换流站极控通讯结构异常分析及优化研究

田桂花，陈刚，任瑞武，张宏

(国网湖南省电力公司检修公司，湖南长沙410002)

换流站极控通讯结构异常分析及优化研究

田桂花，陈刚，任瑞武，张宏

(国网湖南省电力公司检修公司，湖南长沙410002)

本文阐述了直流输电工程中直流控保系统的通讯结构，深入分析启极异常案例，发现其通讯系统存在PCIF板卡负载率高的问题。针对该问题采用修改事件运行周期的方法来达到降低PCIF板卡负载率，并在实践中得到验证。最后，提出进一步优化改进方案，意在从根本上解决通讯异常问题，从而提高直流控保系统的可靠性。

控保系统；通讯结构；启极异常；PCIF板卡；负载率

直流输电工程中，直流控保系统主要用于站内直流输电设备的控制和调节，对设备的安全稳定运行起着至关重要的作用。其中，直流控制系统采用双重化冗余设计，直流保护系统采用三重化冗余设计〔1〕，各控保系统间的通讯信号一旦出现故障告警，就会使控保系统进行一次系统切换，从而降低了系统运行的稳定性。若备用系统存在同样的故障，则直接导致双控制系统退出运行，最终导致相关保护动作跳闸甚至极闭锁。由此可见，通讯信号在直流控制保护中发挥着重要的作用，因此研究换流站极控通讯问题是很必要的。

1 直流极控通讯系统简介

图1 极控通讯结构

采用ABB MACH2技术路线的换流站，其极Ⅰ极控系统的通讯结构如图1所示，包括极控PCPA系统和极控PCPB系统。PCPA系统包含有2个主机MC1和MC2，主机MC1中包含有PCIA，PCIB，PCIC，PCIF共 4块板卡，主机 MC2中包含有PCIA，PCIB，PCIF共3块板卡。PCPB系统包含有相同的配置〔2〕。其中，PCIF板卡承担着站内极间通讯、站间通讯以及阀控间通讯的重要任务，若PCIF板卡故障，将会造成通讯信号发故障告警，从而导致系统切换，甚至极闭锁。因此，深入探索主机通信板卡故障原因，找出解决通讯板卡故障问题的方法，对今后直流系统的稳定运行有较大意义。

2 极控通讯异常案例分析

2.1 直流系统解锁异常概况

故障前运行工况:在两端的换流站年度检修结束后，调整交流场设备状态，投入相关保护装置，交流场设备逐步由检修状态→冷备用状态→热备用状态→运行状态。极Ⅰ，极Ⅱ在大地回线 (GR)热备用状态。

故障过程简述:对极Ⅰ做带线路OLT试验时，一切正常。在极Ⅱ做带线路OLT试验时，事件记录:极Ⅱ阀误触发跳闸信号，直流系统X类极闭锁。P2A1，P2B1发紧急故障和阀接口故障，且极ⅡB系统发遥控极通讯故障，P2A1和P2B1主机PCIF板卡同时存在STALL故障信息，与此同时，对站也在频繁发送PCIF STALL故障信息，最终OLT试验失败。极Ⅱ做带线路OLT试验时发生类似故障问题。

2.2 换流站启极异常原因分析

现场对极Ⅱ换流阀本体进行检查试验，未发现有红灯等报警信号，确认阀本体、光纤回路及阀控软件正常，由此排除换流阀本体故障的可能性。有阀故障事件记录信息 “VCU Interface Faulty.Fault code 4095”，将代码4095转换为二进制: “1111 1111 1111”，表示12个VCU全部故障，通过超级终端连接阀控和极控THM接口A和B系统，未发现VCU单元告警信息，且12个VCU单元同时故障可能性较小，于是又排除换流阀阀控单元故障的可能性〔3〕。因此，可将故障范围缩小到极控和阀控接口上。

由阀控触发原理可知，若PCIF板卡故障，将会导致触发脉冲集成逻辑FPGA芯片不能正确读取PCIF板卡送来的ACTIVE/STANDBY信号，从而使PS906不能收到PCIA传来的CP脉冲，则没有FP脉冲反馈给PCIA，PCIA收不到FP脉冲就会报出点火脉冲丢失和阀接口故障报警〔4-5〕，这与上述报警信息一致，因此可判定造成上述异常的原因为PCIF板卡故障。PCIF板卡STALL故障很可能是由PCIF板卡负载率高引起。因此，处理本故障就转化为研究降低PCIF板卡负载率的方法。

3 极控通讯板卡优化研究及改进措施

3.1 PCIF板卡负载率测试研究

针对上述通讯板卡存在负载率高的问题，采用仿真测试试验来研究影响通讯板卡负载率的因素:考虑OLT信号对PCIF板卡负载率的影响；考虑软件程序对PCIF板卡负载率的影响。

1)就第一种因素做如下测试，仿真实验在德宝仿真系统上进行，测试OLT信号对PCIF负载率的影响，测试结果如表1所示:

表1 OLT信号对PCIF板卡负载率影响 %

由测试结果可知，OLT信号增加与否，对PCIF负载率基本上无影响。

2)就第二种因素做如下测试，Level 1页面和Level 3页面分别对应不同的程序执行周期，其中，Level 1中的程序执行周期较Level 3中的短，亦即程序执行频率高。Level 1页面包含有2个事件:事件PCIF MAINCPU STALL和事件Emergency Fault Trip。若将Level 1页面中的程序事件移至Level 3页面，则该事件的执行周期将发生变化。在德宝仿真系统上，具体测试过程如表2所示:

表2 软件程序对PCIF板卡负载率影响 %

由以上测试结果可知，当程序事件的执行周期越短时，PCIF板卡负载率将越高；反之，则降低。因此，适当延长程序事件的执行周期，减小其执行频率，可有效降低PCIF板卡负载率。

3.2 优化方案研究

由以上仿真测试可知，造成PCIF STALL故障的直接原因是PCIF板卡负载率高，其根本原因是相关的软件设计存在不足。若PCIF板卡故障，针对在运的控保设备，相应的应急解决措施如下:

步骤1:重启故障主机，观察故障是否消除，若故障消除，则说明PCIF板卡无故障，否则，执行步骤2；

步骤2:若故障依旧存在，说明PCIF板卡确已故障，于是更换故障PCIF板卡，再次重启控保主机。

应急解决措施并不能从根本上消除板卡Stall故障问题，软件设计不合理才是问题的根本所在。因此，降低板卡负载率、修改软件程序、改善板卡通讯结构才是解决问题的关键。

具体优化措施如下:对PCIF板卡软件程序中的故障告警事件运行周期进行调整。由于事件Emergency Fault Trip转移到其他程序页面后会对跳闸事故原因分析有影响，因此未给予转移；在此仅将Level1“MC1＼PCIF＼PERMSEND.hgf”页面中的事件 PCIF MAINCPU STALL移至 Level 3“MC1＼PCIF＼OKSIG.hgf”中以降低PCIF负载率。

3.3 优化改进成果

软件修改后做了相应测试，试验方法及测试结果如下表3—4所示。修改软件前后PCIF负载率对比如表5所示。

表3 试验方法：debug信号

表4 直流极控系统通讯软件修改试验记录

表5 修改软件前后PCIF负载率 %

由测试结果可知，软件修改后，极控系统一切正常，PCIF负载率有所降低。优化后半年内未出现过类似故障问题，可见该方法行之有效。

3.4 进一步优化建议

上述通讯故障问题虽然已经得到优化改善，但仍有不足之处，在此提出两种负载率更低、可靠性更高的通讯板卡改造方案，利用升级通讯系统避免通讯板卡Stall故障再次发生。

1)若在短期内对 PCIF板卡进行优化改造，采用能兼容的、经过升级的通信控制器S5933，同时修改PCI的用户侧，该用户侧通过CPLD实现PCI侧与PS820上DSP和CPU的数据交互，经优化CPLD代码，可提高PS820与PCI侧交互数据速率，从而降低板卡负载率。

2)若从长远规划，采用特高压工程中的设计方法，用PS803板卡和PS932板卡替代原PS820板卡实现常规直流站中通讯功能，此方案拟以龙政站为试点，验证方案的可行性及可靠性。在试点成功后，即可将此方案引申到存在此类隐患的常规直流换流站站中进行推广革新。

4 结束语

文中由常规换流站在检修中的解锁异常事件，引出直流控保通讯结构存在PCIF板卡负载率高的问题。通过分析原因以及对通讯板卡进行反复测试，提出调整告警事件运行周期的优化措施，使得PCIF板卡负载率得以降低，改善效果明显。此外，进一步提出修改软件代码或更换通讯板卡的优化措施，从根本上解决通讯板卡负载率高的问题。

〔1〕王晓希，王聿升，李建建，等.特高压直流换流站岗位培训教材/二次 〔M〕.北京:中国电力出版社，2012.

〔2〕国网湖南省电力公司.500 kV鹅城换流站现场运行规程设备概况分册 〔Z〕.2015.

〔3〕焦晨骅，胡珀，郑映斌，等.阀及阀控系统隐患排查工作报告〔R〕.2011.

〔4〕范琪，胡伟，张宏，等.鹅城换流站阀控系统分析及故障处理〔J〕.湖南电力，2013，33(5):55-57.

〔5〕康文，张宏.晶闸管换流阀 (ABB)阀控系统典型故障及处理方法汇编ver2.0〔G〕.2014.

Analysis and optimization research for abnormal pole control communication structure of converter station

TIAN Guihua，CHEN Gang，REN Ruiwu，ZHANG Hong

(State Grid Hunan Electric Power Corporation Maintenance Company，Changsha 410002，China)

This paper expounds the communication structure of control and protection system for the HVDC project，and finds that the communication systems has the problem of high load rate in board PCIF through in-depth analysis of abnormal start case.An optimization method that through modifying software event operation cycle to achieve lower load rate in board PCIF is put forward，which has been verified in practice.Finally，the further optimization and improvement scheme is provided to fundamentally resolve the problem of communication abnormality，so as to improve the reliability of the DC control and protection system.

control and protection system；communication structure；abnormal pole starting；PCIF board；load rate

TM77

B

1008-0198(2016)04-0070-03

10.3969/j.issn.1008-0198.2016.04.018

田桂花(1988)，女，山西临汾人，硕士研究生，目前从事直流输电工程运维检修工作。

2015-12-14