(中国南方电网超高压输电公司昆明局 昆明 650217)
摘 要：以云广、糯扎渡特高压直流工程作为例证，简述TDM测量总线在特高压直流输电工程中的应用。再结合西门子控制保护系统的设计理念，进一步分析TDM测量总线与直流控制保护装置的联系。以近期云广、糯扎渡特高压直流系统发生的由于单套TDM总线故障导致的直流跳闸事件为依据，分析TDM总线在故障时的运行特性，提出西门子的TDM测量总线切换逻辑在实际工程运用中的缺陷，再针对该缺陷提出相关的改进建议。
关键词：特高压直流工程、TDM测量总线、切换逻辑、改进建议
引言
直流测量系统在整个高压直流输电控制系统中起着连接高压设备和控制保护系统的作用。以云广、糯扎渡特高压直流工程为例，整个系统采用双重化配置，通过光纤接收直流数字信号和模拟交流信号，这些信号经过调整和预处理以满足控制和保护的要求。这些信号通过双重化的两条TDM总线发送至保护和控制系统。每一条TDM总线发送的信号都可以发送至两套双重化配置的控制保护设备。这样可以保证当一条TDM总线故障时上层的保护设备不受影响。本文在分析西门子控制保护设计理念以及直流TDM测量总线运行特性基础上，以近期云广、糯扎渡特高压直流系统发生的由于单套TDM总线故障导致的直流跳闸事件为依据，提出西门子直流保护预告警有时不能避免单套测量系统故障导致的直流跳闸的缺陷，再针对该缺陷提出采用加长预告警到保护跳闸的延时时间或者增加判据的改进建议。
1 直流测量系统及TDM总线与直流控制保护系统联系
直流测量系统在整个高压直流输电控制系统中起着连接高压设备和控制保护系统的作用。整个系统采用双重化配置，通过光纤接收直流数字信号和模拟交流信号，这些信号经过调整和预处理以满足控制和保护的要求，这些信号通过双重化的两条TDM总线发送至保护和控制系统。每一条TDM总线发送的信号都可以发送至两套双重化配置的控制保护设备。这样可以保证当一条TDM总线故障时上层的保护设备不受影响。
图1是云广、糯扎渡特高压直流工程的直流测量系统构成连接示意图，其中：阀组测量系统主要针对本阀组的换流变压器的电气量和旁路断路器电流。公共测量主要针对两个阀组公共使用部分的电气量。极测量针对双极都需要使用的接地极和线路的电压电流。
图1 直流测量系统构成连接示意图
为了实现TDC各个模块之间以及直流测量系统到保护和控制的通信能够同时传输多路信号采用了TDM总线。（Time Division Multiplexing 时分复用）从各个设备采集到的信号量经过IM5和LO5处理之后将各自排序后的报文依次插入到 TDM 总线的时隙中进行传输。每个MPM和LO5都分配一个地址编号，每个报文最多能包含23个不同的测量信号,每个地址在传送自己处理后的信息时都有一个规定的时隙（timeslot），每个报文也有规定的格式。通过这种TDM协议在TDM光纤网中，将相关的信息传给相应的控制保护系统。
2 西门子控制保护系统配置及保护预告警
云广、糯扎渡工程均选用西门子公司的直流控制保护设备，直流控制系统是高压直流输电系统的核心系统，其主要功能是通过对直流电压、直流电流、触发角的控制，保证高压直流系统的安全稳定运行，并对换流站内各设备的运行情况进行监视，按照双重化、互为备用的原则配置。直流保护装置按照双重化的原则配置，保护装置接收直流测量系统送来的电压、电流量以及开关量，在保护装置内部进行分析处理，若某套保护装置的某个保护满足判据，则该套保护装置的该保护出口。即直流保护按照“二取一”逻辑出口动作。直流保护的测量总线配置都是如图2的交叉冗余结构，每套保护都可以收到两个测量系统发来的量，测量总线是交叉冗余的。“二取一”的出口逻辑存在单套保护误出口的问题，因此尽量为避免单套测量系统故障导致单套保护误出口的问题，已在保护的程序内增加了保护预告警的逻辑。
图2 直流测量系统与直流保护系统联系
保护预告警的功能是指在故障即将满足保护动作出口之前发出保护预告警信号，并迅速切换TDM测量总线系统。TDM总线的此项功能的目的是为了防止单个测量系统故障而导致直流保护的误动作。此逻辑中包含的单一测量故障，都是由监视功能无法检测到的。当测量值偏离正常值同时超出保护定值时，保护功能模块（DISA）中的跳闸计时器就开始计时，通常在即将跳闸前有一个可调整的时间（比如3ms），此模块会输出一个预告警并且将TDM总线切换到备用的总线系统。只有当备用总线的数据检查真实并且备用总线无错误，直流保护系统在预告警时便会切换TDM总线，切换后，备用的TDM总线变为主至少持续5s。在5s后保护将自动切换回优先级的总线（优先总线必须无故障）。如果在规定的时间（60s）内再次出现预告警信号，备用的总线将被重新选择并且原先设为优先级的总线将被定义为故障。所以如果仅单套测量系统故障，经预告警切换TDM总线后可以恢复正常不出口跳闸。
3 直流保护预告警切换TDM总线存在的缺陷及改进建议
3.1 普洱站单套测量系统故障跳闸
2014年02月03日08时15分，普洱换流站（糯扎渡送广东特高压直流工程送端站）发生一起由于TDM总线测量量固化而导致的极II高端阀组保护系统1的59AC四段保护单套动作，造成高压直流系统单阀组跳闸。
可见分相测得的数据并无异常，其他测量量也没有发现异常。由TDM总线1传送的Uac在08：15：37.437时出现异常数据，由537.05kV阶跃至1049.97kV。阀组保护第一套的Uac数据异常固化，保持在一
个很高的值，导致保护启动。
如图3所示，59AC四段动作前3毫秒，阀组保护发出预告警并切换了TDM总线，可查看到TDM总线2被使用的信号早于ESOF请求的信号3毫秒，说明直流保护预告警在保护出口之前3毫秒进行TDM总线切换。如图4，TDM总线2被使用的信号在08：15：42.65时消失，由TDM总线1采集的Uac异常数据再次出现，距上次产生5秒。当然如果TDM总线依然有故障，还是会马上又切回TDM总线2。
59AC-4的保护判据为线电压Uac(50Hz)>1.65p.u.(866.25kV)动作延时10ms。
如图4，可见Uac达到保护动作的门坎时间大于10毫秒，符合59AC-4的动作判据。保护动作正常。但切换TDM总线线后，
动作仍然出口，说明尽管切换了TDM总线，
但到达保护功能模块的量仍然达到定值。
打开59AC的保护功能模块可以看到其电压采集量经过这样AVTN模块，AVTN模块的意义为Y（k）=Y（k-1）+（X（k）-X（k-N））/N，这里N=16，即输入保护功能模块的电压量是经过与16个采样周期前的量做平滑处理，采样周期为0.600000024ms，即还要过16*0.600000024ms=9.600000384ms到达保护功能模块内部的测量量才能下降恢复至正常。Uac异常值达到1049.97kV，正常537kV左右。可以算出下降斜率（1049.97-537）/9.6=53.434375kV/ms，在3ms的预告警时间内测量量可以下降至：
1049.97-53.434375*3=889.666875kV，可见仍然大于1.65p.u.(866.25kV)。所以保护还是出口形成跳闸了。
本次事故的根本原因在于=12QG11+Q1系统TDM1始终保持Uac电压输出异常，判断为处理计算Uac的=12QG11+Q1-D02位置的MPM板卡故障。更换MPM板卡后恢复正常。
预告警到保护出口跳闸的延时3毫秒，在此次故障的条件下来看是不够长的。可以尝试加长延时或者增加判据，以避免此类单套保护动作即出口跳闸的情况再次发生。
3.2 楚雄站单套测量系统故障跳闸
2014年03月04日11时42分，楚雄换流站（云广特高压直流输电工程送端站）发生因极I测量系统2的UdM采样值异常导致极I高端阀组跳闸的事件。楚雄换流站同样采用西门子“二取一逻辑出口”的TDC直流保护系统，本次事件中极I高端阀组保护系统2的59/37DC的2段保护单套保护动作导致阀组跳闸。
由图5可以发现，在X1时刻，极I高端阀组保护系统2的UdM的值与保护系统1相比存在明显的跌落，而UdH的值几乎一致。直到X2时刻，保护发出预告警，切换了TDM总线。
416kV,延迟1000ms.
可以看出在X1至X2时间内保护判据满足，动作延迟同样满足，故保护正确动作。在此时间内，极I高端阀组保护系统2仍采用TDM总线2的量，那么可以认为预告警切换TDM总线的时间晚了，导致在总线切换完成之前保护判据及延迟满足，保护动作出口。由以上两件发生于两项均采用西门子直流控制保护系统的特高压直流输电工程中事故可以看出，西门子的保护预告警现有逻辑有时候不能避免单套测量系统故障导致的直流跳闸。可以尝试采用加长预告警到保护跳闸的延时时间或者增加判据的方法来改善此类问题。
4结语
云广、糯扎渡工程中采用的西门子直流保护系统的预告警逻辑存在一定的缺陷，主要表现为预告警切换TDM总线有时不能避免单套测量系统故障导致的直流跳闸，可以尝试采用加长预告警到保护跳闸的延时时间或者增加判据的方法来改善此类问题。但此方法仍需要进一步仿真验证，以保证特高压直流系统的正常运行。
参考文献
[1]赵婉君.高压直流输电工程技术[M].北京：中国电力出版社，2004:233-266.
[2]中国南方电网有限责任公司超高压输电公司昆明局，±800kV普侨直流输电工程普洱换流站运行规程[调试版].
论文作者:王玉俊
论文发表刊物:《电力设备》2015年第12期供稿
论文发表时间:2016/4/27
标签：总线论文; 测量论文; 系统论文; 预告论文; 判据论文; 信号论文; 动作论文; 《电力设备》2015年第12期供稿论文;