唐 俊 王楊正 王永平 鄒 強(qiáng)

基于PCS—9550直流控制保護(hù)平臺(tái)的板卡檢測(cè)系統(tǒng)研制

唐 俊 王楊正 王永平 鄒 強(qiáng)

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

針對(duì)現(xiàn)有板卡檢測(cè)系統(tǒng)的不足，本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一種基于PCS—9550直流控制保護(hù)平臺(tái)的板卡檢測(cè)系統(tǒng)。以降低造價(jià)、節(jié)約空間為約束條件，對(duì)控制保護(hù)主機(jī)單元、分布式IO單元和電子式互感器測(cè)量單元三部分裝置所含板卡進(jìn)行歸類，給出每類板卡的檢測(cè)原理并開(kāi)發(fā)檢測(cè)軟硬件。最后以某±800kV特高壓直流輸電工程的典型板卡為例進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明，該系統(tǒng)能快速準(zhǔn)確地檢測(cè)該工程中基于PCS—9550平臺(tái)的各類型板卡，可以為換流站現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)維工作和科研單位的仿真系統(tǒng)提供支撐。

直流輸電；板卡檢測(cè)；PCS—9550平臺(tái)；控制保護(hù)系統(tǒng)

0 引言

隨著電力設(shè)備制造技術(shù)的進(jìn)步和控制理論的發(fā)展，直流輸電成為高電壓遠(yuǎn)距離電能輸送的主要方式[1-4]。我國(guó)早期直流輸電工程的控制保護(hù)設(shè)備完全依賴于西門子、ABB等國(guó)外公司的產(chǎn)品，經(jīng)過(guò)二十多年的發(fā)展，逐步實(shí)現(xiàn)了自主化[5-7]。

板卡檢測(cè)系統(tǒng)作為直流輸電系統(tǒng)中的重要設(shè)備，主要有兩大功能，一是對(duì)板卡的故障部件進(jìn)行檢測(cè)定位，二是確保備件板卡的完好性。

文獻(xiàn)[8]研究了控制保護(hù)主機(jī)板卡的自動(dòng)檢測(cè)流程，分析了主機(jī)板卡的失效預(yù)測(cè)方法，但對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)和測(cè)試方法的研究不夠深入。文獻(xiàn)[9]提出了基于ABB公司MACH2硬件平臺(tái)的測(cè)試系統(tǒng)方案，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)IO單元的模擬量采集板卡進(jìn)行檢測(cè)，但并未提出主機(jī)等其他設(shè)備的板卡檢測(cè)方案。文獻(xiàn)[10]針對(duì)政平換流站MACH2平臺(tái)的IO板卡開(kāi)發(fā)了一套離線化檢測(cè)系統(tǒng)，并對(duì)部分故障IO板卡進(jìn)行了檢測(cè)試驗(yàn)。

可以看到，現(xiàn)有板卡檢測(cè)系統(tǒng)僅能對(duì)IO單元中的少量板卡進(jìn)行檢測(cè)，存在可檢測(cè)板卡種類少、檢測(cè)功能單一、檢測(cè)結(jié)果展示粗糙等問(wèn)題，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)板卡維護(hù)工作起不到全面有效的支撐。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文對(duì)直流換流站內(nèi)控制保護(hù)系統(tǒng)中所含板卡進(jìn)行全面梳理和功能歸類，以覆蓋所有類型板卡為目標(biāo)，設(shè)計(jì)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)備單元的整體硬件結(jié)構(gòu)?？紤]到各板卡的功能差異，提出板卡間互聯(lián)互測(cè)的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)每一塊板卡的 有效檢測(cè)。

1 總體方案

PCS—9550直流控制保護(hù)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于國(guó)家電網(wǎng)公司和南方電網(wǎng)公司的直流輸電工程中[11-13]，主要包含控制保護(hù)主機(jī)單元、分布式IO單元和電子式互感器測(cè)量單元等部分。

為降低設(shè)備造價(jià)，節(jié)約占地空間，對(duì)板卡檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行緊湊化設(shè)計(jì)，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。IO單元和合并單元將各自采集到的信號(hào)送給主機(jī)單元，主機(jī)單元完成檢測(cè)主邏輯后將結(jié)果送至運(yùn)行人員工作站（operator work station, OWS），最終通過(guò)上位機(jī)監(jiān)控軟件將檢測(cè)報(bào)告呈現(xiàn)到界面上。

圖1 板卡檢測(cè)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

2 硬件設(shè)計(jì)

板卡檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)盡量將工程現(xiàn)場(chǎng)控制保護(hù)系統(tǒng)中所有使用到的板卡都涵蓋進(jìn)來(lái)，只有做到“應(yīng)檢盡檢”，才能在最大程度上發(fā)現(xiàn)故障板卡，保證直流輸電系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。以國(guó)內(nèi)某±800kV特高壓直流工程為例，現(xiàn)場(chǎng)所使用的PCS—9550直流控制保護(hù)系統(tǒng)的各部分硬件配置及主要功能見(jiàn)表1。

可以看到，控制保護(hù)主機(jī)單元、分布式IO單元和電子式互感器測(cè)量單元這三大類設(shè)備中包含多種不同的裝置和相應(yīng)的板卡。統(tǒng)計(jì)換流站現(xiàn)場(chǎng)每一類裝置單元的板卡取并集以后再進(jìn)行集成化精簡(jiǎn)設(shè)計(jì)，得到板卡檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)備單元，設(shè)計(jì)原則示意圖如圖2所示。

表1 某直流輸電工程中PCS—9550系統(tǒng)硬件功能

圖2 板卡檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)備單元設(shè)計(jì)原則示意圖

2.1 主機(jī)單元設(shè)計(jì)

控制保護(hù)系統(tǒng)的主機(jī)分為控制和保護(hù)兩大類，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，其板卡包括電源板卡1、管理CPU板卡、邏輯數(shù)字信號(hào)處理器（digital signal processor, DSP）板卡1、邏輯DSP板卡2、通信DSP板卡1、通信DSP板卡2、通信DSP板卡3、開(kāi)出板卡1、開(kāi)出板卡2。板卡檢測(cè)系統(tǒng)主機(jī)單元配置如圖3所示，包含上述所有板卡，可以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)全覆蓋。

圖3 板卡檢測(cè)系統(tǒng)主機(jī)單元配置

2.2 IO單元設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)IO單元采集的信號(hào)繁多，所使用的板卡種類也各不相同。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，包括電源板卡2、電源板卡3、總線接口板卡、模擬量通信板卡1、模擬量通信板卡2、交流板卡1～6、開(kāi)關(guān)量通信板卡、直流小信號(hào)采樣板卡、開(kāi)入板卡、開(kāi)入開(kāi)出板卡1、開(kāi)入開(kāi)出板卡2。

板卡檢測(cè)系統(tǒng)IO單元配置如圖4所示，包括兩臺(tái)IO設(shè)備單元，其中IO1為長(zhǎng)背板機(jī)箱，可以實(shí)現(xiàn)電源板卡2、總線接口板卡、模擬量通信板卡1～2、交流板卡1～4的檢測(cè)；IO2為短背板機(jī)箱，可以實(shí)現(xiàn)電源板卡3、交流板卡5～6、開(kāi)關(guān)量通信板卡、直流小信號(hào)采樣板卡、開(kāi)入板卡、開(kāi)入開(kāi)出板卡1～2的檢測(cè)。

圖4 板卡檢測(cè)系統(tǒng)IO單元配置

2.3 電子式互感器測(cè)量單元設(shè)計(jì)

電子式互感器測(cè)量系統(tǒng)包括一次測(cè)量線圈、電阻盒、遠(yuǎn)端模塊和合并單元四大部分。一次測(cè)量線圈的檢測(cè)校核由專門的設(shè)備完成，本系統(tǒng)的電子式互感器測(cè)量單元僅包括后級(jí)的電阻盒、遠(yuǎn)端模塊和合并單元三部分。

工程現(xiàn)場(chǎng)有三種不同類型的遠(yuǎn)端模塊和配套的電阻盒，檢測(cè)系統(tǒng)配置一臺(tái)合并單元，可為三種遠(yuǎn)端模塊提供激光能量，同時(shí)將三路數(shù)據(jù)采集匯總后上送給主機(jī)單元。板卡檢測(cè)系統(tǒng)電子式互感器測(cè)量單元結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 板卡檢測(cè)系統(tǒng)電子式互感器測(cè)量單元結(jié)構(gòu)

3 檢測(cè)原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

按照分塊采集，再統(tǒng)一整合的思路進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。檢測(cè)主程序配置在檢測(cè)主機(jī)中，可以完成主機(jī)、IO及電子式互感器單元各個(gè)板卡的檢測(cè)，主程序流程如圖6所示。

圖6 板卡檢測(cè)主程序流程

開(kāi)機(jī)后首先進(jìn)行系統(tǒng)自檢，確保各裝置單元運(yùn)行正常；準(zhǔn)備就緒后，檢測(cè)人員從OWS系統(tǒng)下發(fā)檢測(cè)命令開(kāi)始檢測(cè)；檢測(cè)完成后可以選擇生成并打印相應(yīng)的報(bào)告。以下對(duì)幾種核心板卡的檢測(cè)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

3.1 通信類板卡檢測(cè)

系統(tǒng)中具備通信功能的板卡包括主機(jī)CPU板卡、DSP板卡、IO單元通信板卡、合并單元通信板卡等，這些板卡配置有多路光口，完成裝置間的數(shù)據(jù)交互功能。

通信類板卡采用板卡互聯(lián)的方式進(jìn)行檢測(cè)。將IO單元和合并單元的通信板卡通過(guò)光纖、CAN線等傳輸介質(zhì)連接到主機(jī)板卡的相應(yīng)端口上，在檢測(cè)主程序控制下進(jìn)行板卡間的數(shù)據(jù)交互測(cè)試，該方式可同時(shí)完成對(duì)IO單元、合并單元及主機(jī)板卡相應(yīng)端口的檢測(cè)。對(duì)于主機(jī)的其他板卡或端口，采用同機(jī)板卡互聯(lián)，即主機(jī)板卡1的端口按順序接到主機(jī)板卡2的端口，在檢測(cè)主程序的控制下，通過(guò)板卡間互發(fā)數(shù)據(jù)的方式完成檢測(cè)。通信類板卡的檢測(cè)結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 通信類板卡檢測(cè)結(jié)構(gòu)

3.2 開(kāi)入開(kāi)出類板卡檢測(cè)

主機(jī)和IO單元中均包含開(kāi)入開(kāi)出類板卡，采用互聯(lián)方式進(jìn)行檢測(cè)。將主機(jī)開(kāi)出板卡的開(kāi)出接點(diǎn)依次接入IO單元開(kāi)入板卡的開(kāi)入接點(diǎn)；將IO單元兩塊開(kāi)入開(kāi)出板卡的開(kāi)入開(kāi)出接點(diǎn)交叉互聯(lián)，即將板卡1的開(kāi)出接點(diǎn)接到板卡2的開(kāi)入接點(diǎn)上，板卡2的開(kāi)出接點(diǎn)接到板卡1的開(kāi)入接點(diǎn)上。

通過(guò)設(shè)定檢測(cè)主程序，按序依次對(duì)相應(yīng)板卡進(jìn)行開(kāi)出操作，結(jié)合接收到的開(kāi)入狀態(tài)，即可得知待檢板卡的接點(diǎn)故障情況。開(kāi)入開(kāi)出類板卡的檢測(cè)結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 開(kāi)入開(kāi)出類板卡檢測(cè)結(jié)構(gòu)

3.3 常規(guī)模擬量采集類板卡檢測(cè)

常規(guī)模擬量采集類板卡包含IO裝置中的模擬量采集板卡、模擬量通信板卡和主機(jī)中的邏輯DSP板卡1。模擬量采集板卡采集到電磁式互感器和零磁通互感器的電壓、電流后，通過(guò)模擬量通信板卡以標(biāo)準(zhǔn)的IEC 60044-8協(xié)議上送到主機(jī)單元的邏輯DSP板卡1中。

考慮到上述過(guò)程，將模擬量通信板卡的多路發(fā)送光口與邏輯DSP板卡1的相應(yīng)接收光口相連，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)鏈路上所有相關(guān)板卡的檢測(cè)。

常規(guī)模擬量采集類板卡的檢測(cè)需要標(biāo)準(zhǔn)模擬量信號(hào)源的配合，在屏柜端子排給對(duì)應(yīng)的模擬量采集板卡加入電壓或電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)全鏈路采集傳輸后，在檢測(cè)界面可以看到實(shí)際采集到的模擬量值，通過(guò)和所施加的標(biāo)準(zhǔn)模擬量值對(duì)比，可以判斷出鏈路中待檢板卡的功能完整性和測(cè)量精度。常規(guī)模擬量采集類板卡檢測(cè)結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 常規(guī)模擬量采集類板卡檢測(cè)結(jié)構(gòu)

3.4 電子式互感器測(cè)量類板卡檢測(cè)

根據(jù)2.3節(jié)所述，本系統(tǒng)只對(duì)電阻盒、遠(yuǎn)端模塊和合并單元進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)際一次線圈的輸出由標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源來(lái)模擬。

合并單元的光功率插件給遠(yuǎn)端模塊供能，多路遠(yuǎn)端模塊將采集到的數(shù)據(jù)送給合并單元，再由合并單元將測(cè)量數(shù)據(jù)打包后送至檢測(cè)主機(jī)處理。

類似3.3節(jié)的方式，將合并單元通信板卡的多路發(fā)送光口與邏輯DSP板卡1的相應(yīng)接收光口相連，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)鏈路上所有相關(guān)板卡的功能和精度檢測(cè)。電子式互感器測(cè)量單元檢測(cè)結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 電子式互感器測(cè)量單元檢測(cè)結(jié)構(gòu)

4 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與試驗(yàn)

4.1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

根據(jù)以上設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)了圖11所示板卡檢測(cè)系統(tǒng)。IO單元和檢測(cè)主機(jī)配備了換流站現(xiàn)場(chǎng)IO單元和控制保護(hù)單元的所有類型板卡；AC-DC電源模塊可將220V市電轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)各設(shè)備所需的標(biāo)準(zhǔn)220V直流電源，解決某些單位無(wú)配套直流電源的問(wèn)題；電阻盒、遠(yuǎn)端模塊和合并單元一起實(shí)現(xiàn)對(duì)電子式互感器核心二次部件的檢測(cè)；此外，考慮到合并單元溫升問(wèn)題，配置了風(fēng)扇單元增加散熱。

圖11 板卡檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)物屏柜

4.2 測(cè)試實(shí)例

對(duì)某±800kV換流站使用的所有類型板卡進(jìn)行了檢測(cè)試驗(yàn)，其中四種典型板卡的測(cè)試結(jié)果如下。

1）通信類板卡NR1139A

NR1139A型DSP板卡主要用于控制裝置的核心邏輯運(yùn)算和主機(jī)間通信功能，具有6路高速光口和2路CAN通信口。

NR1139A的6路光口與IO單元開(kāi)關(guān)量通信板卡NR1136D的6路光口相連，2路CAN口與IO單元總線接口板卡NR1201B的CAN口相連。開(kāi)始檢測(cè)后，NR1139A板卡每一個(gè)通信口給IO裝置發(fā)送既定測(cè)試信號(hào)，IO裝置接收到這些信號(hào)后，再返回給NR1139A板卡，在檢測(cè)主程序中經(jīng)過(guò)收發(fā)一致性判斷，便可得出各個(gè)通道的故障情況。NR1139A型邏輯DSP板卡的檢測(cè)結(jié)果如圖12所示。

2）開(kāi)入開(kāi)出板卡NR1520A

NR1520A型開(kāi)入開(kāi)出板卡用于開(kāi)關(guān)的位置采集及分合遙控控制，具有8路開(kāi)入，10路開(kāi)出。NR1520A板卡的檢測(cè)需要和同機(jī)箱的另一種11路開(kāi)入、5路開(kāi)出的板卡NR1530A配合。

圖12 NR1139A型邏輯DSP板卡檢測(cè)結(jié)果

NR1520A板卡的開(kāi)出接點(diǎn)1～9分別與NR1530A板卡的開(kāi)入接點(diǎn)1～9相連，開(kāi)出接點(diǎn)10與NR1530A板卡的開(kāi)入接點(diǎn)10、11相連；NR1520A板卡的開(kāi)入接點(diǎn)1～4分別與NR1530A的開(kāi)出接點(diǎn)1～4相連，開(kāi)入接點(diǎn)5～8與NR1530A的開(kāi)出接點(diǎn)5相連。在端子排上挑開(kāi)待檢NR1520A板卡的開(kāi)出6、8、9、10接線端子和開(kāi)入6、8接線端子以模擬故障。系統(tǒng)按順序依次給NR1520A和NR1530A板卡的每一個(gè)開(kāi)出通道發(fā)出開(kāi)出指令，由于上述端子開(kāi)路，收不到相應(yīng)開(kāi)入信號(hào)，故判斷出NR1520A板卡的接點(diǎn)故障。NR1520A型開(kāi)入開(kāi)出板卡檢測(cè)結(jié)果如圖13所示。

圖13 NR1520A型開(kāi)入開(kāi)出板卡檢測(cè)結(jié)果

3）常規(guī)交流電流采集板卡NR1405A

NR1405A型6輸入交流電流板卡用于電流采集，通道額定電流1A，對(duì)應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)一次5 000A電流。

在屏柜端子排上給NR1405A板卡的通道1接入1A交流電流源后，在界面輸入所加電流的標(biāo)幺值1.00p.u.，點(diǎn)擊開(kāi)始檢測(cè)，系統(tǒng)即可給出當(dāng)前實(shí)測(cè)采樣值5 003.705A和測(cè)量誤差值0.074 1%。NR1405A型交流板卡檢測(cè)結(jié)果如圖14所示。

圖14 NR1405A型交流板卡檢測(cè)結(jié)果

4）電子式互感器測(cè)量單元遠(yuǎn)端模塊NR1458B

NR1458B型遠(yuǎn)端模塊與NR1466A型電阻盒配套使用，用于采集直流電壓。

在屏柜端子排上給NR1466A型電阻盒接入5V直流電壓源后，在界面輸入所加電壓實(shí)際值5.00V，系統(tǒng)即可給出當(dāng)前實(shí)測(cè)采樣值5.000 6V和測(cè)量誤差值0.012 0%。NR1458B型遠(yuǎn)端模塊檢測(cè)結(jié)果如圖15所示。

圖15 NR1458B型遠(yuǎn)端模塊檢測(cè)結(jié)果

5 結(jié)論

本文針對(duì)現(xiàn)有板卡檢測(cè)系統(tǒng)可檢測(cè)板卡種類少、檢測(cè)功能單一、檢測(cè)結(jié)果展示粗略等問(wèn)題，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)用到的控制保護(hù)主機(jī)單元、IO單元和電子式互感器測(cè)量單元等相關(guān)設(shè)備所有類型的板卡進(jìn)行了分類統(tǒng)計(jì)，通過(guò)對(duì)裝置單元配置、系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)、板卡測(cè)試原理等方面的設(shè)計(jì)研究，采用板卡互聯(lián)、裝置互通的方式，開(kāi)發(fā)出了一種基于PCS—9550硬件平臺(tái)的新型板卡檢測(cè)系統(tǒng)。

通過(guò)國(guó)內(nèi)某直流輸電工程實(shí)際板卡的檢測(cè)試驗(yàn)證明，本系統(tǒng)可支持檢測(cè)的板卡種類全、范圍廣，配備的上位機(jī)軟件界面清楚簡(jiǎn)單，操作方便，檢測(cè)報(bào)告完整清晰。此外，系統(tǒng)的板卡離線整定功能支持待更換備品備件的程序下載、參數(shù)整定等工作，避免了直接在運(yùn)行的直流控制保護(hù)系統(tǒng)上操作帶來(lái)的安全隱患。

本系統(tǒng)可以為換流站日常運(yùn)維檢修工作中的定位板卡故障部件提供技術(shù)保障，為現(xiàn)場(chǎng)備品備件的可靠檢測(cè)提供全面支撐，為電力科研單位仿真系統(tǒng)的板卡日常維護(hù)提供檢測(cè)手段，同時(shí)也為其他類似的檢測(cè)系統(tǒng)提供了一種新的設(shè)計(jì)思路。

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Development of board detection system based on PCS—9550 HVDC control and protection platform

TANG Jun WANG Yangzheng WANG Yongping ZOU Qiang

(NR Electric Co., Ltd, Nanjing 211102)

In view of the shortcomings of the existing board detection system, a board detection system based on the PCS—9550 HVDC control and protection platform is designed and developed. In this paper, with the constraints of reducing the cost and saving space, the boards in the control and protection host unit, distributed IO unit and electronic transformer measurement unit are classified, the detection principle of each kind of board is proposed, and the software and hardware are developed. Finally, typical boards of a ±800kV UHVDC transmission project are tested. The results show that the system can detect different types of boards based on PCS—9550 HVDC control and protection system quickly and accurately, as well as provide support for the operation and maintenance work of the converter station and the simulation system of the scientific research unit.

high voltage direct current (HVDC) transmission; board detection; PCS—9550 platform; control and protection system

2021-07-13

2021-08-11

唐 俊（1987—），男，重慶人，碩士，工程師，主要從事直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)相關(guān)的研究和開(kāi)發(fā)工作。