宾金、灵绍特高压直流保护三取二功能配置的应用研究

摘要

国网浙江省电力有限公司检修分公司的研究人员苗瑜、贾轩涛、王永胜、贾红光、卫林林，在2019年第10期《电气技术》杂志上撰文，基于宾金和灵绍特高压直流工程，对HCM3000和PCS9550硬件平台的直流保护三取二功能进行研究，两者均配置了三取二装置和控制主机三取二逻辑，详细介绍了两种直流保护三取二的功能逻辑和保护出口策略，PCS9550直流保护系统具有较强的安全性和可靠性，HCM3000直流保护系统在三取二装置故障后，存在阀组保护与极保护部分功能无法出口的问题，深入分析了当前设计存在导致设备故障和直流闭锁的隐患，为现场的实际应用提供借鉴和参考。

浙江省内作为负荷受端的宾金与灵绍特高压直流（ultra high voltage direct current, UHVDC）输电工程分别于2014年7月、2016年8月建成投运，额定电压均为±800kV，额定输送功率800万kW。宾金工程直流控制保护系统采用许继HCM3000，灵绍工程直流控制保护系统采用南瑞PCS9550。

目前HCM3000、PCS9550两种硬件平台在国内特高压直流工程中应用广泛，其中HCM3000主要用于宜宾—金华、晋北—南京、锡盟—泰州等工程，PCS9550主要用于灵州—绍兴、哈密—郑州、扎鲁特—青州等工程。HCM3000、PCS9550两种技术路线的直流保护系统均采用三重化冗余配置，保护出口采用三取二逻辑，即至少两套保护装置同时动作，保护信号才会最终出口，直流保护三取二逻辑通过硬件三取二装置和控制主机三取二逻辑实现。

本文基于金华和绍兴换流站对两种不同技术路线的直流保护三取二功能逻辑及硬件配置进行研究，两者在功能策略、保护动作出口方式上有显著差异，同时针对HCM3000直流保护三取二出口配置的问题，进行详细分析。

1  HCM3000直流保护三取二功能原理

1.1  直流保护及硬件三取二配置

金华站双极层和极层保护功能集成在极保护主机（PPR）中实现，阀组层保护功能在阀组保护主机（CPR）中实现，极保护主机与阀组保护主机均采用HCM3000保护装置，采用三重化冗余配置，硬件三取二装置型号为HPL100。以极保护为例，极保护系统配置如图1所示。

图1  金华站HCM3000极保护屏柜配置图

1.2  硬件三取二出口逻辑

直流保护硬件三取二出口逻辑如图2所示，三套直流保护主机保护动作信号采用IFC总线分别送至两套三取二装置，保护动作经三取二逻辑判断后，直接通过硬接线经压板接至进线断路器或旁路开关等一次设备的控制回路，执行跳闸、重合开关等保护动作命令。正常情况下，两套三取二装置同为值班状态，任一套出口，对应的开关即动作。

图2  金华站硬件三取二出口逻辑示意图

1.3  软件三取二功能及出口逻辑

1）阀组保护软件三取二逻辑

阀组保护软件三取二功能在阀组控制主机（CCP）中实现，三取二逻辑及保护动作出口如图3所示。

图3  金华站阀组保护软件三取二出口逻辑示意图

在图3中，三套直流保护主机保护动作信号采用IFC总线分别送至两套阀组控制主机，在阀组控制主机程序中配置了三取二选择逻辑和系统监视功能；当软件三取二检测到阀组保护发出跳进线断路器信号（跳闸）并输出后，系统监视功能将其作为主机紧急故障信号输出给阀组控制屏柜内的冗余切换装置，冗余切换装置如果监视到两套阀组控制主机均故障，则同时发出跳闸和重合旁路开关命令，实现阀组的闭锁和旁路。

阀组控制主机程序仅对软件三取二输出的“跳进线断路器”信号进行处理，未对“重合BPS”“重合BPI”信号进行响应，将导致保护动作结果仅包含“重合BPS”或“重合BPI”的保护类型无法出口，受影响的阀组保护包括旁通对过负荷保护、旁路开关保护。

2）极保护软件三取二逻辑

极保护软件三取二功能在极控主机（PCP）中实现，三取二及保护动作出口逻辑如图4所示。在图4中，极保护跳闸出口逻辑与阀组保护相同，通过极控屏柜内的冗余切换装置输出跳闸命令。

对于其他的极保护动作信号“重合NBS开关”“重合NBGS开关”“打开直流滤波器高压侧刀闸”，极控主机完成三取二逻辑判断后，通过IFC总线交叉输送至直流站控主机，仅用于锁定断路器逻辑，未对“重合NBS开关”“重合NBGS开关”“打开直流滤波器高压侧刀闸”设计出口回路，导致相关极保护功能无法出口，受影响保护包括中性母线开关保护、站内接地开关保护、接地极引线开路保护、直流滤波差动保护、直流滤波器电抗器过负荷保护。

图4  金华站极保护软件三取二出口逻辑示意图

1.4  三取二功能切换逻辑

正常情况下，当直流保护硬件三取二装置正常运行时，其输出有效，控制主机中软件三取二功能为屏蔽状态；当控制主机检测到两套硬件三取二装置均故障时（电源故障或通信总线故障），软件三取二功能将自动投入，切换逻辑如图5所示。

2  PCS9550直流保护三取二功能原理

2.1  直流保护及三取二主机配置

绍兴站直流保护系统采用PCS9550硬件平台，分层结构与金华站相同，由双极层保护、极层保护和阀组层保护组成，通过极保护主机（PPR）和阀组保护主机（CPR）实现，其中三取二装置采用单独的PCS-9552装置实现，与保护主机同硬件平台。以绍兴站极保护为例，保护与三取二主机配置如图6所示。

图5  金华站三取二逻辑功能切换示意图

图6  绍兴站PCS9550极保护屏柜配置图

采用PCS9550硬件平台的直流极保护系统由三台独立保护主机与两台冗余的三取二主机构成。通过三取二逻辑确保每套保护单一元件损坏时保护不误动，保证安全性；三套保护主机中有两套相同类型保护动作被判定为正确的动作行为，才允许出口闭锁或跳闸，保证可靠性。

2.2  三取二逻辑及出口回路

PCS9550直流保护三取二逻辑在独立的“三取二主机”和“控制主机”中同时实现，功能配置及出口回路设计上，极层与阀组层保护原理相同。以极层保护为例，极保护主机、三取二主机、极控主机配置及出口回路如图7所示。

图7  绍兴站极保护三取二逻辑图

在各层控制系统主机程序中，均配置了与三取二主机相同的三取二逻辑，冗余的控制主机同时接收三套保护分类动作信息，通过相同的三取二保护逻辑出口，实现闭锁、极隔离、跳交流开关及重合BPS开关等功能。保护主机与三取二主机、控制主机之间通过CTRL LAN总线光纤进行连接，传输经校验的数字量信号，进一步提高信号传输的可靠性和抗干扰能力。

2.3  三取二主机与控制主机三取二功能配合策略

根据图7所示，采用同一PCS9550硬件平台的 三取二主机和控制主机中分别实现“三取二”功能，三取二主机实现跳换流变开关、重合BPS开关、重合NBGS开关及跳DCF高压侧隔刀等所有开关设备出口功能，控制主机三取二逻辑在实现上述开关设备出口功能外，同时完成直流闭锁功能。

正常情况下在直流保护动作后，三取二主机与控制主机三取二逻辑同时工作，相互独立，如极端情况下冗余的三取二主机未能跳换流变开关，控制主机也可完成跳换流变开关动作；如极端情况下冗余的控制主机未正确发出开关设备动作命令，则由三取二主机完成保护出口。

3  HCM3000直流保护三取二动作出口问题分析

根据前文1.4节的分析结论，基于HCM3000硬件平台的直流保护系统在两套冗余配置的硬件三取二装置故障时，控制主机中的软件三取二功能将自动切换到有效输出状态，在此工况下，存在设备故障和直流闭锁的风险隐患。

3.1  阀组保护动作出口影响分析

由于阀组保护软件三取二的出口回路设计上未充分考虑到“重合旁路开关”或“重合旁路刀闸”动作情况，导致“旁路开关保护”“旁通对过负荷保护”无法正确动作，存在一次设备过载运行或无法重合旁路开关，引起设备故障、极闭锁的风险隐患，阀组保护动作对比及影响分析见表1。

表1  阀组保护动作对比及影响分析

3.2  极保护动作出口影响分析

由于极保护软件三取二“重合NBS开关”“重合NBGS开关”“打开直流滤波器高压侧刀闸”未设计出口回路，导致极保护“中性母线开关保护”“站内接地开关保护”“接地极引线开路保护”“直流滤波差动保护”“直流滤波器电抗器过负荷保护”动作无法出口，对直流系统稳定运行造成影响，存在直流闭锁隐患。

3.3  改进优化措施

通过对比分析，HCM3000直流保护系统三取二出口逻辑上存在安全隐患，正常情况下仅硬件三取二装置出口有效，控制主机软件三取二为备用状态，控制主机三取二逻辑在出口回路设计上存在问题。

针对HCM3000硬件输出板卡进行升级改造，增加DC110V开关量输出板卡，同时借鉴采用PCS9550直流保护三取二装置与控制主机的配合策略，进一步增强保护系统的可靠性，在统一硬件平台的基础上，提升现场设备的维护和操作效率。

结论

结合宾金直流金华站和灵绍直流绍兴站，通过对HCM3000、PCS9550两种不同硬件平台在特高压直流保护三取二逻辑的应用进行研究，深入分析了两者在硬件配置、出口逻辑、切换功能上存在的差异，并得出如下结论：

• 1）PCS9550特高压直流保护系统通过相同硬件平台的三取二主机和控制主机分别实现两种独立的三取二功能，三取二主机和控制主机同时工作，三取二判断逻辑相同，直流保护动作后，均会发出开关设备的动作命令，开关设备外的保护动作信号由控制主机完成三取二判断并执行。

• 2）HCM3000阀组保护软件三取二逻辑的“重合BPS”“重合BPI”信号未设计出口回路，当阀组硬件三取二故障后，将导致阀组保护“旁路开关保护”“旁通对过负荷保护”重合闸动作无法出口，存在导致设备异常隐患的风险。

• 3）HCM3000极保护软件三取二逻辑的“重合NBS”“重合NBGS”“打开直流滤波器高压侧隔刀”信号未设计出口回路，当硬件三取二故障后将导致极保护“中性母线开关保护”“站内接地开关保护”“接地极引线开路保护”“直流滤波差动保护”“直流滤波器电抗器过负荷保护”动作命令无法出口，存在极闭锁风险。

• 4）通过优化改进HCM3000硬件板卡设计，并借鉴PCS9550直流保护三取二功能配置策略，可有效解决当前问题，提升宾金等工程直流保护系统的运行可靠性。