(湖北省电力检修公司特高压交直流运检中心 湖北宜昌市 443000)
摘要：本文以高压直流输电控制保护系统总线结构原理为引，着重介绍了直流控保系统典型的CAN总线结构和TDM总结结构。分析了CAN总线结构中存在的异常隐患情况，并结合现场实际阐述了总线结构上存在的隐患造成的严重后果，在结论中提出了整改措施。本文对高压直流输电控制保护总线结构的学习有一定的启发意义。
关键词：直流输电；控制保护；总线；隐患
1 高压直流输电控制保护系统总线原理
在电力系统中，常规高压直流输电控制保护通常采用MACH2（Modular Advanced Control for HVDC and SVC 2nd edition）控制保护系统，这种控制保护系统是以现代化的计算机构建的以高质量的工业标准总线和光纤通信链路连接起来的控制保护系统。MACH2控制保护系统主要由主机、分布式I/O、标准现场总线及标准LAN网接口组成，标准现场总线包括CAN总线和TDM总线。
CAN（Controller Area Network）总线即控制器区域网络，它是一种有效支持分布式控制实时串口通信网络，是目前应用最广泛的工业现场总线。CAN总线的数据通讯具有突出的可靠性、实时性和灵活性。CAN总线在直流输电换流站中用于连接MACH2主机PCI板卡、I/O板卡并在这些板卡中实现数字信号量及控制命令的传输。CAN总线具有传输速度快、受干扰概率小，可以实现点对点、一点对多点或广播式等多种通信方式，任一节点故障总线整体不受影响，总线冗余配置可以实现控制保护系统的双重化等特点。
TDM（Time Division multiplexed）总线即时分复用总线，采用串行通讯方式，传送方向为单向的，一个发送源，一个或多个接收源。TDM总线主要用于传输电压、电流等模拟量测量信号。TDM的传输模式分普通与自动，普通模式为常用模式，即在接收端产生中断，从而控制接收端的DSP同步产生中断，执行程序。而在自动模式下，不产生中断。自动模式下由于处理器不需处理接收中断，因此传输速度很高，但缺点是数据不同步。
2 高压直流输电控制保护系统典型总线结构
2.1 CAN总线连接典型方式
如图1所示，MACH2主机中的PCI板经过接口转换板与分布式I/O系统RACK1层首端PS873板相连，RACK1层末端PS873板与RACK2层末端PS873板相连，RACK2层首端PS873板再与RACK3层首端PS873板相连，由于每个RACK层各板卡CAN总线已经通过背板连接在一起，这样PCI板卡和I/O板卡CAN总线就全部连接在一起组成CAN网，在所有这些板卡之间均能实现数据的传输。
图1 CAN总线连接的典型方式
若假设RACK3层有一块PS850板，PS850板是一块对开关进行监视和控制的板卡。此PS850板采集某一开关单相的分、合闸状态并经CAN总线传输给主机PCI板卡，再由PCI板卡传输给主CPU进行处理分析，同时开关的控制信号也可由主CPU传输给PCI板卡，再由PCI板卡经CAN总线传递给PS851板对开关进行分闸和合闸操作，这就是信号传递的一个最基本的过程。
2.2 TDM总线连接典型方式
TDM总线连接典型方式如图2所示，其中：ACP11/12/61/62、AFT11/12/53/54等为盘柜名称，+1B15、+B20表示安装的层位置，PS801、PS820、PS860、PS873A、PS876、PS831、PS841、PS845等为板卡名称，图1中的黄色部分为ACP11的TDM网，紫色部分ACP12的TDM网。
每一层的背板都有4条TDM总线（TDM0-3），模拟量测量板卡PS841(电压测量)、PS845（电流测量）的测量结果送至同层的PS860板卡，这些板卡通过层背板的带状电缆连接在一起，PS860板卡进行模/数转换合成TDM数据，这个TDM数据也可根据一发多收原则，依据实际需要，通过PS876板卡（光电转换）发送到远端的PS876板卡接收，TDM数据通过背板连接至总线连接板卡PS873，PS873板卡再通过PS930板卡连接至PS801(或PS820)板卡的某个DSP为止。
3高压直流输电控制保护总线结构中隐患分析
如图3所示，在PCP与ETCS的CAN网连接中，在ETCS、TFT、PCP之间通过TFT中的CAN1交换数据，而在TFT内与PCP 间通信的PS831板跟PCPA、B系统之间为交叉互联。若TFT中该PS831板卡故障，可能会向PCP双系统发错误报文，造成PCP双系统故障。ETCS与TFT之间的CAN连接为端对端互联。ETCSA与ETCSB之间用CAN4连接，CAN4用于状态监视和切换ERCS双系统状态。
PCP主机对TFT A、B系统的CAN都有监视，任意系统TFT 上的CAN节点故障，PCP A、PCPB主机会同时发出对应系统CAN故障报文。由于PCP主机系统的选择逻辑，TFT内节点不OK的严重故障只影响PCP对应系统，即TFTA系统CAN故障会引起PCPA主机检测到严重故障告警，此时PCP系统需要切换A、B主机工作状态。
该种总线结构中，CAN总线通讯均采用交叉互联形式，即一块PS831板同时送PCP双系统，交叉互联的方式下存在如下隐患：
（1）软件监视逻辑设计不完善，特定故障情况下导致直流系统闭锁
2015年1月5日，龙泉换流站极I PCPA/B检测到Y/Y A相ETCS A/B系统均不在“active”状态，极I直流系统闭锁，故障原因为处于Actvie状态的ETCSA系统与TFTA的CAN总线通讯光纤故障所致。后期对软件进行了修改，PCP同时检测ETCS A、B两个系统PS832板卡的状态信息，当发现一个系统PS832板卡故障时，发命令要求另一系统切换到Active状态运行，这样有效的消除了改隐患。
（2）同时送PCP双系统的PS831板卡工作异常，可能导致PCP双系统故障引起直流闭锁。
2016年12月14日、2016年12月26日、2017年1月8日拉萨换流站直流控制保护系统发生三次闭锁，故障的根本原因为双套CAN总线与控制保护系统主机采用交叉互联的设计过度考虑系统冗余度，未考虑双套系统的相互独立性，造成一个RS831板卡故障导致双套系统主机主CPU板均出现异常情况。
4 结束语
总线数据传输过程中板卡工作异常导致双系统死机的风险，可以考虑在TFT、CCP、ERCS等IO层再增加一块PS831板卡，分别送PCP A、B两个系统，防止单一板卡故障导致双系统故障引起直流闭锁。直流输电二次设备之间传输的数据包括电压、电流等模拟信号以及开关量信号和控制保护信号，其中开关量信号以及控制保护信号通常流量不是很大（相对于模拟量信号），但需要保证很高的实时性和准确性。在MACH2控保系统中，CAN总线、TDM总线用于连接MACH2主机PCI板卡、I/O板卡并在这些板卡中实现数字信号量及控制命令、及模拟信号的传输。了解MACH2系统CAN总线及TDM总线，对于换流站现场工作中控制系统方面故障的查找和分析有很大的帮助。
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作者简介：
邱晶晶（1981-），男，高级工程师，主要研究方向：高压直流输电控制保护系统。E-mail：manburen2000@163.com 联系电话13872689479
论文作者:邱晶晶
论文发表刊物:《电力设备》2017年第19期
论文发表时间:2017/11/21
标签：板卡论文; 总线论文; 系统论文; 故障论文; 主机论文; 信号论文; 高压论文; 《电力设备》2017年第19期论文;