包括全部必要的電路系統(tǒng)，以接收來自直流控制、保護(hù)系統(tǒng)的信號(hào)，或者將信號(hào)送至對(duì)站的控制、保護(hù)系統(tǒng)，完成信號(hào)的并聯(lián)-串聯(lián)/串聯(lián)-并聯(lián)的轉(zhuǎn)換，以及信號(hào)的編碼和解碼，并保證信號(hào)不出錯(cuò)；該遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)將通過接口連接兩換流站之間的通信系統(tǒng)。通信系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)為：光纖(主通道)+光纖(備用通道)。高壓直流系統(tǒng)中，直流遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)與極控制系統(tǒng)一樣采用雙重化冗余配置。每一個(gè)換流器極的遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)備都與另一極的遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)備在電氣及物理結(jié)構(gòu)上分開，因此每個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行都是獨(dú)立的。所必須的任何雙極信號(hào)將通過各個(gè)換流器極有關(guān)的高壓直流遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行傳送。遠(yuǎn)動(dòng)信號(hào)包括為滿足控制保護(hù)功能及相關(guān)的重要狀態(tài)監(jiān)視功能要傳輸?shù)哪M信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。具體來說，模擬信號(hào)主要包括：電流指令，線路電流測(cè)量值，需要站間協(xié)調(diào)的其他模擬量等。數(shù)字信號(hào)主要包括：運(yùn)行狀態(tài)，運(yùn)行模式，保護(hù)動(dòng)作信號(hào)，開關(guān)狀態(tài)等。高壓直流遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)具備誤碼檢測(cè)功能，能在系統(tǒng)的接收端以幀為單位，自動(dòng)的對(duì)接收到的數(shù)據(jù)中的誤碼進(jìn)行檢測(cè)和計(jì)數(shù)。高壓直流遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)各通信通道的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，出現(xiàn)通道故障或者通道的品質(zhì)下降都會(huì)有相應(yīng)的事件上送到運(yùn)行人員工作站。

1.2 直流遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)通道配置

直流遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的通道配置依賴于直流控制保護(hù)系統(tǒng)的冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。控制設(shè)備為冗余設(shè)備，兩套設(shè)備間有值班和備用之分。向?qū)φ緜鬏數(shù)臄?shù)據(jù)只能是值班系統(tǒng)的，所以兩套冗余設(shè)備中選擇值班系統(tǒng)通過一個(gè)通道與對(duì)站通訊?？紤]到通道的冗余，兩套冗余控制設(shè)備需要配置兩個(gè)通道。每極的保護(hù)設(shè)備有兩套，每套之間完全獨(dú)立，無值班、備用之分。設(shè)備工作時(shí)直接與對(duì)站相應(yīng)極的相應(yīng)保護(hù)設(shè)備通訊。考慮到通道的冗余，每套保護(hù)設(shè)備都需要配置兩個(gè)通道

1.3 隊(duì)列式通訊原理

采用隊(duì)列式方式通信將要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行分類，根據(jù)不同的類別和類別的傳輸級(jí)別定義進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕M織，通過復(fù)用設(shè)備和對(duì)端換流站進(jìn)行通訊，高壓直流系統(tǒng)極I極II各自有獨(dú)立的遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)，每個(gè)極需要兩個(gè)數(shù)據(jù)通道，分別作為主通道和備用通道，為保證兩個(gè)極的遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)可靠性，一般會(huì)把一個(gè)極的主通道和另一個(gè)極的備用通道走同一路光纖。這樣當(dāng)某一路光纖故障時(shí)，只有一個(gè)極的主通道受到影響。

隊(duì)列式通信需要通道較少，在直流控制保護(hù)集成設(shè)計(jì)時(shí)需要雙極4路2 M通道，在直流控制與保護(hù)獨(dú)立設(shè)計(jì)時(shí)，為提高可靠性，減少極控制和保護(hù)間的通信，控制系統(tǒng)和保護(hù)系統(tǒng)間的遠(yuǎn)動(dòng)通道可以獨(dú)立配置，獨(dú)立配置的極控制系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)間通信結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示，對(duì)于雙重化配置的直流保護(hù)系統(tǒng)而言，每個(gè)極的保護(hù)分為A和B兩套系統(tǒng)，兩套系統(tǒng)各自獨(dú)立且均處于工作狀態(tài)，保護(hù)的直流遠(yuǎn)動(dòng)通道獨(dú)立配置時(shí)，每個(gè)極的極保護(hù)要4個(gè)通道，其中2個(gè)通道作為A系統(tǒng)主通道和備用通道，另外2個(gè)作為B系統(tǒng)主通道和備用通道，雙極共計(jì)需要8路2 M通道。

圖1 隊(duì)列式換流站極控制系統(tǒng)間通信結(jié)構(gòu)圖

圖2 隊(duì)列式換流站極保護(hù)系統(tǒng)間通信結(jié)構(gòu)圖

直流遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)通訊程序結(jié)構(gòu)上分為4層，每一層都具有獨(dú)立的輸入輸出通道，層與層之間緊密銜接，這4層分別為用戶層、隊(duì)列處理層、優(yōu)先選擇層、傳輸層。整流側(cè)和逆變側(cè)的極控制與保護(hù)設(shè)備之間傳遞的數(shù)據(jù)可分為3類，一是電流指令和功率調(diào)節(jié)信號(hào)；二是用戶數(shù)據(jù)，用戶狀態(tài)指示數(shù)據(jù)；三是布爾量，如高優(yōu)先級(jí)保護(hù)信號(hào)。為傳遞這些數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)中采用3種不同類型的幀對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，分別稱為A、B、C類幀，每類幀都包含通信狀態(tài)指示、停止標(biāo)志位、數(shù)據(jù)校驗(yàn)字節(jié)。

直流遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)通信的A型幀長度為9個(gè)字節(jié)，0和1字為通信的狀態(tài)信息和快速布爾量，2-5字節(jié)是數(shù)據(jù)，6、7字節(jié)是Checksum，即數(shù)據(jù)校驗(yàn)字節(jié)，8字節(jié)是Flag。A型幀的傳輸間隔為6 ms。B型幀長度11個(gè)字節(jié)，0、1字節(jié)為通訊的狀態(tài)信息和FASTBOOLEAN信號(hào)，2-7字節(jié)是數(shù)據(jù)，8、9字節(jié)是Checksum，10字節(jié)是Flag。C型幀長度5個(gè)字節(jié)，0、1字節(jié)為通訊的狀態(tài)信息和FASTBOOLEAN信號(hào)，2、3字節(jié)是Checksum，4字節(jié)是Flag。A型幀用于電流指令(IO_CFC)通信。B型幀用于USERDATA通信，即一般的用戶數(shù)據(jù)發(fā)送都采用B型幀；這里的USERDATA指絕大多數(shù)的通信信息，包括：PACKBOOL-打包到一起的BOOL量，ANALOG-模擬量。C型幀用于發(fā)送IDLEMESSAGE，即空閑無用戶數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)發(fā)送C型幀。FastBoolean表示需要快速傳遞的單個(gè)Bool變量；它的通信和前述的電流指令和用戶數(shù)據(jù)兩者有所不同。FastBoolean的數(shù)據(jù)放在所有幀的前兩個(gè)字節(jié)中，每次發(fā)送A，B或C型幀，都有FastBoolean數(shù)據(jù)的發(fā)送?！?〕

1.4 遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)通信異常標(biāo)志

站間通訊的每個(gè)通道只要符合以下任何一個(gè)條件，即可置異常標(biāo)志：

(1) 通道5個(gè)任務(wù)周期(5 ms)未接收到站間通訊報(bào)文；

(2) 接收?qǐng)?bào)文幀格式錯(cuò)誤；

(3) 三接收到對(duì)側(cè)發(fā)送過來的通道異常標(biāo)志。對(duì)側(cè)通道異常標(biāo)志，由幀頭的一個(gè)數(shù)據(jù)位表示。

本通道內(nèi)連續(xù)五個(gè)周期接收不到報(bào)文或是報(bào)文不正確，通道置錯(cuò)誤標(biāo)志，同時(shí)還會(huì)將報(bào)文頭中的dataerr置為1，來使對(duì)站置通道異常標(biāo)志，從而使兩站主機(jī)通道狀態(tài)均為異常。

2 某換流站直流遠(yuǎn)動(dòng)故障分析

2.1 故障簡述

從2018年12月初，某高壓直流系統(tǒng)出現(xiàn)多臺(tái)PPR及PCP主機(jī)站間通訊故障，遠(yuǎn)動(dòng)通信結(jié)構(gòu)詳見圖3。且通過通道檢查判斷，故障均為一個(gè)站無通道故障，而另一個(gè)站報(bào)主通道故障，備用通道正常，兩站通道故障信息存在不一致，此情況導(dǎo)致主備通道均正常的主機(jī)無法向?qū)φ局魍ǖ喇惓５闹鳈C(jī)發(fā)送站間通訊數(shù)據(jù)，如果在ows顯示站間通信無故障而進(jìn)行功率調(diào)整時(shí)，實(shí)際存在無法進(jìn)行功率調(diào)整的嚴(yán)重問題，若故障發(fā)生在直流調(diào)整功率期間，甚至存在主控站和從控站通道交換信息不一致導(dǎo)致直流功率異常升降問題。

圖3 遠(yuǎn)動(dòng)通信故障兩側(cè)站通信結(jié)構(gòu)圖

2.2 兩側(cè)換流站直流遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置

根據(jù)典型換流站設(shè)計(jì)原則，兩端換流站直流控制系統(tǒng)通過南瑞繼保PCS-9550控制主機(jī)NR1127板卡交叉連接到直流控制A、B系統(tǒng)的兩臺(tái)PCS-9518通道切換裝置，將來自冗余系統(tǒng)的站間通信通道進(jìn)行切換，再由切換裝置用連接MUX-2M通信接口裝置實(shí)現(xiàn)兩站站間通信功能。極控制系統(tǒng)由冗余的雙系統(tǒng)組成，其切換邏輯保證每個(gè)時(shí)刻只有一個(gè)更健康的系統(tǒng)處于值班系統(tǒng)。在和對(duì)站通信時(shí)，每個(gè)極的值班和備用系統(tǒng)都能收到對(duì)站同一極的值班系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)；另一方面，兩個(gè)系統(tǒng)都在往外發(fā)出數(shù)據(jù)，他們發(fā)出的數(shù)據(jù)送到PCS-9518板卡，在該板卡上通過系統(tǒng)的值班信號(hào)，即“Active”信號(hào)進(jìn)行選擇。通過選擇后，只有值班系統(tǒng)的數(shù)據(jù)才能送到對(duì)站。

兩端換流站直流保護(hù)系統(tǒng)通過PCS-9550保護(hù)主機(jī)NR1128板卡分別連接到主、備通道兩臺(tái)MUX-2M通信接口裝置，實(shí)現(xiàn)站間通信功能。每一個(gè)極的極保護(hù)系統(tǒng)同樣包含兩臺(tái)主機(jī)，稱為A、B系統(tǒng)。極保護(hù)的主機(jī)狀態(tài)和極控制有所區(qū)別，每個(gè)主機(jī)只有值班和測(cè)試兩種狀態(tài)；保護(hù)各系統(tǒng)的主機(jī)狀態(tài)彼此也沒有聯(lián)系，即兩者的切換邏輯是相互獨(dú)立的。鑒于極保護(hù)系統(tǒng)的冗余結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，把每個(gè)極的兩個(gè)冗余的極保護(hù)系統(tǒng)通過站間通信，分別與對(duì)站對(duì)極的對(duì)應(yīng)系統(tǒng)相連。每套極保護(hù)系統(tǒng)需要兩個(gè)通道，分別作為主通道和備用通道。

2.3 故障檢查情況

現(xiàn)場多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)斷開S1站P1PPRA的主通道，S2站就會(huì)報(bào)P1PCPA通道故障，恢復(fù)S1站P1PPRA的主通道S2站P1PCPA通道故障就復(fù)歸。然而S2站P1PPRA的主通道卻一直不復(fù)歸，進(jìn)一步說明S1站的P1PPRA的主通道并沒有接到S2站P1PPRA的主通道，懷疑S1站P1PPRA的主通道與S2站P1PCPA通道存在某種關(guān)聯(lián)性，通過對(duì)PPRA主機(jī)主備通道檢查及通道自環(huán)測(cè)試，最終確認(rèn)為兩側(cè)通道出現(xiàn)“鴛鴦”線，導(dǎo)致S1站P1PPRA的主通道的電信通道誤接到了S2站的P1PCP的主通道的電信通道。

3 存在隱患及整改措施

雖然本次異常主要原因?yàn)閮烧局绷骺刂葡到y(tǒng)和保護(hù)系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)接線，但是由于設(shè)計(jì)及配置存在問題，導(dǎo)致此隱患一直未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，設(shè)備長時(shí)間待隱患運(yùn)行，也給本次遠(yuǎn)動(dòng)通信故障分析及排查工作帶來較大阻礙。通過本次異常分析及排查目前歸納存在以下幾點(diǎn)問題：

(1) 直流控制和保護(hù)系統(tǒng)均通過主機(jī)單一NR1127/NR1128實(shí)現(xiàn)站間及極間通訊，存在單一NR1127/NR1128板卡故障，引起單套直流控制系統(tǒng)極間和站間通信異?；蛑鱾渫ǖ劳瑫r(shí)故障等隱患，極控制系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)硬件連接如圖4、5所示；

圖4 極控制系統(tǒng)直流遠(yuǎn)動(dòng)連接圖

圖5 極保護(hù)系統(tǒng)直流遠(yuǎn)動(dòng)連接圖

(2) 延續(xù)MACH2的設(shè)計(jì)的直流遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)，直流極控制和保護(hù)主機(jī)報(bào)文沒有預(yù)留主機(jī)類型標(biāo)識(shí)位，未考慮不同類型主機(jī)站間通訊混接情況。

具體整改措施及建議：

(1) 建議在設(shè)計(jì)階段，將直流控制和保護(hù)系統(tǒng)主機(jī)極間通信、站間通信和主備通道板卡進(jìn)行獨(dú)立配置，由不同板卡實(shí)現(xiàn)通信功能，有效避免單一元器件造成直流控保系統(tǒng)退出運(yùn)行。

(2) 建議廠家盡快在高壓直流遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用程序中增加裝置類型校驗(yàn)位，并完成廠內(nèi)仿真試驗(yàn)，及時(shí)提交現(xiàn)場完成軟件修改工作，確保即使出現(xiàn)直流極控制系統(tǒng)與保護(hù)系統(tǒng)混接，也能在兩端換流站及時(shí)報(bào)出相關(guān)故障信息，避免出現(xiàn)設(shè)備長時(shí)間帶隱患運(yùn)行。

(3) 建議在設(shè)備投運(yùn)階段開展站間通信接線及數(shù)據(jù)校核工作，確保兩端換流站通信接線正確，相關(guān)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸正確，并在每年直流年檢期間及進(jìn)行直流遠(yuǎn)動(dòng)大修技改等相關(guān)工作后同步開展此工作。

(4) 對(duì)于目前仍采用MACH2的設(shè)計(jì)換流站，應(yīng)加強(qiáng)兩站異常信息匯報(bào)工作，當(dāng)任意站極控制系統(tǒng)出現(xiàn)站間通信故障時(shí)，及時(shí)匯報(bào)整流站和調(diào)度人員，嚴(yán)禁在此種情況下進(jìn)行直流系統(tǒng)功率自動(dòng)調(diào)整工作，并開展在自動(dòng)調(diào)整功率過程中出現(xiàn)極控制系統(tǒng)站間通信故障情況下的應(yīng)急預(yù)案編制及演練工作。