TDM總線切換對(duì)特高壓直流系統(tǒng)的作用

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測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)包括現(xiàn)場(chǎng)采集、處理、分配、傳輸、接收等環(huán)節(jié)，輸入-輸出接口板卡彼此串聯(lián)構(gòu)成tdm總線環(huán)網(wǎng)，與該環(huán)網(wǎng)相連的所有測(cè)量模塊的測(cè)量數(shù)據(jù)均通過固定的數(shù)據(jù)格式和地址在測(cè)量總線上傳輸，每個(gè)周期向控制保護(hù)系統(tǒng)傳輸128次數(shù)據(jù)，如果交流系統(tǒng)頻率為50Hz，則測(cè)量總線傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔為156μs[3]。

測(cè)量總線（TDM總線）切換邏輯

云廣和糯扎渡特高壓直流工程采用測(cè)量總線與控制保護(hù)系統(tǒng)交叉冗余運(yùn)行，系統(tǒng)中兩路測(cè)量總線同時(shí)工作，控制保護(hù)系統(tǒng)1默認(rèn)測(cè)量總線1（TDM-Bus1）為主，控制保護(hù)系統(tǒng)2默認(rèn)測(cè)量總線2（TDM-Bus2）為主。當(dāng)兩路測(cè)量總線都正常工作時(shí)，它們?cè)诿恳粫r(shí)刻向控制保護(hù)裝置傳遞同樣的測(cè)量數(shù)據(jù)，每套控制保護(hù)系統(tǒng)對(duì)兩路測(cè)量總線發(fā)來的數(shù)據(jù)均會(huì)接收，但只讀取主用測(cè)量總線的數(shù)據(jù)。當(dāng)主用測(cè)量總線故障時(shí)，控制保護(hù)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切換至備用測(cè)量總線，讀取備用測(cè)量總線的測(cè)量數(shù)據(jù)，不影響直流系統(tǒng)的正常運(yùn)行。這樣雙冗余的測(cè)量總線不僅在物理層上得實(shí)現(xiàn)了冗余，而且在數(shù)據(jù)鏈路層和交互信息方面都得到了冗余，大大提高了測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。特高壓直流保護(hù)系統(tǒng)發(fā)生以下情況時(shí)，主用測(cè)量總線將向備用測(cè)量總線進(jìn)行切換[4]：1）發(fā)生物理性故障，即循環(huán)冗余檢測(cè)故障或總線響應(yīng)超時(shí)；2）測(cè)量模塊判定測(cè)量值有效性故障，即檢測(cè)到無合法測(cè)量值位；3）測(cè)量值偏差校驗(yàn)監(jiān)視功能模塊檢測(cè)到測(cè)量值與檻值出現(xiàn)偏差故障；4）保護(hù)動(dòng)作出口前T時(shí)間預(yù)告警（prewarn-ing）。當(dāng)保護(hù)裝置主用測(cè)量總線的測(cè)量值達(dá)到保護(hù)動(dòng)作定值時(shí)，保護(hù)動(dòng)作出口前T時(shí)間會(huì)發(fā)預(yù)告警，預(yù)告警的作用就是請(qǐng)求保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量總線切換，進(jìn)而判定測(cè)量量是否確實(shí)達(dá)到了保護(hù)動(dòng)作定值。同時(shí)，若保護(hù)系統(tǒng)檢測(cè)到備用的測(cè)量總線滿足前3條任何一項(xiàng)，將不會(huì)再進(jìn)行測(cè)量總線切換。測(cè)量總線切換完成后，不管保護(hù)裝置動(dòng)作出口與否，5s后測(cè)量總線會(huì)自動(dòng)切回到原測(cè)量總線。預(yù)告警切換至備用測(cè)量總線后，若備用測(cè)量總線測(cè)量數(shù)據(jù)也達(dá)到保護(hù)動(dòng)作定值，則保護(hù)裝置會(huì)按照保護(hù)時(shí)間定值動(dòng)作出口；若切至備用測(cè)量總線后，測(cè)量數(shù)據(jù)未達(dá)到保護(hù)動(dòng)作定值則預(yù)告警復(fù)歸，同時(shí)，保護(hù)程序中會(huì)開放一個(gè)長(zhǎng)65s的時(shí)間窗口，并在5s后測(cè)量系統(tǒng)自動(dòng)返回到原測(cè)量總線。在這65s之內(nèi)，若再次出現(xiàn)保護(hù)預(yù)告警，則測(cè)量系統(tǒng)會(huì)再次切換到備用測(cè)量總線上，并保持在備用測(cè)量總線上。同時(shí)，將原測(cè)量總線定義為故障，不再進(jìn)行回切。另外，直流保護(hù)裝置讀取測(cè)量總線所傳輸?shù)臏y(cè)量數(shù)據(jù)需進(jìn)行低通濾波預(yù)處理，然后才會(huì)參與保護(hù)判據(jù)運(yùn)算。

實(shí)例分析

在糯扎渡特高壓直流輸電工程控制保護(hù)設(shè)備功能性試驗(yàn)期間，出現(xiàn)了由于直流保護(hù)系統(tǒng)測(cè)量總線切換導(dǎo)致直流誤動(dòng)作的情況。試驗(yàn)時(shí)雙極四閥組解鎖運(yùn)行，極Ⅰ（Pole1）以70%降壓（560kV）運(yùn)行，極Ⅱ（Pole2）全壓（800kV）運(yùn)行。在試驗(yàn)過程中，由于極Ⅰ極測(cè)量系統(tǒng)2因測(cè)量總線接線松動(dòng)導(dǎo)致極Ⅰ極保護(hù)系統(tǒng)2的直流線路低電壓保護(hù)（27du/dt）動(dòng)作出口，故障錄波如圖2所示。直流線路低電壓保護(hù)（27du/dt）動(dòng)作判據(jù)為：dUdH/dt>112kV/0.15ms&UdH<480kV，動(dòng)作出口時(shí)間為100ms，并且在保護(hù)動(dòng)作出口前10ms應(yīng)進(jìn)行測(cè)量總線切換。由圖2可知，極Ⅰ極保護(hù)系統(tǒng)2以測(cè)量總線2為主用，由于極Ⅰ極測(cè)量系統(tǒng)2因測(cè)量總線接線松動(dòng)，極測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量總線2傳輸至極Ⅰ極保護(hù)系統(tǒng)2中的高壓側(cè)直流電壓UdH直接降為0，且電壓變化率dUdH/dt達(dá)到137kV/0.15ms，從而滿足了直流線路低電壓保護(hù)（27du/dt）動(dòng)作判據(jù)條件。同時(shí)，在保護(hù)出口前10ms（即保護(hù)動(dòng)作90ms時(shí)刻）發(fā)出預(yù)告警進(jìn)行測(cè)量總線切換，由測(cè)量總線2主用切換至測(cè)量總線1主用。由圖2可以看出，測(cè)量總線切換完成后，由于測(cè)量總線1未出現(xiàn)故障，極測(cè)量系統(tǒng)通過測(cè)量總線1傳輸至極保護(hù)系統(tǒng)2的高壓側(cè)直流電壓UdH恢復(fù)至正常電壓560kV。按照設(shè)計(jì)原則，測(cè)量總線切換完成后，由于極測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量總線1傳輸?shù)臏y(cè)量數(shù)據(jù)是正常值，不滿足保護(hù)動(dòng)作判據(jù)，預(yù)告警應(yīng)復(fù)歸，保護(hù)不能夠動(dòng)作出口。

直流線路低電壓保護(hù)（27du/dt）之所以能夠動(dòng)作出口，原因如下：當(dāng)極Ⅰ極保護(hù)系統(tǒng)2突然切換到以測(cè)量總線1為主用后，來自測(cè)量總線1的測(cè)量數(shù)據(jù)還需要進(jìn)行低通濾波預(yù)處理才能參與直流線路低電壓保護(hù)（27du/dt）判據(jù)運(yùn)算。讀入保護(hù)裝置測(cè)量系統(tǒng)1的極Ⅰ高壓側(cè)直流電壓測(cè)量數(shù)據(jù)雖然達(dá)到了正常值560kV，但是，該值經(jīng)低通濾波器輸出會(huì)有從0kV到560kV的過渡過程，該過渡過程會(huì)超出10ms。由于低通濾波器數(shù)據(jù)輸出的滯后，在10ms時(shí)間內(nèi)直流線路低電壓保護(hù)（27du/dt）還無法準(zhǔn)確讀取測(cè)量系統(tǒng)1的正常數(shù)據(jù)，直流線路低電壓保護(hù)（27du/dt）動(dòng)作判據(jù)依然滿足，同時(shí)達(dá)到保護(hù)動(dòng)作時(shí)間定值100ms,導(dǎo)致了保護(hù)動(dòng)作出口。為驗(yàn)證分析的正確性，對(duì)保護(hù)系統(tǒng)低通濾波功能塊IIR2的輸出進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，波形如圖3所示。從仿真試驗(yàn)波形圖3可以看出：從測(cè)量總線切換時(shí)刻到低通濾波器的輸出數(shù)據(jù)達(dá)到保護(hù)復(fù)歸值480kV需要13ms，達(dá)到正常的高壓直流電壓值560kV需要30ms，遠(yuǎn)超出直流保護(hù)系統(tǒng)從預(yù)告警至保護(hù)動(dòng)作出口時(shí)間10ms。

改進(jìn)措施

1）直流線路低電壓保護(hù)（27du/dt）從預(yù)告警切換測(cè)量總線到保護(hù)動(dòng)作出口時(shí)間僅為10ms，在這10ms時(shí)間內(nèi)高壓側(cè)直流電壓值經(jīng)低通濾波模塊后無法準(zhǔn)確輸出至保護(hù)判據(jù)運(yùn)算模塊，通過對(duì)保護(hù)系統(tǒng)低通濾波功能塊IIR2的輸出監(jiān)測(cè)可知從測(cè)量總線切換到達(dá)到保護(hù)復(fù)歸值至少需要13ms。因此，可以考慮適當(dāng)提前保護(hù)系統(tǒng)預(yù)告警時(shí)刻，給低通濾波模塊輸出留出充足的時(shí)間裕度，使得在保護(hù)動(dòng)作時(shí)間定值滿足之前可以讀取到準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù)，避免測(cè)量總線切換后保護(hù)系統(tǒng)誤動(dòng)作出口。

2）升級(jí)改造保護(hù)系統(tǒng)低通濾波模塊，當(dāng)發(fā)生測(cè)量總線切換后，縮短低通濾波模塊對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的處理時(shí)間，使得低通濾波模塊在保護(hù)預(yù)告警和動(dòng)作出口這段時(shí)間內(nèi)可以完成測(cè)量數(shù)據(jù)的預(yù)處理，提供給保護(hù)判據(jù)運(yùn)算模塊準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù)。目前，已按照第2種方法對(duì)糯扎渡特高壓直流工程直流保護(hù)系統(tǒng)低通濾波模塊進(jìn)行了升級(jí)改造，將原有的低通濾波模塊IIR2升級(jí)為IIR2S，IIR2S和IIR2不同之處在于：在測(cè)量總線切換的那個(gè)周期，低通濾波模塊IIR2S會(huì)直接輸出切換之后測(cè)量總線的測(cè)量數(shù)據(jù)，避免了低通濾波模塊IIR2的時(shí)間過渡。同時(shí)，測(cè)量總線切換的信號(hào)只持續(xù)一個(gè)采樣周期，一個(gè)采樣周期之后，低通濾波模塊還將按公式（1）進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)的濾波計(jì)算。低通濾波模塊IIR2和IIR2S對(duì)比輸出波形如圖4所示。圖4可以看出，當(dāng)主用測(cè)量總線切換到備用測(cè)量總線之后，測(cè)量電壓從0突然階躍到800kV時(shí)，低通濾波模塊IIR2S能短時(shí)將備用測(cè)量總線上的測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確輸出，滿足直流保護(hù)系統(tǒng)的要求。按照第2種方法，對(duì)糯扎渡特高壓直流輸電工程直流保護(hù)系統(tǒng)的升級(jí)改造完成之后，對(duì)直流保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行了相同的試驗(yàn)，沒有再出現(xiàn)保護(hù)誤動(dòng)作的情況。

結(jié)語

直流測(cè)量系統(tǒng)TDM總線首次在特高壓直流工程中應(yīng)用，目前尚無法對(duì)其運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行全面而準(zhǔn)確的評(píng)估，而測(cè)量總線的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)直接關(guān)系到特高壓直流系統(tǒng)的正常運(yùn)行。因此，有必要通過特高壓直流設(shè)備功能性試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行調(diào)試，對(duì)特高壓直流測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)，探索分析其運(yùn)行特性，進(jìn)而日趨完善特高壓直流工程的控制保護(hù)系統(tǒng)，提高特高壓直流系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的能力。（本文作者：徐攀騰、張志朝 單位：中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司、中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司）