湖北省電力公司檢修分公司 俞曉冬

三峽電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 王麗麗

湖北省電力公司檢修分公司 戴 迪

1.引言

MACH2(Modular advanced control HVDC&SVC 2ndedition)系統(tǒng)稱(chēng)為超高壓直流以及輸電以及靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)诙K化高級(jí)控制系統(tǒng)，是ABB公司開(kāi)發(fā)的用于輸電工程的一種控制保護(hù)系統(tǒng)。MACH2系統(tǒng)是一種基于軟件和硬件的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，也是一種適用于直流輸電的控制保護(hù)系統(tǒng)。MACH2系統(tǒng)采用基于PC的技術(shù)方案，其硬件系統(tǒng)以多處理器的工業(yè)PC作為主計(jì)算機(jī)，通過(guò)PCI總線擴(kuò)展高性能外圍設(shè)備控制模板構(gòu)成。該方案具有處理速度高、功能強(qiáng)大和PC系列標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備易于功能擴(kuò)展，以及可以得到第三方豐富的資源支持等特點(diǎn)。控制保護(hù)系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的接口采用光纖介質(zhì)的CAN、TDM和HDLC等高性能現(xiàn)場(chǎng)總線，使系統(tǒng)具有可靠性高、組態(tài)靈活，整個(gè)系統(tǒng)表現(xiàn)為基于網(wǎng)絡(luò)的分布式結(jié)構(gòu)。軟件采用圖形化編程和調(diào)試工具，界面友好、程序可讀性高，修改、調(diào)試和維護(hù)方便，效率高[1]。系統(tǒng)采用完全冗余配置并具有完備的自檢功能，極大地提高了系統(tǒng)的可靠性和可用率。

本文以三常直流為例詳細(xì)介紹三常直流的控制保護(hù)系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)，并以ABB公司的MACH2直流控制保護(hù)系統(tǒng)為例，來(lái)對(duì)直流控制保護(hù)系統(tǒng)的冗余性做深入分析，并通過(guò)計(jì)算得出了這種分層設(shè)計(jì)的冗余控制保護(hù)系統(tǒng)可以顯著的提高直流控制保護(hù)系統(tǒng)的可靠性。

2.MACH2 系統(tǒng)冗余性分析

MACH2系統(tǒng)包括冗余的ACP，AFP和PCP主機(jī)。對(duì)于用CAN和TDM總線相互連接的主機(jī)，分布式I/O和子系統(tǒng)，總線均采用冗余配置。下面將分別對(duì)這些MACH2系統(tǒng)的冗余特性展開(kāi)深入探討。

2.1 分布式I/O系統(tǒng)的冗余

冗余的ACP，AFP，或PCP系統(tǒng)的接口是安放在獨(dú)立的屏柜內(nèi)的遠(yuǎn)方或分布式I/O系統(tǒng)，這些屏柜按距離和設(shè)計(jì)要求或靠近相關(guān)的主回路設(shè)備或在中央控制室里。為了避免任何可能的干擾，設(shè)備的不同層場(chǎng)總線連接采用光纜[2]。

分布式I/O系統(tǒng)包括交流場(chǎng)(ACP和AFT)I/O、直流場(chǎng)(DFT)I/O、交流濾波器保護(hù)(AFP)I/O、換流變壓器(TFT)I/O、平波電抗器(SRCI)I/O。分布式I/O系統(tǒng)完全冗余，且通過(guò)兩個(gè)雙重化現(xiàn)場(chǎng)總線連接到上一級(jí)層。不同于ACP、AFP或PCP系統(tǒng)，雙重分布式I/O系統(tǒng)總處于運(yùn)行狀態(tài)，即雙通道運(yùn)行。對(duì)I/O系統(tǒng)，所有主回路的測(cè)量傳感器這樣連接，即每個(gè)I/O系統(tǒng)從獨(dú)立的互感器線圈引入測(cè)量量。如果只有一個(gè)線圈，應(yīng)將它連接到兩個(gè)系統(tǒng)中，確保運(yùn)行時(shí)一個(gè)I/O系統(tǒng)的輸入回路出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，不影響其他I/O系統(tǒng)的工作。

I/O的測(cè)量通道一直處于被監(jiān)測(cè)中。如果檢測(cè)到異常將發(fā)出報(bào)警，可能的話切換到另一系統(tǒng)(是否切換由故障嚴(yán)重程度決定)。

類(lèi)似于測(cè)量通道，對(duì)分布式I/O系統(tǒng)，所有進(jìn)、出開(kāi)關(guān)場(chǎng)的開(kāi)關(guān)量均被聯(lián)接到兩個(gè)冗余系統(tǒng)中。從主設(shè)備出來(lái)，兩個(gè)I/O系統(tǒng)始終處于運(yùn)行狀態(tài)。例如，到斷路器的跳閘信號(hào)，正常時(shí)會(huì)被兩個(gè)系統(tǒng)同時(shí)執(zhí)行。

2.2 分布式子系統(tǒng)的冗余

分布式子系統(tǒng)與分布式I/O系統(tǒng)使用相同的硬件，唯一不同的是子系統(tǒng)有自己的控制或保護(hù)功能?？刂票Ｗo(hù)功能被下放到子系統(tǒng)中，就意味著在A、B子系統(tǒng)間必須有自己的切換邏輯和交叉的通訊通道。在這系統(tǒng)層進(jìn)行切換不會(huì)影響其它系統(tǒng)，如PCP系統(tǒng)。

分布式子系統(tǒng)通訊接口原理圖如圖1所示。

圖1 分布式子系統(tǒng)

由于系統(tǒng)間的距離很短，系統(tǒng)間交叉連接的現(xiàn)場(chǎng)總線采用電氣連接（CAN4）。CAN4是獨(dú)立的，并且不出柜體。它與I/O機(jī)箱背板的CAN1(和CAN2)電氣隔離。橋的功能在PS832板中用軟件實(shí)現(xiàn)。

2.3 CAN總線的冗余

在冗余的PCP，ACP 和AFP系統(tǒng)中，CAN總線被用作I/O控制總線。這些總線彼此間完全隔離。PCP系統(tǒng)總線數(shù)據(jù)被冗余配置的雙CAN總線處理，見(jiàn)圖2。這種配置中，分布式I/O系統(tǒng)被聯(lián)接到各自控制柜[3]。這樣可以實(shí)現(xiàn)任何保護(hù)動(dòng)作的雙重跳閘通道。因此，在完成保護(hù)啟動(dòng)的切換后，雙跳閘通道總是有效。切換只在主計(jì)算機(jī)層產(chǎn)生，分布式I/O系統(tǒng)總處于運(yùn)行狀態(tài)。

圖2 PCP CAN 網(wǎng)絡(luò)配置

在CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，任何一個(gè)應(yīng)用程序（CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的軟件功能）都能方便地與另一應(yīng)用程序通訊，只要簡(jiǎn)單使用信號(hào)發(fā)送和接受軟件功能塊。

現(xiàn)場(chǎng)總線的運(yùn)行情況也受故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)視，通過(guò)連續(xù)的讀寫(xiě)系統(tǒng)中單獨(dú)的節(jié)點(diǎn)來(lái)發(fā)現(xiàn)故障。發(fā)現(xiàn)故障時(shí)，產(chǎn)生報(bào)警并切換到備用系統(tǒng)。

2.4 TDM總線的冗余

MACH2系統(tǒng)中的TDM總線是單向總線類(lèi)型，用于高速傳輸測(cè)量信號(hào)。兩個(gè)數(shù)字處理器的端口按點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式聯(lián)接(DSP-DSP聯(lián)接)。類(lèi)似于CAN總線一樣，該總線采用雙重化以實(shí)現(xiàn)冗余，見(jiàn)圖3。這里遠(yuǎn)方或分布式I/O 的A和B相應(yīng)連接到A和B柜[4]。

圖3 TDM網(wǎng)絡(luò)配置

3.可靠性分析

對(duì)MACH2這樣一個(gè)復(fù)雜的HVDC控制保護(hù)系統(tǒng)做出完整的可用性分析是很困難的。為了完成可用性分析，需進(jìn)行一些假設(shè)，這些假設(shè)是建立在該領(lǐng)域的大量經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上。下面以三常直流為例通過(guò)計(jì)算來(lái)分析MACH2的冗余性配置對(duì)系統(tǒng)可靠運(yùn)行的意義。

3.1 故障模式可用分析

HVDC極控制保護(hù)設(shè)備可分為三個(gè)主要模塊：極控制和保護(hù)(PCP柜)、閥控制(VCA，VCB，VCC)、分布式I/O系統(tǒng)(包括雙極相關(guān)I/O)。

1）主極控制和保護(hù)

極控制和保護(hù)A和B是雙重柜。每個(gè)PCP有兩個(gè)主計(jì)算機(jī)?？刂坪捅Ｗo(hù)裝置1(P1)，保護(hù)裝置2(P2)。P1和P2柜通常啟動(dòng)切換作為第一操作。濾波器保護(hù)、換流變壓器中的一些保護(hù)，總是運(yùn)行狀態(tài)。

兩個(gè)PCP單元之一在運(yùn)行狀態(tài)，另一個(gè)備用。如果運(yùn)行系統(tǒng)出現(xiàn)故障，備用被切入。每個(gè)單元都有切換功能。無(wú)公用設(shè)備，除了兩單元之間的交叉聯(lián)接總線。如果這些總線故障，只失去備用系統(tǒng)，HVDC系統(tǒng)的運(yùn)行不受影響。

有些保護(hù)在兩個(gè)PCP系統(tǒng)中都運(yùn)行，它們獨(dú)立于兩個(gè)PCP系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。就是說(shuō)對(duì)這些保護(hù)之一的測(cè)量系統(tǒng)故障，有理論上的誤跳閘風(fēng)險(xiǎn)。這種誤跳幾率從運(yùn)行實(shí)際中得到是小于0.4*10-6f/h，比如，從站運(yùn)行統(tǒng)計(jì)已有2,500,000運(yùn)行小時(shí)無(wú)誤跳紀(jì)錄[5]。

雙極設(shè)備的保護(hù)分布在極層，例如包括在P1的保護(hù)只跳自己極。就是說(shuō)雙極保護(hù)對(duì)該種保護(hù)無(wú)誤跳風(fēng)險(xiǎn)(如果存在雙極)。

2）閥控制

閥控制位于三個(gè)柜中。每個(gè)閥組有一個(gè)控制單元?？刂茊卧暮诵脑浑p重化，且和PCP的切換是統(tǒng)一的。光發(fā)送和接收，及一些供電設(shè)備無(wú)需雙重化，但他們滿(mǎn)足單元故障時(shí)不會(huì)影響運(yùn)行(單元指晶閘管和它的光發(fā)送和接收，及一些供電設(shè)備)。因此，在閥控的非雙重化部分，系統(tǒng)故障的概率按計(jì)算可減少到0.05*λ。

3）I/O系統(tǒng)

在控制保護(hù)中，直流場(chǎng)終端(DFT)，變壓器保護(hù)的I/O、濾波器保護(hù)的I/O都是雙重化的冗余配置。

4）未被發(fā)現(xiàn)的軟件錯(cuò)誤

盡管采取了種種措施，未被發(fā)現(xiàn)的軟件錯(cuò)誤不可避免?；谶\(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，并通過(guò)計(jì)算，可能最大的雙極跳閘概率是在試運(yùn)行后的第一個(gè)三年內(nèi)出現(xiàn)。軟件錯(cuò)誤只會(huì)發(fā)生一次，糾正后不再出現(xiàn)，因此造成的不可用性會(huì)逐年遞減。PCP系統(tǒng)未被發(fā)現(xiàn)的軟件錯(cuò)誤而導(dǎo)致強(qiáng)迫停運(yùn)的概率是0.33次跳閘/每年(37.7*10-6次/小時(shí))。

3.2 計(jì)算

下面將根據(jù)上面分析的MACH2系統(tǒng)冗余結(jié)構(gòu)來(lái)計(jì)算出這種冗余結(jié)構(gòu)的可靠性，為了方便計(jì)算事先對(duì)一些板卡及主機(jī)的故障率做出一些合理的假設(shè)，建立相應(yīng)的系統(tǒng)故障數(shù)學(xué)模型。表1將平均故障時(shí)間(MTBF)按回路和工控機(jī)的不同類(lèi)型作出不同假設(shè)[6]。

表1 換流站控保設(shè)備平均故障時(shí)間表

根據(jù)表1假設(shè)，結(jié)合三常直流控制保護(hù)主機(jī)及I/O板卡的實(shí)際配置情況可以大致估算出每種不同設(shè)備的故障率，同時(shí)假設(shè)測(cè)量設(shè)備故障率是40%，則有表2。

表2 設(shè)備故障率

維修時(shí)間r=平均維修時(shí)間(MTTR)+維護(hù)時(shí)間=(1+2)h=3小時(shí)。

以上便建立了完整的換流站控制保護(hù)設(shè)備可靠性分析數(shù)學(xué)模型，根據(jù)以上模型下面將分別計(jì)算出單系統(tǒng)和冗余系統(tǒng)的可靠性，并做出分析比較。下面將分別以換流變或?yàn)V波器保護(hù)以及極控制保護(hù)為例來(lái)進(jìn)行可靠性計(jì)算。

1）換流變保護(hù)及濾波器保護(hù)可用性分析：

換流站的換流變保護(hù)及濾波器保護(hù)均配置在保護(hù)主機(jī)之內(nèi)，除保護(hù)主機(jī)內(nèi)部故障會(huì)導(dǎo)致保護(hù)不可用外，與保護(hù)主機(jī)相連的保護(hù)I/O板卡及保護(hù)主機(jī)上運(yùn)行的軟件發(fā)生故障均會(huì)導(dǎo)致?lián)Q流變保護(hù)及濾波器保護(hù)不可用，圖4為單系統(tǒng)換流變及濾波器保護(hù)可用的必備條件框圖。

圖4 單系統(tǒng)換流變及濾波器保護(hù)可用條件關(guān)系圖

由圖4及表2可以計(jì)算出但系統(tǒng)保護(hù)的故障率。

λTFP/AFP=λP+λPIO+λUse

=(14.16*10-6)+ (37.7*10-6)

=51.86*10-6(次/小時(shí))= 0.45(次/年)

由故障率與維修時(shí)間可以推得單系統(tǒng)保護(hù)的年不可用時(shí)間為：

λTFP/AFP*r=0.45*3=13.5(小時(shí)/年)

圖5 冗余系統(tǒng)換流變及濾波器保護(hù)可用條件關(guān)系圖

圖5為雙系統(tǒng)冗余配置的換流變及濾波器保護(hù)，由上圖計(jì)算出的冗余配置保護(hù)的故障率為：

λTFP/AFP=[2*(λP+λPIO)2] +λUse

=(0.0004* 10-6)+(37.7*10-6)

=37.7004*10-6(次/小時(shí))

=0.3302(次/年)

推得雙系統(tǒng)冗余配置的換流變及濾波器保護(hù)年不可用時(shí)間為：

λTFP/AFP*r=0.3302*3

=0.9906(小時(shí)/年)

2）極控制保護(hù)、閥控和I/O系統(tǒng)可用性分析：

圖6 極控保護(hù)閥控及I/O系統(tǒng)可用條件關(guān)系圖

圖6是以三常直流控制保護(hù)的實(shí)際情況畫(huà)出的極控保護(hù)、閥控及I/O系統(tǒng)可用條件關(guān)系圖，通過(guò)該圖可以清晰的看到三常直流的控制保護(hù)系統(tǒng)是雙重化冗余配置的，根據(jù)上圖可以計(jì)算出該系統(tǒng)的可用性為：

λC&P=[2*(λC&P+λVCIO+λDFT+λTFT+λCCPIO)2]+λUse

=(0.023*10-6)+(37.7*10-6)

=37.723*10-6(次/小時(shí))

=0.3305(次/年)

其不可用時(shí)間為：

λC&P*r=0.3305*3=0.9915(小時(shí)/年)

若系統(tǒng)為單系統(tǒng)，即相當(dāng)于圖9中的B系統(tǒng)不可用則可計(jì)算出故障率為：

λC&P=λC&P+λVCIO+λDFT+λTFT+λCCPIO+λUse

=(194.8*10-6)+(37.7*10-6)

=232.5 *10-6(次/小時(shí))

=2.03(次/年)

其不可用時(shí)間為：

λC&P*r=2.03*3=6.09(小時(shí)/年)

對(duì)上面的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行匯總見(jiàn)表3。

表3可以看出雙系統(tǒng)控制保護(hù)相對(duì)于單系統(tǒng)控制保護(hù)的可靠性有了大幅提高，這對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行有著重要意義。

表3 單系統(tǒng)及冗余系統(tǒng)可用率對(duì)照表

4.總結(jié)與展望

本文對(duì)三常直流的控制軟件中的冗余性進(jìn)行了分析，詳細(xì)介紹了整個(gè)控制保護(hù)系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)，并通過(guò)深入分析和計(jì)算證明了冗余系統(tǒng)的可靠性。

由于作者能力和時(shí)間有限，文中難免會(huì)存在一些不足之處，有待進(jìn)一步的改進(jìn)和完善。本文只是對(duì)控制保護(hù)設(shè)備的冗余配置做了簡(jiǎn)單的可靠性分析，還有許多工作有待進(jìn)一步的深入。本文中介紹的控制保護(hù)系統(tǒng)僅僅以ABB公司的MACH2系統(tǒng)為例，沒(méi)能全面的介紹目前直流系統(tǒng)所采用的控制保護(hù)系統(tǒng)，另外，本文沒(méi)能更深一步的對(duì)MACH2系統(tǒng)做進(jìn)一步研究，對(duì)整個(gè)MACH2系統(tǒng)的細(xì)節(jié)還介紹的不夠全面。因此，研究控制保護(hù)軟件的工作還要繼續(xù)深入。

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[3] K-G Danlelsson.CAN Bus Overview Diagram Zhengping Converter Station[E].ABB Group.2001.

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