灵宝背靠背直流输电工程冗余极控系统的实现

� � ! ∀ # ∃ � ! ∀ % ∀ % % & , 卷 年 第 ∀% 期 ∋ % 月 ∀ & 日 电 力 系 统 自 动 化 ( ) ∗� + ,∗ −� . � / 0 1 1∗2−1 3� 4 1 2 56 7∗1+ 7 8 1 ∗ ! ∀ & , ∀ % % & 9 # 灵宝背靠背直流输电冗余极控系统的实现 曹 森 ‘ , 王德意’ , 王 涛‘ , 郭宏光 “ , 张 望 ∀ :∋ ! 西安理 工大学水 电学院 , 陕西省西安市 ;∋ 。。< 9 = ∀ ! 许继直流输电系统部 , 河南省许 昌市 < >∋ % % %? 摘要 ≅ 直流输电 系统 中 , 极控 系统输 出小 的变化 可能 导致传输功 率产生很大 的波 动 。 为保证在运 行 系统故障时 冗余 系统之间无扰动切换 , 冗余极控 系统的运行点要尽可 能保持一致 。 介绍 了灵宝 背靠背直流输 电工程中兄余极控 系统的具体实现方 法 , 系统选择单元 的采 用传统的 电子设计 技术 , 没有使用微处理器 , 从而 不依赖 于编程软件 。 该设计方法 能保证系统选择单元和极控系统相 互独立 , 不仅提 高了系统的可 靠性 , 而且保证 了冗余 系统之 间快速切换 。 实时数字仿真器 :Α Β Χ 5? 上的仿真结果进一 步表明这种设计 方 法适用 于直流输 电系统冗余的需要 。 关键词 ≅ 背靠背直流输电 系统 = 极控 系统 = 冗余设计 = Α Β Χ 5 中图分类号 ≅ Β Δ ; ∀ ∋ ! ∋ = Β Δ ; < Ε 8 引言 灵宝背靠背直流输电工程是我国直流输电工程 建设项 目规划中的第 ∋ 个大区联网工程 , 该工程通 过直流 输 电 环节 实 现 西 北 ΕΕ % Φ� 电 网 和华 中 &% % Φ � 电网两大交流系统 的互联 。 功率正 向传输 的方向为华中到西北 , 主回路采用 ∋∀ 脉冲双桥单极 结构 , 额定直流 电压 ∋∀ % Φ� , 额定直流 电流 Ε Φ( , 额定直流功率 Ε> % Δ Γ 。 工程分别由许继和南瑞各 提供一个完整成套的控制和保护系统 , 两套控制保 护系统分时运行 。 本文主要介绍许继控制保护系统中极控系统冗 余的原理 和实现方法 , 同时讨 论 了冗余 极控 系统 ∀ 个控制通道之间的切换试验结果 。 时刻 , ∀ 个极控系统 中只能有 ∋ 个 系统对直流系统 进行控制 , 该系统被称为主系统 = 另一个系统处于热 备用状态 , 称为热备用系统 。 热备用系统时刻跟踪 主系统 的内部状态和控制输出 , ∀ 个系统时刻保持 一致 。 当主系统出现故障时 , 系统选择单元会 自动 将系统切换到备用 系统运行 =如果热备用通道正在 检修或者也存在故 障 , 系统选择单元将发出跳闸命 令 , 停运整个直流系统 。 串行光纤通信接口 Α ( Η Ι ϑΚ ∃ Ι 触发 脉冲 系统结构 灵宝背靠背直流输电工程控制保护系统分为运 行人员控制层 、控制层 、现场处理层 Ε 个层次 。 极控系统位于控制层 , 是整个控制系统的核心 , 主要执行与极 、换流器运行相关 的高速闭环控制功 能 , 包括直流系统 的启停控制 、直流功率和直流电流 控制 , 以及换流变压器的分接头控制 、 无功功率控 制 、故障引导和稳定控制等功能 。 如图 ∋ 所示 , 灵宝背靠背直流输电工程中 , 极控 系统采用冗余配置 , 由硬件及软件完全相 同的 ∀ 个 极控系统 :极控系统 ∋ 、极控系统 ∀ ? 、 ∀ 个阀基电子 设备 :� Λ 0 ? � Λ 0 Κ 和 � Λ 0 Μ 、 系统选择单元 以及冗 余极控系统之间的串行光纤通信接 口等构成 。 任何 收稿 日期 ≅ ∀ % % < 一 ∋ ∀ 一Ε % = 修 回 日期 ≅ ∀ % % & 一% ; 一% ∋ 。 极极控系统 ∋∋∋ 歹歹歹歹歹歹 周周ΝΝΝΝΝΝΝΝΝΝΝΝΝΝΝ口口口口口口 口口��� Λ 0 ΚΚΚ 圈圈圈圈圈圈圈圈圈圈圈圈圈圈圈圈 圈圈 � Λ0 ΜΜΜ日日日日日日「 」一 勺题 币门叹 一一一一一 一 沪卜 , 叼叼叼叼叼 日日日Ο333∋∋∋ ∋二 「一一二二二222二二二ΠΠΠ亘习习 发 冲 Ο3触发脉冲 = ΟΧ 故障检测软件 = ϑΑ 光接收器 = ϑΒ 光发送器 图 ∋ 灵宝背靠背直流输电工程冗余极控 系统的构成 Ο−Θ ! ∋ Η � . /− Θ ) 2 , ∗−� . � / 2 1 Ρ ) . 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ΘΣ Λ , � Τ , ΥΦ 一 ∗介 Τ , Υ Φ ς � Κ兀 Ω2�Ξ 1Υ ∗ 极控系统和 � Λ 0 绑定在一起 , 构成了一个整体 系统 , 当主系统 中无论极控系统或 � Λ 0 发生故障 时 , 它们将作为一个整体向热备用系统切换 。 由极控系统产生的换流器点火脉冲 , 通过接 口 设备送到 � Λ 0 , 再 由 � Λ 0 送至换流阀 。 电 力 系 玩 自 动 快 ∀ % % & , ∀ # : ∀ % ? ∀ 功能要求 直流输电系统中 , 直流线路电阻很小 , ∀ 个换流 站任意一端直流电压小的变化将引起直流电流大幅 度的波动 ,从而引起传输功率很大的波动 。 对于灵 宝背靠背直流输电 ϑ程 , 由于没有直流线路 , 直流回 路的直流 电阻只有平波电抗器 的直流电阻 % ! ∀ 几 , 直流电压如果变化 % ! > Φ � , 直流 电流波动将超过 Ε Φ ( 。 所以 , 相对 于远距离直流输 电系统 , 灵宝背 靠背直流输电工程对控制系统的要求更苛刻 , 同时 对冗余的极控系统一致性的要求也更严格 , 只有在 冗余极控系统的运行点一致或接近一致的情况下 , 系统切换过程才不会引起传输功率大的波动 。 此外 , 冗余极控系统 的实现也要求控制系统有 完善的 自监视功能 。 在运行 系统出现故障时 , 要求 极控系统能够快速地检测 出系统故 障 , 并且根据故 障的严重程度和类型 , 发 出告警信息或切换命令 。 极控系统收到告警信息后 , 只是将信息送到运行人 员工作站显示 , 通知运行人员注意 = 极控系统收到切 换命令后 , 马上送到系统选择单元 , 系统选择单元快 速将整个系统切换到热备用系统运行 , 如果此时热 备用系统出现故障 , 系统选择单元将发出跳闸命令 , 停止直流系统运行 。 Ε 关键实现方法 灵宝背靠背直流输 电工程 中 , 为实现极控系统 完全冗余 , 以及冗余系统之间的无扰动切换 , 采取以 下实现方法 。 Ε ! ∋ 数据处理方法 ? 保证冗余极控系统获得相同的输入信息 。 对Σ 于极控系统所需要的开关量输人信息 :控制信息和 状态信息 ? , 采用继电器对信号进行扩展 , 保证 ∀ 个 系统获得相同的输入信息 。 在模拟量数据采集通道 的处理土 , 通过采用高精度元件保证 ∀ 个采集通道 增益精度 、温度系数等方面具有较高的一致性 。 同 时 , 在软件 中还要对 ∀ 个通道的增益和偏置误差等 做进 一 步补偿和校正 , 保证冗余 的 ∀ 个极控系统所 采集的数据接近完全 一致 。 ∀? 保证冗余极控系统的运行点一致 。 冗余的极 控系统的运行状态要保证一致 , ∀ 个极控系统之间 的 一些关键数据要实时 、相互刷新 。 系统之间数据 刷新的原则是 ≅ 主极控系统的关键数据实时刷新热 备用系统的关键数据 。 冗余的极控系统之间有一个 高速串行的光纤通道 , 称 为 Α ( Υ Ι ϑ Κ∃ Ι 。 极控系 统通过这个通道对 系统 中的一些关键数据实时刷 新 ,保证冗余系统运行状态的一致 。 Ε ! ∀ 监视功能的实现方法 灵宝背靠背直流输 电工程中 , 极控系统所完成 的各种功能是在高速工业控制系统硬件平台上实现 的 。 这是一个高性能 、模块化的数字控制系统 , 根据 系统功能通过图形化界面进行灵活配置 。 它采用多 处理器和并行总线技 术 , 可将复杂的任务分布在多 个处理器模块来完成 , 性能 良好 的背板 总线支持分 布式处理所需的快速数据传输 。 系统软件具有完善的监视功能 , 对 内存 、输入 、 输出 、通信通道 、机箱的备用 电池循环地进行检测 。 此外 , 根据灵宝背靠背直流输 电工程的特点 , 极控系 统的应用软件对极控系统的输人量进行监视 , 例如 , 对直流电压 、直流电流 、直流功率 、同步电压 、电压过 零信号 、 电流过零信号等输人通道进行监视 。 如果 系统的输人通道出现故障 , 将发出系统切换命令到 系统选择单元 , 系统选择单元将系统切换到热备用 系统运行 。 除了对输人和系统运行状态进行监视之外 , 极 控系统还对系统的输 出进行监视 , 例如对输 出的触 发角进行监视 , 如果 ∀ 个系统的输出差别比较大 , 则 禁止冗余系统之间进行系统切换 。 同时 , 检测到的故 障信息可 以在相应处理器模 块的数码 显示管 上用故 障代码显示 出来 , 并产 生 5 0 Α 信息 , 通过局域 网 :ϑ( ∃ ? , 送 到运行人员控制 层显示 。 例如处理器模块面板上的数码显示管显示 “( ” , 则表示极控系统的应用软件出现故障 , 在运行 人员层可根据产生的 5 0 Α 信息查 到故障的详细信 息 。 Ε ! Ε 切换功能的实现方法 在灵宝背靠背直流输 电工程 中 , 冗余极控系统 的切换是 由系统选择单元实现的 。 系统选择单元由 切换逻辑 :Η 8 ϑ ? 、 二选一 输出切换 :ϑ ΟΔ ?模 块组 成 。 根据极控系统电源 、硬件 、软件及 Ψ Λ 0 运行是 否正常的状态信号 , Η 8 ϑ 模块决定极控系统 的主 Ζ 热备用状态信号 , 通过 ϑ ΟΔ 模块对冗余极控 系统 的输出进行选择 。 整个冗余极控系统输出选择逻辑 如图 ∀ 所示 。 ϑΟΔ 模块 为 一 个 二 选 一 的 逻辑 模 块 , 根据 Η 8 ϑ 模块输出极控 系统 的主 Ζ热 备用状 态信号 , 选 择相应的控制信号进行输出 。 ϑΟΔ 模块采用传统 的 Β Β ϑ 实现 , 信号的切换时间小于 9% 衅 。 Η8 Κ[ 模块除了决定冗余极控系统的主 Ζ热备用 状态之外 , 还有 自监视功能 。 如果模块本身出现故 电 力 系 玩 自 动 快 ∀ % % & , ∀ # : ∀ % ? ∀ 功能要求 直流输电系统中 , 直流线路电阻很小 , ∀ 个换流 站任意一端直流电压小的变化将引起直流电流大幅 度的波动 ,从而引起传输功率很大的波动 。 对于灵 宝背靠背直流输电 ϑ程 , 由于没有直流线路 , 直流回 路的直流 电阻只有平波电抗器 的直流电阻 % ! ∀ 几 , 直流电压如果变化 % ! > Φ � , 直流 电流波动将超过 Ε Φ ( 。 所以 , 相对 于远距离直流输 电系统 , 灵宝背 靠背直流输电工程对控制系统的要求更苛刻 , 同时 对冗余的极控系统一致性的要求也更严格 , 只有在 冗余极控系统的运行点一致或接近一致的情况下 , 系统切换过程才不会引起传输功率大的波动 。 此外 , 冗余极控系统 的实现也要求控制系统有 完善的 自监视功能 。 在运行 系统出现故障时 , 要求 极控系统能够快速地检测 出系统故 障 , 并且根据故 障的严重程度和类型 , 发 出告警信息或切换命令 。 极控系统收到告警信息后 , 只是将信息送到运行人 员工作站显示 , 通知运行人员注意 = 极控系统收到切 换命令后 , 马上送到系统选择单元 , 系统选择单元快 速将整个系统切换到热备用系统运行 , 如果此时热 备用系统出现故障 , 系统选择单元将发出跳闸命令 , 停止直流系统运行 。 Ε 关键实现方法 灵宝背靠背直流输 电工程 中 , 为实现极控系统 完全冗余 , 以及冗余系统之间的无扰动切换 , 采取以 下实现方法 。 Ε ! ∋ 数据处理方法 ? 保证冗余极控系统获得相同的输入信息 。 对Σ 于极控系统所需要的开关量输人信息 :控制信息和 状态信息 ? , 采用继电器对信号进行扩展 , 保证 ∀ 个 系统获得相同的输入信息 。 在模拟量数据采集通道 的处理土 , 通过采用高精度元件保证 ∀ 个采集通道 增益精度 、温度系数等方面具有较高的一致性 。 同 时 , 在软件 中还要对 ∀ 个通道的增益和偏置误差等 做进 一 步补偿和校正 , 保证冗余 的 ∀ 个极控系统所 采集的数据接近完全 一致 。 ∀? 保证冗余极控系统的运行点一致 。 冗余的极 控系统的运行状态要保证一致 , ∀ 个极控系统之间 的 一些关键数据要实时 、相互刷新 。 系统之间数据 刷新的原则是 ≅ 主极控系统的关键数据实时刷新热 备用系统的关键数据 。 冗余的极控系统之间有一个 高速串行的光纤通道 , 称 为 Α ( Υ Ι ϑ Κ∃ Ι 。 极控系 统通过这个通道对 系统 中的一些关键数据实时刷 新 ,保证冗余系统运行状态的一致 。 Ε ! ∀ 监视功能的实现方法 灵宝背靠背直流输 电工程中 , 极控系统所完成 的各种功能是在高速工业控制系统硬件平台上实现 的 。 这是一个高性能 、模块化的数字控制系统 , 根据 系统功能通过图形化界面进行灵活配置 。 它采用多 处理器和并行总线技 术 , 可将复杂的任务分布在多 个处理器模块来完成 , 性能 良好 的背板 总线支持分 布式处理所需的快速数据传输 。 系统软件具有完善的监视功能 , 对 内存 、输入 、 输出 、通信通道 、机箱的备用 电池循环地进行检测 。 此外 , 根据灵宝背靠背直流输 电工程的特点 , 极控系 统的应用软件对极控系统的输人量进行监视 , 例如 , 对直流电压 、直流电流 、直流功率 、同步电压 、电压过 零信号 、 电流过零信号等输人通道进行监视 。 如果 系统的输人通道出现故障 , 将发出系统切换命令到 系统选择单元 , 系统选择单元将系统切换到热备用 系统运行 。 除了对输人和系统运行状态进行监视之外 , 极 控系统还对系统的输 出进行监视 , 例如对输 出的触 发角进行监视 , 如果 ∀ 个系统的输出差别比较大 , 则 禁止冗余系统之间进行系统切换 。 同时 , 检测到的故 障信息可 以在相应处理器模 块的数码 显示管 上用故 障代码显示 出来 , 并产 生 5 0 Α 信息 , 通过局域 网 :ϑ( ∃ ? , 送 到运行人员控制 层显示 。 例如处理器模块面板上的数码显示管显示 “( ” , 则表示极控系统的应用软件出现故障 , 在运行 人员层可根据产生的 5 0 Α 信息查 到故障的详细信 息 。 Ε ! Ε 切换功能的实现方法 在灵宝背靠背直流输 电工程 中 , 冗余极控系统 的切换是 由系统选择单元实现的 。 系统选择单元由 切换逻辑 :Η 8 ϑ ? 、 二选一 输出切换 :ϑ ΟΔ ?模 块组 成 。 根据极控系统电源 、硬件 、软件及 Ψ Λ 0 运行是 否正常的状态信号 , Η 8 ϑ 模块决定极控系统 的主 Ζ 热备用状态信号 , 通过 ϑ ΟΔ 模块对冗余极控 系统 的输出进行选择 。 整个冗余极控系统输出选择逻辑 如图 ∀ 所示 。 ϑΟΔ 模块 为 一 个 二 选 一 的 逻辑 模 块 , 根据 Η 8 ϑ 模块输出极控 系统 的主 Ζ热 备用状 态信号 , 选 择相应的控制信号进行输出 。 ϑΟΔ 模块采用传统 的 Β Β ϑ 电路实现 , 信号的切换时间小于 9% 衅 。 Η8 Κ[ 模块除了决定冗余极控系统的主 Ζ热备用 状态之外 , 还有 自监视功能 。 如果模块本身出现故 #∀ 电力 系玩 自 动忱 ∀%%&, ∀#:∀%?≅一二一一 一一一 二一一一 一一一 一一一 一一 一一 一一 一一一Α1, −∴ ,∗−�.�/Α 1Ρ).Ρ,. ∗3� 1Η �.∗2� 567 ∗1+�/ϑ −.ΘΤ,�Λ ,1Φ一∗于Τ,1 Φς�ΧΗ 32�Ξ11∗〔从871记 ,Γ(∃] Χ。一脚’, Γ(∃]Β, �’,]Ν口ς �.Θ一Θ做. ΘΜ,Μς(∃ ]Γ“.犷 :∋⊥∴ ’,. 不.−Ψ�27 −∗6�/Β11 _.� �Θ6!⊥ −’,.; 88< 9,1_∴.,= ∀!⊥)Ξ−] 2�)Ω,⊥)1_ ,.Θ<> %% %,1_−.,?(Τ7∗2,Υ∗≅ Κ.,_、只_ Ψ〔? ∗,Θ1Ρ∴2 11∗Υ)221. ∗:ς�ΧΗ ?,,ΨΥ26 7+, Ρ1Ψ 一,∗2�.�/∗ _11�.∗2� 767∗1+�) ∗Ω)∗1,. 1,Ρ∗� ,2 Θ1/ 一1∗),∗2� .�/∗_�∗2 ,.7. ∴2∗1ΡΩ �412!Κ.� 2Ρ12∗�1. 7)21∗_17+ ��∗_1_,. 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