（南方电网超高压输电公司广州局 广东省广州市 510663）
摘要：南方电网云广特高压直流输电工程的直流控制保护系统采用了基于SIMATIC-TDC技术的工业控制通用平台，其直流测量系统采用集中处理方式，现场采集的交、直流测量量由测量系统预处理后，经TDM总线传输至控制保护系统。文章介绍了特高压直流输电工程TDM测量系统的配置方式，分析了直流保护系统对TDM测量总线故障的判断方法及切换逻辑，并结合现场一起TDM测量总线切换过程导致直流保护系统闭锁的具体事例，指出直流保护系统内TDM总线切换逻辑存在的缺陷，并提出了改进建议，为特高压系统的设计、运行和维护提供参考。
关键词：特高压直流输电；直流保护系统；TDM测量总线；切换逻辑；预告警
Research on Improved Measures for TDM Bus of DC Protection System of Yun-Guang UHVDC Transmission Project
HUANG Hua，GUO Weiming，GAN Qingzhong，ZHU Zhihai
（Guangzhou Bureau，CSG EHV Power Transmission Company，Guangzhou 510663，Guangdong Province，China）
Abstract：The control and protection system of CSG Yunnan-Guangdong UHVDC transmission project is based on SIMATIC-TDC technology，a common platform for industrial control，belonging to measurement using centralized processing.After pretreatment of measurement，AC and DC signal from measuring point will transport to the control and protection system by TDM bus.In this paper，the authors deeply introduce the configuration of TDM measurement，the fault diagnosis method and switch logic of TDM bus，and then combine with an accident of TDM bus switching process which results in UHVDC blocked，and finally point out the flaws of TDM bus switching logic and put forward suggestion for improvement，which can provide reference for the design，operation and maintenance of UHVDC.
Key words：UHVDC transmission；DC protection system；TDM bus；Switching logic；Pre-warning
0 引言
在传统高压直流输电系统中，直流保护所需交、直流测量量均经现场采集装置采集后通过硬接线或者光纤传输直接送到直流保护系统[1]，这种测量量采集方式要求每套直流保护系统需要一对光纤才能完成一个测量量的传输，从而导致每套直流保护系统所接入的光纤量多，结构复杂，不易维护。相对于传统高压直流输电系统测量量的采集方式，云广特高压直流输电工程配置了具有时分复用总线（Time Division Multiplex，简称TDM总线）技术的独立测量系统，交、直流测量量先经测量系统采集和预处理[2-4]，再通过冗余TDM总线分别传输至控制保护系统，实现测量系统与控制保护系统交叉冗余配置原则，大大简化了系统结构，也增强了系统的可靠性。本文首先介绍了云广特高压直流输电工程TDM测量系统的配置方式，深入分析了直流保护系统内TDM测量总线故障的判断方法及切换逻辑，然后结合现场一起TDM测量总线切换过程导致直流保护系统闭锁的具体事例，指出直流保护系统TDM总线切换逻辑存在的缺陷，并提出了改进建议，为特高压直流输电系统的设计、运行和维护提供参考。
1 云广直流输电工程测量系统简介
云广特高压直流工程中，测量系统按极配置，一个极的测量系统包括极公共测量系统、极测量系统、高端阀组测量系统和低端阀组测量系统，TDM总线用于测量系统和控制保护系统之间的数据传输[5-8]，测量系统和TDM总线的整体结构如图1所示。其中，极公共测量系统采集直流场双极区测量量，经处理后发送至极测量系统、高端阀组测量系统和低端阀组测量系统；极测量系统采集直流场极级测量量，同时汇总极公共测量系统传送过来的测量量后发送至极控系统和极直流保护系统；高端阀组测量系统采集高端阀组测量量，同时汇总极公共测量系统传送过来的测量量后发送至高端阀空系统和高端阀组保护系统；低端阀组测量系统采集低端阀组测量量，同时汇总极公共测量系统传送过来的测量量后发送至低端阀控系统和低端阀组保护系统。
系统之间传输的数据通过TDM总线实现交叉冗余，以极测量系统与极直流保护系统的连接为例，极测量系统1通过TDM总线1分别将测量量发送至极直流保护系统1和极直流保护系统2，极测量系统2通过TDM总线2分别将测量量发送至极直流保护系统1和极直流保护系统2[9]，其他系统之间的连接与之相同。正常情况下任何一套控制保护系统均可接收两套TDM总线传输的相同测量量，两套TDM总线一主一备，控制保护系统1默认使用TDM总线1的测量量，TDM总线2为备用总线，控制保护系统2默认使用TDM总线2的测量量，TDM总线1为备用总线，TDM总线异常时切换至备用总线运行。
图1 测量系统和TDM总线的整体结构图
Fig.1 Overall structure of measurement and TDM bus
2 直流保护系统切换TDM总线逻辑分析
云广特高压直流输电工程直流保护系统通过TDM总线与测量系统实现交叉冗余运行，不仅在硬件上实现了冗余，而且在数据链路层和交互信息方面都得到了冗余，大大提高了测量系统的稳定性和可靠性[10]。在直流保护系统中，有两种情况可以导致TDM总线由运行总线向备用总线切换，一种是直流保护系统检测到TDM总线故障时将TDM总线切换到备用总线运行；另外一种是直流保护动作出口之前发出预告警信号请求保护系统将TDM总线切换到备用总线运行，进而判断引起保护动作的测量量是否确实达到了保护动作定值。
2.1 TDM总线故障请求切换TDM总线逻辑分析
云广特高压直流保护系统在TDM总线发生以下故障时，运行的TDM总线将向备用的TDM总线进行切换：
1）TDM总线发生物理性故障，即循环冗余监测故障或超时校验故障（CRC or TIME-OUT ERROR）[11]。当TDM总线发生断裂或者TDM总线与装置板卡接口松动导致通讯中断时，直流保护系统发出循环冗余监测故障或超时校验故障，认为该TDM总线故障，进而发出TDM总线切换请求信号。
2）TDM总线测量量故障。TDM总线测量量故障由3个16位二进制控制字确定，3个控制字分别为测量量有效位控制字、系统控制字和用户定义控制字。直流保护系统每个CPU板卡最多可接收16个测量量，16位二进制控制字分别对应16个测量量有效位，测量量有效位控制字用来指示传输的测量量是否正常，数据传输有效时对应的测量量有效位置0，数据传输无效时置1。系统控制字用来指示直流保护系统需要对哪些测量量进行监视，需要监视时对应控制位置1，否则置0。云广特高压工程一般在双极大地、单极大地或者单极金属结线方式下运行，用户定义控制字用来指示不同结线方式下需要对哪些测量量进行监视，需要监视时对应控制位置1，否则置0。直流保护系统中对测量量有效位控制字、系统控制字和用户定义控制字分别取“与”，所得控制字其中一位为1时认为该为测量量发生故障，进而发出TDM总线切换请求信号。
2.2 保护预告警请求切换TDM总线逻辑分析
在直流保护系统中，保护逻辑设计了预告警功能，预告警功能的作用是在保护出口前一个时间段内发出预告警信号，将TDM总线切换到备用总线运行，防止单一TDM总线测量量异常导致保护误动作[12]。为确保预告警信号切换的可靠性，满足下列条件之一时，保护预告警信号将被闭锁，TDM总线不进行切换：
1）直流保护系统检测到备用TDM总线发生物理性故障；
2）备用TDM总线测量量故障；
3）TDM总线被人为固定或者强制选择；
4）备用TDM总线测量量满足以下公式之一则认为系统确实存在故障，从而不对TDM总线进行切换：max（IdCH、IdLH、IdCN、IdLN）- min（IdCH、IdLH、IdCN、IdLN）＞0.05pu、△丨UdH丨＞0.05pu、△丨UdM丨＞0.05pu或者△丨UdN丨＞0.05pu。其中IdCH、IdLH、IdCN、IdLN分别为直流母线电流、直流线路电流、中性母线电流、中性线路电流，UdH、UdM、UdN分别为高压直流母线电压、转换母线电压、中性母线电压。
直流保护系统根据保护预告警信号切换到备用TDM总线运行后，若备用TDM总线测量量也达到保护动作定值，则保护按规定的延时出口；若备用TDM总线测量量未达到保护动作定值则保护复归，经5S延时后TDM总线回切，同时在65S内保护预告警信号再次请求切换TDM总线，系统则认为原TDM总线故障，后将测量总线固定在备用TDM总线上运行[13]。
由上述分析可知，TDM总线故障和保护预告警信号的后果一致，均会导致系统切换到备用TDM总线运行，从而保证直流系统的正常运行。若直流保护系统两套TDM总线均故障，则该套直流保护将被闭锁，防止保护误出口。
3 实例分析
云广特高压工程在运行期间，出现了极1公共测量系统1 UdM测量量故障导致两套极1直流保护系统直流低电压保护I段（27DC-I）动作，极1直流保护系统1出口闭锁低端阀组，极2直流保护系统2判定两套TDM总线故障导致保护被闭锁的情况，故障录波如图2所示。
R1-TDM—直流保护系统1 TDM总线切换信号；R2-TDM—直流保护系统2 TDM总线切换信号；R1-PRW—直流保护系统1 TDM总线切换逻辑收到的保护预告警信号；R2-PRW—直流保护系统2 TDM总线切换逻辑收到的保护预告警信号；Block-LV—低端阀组闭锁信号。
故障过程关键事件列表如下：
13：08：00.485 极1公共测量系统1 UdM故障
13：08：00.491 极1极控系统选择TDM2运行
13：08：00.493 极1低端组控系统1选择TDM2运行
13：08：00.500 极1直流保护系统1选择TDM2运行
13：08：00.500 极1低端阀组保护系统1选择TDM2运行
13：08：00.501 极1高端阀组保护系统1选择TDM2运行
13：08：01.453 极1直流保护系统1 27DC保护预告警
13：08：01.454 极1直流保护系统2 27DC保护预告警
13：08：01.467 极1直流保护系统2 TDM1和TDM2故障
13：08：01.474 极1极控系统闭锁极1直流保护系统2跳闸出口
13：08：01.553 极1直流保护系统1 27DC保护动作
13：08：01.554 极1直流保护系统2 27DC保护动作
13：08：01.575 极1高端阀组闭锁
图2 故障时刻直流保护录波图
Fig.2 Fault record of DC protection
直流低电压保护I段（27DC-I）动作闭锁低端阀组判据为：|UdH|-|UdM|>30kV&200kV <|UdH|<480kV，保护出口时间为1000ms，保护动作出口前100ms发出预告警信号进行TDM总线切换。由故障录波图2及关键事件列表可知，极1公共测量系统1 UdM测量量故障后极1直流保护系统1切换到TDM2总线运行，极1直流保护系统2原本在TDM2总线运行故不进行切换，但是由于极1高端组控系统TDM总线参数设置错误导致TDM总线不发生切换，极1高端阀组控制系统收到的UdM测量量无效，根据控制逻辑将直流系统的UdH电压往下调节至400kV，调节过程满足直流低电压保护I段（27DC-I）动作条件。保护出口前100ms两套直流保护系统均发出预告警信号，由图2波形可知，极1直流保护系统1 27DC-I保护发出的预告警信号不满足TDM总线切换请求，保护正常出口跳极1高端阀组；极1直流保护系统2 27DC-I保护发出的预告警信号满足TDM总线切换请求。极1直流保护系统2在TDM1故障的情况下，保护预告警信号将TDM2总线切换到TDM1的请求又满足，导致极1直流保护系统2判断两套TDM总线均故障，保护被判定不OK，极控系统闭锁极1直流保护系统2跳闸出口。
极直流保护系统保护逻辑分布在TDC机架的CPU1和CPU2内，两个CPU的TDM总线同时切换。测量量故障监视逻辑模块分布在两个CPU内用于监视各CPU的测量量有效位；预告警判别逻辑模块位于CPU1内用于判别保护发出的预告警信号是否符合TDM总线切换请求；TDM切换逻辑模块位于CPU1内根据收到的保护预告警信号和TDM总线故障信号对TDM总线进行切换，逻辑示意图如图3所示。
图3 极直流保护系统TDM总线切换逻辑示意图
Fig.3 Switching logic diagram of TDM bus
极1直流保护系统1 CPU2检测到TDM1 UdM故障后将系统切换到TDM2运行，同时在预告警判别逻辑模块中将TDM总线强制，保护预告警信号送到预告警判别逻辑模块后由于TDM总线被强制不满足切换总线的要求，因此极1直流保护系统1按照TDM2总线的测量值正常出口。
极1直流保护系统2 CPU2检测到TDM1 UdM故障后向CPU1的TDM切换逻辑模块发TDM1总线故障信号，由于极1直流保护系统2在TDM2总线运行，TDM切换逻辑模块不对TDM总线进行切换，同时不在预告警判别逻辑模块中将TDM总线强制，而且逻辑中并未设计CPU2备用TDM总线故障闭锁保护预告警信号的功能。极1直流保护系统2 27DC-I保护满足出口条件并向CPU1的预告警判别逻辑模块发出的预告警信号，但是由于TDM总线切换逻辑无CPU2备用TDM总线测量量故障闭锁CPU1预告警判别逻辑模块中的预告警信号得功能，导致27DC-I保护发出的预告警信号通过CPU1预告警判别逻辑模块送至TDM切换逻辑模块。TDM切换逻辑模块收到TDM1故障信号后，又收到在TDM2总线运行的27DC-I保护发出的预告警信号，则认为两套TDM总线均故障，从而将极1直流保护系统2出口闭锁。从录波图2可以看出，极1直流保护系统2 TDM切换逻辑模块确实收到了27DC-I保护发出的预告警信号。
4 改进措施
根据上述分析结果，极1直流保护系统1 27DC-I保护正确动作，极1直流保护系统2 27DC-I保护动作导致保护闭锁的原因，是保护逻辑中没有将CPU2备用TDM总线测量量故障信号用于闭锁CPU1预告警判别逻辑模块中的预告警信号。根据直流保护系统TDM总线逻辑存在的缺陷，提出如下改进措施：
1）参照CPU1备用TDM总线测量量故障信号闭锁预告警信号逻辑，将CPU2备用TDM总线测量量故障信号也用于闭锁CPU1预告警判别逻辑模块中的预告警信号，改进措施如图4所示。
图4 优化后极直流保护系统TDM总线切换逻辑示意图
Fig.4 Switching logic diagram of TDM bus after optimization
2）优化TDM切换逻辑模块中的切换逻辑。TDM切换逻辑模块收到备用TDM总线故障信号后，向预告警判别逻辑发一个TDM强制选择信号，将保护预告警信号闭锁，防止TDM切换逻辑再收到保护预告警信号，保护系统被闭锁。
5 结语
文章对云广特高压直流输电工程TDM测量系统的配置方式进行了介绍，分析了直流保护系统内对TDM测量总线故障的判断方法及切换逻辑，结合现场一起TDM测量总线切换过程导致直流保护系统闭锁的具体事例，指出直流保护系统内TDM总线切换逻辑存在的缺陷，提出了将备用TDM总线测量量故障信号用于闭锁CPU1预告警判别逻辑模块中的预告警信号和优化TDM切换逻辑模块中的切换逻辑等优化措施，为后续特高压直流系统的设计、运行和维护提供参考。
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作者简介：
黄 华（1987-），男，通信作者，本科，工程师，研究方向为特高压直流输电系统控制保护运行和维护。
郭卫明（1980-），男，本科，工程师，研究方向为特高压直流输电系统控制保护运行和维护。
甘卿忠（1989-），男，本科，助理工程师，研究方向为特高压直流输电系统控制保护运行和维护。
论文作者:黄华,郭卫明,甘卿忠,朱志海
论文发表刊物:《电力设备》2016年第22期
论文发表时间:2017/1/20
标签：总线论文; 系统论文; 测量论文; 逻辑论文; 故障论文; 预告论文; 信号论文; 《电力设备》2016年第22期论文;