黃華，甘卿忠，王坤，徐晟

（南方電網(wǎng)超高壓輸電公司廣州局，廣東 廣州 510000）

0 引言

目前，南方電網(wǎng)貴廣I、II回直流輸電工程控制保護(hù)系統(tǒng)均采用西門子公司的SIMADYN D平臺(tái)，當(dāng)直流系統(tǒng)發(fā)生故障導(dǎo)致保護(hù)動(dòng)作時(shí)，需要使用專用的PG連接SIMADYN D裝置讀取TRACE錄波進(jìn)行故障分析。隨著直流輸電工程運(yùn)行年限的增加，多數(shù)配套的專用PG已經(jīng)老化，市面已淘汰類似產(chǎn)品，無(wú)法購(gòu)買備品，一旦損壞將無(wú)法修復(fù)[1-2]；讀取TRACE錄波時(shí)，為防止保護(hù)誤動(dòng)，需要退出本套保護(hù)裝置，同時(shí)要求工作人員具備必要的專業(yè)技能，工作耗時(shí)長(zhǎng)；特別是使用PG連接SIMADYN D保護(hù)裝置的過(guò)程中裝置可能報(bào)通訊故障，此時(shí)需要對(duì)裝置進(jìn)行斷電重啟，重啟后裝置TRACE錄波丟失，無(wú)法利用TRACE錄波進(jìn)行分析。

本文通過(guò)對(duì)SIMADYN D保護(hù)裝置TRACE錄波功能、I/O接口傳輸方式及相關(guān)傳感器的工作原理進(jìn)行研究，提出了一種將SIMADYN D保護(hù)裝置TRACE錄波接入站內(nèi)故障錄波系統(tǒng)的方法。該方法的實(shí)施可在SIMADYN D保護(hù)裝置動(dòng)作后，TRACE錄波自動(dòng)存儲(chǔ)到站內(nèi)故障錄波系統(tǒng)，不需使用PG連接到保護(hù)裝置讀取TRACE錄波，不需退出相關(guān)保護(hù)，不要求工作人員有很好的專業(yè)技能，可以快速地從站內(nèi)故障錄波系統(tǒng)中導(dǎo)出TRACE錄波進(jìn)行分析，提高對(duì)事故的快速分析及處理。

1 TRACE錄波功能介紹

SIMADYN D保護(hù)裝置保護(hù)程序固化在EP31板卡[3]中，根據(jù)保護(hù)功能的不同，一套SIMADYN D保護(hù)裝置可配置多個(gè)EP31板卡。在每個(gè)EP31板卡中均內(nèi)置TRACE錄波功能，用于記錄系統(tǒng)故障時(shí)刻的故障錄波信息。

保護(hù)程序內(nèi)實(shí)現(xiàn)TRACE錄波功能的模塊為TRI.B[4]，其功能示意圖如圖1所示。LNG為錄波長(zhǎng)度設(shè)置管腳，管腳值為采樣點(diǎn)數(shù)，采樣點(diǎn)數(shù)乘以TRI模塊運(yùn)行一個(gè)周期的時(shí)間即是TRI模塊的錄波長(zhǎng)度時(shí)間。X為錄波輸入管腳，TRI模塊存儲(chǔ)的TRACE錄波為該管腳輸入的模擬量數(shù)值。IR為TRI模塊觸發(fā)管腳，系統(tǒng)無(wú)故障時(shí)，管腳置0，TRI模塊不啟動(dòng)錄波功能；系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)動(dòng)作出口將IR管腳置1，TRI模塊啟動(dòng)錄波功能，根據(jù)LNG設(shè)定好的采樣點(diǎn)數(shù)按一個(gè)運(yùn)行周期一個(gè)點(diǎn)數(shù)將X管腳的模擬量數(shù)值按時(shí)間順序記錄并保存。利用專用PG連接保護(hù)裝置即可將TRI.B模塊保存的錄波數(shù)據(jù)導(dǎo)出，使用錄波分析軟件對(duì)TRACE錄波進(jìn)行分析。

圖1 TRI模塊示意圖Fig.1 Schematic diagram of the TRI block

由于SIMADYN D保護(hù)裝置無(wú)人機(jī)交互界面，動(dòng)作時(shí)若想讀取TRI.B模塊內(nèi)存儲(chǔ)的TRACE錄波，必須退出該保護(hù)裝置，作業(yè)人員需具備必要的專業(yè)技能，使用專用PG通過(guò)交叉串口線連接至裝置將TRI.B模塊存儲(chǔ)的TRACE錄波導(dǎo)出，如圖2所示。隨著直流系統(tǒng)運(yùn)行年限的增加，多數(shù)配套的專用PG已經(jīng)老化，市面已淘汰類似產(chǎn)品，無(wú)法購(gòu)買合適的備品，PG一旦損壞將無(wú)法修復(fù)；特別是在使用PG連接SIMADYN D保護(hù)裝置的過(guò)程中可能發(fā)生裝置通訊故障，需要對(duì)裝置進(jìn)行斷電重啟，重啟后裝置內(nèi)TRI.B模塊存儲(chǔ)的TRACE錄波會(huì)丟失，無(wú)法獲取TRACE錄波進(jìn)行分析。

圖2 SIMADYN D保護(hù)裝置TRCAE錄波讀取原理圖Fig.2 Schematic diagram of reading TRACE recording built in protection devices of SIMADYN D

針對(duì)SIMADYN D保護(hù)裝置TRACE錄波功能在事故處理方面的局限性，本文從SIMADYN D保護(hù)裝置相關(guān)板卡傳輸接口的研究入手，通過(guò)對(duì)EP31板卡內(nèi)部的軟件邏輯程序進(jìn)行編程，將TRACE錄波從保護(hù)裝置內(nèi)輸出，經(jīng)ATR YM12傳感器和光耦的隔離和放大后，接入站內(nèi)故障錄波系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)TRACE錄波可以簡(jiǎn)便從站內(nèi)故障錄波系統(tǒng)導(dǎo)出分析，極大地提高了事故處理響應(yīng)的速度。

2 SIMADYN D保護(hù)裝置數(shù)據(jù)接口研究

SIMADYN D保護(hù)裝置硬件由不同的板卡組成，一套SIMADYN D保護(hù)裝置可以選擇不同的硬件板卡類型和數(shù)量用以實(shí)現(xiàn)不同的功能[3-6]。南方電網(wǎng)貴廣I、II回直流輸電工程SIMADYN D保護(hù)裝置主要使用EP31和IM31板卡[5]實(shí)現(xiàn)保護(hù)的邏輯功能，EP31板卡均配有IM31板卡，EP31用于完成保護(hù)邏輯的運(yùn)算，IM31板卡用于完成模擬量輸入、開(kāi)關(guān)量輸入和輸出功能。

2.1 EP31板卡X7（analog outputs）接口研究

EP31是SIMADYN D系統(tǒng)中的處理器板卡,適用于快速閉環(huán)控制和數(shù)字計(jì)算，以及與直流輸電系統(tǒng)的換流器有關(guān)的特殊控制功能，包括門控單元和快速模擬信號(hào)處理等[3]。EP31板卡有一個(gè)具備模擬量輸出的接口X7，可完成8路模擬量的輸出，其管腳定義如表1所示。

為實(shí)現(xiàn)EP31板卡內(nèi)部模擬量的輸出，保護(hù)程序設(shè)置一個(gè)與X7接口對(duì)應(yīng)的數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊DA8.B（Digital/Analog Converter），該模塊具有8個(gè)模擬量輸入管腳，分別對(duì)應(yīng)EP31板卡的8路模擬量輸出通道，DA8.B功能塊如圖3所示，管腳輸入的數(shù)值以百分?jǐn)?shù)形式顯示，經(jīng)DA8.B模塊的轉(zhuǎn)換后變成X7接口的電壓量，其轉(zhuǎn)換關(guān)系如下：±200%=+10V。

表1 EP31板卡X7接口管腳定義Table 1 Definitions of X7 interface pins in the board of EP31

圖3 DA8.B模塊示意圖Fig.3 Schematic diagram of the DA8.B block

在現(xiàn)有的直流輸電工程中，EP31板卡的模擬量輸出接口均未使用，可將接入TRACE模塊的模擬量通過(guò)編程接入DA8.B模塊，經(jīng)DA8.B模塊轉(zhuǎn)換成模擬量輸出接口的電壓量，實(shí)現(xiàn)TRACE錄波模擬量的輸出。

2.2 IM31板卡X4（Binary outputs）接口研究

IM31是配合EP31使用的專用板卡，具有9路模擬量輸入通道，16路開(kāi)關(guān)量輸入通道，16路開(kāi)關(guān)量輸出通道。IM31與EP31配合使用完成模擬量輸入、開(kāi)關(guān)量輸入、開(kāi)關(guān)量輸出、過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)、熄弧角測(cè)量、通信、診斷等功能[5]，其16路開(kāi)關(guān)量輸出通道管腳定義如表2所示。

表2 IM31板卡X4接口管腳定義Table 2 Definitions of X4 interface pins in the board of IM31

為實(shí)現(xiàn)EP31板卡內(nèi)部開(kāi)關(guān)量經(jīng)IM31板卡的輸出，保護(hù)程序設(shè)置一個(gè)與IM31板卡X4接口對(duì)應(yīng)的16位開(kāi)關(guān)量輸出模塊BA16.B（16 Bit Binary Output via IM1 Plug-On Card），該模塊具有16個(gè)開(kāi)關(guān)量輸入管腳，分別對(duì)應(yīng)IM31板卡的16路開(kāi)關(guān)量輸出通道，BA16.B功能塊如圖4所示。BA16.B模塊的AD管腳為硬件地址管腳，將該管腳值設(shè)置為IM31板卡X4接口的開(kāi)關(guān)量輸出接口地址后，當(dāng)BA16.B模塊開(kāi)關(guān)量輸入管腳置1時(shí)，可在IM31板卡開(kāi)關(guān)量輸出通道的相應(yīng)管腳測(cè)量到開(kāi)關(guān)量輸出電平。

圖4 BA16.B模塊示意圖Fig.4 Schematic diagram of the BA16.B block

在現(xiàn)有的直流輸電工程中，EP31板卡內(nèi)保護(hù)邏輯動(dòng)作或者告警信號(hào)，如緊急停運(yùn)、閉鎖換流器、閉鎖點(diǎn)火脈沖、軟件告警等，都經(jīng)IM31板卡的開(kāi)關(guān)量輸出接口輸出保護(hù)裝置。TRACE錄波啟動(dòng)量可參考保護(hù)邏輯動(dòng)作信號(hào)的傳輸方式，在保護(hù)程序內(nèi)通過(guò)編程，利用BA16.B模塊的備用管腳，將TRACE錄波啟動(dòng)量經(jīng)IM31板卡的開(kāi)關(guān)量輸出接口輸出，實(shí)現(xiàn)TRACE錄波啟動(dòng)量的輸出。

3 軟件邏輯編程研究

上文研究確定了TRACE錄波的傳輸路徑，還需對(duì)EP31保護(hù)程序進(jìn)行編程，才能實(shí)現(xiàn)邏輯程序數(shù)字量到接口電壓模擬量的轉(zhuǎn)換[7-8]，完成TRACE錄波的的輸出。南方電網(wǎng)貴廣I、II回直流輸電工程SIMADYN D保護(hù)裝置內(nèi)每個(gè)EP31板卡TRACE模塊存儲(chǔ)的模擬量錄波不同，但所有模擬量數(shù)據(jù)傳輸形式一致，接口傳輸路徑一致，故本文基于貴廣II回直流輸電工程SIMADYN D保護(hù)裝置現(xiàn)場(chǎng)的程序，以直流線路電流IdH模擬量為例進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)IdH模擬量的輸出。

直流線路電流IdH在保護(hù)軟件邏輯程序內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后，分別接入極差動(dòng)保護(hù)（87DCM）、

閥組差動(dòng)保護(hù)（87CG）、星側(cè)短路保護(hù)（87CSY）、角側(cè)短路保護(hù)（87CSD）用于保護(hù)邏輯判斷，同時(shí)接入TRACE錄波模塊TRI.B，保護(hù)動(dòng)作信號(hào)經(jīng)或門模塊OR_4.B啟動(dòng)TRI.B模塊進(jìn)行錄波，邏輯圖如圖5所示。為完成TRACE錄波的的輸出，在圖5中，通過(guò)編程將直流線路電流IdH接入數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊DA8.B的X2管腳，經(jīng)DA8.B模塊將IdH電流量轉(zhuǎn)換成EP31板第二個(gè)模擬量輸出通道的電壓；將保護(hù)動(dòng)作啟動(dòng)TRACE錄波的啟動(dòng)信號(hào)接入M31板卡16位開(kāi)關(guān)量輸出模塊BA16.B的備用管腳I6，經(jīng)BA16.B模塊轉(zhuǎn)換成M31板卡第六個(gè)開(kāi)關(guān)量輸出通道的電壓。

4 外部接線實(shí)現(xiàn)方式研究

SIMADYN D保護(hù)裝置與站內(nèi)故障錄波系統(tǒng)使用不用的電源系統(tǒng)，保證系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確性的同時(shí)，還需做好系統(tǒng)之間的隔離。因此采用ATR YM12傳感器完成系統(tǒng)之間模擬量的傳輸，采用光耦完成系統(tǒng)之間開(kāi)關(guān)量的傳輸。

ATR YM12是一種雙通道差分放大器（Differential Amplifier 2 Channel）， 其 工 作原理如圖6所示。分別為ATR YM12的兩個(gè)電壓輸入通道，Vout為輸出電壓，對(duì)于完全對(duì)稱的差分放大器來(lái)說(shuō)，輸出電壓可以表示為，Ad為差模增益。根據(jù)ATR YM12傳感器的工作原理可知，ATR YM12傳感器即可以很好的起到隔離作用，同時(shí)又保證了TRACE錄波的傳輸準(zhǔn)確性。

圖5 軟件邏輯優(yōu)化圖Fig.5 Optimization diagram of the software logical

圖6 差分放大器電路圖Fig.6 Circuit diagram of differential amplifier

5 系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

根據(jù)上文的研究，得出SIMADYN D保護(hù)裝置TRACE接入站內(nèi)故障錄波系統(tǒng)的簡(jiǎn)圖如圖7所示。SIMADYN D保護(hù)裝置采集外部輸入的模擬量，經(jīng)濾波模塊的運(yùn)算后接入保護(hù)邏輯用于邏輯判斷，接入TRACE進(jìn)行錄波，同時(shí)通過(guò)編程接入EP31板卡的模擬量輸出接口轉(zhuǎn)換成相應(yīng)電壓量后，經(jīng)ART YM12傳感器接入站內(nèi)故障錄波系統(tǒng)。保護(hù)信號(hào)接入TRACE啟動(dòng)錄波的同時(shí)，通過(guò)編程另接入IM31板卡開(kāi)關(guān)量輸出接口轉(zhuǎn)換成電壓?jiǎn)?dòng)信號(hào)，經(jīng)光耦隔離后接入站內(nèi)故障錄波系統(tǒng)用于啟動(dòng)錄波。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，保護(hù)不啟動(dòng)，TRACE及站內(nèi)故障錄波系統(tǒng)不錄波；當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)動(dòng)作同時(shí)啟動(dòng)TRACE及站內(nèi)故障錄波系統(tǒng)，兩個(gè)系統(tǒng)在同一時(shí)刻進(jìn)行錄波。

圖7 TRACE接入故障錄波系統(tǒng)簡(jiǎn)圖Fig.7 Schematic diagram of TRACE recording access to the transient fault record system

6 驗(yàn)證試驗(yàn)

仿真驗(yàn)證試驗(yàn)使用RTDS仿真平臺(tái)和貴廣II回直流控制保護(hù)仿真系統(tǒng)，模擬逆變側(cè)換流器接地故障，分別讀取SIMADYN D保護(hù)裝置TRACE錄波及站內(nèi)故障錄波系統(tǒng)錄波進(jìn)行分析比較。RTDS仿真平臺(tái)輸出的直流線路電流IdH如圖8所示，IdH電流波形以一次值顯示；讀取的TRCACE錄波如圖9所示，IdH電流波形以百分?jǐn)?shù)形式顯示；讀取的站內(nèi)故障錄波系統(tǒng)錄波如圖10所示，IdH電流波形以ATR YM12傳感器輸出的電壓形式顯示。

在RTDS系統(tǒng)輸出的IdH電流波形中，系統(tǒng)故障前IdH電流值為3000A，故障發(fā)生后電流最大值達(dá)到5151A，保護(hù)動(dòng)作后70ms電流降為0。在TRACE錄波中，電流以9000A為基準(zhǔn)值，IdH電流一次值除以基準(zhǔn)值后以百分?jǐn)?shù)形式顯示，由TRACE波形圖可知，故障前IdH電流為33.33%，故障發(fā)生后電流最大值為63.3%，保護(hù)動(dòng)作后70ms電流降為0，按基準(zhǔn)值換算成一次電流后，基本與RTDS錄波的電流一致。在站內(nèi)故障錄波系統(tǒng)中，得到的是經(jīng)ATR YM12傳感器輸出的電壓波形，該電壓波形由數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊DA8.B和EP31模擬量輸出接口將IdH電流值轉(zhuǎn)換而成，故障前電壓為1.66V，故障發(fā)生后電壓最大值為3.17V，保護(hù)動(dòng)作后電壓在約75ms后降到0，按EP31板卡模擬量輸出接口電壓電流轉(zhuǎn)換關(guān)系換算后得到的電流百分值一致。在站內(nèi)故障錄波系統(tǒng)中，在相應(yīng)模擬量通道設(shè)置合適的變比即可將ATR YM12傳感器輸出的電壓波形按比例放大轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)一次電流波形。

圖8 RTDS仿真平臺(tái)IdH電流波形圖Fig.8 Waveform diagram of IdH current of RTDS simulation platform

圖9 TRACE錄波IdH電流波形圖Fig.9 Waveform diagram of IdH current of TRACE Recorder

圖10 故障錄波系統(tǒng)IdH電流波形圖Fig.10 Waveform diagram of IdH current of transient fault record system

以上分析可知，系統(tǒng)故障時(shí)TRACE錄波和站內(nèi)故障錄波系統(tǒng)讀取的IdH電流波形與RTDS系統(tǒng)輸出的波形在同一時(shí)刻保持一致，只需導(dǎo)出站內(nèi)故障錄波系統(tǒng)錄波即可對(duì)故障進(jìn)行分析。從而驗(yàn)證了本文提出的SIMADYN D保護(hù)裝置TRACE接入故障錄波系統(tǒng)的方法是可行的。

7 結(jié)論

本文指出了SIMADYN D保護(hù)TRACE錄波功能在事故處理方面的局限性，針對(duì)這一問(wèn)題，研究了SIMADYN D保護(hù)裝置內(nèi)TRACE錄波功能、I/O接口傳輸方式以及相關(guān)傳感器的工作原理，提出將TRACE錄波模擬量經(jīng)EP31板卡模擬量輸出接口輸出SIMADYN D保護(hù)裝置，通過(guò)ATR YM12傳感器轉(zhuǎn)換后接入站內(nèi)故障錄波系統(tǒng)，同時(shí)將TRACE錄波啟動(dòng)量經(jīng)IM31板卡開(kāi)關(guān)量輸出接口輸出SIMADYN D保護(hù)裝置，經(jīng)光耦隔離后接入站內(nèi)故障錄波系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)將TRACE錄波接入站內(nèi)故障錄波系統(tǒng)的方法。仿真實(shí)驗(yàn)表明，該方法可以實(shí)現(xiàn)在故障發(fā)生SIMADYN D保護(hù)裝置動(dòng)作后，將裝置內(nèi)TRACE錄波自動(dòng)存儲(chǔ)到站內(nèi)故障錄波系統(tǒng)，無(wú)需開(kāi)展TRACE錄波讀取工作，避免退出相關(guān)保護(hù)，提高事故分析及處理的速度。不僅為南網(wǎng)貴廣I、II回直流輸電工程控制保護(hù)系統(tǒng)提供有力的運(yùn)行維護(hù)技術(shù)支撐，而且為將來(lái)我國(guó)高壓直流輸電技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展積累經(jīng)驗(yàn)。